بخشی از مقاله
خلاصه
لولههای انتقال آب و سایر سیالها که در بستر دریاها و رودخانهها قرار میگیرند الگوی جریان را در اطراف خود تغییر میدهند. این تغییرات باعث افزایش آشفتگی در اطراف لوله شده و حفرهی آبشستگی در زیر لوله را ایجاد میکنند. در این مقاله نتایج تحقیق آزمایشگاهی بر روی تأثیر قرارگیری آبپایه1 در کاهش حداکثر عمق آبشستگی در زیر لولههای مستغرق ارائه شده است.
آزمایشها در دو حالت - 1 آبشستگی زیر لوله بدون آبپایه - 2 آبشستگی زیر لوله همراه آبپایه انجام شده است. در انجام آزمایشها از سه لوله با قطرهای 20، 30 و 40 میلیمتر استفاده شده است. در حالت همراه با آبپایه از یک آبپایه به ضخامت 5mm، به طول 25cm - عرض فلوم - و ارتفاع 13cm - عمق بستر ماسه ای - که در فاصلهی D/2 از مرکز لوله D - قطر لوله - قرار گرفت، استفاده شد. آبپایه مانعی برای انتشار گرداب های برخاستگی می باشد و فرسایش منطقه برخاستگی را کنترل می نماید. با برخورد این گردابها به آبپایه جریان به سمت لوله باز میگردد و ذرات را به سمت لوله جا به جا می نماید و این عامل موجب کاهش گودال آبشستگی و کاهش حداکثر عمق آبشستگی میشود.
1. مقدمه
خطوط لوله انتقال آب، نفت، گاز و ... اگر در مسیر خود از رودخانه ها و بستر دریا ها عبور کنند، در طراحی آن ها باید دقت فراوانی بکار برده شود. چون گسیختگی آن ها پیامدهای اقتصادیو بعضاً زیست محیطی زیادی به دنبال خواهد داشت. بررسی های دقیق انجام شده روی خطوط لوله در حال بهره برداری نشان میدهند که آبشستگی موضعی ایجاد شده در مجاورت لوله میتواند باعث تخریب آن شود. آبشستگی موضعی باعث جدایی خط لوله از بستر شده در نتیجه فضای خالی نسبتاً بزرگی بین بستر و خط لوله به وجود میآید.
در این حالت دهانه آزاد خط لوله به مرور گسترش یافته که ممکن است بارهای نوسانی ناشی از گردابه ها باعث خستگی و در نهایت گسیختگی آن گردند .وقتی که خط لوله شکم میدهد ممکن است که خط لوله تا جایی تغییر شکل بدهد که به کف گودال آبشستگی برسد و امکان دارد که در ادامه خط لوله به طور خود به خود دفن گردد اگر لوله ای بر روی بستر فرسایش پذیر قرار گرفته باشد و سرعت جریان نیز به اندازه ی کافی بزرگ باشد، امکان دارد بستر زیر لوله شسته شود. به طوری که در شکل 1 دیده می شود، در زیر لوله شروع آبشستگی مرتبط با عملکرد دو گردابی است که در بالا دست - M - و پائین دست - N - لوله بوجود میآیند هم چنین در اثر افزایش فشار در بالا دست لوله، جریان نشت یافته از زیر خط لوله نیز توسعه آبشستگی را تسریع میسازد
شکل -1 تغییرات فشار در اطراف لوله تحت جریان یک سویه بروی بستر نفوذ پذیر - سومر و فردسو - 2002
کیجلدسن و همکاران در سال 1973 برای تحقیق درباره ی آبشستگی ایجاد شده در اطراف خطوط لوله ناشی از جریان یک سویه1 آزمایش هایی را در فلوم آزمایشگاهی انجام دادند.
آن ها رابطه تجربی - 1 - را برای محاسبه عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله ارائه دادند:
که در آن S عمق آبشستگی، D قطر لوله و Vسرعت جریان می باشند. رابطه - 1 - برای حالتی ارائه شده که خط لوله بر روی بستر افقی قرار گرفته است. در رابطه فوق اثر عمق جریان و اندازه دانه مواد رسوبی منظور نشده است بنابراین میتوان نتیجهگیری نمود که شرط بستر زنده بر آزمایشهایی که کجلدسن و همکارانش انجام داده اند حاکم بوده است.
در حالت بدون بعد رابطه - 1 - به صورت زیر در می آید:
که پارامتر پایداری - شیلدز - و مقدار بحرانی پارامتر پایداری برای شروع حرکت رسوب بر روی بستر میباشد.
