بخشی از مقاله
تاکنون تحقیقات زیادی در خصوص شناخت مکانیزم آبشستگی، کنترل و کاهش آن در محل پایه و تکیهگاه پلها انجام شده است. البته مطالعات انجام شده در خصوص تکیهگاه کمتر بوده و تمرکز تحقیقات بیشتر بر روی پایه بوده است. همچنین در دو دههی گذشته صفحات مستغرق جهت تثبیت بستر و حفاظت سواحل رودخانهها، کاهش فرسایش سواحل در محل قوس رودخانه و نیز برای جلوگیری از ورود رسوبات بار بستر رودخانه به سازههای آب-گیری و اصلاح مقطع رودخانه در مجاورت پایههای پل مورد استفاده قرار گرفتهاند؛ اما تاکنون تحقیقی در خصوص استفاده از صفحات مستغرق در کاهش آبشستگی اطراف تکیهگاه پلها انجام نشده است، لذا در این تحقیق، عمل-کرد صفحه مستغرق متصل به تکیهگاه در این رابطه، مورد بررسی قرارگرفت. نتایج نشان داد که پارامترهای طراحی صفحه در میزان عملکرد آن تاثیر زیادی داشت. در بهترین وضعیت، آبشستگی در حدود 89 درصد کنترل گردید. به طور کلی بر اساس نتایج این تحقیق صفحه مستغرق متصل به تکیهگاه را میتوان به عنوان یک سازهی مطمئن و ارزان قیمت در کاهش و کنترل آبشستگی اطراف تکیهگاه پلها معرفی نمود.
واژههای کلیدی: کاهش آبشستگی، صفحه مستغرق، تکیهگاه پل
مقدمه
آبشستگی پدیدهای طبیعی است که با عمل فرسایشی جریان در بسترهای رسوبی ایجاد میشود. تخریب پلها در اثر آبشستگی پی تکیهگاه پل رخدادی معمولی شده است. روابط عددی مختلفی برای پیشبینی مقدار عمق آبشستگی در تکیهگاهها، در مقالات مختلف، ارائه و توصیه شده است. آبشستگی موضعی در تکیهگاه پلها و آبشکنها، میدان جریان، پارامترها و عوامل موثر بر عمق آبشستگی و تغییر زمانی آبشستگی همواره مورد بحث و توجه بوده است. روابط متنوعی در خصوص پیشبینی حداکثر عمق آبشستگی در تکیهگاهها توسط محققین مختلف ارائه شده است، محققان، آبشستگی را به دو دسته تقسیمبندی میکنند. آبشستگی در وضعیت آب صاف و آبشستگی در وضعیت آب گلآلود که در بعضی از منابع
1
تحت عنوان بستر زنده نیز از آن یاد میشود. آبشستگی در آب صاف بدون انتقال رسوب به حفره آبشستگی صورت میگیرد. در صورتی که آبشستگی در جریان گلآلود همراه با ورود مستمر رسوب جریان به حفره آبشستگی، رخ میدهد. تغییرات زمانی آبشستگی در جریان آب صاف و جریان آب گلآلود در شکل (1) نشان داده شده است.
