بخشی از مقاله
خلاصه
آبشستگی اطراف پایه پل یکی از مهمترین دلایل تخریب پلها میباشد و به منظور جلوگیری و یا کاهش آن، شناخت مکانیزم مربوطه لازم و ضروری به نظر میرسد. در رابطه با پارامترهای وارد در این مکانیزم، تحقیقات زیادی انجام گرفته است. این پارامترها شامل مشخصات جریان، خصوصیات رسوب، شکل و اندازه پایه میگردد. یکی از پارامترهای مهم در آبشستگی ، تعیین الگوی جریان در اطراف پایه پل میباشد.
در راستای این هدف در مطالعه حاضر، مدلسازی حرکت آب از اطراف پایه-های پل به ابعاد 40* 40 سانتیمتر در اشل یک کانال آزمایشگاهی به ابعاد 10* 2 متر، انجام گرفته است. برای بدست آوردن الگوی جریان با شرایط اولیه مختلف در ورودی کانال، معادلات دیفرانسیل دو بعدی حاکم - معادلات آبهای کمعمق - به روش نیمه ضمنی 1ADI حل گردیده است.
روش نیمه ضمنی ADI، یکی از الگوریتمهای حل معادلات دیفرانسیل گسستهسازی شده به روش تفاضلات محدود است که هر گام زمانی را به دو نیم گام تقسیم میکند. در نیم گام زمانی نخست، عبارتهای مربوط به مشتق زمانی و عبارتهای مکانی در جهت x مجهول گرفته میشوند و سایر عبارتها به صورت صریح بیان میگردند. در نیم گام زمانی دوم این عمل برای جهت y در نظر گرفته میشود. نتایج حاصل از مدل عددی نشان داد که اندازه و شکل دنباله ایجاد شده در پشت پایه به طور چشمگیری به سرعت جریان و نوع جریان نزدیک شونده به پایه بستگی دارد.
1. مقدمه
یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه، مسأله آب شستگی و فرسایش بستر رودخانه میباشد که در طراحی کلیه سازههای هیدرولیکی در مسیر رودخانه حائز اهمیت است. از جمله سازههای هیدرولیکی، پایههای پلها هستند. با توجه به اینکه پایه پل تغییری در الگوی جریان قبلی میدهد بایستی الگوی جریان جدید با وجود پایه پل مدلسازی گردد.
چنانکه میدانیم، تغییرات حاصل در سرعت جریان در هر نقطه در اطراف پل به صورت سه بعدی انجام میگیرد، لذا در نظر گرفتن مدلهای یک بعدی و یا فرمولهای تجربی از تقریب بیشتری برخوردار هستند. بنابراین، در مطالعه حاضر سعی گردیده است که معادلات حرکت آب به شکل کلیتر حل گردد. چنانکه در این پژوهش از معادلات آبهای کم عمق استفاده گردیده است. برای حل معادلات دیفرانسیل حاکمه از روش تفاضلات محدود و الگوریتم حل ADI بهره گرفته شده و بدین منظور، برنامهای به زبان فرترن نوشته شده است.
2. آب شستگی واهمیت آن
آب شستگی پدیدهای است که در اثر جریان آب در رودخانه و نهرها اتفاق میافتد. تجربه در موارد کثیری نشان داده است که آب شستگی میتواند به طور پیوسته زیر فونداسیون سازهها را خالی کرده، موجبات خرابی سازه را فراهم آورد. البته از آنجا که محافظت کامل در برابر آب شستگی موضعی مقرون به صرفه نیست، طراح باید به دنبال راههایی برای هدایت و کنترل آب شستگی و به حداقل رساندن ریسک خرابی سازه باشد که این امر نیازمند شناخت کافی از مکانیسم آب شستگی و نحوه شکلگیری آن است. بطور کلی، آب شستگی در محل پلها را میتوان به دو دسته آب شستگی عمومی و موضعی تقسیم نمود.
