بخشی از مقاله
ارزیابی پدیده آبشستگی در پایاب سر ریزها و راهکارهایی جهت مقاومسازی و کاهش آبشستگی
خلاصه
تمام سدها برای خروج آب اضافی نیاز به سرریز دارند. عبور جریان از سرریز همواره توام با پراکنش انرژی و معمولا همراه با فرسایش در بستر پایین دست است که می تواند پایداری سازه را به خطر اندازد. از طرف دیگر دپوی مصالح شسته شده بصورت پشته ای درست در انتهای حفره آبشستگی ظاهر میشود و در نتیجه باعث افزایش عمق پایاب میشود و حتی در مواردی انرژی دریافتی از توربین های نیروگاه را کاهش میدهد. در این راستا وظیفه مهندسین هیدرولیک ارائه راه حلی برای پراکنش انرژی جریان خروجی از سرریز بدون ایجاد مشکل و با حفظ ایمنی سازه است. بدین منظور لازم است طراحان از روشهای پراکنش انرژی و همچنین از فاصله محل آبشستگی و عمق تاثیر آن بر پایداری سازه بدرستی مطلع باشد تا با اتخاذ تصمیم مناسب بتواند از ایجاد مشکلات بعدی جلوگیری نمایند. در این مقاله سعی بر آن شده تا به ارائه کلیاتی در مورد آبشستگی و سپس عوامل موثر بر ایجاد این پدیده و راهکارهای محاسبه و مقابله با آن پرداخته شود.
کلمات کلیدی: آبشستگی ، استهلاکت انرژی، حوضچه های استغراق، رسوب، پراکنش انرژی
1 - مقدمه
یکی از روشهای معمول برای استهلاک انرژی استفاده از حوضچه های استغراق و جت های ریزشی است با این که این روش از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه می باشد ولی در عین حال ریزش جت و برخورد آن به بستر رودخانه در پایین دست بند و یا سد باعث ایجاد یک حفره آبشستگی می گردد که اگر عمق این حفره زیاد باشد ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد. در سرریزهای ریزش آزاد آب به طور آزاد و بصورت آبشار از روی تاج سرریز فرو می ریزد. سایر موارد ایجاد جت ریزش آزاد عبارتند از تخلیه کننده های تحت فشار روی بدنه یا کنار سد سرریزهای پرشی اسکی باکتهای پرتابی انتهای شوتها یا تونل های طولانی . البته در این موارد معمولا جت بصورت مایل با بستر پایین دست برخورد می نماید. ریزش جریان از سرریزهای ریزشی آزاد باعث ایجاد حوضچه های استغراق میشود که معمولا ابعاد آن تابع عمق پایاب ارتفاع ریزش جریان دبی در واحد عرض و تا حدی اندازه مصالح و مدت زمان بهره برداری می باشد. لازم به ذکر است که اگر انرژی جت در نقطه تصادم به کانال پایین دست به صورت مکانیکی مستهلک نگردد فرسایش در ابعاد بزرگ اتفاق می افتد. جریان فرسایش بخصوص در بستر سنگی رودخانه ها تحت تاثیر جت ریزشی آزاد خیلی پیچیده است. فرسایش حاصله بعنوان عوامل هیدرولیکی هیدرولوژیکی و حتی ریخت شناسی سنگ مربوطه بستگی پیدا می کند. عمل فرسایش دو اثر تخریبی می تواند داشته باشد: 1- پایداری تمام یا قسمتی از سازه هیدرولیکی را به خطر می اندازد. ۲- پایداری کانال پایین دست و شیب های جانبی به خطر می افتد.
2 - تعریف آبشستگی
اصولا به فرسایش قسمتی از بستر یک آبراهه و یا در اطراف سازه های احداث شده در مسیر جریان آب، به علت سرعت زیاد جریان آبشستگی گفته می شود. عامل آبشستگی تنش بیش از حد تحمل مصالح است که از طرف جریان آب به آنها اعمال می گردد. اساساً پدیده ی آبشستگی هنگامی رخ می دهد که به هر دلیل تنش برشی بین جریان و بستر آبراهه از میزان لازم جهت حرکت ذرات تشکیل دهنده بستر، که آن را تنش برشی بحرانی یا تنش آستانه ی حرکت می نامند، بیشتر شود. سرعت متناظر با تنش بحرانی را سرعت بحرانی یا سرعت آستانه می نامند. شدت آبشستگی درست هنگام وقوع سیل اتفاق می افتد .
