بخشی از مقاله
خلاصه
تلاقی رودخانه ها از اجزاء مهم مورفولوژیکی رودخانه بوده که بدلیل شرایط جریان در محل تلاقی، فرسایش عمیق در بستر و سواحل و رسوبگذاري در پایین دست تلاقی رخ می دهد. جهت جلوگیري از این مشکلات تمهیداتی صورت گرفته که از آن جمله می توان به نصب طوقه در محل تلاقی اشاره نمود. در این تحقیق آزمایش ها در چهارعدد فرود ذره 2/19، 2/52، 2/76، 2/92، در دو حالت با و بدون طوقه انجام شد.
نتایج نشان داد که حضور طوقه از %55 - در فرود - 2/92 تا %100 - در فرود - 2/19 باعث کاهش آبشستگی می شود.
کلمات کلیدي: تلاقی رودخانه ها، طوقه، فرسایش
.1 مقدمه
رودخانه ها شریان هاي اصلی حیات کلیه سازه هاي آبی محسوب می شوند و منابع طبیعی هستند که در برآورد نیازهاي بشري، از دیرباز تاکنون اهمیت بسیاري داشته اند. به علت نزدیکی سازه هاي تغذیه کننده از آب رودخانه و زمین هاي کشاورزي اطراف رودخانه نیاز به یک برنامه ریزي علمی جهت حفظ و حراست از آن ها اجتناب ناپذیر می باشد.
در کل، تمام رودخانه ها در معرض تغییر و تحول قرار دارند و کارهاي مهندسی رودخانه براي تغییر بده، مطالعه بده رسوبی، مسیر رودخانه ، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد. روش هاي معمول در راه رسیدن به این اهداف استفاده از سازه هاي مختلف به تنهایی یا ترکیبی از آنها می باشد.
بدلیل تغییر در مقدار و جهت سرعت، مقدار دبی جریان و دبی رسوب و شرایط خاص الگوي جریان و گرداب هاي سه بعدي، پدیده هایی چون فرسایش عمیق در بستر، فرسایش سواحل، ایجاد چاله فرسایشی و بالاخره رسوبگذاري در پایین دست محل تلاقی دو رودخانه اتفاق می افتد 1]و.[2 این امر باعث ایجاد خسارت به ابنیه ي مجاور و از همه مهمتر تغییر مورفولوژي رودخانه می شود. از این رو شناخت روش هایی جهت جلوگیري و کاهش فرسایش و رسوبگذاري در این مکان و کنترل چاله فرسایش می تواند از خسارات آتی جلوگیري نماید.
محل تلاقی رودخانه ها به محدوده اي اتلاق می شود که جریان آب دو رودخانه به یکدیگر می پیوندند که نتیجه ي آن الگوهاي پیچیده از حرکت سه بعدي و بیشترین اغتشاش جریان در سیستم رودخانه می باشد. در محدوده ي تلاقی شش ناحیه ي مختلف : -1 ناحیه ي رکود، -2 ناحیه ي انحراف جریان، -3 ناحیه ي جداشدگی، -4 ناحیه ي حداکثر سرعت، -5 ناحیه ي بازیافت جریان، -6 ناحیه ي لایه هاي برشی معرفی شده اند3]و.[4 با توسعه ي دو ناحیه ي 1 و 3، سرعت در ناحیه ي 4 افزایش یافته و به دنبال آن چاله ي فرسایشی و فرسایش در سواحل افزایش می یابد و باعث ایجاد پیچانرود می شود و جابجایی موقعیت سه شاخه را به همراه دارد ضمن اینکه وجود جریان گردابی مشکلات فراوانی را براي کشتیرانی ایجاد می کند. با کارگذاري طوقه، محدوده ي نواحی رکورد و جداشدگی و میزان سرعت در ناحیه ي 4 کاهش یافته و نهایتَا میزان فرسایش و عمق چاله ي فرسایشی نیز کاهش می یابد.
دینامیک جریان در تلاقی رودخانه ها در شکل 1 نمایش داده شده است:
شکل– 1 الگوي جریان در محل تلاقی دو رودخانه
با توجه به اهمیت رودخانه ها و تأثیرات مخرب فرسایش و رسوبگذاري در تلاقی رودخانه روش هایی ارائه شده که از آن جمله می توان به کاربرد و اثر طوقه در کاهش فرسایش در تلاقی رودخانه ها اشاره نمود. با کارگذاري طوقه، محدوده ي نواحی رکود و جداشدگی و میزان سرعت در ناحیه ي 4 کاهش یافته و نهایتأ میزان فرسایش و عمق چاله ي فرسایشی نیز کاهش می یابد.
