بخشی از مقاله
چکیده
آبشستگی اطراف پایههای پل یکی از مباحث مهم در هیدرولیک پل میباشد. آبشستگی منجر به خالی شدن زیر پی پایهها و درنتیجه، واﮊگون شدن آنها میشود. یکی از روشهای کاهش آبشستگی اطراف پایهها پل، نصب طوقههای محافظ بر روی پایه میباشد. این طوقهها بستر را در مقابل سیستم گرداب اطراف پایه محافظت کرده و با تضعیف تنشهای وارد به بستر علاوه بر کاهش میزان آبشستگی، نرخ آن را نیز به مقدار قابل ملاحظهای کاهش میدهند.
در تحقیق حاضر، طوقهای به اندازه سه برابر عرض یک پایه مستطیلی در دو حالت قرارگیری پایه با زاویه صفر و پنج درجه نسبت به جریان روی مدل آزمایشگاهی در تراز بستر نصب شده و عملکرد آن روی کاهش آبشستگی اطراف پایه و همچنین توسعه زمانی آن مورد بررسی قرار گرفته است.
آزمایشات در حالت آستانه حرکت ذرات تا رسیدن به حالت تعادل انجام شده است. نتایج آزمایشات حاکی از آنست که با نصب یک طوقه با مشخصات فوقالذکر بر روی پایه در راستای جریان، در زمانی مساوی با سه برابر زمان ایجاد حداکثر آبشستگی در پایه بدون محافظ، فقط ۵۲ درصد آن میزان آبشستگی دیده میشود. کارآیی طوقه روی پایه ۵ درجه از این میزان کمتر است.
۱- مقدمه
اهمیت پل در برقراری راههای ارتباطی بر کسی پوشیده نیست. همه ساله هزاران پل در سراسر جهان در اثر آبشستگی در اطراف پایههای آنها تخریب شده و یا خسارت میبینند. تخریب پلها علاوه بر خسارات مادی، در مواقع سیلابی خسارت جانی و مسائل اجتماعی زیادی بدنبال دارد. حفاظت اطراف پایههای پل در مقابل آبشستگی میتواند از تخریب آنها جلوگیری کند.
از اینرو، تحقیق روی این مسئله از اهمیت زیادی برخوردار است. در چند دهه اخیر، محققین زیادی در سراسر دنیا روشهای مختلف محافظت از آبشستگی پایههای پل را مطالعه کردهاند که یکی از این روشها، استفاده از طوقههای محافظ میباشد
با کاربرد طوقه روی پایههای پل اولا میزان آبشستگی کاهش یافته، ثانیا نرخ پیشرفت آبشستگی نیز کم میشود
تحقیقاتی که تابحال روی عملکرد طوقه انجام شده است، اغلب با پایههای گرد بوده و کارآیی آن روی پایههای مستطیلی مورد مطالعه قرار نگرفته است.
در این تحقیق، عملکرد طوقه روی پایه مستطیلی در دو حالت قرارگیری پایه با زاویه صفر و پنج درجه نسبت به جریان و همچنین کاهش نرخ آبشستگی در حالت استفاده از طوقه نسبت به پایه بدون طوقه نیز بررسی شده است.
۲- مکانیزم آبشستگی در اطراف پایههای پل
محققین زیادی در مورد الگوی جریان و مکانیزم آبشستگی در اطراف پایه های پل مطالعه کردهاند که در اینجا بطور خلاصه مکانیزم آبشستگی در اطراف پایه های پل تشریح می شود
پس از برخورد جریان آب به دماغه پایه، به تناسب سرعت جریان روی پایه فشار ایجاد میشود و از آنجا که سرعت جریان از بستر رودخانه به طرف سطح آب بیشتر می شود، فشار بیشتری نیز در ترازهای بالاتر روی پایه ایجاد میگردد. به این ترتیب، یک گرادیان فشار روی پایه از بالا به پایین پدید میآید که خود باعث ایجاد یک جریان رو به پایین در جلو پایه میشود.
