در سالهای اخیر، سدهای پاره سنگی برای مدیریت حوزه و کنترل سیل مورد توجه قرار گرفته است. مزیت مهم این نوع سازه ها علاوه بر بخش هیدرولیکی، در سازگاری کامل آن ها با طبیعت و محیط زیست است. رابطه دارسی در محیط های متخلخل سنگریزه ای دارای اعتبار نمی باشد. نیروی تراوش، شبکه جریان تراوش و مقدار تراوش در سدهای سنگریزه ای با عدد رینولدز تغییر می کند و مقدار تراوش بسیار بیشتر از محیط هایی است که قانون دارسی در آن ها معتبر است که این هدف از ساخت سدهای سنگریزه ای می باشد. این تحقیق با انجام آزمایشاتی روی دو نمونه مستطیل شکل از سد پاره سنگی آزمایشگاهی به طول 70 و100 سانتی متر و ارتفاع و عرض 30 سانتی متر در فلوم آزمایشگاهی با استفاده از سنگدانه هایی به قطر متوسط 5/14 و 21 میلیمتر انجام گرفت. از خاک رس که از الک شماره 400 (038/0 میلیمتر) عبور داده شده بود جهت تولید جریان آب-رسوب استفاده شد. توصیف جزئی رفتار رسوبات ریزدانه چسبنده یک موضوع بسیار پیچیده می باشد و شبیه سازی حرکت رسوبات چسبنده بطور شدیدی تحت تأثیر خواص ماکروسکوپی از سیستم آب-رسوب می باشد. بعد از انجام آزمایشات، نمودار مربوط به هر جدول داده ها رسم و مشخص شد که ضریب تغییرات هدایت هیدرولیکی از رابطه نمائی پیروی می کند. سپس با کمک آنالیز ابعادی و استفاده از نرم افزار sas، روابطی برای ضریب تغییرات هدایت هیدرولیکی به دست آمد. ارزیابی این روابط با استفاده از داده‎های آزمایشگاهی انجام شد و تفاوت مقدار محاسبه‎ای و مقدار مشاهده‎ای بررسی شد و به صورت نمودارهایی نشان داده شد. درصد خطای تخمین محاسبه شده برای این روابط نشان داد که رابطه خطی دارای خطای کمتری نسبت به رابطه لگاریتمی می باشد. همچنین حساسیت روابط نسبت به پارامترهای مختلف بررسی شد و مشخص شد که روابط نسبت به پارامتر غلظت حساس تر می باشند. در انتها نیز با کمک روندیابی سیل در سدهای پاره سنگی، هیدروگراف خروجی رسم شده، تأثیر ضریب تغییرات هدایت هیدرولیکی روی هیدروگراف خروجی بررسی و به صورت نمودارهایی نشان داده شد.

معادلات سنت ونانت معادلات حاکم بر هیدرولیک جریان در آبراهه ها می باشد. با بکارگیری این معادلات در حالت پایستار و استفاده از روش های بالادستی از خانواده گودانف در قالب احجام محدود، جریان های متغیر سریع و تدریجی یک بعدی در رودخانه ها شبیه سازی می شود. با توجه به شرایط جریان در رودخانه، معادله بکار گرفته شده شامل عبارت منبع است که عامل شیب کف، شیب اصطکاکی، تغییرات عرض جریان و جریان های جانبی را در بر می گیرد. با در نظر گرفتن جریان های جانبی در عبارت منبع که لازمه شبیه سازی جریان در رودخانه به نظر می رسد، افزایش یا کاهش دبی ناشی از این جریان ها را می توان بر جریان اصلی اعمال کرد. اساس روش بر پایه حل یک سری مسائل ریمن شکل گرفته است که برای محاسبه شار جریان ایجاد شده، از حل کننده-های تقریبی ریمن hll و roe استفاده شده است. برای ارتقاء دقت محاسبات از مرتبه یک به دو نیز می توان از الگوی muscl بهره گرفت. در این الگو برای بازسازی متغیر ها از روش sgm استفاده می شود. برای ارزیابی عملکرد الگوهای حل عددی ارائه شده دو دسته آزمون در نظر گرفته شده است. آزمون های دسته اول یک سری آزمون های استاندارد است که شرایط دشوار و صرفا آزمایشگاهی را برای بررسی عملکرد مدل عددی ایجاد می کند و نتایج مدل عددی با حل تحلیلی این آزمون ها مقایسه می شود. در آزمون های دسته دوم توانایی مدل عددی در شبیه سازی جریان، با استفاده از داده های آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار می گیرد. با توجه به نتایج بدست آمده هر دو الگوی حل بکار رفته نتایج مطلوب و با دقت بالا ارائه می دهند و توانایی بالایی در شبیه سازی جریان در شرایط هیدرولیکی مختلف و در حالت یک بعدی در رودخانه را دارند.

