بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از آبشکنها در تثبیت کناره رودخانه های فرسایش پذیر و ایجاد مسیر مناسب برای هدایت جریان کاربرد فراوانی دارد. فرسایش و رسوبگذاری اطراف آبشکن تابع عوامل مختلفی مانند نوع آبشکن، الگوی جریان اطراف آن، شکل هندسی، میزان حمل رسوب توسط آب و...میباشد. در این بررسی آبشکن L شکل نفوذ ناپذیر، به صورت غیر مستغرق در زوایای 30، 45، 60، 75و 90 درجه از قوس رودخانه قرار داده شد و به منظور شبیه سازی الگو و تلاطم جریان اطراف آبشکن، از مدل
آشفتگی دو معادله ای K استفاده شد. نتایج نشان داد که محل تشکیل گردابه های فرسایش دهنده، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین فرسایش آبی در دماغه آبشکن است و با تغییر موقعیت آبشکن در جهت جریان در زوایای مختلف قوس، در زاویه 75 درجه و 90 درجه به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را دارد.
-1 مقدمه
ساماندهی سواحل رودخانهها یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه است. ساماندهی رودخانه به مجموعه اقداماتی گفته می شود که برای مهار و تثبیت یک رودخانه در یک مسیر مورد نظر و مناسب انجام میشود و هدایت جریان در مسیر مشخص و مطلوب را تأمین مینماید. فرسایش ساحل رودخانهها در قوس خارجی رودخانه ها موجب ایجاد خسارت فراوان به اراضی و تاسیسات ساحلی میشود.
آبشکن سازه هیدرولیکی سادهای است که برای ساماندهی رودخانهها در قوس یا مسیر مستقیم استفاده میشود. سابقه کاربرد آبشکن در اصلاح مسیر رودخانه ها، در تثبیت و حفاظت دیواره ها و نیز در توسعه قابلیت ترابری رودخانه ها به قرن 19 بر می گردد. رودخانه راین در گستره اروپای غربی، رودخانه زرد در چین و رودخانه می سی سی پی در آمریکا نمونه های بارز تجربیات طراحی، ساخت و ارزیابی انواع آبشکن های رودخانه ای هستند. برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت آبشکن نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن بوده تا با توجه به آن، روش مناسب برای تخمین عمق فرسایش، مشخص شود.
با وجود مطالعات انجام شده جهت درک هیدرولیک جریان در قوس رودخانه، مطالعه جریان های ثانویه، سرعت های طولی و عرضی، قدرت جریان ثانویه و آشفتگی جریان و پیچیدگی آن، تاکنون کمتر مطالعه ای بر روی الگوی جریان و آبشستگی در اطراف آبشکن سرکج L - شکل - در قوس رودخانه صورت گرفته است. لذا در این مقاله به بررسی ریاضی اثر زاویه قرارگیری آبشکن L شکل برالگوی جریان و فرسایش، با منظور کردن سه دبی مختلف پرداخته شد.
مدلهای عددی - - CFD بر اساس ابعاد واقعی عمل نموده و از شرایط خاص جهت تعیین سرعت جریان آشفته و آبشستگی بستر استفاده مینمایند. در این مقاله از نرم افزار Flow-3D که نرم افزاری سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازی به صورت دو بعدی و سه بعدی است، استفاده شد. تا کنون تحقیقات زیادی در زمینه الگوی جریان و آبشستگی در قوس رودخانه و اطراف آبشکنها انجام شده است که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می شود.
- ین، - 1998، توزیع سرعت در قوس منظم و با مقطع ذوزنقهای را مورد بررسی قرار داد. مشاهدات ایشان نشان میدهد که حداکثر سرعت با توجه به مشخصههای مدل فیزیکی آنها در کنار دیواره داخلی ورودی رخ میدهد و سپس توزیع سرعت در عمق به سمت یکنواخت شدن میل میکند و در زاویه 60 درجه سرعت حداکثر به طرف قوس خارجی حرکت میکند. - مسجدی و همکاران، - 1386
تاثیر موقعیت قرارگیری آبشکن بر میزان آبشستگی دماغه در موقعیت های مختلف قرارگیری در قوس 180رودخانه را مورد بررسی قرار دادند و نتایج این آزمایش نشان داد که کمترین میزان آبشستگی دماغه و همینطور حداقل چاله آبشستگی در موقعیت 30 درجه بوجود می آید. - شاهرخی، - 1387، با استفاده از نرم افزار Flow-3D مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن تخت را تهیه و با اعمال مدلهای مختلف آشفتگی، به تاثیر این مدل ها بر طول منطقه جداشدگی در پشت یک آبشکن ارائه پرداخت. نتایج نشان میدهد که هر چه طول آبشکن بیشتر باشد، طول منطقه جداشدگی - چرخش - در پشت آبشکن، بزرگتر است.
