| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,272 |
| تعداد مقالات | 36,149 |
| تعداد مشاهده مقاله | 55,713,270 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 94,492,148 |
بررسی آزمایشگاهی همکنش آبی جریان و پدیده اتلاف انرژی در سازه شیب‌شکن قائم توری‌سنگی | ||
| پژوهش های آبخیزداری | ||
| مقاله 4، دوره 39، شماره 3 - شماره پیاپی 152، مهر 1405، صفحه 45-63 اصل مقاله (936.53 K) | ||
| نوع مقاله: پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/wmrj.2026.371743.1653 | ||
| نویسندگان | ||
| کیوان کاظمی حسنوند1؛ حجت الله یونسی* 2؛ امیرحمزه حقی آبی3؛ رسول دانشفراز4؛ بابک شاهی نژاد5 | ||
| 1دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران | ||
| 2دانشیار گروه سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران | ||
| 3استاد گروه سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران | ||
| 4استاد گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران | ||
| 5استادیار گروه سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه و هدف سازة شیب‌شکن قائم توری‌سنگی، به‌عنوان یکی از سازه‌های نوین آبی به‌طور گسترده در طرح‌های آبخیزداری و عملیات سازه‌ای، کاربرد دارد. این سازه ترکیبی از واحدهای توری‌سنگی نفوذپذیر است که با ایجاد اختلاف تراز آبی میان بالادست و پایین‌دست، سبب کاهش انرژی جنبشی سیال می‌‌شود. عبور جریان از حفرات متخلخل سازه، شدت تنش‌های برشی بستر را کاهش و اوج آب‌دهی‌های لحظه‌ای را تعدیل می‌کند، در نتیجه نرخ فرسایش آبراهه‌ای کاهش می‌یابد. با توجه به محدودیت پژوهش‌های پیشین در مقایسه کارایی سازه‌های توری‌سنگی و ساده، در این پژوهش با رویکرد آزمایشگاهی رفتار جریان و اندازة اتلاف انرژی، و تحلیل تفاوت‌های کارکردی آنها در مدیریت سیلاب و مهار فرسایش موضعی بررسی شد. اهمیت این سازه‌ها در بستر رودهای ناپایدار و محیط‌های آسیب‌پذیر جریان فوق بحرانی، در ارتقای پایداری آبی و زیست‌محیطی سامانه‌ها دوچندان است. مواد و روش‌ها این پژوهش در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه لرستان، در بازه زمانی سال‌های 1403 تا 1404، در فلومی با طول 11 متر، عرض 6/0 متر و بلندی 5/0 متر انجام شد. به‌منظور تحلیل جامع رفتار آبی، در مجموع تعداد ۶۰ آزمایش روی دو گونه سازة شیب‌شکن قائم ساده و توری‌سنگی طراحی و اجرا شد. در این آزمایش‌ها سه ضخامت سازه‌ای (Xg) در اندازة ۲۰، ۳۰ و ۴۰ سانتی‌متر، در ترکیب با پنج آبدهی جریان در اندازة ۱۸، ۲۱، ۲۴، ۲۷ و ۳۰ لیتر بر ثانیه، برای نمونه شاهد سازه، بررسی شد. افزون بر این، در نمونه‌های توری‌سنگی، سه اندازه تخلخل مؤثر ۳۰، ۳۵ و ۴۰% با بهره‌گیری از سه دسته مصالح سنگریزه با ابعاد ریزدانه، میان‌دانه و درشت‌دانه که به‌ترتیب قطر میانگین (d50) آنها برابر با ۲۱، 30/5 و ۴۲ میلی‌متر بود، به‌کار گرفته شد. همچنین، در تمام مدل‌ها بلندی سازه در اندازة ۳۲ سانتی‌متر ثابت در نظر گرفته شد تا بتوان شرایط را با یکدیگر مقایسه کرد. نتایج و بحث تحلیل داده‌های به‌دست‌آمده نشان داد که در تمام مدل‌ها، رابطه میان سنجة اتلاف انرژی جریان و ژرفای بحرانی نسبی معکوس بود؛ به‌طوری که با افزایش راندمان اتلاف انرژی، ژرفای بحرانی نسبی کاهش یافت و این روند در تمام سناریوهای آزمایشی مشاهده شد. یافته‌ها نشان داد که ترکیب شیب‌شکن با بستر توری‌سنگی موجب افزایش چشمگیر راندمان اتلاف انرژی جریان (۶۰%) در مقایسه با شیب‌شکن ساده شد. جریان عبوری از مدل‌های توری‌سنگی به دو حالت روگذر و درون‌گذر تفکیک شد که در حالت درون‌گذر، جریان شبه‌غیردارسی و غیرخطی از محیط متخلخل عبور کرد و سهم اصلی اتلاف انرژی مربوط به این وضعیت بود. افزون بر این، افزایش اندازه ذرات هسته توری‌سنگی و عرض مؤثر سازه موجب افزایش فرآیند اتلاف انرژی شد. سرانجام، اندازه‌های آبدهی روگذر و درون‌گذر برای تمام سناریوها محاسبه شد که می‌توان از این داده‌ها به‌عنوان الگوی ارزشمندی برای مدل‌سازی آبی و بهبود طراحی سازه‌های مشابه بهره برد. نتیجه‌گیری و پیشنهادها در این پژوهش، همکنش آبی جریان و اتلاف انرژی در دو گونه سازة شیب‌شکن قائم ساده و توری‌سنگی به‌شکل آزمایشگاهی بررسی شد. نتایج نشان داد که می‌توان با کاربرد گونه توری‌سنگی و با ایجاد محیطی متخلخل و نفوذپذیر، انرژی جریان را کاهش داد، در نتیجه نیاز به سازه‌های الحاقی مانند حوضچه‌های آرامش و صفحات مشبک نیز کاهش خواهد یافت. افزون بر این، اثر سنجه‌هایی مانند اندازه ذرات سنگدانه، تخلخل توری‌سنگی و ضخامت سازه بر کارایی اتلاف انرژی و سهم آب‌دهی‌های درون‌گذر و روگذر قابل توجه بود. یافته‌ها بیانگر آن بود که استفاده از شیب‌شکن قائم توری‌سنگی در طرح‌های انتقال آب در مناطق شیب‌دار و کوهستانی، از دیدگاه فنی و اقتصادی کارآمدتر و پایدارتر از نمونه ساده است. افزون بر این، از نتایج این پژوهش می‌توان در بهبود طراحی شیب‌شکن‌های توری‌سنگی در طرح‌های آبخیزداری بهره برد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| آبدهی درون‌گذر؛ آبدهی روگذر؛ جریان آشفته؛ ژرفای بحرانی؛ مدل فیزیکی؛ مقاومت آبی | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Laboratory Investigation of Water Flow Interaction and Energy Dissipation Phenomenon in a Vertical Gabion Drop Structure | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Keyvan Kazemi Hasanvand1؛ Hojatollah Younesi2؛ Amir Hamzeh Haghiabi3؛ Rasoul Daneshfaraz4؛ Babak Shahinezhad5 | ||