سد پاره سنگی بدون هسته نفوذ ناپذیر، از نوع سد تأخیری می باشد که برای کنترل و مهار سیلاب به کار می رود. این سد قادر به کاهش پیک سیلاب خروجی نسبت به سیلاب ورودی می باشد. تحقیق حاضر بر روی هیدرولیک جریان ماندگار درون گذر در سد پاره سنگی ذوزنقه ای شکل انجام شده است. بعلت متلاطم بودن جریان تراوشی در این سدها، قانون دارسی اعتبار ندارد و باید از معادلات جریان متلاطم، شامل روابط بین عدد رینولدز و ضریب اصطکاک یا گرادیان هیدرولیکی و سرعت جریان استفاده شود. در این تحقیق برای محاسبات هیدرولیک جریان درون گذر، از معادله انرژی استفاده شده است. روش کار مبنی بر روش گام به گام استاندارد می باشد. نقطه خروجی در شیروانی پایین دست سد، به عنوان شرط مرزی به کار گرفته شده است و محاسبات از این نقطه به سمت بالادست انجام می شود. برای بدست آوردن این نقطه از رابطه پاولسکی استفاده شد. برای درنظر گرفتن آشفتگی جریان، اصلاحاتی در این معادله صورت گرفت. به منظور حل مدل عددی، برنامه کامپیوتری تهیه شد. جهت ارزیابی دقت نتایج مدل عددی، نتایج مدل با نتایج آزمایشگاهی و همچنین مدل دو بعدی مقایسه شد، تطابق خوبی بین نتایج مدل و نتایج آزمایشگاهی مشاهده گردید. در بخش دیگری از تحقیق، کاربرد سدهای پاره سنگی در کنترل سیلاب با استفاده از روندیابی سیل بررسی گردید. نتایج نشان داد که دقت حاصل از روندیابی سیل با استفاده از مدل یک بعدی به خوبی مدل دو بعدی می باشد.

درحال حاضر سدهای مخزنی زیادی در دنیا، به دلیل حجم زیاد رسوبات در مخزن و به خصوص در اطراف آبگیرها، با مشکلات بهره برداری روبه رو هستند. رسوب شویی تحت فشار به عنوان یک روش موثر برای خارج کردن موضعی رسوبات انباشته شده در پشت سد که محل جانمایی دریچه ها و توربین ها می باشد برای حل این مشکل مطرح شده است. اما در این نوع رسوبشویی رسوبات مجاور دریچه های تخلیه-کننده بصورت موضعی با باز نمودن دریچه های تخلیه کننده تحتانی سد حذف می شوند و میزان گسترش حد تأثیر آن محدود می باشد از طرفی از آنجاییکه اتلاف آب مخزن در این روش نسبتا پایین می باشد، لذا ارائه یک راهکار مناسب برای افزایش حد تأثیر فرآیند رسوبشویی تحت فشار می تواند گامی برای افزایش عمر سد با کمترین اتلاف آب باشد. در مطالعه آزمایشگاهی انجام شده در این تحقیق، به بررسی تأثیر توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در مخزن بر روی حجم و ابعاد مخروط رسوبشویی پرداخته شده-است. به منظور رسیدن به اهداف این تحقیق، آزمایشاتی با استفاده از مدل فیزیکی به شکل مکعب مستطیل به طول 1/7 متر، عرض 4/1 متر و ارتفاع 5/1 متر در آزمایشگاه هیدرولیک گروه سازه های آبی دانشگاه تربیت مدرس انجام شد. آزمایش ها با سه طول مجرای تخلیه کننده تحتانی 10، 20، 30 سانتی-متر، سه ارتفاع آب 5/47، 55 و 5/64 سانتی متر روی مرکز دریچه و سه دبی تخلیه 3،2 و 1 لیتر بر ثانیه برای هر ارتفاع آب انجام گرفت. در این تحقیق همچنین تحلیل کوادرانت پدیده انفجار آشفتگی نزدیک کف مخروط رسوبشویی تشکیل شده توسط مجرای تخلیه کننده تحتانی انجام شده است. نتایج تحقیقات اولیه نشان داد، که توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در داخل