مروری بر روش‏های ارائه شده در تعیین آستانه حرکت ذرات رسوب و عوامل موثر بر آن

آب و توسعه پایدار

مقاله 7، دوره 4، شماره 1 - شماره پیاپی 8، شهریور 1396، صفحه 47-56   

نوع مقاله: مقاله علمی- ترویجی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jwsd.v4i1.55296

نویسندگان

شهرام اسماعیل زاده^{* 1}؛ کاظم اسماعیلی²

¹دانشگاه فردوسی مشهد

²فردوسی

چکیده

در آبراهه ‏های فرسایش‏ پذیر مجموع ه‏ای از نیروهای هیدرودینامیکی به ذرات رسوب موجود در بستر آبراهه وارد می‏ شوند. با افزایش سرعت جریان، مقدار این نیروها نیز بتدریج افزایش می‏ یابد. چنانچه نیروهای هیدرودینامیکی از یک مقدار بحرانی بیشتر شوند، ذرات رسوب شروع به حرکت می‏ کنند. شروع حرکت ذرات رسوبی را اصطلاحاً آستانه حرکت و شرایطی که در آن ذرات در آستانه حرکت قرار می‏ گیرند را شرایط آستانه یا بحرانی گویند. به نظر می‏ رسد که نمودار شیلدز نقطه مرجع تمامی تحقیقات انجام شده در زمینه انتقال رسوب باشد. هرچند تلاش‏ های اندکی نیز قبل از شیلدز صورت گرفته بود اما عمدتاً بر مبنای فرمول‏ های تجربی بودند و قابلیت چندانی در کاربردهای عملی نداشتند. مطالعات زیادی در ادامه تحقیقات شیلدز انجام شد و نمودار ارائه شده توسط شیلدز بطور وسیعی در مسائل عملی نیز بکار گرفته شد. علیرغم این کاربرد وسیع، برخی مطالعات حاکی از محدودیت‏هایی در استفاده از نمودار شیلدز است. به همین دلیل، مطالعات زیادی برای بهبود و اصلاح نمودار شیلدز توسط محققین مختلف صورت گرفت. از جمله مشکلات در نمودار شیلدز آن است که تنش برشی و سرعت برشی به صورت متغیرهای مستقل در نظر گرفته شده‏اند در حالی که این دو متغیر مستقل نیستند و به یکدیگر وابسته‏ اند یا اینکه به صراحت مشخص نکرده است که از کدام روش برای تعیین تنش برشی بحرانی استفاده کرده است. هنوز نمی ‏توان راجع به اثر شیب بستر بر آستانه حرکت به قطعیت صحبت کرد و در این زمینه محققان نتایج کاملاً متفاوتی بدست آورده ‏اند. در این تحقیق به بررسی جامعی از تحقیقات صورت گرفته در زمینه آستانه حرکت ذرات رسوبی با تأکید بر نمودار شیلدز و شناسایی محدودیت‏ های آن پرداخته شده است.

کلیدواژه‌ها

نمودار شیلدز؛ شروع حرکت ذرات؛ رسوب؛ فرسایش

مراجع

Aksoy S. 1973. Fluid forces acting on a sphere near a solid boundary. Proc. 15th IAHR Congr., Istanbul, Turkey, 1: 217-224.

Bagnold R.A. 1974. Fluid forces on a body in shear flow; experimental use of stationary flow. Proc. R. Soc. London A, 340: 147-171.

Brayshaw A.C., Frostick L.E. and Reid I. 1983. The hydrodynamics of particle clusters and sediment entrainment in course alluvial channels. Sedimentology, 30: 137-143.

Carstens M.R. 1966. An analytical and experimental study of bed ripples under water waves. Quart. Rep. 8 and 9, Georgia Institute of Technology, School of Civil Engineering, Atlanta, USA.

Cheng N.Sh. and Chiew Y.M. 1999. Incipient sediment motion with upward seepage. Journal of Hydraulic Research, 37(5): 665-681

Coleman N.L. 1967. A theoretical and experimental study of drag and lift forces acting on a sphere resting on a hypothetical stream bed. Proc. 12th IAHR Congr., Fort Collins, Colorado, 3: 185-192.

Davies T.R.H. and Samad M.F.A. 1978. Fluid dynamic lift on a bed particle. J. Hydraul. Div., 104(8): 1171-1182.

Dey S. 1999. Sediment threshold. Appl. Math. Modelling, 23(5): 399-417.

Dey S. 2003. Threshold of sediment motion on combined transverse and longitudinal sloping beds. J. Hydraul. Res., 41(4): 405-415.

Dey, S. and Debnath, K. 2000. Influence of stream-wise bed slope on sediment threshold under stream flow. J. Irrig. and Drain. Eng., Vol. 126, No. 4, pp. 255-263.

Egiazaroff J.V. 1965. Calculation of non-uniform sediment concentrations. J. Hydraul. Div., 91(4): 225-247.

Einstein H.A. and El-Samni E.A. 1949. Hydrodynamic forces on rough wall. Rev. Modern Phys., 21(3): 520-524.

Einstein, H.A. 1950. The bed-load function for sediment transportation in open channel flows. Tech. Bulletin No. 1026, US Department of Agriculture.

Gilbert G.K. 1914. Transportation of debris by running water. Prof. Paper No. 86, United States Geological Survey, Washington DC, USA.

