فرمولی فیزیک مبنا برای شار فرسایش بستر چسبنده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

فرمول‌های مورد استفاده برای محاسبه نرخ فرسایش بستر چسبنده فاقد مبانی فیزیکی بوده و قادر به تشریح فرسایش بستر در حال تحکیم و در معرض سیلاب ها و طوفان ها نمی باشند، لذا نیاز به رویکرد و فرمول و الگوریتم مدل سازی جدیدی می‌باشد که دارای سرعت و دقت کافی و لازم جهت استفاده در مدل سازی کیفیت آب  باشد. فرمول جدید پیشنهادی، تنش برشی بستر را به صورت یک متغیر احتمالاتی ساده تک متغیری در نظر می‌گیرد. این فرمول،  نرخ فرسایش پتانسیل را معادل نرخ فرسایش از روی گل روان که به عنوان پدیده اختلاط کاملاً قابل تحلیل می‌باشد، در نظر می‌گیرد. در فرمول، تنش برشی بحرانی معادل مقاومت برشی بستر در حالت زهکشی شده و در نزدیکی سطح مشترک بستر و بدنه جریان در نظر گرفته شده است. مقاومت برشی واقعی بستر را می توان با کمک روابط موجود به چگالی خشک رسوبات بستر و چسبندگی ارتباط داد. فرمول پیشنهادی نیاز به هشت متغیر دارد. هفت متغیر آن را می‌توان با کمک آزمایش‌های مکانیک خاک و استوانه تحکیم و روابط موجود اندازه گیری کرده و به برآوردهای قابل قبولی از آنها دست پیدا کرد.  تنها متغیری که قابل محاسبه نبوده و باید در مرحله واسنجی مورد ارزیابی قرار گیرد، ضریب مربوط به توزیع احتمال تنش برشی لحظه ای می‌باشد. برای ارزیابی فرمول، بعد از نمونه برداری از آب و رسوبات بستر مصب مخزن سد سفیدرود در ناحیه ورود رودخانه قزل اوزن،آزمایش های کوتاه مدت فرسایش در یک فلوم مستقیم با امکان گردش آب و رسوب و آزمایش های تحکیم در یک استوانه تحکیم انجام شد. در فلوم مستقیم برای هفت دوره تحکیم (بارگذاری ناشی از وزن)، چندین مجموعه آزمایش انجام شد. فرمول پیشنهادی نتایج آزمایشگاهی را با دقت مناسبی شبیه سازی نموده و به خوبی ظرفیت واسنجی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Physically Based New Formula for Cohesive Bed Erosion Rate

نویسندگان [English]

  • Hesam Fouladfar
  • Mahmood Shafaei Bajestan
  • Manoochehr Fathi Moghadam
چکیده [English]

 The currently most widely used erosion models are poorly based on physical principles and lack the ability to describe erosion of the consolidated sediment bed at increased shear stresses e.g. during a storm. There is a need for a new modeling approach that is both fast and accurate. A new erosion formulation is proposed that regards the bed shear stress as a stochastic variable and allows erosion only when the actual bed shear stress exceeds the actual yield strength at the interface. There is a formulation that relates the actual yield strength to the density and the cohesion. In the formula, is assumed that the potential erosion flux is the same as entrainment flux of fluid mud under turbulent flow. The formulation needs eight physical input parameters. The five shear strength parameters can be determined from standard consolidation experiments in a settling column as well as soil mechanical tests. The other two physical parameters have to be determined by means of relation concerning to erosion on fluid mud and shear parameter. For the last parameter, namely coefficient of the probability distribution of the bed shear stress, No standardized laboratory tests are yet available and should be estimated during calibration process. The formula has been validated on short term erosion experiments performed in a straight flume on the bed sediments of the junction of Sefidrud dam reservoir and Ghezel Ozan river. These erosion experiments have been performed on the same beds that were measured in the consolidation experiments used to validate the parameterization. In the straight flume seven experiments have been performed. The model can simulate the results from the flume experiment well. The simulations show the same characteristic exponential decay evolution of the eroded material height. Moreover, the model can be calibrated well in a qualitative sense.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cohesive bed erosion
  • Consolidation
  • Shear Stress
  • Shear strength
  • Erosion coefficient rate
  • Entrainment
  • Dry density
  • Calibration