دی و همکاران در سال 2008 با کمک نتایج آزمایشگاهی به تشریح تأثیر پارامترهای مختلف بر روی عمق آبشستگی پرداختند، بطوریکه مشخص شد با افزایش عمق جریان ورودی - h - عمق آبشستگی - - ds افزایش می یابد و برای h/b> 5 ، ds /b مستقل از h /b می شود و در عمق آبشستگی تأثیر ندارد b - قطر یا عرض لوله می باشد - . منحنی های عمق آبشستگی در مقابل اندازه ذرات رسوب - d - و عدد فرود - Fr - در b /d=27 و Fr =0.6 دارای حداکثر مقدار ds /b =1. 65 می باشد
مونکادا و آگوئیر در سال 1999موفق به ارائه ی دو رابطه ی ساده ولی با دقت نسبتاً کم جهت تعیین عمق آبشستگی نهایی در زیر لوله واقع در یک فلوم آزمایشگاهی شدند. همچنین آن ها متوجه شدند که تأثیر عدد رینولدز روی آبشستگی بسیار ناچیز و اندک می باشد.>6@ دو رابطه ی به دست آمده عبارتند از: که در آنها S عمق آبشستگی D قطر لوله و کمیت e نشان دهنده ی فاصله اولیه بین لوله و بستر می باشد. قدسیان در سال 2000 با استفاده از داده های آزمایشگاهی مونکادا و آگوئیر در سال 1999 معادله - 5 - را جهت تعیین عمق نهایی آبشستگی ×در زیر لوله با درصد خطای میانگین 10/95 به دست آورد:
از اهداف اصلی کنترل کنندههای آبشستگی کاهش عمق حفره آبشستگی می باشد. روشهای بسیار زیادی جهت کاهش آبشستگی موضعی نظیر استفاده از سنگچین، تشک های محافظ سیمانی، پوششهای گیاهی مصنوعی، طوق و... انجام شده است .
مطالعاتی نیز در زمینه استفاده از آبپایهها به منظور پایداری بستر رودخانههای شیبدار انجام دادهاند.>9@ گریمالدی و همکاران در سال 2009، از آبپایه جهت کنترل آبشستگی در پایه پلها استفاده کردند.>10@ آنها آبپایه را در پاییندست پایه و در فواصل مختلف از پایه کار گذاشته و آزمایش ها را مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق با استفاده از روش انجام شده توسط گریمالدی و همکاران، از آبپایه به منظور کاهش عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله استفاده گردید.
2. مواد و روشها
آزمایش ها در فلوم مستطیلی فلزی- شیشه ای به طول 10 متر، عرض 25 سانتیمتر و ارتفاع 50 سانتیمتر انجام شد. جریان آب به وسیله یک الکتروموتور به قدرت 100 اسب بخار و حداکثر پمپاژ 60 لیتر بر ثانیه از مخزن اصلی وارد فلوم می شود و عمق پایاب توسط یک دریچه قابل تنظیم در پایین دست طوری تنظیم می شود که شرایط استغراق برقرار شود.
مقدار عمق جریان به وسیله عمق سنج با دقت 0/1 میلیمترکه در بالای فلوم نصب می شود قرائت گردید. ابتدا و انتهای فلوم با استفاده از کف کاذب تا ارتفاع 13 سانتیمتر بالا آورده شده و روی قسمت ابتدایی کف کاذب را با استفاده از ذرات ماسه پوشانده تا بتوان شرایط جریان یکنواخت را در ابتدای بستر شنی ایجاد کرد. طبق مطالعات ارائه شده توسط دی و همکاران در سال 2007 برای حذف تاثیر غیر یکنواختی رسوبات بر آبشستگی موضعی، انحراف معیار هندسی ذرات برای رسوبات با دانه بندی یکنواخت حدود 1/4 در نظر گرفته شد.
در ابتدای هر آزمایش برای جلوگیری از آبشستگی ناخواسته در سطح بستر، فلوم از انتهای پایین دست از آب پر و بعد از رسیدن به عمق قابل قبول جریان را ساکن نگه داشته و لوله در نقطه ی مورد نظر - در 80 سانتیمتری از ابتدای بستر - قرار داده شد. لوله توسط تراز بنایی و خط کش T شکل از همه ی جهات تراز گردید تا تأثیرات منفی ناشی از کج بودن لوله حذف گردد. بعد از کار گذاشتن لوله همزمان با باز کردن دبی مورد نظر، دریچه را برای رسیدن به عمق دلخواه باز می کنیم. به دلیل آبگیری اولیه ی فلوم، جریان به آرامی برقرار می شود و مانع از بهم خوردن بستر و تشکیل ریپل در سطح بستر می شود. پروفیل آبشستگی در فواصل منظم بر روی یک صفحه ی شفاف - با مش بندی های 1*1 میلی متر - که در قسمت خروجی دیواره ی شیشه ای نصب شده ترسیم شد. در این آزمایش ها سرعت متوسط جریان ورودی U - تقریباً - بین 0/8 تا 0/9 سرعت بحرانی - Uc - تنظیم شد تا شرایط آبشستگی آب زلال را داشته باشیم. سرعت بحرانی ورودی توسط رابطه نیمه لگاریتمی - 6 - به دست می آید :
که در این معادله سرعت برشی بحرانی ذرات می باشد که از دیاگرام شیلدز به دست می آید و d اندازه ی میانه ذرات رسوب می باشد. رسوب و شدت جریان در این آزمایش ها ثابت در نظر گرفته شد. در انجام آزمایش ها سه لوله از جنس پلی اتیلن نسوز با مقطع دایره ای با قطر های 20 ، 30 و 40 میلیمتر استفاده شده است و در تمامی آزمایش ها لوله در تماس با سطح بستر قرار داده شد. در حالت همراه با آبپایه از یک آبپایه به ضخامت 5mm، به طول 25cm - عرض فلوم - و ارتفاع 10cm که در فاصله ی D/2 از لوله D - قطر لوله - قرار گرفت، استفاده شد. آبپایه 3cm از کف فلوم فاصله داشت. در ابتدای فلوم از یک آرام کننده ی جریان برای تنظیم سرعت در فلوم و آرام کردن جریان استفاده گردید.
