بخشی از مقاله
خلاصه
بسیاري از تغییرات مورفولوژیک در طول مسیر رودخانه، سبب ایجاد مشکلاتی از قبیل تخریب سازههاي موجود در مسیر رودخانه مانند پلها میباشند. پلها به عنوان شریان ارتباطی برروي رودخانهها، به صورت مانع عمل کرده و باعث تغییرات هیدرولیکی- رسوبی در وضعیت رودخانه میشوند. عوامل مختلفی از قیبل ظرفیت گذر سیلاب از پل، پایداري بازه رودخانه در محل احداث سازه، شکل هندسی و موقعیت پایه نسبت به امتداد جریان و همچنین تعداد و فواصل پایهها و میزان تنگ شدگی، در تغییر وضعیت جریان رودخانه و تبعات ناشی از آن موثر میباشند. در مطالعه حاضر با استفاده از مدل ریاضی یک بعدي HEC -RAS 4.1، تاثیر دو پل احداث شده برروي رودخانه پلرود واقع در استان گیلان بر شرایط مورفولوژي مورد بررسی قرار گرفت.
با انجام عملیات میدانی، اطلاعات مربوط به ابعاد پایهها و پلها و شکل مقاطع، شیب طولی، دانه بندي بستر، ضرایب زبري بستر و دیوارههاي رودخانه تهیه شد. دو هیدروگراف با دوره بازگشت 25 ساله و 100 ساله براي شبیه سازي جریان بکار گرفته شد. نتایج نشان دهندهي افزایش فرسایش در مقطع ورودي پل قدیم به علت اثر موضعی پل وکاهش سطح مقطع و افزایش رسوبگذاري بعد از مقطع پل میباشد و در پل آزاد راه بهعلت کاهش موثر ابعاد پایه پل و همچنین کاهش موضعی شیب کف رودخانه در محل احداث، فرسایش جزیی در اطراف پایهها مشاهده شد.
کلمات کلیدي: پایه پل، HEC-RAS، رسوبگذاري، فرسایش، رودخانه پلرود
1. مقدمه
مطالعات مهندسی رودخانه به منظور استفاده بهینه و حفاظت منابع طبیعی درتامین نیازهاي بشري، اهمیت بالایی برخوردار میباشد. احداث سازههایی نظیر پلها و دریچهها و سرریزها باعث کنده شدن مواد بستر توسط جریان آب و سپس حمل می گردد که نتیجه ي آن به هم خوردن وضعیت ریختاري رودخانه و ایجاد حفره ي آبشستگی در اطراف سازه خواهد شد. فرسایش هاي موضعی که توسط جریانهاي نزدیک سازههاي هیدرولیکی ایجاد میشوند، باعث بوجود آمدن نگرانی گستردهاي به علت تخریب این بناها شده اند. شناخت رفتار رودخانه و انجام فعالیت هاي سازگار با طبیعت رودخانه و اقدامات مهندسی، به دلیل اهمیت زیادي که تغییرات مورفولوژي رودخانه در طرحهاي ساماندهی، کنترل سیلاب و طراحی سازههاي هیدرولیکی دارد، ضروري می باشد.
