بخشی از مقاله
چکیده:
آب شستگی اطراف پایههای پل یکی از مهمترین دلایل عدم پایداری و تخریب پلها می باشد و همه ساله خسارات زیادی را به آنها وارد می کند. این موضوع در هنگام وقوع سیلاب، درست درزمانی که بیشترین نیاز به راههای دسترسی وجود دارد، اهمیت بالایی پیدا خواهد کرد. ازاینرو کاهش میزان آب شستگی سالها موردبررسی محققین و مهندسین ه یدرولیک قرارگرفته است و تاکنون مطالعات زیادی جهت تخمین عمق و شدت آب شستگی اطراف پایه های پل انجام پذیرفته است .
مدلسازی پایهی پل جهت محاسبه حداکثر عمق آب شستگی در نرم افزار Flow-3D صورت پذیرفت. صحتسنجی نتایج حاصل از نرم افزار و مطالعات آزمایشگاهی پیشین نشاندهنده دقت قابل قبول این نرم افزار در زمینه شبیه سازی پدیده ی آب شستگی می باشد. درنهایت مدلسازی پایه با استفاده از شکافهایی با هندسه متفاوت انجام شد. نتایج نشان داد که پایه با مقدار عرض کافی می تواند حداکثر میزان آب شستگی را تا 50 درصد کاهش دهد. همچنین تأخیر زمان در شروع آب شستگی از ویژگی های بارز این روش میباشد.
.1 مقدمه
یکی از روشهای کنترل آب شستگی، استفاده از طوق بر روی پایه برای جلوگیری از برخورد جریان رو به پایین با بستر رودخانه در جلوی پایه می باشد. بررسیهای آزمایشگاهی بسیاری در این مورد انجام شده است که نشان می دهد استفاده از طوق در کاهش آب شستگی پایه های پل بسیار مؤثر است . نتایج تحقیقات آزمایشگاهی در استفاده از طوق دایره ای در سایزهای مختلف نشان می دهد که هر چه طوق بزرگ تر باشد، تأثیر بیشتری در کاهش خسارت آب شستگی خواهد داشت
مطالعات نشان میدهند که استفاده از طوقی با عرض دو برابر قطر پایه، آب شستگی را بین 55 تا 96 درصد کاهش میدهد .همچنین مشاهده میشود که اگر نسبت ضخامت طوق به قطر پایه بزرگ باشد، به دلیل افزایش قطر مؤثر پایه نتیجه عکس شده و افزایش عمق آب شستگی را موجب میشود
نتایج دیگر مطالعات نشان داده است که عمق آب شستگی به میزان زیادی به زمان وابسته است. عمق حفره ی آب شستگی با افزایش زمان افزایش می یابد. یافتهها نشان می دهد که توسعه ی زمانی حفره ی آب شستگی در یک پایه بسته به این است که آیا طوق در سطح بستر قرار دارد . با یک طوق توسعه ی حفره ی آب شستگی بهطور قابل ملاحظهای به تأخیر می افتد. بااینوجود کاربرد طوق ممکن است منفعت درازمدت کمی را در کاهش عمق آب شستگی ماکزیمم داشته باشد . قابلذکر است که کارایی طوق با افزایش قطر افزایش می یابد. آزمایش ها نشان داد که مدتزمان لازم برای رسیدن به هر عمق آب شستگی، با افزایش شدتجریان کاهش مییابد
یکی دیگر از روش های کنترل آب شستگی استفاده از صفحات مستغرق میباشد. صفحات مستغرق سازه هایی از جنس فلز، چوب و یا بتن هستند که به صورت عمودی با زاویه ای نسبت به جهت جریان در بستر رودخانه نصب میشوند. این صفحات با ایجاد چرخش ثانویه در جریان باعث اصلاح الگوی جریان نزدیک بستر و توزیع مجدد جریان و انتقال رسوب در عرض کانال می شوند. هنگامیکه این صفحات در کنار پایه ها اضافه شود با انحراف خطوط جریان موجب کاهش قدرت جریانهای گردابی نعل اسبی در کنار پایههای پل میشود و لذا موجب کاهش آب شستگی میشود.
