بخشی از مقاله
چکیده
لوله هاي انتقال آب و سایر سیال ها که در بستر دریاها و رودخانهها قرار میگیرند الگوي جریان را در اطراف خود تغییر میدهند. این تغییرات باعث افزایش آشفتگی در اطراف لوله شده و حفرهي آبشستگی در زیر لوله را ایجاد میکنند. آبشستگی در زیر لوله میتواند منجر به شکستن لوله و در نهایت موجب خسارات اقتصادي و زیست محیطی شدیدي شود.
در این مقاله نتایج تحقیق آزمایشگاهی بر روي تأثیر قرارگیري آبپایه1 در کاهش حداکثر عمق آبشستگی در زیر لوله هاي مستغرق ارائه شده است. آزمایش ها در دو حالت - 1 آبشستگی زیر لوله بدون آبپایه - 2 آبشستگی زیر لوله همراه آبپایه انجام شده است. در حالت همراه آبپایه، لوله در دو موقعیت روي بستر و در فاصلهي D/4 از بستر - D قطر لوله - ، قرار داده شد.
در انجام آزمایش ها از سه لوله با قطر هاي 20، 30 و 40 میلی متر استفاده و در حالت همراه با آبپایه از یک آبپایه به ضخامت 5mm، به طول25cm - عرض فلوم - و ارتفاع 13cm - عمق بستر ماسه اي - که در فاصله ي D/2 از مرکز لوله قرار گرفت، استفاده شد. وقتی آبپایه در پایین دست لوله قرار می گیرد آبشستگی در جلوي لوله تا حدودي ناچیز می شود. با ایجاد فاصله بین لوله و بستر و استفاده از آبپایه، در مورد کاهش آبشستگی زیر لوله نتایج بهتري را می توان به دست آورد.
-1 مقدمه
خطوط لوله انتقال آب، نفت، گاز و ... اگر در مسیر خود از رودخانه ها و بستر دریا ها عبور کنند، در طراحی آن ها باید دقت فراوانی بکار برده شود.چون گسیختگی آن ها پیامدهاي اقتصادي و بعضاً زیست محیطی زیادي به دنبال خواهدداشت. بررسی هاي دقیق انجام شده روي خطوط لوله در حال بهره برداري نشان میدهند که آبشستگی موضعی ایجاد شده در مجاورت لوله میتواند باعث تخریب آن شود. آبشستگی موضعیباعث جدایی خط لوله از بستر شده در نتیجه فضاي خالی نسبتاً بزرگی بین بستر و خط لوله به وجود میآید.
در این حالت دهانه آزاد خط لوله به مرور گسترش یافته که ممکن است بارهاي نوسانی ناشی از گردابه ها باعث خستگی و در نهایت گسیختگی آن گردند.[1] وقتی که خط لوله به داخل حفره فرو میرود فرسایش در زیر لوله تشدید شده و عمق حفره باز هم بیشتر میشود و این روند تا جایی ادامه پیدا می-کند که بالاترین قسمت لوله هم تراز بستر میشود. از این لحظه به بعد تحت شرایط جریان جزر و مدي امکان دارد که خط لوله به طور خود به خود دفن گردد.[2] کیجلدسن و همکاران در سال 1973 تحقیقی در زمینه آبشستگی ایجاد شده در اطراف خطوط لوله ناشی از جریان یک سویه2 انجام دادند و رابطه تجربی - 1 - را براي محاسبه عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله ارائه کردند:
که در آن S عمق آبشستگی، D قطر لوله و Vسرعت جریان می باشند. رابطه - 1 - براي حالتی ارائه شده که خط لوله بر روي بستر افقی قرار گرفته است. در رابطه فوق اثر عمق جریان و اندازه دانه مواد رسوبی منظور نشده است. بنابراین میتوان نتیجهگیري نمود که شرط بستر زنده در این آزمایشها حاکم بوده است.
بر اساس آزمایش هاي گستردهاي که روي آبشستگی موضعی در اطراف خطوط لوله در دانشگاه نیوکاسل انجام گردیده دو فرمول - 3 - و - 4 - ارائه شده است:
که در آنها S عمق آبشستگی، D قطر لوله، V سرعت متوسط دست نخوردهي جریان، سرعت بحرانی جریان جهت حرکت رسوب، g شتاب ثقل و عمق جریان میباشد. روابط - - 3 و - - 4 به ترتیب براي محاسبه آبشستگی در شرایط آب زلال و بستر زنده به کار میروند. اشکال عمده رابطه ي - 3 - و - 4 - این است که براي سرعت جریان صفر، عمق آبشستگی صفر نیست.
دي و همکاران در سال 2008 با کمک نتایج آزمایشگاهی به تشریح تأثیر پارامترهاي مختلف بر روي عمق آبشستگی پرداختند، بطوریکه مشخص شد با افزایش عمق جریان ورودي - h - عمق آبشستگی - - ds افزایش مییابد و براي h/b> 5 ، ds /b مستقل از h /b می شود و در عمق آبشستگی تأثیر ندارد b - قطر یا عرض لوله می باشد - .[5 ] مونکادا و آگوئیر در سال 1999 در تحقیقی موفق به ارائه ي دو رابطهي ساده ولی با دقت نسبتاً کم جهت تعیین عمق آبشستگی نهایی در زیر لوله اقعو در یک فلوم آزمایشگاهی شدند و به این نتیجه رسیدند که تأثیر عدد رینولدز روي آبشستگی بسیار ناچیز و اندك می باشد. دو رابطه ي بدست آمده عبارتند از :
که در آنها S عمق آبشستگی D قطر لوله و کمیت e نشان دهنده ي فاصله اولیه بین لوله و بستر می باشد.
