بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روشهاي کنترل آبشستگی در اطراف پایهي پلها استفاده از طوق میباشد. طوق صفحهي نازکی است که در ترازهاي مختلف به صورت عمود بر پایه قرار گرفته و مانع از برخورد مستقیم جریان پایینرونده با بستر شده و بدین ترتیب روند توسعهي حفره در اطراف پایه را به تاخیر می- اندازد. در این تحقیق توسعهي زمانی آبشستگی در اطراف پایهي مستطیلی با دماغهي گرد در سه زاویهي 0، 5 و 10 درجه با جهت جریان همراه با طوق بررسی شد.
نتایج آزمایشات نشان داد که با افزایش زاویهي پایه بر شدت گردابها در اطراف پایه افزوده شده و عمق آبشستگی در مدت زمان کمتري به تعادل میرسد. استفاده از طوق نیز شروع آبشستگی را در قسمت جلو پایه به تاخیر انداخته، بهطوريکه براي پایهي 0، 5 و 10 درجه با جهت جریان همراه با طوق در مقایسه با پایهي بدون حمایت، به ترتیب بعد از 145، 59 و 40 دقیقه به قسمت جلو پایه رسید. علاوه بر این استفاده از طوق عمق حفرهي آبشستگی را در قسمت جلو پایه، براي پایهي 0، 5 و 10 درجه به ترتیب 20/25، 13/25 و 3/33 درصد کاهش داد.
-1 مقدمه
پلها در برقراي راههاي ارتباطی از اهمیت ویژهاي برخوردار هستند. همه ساله پلهاي زیادي در سراسر جهان بر اثر پدیدهي آبشستگی1 تخریب میشوند - جانسون و داك، . - 1998 خرابی پلها خسارات زیادي را به دنبال دارد به همین دلیل در مرحلهي طراحی پلها مطالعه در زمینهي کنترل این پدیده از اهمیت ویژهاي برخوردار است. آبشستگی پایه، به فرسایش بستر در اطراف پایه در اثر سیستم گردابهاي پیچیدهي ایجاد شده گفته میشود. این سیستم شامل گردابهاي نعل اسبی ناشی از جریان پایین رونده در سطح بالادست پایه و گردابهاي شیاري ایجاد شده در طرفین پایه می- باشد - بروسرز و رادکیوي، . - 1991 آبشستگی به دو دستهي آب زلال2 و بستر فعال3 تقسیم بندي میشود.
در شرایط آب زلال در ابتدا توسعهي فرآیند آبشستگی سریع بوده و با عمیقتر شدن حفره روند توسعهي آن کند میشود. با توجه به اینکه در شرایط آب زلال ماکزیمم عمق حفرهي آبشستگی در نهایت به سمت یک مقدار مشخص میل میکند باید یک زمان تعادل برا ي آن تعریف نمود. در شرایط بستر فعال عمق آبشستگی کاهش یافته و با عبور فرمهاي بستر نوسان خواهد داشت - رادکیوي، - 1998 - شکل . - 1 میتوان نتیجه گرفت که در شرایط بستر فعال عمق آبشستگی به سرعت به مقدار نهایی خود رسیده در حالیکه در شرایط آب زلال، عمق آبشستگی بعد از مدت زمان زیادي به ماکزیمم مقدار خود میرسد - ملویل و کلمن، . - 200
روشهاي مختلفی براي کنترل آبشستگی ارائه شده است که به دو دستهي مستقیم و غیر مستقیم تقسیم میشوند. یکی از روشهاي غیر مستقیم نصب طوق در اطراف پایه میباشد. طوق در واقع جریان پایین رونده را کنترل نموده و از تماس مسقیم جریان با بستر جلوگیري میکند بدین ترتیب تنش برشی در اطراف پایه کاهش یافته و روند توسعهي حفره به تاخیر میافتد که در نهایت کاهش آبشستگی را به دنبال خواهد داشت. مطالعات متعددي توسط محققین به منظور بررسی تاثیر طوق در کاهش آبشستگی انجام شده است. چیو - 1992 - تاثیر طوق و شکاف را در کاهش آبشستگی اطراف پایههاي پلها بررسی نمود.
او در نتایج خود عمق آبشستگی صفر را گزارش نمود و زمان تعادل آبشستگی را به صورت زمانی تعریف کرد که در آن تغییر عمق آبشستگی در 8 ساعت انتهاي آزمایش کمتر از %2 عرض پایه باشد.کومار و همکاران - 1999 - به مطالعهي تاثیر طوق در کاهش آبشستگی اطراف پایههاي استوانهاي پرداختند. نتایج آنها نشان داد که براي یک طوق در روي بستر و با عرض موثر 4 برابر عرض پایه، عمق آبشستگی در جلو و طرفین پایه برابر صفر بوده اما یک حفرهي بزرگ در پشت پایه تشکیل میشود.
