بخشی از مقاله
خلاصه
وقوع آبشستگی در اطراف پایه پل یکی از عمدهترین دلایل تخریب پلها میباشد. روشهای مهار و جلوگیری از آبشستگی بر اساس مطالعات انجام شده بر روی مکانیزم آبشستگی بنیاد گذاشته شده است. در این تحقیق به بررسی اثر ابعاد زبریهای مستطیلی شکل با ضخامت ناچیز بر کاهش میزان آبشستگی موضعی پایه پل پرداخته شده است. زبریهای بکار رفته در آزمایشات، با طول و عرضهای مختلف مورد بررسی قرارگرفتند. عملکرد زبریهای اطراف پایه پل با حالت پایه بدون زبری مورد مقایسه قرار داده شد. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که زبریهای با طول بزرگتر، کارایی بیشتری نسبت به زبریهای با طول کوچکتر داشتند.
. کلمات کلیدی: آبشستگی موضعی، پایه پل، زبری
-1 مقدمه
راهها شریانهای حیاتی یک کشور هستند و پلها یکی از مهمترین سازههای راهها به حساب میآیند که در صورت خرابی آنها بویژه در مواقع بحرانی مانند وقوع سیلها، شریانهای حیاتی ارتباطی قطع شده و مشکلات فراوانی را موجب میشوند. طبق آمار های ارائه شده توسط کشور های مختلف میتوان گفت اکثر تخریب پلها نه در اثر ضعفهای سازهای بلکه در زمانهای وقوع سیل و در اثر وقوع پدیده آبشستگی در اطراف پایهها رخ میدهند. بنابراین شناخت فرآیند آبشستگی اطراف پایههای پل و نیز ارائه راه کارهایی جهت محافظت هر چه بیشتر از پایه پلها و سازههای دریایی مشابه در برابر آبشستگی از اهمیت بالایی برخودار است.[1]
راه کارهای کاهش آبشستگی در پایه پلها را می توان به دو دسته کلی روشهای پوششی همراه با مقاوم سازی بستر رودخانه و استفاده از وسایل دگرگون کننده جریان دسته بندی نمود. روشهای پوششی در پایه پل برای مقابله با تنشهای برشی که در طی جریان های شدید ایجاد میشوند به کار رفته و به صورت سپری در برابر آنها عمل میکنند. در حالی که هدف وسایل دگرگون کننده جریان و به بیان دیگر روش های هیدرولیکی حفاظت از پایههای پل، گسسته کردن میدان جریان اطراف پایهها و در نتیجه کاهش قدرت فرسایش دهنده جریان رو به پایین و گردابههای نعل اسبی اطراف پایههای پل است. از روشهای مقاوم سازی بستر برای پایههای میانی و کناری پلها می توان به استفاده کردن از پوشش سنگریزه، قطعات بتن پیشساخته، کیسههای پر شده از دوغاب سیمان، بسط پی، لایه محافظتی بتنی و استفاده از توری سنگی اشاره کرد. از وسایل دگرگون کننده جریان در پایههای پل نیز می توان به سپرهای دایروی یا طوقهها که دور پایهها ساخته میشوند و شمعهای فرعی یا اصطلاحا شمعهای فدایی که در بالادست پایه-های پل قرار می گیرند، اشاره نمود .[2]
امکان اجرا و اطمینان در هر یک از روشهای کاهش آبشستگی، تابعی از عوامل مختلف مانند کارایی، هزینه، نگهداری و آگاهی از معایب هر روش می باشد. بنا براین روش به کار گرفته شده برای محافظت پایه، بستگی به شرایط مورد نظر دارد ]به نقل از .[3
-2 الگوی جریان و مکانیزم آبشستگی
برای مهار آبشستگی لازم است تا ابتدا مکانیزم آبشستگی مورد بررسی قرار گیرد. محققین زیادی الگوی جریان و مکانیزم آبشستگی در اطراف پایههای پل را مورد بررسی قرار دادهاند.
