بخشی از مقاله
چکیده
آبشستگی یکی از موارد مهمی است که در زمینه علم هیدرولیک و هیدرولیک رسوب وجود دارد. این پدیده به مرور زمان باعث میشود اطراف پی پایه پل خالی شود و در نهایت به خالی شدن زیر پی می انجامد و سبب تخریب پایه پل میشود. تاکنون پژوهشگران زیادی به بررسی آب شستگی اطراف پایه پل پرداخته اند که به دلیل پیچیدگی مسأله و فراوانی عوامل مختلف هنوز راه حل کاملی برای جنبه های گوناگون آن مطرح نشده است.
در این تحقیق تاثیر کیفیت جریان بر آبشستگی پایه های پل نظام آباد میاندوآب با استفاده از نرم افزار HEC-RAS بررسی گردید. محاسبات عمق آبشستگی با حالت های جریان با آب زلال، بستر زنده، جریان همراه با ریگ های کوچک، متوسط و بزرگ انجام شد. نتایج نشان داد که داده های محاسبه شده در حالتهای آب زلال، بستر زنده و جریان حاوی ریگ های کوچک تفاوت خیلی جزئی باهم دارند که قابل چشم پوشی است، اما در حالت های جریان با ریگ های با اندازه متوسط و بزرگ عمق آبشستگی افزایش می یابد.
-1 مقدمه
طراحی، محاسبه و احداث پایههای پل، از مهمترین و حساسترین مراحل یک پروژه پل سازی میباشند. به خصوص وقتی که این پل در محل عبور یک رودخانه واقع شده باشد. در این زمان، طراح باید برای انتخاب طول و تعداد دهانهها و عمق حداقل پی پایهها، اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی منطقه را در نظر گرفته و مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد.
از مهمترین مواردی که در این رابطه میتوان به آن اشاره نمود، اطلاعات مربوط به فرسایش بستر رودخانه میباشد که در صورت در نظر نگرفتن آن بایستی شاهد عواقب خطرناکی از جمله تهدید پایداری پل و نهایتاً خرابی آن بود. اهمیت پلها در برقراری راههای ارتباطی بر کسی پوشیده نیست. همه ساله هزاران پل در سراسر جهان در اثر آب شستگی اطراف پایههای آنها تخریب میشود - جانسون و داک، . - 1998 هر ساله با وقوع سیلاب در هر رودخانه تعداد زیادی از این پلها درست زمانی که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد، تخریب میگردند.
یکی از موثرترین عوامل این تخریبها آبشستگی موضعی اطراف پایهها میباشد - اقبالی و همکاران، . - 1392 مطالعات زیادی توسط محققین ایرانی وخارجی در مورد آبشستگی پایه های پل انجام شده است. از جمله در سال 1392، اقبالی و همکاران در تحقیقی تاثیر تراز قرار گیری و شکل فونداسیون بر مقدار آب شستگی اطراف پایه پل را بررسی نمودند. عطایی آشتیانی و همکاران - 2010 - آب شستگی آب زلال اطراف پایه پل پیچیده با ابعاد مختلف سرشمع را مورد ارزیابی قرار داد.
صدقی اصل و هنر - - 1383 عمق آبشستگی موضعی در پایههای پل بشار بالادست واقع در ابتدای شهر یاسوج را با استفاده از روشهای معمول برآورد کردند. رازی و همکاران در سال 1391 تاثیر توام آبپایه و طوق را در کاهش عمق آبشستگی اطراف پایه های پل استوانه مورد بررسی قرار دادند.
مطالعاتی توسط چابرت و انگلدینگر - - 1956 بر روی پایه با فونداسیون استوانهای، جونز و همکاران - - 1992 بر روی پایه و فونداسیون مستطیلی، ملویل و رادکیوی - - 1996 بر روی پایه و فونداسیون استوانهای، پارولا و همکاران - - 1996 بر روی پایه و فونداسیون مستطیلی و اومدا و همکاران - - 2010 بر روی پایه و فونداسیون استوانهای انجام دادند. نتایج آزمایشهای آنها نشان داد کاهش آب شستگی وقتی صورت میگیرد که فونداسیون زیر تراز بستر قرار گیرد. لو و همکاران - 2011 - یک مدل نیمه تجربی برای توسعه زمانی عمق آب شستگی پایههای پل استوانهای با پی را پیشنهاد دادند.
برای تعیین آبشستگی پایه پل تحت تاثیر عوامل مختلف تا به حال از مطالعات آزمایشگاهی که مستلزم صرف وقت و هزینه بسیاری می باشد، استفاده شده است. این روش ها اگر چه امکان پاسخگویی به مسأله را دارا هستند، ولی به دلیل مشکل بودن روند محاسبه تابع معرف از یک سو و استفاده از تجربیات افراد خبره از سوی دیگر امکان اعمال آن در همه مسائل وجود ندارد - شهرادفر و همکاران، . - 1387 به طور معمول سه روش کاربردی برای تعیین و پیش بینی عمق آبشستگی اتفاق افتاده مورد استفاده قرار می گیرد. این روشها عبارتند از:
· مدل های فیزیکی
· استفاده از تجهیزات ویژه و مجهز به منظور رفتار سنجی آبشستگی ایجاد شده در محل پایه پل
· مدل های ریاضی و کامپیوتری
هر کدام از روشهای فوق به نحوی در پیش بینی عمق آبشستگی موثر و مفید می باشد. روشهای اول ودوم روشهای کاملاً تجربی بوده و بر مبنای آزمایش و مشاهده استوار هستند.