شکل - : - 1 انواع آبشستگی اطراف پایه پلها
.1.2 انواع آب شستگی
آب شستگی عمومی - کلی - :
اگر در بازه احداث پل، بستر رودخانه شسته شود و نسبت به بستر طبیعی رودخانه در بالادست در تراز پایینتری قرار گیرد، به آن آب شستگی عمومی گفته میشود. علت پایین رفتن بستر رودخانه، میتواند به دلیل کم شدن بار رسوبی از بالادست در اثر ایجاد یک سد، تند شدن شیب سطح آب و یا دلایل دیگر باشد.
آب شستگی موضعی :
منظور از آب شستگی موضعی، پایین رفتن بستر رودخانه در اطراف سازههای احداث شده در آن نسبت به تراز بستر میباشد. این نوع آب شستگی در اطراف پلها در اثر یک سری جریانات ثانویه که اکثراً گردابها هستند، ایجاد میشوند.
به عنوان مثال مطابق شکل 2 - - ، پل آدینان در 15 کیلومتری مسیر سقز به سنندج بر روی رودخانه زرینه رود در استان کردستان واقع میباشد. مسیر فوق الذکر شاهراه ارتباطی شمال به جنوب کشور است. نشست ناشی از آبشستگی باعث خسارتی معادل پنج و نیم میلیارد ریال گردیده است. شکل - 3 - ، تصویر بازسازی شده این پل را نشان میدهد.
شکل - : - 2 نشست پایه پل آدینان در اثر آب شستگی [2] شکل - : - 3 بازسازی پایه پل آدینان پس از نشست [ ]
آب شستگی موضعی حول یک پایه، پدیده پیچیده ای میباشد و از فعل و انفعالات شدید جریان آشفته سه بعدی در محل، حول پایه و بستر با رسوب قابل فرسایش ناشی میشود. حضور یک پایه، وضعیت جریان و سطح بستر متحرک را تغییر میدهد و موجب آب شستگی در مجاورت پایه میگردد.
آب شستگی ناشی از جریان :
هنگامیکه پایهای در مسیر جریان قرار بگیرد، جریانهای ثانویه مهمی در اطراف پایه شکل خواهد گرفت که مهمترین آنها عبارتند از : گردابههای نعل اسبی و بلند شونده - شکل . - 4
شکل - - 4 :خطوط جریان و گردابه های ناشی از اثر جریان در اطراف یک پایه قایم استوانهای 2
. 2 . 2 انواع گردابه ها
گردابه های نعل اسبی :
در اثر جداشدن جریان در بالادست پایه، این گردابه ها بوجود می آیند. لایههای مرزی بالادست پایه به علت گرادیان فشار معکوس ناشی از وجود پایه دستخوش یک پخش شدگی سه بعدی می شوند. لایه مرزی پخش شده به سمت بالا حرکت می کند و یک گردابه فنری شکل در اطراف پایه بوجود خواهد آورد - شکل . - 4 شکل پایه ها در تشکیل این نوع گردابه ها نقش بسزایی دارد به طوری که هرچه میزان انطباق جریان با شکل پایه ها بیشتر باشد گرادیان فشار معکوس کمتر بوده و در نتیجه قدرت گردابه های نعل اسبی کمتر خواهد بود.
گردابه های بلند شونده :
گردابه های بلند شونده در اثر چرخش لایه مرزی بر روی سطح پایه به وجود می آیند. لایه های مرزی جریان اطراف پایه به سمت بالا می چرخند تا این گردابه ها بوجود آیند. این سیستم چنان کهقبلاً گفته شد همچون گردباد عمل می کند و رسوبات را از کف بستر به سمت بالا حرکت می-دهد. جهت چرخش این گردابهها بر عکس گردابه های نعل اسبی میباشد و عامل انتقال مواد جدا شده از بستر در اثر گردابه های نعل اسبی به پایین دست پایه، همین سیستم می باشد . در صورت عدم وجود گردابه های نعل اسبی این سیستم باعث ایجاد حفره های بزرگ در پایین دست پایه پل می شود.
.3 معادلات حاکمه
یکی ازپارامترهای مهم دخیل در آبشستگی تعیین الگوی جریان اطراف آن است. در این پژوهش، به عنوان نمونه، پایه پلهایی در وسط یک کانال آزمایشگاهی مدلسازی شده است. برای بدست آوردن الگوی جریان آن، معادلات دیفرانسیلی آبهای کم عمق به صورت زیر بکار گرفته شده است.