مخزن تاثیر مثبت و محسوس بر ابعاد مخروط رسوبشویی دارد. بطوریکه توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی به میزان 5/0 ، 1 و 5/1 برابر ارتفاع رسوبات در مخزن باعث افزایش حجم مخروط رسوبشویی به طور متوسط، به ترتیب به میزان 47، 75 و 96 درصد نسبت به حالت بدون توسعه مجرا گردیده است. با توسعه مجرای تخلیه کننده تحتانی در داخل مخزن شرایط هیدرولیکی جدیدی ایجاد می شود که مکانیزم رسوبشویی را تحت تاثیر قرار می دهد و با افزایش طول مجرا، ابعاد حفره رسوبشویی، افزایش یافته ولی نرخ افزایش ابعاد با افزایش میزان توسعه کاهش می یابد. همچنین با توسعه مجرا مقداری از راندمان رسوبشویی کاسته می شود. در نتیجه انتخاب میزان مناسب توسعه مجرای تخلیه کننده در مخزن می بایست از طریق بهینه سازی بین دو قید اساسی باشد، نجات آبگیر های نیروگاه و محدودیت نسبی منابع آب. براساس داده های آزمایشگاهی روابط بدون بعدی برای تخمین ابعاد مخروط رسوبشویی بدست آمد. این روابط دارای ضریب تبیین بالایی بوده و تخمین خوبی را ارائه می کند. همچنین نتایج تحلیل کوادرانت آشفتگی نزدیک کف نیز نشان داد که در درون مخروط رسوبشویی احتمال ایجاد پدیده های جاروبی وبیرون رانی بیشتر از پدیده های اندرکنش روبه بیرون و رو به داخل می باشد.

در روش رسوب شویی تحت فشار، رسوباتی که از قبل در مخزن نهشته شده اند بوسیله باز نمودن دریچه های تحتانی سد همراه با آب خروجی از دریچه ها شسته شده و از آن خارج می گردند. مقدار حجم رسوبات تخلیه شونده به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که برای مثال می توان به عمق آب داخل مخزن، دبی جریان خروجی از تخلیه کننده تحتانی و تراز رسوبات نهشته شده در مخزن اشاره نمود. در این پایان نامه به بررسی آزمایشگاهی رسوب شویی تحت فشار و اثر تغییرات تراز رسوبات بر روی راندمان و ابعاد حفره رسوب شویی پرداخته شده است. جهت بررسی تأثیر پارامترهای مذکور از یک مدل فیزیکی به طول 1/7 متر، عرض 4/1 متر و ارتفاع 5/1 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس استفاده شد. آزمایشات بر روی سه تراز رسوبات 10، 15 و 20 سانتی متر، سه ارتفاع آب 47، 55 و 5/64 سانتی متر و 3 دبی تخلیه برای هر ارتفاع (1، 2 و 3 لیتر بر ثانیه) انجام گرفت. مقادیر سرعت اندازه گیری شده نشان می دهد هر چه به دریچه تحتانی نزدیک تر می شویم مقدار سرعت افزایش می یابد. به منظور محاسبه تنش برشی بستر از روش دی استفاده شد، بررسی ها نشان می دهند تنش های حداکثر، در نواحی نزدیک به دریچه تخلیه کننده رخ می دهند و با افزایش تراز رسوبات مقادیر این تنش ها به میزان کمی افزایش می یابد. روی شیب و خارج از حفره رسوب شویی این میزان کم شده و در هر 3 تراز رسوب تقریبا با هم برابرند. برای بررسی پدیده های آشفتگی کف از تحلیل کوادرانت استفاده شد و نتایج نشان داد در مجاورت دریچه تخلیه کننده، احتمال پدیده بیرون رانی و بر روی شیب حفره رسوب شویی احتمال پدیده جاروبی غالب اند. با توجه به مقادیر سرعت و تنش های بدست آمده، انتظار می رود با افزایش تراز رسوبات نرخ گسترش ابعاد مخروط رسوب شویی افزایش یابد. با توجه به نتایج مربوط به ابعاد اندازه گیری شده