پس از برخورد جریان به دماغه پل، برروی پایه با توجه به اینکه سرعت جریان از بستر رودخانه به طرف سطح آب بیشتر می شود فشار بیشتری نیز در ترازهای بالاتر برروی پایه ایجاد می شود و به این ترتیب گرادیان فشاری روی پایه از بالابه پایین به وجود میآید که خود باعث ایجاد یک جریان رو به پایین در جلو پایه میشود. جریان رو به پایین همانند یک جت عمودی عمل کرده و پس از برخورد به بستر رود خانه ضمن حفر بستر به هر طرف پراکنده می شود.[4] مقداری از این جریان که به سمت بالا بازگشت میکند، در برخورد به جریان عمومی رودخانه، مجبور به حرکت در جهت جریان شده و مجددا به پایه برخورد میکند. این چرخش جریان و بازگشت آن در داخل حفره کنده شده، گردابی تشکیل میدهد که به تدریج در دو طرف پایه، امتداد یافته و شکلی شبیه نعل اسب پدید می آورد که به آن گرداب نعل اسبی میگویند. تشکیل گرداب نعل اسبی در داخل حفره آبشستگی، باعث تسریع در حفر آن شده و ذرات جدا شده از بستر، توسط جریان اصلی رود خانه به پایین دست حمل می شوند.[5]
در اثر جدایی جریان در کنارههای پایه نیز گردابهایی تشکیل میشوند که محور آنها عمود بر بستر رودخانه میباشد و به آنها گرداب برخاستگی میگویند. این گردابها همانند گردباد ذرات بستر را جدا کرده و در معرض جریان قرار میدهند و به انتقال ذرات از جلو و اطراف پایه به سمت پایین دست کمک میکنند. گردابهای دیگری نیز در جلوی پایه شکل میگیرند که به آنها گرداب موج کمانی یا سطحی گفته میشود که در جریانات کم عمق دارای اهمیت می باشند. حفر گودال آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی آنقدر ادامه مییابد تا حجم آب درون حفره آبشستگی زیاد شده و انرژی گرداب را مستهلک کند. در این حالت عمق آبشستگی به حالت تعادل می رسد.[4]گردابهای نعل اسبی، برخاستگی و موج کمانی در شکل - 1 - نشان داده شده است.
گرداب موج کمانی
شکل-1 جریان و الگوی آبشستگی در اطراف پایه پل
در زمینه کنترل و کاهش آبشستگی، روشهای مختلفی توسط محققان پیشنهاد شده است که از آن جمله میتوان به تحقیقات چیو - - 1986، بروزرز و همکاران - - 1977، ورمن - - 1989، چیو - - 1992 ، سینگ و همکاران - - 1995 ، لوچلان و ملویل - - 2001، کومار - - 1996 و ملویل و هادفیلد - - 1999 اشاره نمود که در تحقیقاتشان از سنگچین، طوقه، شکاف و شمعهای حفاظتی جهت کاهش آبشستگی استفاده کردند]به نقل از .[6 از در این تحقیق به بررسی اثر زبریهای مستطیلی شکل با ضخامت ناچیز بر کاهش میزان آبشستگی موضعی پایه پل پرداخته شده است.
-3 کاربرد زبریهای پایه پل بر کاهش میزان آبشستگی
زبریها زائدهایی هستند که بر سرتاسر پایه پل با فواصل مختلف در اطراف پایه نصب میگردند. این زبریها به طور عمود بر پایه و به صورت یک سطح صاف و دارای ضخامت ناچیز میباشند که در کاهش آبشستگی موثر میباشند. شکل - 2 - نحوه استفاده از زبریها را در پایه مربعی شکل نشان میدهد که D عرض پایه، L طول زبری، B عرض زبری، H فواصل قرارگیری ردیف زبریها نسبت به هم میباشند.
شکل-2 نمایش زبریهای نصب شده بر پایه پل مربعی شکل: - الف - نمایش عرضی پایه و - ب - نمایش برش A-A در پلان زبریهای نصب شده بر روی بدنه پایه پل، به دو ناحیه بالای بستر و زیر بستر تقسیم می شوند. ناحیه بالای بستر به عنوان یک مانع در مقابل جریانهای رو به پائین عمل کرده و قدرت جریانهای رو به پائین را در اثر برخورد با زبریها کاهش میدهند و ناحیه زیر بستر ، قدرت جریانهای رو به پائین و خصوصا فعالیت گردابهای نعل اسبی را کاهش میدهند.
کارایی زبریها به اندازه و فاصله قرارگیری آنها از یکدیگر بستگی دارد. زمانیکه زبریهای یاد شده برای محافظت از آبشستگی روی پایه نصب میشوند، جریانهای رو به پایین در حین برخورد به آنها منحرف شده و در نتیجه قدرت گردابهای نعل اسبی کاهش وجلوی آبشستگی تا حدی گرفته می شود.
به دلیل آنکه نتایج حاصل از این تحقیق مبتنی براطلاعات به دست آمده از آزمایش برروی مدل فیزیکی است، هندسه فلوم آزمایشگاهی و انتخاب ابعاد مدل بسیار مهم می باشد. در ساخت مدل سعی شده است تاثیر متغییرهائی که به طور غیر مستقیم روی میزان آبشستگی تاثیر می گذارند حذف شوند.
-4 معرفی مدل و آزمایشها
کلیه آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز که مجهز به یک کانال مستطیلی فلزی - شیشه ای به طول 7.30 متر، عرض 0.56 متر و ارتفاع 0.56 متر بود، صورت پذیرفت. شیب کف کانال 0.0028 می باشد. آب به وسیله یک پمپ از مخزن زیرزمینی آزمایشگاه به قسمت ورودی کانال که نقش آرام کننده جریان را دارد، با دبی ثابت 30 لیتر بر ثانیه پمپاژ شده و سپس به سمت مقطع آزمایش هدایت می شود. مقطع آزمایش در محدودهای به طول 2 متر و عرضی برابر با عرض کانال و ارتفاع
