بخشی از مقاله
چکیده
آبشستگی اطراف تکیهگاههای کناری پل، از عوامل مهم در واژگونی پلها به شمار میآید. روشهای مختلفی برای جلوگیری و یا کاهش آبشستگی پیرامون تکیهگاه پلها ارائه شده است. استفاده از طوق از جمله روشهایی است که مورد توجه محققین قرار میگیرد. در این تحقیق ابتدا مدل با استفاده از مدل آزمایشگاهی کالیبره گردید و سپس اثر طوق دایرهای در ترازهای بستر و زیر بستر بر پارامترهای هیدرولیکی جریان و نیز عمق آبشستگی پیرامون تکیهگاه مورد بررسی قرار گرفت.
-1 مقدمه
خرابی پل از لحاظ اجتماعی و اقتصادی مسئله بسیار مهمی به شمار میآید و در طی چندین دهه گذشته در این زمینه مطالعات فراوانی انجام شده است. تخریب پلها در نتیجه آبشستگی پی یا تکیهگاه پلها موجب ترغیب روزافزون پژوهشگران برای مطالعه و بررسی پدیده آبشستگی در اطراف پایهها و تکیهگاه پل و ارائه روشهای کنترل و کاهش آبشستگی شده است.
یکی از روشهای ارائه شده، نصب طوق محافظ در مجاورت تکیهگاه میباشد و تحقیقات اندکی در زمینه نصب طوق در کاهش آبشستگی اطراف تکیهگاه انجام شده است. طوق یک ورقه فولادی دایرهای یا مستطیلی متصل به پایه یا تکیهگاه پل است که ممکن است در ترازهای مختلف از بستر نصب شود. طوق صفحهای با ضخامت کم جهت ایجاد تغییر الگوی جریان اطراف تکیهگاه و در نتیجه کنترل ابعاد آبشستگی است. طوق با قرارگیری در اطراف تکیهگاه و یا پایه پل به عنوان مانعی در برابر جریان رو به پایین و گردابههای ایجاد شده، با تغییر الگوی جریان آب موجب کاهش عمق آبشستگی در این محدوده میشود.
در تحقیق حاضر، تاثیر قرارگیری طوق نسبت به بستر - تراز روی بستر و تراز پایینتر از بستر - بر روی کاهش عمق آبشستگی پیرامون تکیهگاه و پارامترهای هیدرولیکی جریان بررسی شده است.
-2 مشخصات مدل آزمایشگاهی
آزمایشهای تحقیق حاضر در فلوم مستطیلی به طول 14 متر، عرض 1 متر و عمق 1 متر با شیب طولی 0/0004 واقع در آزمایشگاه محیطهای متخلخل دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است - شکل ; - 1 دیوارهای فلوم از جنس شیشهای قابل رویت، جهت مشاهده تغییرات سطح جریان آب و تغییرات بستر کانال، ساخته شده است.
شکل - 1 نمای جانبی و پلان فلوم آزمایشگاهی و اجزای مختلف آن
طول فلوم در بالادست محل قرارگیری تکیهگاه به گونهای انتخاب شد که جریان کاملا توسعه یافته باشد. برای محاسبه طول جریان توسعه یافته از رابطهای که توسط کرکگز و آردیچگلو [7] برای جریان در کانالهای روباز ارائه شده است، استفاده گردید.
در محدوده آزمایش، عمق ماسه 30 سانتیمتر درنظر گرفته شده است. این ضخامت با استفاده از روابط محققین قبلی و همچنین مشاهدات اولیه انتخاب گردید تا حداکثر عمق آبشستگی به کف فلوم آزمایشگاهی نرسد. قطر میانگین ذرات بستر 0/91 میلیمتر، ضریب یکنواختی 1/38، چگالی نسبی 2/65 و سرعت برشی بحرانی 0/021 متر بر ثانیه است که از طریق دیاگرام شیلدز بدست آمدهاست.
طبق تحقیقات انجام شده توسط ملویل حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آستانه حرکت ذرات اتفاق میافتد.[8] بنابراین، نسبت سرعت جریان به سرعت بحرانی برابر 0/95 درنظر گرفته شده است. برای عمق جریان 0,15 متر، با درنظر گرفتن آستانه حرکت ذرات بستر، دبی جریان 52 لیتر بر ثانبه بدست آمده است.
شکل - 2 پلان تکیهگاه و طوق
-3 کالیبراسیون و صحتسنجی مدل عددی شبیهسازی جریان
در مدلهای عددی غالبا پارامترهای زیادی به منظور شبیهسازی جریان به صورت سهبعدی اهمیت دارند که باید اثر هرکدام در مدل ایجاد شده مشخص گردد. به منظور صحتسنجی و کالیبراسیون جریان، ابتدا جریان بر روی کانال به همراه تکیهگاه و بدون رسوب مدل میگردد
بدین معنی که تاثیرات عوامل خارجی را به حداقل رسانده و شرایط مدل را به شرایط واقعی نزدیکتر مینماییم. آنچه در اینجا مطرح میشود، کالیبره کردن مدل عددی از لحاظ شرایط مرزی و شبیهسازی میباشد. برای استخراج مقادیر صحیح و دقیق دادههای یک مدل عددی یا واقعی، رسیدن به حالت شرایط پایدار ضروری میباشد. در مدل عددی مورد مطالعه پس از بررسی چند مدل، زمان مناسب برای استخراج نتایج از مدل عددی معادل 50 ثانیه مدنظر قرار گرفت. جریان بعد از 50 ثانیه به حالت پایدار بر روی کانال قرار میگیرد که این زمان صرفا مربوط به هیدرولیک جریان میباشد.
در زمان 2 ثانیه جریان بر روی بستر کانال شکل میگیرد و در زمان 4 ثانیه به تکیهگاه برخورد مینماید. در زمان 10 ثانیه جریان به مرز خروجی میرسد و از زمان 25 ثانیه به بعد جریان تقریبا به حالت پایدار رسیده و هیدرولیک جریان به صورت متعادل شکل میگیرد. به منظور پایداری دقیق جریان نمودار دبی خروجی برحسب زمان در نمودار 1 ارائه شده است.
نمودار -1 نمودار دبی برحسب زمان از مرز خروجی مدل عددی
پس از تعیین هیدرولیک جریان باید زمان مورد نیاز بزای آبشستگی نیز تعیین شود.[1] بر همین اساس با اضافه نمودن رسوب به مدل عددی شبیه سازی انجام گرفت. در زمانهای 200 ثانیه به بعد نرخ تغییرات بستر به شدت کاهش یافت بطوریکه در طی زمان 200 تا 300 ثانیه فقط 0/8 سانتیمتر تغییر در میزان ارتفاع آبشستگی رخ داد بنابراین زمان 300 ثانیه به عنوان زمان مناسب برای آبشستگی تکیهگاه مورد استفاده قرار گرفت.
در شبیهسازی حاضر به منظور کالیبره نمودن مدل عددی ابتدا به بررسی مدلهای آشفتگی و انتخاب بهترین مدل آشفتگی پرداخته میشود.[5] به همین دلیل مدل ایجاد شده برای مدلهای آشفتگی K- ، RNG ، LES مورد شبیهسازی قرار گرفته و نتایج آن با مدل آزمایشگاهی مقایسه شده و بر همین اساس مدل آشفتگی مورد نظر انتخاب گردیده است.
