مقاله شبیه سازی عددی جریان و انتقال رسوب در اطراف پایه پل

بخشی از مقاله

خلاصه

پلها از جمله سازه هاي مهم متقاطع با رودخانه هستند که هر ساله دراثر عبور سیلاب هاي مخرب دچار آبشستگی شدید شده و بعضا تخریب می گردند. لذا با توجه به اهمیت اساسی این سازه ، پرداختن به مباحثی که تخمین صحیحی از پارامترهاي آبشستگی اطراف پایه هاي آنها را در اختیار مسئولین بگذارد، ضروري بنظر می رسد.

در این تحقیق با بهره گیري از نرم افزار FLOW-3D ، الگوي جریان و انتقال بار بستر بصورت غیر متوازن شبیه سازي شده و میزان توانایی نرم افزار مذکور در تخمین عمق آبشستگی در مقابل نتایج آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. جهت صحت سنجی نتایج حاصل از این تحقیق از نتایج مطالعات آزمایشگاهی شپارد و میلر - 2006 - استفاده شده است. بررسی نتایج نشان می دهد که مقادیر عمق آبشستگی تخمین زده شده توسط مدل نسبت به مقادیر نظیر مشاهداتی داراي ضریب تغییرات 0,862 می باشد.

-1 مقدمه

پلها از جمله سازههاي رودخانهاي هستند که در راهسازي از اهمیت زیادي برخوردارند. همه ساله در اثر سیلابها، پلهاي زیادي در اثر آبشستگی از بین میروند. که این امر بیانگر اهمیت بررسی این پدیده میباشد. وجود پایههاي پل در مسیر جریان باعث تغییر الگوي جریان و ایجاد یک حفره آبشستگی در اطراف پایهها میشود، این نوع آبشستگی را آبشستگی موضعی میگویند. آبشستگی موضعی در اطراف پایههاي پل در اثر یک سیستم گردابی بوجود می آید.

سیستم اصلی گردابی که عامل حفرگودال آبشستگی است از برخورد جریان به جلو پایه و انحراف آن به طرف پایین ایجاد میشود. جریان رو به پایین پس از برخورد به بستر رودخانه در جلو پایه گودالی را حفر میکند که در داخل این گودال جریان چرخشی ایجاد شده و به تدریج عمق حفره اضافه میشود. جریان چرخشی در جلو پایه به دو طرف پایه نیز امتداد مییابد و شکلی به خود میگیرد که در پلان شبیه نعل اسب است، از این رو به آن گرداب نعل اسبی گفته میشود، در اثر عبور از کنار پایه یک سري جریان هاي ثانویه تشکیل می شوند که عامل اصلی ایجاد آبشستگی موضعی می باشند.

این جریان هاي ثانویه شامل، سیستم گردابی بلند شونده1 ، سیستم گردابی دنباله دار2، سیستم گردابی نعل اسبی3 و سیستم موج کمانی4 می باشند. حفر حفره آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی آنقدر ادامه مییابد تا حجم آب داخل حفره زیاد شده و انرژي گرداب را مستهلک نماید. در اینجا عمق حفره آبشستگی به تعادل رسیده و ثابت میگردد.

در شکل 1 انواع گردابه هاي ایجاد شده در اطراف پایه پل نشان داده شده است. محققین مختلف با ارائه نمودارهایی توسعه زمانی عمق آبشستگی را ارائه دادهاند. عوامل مختلفی همچون یکنواختی ذرات بستر، نسبت سرعت برشی به سرعت برشی بحرانی، عمق جریان بر روي توسعه زمانی حفره آبشستگی تاثیر میگذارد. براي تخمین عمق آبشستگی موضعی پایه پل به دلیل پیچیدگی مسئله و فاکتورهاي متعدد که در مسئله دخیل میباشند، انجام آزمایشات آزمایشگاهی ضروري است. ولی جوابهایی که از این فرمولها بدست میآید متفاوت است.