۳. طبقه بندی آبشستگی و انواع آن
آبشستگی ها از نظر علت بوجود آمدن این پدیده و وضعیت حمل مصالح بستر تقسیم می شوند و آبشستگی ها از نظر علت بوجود آمدن این پدیده به دو نوع ۲ آبشستگی عمومی و آبشستگی موضعی تقسیم می شوند. آبشستگی عمومی در دو حالت اتفاق می افتد:
الف) در جائیکه رودخانه هنوز بحالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جائیکه مقطع جریان بدلایلی در نقاطی از مسیر خود تنگ شده و بدلیل تنگ شدن سطح مقطع جریان سرعت جریان افزایش پیدا می کند و باعث شسته شدن بستر می شود. مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل ها، در مقطع تنگ شده آبشکستگی عمومی اتفاق می افتد . وقتی که بازه ای از رودخانه در اثر احداث دیواره های ساحلی ، آبشکن و یا احداث پل محدود و تنگ می شود. با کاهش سطح مقطع جریان، سرعت جریان و به طبع آن تنش برشی افزایش یافته و در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده می شود . این عمل سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یافته و تراز بستر رودخانه در محل تنگ شده پایین بیفتد .
با پایین رفتن بستر رودخانه عمق جریان به تدریج افزایش می یابد و در نتیجه سرعت جریان و تنش برشی به مرور کاهش می یابد این روند تا جائی کاهش پیدا می کند که میزان رسوباتی که در اثر فرسایش از بازه خارج می گردد معادل میزان رسوباتی باشد که به بازه وارد می شود. این حالت را حالت تعادل رودخانه می نامند. لذا در شرائط تعادل عمق آبشستگی تابعی از سرعت و در نتیجه میزان تنگ شدگی مقطع خواهد بود. آبشستگی موضعی در نتیجه تاثیر سازه های هیدرولیکی بر مسیر جریان بوجود می آید و ناشی از برخورد مستقیم آب به سازه های ساخته شده در مسیر جریان است و خود تابعی از شکل سازه است.
در احداث سازه های نظیر آبشکن یا سرریز یا پایه های پل در مقابل جریان ، اختلافی در فشار هیدرو استاتیکی در بالادست و پایین دست سازه بوجود می آید که این مسائل باعث ایجاد جریان آشفته چرخشی و گردابی در اطراف آن خواهد گردید. این جریانهای گردابی مکانیزم اصلی آبشستگی موضعی به حساب می آیند که در دراز مدت باعث ایجاد حفره های بزرگ در محل نوک آبشکن و سرریز و یا پایه های پل شده و احتمال شکست سازه را به همراه خواهند داشت. بنابراین حداکثر میزان آبشستگی برابر با مجموع دو نوع آبشستگی عمومی و موضعی است. انواع آبشستگی از لحاظ وضعیت حمل مصالح بستر:
الف) آبشستگی در حالت آب زلال
ب ) آبشستگی در حالت بستر زنده
آبشستگی در حالت آب زلال زمانی اتفاق می افتد که بستر رودخانه در بالادست حمل رسوب نداشته باشد و آبشستگی در حالت بستر زنده هنگامی روی می دهد که جریان در حال حمل رسوب باشد. بدین معنی که در کل مسیر سرعت روی بستر از سرعت بحرانی فراتر رفته باشد در آبشستگی در حالت آب زلال تغذیه رسوب از بالادست نداریم ولی در حالت بستر زنده خواهیم داشت. شکل (۲-۳) تغییرات عمق آبشستگی با زمان و عمق آبشستگی با سرعت برشی را نشان می دهد.
۴. آبشستگی در پایین دست سرریزها
الف- سرریزهای پرتابی
جریانهای سیلابی داخل مخزن سدها غالباً موجب بکار افتادن سرریزها می گردد. این سرریزها انواع مختلفی دارند که در نهایت به یک سازه مستهلک کننده انرژی و یا یک سطح خاص منتهی می گردند سازه استهلاک می تواند حوضچه مشخصی باشد و یا اینکه در کف طبیعی رودخانه جاری شود. چنانچه حوضچه آرامشی وجود نداشته باشد، جریان سیلابی می تواند باعث ایجاد آبشستگی ناشی از برخورد جت به کف رود خانه گردد. شکل نهایی حاصل از آبشستگی به خصوصیات، محل سنگ کف و یا چسبنده و غیر چسبنده بودن مواد سازنده آن بستگی دارد. مطالعه این نوع آبشستگی عموماً سه مقصد کلی را دنبال می کند.