با استفاده از روش اول میتوان رفتار آبشستگی را هم برای پلهای در دست احداث و هم برای پل های ساخته شده بررسی نمود. روش فوق الذکر به علت مشاهدهای بودن و دقت قابل قبول نتایج آن راه حل خوبی جهت بررسی رفتار آبشستگی و در نهایت تعیین عمق فرسایش می باشد.
روش دوم روش دقیقی است که بیشتر برای پلهای ساخته شده مناسب می باشد تا بدین طریق مشکلات موجود شناسایی شده و طرح مورد نظر در برابر تهدیدات آبشستگی محافظت و تقویت گردد. عمده ترین مشکل که در این رابطه وجود دارد این است که تجهیزات دارای قابلیت های رفتار سنجی آبشستگی مورد استفاده در این روش بسیار گران و پر هزینه می باشد.
روش سوم آخرین روش برای تعیین عمق آبشستگی می باشد. این روش اساساً مبتنی برتئوری ها و روابط ریاضی بوده به طوریکه در ابتدا با استفاده از روابط مربوط به فرسایش وتئوری های ارائه شده در رابطه با هیدرولیک پل ها و آبشستگی، یک مدل ریاضی تهیه میگردد. پس از این مرحله و با توجه به مدل ریاضی تهیه شده یک مدل کامپیوتری که قابل انطباق با شرایط و حالات مختلف این پدیده - آبشستگی - باشد ساخته می شود.
برای تعیین آبشستگی پایه پل تحت تاثیر عوامل مختلف تا به حال از مطالعات آزمایشگاهی که مستلزم صرف وقت وهزینه بسیاری می باشد استفاده شده است. این روش ها اگر چه امکان پاسخگویی به مسأله را دارا هستند ولی به دلیل مشکل بودن روند محاسبه تابع معرف از یک سو و استفاده از تجربیات افراد خبره از سوی دیگر امکان اعمال آن در همه مسائل وجود ندارد.
با توجه به محدودیتهای موجود در این زمینه سعی شده با استفاده از مدل HEC-RAS نسبت به حل مسأله اقدام شود. با عوامل زیاد عمق آبشستگی پایه های پل موثر است. محققین زیادی به این عوامل پرداخته اند و هر کدام پارامتر یا پارامترهایی را موثر تر از دیگر پارامتر ها در نظر گرفته اند. از جمله این پارامترها میتوان به دبی جریان، زاویه برخورد آب به پایه ها، سرعت جریان، دانه بندی رسوبات، نوع بستر و ماهیت جریان، ضریب زبری، عدد فرود، عرض و شکل پایه ها را نام برد.
از این بین کیفیت و ماهیت جریان یکی از مهمترین آنها می باشد. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار HEC-RAS اقدام به محاسبه عمق آبشستگی پایههای پل نظام آباد در شهرستان میاندوآب شده و تاثیر جریان آب زلال، بستر زنده و جریان حاوی ریگهای کوچک، با ریگ های با اندازه متوسط و بزرگ در میزان و نحوه آبشستگی پایه های این پل بررسی شد.
-2 مواد و روشها
-1-2 تئوری مساله
HEC-RAS یک بسته نرم افزاری مجتمع از سری برنامههای تحلیل هیدرولیکی است که در آن کاربر از طریق استفاده از واسط گرافیکی کاربر - GUI - با سیستم ارتباط برقرار می کند. مولفه تحلیل هیدرولیکی جریان ماندگار این مدل، برای محاسبه پروفیلهای سطح آب در حالت جریان متغیر تدریجی ماندگار تهیه شده است. حالت ماندگار مدل قابلیت محاسبه پروفیلهای سطح آب در رژیم های جریان زیر بحرانی، فوق بحرانی و مختلط را داراست.
روند اصلی محاسبات بر پایه حل معادله انرژی یک بعدی استوار میباشد. افتهای انرژی شامل افت اصطکاک - معادله مانینگ - و افت انبساط و انقباض که بصورت ضریبی در تغییرات بار سرعت اعمال میشود، میباشد. با توجه به داشتن پروفیل های مقطع عرضی در بالادست و پایین دست پایه های پل و وارد کردن داده های مربوط، آبشستگی پایههای پل برای بده جریان با دوره بازگشت های مختلف توسط معادله دانشگاه ایالتی کلرادو - CSU - - ریچاردسون و همکاران - 1990 محاسبه شد.
این رابطه به صورت زیر ارایه شده است:
-2-2 منطقه مورد مطالعه
پل نظامآباد توسط سازمان جهاد کشاورزی استان آذربایجان غربی بر روی رودخانه زرینه رود برای تسهیل در رفت و آمد و اتصال دو طرف رودخانه احداث شده است. این پل اهمیت به سزایی در اتصال، کاهش هزینه رفت و آمد، حمل و نقل محصولات کشاورزی منطقه و رفاه روستاییان داشته است.
این پل دارای چهار ردیف پایه دو تایی است که پایه های اول و چهارم به کالورت صندوقهای چسبیده به تکیه گاههای راست و چپ پل بسیار نزدیک می باشد. به طوریکه بخش عمده ای از ارتفاع آنها در داخل خاک مدفون می باشد. پایه ها استوانه ای با مقطع دایره ای و به قطر 1/4 متر هستند. طول پل از پایه اول تا چهارم 90 متر و با احتساب تکیه گاهها و کالورت های صندوقه ای طول نهایی پل به 130 متر می رسد. عرض پل شش متر، ارتفاع پایه ها 5 و ارتفاع تا عرشه پل 5/5 متر است. پایه های ردیف سوم بیشترین عمق و پایه های ردیف دوم، اول و چهارم در رتبه های بعدی هستند. زاویه حمله آب به پایه ها در محل پل حدود 5 درجه است. در شکل زیر نمایی از پل آورده شده است.