در زمینه ي استفاده از طوقه در کنترل آبشستگی محل تلاقی مطالعهاي صورت نگرفته است ولی استفاده از طوقه در پایه پل مطالعات زیادي انجام شده است که چکیده تحقیقات انجام شده بشرح زیر می باشند :
بلوچی، چمنی، بیرامی - 1386 - تأثیر شکل طوقه در پایه پل ها را بررسی کرده اند و نتیجه شده که زمان تعادل در طوقه با قطر 3 برابر قطر پایه پل بیشتر از حالت هاي دیگر است ولی بر میزان عمق آبشستگی تأثیر چندانی ندارد؛ زیرا گرداب برخاستگی به مراتب دورتر از پایه شکل می گیرد و مدت زمان زیادي لازم است که حفره به جلوي پایه برسد.[5]
ثانی خانی، حسین زاده، فرسادي زاده - 1387 - ، عملکرد طوقه هاي مربعی شکل در کاهش آبشستگی در اطراف پایه هاي پل را بررسی کرده و طبق نتایج حاصل، بزرگترین طوقه مورد بررسی در آزمایشات 2/5 - برابر قطر پایه پل - با قرارگیري در سطح و زیر بستر بیشترین کارایی را دارد و طوقه هاي مستطیلی در مقایسه با طوقه هاي دایره اي شکل تأثیر بیشتري در پراکنده سازي و تضعیف عملکرد گردابه هاي ایجاد شده در اطراف پایه پل دارند.[6]
ثانی خانی، حسین زاده، فرسادي زاده، ملاحسینی - 1388 - به بررسی تأثیر شکل طوقه در کاهش آبشستگی پایه هاي پل پرداختند. نتایج حاصل نشان دادند که طوقه هاي مربعی در کاهش عمق آبشستگی و افزایش زمان تعادل از عملکرد بهتري در مقایسه با طوقه هاي دایره اي برخوردارند و طوقه هاي مستطیلی با ابعاد 2 و 2/5 برابر قطر پایه با قرارگیري در زیر سطح بستر به ترتیب آبشستگی را به میزان %29 و %49 نسبت به شرایط پایه بدون طوقه کاهش می دهد.[7]
و از آنجا که گردابهاي سه بعدي در ناحیه جداشدگی عامل اصلی آبشستگی این ناحیه بوده و بخصوص که گردابهاي روبه پایین در این ناحیه شکل میگیرد، همانند گردابهاي رو به پایین در محل پایه پلها، قرار گیري طوقه در این ناحیه می تواند در کاهش عمق آبشستگی نقش به سزائی داشته باشد. از طرفی تاکنون در زمینه ي تأثیر طوقه بر کاهش فرسایش در تلاقی رودخانه تحقیقاتی صورت نگرفته است از این رو هدف اصلی این تحقیق پاسخ به این پرسش مهم است که آیا طوقه میتواند باعث کاهش عمق آبشستگی گردد و به چه میزان؟
2. مواد و روش ها
براي رسیدن به اهداف این تحقیق آزمایشهائی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران انجام گرفت.
آزمایش ها در فلومی به طول 9 متر، عرض 26 سانتی متر، با ارتفاع 70 سانتی متر در 2 متر ابتدایی و 40 سانتی متر در 7 متر دیگر و فلوم فرعی با طول 2/8 متر به عرض 26 متر و ارتفاع ثابت 40 سانتی متر انجام شده است. کف و جداره هاي فلوم از جنس پلکسی 10 و 6 میلیمتر می باشد. شیب کف کانال کاملاَ افقی و صفرمی باشد. زاویه ي محل تلاقی دو فلوم 120˚ می باشد. در 2 متر ابتدایی فلوم اصلی، جهت کاهش شدت جریان، دیواره ي آرام کننده تعبیه شده و سرریز مثلثی53˚ در 1/5 متري فلوم اصلی قرار دارد. فلوم شامل دو ورودي و دو مخزن مربوط به فلوم اصلی و فرعی و یک خروجی در انتهاي فلوم اصلی پس از دریچه ي تنظیم سطح آب پایاب می باشد. سیستم گردش آب فلوم بصورت مداربسته بود و آب مورد نیاز از طریق حوضچه ي مکش پمپ که در 5 متري پایین تراز زمین قرار داشت ، تأمین می شد. جریان ورودي از طریق شیر فلکه هاي اصلی و فرعی و دبی سنج الکترونی در محل شیر فلکه تنظیم می شد. میزان دبی جریان و عمق پایاب بترتیب بوسیله ي سرریز لبه تیز مثلثی 53˚ در ابتداي فلوم اصلی توسط عمق سنج و دریچه ي کشویی در پایین دست محل تلاقی اندازه گیري می شد.