۱- عدم وجود خطر برای ایستایی خود سازه به خاطر شکست سازه ای و یا افزایش زه آب.
۲- بی خطر بودن برای ایستایی کف رود خانه در پایین دست و همچنین کناره های آن.
۳- شکل یافتن تپه حاصل از مواد فرسایش یافته، که امکان دارد سطح پایاب را در پایین دست سد افزایش دهد.
ب - سرریزهای جامی شکل مستغرق
سرریزهای جامی شکل از ابتکارات انجمن عمران ایالات متحده می باشد که در دهه چهل میلادی شکل گرفت و گسترش یافت. هنگامی که عمق پایاب برای تشکیل پرش هیدرولیکی خیلی زیاد باشد می توان عمل استهلاک انرژی را با استفاده از پرتاب کننده های جامی شکل انجام داد. این گونه مستهلک کننده جامی با پرتاب و تخلیه سیلاب به درون حوضچه استغراق به میزان قابل توجهی انرژی جریان خروجی را مستهلک می کنند. عملکرد این گونه پرتاب کننده جامی در میزان فرسایش پایین دست بسیار حائز اهمیت است. این نوع سرریزها بدلیل عملکرد نامناسب باکت ها توسط انجمن فوق الذکر به نوع ساده و شیاردار گسترش یافتند.
پ- سرریز با جام ساده
این نوع جام پس از سالهای ۱۹۳۰ طرح شده و در چند سد در ایالات متحده بکار گرفته شد. عملکرد جت به این صورت است که تمام جت با زاویه ای که لبه جام با افق دارد، از آن خارج شده و پس از رسیدن به یک نقطه اوج به دو چرخه رو گرد و زیر گرد تجزیه می گردد. چرخه زیر گرد فاصله اندکی پس از لبه جام به وقوع می پیوندد. چرخه رو گرد که وظیفه اصلی استهلاک انرژی را به عهده دارد دقیقاً تابع وضعیت جام و چرخه خروجی زیر گرد تابع زاویه خروجی می باشد. هر چه این زیر گرد نزدیک تراز لبه جام قرار گیرد، انرژی بیشتری داشته و شستشوی شدیدتری انجام خواهد گرفت. چون حمل ذرات کنده نمی تواند تا مسافت زیاد ادامه یابد. پس از جام شستگی با یک برآمدگی روبرو خواهیم بود.
ت - سرریز با جام شیاردار استفاده از جامهای شیاردار انرژی جریان خروجی را بهتر مستهلک کرده و با تلاطم سطحی و به هم خوردگی کمتر کف همراه خواهند بود. سرریزهای جام شیاردار در مقابل عمق پایاب بسیار حساس بوده و کاهش عمق پایاب اختلالات سطحی بسیار و افزایش آن فشردن جت خروجی به کف را به دنبال خواهد داشت .یعنی احتمال دارد با افزایش عمق پایاب بر خلاف انتظار، آبشستگی افزایش یابد. همچنین زمان نیز باعث گسترش بی نظمی هندسی ناشی از آبشستگی خواهد بود. با سنگ چین کردن و تثبیت کف می توان مانع از این نوع آبشستگی شد.
۵. آبشستگی موضعی اطراف پایه پل ها
پل هایی که پایه های آنها در میان آب قرار دارد مسئله بسیار حاد است، زیرا معمولا این پل ها دارای پی های ضعیقی بوده و ایستایی پایه آنها از طریق اصطکاک تامین می شود. با ایجاد آبشستگی موضعی در اطراف پایه این اصطکاک کاهش می یابد و زمینه نشست پل ها فراهم می شود. در کنار پایه های پل یک جریان موضعی چرخشی مانند عدد هشت انگلیسی بوجود می آید. این جریان بدلیل سرعت های موضعی خیلی زیاد مواد جامد اطراف پل را از جای بر می دارد. پس از بلند شدن ذره از جای خود این بقیه جریان آب است که آنرا از محل خود جابه جا می کند. آبشستگی در پایه پل عمدتاً بصورت بر داشتن از جلوی پایه و انباشتن در پشت آن است. این پدیده ناشی از وضعیت تنش های موضعی در اطراف پایه پل نیز می باشد.
