علوم کشاورزی و منابع طبیعی
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی کشاورزی گرایش تاسیسات آبیاری بررسی معیارهای طراحی سر ریز شوت سدها
*قابل استفاده برای مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی
چکیده سرریز شوت یکی از سازه های مهم هیدرولیکی سد به شمار می آید چرا که این سازه به عنوان یک سیستم تخلیه سیلاب وظیفه خطیری را بر عهده دارد دراین تحقیق ضمن استفاده از گزارشات چند طرح اجرا شده مهم در داخل کشور و نیز مطالعاتی در مورد برخی سدهای خارج از کشور اقدام به طبقه بندی و مقایسه اصول طراحی سرریزهای شوت گردید و عملکرد هر کدام بر اساس معیارهای طراحی (هندسی و هیدرولیکی) مورد ارزشیابی قرار گرفت . کلیه گزارشات از مؤسسه تحقیقات آب کشور،شرکت مهندسین مشاور مهاب قدس تهران،شرکت مهندسین مشاور بوم آب تهران و سایر مراکز مرتبط تهیه و مبادرت به استخراج داده ها و تحلیل بر روی آنها صورت پذیرفت .از میان پروژه های داخلی بررسی شده می توان به پروژه سد مخزنی میرزای شیرازی استان فارس ، سد گدار لندر استان خوزستان ، سد مارون استان خوزستان ، سد کوران بوزان استان ایلام ، سد تنگ شمیران استان خوزستان ، سد شهید بروجردی استان لرستان و سد کارون استان خوزستان اشاره نمود . از میان پروژه های خارج از کشور انتخاب شده می توان به پروژه های کشور ونزوئلا ، کشور هند ، کشور کره ، کشور روسیه ، کشور امریکا ، کشور مکزیک و کشور بنگلادش اشاره نمود .گرچه رعایت معیارهای طراحی (هندسی و هیدرولیکی ) در رابطه با این سرریزها لحاظ شده است اما بنا به دلایلی این سازه ها مورد تهدید قرار گرفته اند .
کلمات کلیدی: سرریز سد سرریز شوت سیستم تخلیه سیلاب اصول طراحی سرریزهای شوت سازه های مهم هیدرولیکی سد
مقدمه: طبق بررسی های بعمل آمده در این تحقیق عواملی که باعث تخریب سازه ای می شوند عبارتند از : 1-وجود پدیده مخرب کاویتاسیون : در سد کارون (1977) ، سد گاری (1978) ، سد نگاریجانساگار(1974) ، سد ساپخون (1976) ، سد براتسک (1977) ، سد یلوتایل(1967) ، اینفیر نیلو (1964) ، سد هور (1941) ، بررسی شده که با توجه به اینکه معیارهای طراحی (هیدرولیکی و هندسی) رعایت شده ، سازه ها دچار خسارت شدند . 2- وجود فشار بالابرنده در حوضچه های آرامش : در سد ننتزا (1965) ، سد کارنافولی (1970) که نشان می دهند علی رغم نرسیدن دبی سیلاب به دبی طراحی سازه ها دچار خسارت جبران ناپذیری گردیدند . 3- وجود نیروهای هیدرودینامیک ناشی از نوسانات شدید فشار : در سد میرزای شیرازی نشان می دهد فشار در نزدیکی پایه یک دیوار ممکن است در نتیجه فشار استاتیک 5/1 برابر هر سرعت ورودی حوضچه نوسان داشته باشد و در نهایت سازه سرریز را مورد تهدید قرار داده است . همچنین گاهی اوقات دیوارهای جانبی حوضچه آرامش به شکل دیوارهای پایه می باشند . نظر به اینکه هیچ روش در دسترس عمومیت یافته ای جهت ارزیابی نیروها وجود ندارد محققین رفتار نیروها را توسط مدل بررسی می کنند . شاید یکی از دلایل اصلی طرح مدلهای هیدرولیکی پس از طراحی سرریزهای شوت عدم اطمینان کافی به معیارهای طراحی (هندسی و هیدرولیکی) می باشد ، لذا بر اساس تحقیق بعمل آمده به طراحان توصیه می شود در شرایط پروژه های خاص و بزرگ برای اطمینان از مدلهای آزمایشگاهی و ریاضی در کنار معیارهای طراحی استفاده کنند و تنها به معیار های تئوریک طراحی اکتفا نشود . از دیگر مطالعات بعمل آمده از سدهای اسنک و کلمبیا در کشور آمریکا ، بررسی مسائل زیست محیطی می باشد به طوریکه در نقاط ابتدایی حوضچه آرامش که جریان با سرعت زیاد وارد ناحیه عمیق از حوضچه آرامش می شود گازهای TDS (نیتروژن فوق اشباع) تشکیل می گردد و باعث کشتن آبزیان می شود و نشان دهنده این است که عوامل زیست محیطی می توانند در قسمت انتهای شوت وارد معیارهای طراحی گردد. فهرست مطالب
فصل اول : مقدمه ، کلیات و تعاریف چکیده 1 1-1- مقدمه 4 1-2- گروههای مورد نیاز دفتر فنی سدسازی 4 1-3- گروههای مورد لزوم برای نظارت فنی کارگاهها 5 1-4- سرریزها 6 1-5- کلیات و تعاریف 7 1-5-1- سیلابهای استثنایی 7 1-5-2- اهمیت سازه سرریز 8 1-5-3- انتخاب نوع و ظرفیت سرریز 8 1-5-4- روشهای مستهلک کردن انرژی حاصل از جریان سرریز 8 1-5-5- طبقه بندی سرریزها 9 1-6- اجزاء سرریز 11 1-6-1- ورودی سرریز 12 1-6-1-1- پایه های روی سرریز 12 1-6-2- تأسیسات کنترل 12 1-6-2-1- دریچه ها 12 1-6-2-1-1- عوامل موثر در تصمیم گیری اینکه سرریز دریچه دار باشد یا بدون دریچه 13 1-6-2-2- انواع دریچه ها 14 1-6-3- تنداب یا شوت یا آبگذر سرریز 23 1-6-3-1- انواع انقباض 24 1-6-4- مستهلک کننده ها 25 1-6-4-1- حوضچه های آرامش 30 1-6-4-2- باکتها 35 فصل دوم : طراحی هیدرولیکی سرریز شوت 2-1- طراحی هیدرولیکی سرریز 42 2-1-1- اوجی سرریز 42 الف - مروری برتحقیقات دیگران 42 ب - معیارهای طراحی 42 2-1-1-1- محاسبه میزان جریان عبوری از روی سرریز 43 الف – معادله شماره یک 44 1- تعیین هد طراحی (H) 44 2- تعیین ضریب سرریز(C) 44 الف- عواملی که در ضریب (C) موثرند 44 ب – انتخاب ضریب سرریز باتوجه به شکل و گرافهای مربوطه 44 ب – معادله شماره دو 47 2-1-1-2- تعیین شكل اوجی سرریز 50 1 - معیار 1USBR 50 الف - رسم انحنای سرریز قبل ازمركزمختصات 54 ب - رسم انحنای سرریز بعد ازمركزمختصات 45 2 - معیار (1886-1888)Bazin 56 3 – معیار USBR 57 4 - معیار WES 57 5 - (1973)Murphy 58 6 - (1987) Hager 59 2-1-1-3- پایه ها ی روی سرریز 60 1- معیارهای طراحی 60 الف- معیار USCE 60 ب- معیار USBR 63 2- تاثیر پایه ها روی ضریب دبی 64 الف- ضریب دبی در مقابل فشارهای نوک 65 ب - محل فشار کف از محور اوجی 66 2-1-1-4- شیب جریان پایین دست 67 2-1-1-5- پرفیل سطح آب ........... 67 2-1-1-6- دریچه های روی اوجی 67 1 – دریچه های قطاعی .............. 67 الف- معیار USBR ..................................... 67 ب –معیار WES(1977) 68 2- دریچه های کشویی 68 الف – WES ................................ 68 2-1-2- تنداب شوت 69 الف - مروری بر تحقیقات دیگران 69 ب - معیارهای طراحی 69 2-1-2-1- محاسبه پروفیل سطح آب در كانال سرریز 70 الف – معیارهای طراحی 70 1 - USBR(1977) 73 2 - USACE(1990) 74 3 – Yen , Wenzel(1970) 75 2-1-2-2- انبساط و انقباض در شوت ها 76 1- انقباض 76 الف – انواع انقباض 76 1 - انقباض نوع قیفی 76 2- انقباض پنکه ای 78 2 – انبساط 80 2-1-2-3- انحنا در شوت ها 82 2-1-2-4- هواده تنداب 84 2-1-3-مستهلک کننده ها 95 2-1-3-1- حوضچه های آرامش 95 2-1-3-2- باکتها 98 1-1-3-1-حوضچه های آرامش 109 2-1-3-2- باکت ها 125
