بخشی از مقاله
خلاصه
جریان خروجی از سازه های هیدرولیکی اغلب به صورت جت می باشد که ممکن است موجب تغییرات زیادی در توپوگرافی رودخانه و اطراف این سازه ها گردد و خسارت های سازه ای و زیست محیطی قابل توجهی به همراه داشته باشد. عمده روشهایی که در گذشته، برای تعیین عمق آبشستگی ناشی از جت دیوارهای ارائه شد، به صورت قطعی میباشد و عدم قطعیت پارامترهای موثر بر این پدیده در نظر گرفته نشد. به همین دلیل از سطح ایمنی سازه هیدرولیکی به علت آبشستگی پایین دست این سازهها اطلاعاتی در دست نیست.
در این مقاله اقدام به مطالعه عمق آبشستگی در پایین دست یک دریچه کشویی ناشی از جت دیوارهای بر اساس آنالیز قابلیت اطمینان و تحلیل ریسک با استفاده از روش شبیهسازی مونتکارلو میگردد. بر این اساس پس از شناسایی عدمقطعیتهای موجود در پارامترهای موثر بر پدیده اقدام به برآورد احتمالاتی عمق آبشستگی و همچنین تحلیل حساسیت پارامترهای موثر میشود.
.1 مقدمه
آبشستگی در پایین دست سازه های هیدرولیکی یکی از مسائل مهم در طراحی این سازهها می باشد. آبشستگی در حقیقت جابجایی ذرات توسط جریان از محل استقرار اولیه آنها به مکان دیگری است. یکی از علل ناپایداری سدها، آبشستگی ناشی از جتها میباشد. پارامترهای زیادی در پدیده آبشستگی پایین دست سازههای هیدرولیکی که جریان به صورت جت می باشد وجود دارد که محققین زیادی تاثیر آنها را بر آبشستگی بررسی کردهاند
بر این اساس محققینی نظیر Hoffman - 1997 - ، Breusers and Raudkivi - 1991 - ، Ghodsian et al - 2006 - و Sarkar and - 2005 - Dey با استفاده از شناخت پارامترهای موثر، اقدام به ارائه روابط تجربی برای تخمین عمق آبشستگی نمودند
پارامترهای متعددی بر آبشستگی پایین دست جت های دیواره ای تاثیر می گذارند که از آن جمله میتوان به میزان بازشدگی دریچه، سرعت جت در خروجی، وجود و یا عدم وجود کف بند بتنی، خصوصیات ذرات رسوب نظیر اندازه و چگالی دانههای رسوب، ابعاد و شکل جت، عرض کانال، عمق پایاب و ... اشاره کرد. تحقیقات نشان میدهد که با افزایش میزان بازشدگی دریچه و همچنین سرعت جت در خروجی، عمق آبشستگی افزایش مییابد.
تغییر در اندازه و آرایش دانه های رسوبی نیز میتواند تاثیر بسیار زیادی بر ابعاد حفره آبشستگی داشته باشد به گونهای که در شرایط یکسان در صورتیکه فقط اندازه دانه ها بزرگتر شود، بدلیل افزایش نیروی لازم جت برای غلبه بر نیروی وزن مصالح، ابعاد حفره آبشستگی کاهش می یابد. در نهایت طبق نظر Rajaratnam and Macdughall - 1983 - در شرایطی که عمق پایاب کم باشد حالت تعادل در پروفیل آبشستگی ایجاد نمی-شود.
اخیرا استفاده از روشهای تحلیل ریسک و قابلیت اطمینان با توجه به قابلیت بالای آنها در بهینه نمودن طرحهای مهندسی و بالابردن توان مدیریتی پروژهها مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به ساخت و ساز گستردهایی که در کشور وجود دارد، کاربردی نمودن این روشها در طراحی سازههای مختلف میتواند بسیار مفید باشد. در مسائل مهندسی هیدرولیک عدم قطعیتهای موجود در دادهها و تئوریها، هم در مرحله تحلیل و هم طراحی، منجر به لزوم استفاده از روشهای احتمالاتی میشود.