این جریان رو به پایین در برخورد به بستر رودخانه ضمن حفر بستر به هر طرف پراکنده میشود. با حفر بستر در جلو پایه، جریان رو به پایین به داخل حفره نفوذ کرده و به طرف بالادست میچرخد و گردابی را بوجود می آورد]۶.[ با پدید آمدن این گرداب، عمل حفر گودال تسریع شده و با گود شدن آن و ریزش دیوارهای اطراف، گستره آن نیز بیشتر می شود
شکل ۱: الگوی جریان در اطراف یک پایه مستطیل شکل
چرخش آب در داخل حفره جلو پایه به دو طرف پایه نیز کشیده می شود و در مجموع گردابی را ایجاد می کند که در پلان به نعل اسب شبیه است و از آنرو به آن گرداب نعل اسبی میگویند. امتداد گرداب نعل اسبی در پایین دست پایه به آشفتگی جریان میپیوندد. چرخش جریان در دور پایه نیز باعث افزایش موضعی سرعت و تمرکز تنش در دو طرف پایه شده و در نتیجه دو شیار در دو طرف پایه حفر میشود
از طرفی جریان برخورد کرده به پایه در کناره آن از پایه جدا می شود و به این دلیل گردابهایی تشکیل می شود که محور آنها عمود بر بستر رودخانه می باشد و به آنها گردابهای برخاستگی می گویند.
این گردابها در کناره ها و پایین دست پایه بوجود آمده و بصورت چرخشهایی در سطح آب قابل مشاهده می باشند و نیز مانند یک گردباد ذرات بستر را جدا کرده و در معرض جریان قرار میدهند. به این ترتیب گردابهای برخاستگی به حمل مصالح کنده شده از جلو و اطراف پایه به سمت پایین دست کمک میکنند و خود نیز گودالی حفر مینمایند]۶.[ حفر گودال آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی و گرداب برخاستگی آنقدر ادامه مییابد تا حجم آب داخل حفره زیاد شده و انرﮊی گرداب را مستهلک نماید.
۳- عملکرد طوقه در کاهش آبشستگی در اطراف پایه های پل
وقتی که طوقه برای محافظت از آبشستگی روی پایه نصب میشود، جریان رو به پایین در حین برخورد به طوقه از بستر منحرف شده و جلوی آبشستگی گرفته میشود]۳.[ با توجه به مطالعات انجام شده، با نصب طوقه روی پایه علاوه برکاهش عمق آبشستگی، نرخ آبشستگی نیز کم میشود. اتما گزارش داد که با نصب یک طوقه با قطر موثر D - 2D قطر پایه می باشد - روی یک پایه استوانه ای و در سطح بستر، آبشستگی در جلوی پایه ایجاد نمیشود]۲.[ بتدریج، با عملکرد گردابهای برخاستگی در پایین دست پایه، حفره ای در پشت طوقه ایجاد شده و این حفره باعث تشکیل دو شیار از پایین دست در دو طرف پایه در لبههای طوقه میشود. این شیارها در لبه های طوقه بتدریج به سمت بالادست توسعه مییابند. با فرسایش بستر در نزدیکیهای حاشیه بالادست طوقه، جریان قادر خواهد بود که وارد حفره آبشستگی شده و باعث افزایش عمق آن و خالی شدن زیر طوقه شود. بعد از آن، آبشستگی مانند حالت بدون طوقه ادامه می یابد.
۴- توسعه زمانی حفره آبشستگی
با افزایش تنش برشی روی ذرات بستر به مقدار بیش از نصف تنش برشی آستانه حرکت، آبشستگی در اطراف پایه شروع میشود و با افزایش بیشتر تنش، عمق حفره نیز بیشتر میشود. حداکثر عمق آبشستگی در اطراف پایه در تنش برشی بحرانی ذرات اتفاق میافتد