لاچلان در سال 1999 به بررسی اثر صفحات مستغرق در کاهش آب شستگی پایه پل در حالت جریان آب زلال و بستر زنده پرداخت. او در آزمایش هایش با تغییر در پارامترهای مختلف عملکرد صفحات مستغرق را بررسی کرد . او نشان داد با کاهش میزان فاصله صفحات مستغرق در امتداد جریان و افزایش نسبت طول صفحات در امتداد جریان به ارتفاع آن باعث کارایی بیشتر صفحات مستغرق در تقلیل عمق آب شستگی میشود
قربانی و کلز نیز تأثیر صفحات مستغرق منفرد و دوبل را در کاهش آب شستگی پایههای پل از طریق مطالعهی آزمایشگاهی بررسی کردند، آن ها نتیجه گرفتند که استفاده از دو صفحه ی مستغرق نسبت به یک صفحه در کاهش عمق آب شستگی مؤثرتر است. در حالت استفاده از دو صفحه ی مستغرق بیشترین کاهش در عمق آب شستگی در موقعیت 30 درجه نسبت به مرکز پایه و به میزان 87/7 درصد اتفاق افتاد و در حالت استفاده از یک صفحه ی مستغرق بیشترین کاهش در عمق آب شستگی در زاویهی 8/5 درجه و ارتفاع صفر و به میزان 17/3 درصد اتفاق افتاد
ایجاد یک شکاف در داخل پایه ی پل از دیگر روش های کنترل آب شستگی پایه پل ها میباشد که باعث انتقال بخشی از جریان به سمت داخل شکاف می گردد. جریان انتقالی همانند یک جت آب عمل کرده و باعث انحراف بخشی از جریان پایینرونده در جلو پایه شده و درنتیجه موجب تضعیف اثر مخرب گرداب نعل اسبی در مجاورت پایه می گردد .
آزمایشها بر روی پایهی شکافدار نشان میدهد که عمق آب شستگی با توجه به موقعیت شکاف نسبت به کف، 15 تا 30 درصد کاهش مییابد . - Tanaka & Yano, 1967 - نتایج آزمایشگاهی بررسی تأثیر شکاف بر روی آب شستگی پایههای استوانهای، نشان می دهد که با افزایش طول شکاف، عمق آب شستگی کاهش مییابد . - Kumar et al., 1999 - در این مقاله به منظور بررسی اثر شکاف بر آب شستگی پایه پل ها، مدلسازی در نرمافزار FLOW-3D انجام شد و تأثیر شکافهای مستطیلی موردبررسی قرار گرفت.
.2 معادلات حاکم در مدل هیدرودینامیکی
معادلات حرکت سیال شامل معادلات پیوستگی و مومنتم است که مدل FLOW-3D نیز همانند تمام برنامه ها از حل آنها برای محاسبات هیدرولیکی جریان استفاده می کند. رابطه شماره 1، معادله پیوستگی و روابط 2 تا 4 معادلات مومنتم در مختصات کارتزین را نشان می دهند. معادلهی حجم جریان نیز در رابطه 5 آورده شده است. مدل عددی با استفاده از تکنیکهای عددی، این معادلات را حل میکند.
بخش آخر از معادلات 2 تا 4 مقدار پاشش جرم در سرعت صفر را نشان میدهند. در رابطه 5، متوسط مساحت جریان، متوسط سرعت جریان در جهات و تابع حجم سیال می باشد. مقدار هنگامیکه سلول از سیال پر می باشد، و زمان خالی بودن آن صفر است.
مدل عددی FLOW-3D از دو روش برای شبیهسازی استفاده میشود که عبارتاند از روش حجم سیال VOFکه برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورداستفاده قرار می گیرد و روش کسر مساحت- حجم مانع یا FAVOR که برنامه ازاینروش برای مدلسازی سطوح و احجام صلب مانند مرزهای هندسی استفاده میکند.
.3 معادلات حاکم در مدل انتقال رسوب
برای محاسبات بخش رسوبی، بار معلق و بار بستر به طور جداگانه محاسبه میشود. بار رسوبی معلق توسط حل معادله انتقال-انتشار مطابق رابطهی 6 به دست میآید که در آن میانگین سرعت رینولدز جریان، سرعت سقوط ذرات رسوبی، بعد فضای عمومی، اندازه در جهت عمودی و Ґ ضریب اغتشاش می باشد. ضریب اغتشاش برابر با ویسکوزیته ی جریان گردابی است که از مدل k − ε محاسبه می گردد.
این معادله، انتقال رسوب را توصیف می کند که شامل اثر آشفتگی بر کاهش سرعت نشست ذرات رسوبی است. این معادله به وسیلهی روش حجم کنترل در مدل FLOW-3D بر روی تمامی سلول ها بهجز سلول هایی که به بستر نزدیک هستند، حل می شود. برای شبیهسازی انتقال بار بستر در نرم افزار FLOW-3D از معادله میر- پیتر و مولر استفاده شده است. این مدل، جریان حجمی رسوبات را در واحد عرض بر روی سطح بستر متراکم پیش بینی می - کند. مدل مذکور مطابق رابطه - 7 - عبارت است از:
به طوریکه در آن پارامتر بحرانی شیلدز برای شرایط سطوح شیب دار، با استفاده از رابطه - 8 - و پارامتر شیلدز موضعی بر اساس تنش برشی بستر موضعی، از رابطه - 9 - به دست میآید همچنین مقدار ضریب طبق پیشنهاد فن راین - Van Rijn, 1987 - - 1987 - ، برابر 8 است.
