بررسی آزمایشگاهی اثرات اندازه دانه و عدد رینولدز مرزی در عدد جابجایی و عدد پایداری در مقابل زبری نسبی بر آستانه حرکت در بارهای بستر رودخانه ها

زمینه و هدف: آبگذری در سازه های انتقال آب بدلیل وجود رسوبات معلق در آب باعث کاهش سطح مقطع جریان و همچنین افزایش زبری می شود که در نتیجه کاهش آبدهی سازه را بدنبال خواهد داشت. رودخانه های کشورمان در مقایسه با رودخانه های جهان رسوب بالایی را با خود حمل می کنند. این امر نشان دهنده شدت فرسایش و وضعیت نامناسب منابع طبیعی، فشار بیش از حد به مراتع، تخریب اراضی جنگلی و بهره برداری نامناسب از اراضی کشاورزی می باشد. روش پژوهش: یکی از مسائل مهمی که در هیدرولیک رودخانه نقش اساسی دارد موضوع پیش بینی شرایط آستانه و حرکت اولیه ذرات بستر رودخانه می باشد. بطور کلی لحظه ای را که ذرات شروع به حرکت می کنند اصطلاحاً آستانه حرکت می نامند که معمولاً به صورت مشاهده عینی صورت می پذیرد و با توجه به اینکه شرایط آب زلال برای مشاهده حرکت ذرات مناسب تر است، لذا اکثر محققین آستانه حرکت را در شرایط آب زلال بررسی نموده اند حال نظر به اینکه در طبیعت، آب رودخانه ها همراه خود رسوبات را نیز انتقال می دهند تاکنون تحقیقی در زمینه تاثیر غلظت رسوب معلق در آستانه حرکت به صورت آزمایشگاهی بدلیل رویت نامناسب حرکت ذرات و سختی های اجرایی نشده است، لذا در این مقاله در ابتدا موارد صورت گرفته در محیط آزمایشگاه بر روی 5 نمونه دانه بندی شرح داده شده و در مورد آستانه حرکت ذرات رسوبات غیر چسبنده در بستر رودخانه در دو حالت آب زلال و بار معلق و مقایسه این دو حالت در شرایط آزمایشگاهی پرداخته شد و سپس با نتایج کسب شده نسبت به انجام محاسبات قطر بدون بعد دانه، عدد قابلیت حرکت، سرعت برشی بحرانی، عدد پایداری ذره، عدد رینولدز مرزی، پارامتر زبری نسبی و سرعت ته نشینی اقدام نموده و نسبت به مقایسه نموداری با روابط و نتایج دیگر محققین در نمودار و همچنین تطبیق داده ها بر روی منحنی‌ های آستانه ارائه شده (روش های جایگزین) پرداخته شد. یافته‌ها: نتایج ذرات در بازه 0.5 تا 15 میلیمتر نشان می‌دهد که عدد پایداری در بازه 1.7 تا 2.8 تغییرات دارد. نتایج آزمایشات نشان داده است که شرایط آستانه حرکت در رسوبات بستر نه تنها به اندازه ذرات و رسوبات وابسته بوده بلکه به غلظت آب هم ارتباط دارد. استفاده از عدد قابلیت حرکت u∗/ws به عنوان یک تابعی ازre، مزیت های مشخصی نسبت به تابع حرکت شیلدز (θcr) دارد و با افزایش زبری نسبی یک روند کاهشی در پایداری ذره حاصل می گردد. نتیجه‌گیری: هر چقدر مقدار بار معلق افزایش یابد منجر می شود که تنش برشی بحرانی جریان در آستانه حرکت ذره افزایش یابد. لذا بزرگتر بودن تنش برشی درحالت بار معلق نسبت به تنش برشی آب زلال، منجر به مشاهده زودتر حرکت ذرات بستر در حالت بار معلق خواهد شد. با افزایش بار معلق در هر مقطع از رودخانه، اثرات تخریبی و آوردهای رسوبی در بالا دست افزایش می یابد.

laboratory study of the effects of grain size and boundary reynolds number on displacement number and stability number against relative roughness on movement threshold in river bed loads

background and aim: the presence of suspended sediments in water crossings of water transfer structures leads to a reduction in the flow cross-section and an increase in roughness, which consequently results in decreased discharge of the structure. the rivers in our country carry a higher sediment load compared to rivers around the world. this indicates the severity of erosion, the poor condition of natural resources, excessive pressure on pastures, destruction of forest lands, and inappropriate exploitation of agricultural lands.method: one of the important issues that play a fundamental role in river hydraulics is the prediction of threshold conditions and the initial movement of riverbed particles. in general, the moment when particles start to move is referred to as the threshold of movement, which is usually observed visually. given that clear water conditions are more suitable for observing particle movement, most researchers have studied the threshold of movement under clear water conditions. however, considering that in nature, river water always transports sediments as well, there has not yet been any laboratory research on the effect of suspended sediment concentration on the threshold of movement due to the difficulties in observing particle movement and the challenges in conducting experiments. so, in this article the experiments conducted in the laboratory on five different grain size samples are initially described. the focus became on the threshold of particle movement in non-cohesive sediments in riverbeds under two conditions: clear water and suspended load. a comparison of these two conditions bacame made in a laboratory setting. subsequently, calculations are performed based on the obtained results, including the dimensionless particle diameter, mobility number, critical shear velocity, particle stability number, boundary reynolds number, relative roughness parameter, and settling velocity and compared to the comparison of the diagram with the relationships and results of other researchers in the diagram, as well as comparing the data on the provided threshold curves (alternative methods). results: meanwhile, the results of particles in the range of 0.5 to 15 mm show that the stability number changes in the range of 1.7 to 2.8. the results of the experiments have shown that the conditions of the movement threshold in bed sediments are not only dependent on the size of particles and sediments, but also related to the water. using the mobility number as a function of ، has certain advantages over shields mobility function ( ) and with the increase of relative roughness, a decreasing trend in particle stability is obtained.conclusion: as much as the amount of suspended load increases, the critical shear stress of the flow at the threshold of particle movement increases. therefore, the greater shear stress in the state of suspended load compared to the shear stress of clear water will lead to earlier observation of the movement of bed particles in the state of suspended load. with the increase of the suspended load in each section of the river, the destructive effects and sedimentation increases in the upstream.