شکل (1) توسعه زمانی آبشستگی در جریان آب صاف و جریان آب گلآلود
صفحات مستغرق در مهندسی رودخانه
صفحات مستغرق سازههای کوچک هدایتکننده جریان هستند که برای اصلاح الگوی جریان مجاور بستر طراحی میگردند. این صفحات به صورت گروهی کار گذاشته شده و با تغییر الگوی جریان مجاور بستر موجب انتقال رسوبات در مقاطع عرضی کانال و در نتیجه، تغییر وضعیت مرفولوژیک در مقاطع عرضی بستر رودخانه میگردند؛ به طوری که کف رودخانه در یک مقطع عرضی بالا آمده و در قسمت دیگر فرو می افتد. مزیت این روش این است که موجب تغییرات موضعی در پروفیل سرعت و توپوگرافی بستر میشود ولی تغییرات قابل ملاحظهای در سطح مقطع جریان، شیب خط انرژی و میزان انتقال رسوب به پایین دست ایجاد نمیکند. به عبارتی با ایجاد تغییر در توپوگرافی و مسیر انتقال رسوب، رژیم طبیعی رودخانه همچنان محفوظ باقی میماند. لذا کاربرد آن به تدریج توسعه یافته و در کنترل فرسایش، اصلاح مسیر مئاندریک (پیچان رودی)، کنترل انتقال رسوبات به آبگیر، سدها و ... مورد استفاده قرار میگیرد. عملکرد صفحات مستغرق بر مبنای ایجاد چرخش ثانویه در جهت عکس جریان ثانویهی جریان اصلی است. این چرخش، مقدار و جهت تنشهای برشی کف را تغییر داده و موجب دگرگونی در توزیع سرعت، عمق و انتقال رسوبات در محدودهی تحت تاثیر صفحات میشود. این صفحات میتواند از جنس چوب، فلز، بتن و یا مواردی نظیر آن باشد که با زوایایی خاص در قسمتهایی از مسیر جریان کار گذاشته میشوند. تکنیک استفاده از صفحات مستغرق اولین بار در سال 1983 در انستیتوی تحقیقات هیدرولیک دانشگاه آیوا - ایالات متحده برای جلوگیری از فرسایش ساحل خارجی رودخانه طراحی گردید تا جریان ثانویه حاصل از نیروی گریز از مرکز را که عامل اصلی تخریب ساحل خارجی میباشد، دفع کند. بر خلاف روشهایی که بر مبنای طراحی تقریبی و مشاهدات تجربی می-باشند، سیستم صفحات مستغرق با اصول دقیق هیدرودینامیک طراحی میگردد که راندمانی بسیار بالاتر دارد. در نهایت یکی از مهمترین شاخصههای سیستم صفحات که آن را بسیار پرکاربرد و مورد توجه قرار داده است اقتصادی بودن آن نسبت سایر روشهای مشابه میباشد. برخی از مهمترین کاربرد صفحات مستغرق در مهندسی رودخانه حفاظت از ساحل خارجی رودخانهها، حفاظت از دهانه آبگیرها، جلوگیری از آبشستگی پایه پلها و افزایش عمر مفید سدها میباشد. در چند دهه اخیر پژوهشهای بسیاری توسط محققان مختلف از جمله (ادگارد و کندی، (1983 در طراحی سیستم صفحات مستغرق به منظور کاهش فرسایش کناره در انحنای رودخانه، (ونگ و همکاران، (1996 در کاربرد توصیههای طراحی ارائه شده توسط ادگارد برای سیستم صفحات، به صورت میدانی در جلوگیری از ورود رسوبات به آبگیر جانبی، (نیل و ایوانس، (1997 در کاربرد ترکیب صفحات با سازههای دیگر به منظور جلوگیری از ورود رسوبات به آبگیرهای جانبی در مسیرهای مستقیم، (برکدال و همکارن، (1999 در طراحی آرایش مناسب صفحات برای جلوگیری از ورود رسوبات به آبگیرهای جانبی در مسیرهای مستقیم با بستر آبرفتی، (مریلیوس و سینها، (1998 و (مریلیوس و سینها، (2000 در تعیین زاویه بهینه برخورد جریان با صفحه و بررسی الگوی جریان حول یک صفحه در مسیر مستقیم با بستر متحرک به صورت عددی و آزمایشگاهی، (وایزن و تانزند، (2002 در تعیین ابعاد و آرایش بهینه صفحهها در قوس90 درجه به منظور جلوگیری از فرسایش کناره خارجی قوس، (سون کیت و همکاران، (2005 در بررسی الگوی جریان حول یک صفحه طویل در رودخانههای
2
0.3 V /Vc 1
عریض با بستر متحرک و (گوپتا و شارما، (2007 در طراحی شکل هندسی مناسب صفحه برای عملکرد بهتر در جلوگیری از ورود رسوبات به آبگیرهای جانبی در خم رودخانههای آبرفتی انجام شده است. (صفرزاده، (2005 به منظور بررسی الگوی جریان با استفاده از نرم افزار Fluent به شبیه سازی عددی الگوی جریان در آبگیری از کانال قوسی 180درجه پرداخت. (نیری و همکاران، (1999 با استفاده از مدل عددی به بررسی الگوی جریان در آبگیری جانبی از مسیر مستقیم پرداختند. (حسنپور، (2006 به مطالعه کاربرد صفحات مستغرق مرکب در کنترل رسوب ورودی به آبگیر جانبی در مسیر مستقیم، (دهقانی، (2006 به بررسی اثر صفحات مستغرق بر نسبت رسوب انحرافی به آبگیر جانبی در قوس 180 درجه و الگوی تغییرات بستر و (منتصری، (2008 به بررسی تأثیر آرایشهای مختلف صفحات مستغرق در جلوگیری از ورود رسوبات به آبگیر جانبی در کانال قوسی 180 درجه پرداختند.