شکست در سازه هیدرولیکی از جمله سرریزها و یا حوضچههای آرامش نتیجه تاثیرات متقابل اتفاقی بودن بار خارجی و عدم قطعیتهای مختلف در تحلیل، طراحی، ساخت و به کارگیری سازه است. آنالیزهای قابلیت اطمینان یک چهارچوب منظم و سازماندهی شده را برای کمی کردن عدم قطعیت های مدل فراهم میکند.علاوه بر این به طراح اجازه میدهد تا نقش هرکدام از پارامترهای ورودی مسئله را در عدم قطعیت خروجی مدل مشخص کند.
این آگاهی برای تشخیص پارامترهای مهم به منظور توجه بیشتر به آنها برای دستیابی دقیقتر به اندازه و تاثیر آنها و در نهایت کاهش عدم قطعیتهای خروجی بسیار مهم است. مدتهاست استفاده از آنالیز قابلیت اطمینان و دیگر روشهایاحتمالاتی در تحلیل مسائل مختلف علم هیدرولیک مورد توجه قرار گرفته است. در این زمینه تلاشهای گستردهای برای تحلیل قابلیت اطمینان پایداری سازههای هیدرولیکی مختلف نظیر پایه پل و بند انحرافی ناشی از پدیده آبشستگی انجام شده است در نتیجه این تلاشها ضمن معرفی روشهای طراحی جدید، راه برای ارائه طرحی بهینه متناسب با نیازهای مهندسی هموارتر شده است.
بررسی مراجع نشان میدهد که با وجود تحقیقات گسترده در زمینه آبشستگی پایین دست جت های ریزشی، تاکنون تحقیق مدونی در مورد بررسی عدم قطعیت در پارامترهای تاثیرگذار بر پدیده آبشستگی ناشی از جریان جت پرداخته نشده است و این موضوع ممکن است سبب افزایش یا کاهش هزینهها شود. عمده مطالعات انجام شده بر روی بررسی عدم قطعیت ناشی از پارامترهای پدیده آبشستگی در پایین دست جت ریزشی و فیلیپ باکت بوده است. Yanmaz - 2003 - با تعداد کمی پارامتر درگیر در پدیده آبشستگی پایین دست سد ها نشان داد با افزایش عمق فونداسیون و افزایش سایز مصالح بستر قابلیت اطمینان افزایش مییابد
Shams et al - 2008 - یه بررسی ابعاد حفره آبشستگی با استفاده از روشهای احتمالاتی پایین دست پرتابه جامی شکل پرداختند.[16] ایشان جهت بررسی احتمالاتی آبشستگی، از توزیعهای آماری برای پارامترهای دارای عدم قطعیت هیدرولیکی نظیر دبی، سرعت جریان و ارتفاع ریزش استفاده نمودند. Li et al - 2012 - به ارائه روشی جهت ارزیابی ریسک و احتمال شکست ناشی از آبشستگی پی سد ها در اثر جت های ریزشی پرداختند.
در تحقیق حاضر، ابتدا مفاهیم پایه قابلیت اطمینان آبشستگی پایین دست جتهای دیوارهای و پارامترهای تاثیر گذار بر این پدیده مورد بررسی قرار میگیرد. در ادامه پس از انجام تحلیل قابلیت اطمینان با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو اقدام به برآورد احتمالاتی عمق آبشستگی در پایین دست یک دریچه کشویی به عنوان مطالعه موردی میشود. در انتها نیز تحلیل حساسیت بر روی پارامترهای مختلف موثر بر آبشستگی بیان میگردد..
.2× معادله برآورد عمق آبشستگی پایین دست جتهای دیواره ای
در شکل - 1 - پارامترهای موثر بر عمق آبشستگی در پایین دست یک جت دیواره ای نشان داده شده است. با توحه به این شکل Ls طول حفره آبشستگی، hc ارتفاع برآمدگی در پایین دست حفره، Lm فاصله موقعیت حداکثر عمق آبشستگی از کف بند ، ys حداکثر عمق آبشستگی ، bu میزان باز شدگی دریچه ، U سرعت جت در خروجی، Yt عمق پایاب و / طول کف بند بتنی می باشد.
