SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri,Mohammad-Reza Chamani
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) محمدرضا چمنی (استاد راهنما)
STUDENT
Marzieh Sahraneshin samani
مرضیه سامانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Hydraulic characteristics of flow over oblique trapezoidal gabion weirs
Weirs are used to control flood flow, to regulate water level and to measure flow discharge in hydraulic systems. These hydraulic structures are typically made of concrete, having an impermeable build, thereby flow just passes over their crown. By placing an impermeable weir across a river, the aquatic ecosystem is affected and suspended materials movement toward the downstream is prevented. Therefore, these weirs have many negative effects on the downstream environment. In contrast, gabion weirs with some merits including sustainability, permeability and cost-effectiveness are of the suitable hydraulic structures to meet the stated objectives. These weirs are structurally stable and resistant to loads caused by great values of approach flow discharges, having favorable efficiency of flow energy dissipation. These weirs can be installed and operate in various forms in the rivers and canals. To increase the length of the weir crest, they can be used obliquely in respect to the approach flow direction. Due to the increase of the effective weir crest length, the overflow discharge over the oblique weirs increases and the hydraulic aspects of flow such as the discharge coefficient are improved. On the basis of the improved features and benefits of gabion weirs as well as the increased performance of oblique weirs compared to the frontal normal weirs, the present study investigates the hydraulic characteristics of flow over oblique gabion weirs with different geometries. The purpose of this study was to investigate the effect of different geometrical and hydraulic parameters on the discharge coefficient, threshold submergence depth, and energy loss. For this purpose, 12 Gabion weir models were installed in a flume of 11 m long, 0.4 m wide and 0.7 m deep, in the hydraulic laboratory, department of civil engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran. This investigation covers different materials with average diameter of 11, 16 and 21 mm with porosity of 0.33, 0.35 and 0.39 and oblique gabion weirs with different downstream angles of 0, 30, 45 and 60 degrees in respect to a vertical direction. The oblique weirs angles were 0, 30, 45 and 60 degrees in respect to the approach flow direction, with the crest widths of 50, 100 and 150 mm and the heights of 100 and 200 mm. The effects of each dimensionless parameter on flow discharge coefficient, energy loss and threshold submergence depth was investigated. Results show that by increasing the angle of obliqueness the flow discharge coefficient decreases and the energy loss and threshold submergence depth increase. However, by increasing this angle, the flow discharge increases. For the gabion weirs, as the aggregates size and the porosity increase, the overflow discharge coefficient increases and the threshold submergence depth and the flow head loss decrease. Generally, the discharge coefficient and the flow energy loss of gabion weirs are both greater than those of impermeable weirs. The influences of other geometrical parameters were also studied in detail and finally, by applying the software, different relationships were derived for estimation of the flow discharge coefficient, flow head loss and threshold submergence depth. Keywords: Discharge coefficient, free flow, threshold submergence depth, energy loss, gabion weir, oblique weir.
سرریزها جهت عبور سیلاب، تنظیم سطح آب و اندازهگیری دبی جریان استفاده میشوند. این سازهها بهطور معمول از جنس بتن و دارای بدنهی نفوذناپذیر هستند و جریان فقط از روی تاج آنها عبور میکند. با قرارگیری سرریزهای نفوذناپذیر در مسیر رودخانهها از جابهجایی آبزیان و مواد معلق مورد نیاز اکوسیستم نواحی پاییندست ممانعت بهعمل میآید. لذا، این سرریزها دارای اثرات منفی زیادی بر محیط زیست پاییندست خود هستند. در این میان، سرریزهای گابیونی با داشتن خصوصیاتی نظیر؛ پایداری، نفوذپذیری و صرفه اقتصادی، از جمله سازههای هیدرولیکی مناسب برای تأمین اهداف مورد اشاره هستند. این سرریزها بهلحاظ سازهای پایدار و در برابر بارهای ناشی از جریان مقاوم و نیز از راندمان اتلاف انرژی جریان بالایی برخوردار هستند. این سرریزها را میتوان به فرمهای مختلف در رودخانه یا کانال نصب و اجرا کرد. برای مثال، برای افزایش طول روگذر و میانگذر سازه میتوان آن را بهصورت زاویهدار (مورب) نسبت به راستای جریان احداث کرد. در سرریزهای مورب بهدلیل افزایش طول مؤثر سرریز، ظرفیت آبگذری افزایش و پارامترهای هیدرولیکی نظیر ضریب دبی، طول مؤثر و سایر بهبود مییابند. با الهام گرفتن از ویژگیها و مزایای سرریزهای گابیونی و نیز کارایی بالای سرریزهای مورب، در پژوهش حاضر به بررسی مشخصههای هیدرولیکی جریان در سرریزهای گابیونی مورب با هندسههای مختلف پرداخته میشود. هدف از پژوهش حاضر بررسی تأثیر پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مختلف بر روی ضریب دبی، آستانه استغراق، و افت انرژی است. برای این منظور 12 مدل سرریز گابیونی در یک فلوم آزمایشگاهی به طول 11، عرض 4/0 و عمق 7/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان نصب و مورد بررسی قرار گرفتند. پارامترهای مورد بررسی در این پژوهش شامل مصالح با قطر متوسط 11، 16 و 21 میلیمتر، تخلخل 33/0، 35/0 و 39/0، زاویهی وجه پاییندست با راستای عمود 0، 30، 45 و 60 درجه، زاویه سرریز با راستای جریان 0، 30، 45 و 60 درجه، عرض تاج 50، 100 و 150 میلیمتر و ارتفاع 100 و 200 میلیمتر است. در ادامه تأثیر هر یک از پارامترهای بیبعد بر ضریب دبی جریان، افت انرژی و آستانه استغراق بررسی گردید. بررسیها نشان میدهد که با افزایش زاویهی سرریز نسبت به راستای جریان ضریب دبی کاهش یافته و مقادیر افت انرژی و آستانه استغراق سرریز افزایش مییابند. با افزایش زاویه سرریز با راستای جریان و افزایش طول سرریز میزان دبی عبوری از سرریز افزایش مییابد. در سرریز گابیونی با افزایش اندازه مصالح و افزایش تخلخل ضریب دبی سرریز افزایش یافته و آستانه استغراق و افت انرژی جریان کاهش مییابد. بهطور کلی ضریب دبی و افت انرژی در سرریزهای گابیونی بیشتر از سرریزهای نفوذناپذیر است. تأثیر سایر پارامترهای هندسی به تفصیل بررسی شده و در نهایت با استفاده از نرمافزار آماری ، روابطی بهمنظور تخمین پارامترهای مورد بررسی شامل؛ ضریب دبی جریان، افت انرژی و آستانه استغراق پیشنهاد میگردد. کلمات کلیدی: ضریب دبی، جریان آزاد، آستانه استغراق، افت انرژی، سرریز گابیونی، سرریز زاویهدار.