در بررسی منابع، به کاربردهای مختلف صفخات مستغرق اشاره گردید، ضمن اینکه مشخص گردید که تاکنون تحقیقی در خصوص استفاده از صفحات مستغرق در کنترل یا کاهش آبشستگی اطراف تکیهگاه پلها انجام نشده است و با توجه به اینکه تخریب پلها که بخش عمدهی آنها مربوط به تکیهگاه است خسارتهای فراوانی را به جوامع وارد میسازد، لذا در این تحقیق عملکرد صفحات مستغرق در کاهش آبشستگی اطراف تکیهگاه پلها مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روشها
آزمایشات این تحقیق در فلومی به طول 9 متر و عرض 1 متر و ارتفاع 0/6 متر و شیب ثابت 0/0003 در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران انجام شد. دیوارههای کانال از جنس پلکسیگلاس و به ضخامت یک سانتیمتر تشکیل شدهاند. در فاصلهی 2 متری از ابتدای فلوم یک باکس فلزی قرار گرفته که طول، عرض و ارتفاع آن به ترتیب حدود 2، 0/7 و 0/3 متر میباشد. این باکس از یک نمونه رسوب یکنواخت دارای انحراف معیار هندسی 1/2، چگالی 2/65 و قطر متوسط 0/76 میلیمتر پر شده است به نحویکه پس از پرشدن در تراز بستر کانال قرار میگیرد. در خصوص اندازهی رسوبات در آزمایشات مربوط به پایههای پل، معیارهای متعددی ذکر شده است؛ به عنوان مثال طبق نظر رادکیوی برای اینکه اندازهی رسوب تاثیری بر آبشستگی ایجاد نکند و از تشکیل فرم بستر نیز جلوگیری شود، بایستی قطر پایه به اندازهی رسوب بیشتر از 20 الی 25 باشد. هر چند برای تکیهگاه شرایط تقریباً متفاوت است اما اندازه رسوب در نظر گرفته شده با این معیار مطابقت دارد. در شکل (2) تصویری از فلوم آزمایشگاه و صفحات مستغرق نشان داده شده است.
ب)
الف)
شکل (2) الف)کانال آزمایش ب) صفحه مستغرق نصب شده اطراف تکیهگاه
آب از طریق پمپ از مخزن زیرزمینی آزمایشگاه پمپاژ شده و به قسمت ابتدایی فلوم که بخش آرامکننده میباشد هدایت میشود. در انتهای فلوم دریچهی کنترل جهت تنظیم عمق در رقوم مورد نظر قرار دارد. سپس آب وارد حوضچهی آرامش میشود. در انتهای حوضچهی آرامش، سریز مثلثی 53 درجهی استانداردی قرار دارد که دبی جریان توسط آن اندازهگیری میشود. آب پس از عبور از رریز،س مجدداً وارد مخزن زیرزمینی آزمایشگاه میشود و به این ترتیب یک جریان رفت و برگشتی در کل زمان آزمایش در فلوم برقرار میباشد. به طور کلی آبشستگی به دو نوع
آبشستگی در حالت آب زلال و آبشستگی در حالت بستر زنده تقسیم میشود، در حالت آب زلال میباشد، که V سرعت
متوسط جریان و Vc سرعت آستانهی حرکت ذرات رسوب میباشد و در حالت بستر زنده سرعت جریان بیشتر از سرعت آستانهی حرکت رسوبات
3
میباشد و از آنجاییکه در این حالت رسوبات بالادست به درون حفرهی آبشستگی ریزش میکنند از میزان آبشستگی کاسته میشود، بنابراین حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آستانهی حرکت رسوبات یعنی V /Vc 1 رخ میدهد. عطف به توضیحات مذکور، کلیهی آزمایشات در تحقیق حاضر در شرایط آب زلال انجام شد. آزمایشها در دبی 0/04، مترمکعب بر ثانیه انجام گردید، شرایط جریان با تنظیم عمق ثابت 0/15 متر در کانال برای تمامی آزمایشات بهگونهای تامین گردید که در دبی مذکور مقدار 0/95 برای پارامتر V/Vc در مقطع آزمایشی برقرار گردد. در این شرایط عدد فرود جریان برابر 0/22 است. در این تحقیق از تکیهگاه مستطیلی از جنس آهن گالوانیزه با نسبت عرض به طول 0/6، 0/75، 1، 1/24 و 1/56 استفاده گردید. صفحه استفاده شده، از ورقی از جنس آهن گالوانییزه و به ضخامت 1 میلیمتر انتخاب شد.