شکل-1 نماي شماتیکی از جریان آشفته و گردابههاي اطراف پایه پل

یکی از دلایل عدم تطابق جوابها، انتخاب فاکتورهاي متعدد به عنوان فاکتورهاي موثر و عدم تشخیص شرایط متفاوت انتقال رسوبات است. بر اساس شرایط انتقال رسوب و بر اساس میزان رسوباتی که به حفره آبشستگی وارد یا خارج میشوند می توان حالت آبشستگی را به دوسته کلی آبشستگی آب زلال و آبشستگی بستر زنده تقسیم بندي نمود.

آبشستگی آب زلال موقعی اتفاق میافتد که مواد بستر بالادست محل پایه پل هیچگونه حرکتی ندارند. یعنی اینکه شرایط جریان در بستر افقی به آستانه حرکت نرسیده است و سرعت برشی بستر در بالادست پایه از سرعت برشی بحرانی کمتر است اما شتاب جریان و گردابههاي ایجاد شده در محل پایه-هاي پل سبب حرکت مواد از جاي خود میشوند.

در حالت آبشستگی بستر زنده، شرایط جریان در بستر از آستانه حرکت عبور کرده و در نتیجه حرکت عمومی مواد رسوبی بستر وجود دارد در این نوع آبشستگی حفره ایجاد شده با رسوباتی که از بالادست منتقل میشوند پر میشود. و پس از مدتی آبشستگی به حالت تعادل میرسد. حالت تعادل در آبشستگی آب زلال زمانی اتفاق می افتد که عمق آبشستگی به حدي برسد که نیروهاي بالابرنده توانایی بلند کردن ذرات و خارج کردن آنها از گودال حفر شده را ندارد. درحالیکه حالت تعادل درآبشستگی بستر زنده موقعی اتفاق میافتد که میزان رسوبات وارد شده به حفره مساوي رسوبات خارج شده باشد.

بیشتر معادلات تخمین آبشستگی پایه پل بر اساس نتایج حاصل از مدلهاي فیزیکی استوارند. پارامترهاي موثر بر عمق آبشستگی شامل ویژگیهاي جریان، سیال، هندسه پایه پل، رسوب و زمان می باشند. از ویژگیهاي رسوب که در تعیین عمق آبشستگی موثر است D50 قطر میانگین ذرات رسوب و σ ضریب دانه بندي ذرات رسوب میباشد.

مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهد - اتما - 1976 بیشترین عمق آبشستگی در رسوبات با دانهبندي یکنواخت اتفاق می-افتد به همین دلیل اکثر محققین مطالعات خود را به سمت رسوبات یکنواخت - رسوبات با مقدار σ کمتر از - 1/5 هدایت کردهاند.

در نتیجه معادلات تجربی پیش بینیکننده عمق آبشستگی، مقدار فرسایش را به شکل محافظه کارانهاي بیشتر از مقدار واقعی محاسبه میکنند، زیرا در رسوبات با دانهبندي غیر یکنواخت به سبب پدیده آرمورینگ در چاله آبشستگی بعد از حرکت ذرات ریز، ذرات درشت تر در جاي خود باقی میمانند و براي حرکت نیاز به نیروي بیشتري دارند در نتیجه افزایش میزان غیر یکنواختی رسوبات باعث کاهش عمق آبشستگی میشود. لذا پرداختن به روابطی که تاثیر دانه-بندي و اندازه ذرات رسوب را به شکل دقیقتري در برآورد عمق آبشستگی پایه پل لحاظ نمایند ضروري به نظر میرسد زیرا در طبیعت و در رودخانه-هاي موجود مصالح معمولاً غیر یکنواخت میباشند و نادیده گرفتن اثر غیر یکنواختی مصالح میتواند سبب ایجاد خطا در تخمین عمق آبشستگی شود.

-2 پیشینه تحقیق

ماهیت کلی و اصول آبشستگی و متغییرهاي تاثیر گذار روي آن از مطالعات لارسن و تاچ - 1956 - و ملویل - 1975 - به خوبی شناخته شد. مطالعات آزمایشگاهی روي آبشستگی موضعی به وسیله نیکولت - 1971 - ، هانکا - - 1971، اتما - - 1976 و بکر - 1986 - نشان داد حد اکثر عمق آبشستگی در حالت آب زلال به اندازه ذرات رسوب و دانه بندي آن وابسته است.

