امروزه طراحی و اجرای بناهای بتنی، سنگی و خاکی یکی از راه­های مناسب برای کنترل و انحراف آب رودخانه­ها می­باشد. سازه­های توری سنگی و مهم­ترین آن­ها، سرریزهای پلکانی گابیونی به دلیل تأثیر قابل ملاحظه پله­ها بر میزان استهلاک انرژی جریان، پایداری مناسب، اقتصادی بودن، سهولت اجرا و بالا بردن سطح اکسیژن مخلوط در آب رواج بیشتری یافته و توجه روز افزونی به آن می­شود. هدف از این تحقیق بررسی میزان افت انرژی و مشخصات پرش هیدرولیکی و همچنین ارزیابی نقش تخلخل سرریز پلکانی همراه با بسته­های گابیون بر افت انرژی می­باشد. برای این منظور پنج مدل فیزیکی شامل سه مدل سرریز پلکانی گابیونی با سه تخلخل 35، 40 و45 درصد، یک مدل سرریز پلکانی نفوذ ناپذیر و یک تندآب ساخته شد. شیب تمامی مدل­ها ثابت و معادل 1:2 (افقی:عمودی) در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می­دهد که سرریزهای پلکانی گابیونی می­توانند مشخصات پرش هیدرولیکی شامل اعماق مزدوج، طول پرش و طول غلتاب را نسبت به نوع نفوذ ناپذیر آن به مقدار قابل­قبولی کاهش دهند. مقادیر افت نسبی انرژی در سرریزهای پلکانی گابیونی بزرگتر از سرریز پلکانی نفوذ ناپذیر است. حداکثر افت انرژی مربوط به مدل پلکانی گابیونی با تخلخل 45 درصد می­باشد که مقدار آن در حدود 86 درصد است که این مقدار نسبت به سرریز پلکانی نفوذ ناپذیر هشت درصد بیشتر است.

از پارامترهای مهمی که نقش حیاتی در پایداری زیست بوم های آبی و نیز فرایندهای بهبود کیفی آب مانند اکسیداسیون آهن و منگنز دارد، غلظت اکسیژن محلول (DO) است. یکی از روش های کارآمد برای افزایش میزان اکسیژن محلول در آب، استفاده از سازه های هواده است که با ایجاد اختلاط و آشفتگی در جریان آب، حباب های کوچک هوا را به داخل آب وارد کنند و مقدار اکسیژن محلول را افزایش دهند. در این پژوهش، تأثیر سرریز پلکانی به شکل هرمی دارای پلکان های بدون آستانه، آستانه های پیوسته و کنگره ای با هندسه های مختلف بر افزایش مقدار اکسیژن محلول در دامنۀ دبی های مختلف به صورت آزمایشگاهی بررسی شد. نتایج نشان داد که در سرریز پلکانی- هرمی ساده، با افزایش دبی از حداقل تا حداکثر، مدت زمان رسیدن DO به سطح اولیه تا حدود 2 برابر کم می شود ولی این تغییر متناسب با افزایش میزان دبی، افزایش نمی یابد. نصب آستانه های پیوسته و کنگره ای باعث کاهش عملکرد در دبی حداقل می شود ولی با افزایش دبی و به تبع آن ضخامت تیغه های ریزشی جریان از سطوح پلکان ها، مدت زمان افزایش اکسیژن محلول (DO) تا حدود 3 برابر کاهش می یابد. بررسی نتایج نشان داد به طورکلی سرریزهای پلکانی-هرمی با پلکان ساده می توانند تا 2/5 میلی گرم بر ثانیه در هر لیتر جریان ورودی به مخزن اکسیژن محلول (DO) تزریق کنند که این مقدار برای سرریزهای پلکانی-هرمی با آستانه ساده و کنگره ای بین 2/3 تا 2/7 میلی گرم بر ثانیه در هر لیتر است.

سرریزهای پلکانی از لحاظ اقتصادی در پایین دست سدهای وزنی بتن غلطکی قابل توجیه می باشند و مزیت آن ها بر سرریزهای شوت، نرخ بالای استهلاک انرژی در طول سرریز و کاهش ابعاد حوضچه آرامش است. جریان های عبوری از این سرریزها به 3 دسته جریان ریزشی، انتقالی و رویه ای تقسیم می شوند. در این پژوهش 4 مدل آزمایشگاهی ساخته شده از سرریز سدهای بالا و پایین سیاه بیشه با مقیاس به ترتیب 1: 15 و 1: 20 با شیب های 44/18، 56/26، 74/29 و 81/38 درجه مورد آزمایش قرار گرفته است. هدف پژوهش بررسی تشکیل رژیم های مختلف جریان و مقایسه پروفیل جریان عبوری و فشار وارد بر کف پله ها می باشد. نتایج این پژوهش نشان می دهد که تبدیل رژیم های جریان به یکدیگر با افزایش شیب، سریع تر بوقوع می پیوندد. روابطی جهت تخمین شروع تشکیل رژیم های جریان ارائه شد. تمرکز بر پروفیل جریان و فشار در کف پله ها، نشان داد که رژیم های مختلف جریان با پروفیل جریان متفاوت، نوسانات فشار متفاوتی را بر کف پله ها وارد می کنند. بنابراین تفاوت در فشارهای وارده بر کف پله ها بیانگر تفاوت در نیروهای اعمالی به سازه کف پله ها در رژیم های مختلف جریان است. نمودارهای ضریب نوسانات فشار در رژیم های مختلف نیز بیانگر این موضوع است که تغییر رژیم جریان عبوری تأثیر بسزایی در نوسانات فشار ندارد.

سرریز پلکانی و حوضچة آرامش از مهم ترین سازه های مستهلک کنندة انرژی محسوب می شوند. با این که بخش قابل توجهی از انرژی جریان با این دو سازه مستهلک می شود انرژی باقی مانده در جریانورودی به پاشنة سرریز، قادر به تخریب احتمالی آن خواهد بود. در این پژوهش تأثیر شیب حوضچة آرامش بر آبشستگی پایین دست در حضور سرریز پلکانی به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. آزمایش ها در آزمایشگاه سازه های هیدرولیکی دانشگاه شهید باهنر کرمان با شش دبی مختلف و پنج شیب کف حوضچة آرامش اجرا شد. پارامترهای مختلف از جمله حداکثر عمق آبشستگی (ds)، سرعت جریان، عمق آب در سراب و پایاب، عمق آب در انتهای حوضچة آرامش، فاصلة وقوع حداکثر عمق آبشستگی و منطقة توسعة حفرة آبشستگی تا حوضچة آرامش به ترتیب (Lsو Lt). اندازه گیری شد. با مقایسة نتایج به دست آمده با آزمایش شاهد در حالت حوضچه آرامش با شیب کف 02/ و 02/0-، متوسط عمق آبشستگی نسبی به ترتیب 47 درصد افزایش و 2/52 درصد کاهش یافته است. فاصلة حداکثر عمق آبشستگی نسبی و فاصله انتهای منطقه توسعه حفره آبشستگی با افزایش عدد فرود ذره افزایش و با افزایش شیب کف حوضچه آرامش این مقدارها افزایش و با کاهش شیب کف حوضچه آرامش کاهش یافتند.