در شروع هر آزمایش ابتدا فلوم با نرخ کم جریان پر خواهد شد، این امر به این دلیل است که جلوی فرسایش ناشی از جریان ورقهای در ابتدای آزمایش گرفته شود، سپس دبی آب به آرامی زیاد شده تا به دبی مورد نظر برسد، پس از تنظیم دبی توسط سرریز مثلثی، به وسیلهی دریچهی کنترل، آب در عمق مورد نظر یعنی 0/15 متر قرار میگیرد. سپس آزمایش به مدت زمان تعیین شده ادامه پیدا کرده و پس از اتمام آزمایش، آب به آرامی از فلوم خارج میگردد. در انتها حداکثر عمق آبشستگی و الگوی رسوبگذاری ایجاد شده در اطراف تکیهگاه به وسیلهی متر لیزری برداشت میگردد. برای بررسی عملکرد صفحه مستغرق متصل به تکیهگاه در کاهش آبشستگی موضعی آزمایشهای مختلفی انجام گردید که در ادامه به آن اشاره میگردد.
نتایج و بحث
در این بخش نتایج حاصل از تحقیق حاضر مورد بررسی قرار میگیرند. نتایج در 2 بخش ارائه شدهاند. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات شاهد است که بدون حضور صفحات مستغرق انجام گردید. بخش دوم نتایج آزمایشات مربوط به صفحات مستغرق میباشد.
نتایج آزمایشات بدون حضور صفحات مستغرق (آزمایشات شاهد)
در این مرحله ابتدا سرعت آستانهی حرکت ذرات رسوب، بدون حضور تکیهگاه تعیین شد. یکی از روشهای تعیین سرعت آستانهی حرکت، استفاده از سرعت بحرانی است. سرعت بحرانی جریان با برقراری دبی ثابت و کاهش تدریجی عمق جریان، در چند مرحله محاسبه گردید. سرعت بحرانی با توجه به روش مذکور معادل 0/28 متر بر ثانیه تعیین شد.
پس از تعیین سرعت آستانهی حرکت، یک آزمایش طولانی به مدت زمان 13 ساعت بر روی تکیه گاه با نسبت عرض به طول 0/6 انجام گردید. در طول مدت آزمایش در زمانهای مختلف عمق آبشستگی در نقطهی مبنا (گوشه بالادست تکیهگاه) برداشت گردید. در شکل (3) نتایج این آزمایش نشان داده شده است.
شکل (3) تغییرات عمق آبشستگی در مقابل زمان در حالت بدون صفحات (آزمایش شاهد بر روی تکیهگاه با نسبت عرض به طول (0/6
شکل((3 محور عمودی، درصد عمق تعادل آبشستگی و محور افقی زمان آزمایش میباشد. در تمامی آزمایشات، شروع آبشستگی از گوشهی بالادست تکیهگاه بود، در ابتدا به سرعت بر عمق آبشستگی افزوده شد، به طوریکه مطابق شکل((3 در یک ساعت اول آزمایش حدود 80 درصد عمق آبشستگی اتفاق افتاد، پس از آن میزان آبشستگی به تدریج کاهش پیدا کرد. از ساعت سوم به بعد، مقدار بسیار کمی بر عمق آبشستگی افزوده شد. در طول آزمایش، رسوبات از دیواره چالهی آبشستگی به درون چاله ریزش کرده و پس از حمل درون آن به پشتهی رسوب پاییندست
4
افزوده میشدند. پشتهی رسوبی به تدریج به سمت پاییندست حرکت کرده و به این ترتیب توسعهی چالهی آبشستگی در طول زمان آزمایش مرتباً ادامه پیدا میکرد، در تحقیق حاضر فرض بر این بود که 99 درصد عمق تعادل آبشستگی (عمق نهایی آبشستگی) در مدت زمان 13 ساعت اتفاق میافتد. در این صورت مطابق شکل((3 حدود 83 درصد عمق تعادل آبشستگی در مدت زمان 2 ساعت اتفاق میافتد و با توجه به اینکه در تحقیق حاضر، هدف که بهینه سازی پارامترهای طراحی صفحه مستغرق متصل به تکیهگاه در کاهش آبشستگی موضعی میباشد با مقایسهی نتایج آزمایشات مختلف فراهم میشود، لذا مدت زمان 2 ساعت به عنوان زمان آزمایش برای تمامی آزمایشها انتخاب گردید. سپس پنج آزمایش شاهد به مدت زمان 2 ساعت بر روی تکیهگاههای مختلف انجام و عمق آبشستگی در نقطهی مبنا، برداشت گردید. نتایج این آزمایش برای مقایسه عملکرد صفحات مستغرق به عنوان شاهد و مبنا مورد استفاده قرار گرفت. الگوی رسوبگذاری و فرسایش به وسیلهی متر لیزری
برداشت گردید. همانطور که قبلاً گفته شد حداکثر عمق آبشستگی در گوشهی بالادست تکیهگاه اتفاق افتاد.