×شکل-1 نمای کلی یک دریچه همراه با کف بند
Sarkar and Dey - 2005 - مطالعات گستردهای را برای بررسی پارامترهای موثر بر عمق آبشستگی در پایین دست جتهای دیوارهای انجام دادند.[9] مطالعات ایشان بر روی یک فلوم آزمایشگاهی با عرض 0/6 متر، ارتفاع 0/71 متر و طول 10 متر انجام گرفت. در ابن تحقیق، جت مستغرق ناشی از جریان آب عبوری از بازشدگی دریچه بر روی کفبند بتنی، موجت شکلگیری حفره آبشستگی در رسوب شد. در نهایت این محققین با استفاده از تحلیل غیر خطی دادههای آزمایشگاهی، رابطهای را برای تعیین حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست جت دیوارهای ارائه نمودند که فرم ساده شده آن بر حسب پارامترهای موثر - شکل - 1 به صورت زیر میباشد:
که در آن d50 و s به ترتیب اندازه متوسط و چگالی نسبی دانههای رسوب میباشند. بقیه پارامترها در شکل - 1 - نشان داده شده است.
در تحقیق حاضر از معادله - 1 - برای انجام تحلیل قابلیت اطمینان استفاده میشود. علت استفاده از این رابطه، محدوده گستره کاربرد این معادله و همچنین درگیر بودن پارامترهای متعدد موثر بر عمق آبشستگی ناشی از جت دیوارهای میباشد.
.3 تحلیل قابلیت اطمینان و عدم قطعیت پارامترها
به طور کلی هدف از تحلیل عدم قطعیت به کمیت درآوردن آن در پدیدههاست. کاملترین توصیف را میتوان در تابع چگالی احتمال - PDF - 1 از کمیتی که دارای عدم قطعیت میباشد یافت. اما در بیشتر مسائل عملی چنین تابع احتمالی را نمیتوان بدست آورد. اولین قدم در ارزیابی قابلیت اطمینان، تعیین رفتار پاسخ سیستم و پیدا کردن رابطهای بین پارامترهای دخیل در آن میباشند.
متغیرهای پایه که نامیده میشوند، در واقع تشکیل دهنده تابعی هستند که معیار عملکرد صحیح سیستم خواهد بود:
سطح شکست، حالت حدی و یا تابع رفتار بسته به مورد میتواند به صورت رابطه - 3 - تعریف شود.
در این رابطه R - x - مقدار مقاومت یک سیستم و S - x - مقدار بار سیستم میباشد. این رابطه مرز ناحیه ایمن طراحی را مشخص میکند
شکل-2 نمایش منحنی سطح شکست برای یک پدیده
معادله سطح شکست می تواند یک معادله ساده و یا تابعی صریح و یا غیر صریح از متغیر های تصادفی پایه باشد. به عنوان نمونه در مورد آبشستگی در پاییندست جت دیوارهای معادله سطح شکست و یا تابع Z در معادله - 2 - میتواند اختلاف عمق پی - R - و عمق آبشستگی با توجه به شرایط جریان و دریچه - S - به صورت Z R S باشد. بنابراین با توجه به معادله - 2 - در تابع g مقادیر کمتر از صفر شکست تابع و خرابی دریچه و سازه هیدرولیکی
ناشی از آبشستگی را منجر میشوند و مقادیر بیشتر از صفر نشان دهنده پایداری و ایمنی دریجه و سازه هیدرولیکی میباشد - شکل . - 2 بر این اساس با توجه به رابطه - 3 - ، شکست وقتی اتفاق میافتد که <0 باشد و وضعیت حدی وقتی اتفاق میافتد که= 0 باشد. لذا احتمال شکست به صورت زیر محاسبه میشود:
که در آن f x - x1, x2 , x3 , ..., xn - تابع چگالی احتمال ترکیبی برای متغیرهای پایه است و انتگرالگیری روی تمام سطح شکست انجام شده است. اگر متغیرهای تصادفی ناهمبسته باشند، تابع چگالی احتمال ترکیبی به حاصل ضرب توابع چگالی احتمال به وجود آمده از تکتک متغیرها تبدیل میشود. معادله فوق یک معادله عمومی برای حل تمامی مسائل قابلیت اطمینان می باشد و به نام معادله اساسی قابلیت اطمینان شناخته میشود. در عمل بدست آوردن تابع چگالی احتمال ترکیب بسیار پیچیده است. همچنین انتگرالگیری مورد نظر نیز چندان ساده نخواهد بود.