تحقیق در این زمینه می تواند از طریق مدل ریاضی، فیزیکی یا هر دو انجام گردد. مدل هاي ریاضی به نسبت مدلهاي فیزیکی با صرف وقت و هزینه کمتر بصورت عمومی تر بوده و اخیرا در حال توسعه میباشند. مدلهاي ریاضی در مقایسه با مدلهاي فیزیکی با محدودیت مقیاس مواجه نیستند و توانایی مدل کردن ابعاد واقعی مدل را دارند، از این رو ابزار مناسب تري می باشند .[1]تاکنون مدل ریاضی یک بعديHEC-RAS به منظورهاي مختلفی از جمله مدلسازي هیدرولیکی سازهها مورد استفاده قرار گرفته است. گیبسون و همکاران - 2006 - قابلیت این مدل را براي محاسبات انتقال رسوب رودخانه مورد بررسی قرار دادند .[2]
در زمینه شبیهسازي مطالعات رسوب در رودخانهها در دنیا و در ایران تاکنون مطالعات مختلفی انجام گرفته که در ادامه به برخی از آنها اشاره گردیده است. از جمله معماري و حبیب نژاد روشن - 1385 - در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدند که برداشت بی رویه شن و ماسه از رودخانه پیامدهاي منفی بر مورفولوژي رودخانه دارد که مهمترین آنها فرسایش و گود افتادگی بستر، ناپایدار و ریزش کناره ها و تغییر راستاي رودخانه می باشد .[3] روزخش وهمکاران - 1385 - در مطالعهاي که بر رودخانه کن انجام دادند نتیجه گرفتند، برداشت بی رویه شن و ماسه از بستر رودخانه، باعث ریزش سواحل ایجاد بهم ریختگی در رسوبات بستر، تغییر سطح مقطع جریان، تخریب زون هاي حاشیه اي، از بین رفتن پوشش گیاهی، تغییر تراوائی موضعی گردیده است .[4]
حقیابی و زارع دهدشت - 1390 - در تحقیق خود بر روي رودخانه کارون بیان کردند که آرایش ذرات درشت دانه ماسه و شن به علت رسوبگذاري و کمبود لایروبی منظم رودخانه مانع تثبیت بستر تندرو شده است و باعث ایجاد مشکلات فراوان از جمله کاهش ظرفیت دبی عبوري سیلاب، کاهش کیفیت آب و آسیب رساندن به سیماي شهر اهواز می شود .[5]در پژوهش حاضر با استفاده از مدل ریاضی یک بعديHEC-RAS4.1، میزان رسوبگذاري و فرسایش در دو مقطع قبل و بعد پل قدیم و پل آزادراه واقع در حوضه رودخانه پلرود در استان گیلان شبیه سازي گردید.
2. معرفی نرم افزار HEC-RAS 4.1
سیستم تحلیل رودخانه انجمن مهندسین ارتش آمریکا - HEC-RAS - نرمافزاري است که به کاربر امکان انجام محاسبات هیدرولیک رودخانه را در حالت جریان ماندگار و غیرماندگار می دهد. سیستم HEC-RAS شامل سه مولفه تحلیل هیدورلیکی یک بعدي براي محاسبات پروفیل سطح آب در حالت ماندگار؛ سه مولفه تحلیل هیدرولیکی یک بعدي براي محاسبات پروفیل سطح آب در حالت جریان ماندگار؛ شبیه سازي جریان غیرماندگار و محاسبات انتقال رسوب در مرز متحرك می باشد. این سه مولفه از نمایش داده هاي هندسی مشترك و از روند محاسبات هندسی و هیدرولیکی یکسان استفاده می کنند - جبلی فرد و همکاران ،.[6] - 1387 براي حل جریان در حالت غیر ماندگار از معادلات پیوستگی و مومنتوم معروف به سنت ونانت استفاده می نماید. براي حل معادلات سنت ونانت از روش ضمنی چهار نقطه اي و تکنیکLocal Partial Inertia Technique, LPI استفاده می کند .[7]
دانشمندان زیادي از جمله ایکرز و وایت، مایر-پیتر-مولر، توفالتی، یانگ، هانسن و انگلند وکلبی و کالینسک و انیشتین، لارسن براي محاسبه حمل رسوب روابط متفاوتی ارائه کردند. در پژوهش حاضر بر روي حوضه رودخانه پلرود، پس از بررسی هاي صورت گرفته و مشاهدات میدانی و مقایسه نتایج با شرایط واقعی منطقه مورد مطالعه، از رابطه یانگ براي انجام فرآیند حمل رسوب استفاده شد. یانگ اظهار میدارد که در جریان ماندگار یکنواخت، تغییر انرژي جنبشی وجود ندارد و میزان استهلاك انرژي پتانسیل میباشد. این میزان تغییر انرژي در واحد وزن آب در طول x برابرست با :[8]