نتایج آزمایشات مربوط به صفحات مستغرق
آزمایشهای متعددی برای یافتن وضعیت بهینه صفحه مستغرق متصل به تکیهگاه صورت گرفت. این آزمایشها در سه محور انجام گرفت که در ادامه به ان اشاره میشود.
آزمایشات مرحله اول: تعیین طول و زاویه نصب بهینه صفحات
در این بخش 9 آزمایش بر روی تکیهگاه با نسبت عرض به طول 0/6 انجام گردید. ارتفاع صفحه در این بخش به اندازه یک سوم عمق آب (H=y/3) یعنی 5 سانتیمتر در نظر گرفته شد. چندین زاویه مورد بررسی قرار گرفت، همچنین برای بررسی طول موثر نیز دو طول 3H و 2H مورد آزمایش قرار گرفت. در شکل (4) شماتیک سادهای از آزمایشات این مرحله نشان داده شده است.
الف) ب) ج)
د) ذ) ر)
ز) س) ش)
شکل((4 شماتیک ساده ای از آزمایشات مرحله اول
میزان کاهش آبشستگی برای آزمایشات این مرحله شامل آزمایشات (الف) تا (ش) به ترتیب برابر 46، 52، 81، 89، 77، 88، 81، 67 و 57 درصد در نقطه مبنا به دست آمد. در شکل (5) نتایج این بخش از آزمایشات نشان داده شده است.
5
شکل((5 نتایج آزمایشات مرحله اول
نتایج این مرحله نشان میدهد که زاویه نصب صفحات، تاثیری فراوانی در عملکرد صفحات ایفا میکنند، مطابق شکل تغییر زاویه از 25 تا 40 میزان عملکرد صفحه را افزایش داد و پس از آن در آزمایش مربوط به صفحه 3H با افزایش زاویه نصبتقریباً حالت نوسانی در عملکرد صفحه به وجود میآید اما در صفحه 2H عملکرد صفحه روند نزولی پیدا میکند. مطابق نتایج این مرحله صفحه با طول 3H با زاویه نصب 40 درجه مناسب ترین وضعیت میباشد.
آزمایشات مرحلهی دوم– ارزیابی وضعیت بهینهی مرحله اول در مجاور تکیهگاه با ابعاد مختلف
در این مرحله از آزمایشات، با انجام 4 آزمایش وضعیت بهینهی نصب صفحات در اطراف تکیهگاه با ابعاد مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. در شکل (5) عمقآبشستگی بیبعد برای نسبتهای مختلف عرض به طول تکیهگاههای مختلف نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می-شود، وضعیت بهینه مرحله قبل، رفتار کاملاً مشابهی را در این مرحله از خود نشان داد و میزان عمق بیبعد ابششستگی که در نقطه-ی مبنا مورد اندازهگیری قرار گرفت در تکیهگاه های مختلف تفاوت زیادی با همم ندارد.
شکل (5) عمقآبشستگی بیبعد برای نسبتهای مختلف عرض به طول تکیهگاههای مختلف
آزمایشات مرحله سوم: تعیین ارتفاع بهینه صفحه
در این مرحله از آزمایشات تاثیر ارتفاع صفحه در وضعیت بهینه بر میزان عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفت. این آزمایشات بر روی تکیهگاه با نسبت عرض به طول 1/56 انجام شدند. در شکل (6) تاثیر ارتفاع صفحه در وضعیت بهینه را بر میزان عملکرد آن نشان میدهد.