- قدسیان و همکاران، - 1387، با انجام یک سری آزمایشات به بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی، پیرامون آبشکن T شکل در قوس 90 درجه پرداختند. نتایج ایشان نشان میدهد که محدوده سرعتهای ماکزیمم تا زاویه 45 درجه در نزدیکی دیواره داخلی قرار دارد و از 45 درجه به بعد به طرف میانه کانال منحرف میشود. - ژانگ و همکاران، - 2009، جریان متلاطم و الگوی جریان را اطراف آبشکن تخت نفوذناپذیر با استفاده از روش آزمایشگاهی و روش عددی در شرایط آب زلال بررسی نمود.
نتایج ایشان نشان داد که مدل آشفتگی K برای شبیهسازی جریانهای متلاطم مناسب است و همچنین جریان نزدیک سطح آب در مجاورت دیواره کانال تشکیل گردابه میدهد و در آنجا باقی میماند، در حالی که باقی جریان با سرعت زیاد به سمت دماغه آبشکن منحرف و به پایین دست منتقل میشود. همچنین جریان میانی به صورت گردابه نعلی شکل به سمت بستر کانال حرکت میکند. - اکبری و همکاران، - 1389
با انجام مطالعه آزمایشگاهی، تاثیر آبشکن L شکل بر میزان آبشستگی پیرامون آن در قوس180درجه با - قوس ملایم - را مورد بررسی قرار دادند و با تغییر اندازه جان، اعداد فرود و زاویه آبشکن، اثر آن را بر روی میزان عمق آبشستگی مورد بررسی قرار دادند. ایشان در این بررسی با قرار دادن آبشکن منفرد L شکل - سرکج - در چهار موقعیت با زوایای30، 45، 60و 75 درجه نسبت به جهت جریان در قوس 180 درجه، پدیده آبشستگی حول آبشکن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان داد که میزان حداکثر آبشستگی در زوایه 75 درجه و کمترین عمق آبشستگی در زوایه 30 درجه رخ داد و در زوایای مختلف با افزایش عددفرود، عمق آبشستگی نیز افزایش می یابد.
-2 تئوری تحقیق
رودخانههای مئاندری طبیعی را میتوان به عنوان یکی از مواردی دانست، که جریان آب بسیار پیچیده در آن برقرار است. این پیچیدگی نه فقط به خاطر آشفتگی و طبیعت سه بعدی آن، بلکه به خاطر توپوگرافی و تغییرات عمق آن است. خطوط جریان در چنین میدانی نه تنها خطوط منحنی موازی هم نیستند، بلکه این خطوط را میتوان در هم تنیده انگاشت. در میان رودخانههای کشور رودخانه کارون رودخانهای است که دارای مئاندرهای زیاد در طول خود است. که این قوسها عمدتاً از نوع 180درجه - ملایم - هستند. با ورود جریان به قوس نیروی گریز از مرکز بر آن اثر میکند. که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر است.
نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب میشود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق میشود. این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی، داخل مقطع شکل میگیرد که به جریان ثانویه موسوم است. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات موجود در کف بطرف دیواره داخلی جابجا میشوند. در شکل - - 1 نمونه هایی از قوس های 180 درجه ملایم رودخانه کارون نشان داده شده است.
چنانچه مسیری از کانال یا رودخانه مورد مطالعه قرار بگیرد، در مییابیم که حتی در مسیر مستقیم، دو جریان عرضی مشاهده میشود. در سطح آب سرعت جریان در ناحیه وسط بیش از ناحیه ساحلی است و در نتیجه ذرات آب در ناحیه ساحلی تحت تأثیر ذرات در وسط قرار گرفته و به آن طرف کشیده میشوند ذرات تحتانی دارای حرکتی از وسط به طرف سواحل کناری هستند که این امر در کانالهای فرسایشی باعث فرسایش در کف و جمع شدن رسوبات در نزدیکی سواحل کناری میشود که در شکل - - 2 به صورت شماتیک نشان داده شده است.