زراتی و همکاران - 2006 - کاهش آبشستگی را در اطراف گروه پایهها با استفاده از طوق و سنگ چین بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که براي دو پایه در یک خط ترکیب طوق پیوسته و سنگ چین عمق آبشستگی را در قسمت جلو و پشت پایه در حدود 50 و 60 درصد کاهش میدهد. براي دو پایه در یک خط نیز طوق مستقل راندمان بهتري را نسبت به طوق پیوسته نشان داد. در این تحقیق هدف بررسی توسعهي زمانی آبشستگی در اطراف پایههاي مستطیلی با دماغهي گرد در سه زاویهي 0، 5 و 10 درجه با جهت جریان همراه با طوق میباشد.
-2 مواد و روشها
آزمایشات در یک کانال مستطیلی فلزي- شیشهاي به طول 6 متر، عرض 80 سانتیمتر و ارتفاع 50 سانتیمتر انجام شد. شیب کانال آزمایشگاهی قابل تغییر بوده و براي انجام آزمایشات در روي شیب صفر تنظیم شد. کانال در قسمت ابتدایی و انتهایی داراي مخزن است که در مخزن انتهایی یک سرریز مستطیلی تعبیه شده است و براي اندازه گیري دبی از آن استفاده میشود. آب مورد نیاز کانال بوسیله ي یک پمپ با قدرت 100 اسب بخار از مخزن اصلی به کانال منتقل میشود و توسط یک دریچهي کشویی در انتهاي کانال عمق آب در کانال تنظیم میشود.
شکل - 2 کانال آزمایشگاه هیدرولیک
آزمایشات در دو سري پایهي بدون حمایت و پایه همراه با طوق انجام شدند. آزمایشات پایهي بدون حمایت با علامت اختصاري P نشان داده شده اند که اندیس آن نشان دهندهي زاویهي پایه با امتداد جریان است. آزمایشات پایهي همراه با طوق با علامت اختصاري PC نشان داده شدهاند. در آزمایشات از معیار چیو - 1992 - براي تعیین زمان تعادل آبشستگی استفاده شد که طبق آن زمان تعادل زمانی است که در آن تغییر در عمق آبشستگی در 8 ساعت انتهاي آزمایش کمتر از %2 عرض پایه 1 - میلیمتر - باشد.
در این تحقیق سه آزمایش بلند مدت انجام شد که براي مثال زمان تعادل براي پایهي همراستا با جهت جریان 3000 دقیقه 50 - ساعت - بود که در حدود 80 درصد آبشستگی در 6 ساعت اول و 90 درصد آبشستگی پس از حدود 10 ساعت از شروع آزمایش اتفاق افتاد، به منظور اطمینان مدت زمان هر آزمایش 12 ساعت در نظر گرفته شد. در آزمایشات با طوق نیز پس از رسیدن حفرهي آبشستگی به قسمت جلو پایه 12 ساعت در نظر گرفته شد.
-3 نتایج و بحث
آزمایشهاي مربوط به پایهي بدون حمایت در شروع کار، آزمایش با پایهي بدون حمایت و در زوایاي صفر، 5 و 10 درجه با امتداد جریان به منظور تعیین حداکثر عمق آبشستگی انجام شد. با شروع آزمایش جابهجایی رسوبات ابتدا در قسمت جلوي پایه و در یک ناحیه با زاویهي 45 درجه نسبت به محور پایه دیده میشود. همزمان با جابهجایی رسوبات در این منطقه در قسمت انتهایی پایه نیز گرداب هاي برخاستگی شروع به فعالیت کرده که سبب کنده شدن رسوبات ازاین قسمت و جابهجایی آنها به سمت پایین دست میشود. با گذشت زمان ناحیهي شسته شده در قسمت جلو پایه توسعه یافته و شکل یک نیم دایره به خود میگیرد.
رسوبات جابهجا شده از این منطقه به طرفین دیوارهي طولی حرکت کرده و در میانهي انتهایی پایه جمع شده و تشکیل یک تل کوچک را در این منطقه میدهند. ادامهي این فرآیند منجر به افزایش ارتفاع رسوبات در طرفین پایه و قسمت پشت پایه شده و سبب میشود سطح رسوبات بالاتر از تراز بستر قرار گیرد. با توسعهي حفره در قسمت جلو پایه گرداب نعل اسبی در جلو پایه شروع به فعالیت کرده که با گذشت زمان بر قدرت آن افزوده میشود. بنابراین میزان انتقال رسوب از قسمت جلو پایه افزایش مییابدکه نتیجهي آن ریزش دیوارهي حفرهي آبشستگی و توسعهي آن است.
پس از مدتی از شروع آزمایش فرآیند آبشستگی به طرفین پایه کشیده شده و عمق آبشستگی در طرفین پایه به خوبی نمایان میشود. با ادامهي این روند از ارتفاع رسوبات انباشته شده در طرفین پایه کاسته شده، سطح رسوبات پایینتر از تراز بستر قرار میگیرد. تغییرات زمانی عمق آبشستگی در ابتدا زیاد بوده و رفته رفته با گذشت زمان کم میشود. نکتهاي که در مورد پایهي همراستا با جریان باید به آن اشاره کرد این است که در این حالت شکل حفرهي آبشستگی در اطراف پایه متقارن بوده و میزان توسعهي حفره در دو طرف پایه یکسان است. همچنین گردابهاي برخاستگی در انتهاي پایه نیز در دو طرف انتهاي پایه متقارن هستند.