در این رابطه حاصل ضرب سرعت در شیب کانال را قدرت یکه جریان١می نامند. از آنجا که رسوب صرفا بخاطر شرایط جریانهاي درهم منتقل می-شود، میزان کل رسوب باید به قدرت یکه جریان وابسته باشد. یانگ و مولیناس٢ - 1982 - با استفاده از اصول اولیه حاکم بر جریان درهم نشان دادند که رابطه زیر باید بین میزان کل رسوب و قدرت یکه جریان برقرار باشد:که درآن N و M پارامترهاي بی بعد هستند که به خصوصیات جریان و رسوب بستگی دارند. s عبارت است از سرعت سقوط ذرات رسوب که از طریق آزمایشگاه و براساس رگراسیون بدست آمده و در نتیجه یانگ - 1973 - رابطه اي براي رودخانه با مواد بستر ماسه اي - - DS 2mm به صورت زیر ارائه نمود. - به نقل از - Change, 1988
که در آن CT عبارت است ازکل رسوب منتقل شده بر حسب قسمت در میلیون - وزنی - . در سال 1984، یانگ رابطه دیگري را براي رودخانهها با بستر شنی - 2mm DS 10mm - به صورت زیر ارائه کرد. - به نقل از - Chang,1988در روابط فوق VCسرعت متوسط جریان در آستانه حرکت و یا سرعت بحرانی است. در جدول 1 پارامترهاي ورودي براي محاسبه بار رسوب در نرم افزار HEC-RAS ارائه شده است.[6] در جدول فوق پارامترهاي= dmقطر متوسط ذرات - mm - ، =dدامنه قطر ذرات - - mm، =s وزن مخصوص ذرات رسوبی، =vسرعت متوسط آب در کانال - fps - ، =Dعمق کانال - - ft، =Sشیب خط انرژي، =wعرض کانال - - ft، =Tدرجه دماي آب - - F، =Rشعاع هیدرولیکی - - ft، =NAدادههاي غیر قابل دسترس می باشد.
3.منطقه مورد مطالعه - رودخانه پلرود -
محدوده مورد مطالعه در شمال ایران و در محدوده جغرافیایی 36درجه و 30 دقیقه تا 37 درجه و05دقیقه عرض شمالی و 49درجه و 45دقیقه تا50 درجه و 35 دقیقه طول شمالی قرار دارد. این محدوده در شرق استان گیلان واقع بوده و از جنوب به دامنه هاي شمالی رشته کوه البرز و از شمال به دریاي خزر محدود می شود.رودخانه پلرود پس از سفیدرود یکی از پرآبترین رودخانههاي استان گیلان بوده و در محدوده شهرستان کلاچاي قرار دارد. پلرود رودخانه-اي نسبتاً بزرگ است که آبهاي قسمت وسیعی از دامنه هاي شمالی ارتفاعات البرز مرکزي که شامل ارتفاعات جنوب و غرب دیلمان نیز میشود را جمعآوري کرده و به دریاي خزر می رسد. این رودخانه داراي رژیم برفی-بارانی بوده و دوران پرآبی آن در بهار و پاییز است.
سرشاخه هاي این رودخانه از کوههاي سراش و خشخال واقع در 50 کیلومتري شمال شرق قزوین سرچشمه می گیرد. این سر شاخه ها در جهت شمال غرب جریان یافته و در روستاي وفی بهم می پیوندند. این رودخانه پس از دریافت جریان سطحی شاخه گلرود از دامنه هاي جنوب کوه سماموس گذشته و پس از دریافت جریان سطحی چند شاخه دیگر از دره هاي اطراف وارد منطقه آغورین میشود. در این منطقه یکی از شاخههاي مهم که در حقیقت شاخهي غربی رودخانه پلرود است که به آن ملحق می شود. این شاخه که چاکرود نامیده می شود از چندین سرشاخه کوچک و بزرگ تشکیل شده و جریان سطحی نواحی جنوب وشرق منطقه دیلمان را با خود همراه دارد. بررسی هاي میدانی انجام شده در حوضه رودخانه پلرود نشان میدهد، دو پل شریانی بر روي بستر رودخانه احداث شده است. پل اول در واقع پل قدیم کلاچاي بوده که داراي60 متر طول، عرض رودخانه در محل پل 60/3 متر، عرض پل 8/3 متر، ارتفاع پل از سطح آب 4/54 متر، ارتفاع دال 1/46 متر، ضخامت پایه پل برابر2 متر، اندازه دهانه هاي اول و دوم از ساحل چپ برابر 24/5 و 25/5
