بخشی از مقاله
چکیده
پلها یکی از مهم ترین سازه ها در مهندسی رودخانه می باشند .یکی از مهمترین دلایل تخریب پلها، آبشستگی موضعی اطراف پایههای پل است. پلهای بسیاری در سراسر دنیا به دلیل آبشستگی خیلی زیاد در اطراف پایهها تخریب شده اند، که باعث از دست رفتن بسیاری از سرمایهگذاریها شده است. پس، این ضروری است که عمق آبشستگی در اطراف پایههای پل پیشبینی شود.
در این تحقیق از مدل عددی سه بعدی فلوئنت برای بررسی آبشستگی موضعی اطراف تکپایه استوانهای و پایه استوانهای همراه با سه شمع حفاظتی در شرایط آب زلال و بستر ماسهای یکنواخت استفاده گردید. در این مدل، جریان حاوی رسوب به صورت جریان دو فازی - آب - ماسه - در نظر گرفته شده و از مدل دو فازی اولرین استفاده گردید. برای تخمین پارامترهای آشفتگی جریان در فاز آب از مدل RNG K- استفاده شد.
به منظور ارزیابی و صحت سنجی مدل عددی، نتایج محاسباتی با داده های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. حداکثر عمق در پشت تکپایه در مدل عددی 3 سانتیمتر و در مدل آزمایشگاهی 3,4 سانتیمتر اندازهگیری شد. همچنین در پایه حفاظت شده عمق آبشستگی در مدل عددی و آزمایشگاهی به ترتیب -0,5 و -0,63 اندازهگیری شد. نتایج نشان دادند که مدل دوفازی میتواند پدیده آبشستگی را در اطراف پایهها شبیهسازی کند.
.1 مقدمه
پلها از جمله مهمترین و پرکاربردترین سازههای رودخانهای هستند و برای موارد مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند. آبشستگی موضعی در محل پایههای پل موجب آسیب به پلها و در موارد زیادی تخریب پل شده و منجر به خسارات مالی و جانی فراوانی میشود. عامل اصلی خرابی بسیاری از پلها قبل از پایان عمرشان، عدم توجه به معیارهای هیدرولیکی در طراحی، اجرا و نگهداری آنها میباشد.
لازمه طراحی صحیح پل و ابنیه مشابه، شناسایی و منظور نمودن کلیه عواملی است که ممکن است به صورت مسقیم یا غیر مستقیم در طول عمر مفید یک سازه باعث تخریب یا کاهش کارایی آن میگردد. پدیده آبشستگی اطراف پایه پلها از جمله عوامل مهمی است که تخریب کامل یا موضعی پلها در نقاط مختلف دنیا شده و ایران ما نیز از این موضوع مستثنی نیست
آبشستگی یعنی فرسایش بستر و کناره آبراهه بر اثر عبور جریان و تنزل سطح بستر نسبت به یک مبنا که موجب خرابی فوندانسیونهای سازههای آبی میشود. عمق ناشی از خوردگی بستر نسبت به یک مبنا و یا یک بستر اولیه را عمق آبشستگی میگویند
الگوی جریان در اطراف پایههای پل بسیار پیچیده بوده که این پیچیدگی با تشکیل حفره آبشستگی در اطراف پایه تشدید میشود. سامانههای گردابی پیچیدهای در اطراف پایه بهوجود میآید که عملکرد آنها موجب حفر گودالی در اطراف پایهها شده که حفره آبشستگی نامیده میشود. دو عامل مهم باعث ایجاد چنین سامانههایی میشود. یکی برخورد جریان به پایه و دیگری جدا شدن جریان از پایه پل میباشد.
الگوی جریانی که در اطراف پایه پل شکل میگیرد، به طور مستقیم یا غیر مستقیم با یکی از این دو عامل در ارتباط می-باشد. برخورد جریان به پایه، گرداب نعل اسبی را شکل داده و جدایی جریان از پایه، باعث بهوجود آمدن گردابهایی که به گردابهای برخاستگی موسومند، میشود
انواع روشهای کنترل آبشستگی در دو فاز، مقابله با فرسایش و کاهش تاثیر نیروهای فرساینده انجام میشود .در روش اول با تقویت مصالح اطراف بستر مانند انواع سنگچینها یا سنگریزهای حفاظتی، مقاومت بستر در برابر تنشهای وارد شده افزایش داده میشود .در روش دیگر با استفاده از شمعهای حفاظتی - پایههای قربانی شونده - ، صفحات مستغرق، آستانه، طوق و ایجاد شکاف با تغییر الگوی جریان در اطراف پایه در جهت کاهش اثر عوامل فرسایشدهنده مانند جریانهای ثانویه و گردابهای نعل اسبی تلاش میشود
باتوجه به مسائل فوقالذکر آبشستگی موضعی اطراف پایه پلها، یکی از مهمترین عواملی است که موجب تخریب پلها میشود، که عدم توجه به آن موجب ایجاد خسارات مالی و جانی فراوانی میشود. از این رو استفاده از روشهایی برای حفاظت پایه پلها از آبشستگی موضعی ضروری است. به همین دلیل تحقیقات زیادی در مورد روشهای حفاظتی پایه پلها تاکنون ارائه شده است، که اکثر این تحقیقات با استفاده از دادههای آزمایشگاهی بدست آمدهاند. باتوجه به این که مطالعه آزمایشگاهی نیازمند صرف وقت و هزینه زیاد میباشد، مطالعه عددی این مسائل را با کمترین هزینه و با سرعت بیشتر شبیه-سازی میکند. لذا در این تحقیق سعی شده مطالعه عددی مطابق با شرایط آزمایشگاهی، انجام شود و نتایج بررسی شود.
