بخشی از مقاله
استفاده از بتن فوق توانمند در سازه هاي هيدروليکي براي مقابله با پديده کاويتاسيون
خلاصه
با توجه به اهميت سازه هاي مستهلک کننده انژي در سازه هاي هيدروليکي و با توجه به هزينه هاي کلاني که صرف احداث و مرمت سازه هاي آبي و تعميرات مربوط به آنها مي شود لذا توجه به اين امر بسيار ضروري به نظر مي رسد .با توجه به مطالعات انجام شده درخصوص انواع مختلف سدهاي بزرگ معرفي شده توسط ICOLDعليرغم بزرگي حجم مخازن و درنظر گرفتن سيلاب هاي با دوره بازگشت بالا در طراحي اين سدها هدايت آب مازاد توسط سر ريزهاي بکار گرفته بسيار حائز اهميت مي باشد.هنگامي که آب از روي سازه تندآب يا مقطع سر ريز به سمت پائين دست هدايت مي شود نظر به اينکه اين آب حامل هزاران اسب بخار انرژي مي باشد مستهلک کردن انرژي اين آب از الزامات احداث سد است .اما ايجاد سازه اي مثل حوضچه آرامش به منظور مستهلک کردن انژري و اقتصادي انتخاب کردن ابعاد طرح و از همه مهم تر جوابگويي اين سازه در برابر وظيفه اي که بر عهده دارد کماکان زير تجزيه و تحليل مي باشد.از عمده ترين مشکلاتي که اين سازه با آن روبرو مي باشد پديده کاويتاسيون است که در مقاله حاضر راهکار هاي مقابله با اين عامل مخرب بوسيله روشهاي متعدد از جمله مقاوم سازي نقاط ويژه حوضچه با استفاده از نوع ويژه اي از بتن با مقاومت بسيار بالا مي باشد.
واژه هاي کليدي!:حفره زايي (کاويتاسيون)، بتن فوق توانمند، سازه هاي هيدروليکي ، دوده سيليسي ، فوق روان کننده
.1 مقدمه
با پيشرفت تکنولوژي، ساخت سازه هاي عظيم آبي در راستاي توسعه منابع آب پيشرفت قابل توجهي نموده است .هزينهي گزاف و مدت زمان طولاني احداث سازه هاي هيدروليکي و نيز توجه به اين واقعيت که انجام آزمايش ، هنوز هم بعنوان دقيقترين روش در بررسي مسائل و مشکلات پيش روي اين گونه سازهها مطرح مي باشد، محققان و طراحان را بر آن داشته تا با ساخت مدل فيزيکي از سازه ي طراحي شده و انجام آزمايشات از جنبه هاي پنهان پديده، توسط شبيهسازي جريانهاي واقعي پرده بردارند .از اين طريق ، صرفه جويي هاي لازم صورت گرفته و نواقص و اشکلات طرح اصلاح ميگردد. مدل هيدروليکي سرريزها از متداول ترين نوع مدل هاي هيدروليکي مي باشد .انتخاب نوع سرريز تابع شرايط توپوگرافي ، مقدار سيلاب طراحي و نوع سد مي باشد. سرريزهاي آزاد يا شيب دار (Chut spillway) از متداول ترين نوع سرريزهاي ساخته شده جهت خروج سيلاب هاي اضافه بر ظرفيت سدهاي خاکي بوده و بسته به تراز تاج و سطح آب درياچه ي پشت سد، از نوع دريچه دار و يا بدون دريچه ، طراحي ميگردند. جريان آب از داخل درياچه و پس از عبور از روي يک سرريز با لبه آبريز نسبتاً کوتاه وارد تنداب( شوت )مي شود. اين تنداب با شيب تقريباً منطبق بر شيب کنارهها به سيستم استهلاک انرژي و در پايان به رودخانه در پايين دست منتهي مي گردد .معمولاً مدل سرريزها را، باتوجه به آنکه نيروي ثقل نيروي غالب است ، بر اساس عدد فرود شبيه سازي ميکنند .بنابراين رعايت تشابه هندسي بين مدل و پروتوتيپ ضرورت دارد. معمولاً هنگامي که سرعت جريان در قسمي از سازه هيدروليکي (مانند تنداب سرريزها )از يک حد مجاز فراتر رود، آن سازه در معرض خسارت ناشي از خلاءزائي ( Cavitations) قرار ميگيرد .برجستگيها و ناصافيهاي سطوح بتني که به هنگام ساخت و يا پس از آن ايجاد ميگردد،
باعث ايجاد انحراف خطوط جريان و کاهش فشار در بعضي نقاط ميگردد، که چنانچه اين کاهش فشار در ازاء افزايش سرعت باشد شرايط آستانه يا آغاز خلاءزائي (خوردگي ) پيش خواهد آمد .روشهاي عددي و تحليلي و روابط تجربي موجود به دليل پيچيدگي رفتار ديناميکي سيالات و خصوصاً وجود جريانهاي دوفازي در تنداب سرريزها محدوديتهاي زيادي دارند .به کمک مدلهاي فيزيکي ميتوان شرايط هيدروليکي پيچيده را به همراه شرايط ورودي بالادست به صورت سه بعدي و با دقت قابل قبولي شبيهسازي کرد و با برقراري جريانهاي عبوري مختلف احتمال بروز خلاءزائي و خوردگي در اين سازهها را بررسي کرد[١].اما مکانيزم هوادهي جريان و نحوه توزيع و پخش هوا در داخل جريان آب بسيار پيچيده بوده و طراحي هواده ها و عملکرد آنها با عدم قطعي تهايي همراه است .به عنوان مثال رابطه جامع و قابل قبولي براي تعيين فاصله بين هواده ها در دسترس نيست .مدل هاي فيزيکي با مقياس هاي کمتر از١:١٥ هم اکنون به علت خطاي مقياس( Scale Effect) قادر به مدل کردن و شبيه سازي توزيع هوا در داخل آب نمي باشند .حتي در صورت ساخت مدل هاي فيزيکي با مقياس بزرگتر از ١:١٥ نيز، وسايل اندازه گيري براي تعيين ميزان هوا در داخل جريان آب و همچنين سرعت جريان مخلوط آب و هوا بسيار محدود و هنوز در مراحل تحقيقاتي مي باشد[٢]. بررسي ها و تحقيقات اخير نشان مي دهد که حتي
