تعیین فاکتور اصطکاک شکل بستر رودخانه‌های درشت‌دانه در ‏حضور لایه سپر

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان، همدان، ایران

چکیده

فاکتور اصطکاک نقش بنیادی و مؤثری در محاسبات هیدرولیکی ایفا می کند. در رودخانه های درشت دانه، فاکتور اصطکاک وابسته به اندازه ذرات و شکل بستر است. وجود دامنه وسیعی از اندازه های ذرات در این رودخانه ها و توسعه لایه سپر اثرات قابل توجهی بر فاکتور اصطکاک دارد. بدین منظور در این مطالعه به تعیین فاکتور اصطکاک شکل بستر در حضور لایه سپر پرداخته شد و معادله اصطکاکی مبتنی بر برآورد فاکتور اصطکاک ذره از اصطکاک کل بدست آمد. تحلیل معادله استخراج شده نشان داد که فاکتور اصطکاک مستقل از توزیع اندازه ذرات تشکیل دهنده بستر و حداکثر اندازه آن ها است و پارامتر اصلی کنترل کننده آن شیب خط انرژی می باشد. نتایج، حاصل از ارتباط فاکتور اصطکاک با آستانه حرکت و بازآرایی ذرات درشت دانه در پوشش سپر می باشد. از روش کلگان به منظور صحتسنجی معادله حاصل استفاده شد که نتایج حاکی از توافق 80 درصدی میان دو روش بود. همچنین، تعلق بخش اعظمی از فاکتور اصطکاک کل به فاکتور اصطکاک شکل بستر 40 درصد) نمایانگر تأثیر بالای شکل بستر بر مقاومت جریان است. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که تشکیل و ) توسعه لایه سپر با افزایش ضریب زبری سبب افزایش فاکتور اصطکاک و کاهش سرعت متوسط جریان شده و با کاهش پارامتر شیلدز بحرانی، افزایش پایداری بستر را به دنبال داشت. مشاهدات میدانی به منظور آزمون روش ها استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها


اخروی، س.س.، افضلی‌مهر، ح.، نظیری، د. و شهرکی، ن. (۱۳۹۲). "ویژگی‌های پروفیل سرعت در توالی برآمدگی و فرورفتگی‌ها- منطقه مورد مطالعه: اردل از توابع شهرکرد". دوازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، تهران.

Acaroglu, E.R. (1972). "Friction factors in solid material systems". J. Hydr. Div. 98(HY4), 681-699.

Ackers, P. and White, W.R. (1973). "Sediment transport: New approach and analysis." J. Hydr. Div. 99(HY11), 2041-2060.

Afzalimehr, H. (2010). "Effect of flow non-uniformity on velocity and turbulence intensities in flow over a cobble-bed". Hydrol. Process. 24, 331-341.

Afzalimehr, H., Singh, V.P. and  Fazel Najafabadi, E. (2010). "Determination of Form Friction Factor". J. Hydrol. Eng. 15(3):237-243.

Billi, P. (1988). "A note on cluster bedform behaviour in a gravel-bed river". Catena. 15(5):473-481.

Brayshaw, A.C., Frostick, L.E. and Reid, I. (1983). "The hydrodynamics of particle clusters and sediment entrainment in coarse alluvial channels". Sedimentology. 30(1):137-143.

Bathurst J.C. (2002). "At-a-site variation and minimum flow resistance for mountain rivers". J. Hydrol. 269, 11-26.

Brownlie, W.R. (1983). "Flow depth in sand-bed channels". J. Hydraul. Eng. 109(7):959-990.

Carling, P.A. (1991). "An appraisal of the velocity-reversal hypothesis for stable pool-riffle sequences in the river severn, England". Earth Surf. Processes Landforms. 16(1):19-31.

Church, M. and Hassan, M.A. (2002). "Mobility of bed material in Harris Creek". Water Resour. Res. 38(11):1237, doi:10.1029/2001WR000753.

Coleman, N.L. (1967). "A theoretical and experimental study of drag and lift forces acting on a sphere resting on a hypothetical stream bed". Proc., 12th Congress of the Int. Association for Hydraulic Research, Vol. 3, Fort Collins, Colo., 185-192.

Constantinescu, G., Garcia, M. and Hanes, D. (2016). River Flow. ISBN 9781138029132- CAT# K27572.

Dey, S. (2014). "Fluvial hydrodynamics (hydrodynamic and sediment transport phenomena)". Springer, pp. 508-511.

Diplas, P. (1987). "Bed load transport in gravel-bed streams". J. Hydraul. Eng. 113(3):277-291.

Fedele, J.J. and Garcia, M.H. (2001). "Alluvial roughness in streams with dunes: A boundary-layer approach". River, coastal and estuarinemorphodynamics, G. Seminara and P. Blondeaux, eds., Springer, Berlin, 37-60.

Fenton, J.D. and Abbott, J.E. 1977. "Initial movement of grains on a stream bed: The effect of relative protrusion". Proc. R. Soc. London, Ser. A, 352, 523-537.