| 1Ph.D., Student in Hydraulic Structures, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran | ||
| 2Associate Professor in Hydraulic Structures, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran | ||
| 3Professor in Hydraulic Structures, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran | ||
| 4Professor in Civil Engineering, Faculty of Engineering and Technology, Maragheh University, Maragheh, Iran | ||
| 5Assistant Professor in Hydraulic Structures, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction and Goal The gabion vertical drop structure, as one of the modern hydraulic structures, is widely used in watershed management projects and structural operations. The structure is a combination of permeable rock mesh units that dissipate fluid kinetic energy by creating a water level difference between upstream and downstream. The passage of flow through the porous pores of the structure reduces the intensity of bed shear stresses and moderates the peak instantaneous discharges, thereby reducing the rate of channel erosion. Due to the limitations of previous research in comparing the performance of gabion and rigid structures, this researcch investigated the flow behavior and energy dissipation amount using a laboratory approach, and analyzed their functional differences in flood management and local erosion control. The importance of these structures in unstable riverbeds and vulnerable supercritical flow environments is twofold in promoting the hydrological and environmental sustainability of systems. Materials and Methods This research was conducted in the Hydraulic Laboratory of Lorestan University, in 2024-2025, using a flume with a length of 11 m, a width of 0.6 m, and a height of 0.5 m. To comprehensively analyze the hydraulic behavior, a total of 60 experiments were designed and conducted on two types of vertical drop structures: rigid and gabion. In these experiments, three structural thicknesses (Xg) of 20, 30, and 40 cm were investigated in combination with five flow rates of 18, 21, 24, 27, and 30 L.s-1 for the control sample. For the gabion samples, three effective porosity levels of 30, 35, and 40 percent were employed, using three categories of gravel materials—fine, moderate, and coarse—with average diameters (D50) of 21, 30.5, and 42 mm, respectively. Also, in all models, the structure height was kept constant at 32 cm to ensure comparision of conditions. Results and Discussion Analysis of the obtained data showed that in all models, the relationship between the flow energy dissipation parameter and the relative critical depth was inverse; so that with increasing energy dissipation efficiency, the relative critical depth decreases, and this trend was observed in all experimental scenarios.The findings showed that the combining of the drop structure with a gabion bed significantly increased the energy dissipation of the flow, such that the use of gabions improved energy dissipation efficiency by approximately 60% compared to the rigid drop. The flow passing through the gabion models was divided into two modes: overpass and throughpass, ın the throughpass state, the quasi-non-Darcy and nonlinear flow passed through the porous moderate, and the main contribution of energy dissipation was related to this state. Furthermore, increasing the size of the gabion core particles and the effective width of the structure enhanced the energy dissipation process. Finally, the overpass and throughpass discharge values were calculated for all scenarios, and these data can be used as a valuable template for hydraulic