از اهداف اصلی کنترل کنندههاي آبشستگی کاهش عمق حفره آبشستگی می باشد. روشهاي بسیار زیادي جهت کاهش آبشستگی موضعی نظیر استفاده از سنگچین، تشک هاي محافظ سیمانی، پوششهاي گیاهی مصنوعی، طوق و... انجام شده است.[7] مطالعاتی نیز در زمینه استفاده از آبپایهها به منظور پایداري بستر رودخانههاي شیبدار انجام دادهاند[8] و برخی از آبپایه جهت کنترل آبشستگی در پایه پلها استفاده کردند.[9] آنها آبپایه را در پاییندست پایه و در فواصل مختلف از پایه کار گذاشته و آزمایش ها را مورد مطالعه قرار دادند. در تحقیق حاضر با استفاده از این روش، از آبپایه به منظور کاهش عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله استفاده گردیده است.
-2 مواد و روش ها
آزمایش ها در فلوم مستطیلی فلزي- شیشه اي به طول 10 متر، عرض 25 سانتی متر و ارتفاع 50 سانتی متر انجام شد. جریان آب به وسیله یک الکتروموتور به قدرت 100 اسب بخار و حداکثر پمپاژ 60 لیتر بر ثانیه از مخزن اصلی وارد فلوم میشود و عمق پایاب توسط یک دریچه قابل تنظیم در پایین دست طوري تنظیم میشود که شرایط استغراق برقرار شود. مقدار عمق جریان به وسیله عمق سنج با دقت 0/1 میلی مترکه در بالاي فلوم نصب میشود قرائت گردید. ابتدا و انتهاي فلوم با استفاده از کف کاذب تا ارتفاع 13 سانتیمتر بالا آورده شده و روي قسمت ابتدایی کف کاذب با استفاده از ذرات ماسه پوشانده شد تا جریان یکنواخت در ابتداي بستر شنی ایجاد شود.
براي حذف تاثیر غیر یکنواختی رسوبات بر آبشستگی موضعی، انحراف معیار هندسی ذرات براي رسوبات با دانه بندي یکنواخت حدود 1/4 در نظر گرفته شد .[1] در ابتداي هر آزمایش براي جلوگیري از آبشستگی ناخواسته در سطح بستر، فلوم از انتهاي پایین دست از آب پر و بعد از رسیدن به عمق قابل قبول جریان را ساکن نگه داشته و لوله در نقطه ي مورد نظر - در 80 سانتی متري از ابتداي بستر - قرار داده شد.
براي آبگیري اولیهي فلوم، جریان به آرامی برقرار میشد تا مانع از بهم خوردن بستر و تشکیل ریپل در سطح بستر شود. پروفیل آبشستگی در فواصل منظم بر روي یک صفحهي شفاف با مش بندي هاي - - 1x1 میلی متر که در قسمت خروجی دیواره ي شیشه اي نصب شده ترسیم شد. در این آزمایش ها سرعت متوسط جریان ورودي - U - تقریباً بین 0/8 تا 0/9 سرعت بحرانی - Uc - تنظیم شد تا شرایط آبشستگی آب زلال بر قرار گردد. سرعت بحرانی ورودي توسط رابطه نیمه لگاریتمی - 7 - بدست می آید
که در این معادله سرعت برشی بحرانی ذرات می باشد که از دیاگرام شیلدز به دست می آید و d اندازه ي میانه ذرات رسوب می باشد. قطر ذرات رسوب و شدت جریان در این آزمایش ها ثابت در نظر گرفته شد. در انجام آزمایش ها سه لوله از جنس پلی اتیلن نسوز با مقطع دایره اي با قطر هاي 20 ، 30 و 40 میلی متر بکار برده شد. در حالت همراه با آبپایه از یک آبپایه به ضخامت 5mm، به طول 25cm - عرض فلوم - و ارتفاع 10cm که در فاصله ي D/2 از لوله D - قطر لوله - قرار گرفت، استفاده شد و در این حالت لوله در دو موقعیت روي بستر و در فاصلهي D/4 از بستر، قرار داده شد
جدول - 1 شرایط جریان در آزمایش هاي انجام شده
در این تحقیق مدت زمانی که تغییرات عمق آبشستگی در سه ساعت متوالی بیش از یک میلیمتر نباشد به عنوان معیار زمان تعادل در نظر گرفته شد.[11] با توجه به اینکه تغییرات عمق آبشستگی را نمیتوان با استفاده از اعداد فرود متغییر پیشبینی کرد به همین علت در طول آزمایشات فقط از یک عدد فرود - Fr=0/15 - استفاده شده است.[9] پس از هر آزمایش براي اندازهگیري میزان آبشستگی به کمک یک عمق-سنج که در عرض و طول فلوم به راحتی حرکت میکرد استفاده شد.
-3 نتایج و بحث
– 1- 3 حالت لوله بدون آبپایه
آزمایشات شاهد با مدت زمان طولانی براي هر دو لوله با قطرهاي 30 و 40 میلیمتر صورت گرفت. نتایج مربوط به عمق نسبی آبشستگی براي هر دو لوله در شکل 1 نشان داده شده است. نسبت ds براي لوله هاي 30 و 40 میلیمتري در20 ساعت به مقدار عددي 0/3 و D 0/29 رسیدند.