Gessler J. 1970. Self-stabilizing tendencies of alluvial channels. J. Waterways Harbors Div., 96(2): 235-249.

Goncharov V.N. 1964. Dynamics of channel flow. Israel Programme for Scientific Translation, Moscow, Russia.

Iwagaki, Y. 1956. Fundamental study on critical tractive force. Trans. Jap. Soc. Civ. Eng., 41: 1-21.

Jain R. and Kothyari U. 2008. Detachment and Transport of Clay-Sand-Gravel Mixtures by Channel Flow. River Flow Conference Proceedings, Izmir, Turkey, Sep. 3-5.

Jeffreys H. 1929. On the transport of sediments in stream. Proc. Camb. Phil. Soc., 25: 272 .

Julien P.Y. 1998. Erosion and sedimentation. Cambridge University Press, Cambridge, UK.

Kho K., Valentine E. and Glendinning S. 2004. An Experimental Study of Local Scour around Circular Bridge Piers in Cohesive Soils. 2nd International Conference on Scour and Erosion, Singapore, November.

Kramer H. 1935. Sand mixtures and sand movement in fluvial models. Trans., ASCE, 100(1909): 798–838.

Kuti E. and Yen C. 1976. Scouring of Cohesive Soils. Journal of Hydraulic Research, 14(3): 195-206.

Lamb M.P., W.E. Dietrich and Venditti J.G. 2008. Is the critical Shields stress for incipient sediment motion dependent on channel-bed slope? J. Geophys. Res., 113: 1-20.

Leliavsky S. 1966. An introduction to fluvial hydraulics. Dover, New York.

Ling C.H. 1995. Criteria for incipient motion of spherical sediment particles. J. Hydraul. Eng., 121(6): 472-478.

Mantz P.A. 1977. Incipient transport of fine grains and flanks by fluids-extended Shields diagram. J. Hydraul. Div., 103(6): 601-615.

Mitchener H. and Torfs H. 1996. Erosion of Mud/Sand Mixtures. Coastal Engineering, (29): 1-25.

Neill, C. R., and Yalin, S. (1969). ‘‘Quantitative definition of beginning of bed movement.’’ J. Hydr. Div., ASCE, 95(1), 585–588.

Panagiotopoulos I., Voulgaris G. and Collins M. 1997. The Influence of Clay on the Threshold of Movement of Fine Sandy Beds. Coastal Engineering. (32): 19-43.

Partheniades E. 2007. Engineering Properties and Hydraulic Behavior of Cohesive Sediments. CRC Press, Taylor and Francis Group, p.338.

Rouse H. 1939. An analysis of sediment transportation in light of fluid turbulence. Rep. No. SCS-TP-25, Sediment Division, U.S. Dept. of Agr., Soil Conservation Service, Washington, D.C.

Shvidchenko AB. and Pender G. (2000). Flume study of the effect of relative depth on the incipient motion of coarse uniform sediments. Water Resource. Res. 36 (2) 619-628.

Shields A. 1936. Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement. Hydrodynamics Laboratory Publ. No. 167, W. P. Ott, and J. C. van Uchelen, trans., U.S. Dept. of Agr., Soil Conservation Service Cooperative Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, Calif (Cited in Buffington 1999)

Soulsby R.L. and Whitehouse R.J.S. 1997. Threshold of sediment motion in coastal Environments. Proc. Combined Australasian Coastal Eng. and Port Conf., Christchurch, New Zealand, pp. 149-154.

USWES. 1935. Study of riverbed material and their use with special reference to the Lower Mississippi River. Paper 17, U.S. Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss. (Cited in Buffington 1999)

Van Rijn L.C. 1984. Sediment transport, part I: bed-load transport. J. Hydraul. Eng., 110(10): 1431-1456.

Vanoni V.A. 1964. Measurements of critical shear stress for entraining fine sediments in a boundary layer. Rep. No. KH-R-7,W. M. Keck Laboratory of Hydraulics and Water Resources, Division of Engineering and Applied Science, California Institute of Technology, Pasadena, Calif.

Velikanov M.A. 1955. Dynamics of alluvial stream. Vol. 2, State Publishing House of Theoretical and Technical Literature, Russia (in Russian).

White C.M. 1940. The equilibrium of grains on the bed of a stream. Phil. Trans. Royal Soc., 174A: 322-338.

Wiberg P.L. and Smith J.D. 1987. Calculations of the critical shear stress for motion of uniform and heterogeneous sediments. Wat. Resour. Res., 23(8): 1471-1480.

Wu W., Wang S.S.Y. and Jia Y. 2000. Nonuniform sediment transport in alluvial rivers. J. Hydr. Res., IAHR, 38(6): 427–434.

Yalin M.S. 1963. An expression of bed-load transportation.” J. Hydraul. Div., 89(3): 221-250.

Yalin M.S. and Karahan E. 1979. Inception of sediment transport. J. Hydraul. Div., 105(11): 1433-1443.

Yang C.T. 1973. Incipient motion and sediment transport. J. Hydraul. Div., 99(10): 1679-1704.

Zreik D., Krishnappan B., Geramine J., Madsen O. and Ladd C. 1998. Erosional and Mechanical Strengths of Deposited Cohesive Sediments. Journal of Hydraulic Engineering, 124(11): 1076-1085.