modeling and improving the design of similar structures. Conclusion and Suggestions In this study, the interaction of water flow and energy dissipation in two types of vertical drop structures: rigid and gabion, were investigated experimentally. The results showed that by using a gabions type and creating a porous and permeable environment, the flow energy can be reduced, thus reducing the need for additional structures such as stilling basins or mesh plates. Furthermore, the effect of parameters such as aggregate particle size, gabion porosity, and structure thickness on energy dissipation efficiency and the share of inflow and overflow was significant. The findings indicate that the use of vertical gabion drops in water transfer projects in steep and mountainous areas is more efficient and sustainable than the rigid model from a technical and economic perspective. In addition, the results of this research can be used to improve the design of vertical gabion drops in watershed management plans. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Critical depth, hydraulic resistance, inpass flow, overpass flow, physical model, turbulent flow | ||
| مراجع | ||
|
Afzalian A, Ahadian J. 2016. Piano key weirs with positive parapet wall. Water and Soil Science. 25(4/2): 97-107. https://water-soil.tabrizu.ac.ir/article_4630.html?lang=en Alasvand K, Ahadian J, Fathian H. 2012. Modeling of pattern and dissipating energy in the gabion stepped spillway using the Flow-3D model. Journal of Water Science and Engineering. 1(3): 89-97. https://sid.ir/paper/235537/en Bagherzadeh M, Mohammadi M, Daneshfaraz R, Dasineh M. 2021. Comparison of hydraulic parameters of simple and Gabion inclined drops with stilling basin in the downstream of the structure. International Science and Innovation Congress. pp. 39-45. Bakhmeteff MW. 1932. Hydraulics of open channels, New York and London, McGraw-Hill book com pany, Inc. Castejon M, Romero–Munoz F, Garcia L. 1987. Phenology and control of Orobanche cornea in sunflower with glyphosate. In: Weber HC, Forstreuter W, Editors. Parasitic flowering plants. Marburg, F.R.G. Civil Infrastracture Research pp. 121–126. Daneshfaraz R, Majedi-Asl M, Mortazavi AS, Bagherzadeh M. 2022. Laboratory evaluation of energy dissipation in the combined structure of the vertical drop with gabion. Civil Infrastructure Researches. 8(1): 45-157. https://doi.org/10.22091/cer.2022.7720.1344 Daneshfaraz R, Asl MM, Razmi S, Norouzi R, Abraham J. 2020. Experimental investigation of the effect of dual horizontal screens on the hydraulic performance of a vertical drop. International Journal of Environmental Science and Technology. pp. 1-10. Daneshfaraz R, Bagherzadeh M, Ghaderi A, Di Francesco S, Asl MM. 2021. Experimental investigation of gabion inclined drops as a sustainable solution for hydraulic energy loss. Ain Shams Engineering Journal. 12(4): 3451-3459. Daneshfaraz R, Ghaderi A, Di Francesco S, Khajei N. 2021. Experimental study of the effect of horizontal screen diameter on hydraulic parameters of vertical drop. Water Supply. Volume 21, Issue 5 August 2021. https://doi.org/10.2166/ws.2021.077 Daneshfaraz, R, Hasannia V, Norouzi R, Sihag P, Sadeghfam S, Abraham J. 2021. Investigating the effect of horizontal screen on hydraulic parameters of vertical drop. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. pp. 1-9. Daneshfaraz R, Majedi Asl M, Bagherzadeh M. 2020. Experimental analysis of inclined Gabion drop behavior in comparison to the standard stilling basins (USBR). Iranian Journal of Soil and Water Research. 51(10): 2531-2541. https://doi.org/10.22059/ijswr.2020.303078.668625 Daneshfaraz R, Majedi Asl M, Bagherzadeh M. 2021. Experimental investigation of the energy dissipation and the downstream relative depth of pool in the sloped Gabion drop and the sloped simple drop. Amirkabir Journal. Civil Engineering. 53(9): 3665-3678. Daneshfaraz R, Majedi Asl M, Bagherzadeh M. 2021. Experimental investigation of the performance of inclined Gabion drop equipped with a horizontal screen. Iranian Journal of Soil and Water Research. 