فصل سوم : مواد و روشها 3-1- مواد و روشهاو تجزیه وتحلیل 137 3-1-1- روش گردآوری اطلاعات 137 3-2-پروژه سد مخزنی میرزای شیرازی 137 3-2-1- معیارهای طراحی 137 3-2-2- معیارهای استفاده شده 138 3-2-3- مشخصات سد 138 3-2-4 - مشخصات سرریز 138 3-2-5- بررسی شرایط هیدرولیکی هر یک از پایه ها 138 3-2-5-1- هندسه پایه 138 3-2-5-2- شرایط جریان با پایه های مختلف 139 3-2-5-3- خلاصه نتایج 143 3-3- پروژه سد مخزنی گدار لندر 143 3-3-1- خسارت ناشی از کاویتاسیون در سرریز سد گدار لندر 143 3-3-2- معیارهای طراحی 143 3-3-3- معیارهای استفاده شده 144 3-3-4 - مشخصات سد گدار لندر 144 3-3-5- مشخصات سرریز سد گدار لندر 144 3-4- پروژه سدهای کشور هند و مقایسه چند پروفیل 148 3-4-1- معیارهای استفاده شده 148 3-5- پروژه های خسارت دیده از پدیده کاویتاسیون در جهان 150 3-5-1- بررسی محققین جهان در مورد خسارت کاویتاسیون 150 3-5-1-1- معیارهای طراحی 150 3-5-1-2- معیارهای استفاده شده 150 3-5-1-3- پروژه های خسارت دیده 150 3-6- پروژه های خسارت دیده سدهای کشور هند 151 3-6-1- خراش و کاویتاسیون 151 3-7- ملاحظات زیست محیطی در حوضچه های آرامش 154 3-8- دو مرحله اتلاف انرژی در سرریز سدهای جهان 155
فصل چهارم : بحث و نتیجه گیری 4-1- بحث ............................................................................. 157 4-2- نتایج 157 منابع و مآخذ 159 فهرست جداول فصل دوم 2-1- محدوده عدد فرود و طول پرش 45 2-2- اندازه گیری نوسانات فشار با پرش هیدرولیکی 45 2-3- نیروهای هیدرودینامیک دیوارهای وزنی 46 فصل سوم 3-1- مشخصات سد میرزای شیرازی 138 3-2- مشخصات سرریز سد میرزای شیرازی 138 3-3- مشخصات سد گدار لندر 144 3-4- مشخصات سرریز سد گدار لندر 144 3-5- کاویتاسیون در دبی سد گدار لندر 147 3-6- کاویتاسیون در دبی سد گدار لندر 148 3-7- مقایسه دو Case study در خصوص اشکال اوجی 148 3-8- خسارت ناشی از کاویتاسیون در سدهای جهان 151 3-9- بررسی محققین هندی در خصوص خسارت کاویتاسیون 152 3-10- بررسی محققین هندی در خصوص خسارت کاویتاسیون 153 3-11- سدهای قاره آسیا که در آنها از دو سازه جهت استهلاک انرژی استفاده شده است 155 فهرست اشکال فصل اول- مقدمه ، کلیات ، تعاریف 1- 1- طبقه بندی انواع سرریزها که محققین ژاپنی انجام دادند. 1 1- 2- تاثیر دریچه بر روی گراف خروجی سیلاب 13 1- 3- دریچه قطاعی آزاد 15 1- 4- دریچه قطاعی روزنه ای 16 1- 5- دریچه کشویی 17 1- 6- دریچه یکطرفه 18 1- 7- دریچه نیمه مکانیکی 19 1- 8- دریچه های اتوماتیک نوع TOPS 20 1- 9- دریچه های اتوماتیک نوع FDS 21 1- 10- دریچه های اتوماتیک نوع Godbole 22 1-11- دریچه STOP LOG 23 1- 12- انقباض در سرریز 25 1- 13- طبقه بندی کلاسیکی پرش 26 1- 14- حوضچه آرامش تیپ II 28 