مصالح بستر با قطر متوسط 1/95 میلیمتر انتخاب شد و ضخامت این لایه در کف کانال در هر آزمایش 11 سانتی متر بوده است که قبل از هر آزمایش کاملأ سطح بستر تسطیح می شد.
براي برداشت داده ها از یک ورقه پلکسی شبکه بندي شده که کاملاَ محدوده ي فرسایش را پوشش می دهد و هر شبکه ي آن داراي ابعاد 2/5 × 2/5 سانتی متر می باشد استفاده شد. با استفاده از متر لیزري بر روي شبکه بندي مذکور، عمق آبشستگی در هر نقطه اندازه گیري شد.
طوقه ي استفاده شده در این تحقیق به قطر 7/5 سانتی متر تهیه شد.
شکل– 2 فلوم مربوطه
در این تحقیق آزمایشها براي چهار شرایط مختلف جریان یعنی اعداد فرود 0/3، 0/34، 0/4 و 0/43 انجام شد. در ابتدا آزمایشهاي شاهد یعنی بدون کارگذاري طوقه انجام گرفت. نحوه انجام آزمایش بدینصورت بود که ابتدا پمپ را روشن کرده و اجازه داده می شد تا به مدت 10 دقیقه هواگیري شود تا در طول آزمایش ، در جریان برقرار شده نوسان ایجاد نشود و دبی پمپ یکنواخت باشد. سپس شیر اصلی که دبی کل از آن عبور می کرد را کمی باز کرده تا به دبی حدود سه لیتر در ثانیه برسد. علت انتخاب دبی فوق این است که فلوم به آرامی و بصورت یکنواخت ار آب پر شود و مانع از شسته شدن رسوب و ایجاد خطا پیش از آغاز آزمایش شود. در این حالت شیر مربوط به فلوم اصلی کاملأ باز و شیر مربوط به فلوم فرعی فقط کمی باز است. مقدار دبی کل ورودي به فلومها با استفاده از دبی سنج الکترونی که در مسیر لولهي اصلی قرار دارد قرائت می شود. پس از پر شدن فلوم اصلی و فرعی، همزمان با افزایش تدریجی دبی کل به بیست لیتر بر ثانیه، گشایش دریچه پایین دست محل تلاقی بگونه اي انجام شد که آب از دیواره فلوم سرریز نکند. در این حالت، سطح آب در 1/5 متري ابتدایی فلوم اصلی که پیشتر به آن اشاره شد، بالاتر از سوزن عمق سنج نصب شده در ابتداي فلوم اصلی است. تنظیم دبی مورد نظر در فلوم هاي اصلی و فرعی، با باز کردن شیر فلکه فلوم فرعی بگونه اي انجام می شد که سطح آب با سوزن عمق سنج تنظیم شده از قبل مطابق با دبی شانزده لیتر بر ثانیه - دبی فلوم اصلی - ، مماس باشد. در نتیجه دبی عبوري از فلوم فرعی چهار لیتر بر ثانیه است. پس از آن دریچه پایین دست محل تلاقی بگونه اي باز می شد که عمق ایجاد شده در پایاب با توجه به میزان دبی کل جریان، شرایطی را بوجود آورد که مصالح بستر مورد استفاده در این تحقیق، تا قبل از محل تلاقی هیچ گونه فرسایشی نداشته باشد. بر این اساس آزمایشات با ایجاد چهار عمق جریان 19/8 سانتی متر، 17/2 سانتی متر، 15/7 سانتی متر، 14/8 سانتی متر بترتیب در چهار عدد فرود 0/3، 0/34، 0/4، 0/43 انجام شد. از طرفی از آنجا که مطابق تحقیقات قبلی پارامتر بیبعد فرود ذره در محل تلاقی رودخانهها از اهمیت زیادي برخوردار بوده لذا در این تحقیق نیز نتایج با توجه به عدد فرود ذره تحلیل میشوند. مقدار عدد فرود ذره از رابطه زیر بدست میآید:[8]