52(1): 81-93. https://doi.org/10.22059/ijswr.2020.308412.668705 Daneshfaraz R, Sadeghfam S, Hasanniya V. 2019. Experimental investigation of energy dissipation in vertical drops equipped with a horizontal screen under supercritical flow. Iranian Journal of Soil and Water Research. 50(6): 1421-1436. Esen II, Alhumoud JM, Hannan KA. 2004. Energy loss at a drop structure with a step at the base. Water International. 29(4): 523-529. Hager WH, Bremen R. 1989. Classical hydraulic jump: sequent depths. Journal of Hydraulic Research. 27(5): 565-585. Hajialigol S, Ahadiyan J, Sajjadi M, Rita Scorzini A, Di Bacco M, Shafai Bejestan M, 2021. Cross-beam dissipators in abruptly expanding channels: experimental analysis of flow patterns. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 147(11): 06021012. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001622 Kabiri-Samani AR, Bakhshian E, Chamani MR. 2017. Flow characteristics of grid drop-type dissipators. Flow Measurement and Instrumentation. 54: 298-306. Liu SI, Chen JY, Hong YM, Huang HS, Raikar RV. 2014. Impact characteristics of free over-fall in pool zone with upstream bed slope. Journal of Marine Science and Technology. 22(4): 476-486. Majedi Asl M, Daneshfaraz R, Chabokpour J, Ghorbani B. 2021. Laboratory study of the performance of Gabion sill on the energy dissipation of downstream of ogee weirs. Iranian Journal of Soil and Water Research, 52(1): 67-80. https://doi.org/10.22059/ijswr.2020.309322.668725 Daneshfaraz R, Bagherzadeh M, Esmaeeli R, Norouzi R, Abraham J. 2021. Study of the performance of support vector machine for predicting vertical drop hydraulic parameters in the presence of dual horizontal screens. Water Supply. 21(1): 217-231. Kheybar H, Sajjadi SM, Ahadiyan J. 2021. Effect of sudden canal contraction on the discharge coefficient and the energy dissipation coefficient of the elliptical LOPAC gate. Irrigation and Drainage. 70(5): 1145-1154. https://doi.org/10.1002/ird.2622 Kheybar H, Sajjadi SM, Ahadiyan J, Ghomeshi M. 2025. Investigating the discharge coefficient and efficiency of the pivot side weirs with threshold. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment. 3(2): 72-88. https://doi.org/10.22034/nawee.2024.467874.1096 Mirzaee R, Hosseini K, mousavi F. 2021. Numerical investigation on energy loss in vertical drop with horizontal serrated edge. Journal of Hydraulics. 16(1): 23-36. https://doi.org/10.30482/jhyd.2021.256774.1486 Moore WL. 1943. Energy loss at the base of a free overfall. Transactions of the American Society of Civil Engineers. 108(1): 1343-1360. Pagliara S, Chiavaccini P. 2006. Energy dissipation on block ramps. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 132(1): 41-48. Peyras LA, Royet P, Degoutte G. 1992. Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs. Journal of hydraulic Engineering. 118(5): 707-717. Rajaratnam N, Chamani MR. 1995. Energy loss at drops. Journal of Hydraulic Research. 33: 373-384. Rand W. 1955. Flow geometry at straight drop spillways. In Proceedings of the American Society of Civil Engineers. 81(9): 1-13. Sarkamaryan S, Ahadiyan J. 2020. Mathematical modeling of energy loss on Stepped Spillway Using ANSYS-CFX Numerical Model. Irrigation Sciences and Engineering. 43(1): 43-56. https://doi.org/10.22055/jise.2017.22269.1593 USDA–National Agricultural Statistics Service. 2000. Published estimates data base (PEDB) [Online]. Available at http://www.nass.usda.gov:81/ipedb/ (accessed 15 May 2001; verified 24 Aug. 2001. USDA–NASS, Washington, DC. USA. White MP. 1943. Discussion of "Energy Loss at the Base of a Free Overfall" by W. L. Moore. Transactions of the American Society of Civil Engineers (Transactions, ASCE). 108: 1361–1364. Wüthrich D, Chanson H. 2014. Hydraulics, air entrainment, and energy dissipation on a Gabion stepped weir. Journal of Hydraulic Engineering. 140(9): 04014046. Yarmohammadi B, Ahadian J. 2016. Experimental study of flow hydraulic in piano key weirs at different parapet wall. Irrigation Sciences and Engineering. 39(4): 47-58. https://doi.org/10.22055/jise.2016.12495 | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 481 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 127 |
||