1-15- حوضچه آرامش تیپ III 29 1- 16- حوضچه آرامش تیپ IV 31 1- 17- مشخصات حوضچه آرامش SAF 33 1- 18- عمق در حوضچه های آرامش بر حسب مشخصات هیدرولیکی 34 1- 19- جام ساده 35 1- 20- جام شیاردار 36 1- 21- پرش در جام ساده 36 1- 22- پرش در جام شیاردار 37 1- 23- تراز پایاب کمتر از حداقل فرار جریان 37 1- 24- تراز پایاب کمتر از متوسط ولی بیشتر از حداقل در محدوده نرمال بهره برداری 37 1- 25- تراز پایاب بیشتر از حداکثر جریانی که از کف بند شیرجه می رود و سبب فرسایش آبراهه می شود 38 1- 26- تراز پایاب مانند حالت C 38 1- 27- قسمتهای مختلف حوضچه پرتابی 39 1- 28-حوضچه پرتابی از نوع پرش اسکی 41 1- 29- حوضچه پرتابی از نوع فلیپ باکت 40 فصل دوم – طراحی هیدرولیکی سرریز شوت سدها 2-1- ضریب تخلیه برای اوجی با وجه قائم 45 2-2- ضریب تخلیه برای ارتفاعات غیر از ارتفاع طراحی 45 2-3- ضریب تخلیه برای تاج اوجی با وجه شیب بالادست 46 2-4- اثر پایین دست جریان آب از روی تاج 46 2-5- اثر کف بندی پایین دست بر روی ضریب تخلیه 47 2-6- اثر عمق پایاب بر روی ضریب تخلیه 47 2-7- محاسبه ضریب دبی با توجه به تئوری ریبوک 48 2-8- اثر نسبت باتوجه به معیارهای WES و USBR جهت محاسبه ضریب c 49 2-9- اثر عمق روی ضریب دبی USBR و WES 50 2-10- اثر شیب وجه بالادست روی ضریب دبی WES 50 2-11- پارامترهای مربوط به اوجی جهت ترسیم پروفیل طولی سرریر برای اوجی 51 2-12- انتخاب ضریب k برای USBR 52 2-13- ضریب n برای USBR 52 2-14-انتخاب ضرایب برای محاسبه ، ، و 53 2-15- تاج اوجی با منحنی های مرکب 55 2-16-شکل مربوط به محاسبه شعاعهای انحنا در معیار USBR 57 2-17- شکل مربوط به محاسبه شعاعهای انحنا در معیار WES 58 2-18- محاسبه انحنا در بالادست و پایین دست مرکز مختصات در روش (Murphy(1973 59 2-19- شکلهای نمونه جلوی پایه 60 2-20- موقعیت دیوار بالادست پایه 61 2-21- جریان ورودی به محدوده پایه های تعبیه شده در روی سرریز 61 2-22- امواج ناشی از پایه ها 62 2-23- امواج ناشی از پایه های پل 63 2-24- تاثیر پایه ها روی ضریب دبی با توجه به نسبت های روی شکل در حالت غیر مستغرق 64 2-25- تاثیر پایه ها روی ضریب دبی با توجه به نسبت های روی شکل در حالت مستغرق 64 2-26- تاثیر ضریب دبی در مقابل فشارهای نوک سرریز در روش رائوس 65 2-27- ضریب دبی در مقابل فشار روی سرریز (Rouse 66 2-28- عمق حدی به صورت تابعی از عمق نسبی برای سرریز بدون پایه 66 2-29 شکل مربوط به رابطه بین ضریب دریچه و زاویه بین مماسهای دریچه و سرریز ( ) را در معیار WES 68 2-30- شکل مربوط به پارامترهای مربوط به فرمول جهت محاسبه دبی برای دریچه های کشویی 69 2-31- پلان و پروفیل و جزئیات مربوط به سرریز شوت 71 2-32- اجزای مختلف سرریز در پلان و پروفیل 72 2-33- شکلهای مختلف شوت در پلان و پروفیل 73 2-34- پلان مربوط به محل برخورد امواج به دیوارهای جانبی 75 2-35- شکل نشان دهنده تفاوتهای نوعی به عنوان عملکردهای فاصله x و سرعت اصلی v است 76 2-36- انواع مختلف تنگ شدگی از سمت چپ حالت قیفی ، پنکه ای و روزنه ای 76 2-37- تنگ شدگی با دیواره مستقیم 77 