بخشی از مقاله
چکیده :
استهلاک انرﮊی و تلاطم جریان در حوضچه های استهلاک انرﮊی با نوسانات شدید فشار همراه است این نوسانات شدید به سه صورت حوضچه استهلاک انرﮊی را تحت تاثیر قرارمیدهند یکی از این اثرات باعث ایجاد نیروی برخاست
قابل توجهی در زیر سازه سد شده و باعث برخاستن و کنده شدن دالهای کف حوضچه استهلاک میشود اثر دیگر نوسانات ، وجود خستگی در مصالح بکار رفته - fatigue - و اعمال فشار دینامیکی زیاد ناشی از بارگذاری و بار برداری متناوب و کاهش مقاومت سازه و بالنتیجه تخریب آن می گردد.
وقوع پدیده کاویتاسیون نیز یکی از اثرات دیگر نوسانات فشار بوده و باعث جدایش جریان از سازه و تخریب موضعی ناشی از مکش همراه با نوسانات شدید سازه می شود . اثرات فوق الذکر در حوضچه های استهلاک انرﮊی دارای ماهیتی تصادفی بوده و مطالعه این پدیده نیازمند ثبت و ضبط مداوم و پیوسته اطلاعات می باشد ولازم است تحلیل اطلاعات با استفاده از طیف توانی - Power Spectra - و یا تابع چگالی احتمال نوسانات فشار - Probability density - function انجام پذیرد.
این نوع آنالیز منجر به حصول پارامترهای لازم در طراحی سازه میشود. در این مقاله نحوه کاربرد فشارهای هیدرودینامیک در برآورد نیروهای وارده بر کف حوضچه های استهلاک انرﮊی با استفاده از پارامترهای مذکور ارائه گردیده است.
۱ – کلیات
به منظور استهلاک انرﮊی از سازه های مختلفی استفاده می شود یکی ازروشهای متداول آن استفاده از حوضچه های آرامش و یا حوضچه های استغراق می باشد . از جمله مسائل این حوضچه ها ، میدان نوسانات فشار بوده که اخیرا مورد توجه فراوانی قرارگرفته است.
مساله نوسانات فشار - Pressure fluctuations - درسازه های هیدرولیکی ، پس ازحادثه تخریب های ایجاد شده در حوضچه های آرامش سدهای کرانا فولی در بنگلادش و مالپاسه در مکزیک به شکل بارزی مشهود گردید. نوسانات فشار در این حوضچه ها به زیر دالهای بتنی منتقل شده و موجب ایجاد نوسانات در نیروی برکنش گردیده بطوریکه نهایتا خرابی های عظیمی در سرریزو حوضچه های آرامش آنها بوجود آمده است.
در حوضچه های استغراق نیز مساله نوسانات فشار حائز اهمیت بوده و بخصوص برآورد نیروهای وارد بر دالهای حوضچه استغراق با پوشش بتنی ،باید کاملا درنظر گرفته شود.
در آزمایشگاه با استفاده از سیستم برداشت لحظه ای در هر ثانیه بوسیله کامپیوتر، داده های زیادی در محل های مورد نظر در حوضچه برداشت شده و با نرم افزارهای مربوطه ،شاخص های آماری و توزیع زمانی و مکانی آنها بدست می آید . طراحان با تحلیل دینامیکی نتایج بدست آمده نیروی وارد بر دالها را تعیین نموده و بر اساس آن طرح سازه ای لازم را ارائه می دهند.
اصولا هدف از طراحی سیستم های استهلاک انرﮊی آنست که سیلاب به نحوی تخلیه گردد که ایمنی سازه های اصلی همانند سد را در مقابل آبشستگی تهدید نکرده و همچنین در عملکرد تاسیسات جنبی سد و خصوصا بهره برداری از نیروگاه ،تاثیر منفی نداشته باشد
به منظور حفاظت از صدمات آبشستگی دو گزینه زیر وجود دارد.
- جلوگیری از ایجاد آبشستگی
- محدود نمودن محل و دامنه گسترش آبشستگی
با توجه به ملاحظات اقتصادی ، معمولا از گزینه دوم استفاده می گردد و هدف ، کنترل و محدود نمودن آبشستگی در چارچوب نیازهای طرح مورد نظر می باشد. در گزینه های تخلیه سیلاب به صورت جت آزاد باید به ارتباط تنگاتنگ شکل واندازه های سرریز با هندسه و ابعاد »حوضچه های استغراق « و یا ابعاد »حفره آبکند« توجه خاص شود و موارد زیر نیز مد نظر قرار گیرد.
- شرائط زمین شناسی،خصوصیات مرفولوﮊیکی،هندسه ونوع سد
- ظرفیت سرریز
- طراحی سازه ها با توجه به هیدرولیک جریان و در نظر گرفتن نیروها ،لرزش و ریسکهای کاویتاسیون،تداخل هوا
- هندسه و اشکال خروجیها با توجه به برد پرتاب جت و انتشار آن در هوا
- رفتار جت در حین عبور از هوا با در نظر گرقتن تداخل هوا
- استهلاک انرﮊی جت های آبشاری
با توجه به تعدد عوامل فوق الذکر و کمبود اطلاعات و تئوریهای پیشرفته درباره فرآیند شستگی و استهلاک انرﮊی جت، لازم است آزمایشات برروی مدل های فیزیکی نیز انجام شوند تا از عملکرد مناسب حوضچه های استغراق اطمینان حاصل گردد.