Froehlich, D.C. (1995). "Armor-limited clear-water contraction scour at bridges". J. Hydraul. Eng. 21(6):490-493.

Garcia, M.H. (2008). "Section 2: Sediment transport and morphodynamics". ASCE manual of practice 110: Sedimentation engineering, M. H. Garcia, Reston, Va., 2.21-2.63.

Gessler, J. (1990). "Friction factor of armored river beds". J. Hydraul. Eng. 116(4):531-542.

Graf, W.H. and Suszka, L. (1987). "Sediment transport in steep channels". J. Hydrosci. Hydr. Eng. 5(1):11-26.

Griffiths, G.A. (1989). "Flow resistance in gravel channels with mobile beds". J. Hydraul. Eng. 115(3):340-355.

Hammond, F.D., Heathershaw, A.D. and Langhorne, D.N. (1984). "A comparison between shields threshold criterion and the Henderson movement of loosely packed gravel in a tidal channel". J. Sedimentology. 31:51-62.

Hendrick, R.R., Lisa, L. and Papanicolaou, A.N. (2010). "The role of hydrologic processes and geomorphology on the morphology and evolution of sediment clusters in gravel-bed rivers". Geomorphology, 114:483-496.

Jarrett, R. D. (1991). "Hydraulic of mountain rivers". Channel flow resistance: Centennial of Manning’s formula, B. C. Yen, ed., Water Resources, Littleton, Colo., 287-298.

Julien P.Y. (1995). "Erosion and Sedimentation". Cambridge University Press, UK.

Julien, P.Y., Klaassen, G.J., Ten Brinke, W.B.M. and Wibers, A.W.E. (2002). "Case study: Bed resistance of Rhine river during 1008 flood". J. Hydraul. Eng. 128(12):1042-1050.

Keulegan, G. H. (1938). "Laws of turbulent flow in open channel". J. Res. Natl. Bur. Stand. 1151(21): 707-741.

Knighton, D.A. (1998). "Fluvial forms and processes: a new perspective". Arnold, London.

Lamb, M.P. Dietrich, W.E. and Venditti, J.G. (2008). "Is the critical Shields stress for incipient sediment dependent on channel-bed slope? ". J. Geophy. Res. 113, F02008.

Meyer-Peter, E. and Muller, R. (1948). "Formulas for bed-load transport". Proc., 3rd Meeting of IAHR, Stockholm, Sweden, 39-64.

Namaee, M.R., Sui, J. and Whitcombe, T. (2017). "A revisit of different models for flow resistance in gravel-bed rivers and hydraulic flumes". Intl. J. River Basin Management. 15(3):277-286.

Oreizi, Z., AfzaliMehr, H., Singh, V.P. and Okhravi, S.S. (2014). "Investigation of Particle-Size Distribution and Friction Factor for a Gravel-Bed river: Marbar". J. River Eng. 2(3):1-38.

Petit, F. (1989). "The evaluation of grain stress from experiments in a pebble-bedded flume". Earth Surf. Processes Landforms, 14:499-508.

Prestegaard, K.L. (1983). "Bar resistance in gravel bed streams at bankfull stage". Water Resour. Res. 19:472-476.

Proffitt, G.T. (1980). "Selective transport and armoring of nonuniform alluvial sediments," thesis presented to the University of Canterbury, Christchurch, New Zealand, in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy.

Robert, A. (1997). "Characteristics of velocity profiles along riffle-pool sequences and estimates of bed shear stress". J. Geomorphology, 19,89-98.

Simons, D.B. and Richardson, E.V. (1966). "Physiographic and hydraulic studies of rivers: resistance to flow in alluvial channels". U. S. Geol. Surv, Page, 422-J.

Strom, K., Papanicolaou A.N., Evangelopoulos, N. and Odeh, M. (2004). "Microforms in gravel bed rivers: formation, disintegration, and effects on bed load transport". J. Hydraul. Eng. 130(6):554–567.

Van Rijn, L.C. (1982). "Equivalent roughness of alluvial bed". J. Hydr. Div., 108HY10, 1215-1218.

Van Rijn, L.C. (1984). "Sediment transport. Part III: Bed forms and alluvial roughness". J. Hydraul. Eng. 110(12): 1733-1754.

Wolman, M.G. (1954). "A method of sampling coarse river-bed material". EOS, Transactions American Geophysical Union 35, 951-956.

Yalin, M.S. (1972). Mechanics of sediment transport, 2nd Ed., Pergamon, Oxford, N.Y.

Yen B. C. (2002). "Open channel flow resistance". J. Hydraul. Eng. 128:20-39.

Yen, B.C. (1991). "Hydraulic resistance in open channels". Channel flow resistance: Centennial of Manning’s formula, B. C. Yen, ed., Water Resource, Highlands Ranch, Colo., 1-135.

Yang, S.-Q., Tan, S.-K. and Lim, S.-Y. (2005). "Flow resistance and bed form geometry in a wide alluvial channel". Water Resour. Res. 41, W09419, doi:10.1029/2005WR004211