2-38- پلان و پروفیل مربوط به حالت انقباض 79 2-39- بررسی امواج عرضی 79 2-40- انقباض در شوتها 80 2-41- اثرات انبساط و منحنی های شکل گرفته 80 2-42- اثرات انحنا در شوت ها 82 2-43- منحنی های مرکب در شوت ها 83 2-44- انحنای مقعر در شوتها 84 2-45- انحنای محدب در شوتها 84 2-46- امواج ناشی از پایه های سرریز دریچه دار و جریان روی تنداب 85 2-47- الف- امواج ناشی از پایه که تا محل اولین هواده مشاهده می شود. ب) جریان آب و هوا با سرعت زیاد 86 2-48-جریان روی تنداب از تاج سرریز تا مستهلک کننده انرژی 86 2-49- قسمتهای مختلف جریان در نزدیکی هواده روی تنداب 87 2-50- سیستم تامین هوا برای هوادهی تنداب 88 2-51- پروفیل طولی تنداب با هواده های تعبیه شده در آن 88 2-52- کاویتاسیون اولیه برای جریان روی برجستگی ها 89 2-53- کاویتاسیون اولیه برای فرورفتگی های ناگهانی 91 2-54- کاویتاسیون اولیه برای فرورفتگی های شیب دار 92 2-55- کاویتاسیون اولیه برای برجستگی گرد گوشه 93 2-56- کاویتاسیون اولیه برای بالا آمدگی شیب دار 94 2-57- انواع امکانات هوادهی 95 2-58- طبقه بندی کلاسیکی پرش 99 2-59- انواع پرش هیدرولیکی 100 2-60- تنوع نوسانات سرعت نسبت به میانگین سرعت اصلی 102 2-61- نوسانات فشار نسبت به زمان 103 2-62- تعیین ضریب و نسبت 104 2-63- تعیین ضریب نسبت به زمان 105 2-64- پروفیل طولی انواع پرش 106 2-65- محاسبه ضرایب مربوط به نوسانات نیرو با توجه به نسبت 107 2-66- رابطه ضریب غلظت هوا و نسبت 108 2-67- انواع حوضچه آرامش 110 2-68- حوضچه نوع شرما 111 2-69- حوضچه نوع L 112 2-70- حوضچه نوع George 113 2-71- حوضچه گوه ای پیلای 114 2-72- خسارت ناشی از فشار بالادهنده در سد کارنافیو لی واقع در کشور بنگلادش 117 2-73- بررسی فشار بالادهنده در زیر حوضچه های USBR 118 2-74- پارامترهای مربوط به نیروی فشار بالابرنده Hajdin 119 2-75- بررسی نیروهای وارده به دیوار جانبی در مقابل دبی های مختلف در سد سردار سروار هند 123 2-76- تعیین گشتاور خمشی دینامیک در دیواره های مقسم مدل سردار سروار هند 124 2-77- بررسی نیروهای جانبی نوسان کننده روی پایه های بافل 125 2-78- معیار USBR در خصوص باکتهای ساده و شیاردار 126 2-79- جریان غلطاب زمینی در پایین دست باکت ساده باعث فرسایش خواهد شد 126 2-80- معیار WES در مورد نسبت با عدد فرود 127 2-81- توزیع فشار بر روی دیواره انتهای جام ساده 129 2-82- اثرات عمق T.W بر عملکرد باکت ساده 130 2-83 بررسی عمق شستشو در پایین دست جام ساده 130 2-84- جام ساده و شیاردار در معیار USBR 131 2-85- بررسی ابعاد دندانه ها در جام شیار دار 132 2-86- بررسی USBR با توجه به مدلهای مطالعاتی و شرایط عمق T.W 133 2-87 بررسی حدود T.W بعداز انتخاب شعاع و دبی مناسب 134 فصل سوم – مواد و روشها 3-1- حالت اول هندسه پایه 140 3-2- حالت دوم هندسه پایه 141 3-3- حالت سوم هندسه پایه 142 3-4- حالت چهارم هندسه پایه 143 3-5- نمودار کاویتاسیون برای دبی مربوط به سد گدارلندر 145 3-6- نمودار کاویتاسیون برای دبی مربوط به سد گدارلندر 149 3-7- ملاحظات زیست محیطی در حوضچه های آرامش 155