حسنی - - 1995 مطالعه آزمایشگاهی سیستماتیکی را روي آبشستگی موضعی اطراف پایه استوانهاي در خاك چسبنده انجام داد که با استفاده از بازسازي وضعیت طبیعی رس دریافت، عمق تعادل آبشستگی در خاکهاي چسبنده به میزان قابل توجهی از عمق تعادل آبشستگی در خاکهاي غیر چسبنده و یا خاکهاي مخلوط با مقدار رس کم مثلاً حدود 10 درصد، کمتر است. معادلهاي جهت تخمین عمق تعادل آبشستگی در خاك چسبنده با در نظر گرفتن عدد فرود جریان، تراکم، محتواي آب اولیه و قطر پایه استوانهاي ارائه کرد.

رایکار و همکاران - - 2009 بر اساس دادههاي آزمایشگاهی اتما - 1980 - ،دي و رایکار - 2007 - ، جهت محاسبه حداکثر عمق تعادل براي پایههاي جاسازي شده در بستر ماسهاي که زیر لایه آرمور شنی قرار دارند با در نظر گرفتن فاکتورهایی مثل عمق جریان، شکل پایه، شدت جریان، اندازه ذرات رسوب و ذرات لایه آرمور شنی معادلهاي ارائه دادند و تاثیر هر یک از فاکتورها را جداگانه روي عمق چاله آبشستگی حاصل از دادههاي آزمایشگاهی بررسی کردند.

نتایج حاصل از تحقیقات ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی برآورد شده در پایه استوانهاي و مربعی با لایه آرمور به ترتیب 3/15 و3/47 برابر عرض پایه می باشد .[14] سعیدينژاد و همکاران - 1384خورشیدي - اثر دانه بندي رسوب بر روي حداکثر عمق آبشستگی اطراف پایه پل با مقطع دایره را با استفاده از نتایج حاصل از محققین دیگر نسبت به معرفی یک معادله بدون بعد اقدام نمودند. نتایج حاصل حاکی از برتري دقت رابطه معرفی شده میباشد. در این فرمول پارامترهایی مثل عمق جریان- فرود جریان- فرود ذرات بستر، سرعت جریان، عرض پایه پل و دانه بندي بستر در نظر گرفته شده است

-3 تئوري تحقیق

انجام آزمایشهاي آبشستگی در محدودهي سرعتهایی که آبشستگی در بستر زنده را ایجاد میکنند کار مشکلی است و همچنین تحلیل نتایج آن به علت وجود فرمهاي بستر مشکل است. شپارد و میلر - - 2006گروهی از آزمایشاهها را، جهت بررسی آبشستگی پایه استوانهاي در بستر متحرك انجام دادند - سرعت از مقداري که براي شروع حرکت ذرات در بالا دست پایه لازم است بیشتر است - . این آزمایشات بر روي پایه استوانهاي با قطر 0/1524 متر و رسوباتی با قطر میانگین 0/27 و0/84 میلیمتر و انحراف معیار 1/33   - رسوبات یکنواخت - در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه آوکند انجام شد.

نمودار شکل - 2 - معرف عمق تعادل نرمال شده آبشستگی است - خط توپر - که تابعی از شدت جریان Vc  V است و توسط محققین مختلفی چون اتما - - 1980 چیو - 1984 - ملویل و چیو - 1999 - شپارد و همکاران - 1995 - و شپارد - 1999 - تعیین شدهاست. در این نمودار یک پیک براي عمق تعادل آبشستگی در انتقال آبشستگی از حالت آب زلال به بستر متحرك وجود دارد و درست بعد از آن یک کاهش در عمق تعادل آبشستگی و بعد از آن پیک دوم در محدودهي آبشستگی بستر زنده وجود دارد. سرعت در پیک دوم، سرعت پیک در بستر زنده نامیده میشود و با Vlp مشخص میشود.

زمانی که عدد فرود عمق F V gyo از 0/8 تجاوز نماید - ون رایان - 1993 و پارامتر انتقال رسوبτc  - [ - τb − τ c از 25 تجاوز کند بستر از حالت مسطح خارج میشود. به همین دلیل سرعت پیک بستر زنده، میتواند با محاسبه سرعت متوسطی که هر دو شرط را ارضاء کند تعیین شود.