بخشی از مقاله
چکیده
یکی از پدیدههاي مخرب که همواره مورد توجه مهندسین قرار داشته و آنها سعی کردهاند که همواره برداشت دقیقی از نحوه و میزان تخریب آن داشته باشند پدیدهي آبشستگی در اطراف پایههاي پل است. محققین مختلف در سراسر دنیا همواره به بررسی این پدیده پرداخته و راهکارهاي مختلفی به منظور کنترل آن و یا کند کردن توسعهي آن در اطراف پایههاي پلها ارائه دادهاند. آبشستگی فرآیندي وابسته به زمان بوده و گذشت زمان نقش مهمی را در میزان توسعه و تخریب آن ایفا میکند. در این تحقیق به بررسی میزان توسعهي فرآیند آبشستگی در اطراف پایههاي مستطیلی با دماغهي گرد همراه با صفحات مستغرق پرداخته شد.
این صفحات با ایجاد جریانات ثانویه مقدار و جهت تنش برشی بستر را تغییر میدهند که منجر به تغییر سرعت، عمق و انتقال رسوب در منطقهي مورد نظر میشود. آزمایشات براي پایه با زاویهي 0، 5 و 10 درجه با جهت جریان و صفحات مستغرق با آرایشهاي مختلف انجام شد. در آزمایشات، صفحات مستغرق در دو زاویهي 20 و 30 درجه با جهت جریان و سه ارتفاع 0، 1/25 و 2/5 سانتیمتر روي بستر نصب شدند. نتایج آزمایشات نشان داد که صفحات مستغرق علاوه بر کنترل فرآیند آبشستگی در قسمت جلو پایه، تاثیر خوبی در کنترل توسعهي زمانی فرآیند آبشستگی دارند. حداکثر کاهش عمق آبشستگی براي پایهي 0، 5 و 10 درجه با صفحات مستغرق با ارتفاع 2/5 سانتیمتر در روي بستر و زاویهي 30 درجه با جهت جریان به ترتیب در حدود 45/57، 39/76 و 27/78 درصد بود.
مقدمه
اهمیت پلها در برقراري راههاي ارتباطی بر کسی پوشیده نیست. همه ساله هزاران پل در سراسر جهان در اثر آبشستگی1 در اطراف پایه-هاي آنها تخریب میشود .[1] این تخریبها و خسارات وارده علاوه بر تلفات جانی و ضررهاي مالی، سبب قطع راههاي ارتباطی شده که بدین ترتیب حمل ونقل را نیز مختل میکنند. با کنترل و محافظت از پایه هاي پل در برابر آبشستگی و ارائهي روشهاي مناسب پیشبینی آبشستگی، میتوان از وارد آمدن این خسارات پیشگیري کرد. تخمین کمتر عمق آبشستگی سبب خرابی پل شده در حالیکه تخمین بیشتر عمق آبشستگی سبب صرف هزینههاي زیادي میشود [2]، از این رو مطالعه و تحقیق بر روي این موضوع حائز اهمیت زیادي میباشد.
با وجود مطالعات تجربی و عددي فراوانی که در این زمینه توسط محققین مختلف انجام شده است، به دلیل پیچیدگی و اهمیت مسئله هنوز هم محققان زیادي در این زمینه فعالیت میکنند. روشهاي مختلفی براي مهار آبشستگی در اطراف پایههاي پلها ارائه شده است که به دو دستهي مستقیم و غیر مستقیم تقسیم میشوند. در روش مستقیم به مقاومت بستر در مقابل تنش افزوده میشود. این کار با تعویض مصالح اطراف پایه با مصالح مقاومتر انجام میشود.[3] از جملهي این روشها میتوان به استفاده از سنگچین2 در اطراف پایهها اشاره کرد. در روش غیر مستقیم الگوي جریان در اطراف پایهها را تغییر داده و بدین ترتیب از قدرت نیروهاي مخرب کاسته میشود [3]، که از آن جمله میتوان به استفاده از طوق3 در اطراف پایهها، شکاف4 در روي پایه، شمعهاي حفاظتی5 و صفحات مستغرق 6 اشاره کرد.
صفحات مستغرق سازههایی هستند که از جنس فلز، چوب یا بتن ساخته میشوند و بسته به زاویهي قرارگیري و الگوي جریان، با ایجاد گرداب ثانویه در جریان اطراف خود باعث تغییر در مقدار و جهت تنش برشی و الگوي توزیع جریان و تغییر روند انتقال رسوب میشوند. به علت اختلاف فشار موجود در دو طرف صفحه، جریان از سمت پر فشار به طرف بالاي آن و از سمت کم فشار به طرف پایین آن حرکت مینماید و در نتیجه گرداب و گردش القایی در اطراف صفحه بوجود میآید هدف از این تحقیق بررسی تاثیر صفحات مستغرق در کاهش آبشستگی پایههاي مستطیلی با دماغهي گرد و در سه زاویهي 0، 5 و 10 درجه با امتداد جریان میباشد.