.2 تئوری و پیشینه تحقیق
با قرارگرفتن شمعهای حفاظتی در مسیر جریان و در قسمت بالادست پایه اصلی، مسیر جریان به سمت پایه تا حدودی منحرف شده و در نتیجه توان جریان پایین رونده و قدرت جریان گردابی کاهش یافته و از عمق آبشستگی کاسته میشود . علاوه بر تغییر مسیر جریان توسط شمعهای حفاظتی، مواد بستر حاصل از فرسایش در فونداسیون این شمعها، در اطراف پایه اصلی جمع میگردد و به کاهش عمق آبشستگی کمک میکند .راندمان استفاده از شمعهای حفاظتی به عوامل متعددی از جمله تعداد، اندازه، آرایش هندسی شمعها و شرایط جریان - سرعت جریان آب، انحراف - چولگی - جریان نسبت به شمعهای حفاظتی - بستگی دارد.
از اولین مطالعات صورت گرفته در این خصوص میتوان به تحقیق چابرت و انگلدینجر - - 1956 اشاره نمود×؟در آن مطالعه، شمعهای حفاظتی با آرایش مثلثی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آن تحقیق نشان داد، با این روش امکان کاهش آبشستگی تا حدود 50 درصد قابل انتظار خواهد بود.
سینگ و همکاران - - 1995، با انجام آزمایشهایی با شمعهای محافظ نشان دادند، حداکثر حفاظت برای یک پایه استوانهای به قطر - - D، زمانی حاصل میشود، که یک شمع حفاظتی با همان قطر در فاصلهی - 2D - بالاتر از پایه نصب گردد.
با این شرایط حدود ×ًِدرصد آبشستگی را میتوان کاهش داد. هم چنین آنها به این نتیجه رسیدند که اگر قطر شمع حفاظتی به % 36 قطر پایه کاهش یابد، حداکثر مقدار آبشستگی ٍَ% خواهد بود.
هاکو و همکاران - 2007 - آرایش پایههای عمود بر مسیر جریان را مورد بررسی قرار دادند. هدف اصلی از قراردادن شمعهای حفاظتی در آن تحقیق، به تله انداختن رسوبات شسته شدهی این شمعها توسط پایه اصلی و جلوگیری از افزایش بیشتر عمق آبشستگی گزارش شده است؟ در تحقیق مذکور، چندین آرایش از شمعهای حفاظتی مورد بررسی قرارگرفت. در نهایت نتیجه گرفتند، راندمان بیشینه زمانی رخ میدهد که×َ شمع با قطرًٍ % عرض پایه اصلی در فاصله×ٍ برابر عرض پایه اصلی قرار گیرند. در این وضعیت راندمان ×ًِ % در کاهش عمق آبشستگی بدست خواهد آمد.علاوه بر تحقیقات آزمایشگاهی این روش در عمل نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است.[7 ]
.3مواد و روشها
برای مطالعه عددی از مطالعه آزمایشگاهی آزم و قمشی در سال 1391 استفاده شد که آزمایشها در فلومی به طول 7 /3 متر، عمق 0/6 متر و عرض 0 / 56 متر با شیب طولی 0/ 0028 در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه چمران انجام شد. دیوارهها و کف فلوم از جنس پلکسی گلاس شفاف بود. جریان مورد نیاز با استفاده از یک پمپ سانتریفیوژ از مخزن تامین آب وارد مخزن آرام کننده در ابتدای فلوم میگردید. به منظور حذف تلاطم ورودی، از یک صفحه مشبک آرام کننده، در فاصله 1 متری از دهانه ورودی فلوم، استفاده شد. جریان پس از خروج از فلوم، وارد یک حوضچه میگردید و با عبور از روی یک سرریز مثلثی استاندارد 53درجه، مجدداً وارد مخزن تامین آب میشد. کنترل عمق جریان نیز با از یک دریچه کشویی که در انتهای فلوم قرار داشت، صورت میگرفت.
شکل .1 جانمایی پایهپل و شمعها در بستر رسوبی کانال آزمایشگاهی
برای مدل کردن پایه پل از پایه استوانهای چوبی به قطر 40 میلیمتر استفاده گردید که در فاصله 130 cm از ابتدای بستر رسوبی قرار گرفت، شمعهای حفاظتی نیز از جنس چوب و در قطر 32 میلیمتر ساخته شدند. موقعیت قرارگیری شمعها 2,95D و فاصله شمعها از یکدیگر D - 1,15D قطر پایه پل است - بوده است.برای تامین رسوبات بستر از ماسهی باقیمانده بین الکهای 30 و 40 در محدوده اندازه ذرات 0 /59 تا 0/ 42 میلیمتر و بستر در بازهای 2 متری به ضخامت 12 سانتیمتر با رسوباتی با متوسط قطر ذرات 0/5 میلیمتر پوشانده شد.