ازآنجا که این مقاله در مورد نحوه کاربرد فشارهای هیدرودینامیکی در برآورد نیروهای وارده بر کف حوضچه های استهلاک انرﮊی می باشد از بحث در مورد هیدرولیک جریان ایمن از سیستم استهلاک صرفنظر کرده و فقط به بحث در مورد کاربرد نیروها به کف حوضچه های استغراق پرداخته و می تواند نتیجه گیری آن به حوضچه های آرامش تعمیم داده شود.
۲- تشریح حوضچه استغراق
۲-۱-مفاهیم طراحی
عمق نهایی آبشستگی با ترکیبی از روشهای تحلیلی ومطالعات مدل هیدرولیکی تعیین میگردد . همچنین تعدادی از معا دلات تجربی و نیمه تجربی که غالبا ازآزمایشات بر روی مدلها ومشاهدات محلی بدست می آیند جهت محاسبات اولیه عمق آبشستگی مورد استفاده قرار می گیرد . فشارهای هیدرولیکی نیز بصورت تحلیلی و عملی در محاسبات عمق آبشستگی بکار می رود.
به منظور استهلاک انرﮊی جریان جت آزاد. یکی ازسه مورد زیر می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
- حفره آبکند - حوضچه استغراق طبیعی -
- حوضچه های استغراق بدون پوشش بتنی
- حوضچه های استغراق با پوشش بتنی
حفره های آبکند
در صورتیکه محل فرود جت به حد کا فی دور از پنجه سد قرار داشته باشد و بستر رودخانه ازسنگ مقاوم با مقادیر درزه کم تشکیل شده باشد . میتوان جت را به حال خود رها نمود تا در اثر آبشستگی یک "" حفره آبکند "" جهت استهلاک انرﮊی حفر گردد. این حفره که بطور طبیعی تشکیل شده آنقدر عمیق میگردد که جت به حد کافی در بالشتک آب ایجاد شده فرو رود و دیگر قادر به کندن مصالح و انتقال آنها به خارج ازحفره نباشد . مسلما هندسه این حفره و پایداری دیواره های ان باید دقیقا مطالعه شود تا ازخطرات گسترش دامنه فرسایش وتهدید ایمنی سازه های اصلی جلوگیری گردد. مقاومت بستر در مقابل فرسایش در وحله اول به اندازه و جرم مخصوص مصالح بستگی دارد . مطالعات متعددی در باره رابطه بین انرﮊی جت، مصالح بستر و عمق آبشستگی انجام شده است.
در مواردی که تونل پایاب نیروگاه در نزدیکی حفره آبکند وقبل از آن واقع باشد ممکن است رسوبات ناشی ازفرسایش حفره آبکند باعث بالا بردن تراز پایاب و در نتیجه کاهش ارتفاع مؤ ثر توربین گردد . سد کارون I دارای حفره آبکند بوده و موضوع فوق الذکر نیز در آن مشکلاتی را ایجاد نموده است.
حوضچه های استغراق بدون پوشش بتنی
این نوع حوضچه های استغراق عمدتا در مواری به کار برده میشوند که جت در نزدیکی سازه ها فرود می آید.
اساس کار حوضچه های استغراق ، ایجاد یک بالشتک مصنوعی آب است که بتواند تا حد قابل قبولی انرﮊی آب را مستهلک نموده و سازه ها را از خطر آبشستگی فزاینده محفوظ نگه دارد.
این مورد زمانی رخ میدهد که سنگ بستر و لایه های زیرین در محل سد و پایین دست آن در مقابل آبشستگی مقاوم بوده و بتوان عمق لازم برای استهلاک انرﮊی در حوضچه را بدون افزایش هزینه ایجاد نمود.
حوضچه های استغراق با پوشش بتنی
در مواردی که حجم حفاری و سنگ زیرین غیر مقاوم و یا لایه های زیرین آن دارای مشکلاتی باشد با توجه به ملاحظات پایداری سد و موقعیت پی آن. حفاری بیش ازحد از نظر ایمنی واقتصادی به مصلحت نخواهد بود . لذا در این مورد "" حوضچه استغراق با پوشش بتنی"" طراحی میشود تا اولا ازحجم حفاری کاسته شده وثانیا با کنترل جریان در محدوده نزدیک بدنه , ایمنی سازه ای افزایش یابد . به منظور تحمل نیروی جت آب ، دال کف و دیواره ها باید دارای پوشش بتنی با ضخا مت کافی بوده و به نحو مناسبی مسلح و در صورت لزوم توسط میل مهاریها به سنگ بستر دوخته شود. ضمنا زهکش مناسب در زیر دال جهت به حداقل رساندن فشار برکنش - UPLIFT - نیز طراحی شود.