مکانیزم آبشستگی در اطراف پایههاي پل
براساس تحقیقات انجام شدهي قبلی، مکانیزم آبشستگی موضعی در اطراف پایهي پل بسیار پیچیده میباشد [6] و .[7] این تحقیقات نشان میدهند که سیستم گردابی پیچیدهاي در اطراف پایه بوجود میآید که باعث ایجاد حفره در اطراف پایهها میشود. برخورد جریان به پایه و جدا شدن آن از پایهي پل، از عوامل مهم در بوجود آمدن سیستم گردابی فوق میباشند. برخورد جریان به پایه، جریان رو به پایین و آن هم گرداب نعل اسبی7 را شکل میدهد که عامل اصلی فرسایش بستر رودخانه در اطراف پایه میباشد.
هنگامیکه جریان از کناره هاي پایهي پل عبور می-کند، در طول جداره از پایه جدا شده و در پشت پایه گردابهاي برخاستگی8 را بوجود میآورد. محور این گردابها عمود بر بستر رودخانه بوده و جهت آنها به سمت داخل و در دو طرف خلاف جهت یکدیگر میباشند. این گردابها با محوري عمودي و مرکزي کم فشار، ذرات بستر را به سمت بالا مکیده و در معرض جریان قرار میدهند .[7] بدین ترتیب گردابهاي برخاستگی باعث ایجاد حفره در پایین دست پایه میشوند - شکل . - 3
الگوي جریان در اطراف پایهي مستطیلی در مقایسه با پایهي دایرهاي اندکی متفاوت میباشد. در این مورد نیز گردابهاي نعل اسبی و گردابهاي برخاستگی دو عامل فرسایش بستر در اطراف پایه میباشند و در صورتیکه پایه طوري نصب شود که محور طولی پایه با راستاي عمومی جریان زاویه نداشته باشد، گرداب نعل اسبی مانند پایهي دایرهاي تشکیل میشود. همچنین جریان از پایه جدا شده و باعث تشکیل گردابهاي برخاستگی میشود. محل جدایی جریان در طول پایه و تشکیل گرداب هاي برخاستگی بستگی به عدد رینولدز9 جریان، شکل پیشانی پایه و نسبت طول به عرض پایه دارد.
الگوي جریان در اطراف یک پایه ي مستطیلی [8]
در صورتیکه محور طولی پایه مستطیلی با راستاي عمومی جریان زاویه داشته باشد، طول بیشتري از پایه در برابر جریان قرار گرفته و جریان با آن برخورد میکند و در نتیجه عملکرد گرداب نعل اسبی در سمتی از پایه که در تماس مستقیم با جریان است - سمت پرفشار - قويتر میباشد. از طرفی عملکرد گردابهاي برخاستگی کنار دیوارهي طولی پایه با افزایش زاویهي محور طولی پایه با راستاي عمومی جریان در سمتی از دیوارهي پایه که در تماس مستقیم با جریان نیست - سمت کم فشار - ، نسبت به حالت بدون زاویه قويتر میشود. افزایش زاویهي محور طولی پایه با راستاي عمومی جریان، باعث افزایش سطح برخورد جریان در یک طرف پایه شده و آبشستگی بیشتري در این سمت مشاهده می-گردد .[9] این اختلاف در مجموع عدم تقارن در حفرهي آبشستگی را بوجود میآورد.
بررسی منابع
تکنیک استفاده از صفحات مستغرق در اوایل دههي هشتاد میلادي توسط ادگارد و کندي در انیستیتوي هیدرولیک دانشگاه آیووا10 به منظور حفاظت سواحل خارجی پیچ رودخانه استفاده شد.[10] بارکدل نیز با مدل کردن یک آبگیر به بررسی آزمایشگاهی استفاده از صفحات مستغرق در جلوگیري از ورود رسوبات پرداخت، نتایج آزمایشات او نشان داد که نصب صفحات در قسمت جلو آبگیر میزان رسوبات وارده به آبگیر را 70 تا 80 درصد کاهش داد.
[11] لاچلان به بررسی اثر صفحات مستغرق در کاهش آبشستگی پایهي پل استوانهاي در هر دو حالت جریان آب زلال و بستر زنده پرداخت. او از دو سري صفحات مستغرق متفاوت استفاده کرد. صفحات مستغرق نوع I که نسبت طول صفحه در امتداد جریان به ارتفاع آن کمتر از یک بود و صفحات مستغرق نوع II که همانند صفحات مستغرق آیوا نسبت طول صفحه در امتداد جریان به ارتفاع آن بزرگتر از یک بود .[12] جانسون و همکاران تاثیر صفحات مستغرق را در جلوگیري از آبشستگی پایههاي کناري پلها از طریق مدل آزمایشگاهی بررسی کردند.
آنها مشاهده کردند که این صفحات سرعت جریان و تنش برشی را در ساحل کاهش داده و سرعت جریان را در مرکز کانال افزایش میدهند .[13] صمیمی بهبهان نیز اثر شکل متفاوت صفحات را بر روي آبشستگی پلها بررسی کرد. او عملکرد صفحات مستغرق را که نیمه اول آنها با جریان زاویهي10 درجه و نیمهي دوم آنها با جریان زاویهي 30 درجه میسازد را در کاهش آبشستگی پایهي پلها بررسی کرد .[14] قربانی و کلز نیز تاثیر صفحات مستغرق منفرد و دوبل را در کاهش آبشستگی پایههاي پل از طریق مطالعهي آزمایشگاهی بررسی کردند، آنها نتیجه گرفتند که استفاده از دو صفحهي مستغرق نسبت به یک صفحه در کاهش عمق آبشستگی موثرتر است .[15]