قويترين مدل هاي رياضي موجود (مانند مدل Fluent) نيز قادر به مدل کردن پخش هوا در داخل آب نمي باشند[٣]. از طرفي هوا در آب، باعث تورم
حجم آب و اين موضوع باعث افزايش ارتفاع ديواره هاي جانبي سرريز خواهد شد .امکان استغراق و عدم کارکرد صحيح هواده ها در پروتوتيب و نگراني از کمبود هواي مورد نياز در دبي هاي عبوري بالا، همواره از دغدغه هاي طراحان هواده ها مي باشد. با توجه به روش هاي مرسوم موجود براي مقابله با حفره زايي و مشکلات و محدودي تهاي آنها، ايده استفاده از بتن هاي خاص با مقاومت بالا، براي مقابله با حفره زايي قابل طرح مي باشد. در دهه هاي اخير با افزايش ارتفاع سدها و ضرورت ايجاد سرريزهاي بزرگ، خسارت ناشي از حفره زايي به صورت متواتر بروز نموده است و بسياري از سازه ها و سدهاي بزرگ در اثر حفره زايي تخريب و يا آسيب ديد ه اندکه به عنوان نمونه مي توان به سدهاي Yellowtail,Hoover (١٩٦٧) و Glen canyon (١٩٨٣) در آمريکا، سد Keban ترکيه ، سد Infrinlo در مکزيک، سد Bratesk روسيه ، سد Guri در ونزوئلا، سد Aldiadavia در پرتغال (١٩٦٦) و سد Tarbella در پاکستان (١٩٧٤) اشاره نمود[٤]. سرريز سد کارون (شهيد عباسپور) در ايران در محدوده سال ١٣٥٦ در چندين مرحله در اثر حفره زايي آسيب ديد [٣]. تونل تخليه کننده تحتاني سد مسجد سليمان نيز در سال ١٣٧٩ دچار پديده حفره زايي شد شکل شماره ١ تخريب در سرريز سد کارون ١ (شهيد عباسپور) و آسيبهاي وارده به پوششهاي فولادي و بتني تخليه کننده هاي تحتاني سد سفيدرود را نشان مي دهد.
1- کاويتاسيون
کاويتاسيون پديده اي است که در سرعتهاي بالا باعث خرابي و ايجاد گودال مي گردد . گاهي در يک سيستم هيدروليکي به علت بالا رفتن سرعت ‚فشار منطقه اي پائين مي آيد و ممکن است اين فشار به حدي پائين بيايد که برابر فشار بخارسيال در آن شرايط باشد و يا در طول سرريز يا حوضچه آرامش در اثر وجود ناصافيها و يا ناهمواريهاي کف سرريز خطوط جريان از بستر خود جدا شده و بر اثر اين جداشدگي فشار موضعي در منطقه جداشدگي کاهش يافته و ممکن است که به فشار بخار سيال برسد . در اين صورت بر اثر اين دوعامل بلافاصله مايعي که در آن قسمت از مايع در جريان است به حالت جوشش درآمده و سيال به بخار تبديل شده و حبابهايي از بخار بوجود ميايد . اين حبابها پس از طي مسير کوتاهي به منطقه اي با فشار بيشتر رسيده و منفجر ميشود و توليد سر وصدا مي کند و امواج ضربه اي ايجاد مي کند و به مرز بين سيال و سازه ضربه زده و پس از مدت کوتاهي روي مرز جامد ايجاد فرسايش و خوردگي ميکند.در طي حداقل ٢٠سال تجربه و بررسي عملکرد سرريزها ( شامل مدل و آزمايش بر روي پروتوتيپ ) اين طور نتيجه گيري شده که کاويتاسيون در اثر عملکرد مجموعه اي از عوامل و شرايط است . معمولا يک عامل به تنهايي براي ايجاد مسئله کاويتاسيون کافي نيست ولي ترکيبي از عوامل هندسي و هيدروديناميکي و فاکتورهاي وابسته ديگر ممکن است منجر به خسارت کاويتاسيون گردد . از مهمترين عواملي که
ميتوانند در اين زمينه دخيل باشند مي توان به موارد زير اشاره کرد[٧] :
عوامل هندسي :که شامل موارد زير مي شود:
- ناهمواريهاي سطحي سرريز‚خصوصا" برآمدگيها و فرورفتگيهاي موضعي - شکافهاي دريچه هاي کشويي و پايه هاي دريچه هاي قطاعي - ستونها - درزهاي ساختماني -جدا کننده جريان ودفلکتورها - دهانه مجاري و لوله - تغير در شکل عبور جريان - انحنا يا انحراف در مسير جريان در آبراهه .
عوامل هيدروديناميکي :- دبي مخصوص– سرعت جريان- عملکرد دريچه - توسعه لايه مرزي.
عوامل متفرقه :- انتقال حرارت در طي فروريختن - درجه حرارت آب- تعداد واندازه حبابهاي درون آب - پراکندگي هوا. براي بررسي حفره زايي در يک نقطه از جريان معمولاً مقدار شاخص حفره زايي در آن ناحيه محاسبه مي گردد شاخص حفره زايي (ุ) به صورت زير تعريف مي شود[٨]