مخروط، بین تراز رسوبات و ابعاد مخروط رسوب شویی ارتباط مستقیمی وجود دارد. همچنین راندمان رسوب شویی تحت فشار با افزایش تراز رسوبات تجمع یافته در مخزن افزایش می یابد. از طرفی مشاهده گردید شکل مخروط رسوب شویی در پلان به نیم دایره نزدیک بوده و گسترش عرضی آن درتمام آزمایشات کمی بیشتر از گسترش طولی می باشد. در نهایت براساس داده های آزمایشگاهی روابط بدون بعدی جهت پیش بینی ابعاد حفره رسوب شویی بدست آمد. این روابط دارای ضریب تبیین بالایی بوده و تخمین خوبی را ارائه می کنند.

در طی سال های اخیر با صنعتی شدن جهان، رشد جمعیت و توسعه شهرنشینی، افزایش تولید پساب های شهری و صنعتی در مناطق ساحلی را به دنبال داشته است. از این رو با توجه به کمبود آب آشامیدنی، تعداد نیروگاه های آب شیرین کن در سراسر جهان به طور چشمگیری افزایش یافته است. گسترش روز افزون صنایع آب شیرین کن تولید حجم بسیار بالایی از پساب های سنگین را در مناطق ساحلی به دنبال داشته است. یکی از راههای متداول دفع پسابهای چگال در مناطق ساحلی، تخلیه این پسابها به پیکره های آبی اعم از متحرک و ساکن می باشد. این نوع تخلیه عمدتا به دو روش مستغرق و سطحی صورت می پذیرد. از آنجا که داده های آزمایشگاهی یا اندازه گیری های میدانی به منظور تحلیل رفتار این جریانات در دسترس نیست، این موضوع طراحی علمی و بهره برداری مناسب این سازه ها را با مشکل مواجه ساخته است. در تحقیق حاضر مقایسه مشخصات هندسی و اختلاطی جریان در تخلیه سطحی پسابهای با شناوری منفی از کانال های مستطیلی و ذوزنقه ای در محیط های ساکن با استفاده از مدل آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق ابتدا مشخصات هندسی جریان چگال از هر یک مقاطع از مستطیل و ذوزنقه و مقایسه آن ها با یکدیگر و سپس مشخصات اختلاطی جریان از هر یک از مقاطع و مقایسه ی آن ها با یکدیگر مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور مطالعه ی مشخصات هندسی و اختلاطی جریان چگال از روش تحلیل رقومی استفاده شده است. مقایسه ی مشخصات هندسی جریان بیانگر آن است که مقطع ذوزنقه ای نسبت به مقطع مستطیلی دارای مشخصات هندسی مطلوب تر (مسیر حرکت جریان طولانی تر، موقعیت نقاط شیرجه و برخورد در فاصله ی دورتر از محل تخلیه جریان چگال) می باشد. به منظور بررسی معنادار بودن تفاوت هر یک از پارامترهای مورد بررسی، آنالیز آماری (مقایسه میانگین) انجام شد. برای هریک از پارامترهای مربوط به مشخصات هندسی این تفاوت معنی دار می باشد. مقایسه ی مشخصات اختلاطی جریان چگال نشانگر آن است که مقطع ذوزنقه ای به دلیل داشتن مسیر حرکت طولانی تر دارای ترقیق بیشتری در نقطه برخورد جریان با بستر می باشد. بررسی آماری نشان می دهد که این تفاوت معنی دار می باشد. موقعیت و میزان ترقیق نهایی جریان در محیط، برای دو مقطع تقریبا یکسان می باشد. بررسی آماری نیز نشان می دهد که تفاوت معنی دار نمی باشد. بنابراین در طراحی تخلیه کننده ی سطحی در صورتی که مشخصات هندسی و میزان ترقیق در نقطه ی برخورد مدنظر باشد، مقطع ذوزنقه ای و در صورتی که میزان و موقعیت ترقیق نهایی جریان در محیط مدنظر باشد هریک از دو مقطع مستطیل و ذوزنقه را می توان بکار برد.