در مئاندر رودخانه یا به عبارت دیگر در مواردی که رودخانه دارای گردش به راست یا چپ است، ذرات آب که دارای سرعت زیادی هستند، تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز قرار گرفته و به طرف ساحل بیرونی میشتابند. با توجه به اینکه شتاب گریز از مرکز با مجذور سرعت رابطه مستقیم دارد، این امر برای لایههای پایین آب بسیار کندتر انجام میشود. جریان عرضی در سطح آب با برخورد به ساحل به طرف پایین رفته و جریان عرضی تحتانی را به وجود میآورد. در رودخانهها و کانال های با بستر فرسایشی این عمل باعث فرسایش در ساحل بیرونی و انباشته شدن رسوبات در ساحل داخلی می شود.
شرایط جریان در محل قوس با دبی جریان رودخانه تغییرمیکند. لذا محلی که برای دبی جریان های عادی، قوس مناسبی است، احتمالاً در دبی جریان های زیاد، مناسب نباشد. اگر طرح از اهمیت ویژهای برخوردار است، استفاده از مدل فیزیکی و ریاضی ضروری خواهد بود. گاهی اوقات، حرکت قوس رودخانه به طرف پایین دست ممکن است روی محل قرارگیری آبشکن تأثیر بگذارد. اگر شعاع قوس رودخانه کمتر از 3 تا 4 برابر سطح آب در دبی جریان متوسط رودخانه باشد، امکان شکل گیری جریانهای گردابی - Vortex - در محل قوس بیرونی رودخانه وجود دارد.
تثبیت رودخانهها در روش غیرمستقیم توسط احداث سازههای عرضی یا آبشکن که اپی هم نامیده میشود، در طول ساحل فرسایش پذیر انجام میگیرد. در این روش یک سری آبشکن به طور متوالی و عمود بر مسیر جریان رودخانه ساخته میشوند. این آبشکنها از یک سمت به ساحل رودخانه متصل شده و تا مسافتی در داخل بستر رودخانه به جلو میآیند. آبشکن ها بسته به نوع مصالح به کار رفته در ساختمان به انواع مختلف سنگریزهای، گابیونی، شمع فلزی یا چوبی تقسیم میشوند.
سرعت آب هنگام برخورد با آبشکنها کم شده و جریان پس از چرخش به آبشکن بعدی برخورد میکند و بدینوسیله نیروی فرسایش آب مستهلک میشود. از طرفی به علت کم شدن سرعت آب، رسوبات حل شده توسط رودخانه بین هر جفت از آبشکن ها ته نشین شده و به مرور زمان فواصل بین آبشکنها با این رسوبات پر میشود. سازه آبشکن همزمان چندین هدف را در مبحث ساماندهی رودخانه تأمین مینماید که عبارتند از:
- هدایت خط القعر جریان در جهت مناسب
- جلوگیری از حمله جریان به دیواره ساحلی در محل قوسی خارجی رودخانه
- ایجاد یک جریان آرام به منظور رسوبگذاری در محدوده بین آبشکنها
- ایجاد یک ساحل جدید بعد از پر شدن محدوده بین آبشکنها به وسیله رسوب
- ایجاد عرض مناسب برای جریان و تثبیت راستای جدید رودخانه
- افزایش عمق جریان و مناسب کردن رودخانه برای اهداف کشتیرانی نقطه دقیق محل آبشکن در قوس بیرونی نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است. احداث محل آبشکن در هر نقطه از قوس بیرونی مناسب نیست. تعیین محل دقیق چنین نقطهای با استفاده از مدل های فیزیکی و ریاضی مقدور خواهد بود.
فرسایش رودخانهها و بالاخص فرسایش کناری آنها باعث کاهش ظرفیت سیلابی رودخانهها، کاهشعمق رودخانه، افزایش عرض رودخانه و در نهایت تخریب اراضی کشاورزی حاشیه رودخانهها، تخریب جاده ها و همچنین انتقال این رسوبات در پشت سدها باعث کاهش ظرفیت مخازن سدها و کاهش عمر آنها و همین طور وارد آوردن خسارات به تأسیسات از قبیل پمب و توربین میشوند، که این مشکلات باعث ایجاد خسارت بسیار و جبران ناپذیر میشود. از طرفی در صورتی که بتوانیم از فرسایش جلوگیری کنیم بطور اتوماتیک رسوبگذاری نیز در پایین دست نخواهیم داشت و از اثرات مضر آن در امان خواهیم بود. از عوامل اصلی فرسایش و تخریب دیواره ها جریان اصلی آب در مقطع اصلی و بستر کبیر رودخانه است.