در روش کاهش سطح که یکی از رایج ترین روش های تجربی در تعیین توزیع رسوبات در مخازن می باشد، مخازن از نظر هندسی به چهار نوع تقسیم بندی می شوند. برای هر یک از چهار نوع مخزن پارامترهای ارائه شده بر اساس تعداد محدودی مخزن بدست آمده است،که پیش بینی این روش را با خطای زیادی همراه می کند. لذا در مخازنی که در حال بهره برداری می باشند و عملیات هیدروگرافی در آنها حداقل یکبار انجام شده باشد، می توان با تعیین پارامترهای مناسب به دقت قابل قبولی دست یافت یا به اصطلاح مدل را برای آن مخزن خاص واسنجی نمود. در این تحقیق در محیط متلب ، ابتدا بر اساس تئوری روش کاهش سطح یک مدل کامپیوتری تهیه شد، سپس مدل بهینه سازی به روش الگوریتم ژنتیک آماده شد و در نهایت این دو مدل ترکیب شدند. مدل تهیه شده پارامترهای روش تجربی کاهش سطح را برای هر مخزن بنحوی تعیین می کندکه بیشترین تطابق بین مقادیر محاسباتی و اندازه گیری شده بدست آید. با توجه به اینکه برای واسنجی و صحت سنجی مدل تهیه شده حداقل به سه دوره اطلاعات اندازه گیری شده نیاز است و به علت کمبود اطلاعات هیدروگرافی مخازن کشور ابتدا مدل تهیه شده برای سد مخزنی آلتوس در آمریکا و کرج در ایران که دارای سه دوره اطلاعات می باشند بکار برده شد. نتایج حاصله نشان داد که استفاده از پارامترهای بهینه در سد آلتوس باعث کاهش میزان تابع هدف به مقدار 22% و در سد کرج باعث کاهش میزان تابع هدف به مقدار 57% شد. این مسئله نشان دهنده ی صحت نتایج و قابلیت کاربرد مدل در دوره-هایی غیر از دوره ی واسنجی مدل می باشد. سپس با استفاده از این روش بهترین پارامترها برای سد مخزنی کارده که تنها دو هیدروگرافی از آن در دسترس بوده، بدست آمد. سپس بر اساس پارامترهای بهینه بدست آمده برای هریک از سدهای کرج و کارده، نحوه ی توزیع رسوبات در سال های آینده برای این مخازن پیش بینی شد.

هدف اصلی این تحقیق شبیه سازی عددی با استفاده از مدل های آماده در زمینه cfd می باشد که در این تحقیق با استفاده از مدل flow3d به بررسی جریان در محیط های متخلخل سد پاره سنگی پرداخته شده است. معادلات حاکم بر این مدل، معادلات ناویر استوکس می باشد. رژیم جریان در محیز های متخلخل به صورت آشفته می باشد و نمی توان از معادلات خطی دارسی در این محیط بهره گرفت. در این تحقیق بر خلاف تحقیق های صورت گرفته از معادلات دارسی استفاده نشده است بلکه محیط متخلخل در مدل مذکور به عنوان مانعی بر سر جریان در نظر گرفته شده است و شرایط حاکم در آن بررسی شده است.