آبشستگی و اثر شمع فداشونده در پایه پل

آبشستگی

آبشستگی و اثر شمع فداشونده با حضور شکاف و طوق در کاهش عمق آبشستگی موضعی پایه پل

2-1-1 آبشستگی..

2-1-2 انواع آبشستگي

2-1-2-1 آبشستگي عمومی (طبیعی).

2-1-2-2 آبشستگي در اثر کاهش مقطع..

2-1-2-3 آبشستگي موضعی…

2-1-3 آبشستگي از نظر حمل رسوب..

2-1-3-1 آبشستگي در آب زلال..

2-1-3-2 آبشستگي در بستر زنده ( حاوی رسوب ).

2-1-4 مکانیزم آبشستگي موضعی در تک پایه.

2-1-5 مکانیزم آبشستگي در گروه پایه.

2-1-6 منطقه جداشدگی خطوط جریان اطراف پایه پل.

2-2 آبشستگی پایه.

2-3 روشهای کاهش آبشستگي و توصیه­ ها

2-3-1 ایجاد پوشش حفاظتی در اطراف پایه.

2-3-2 کاهش قدرت گردابه­ها

2-3-2-1 شمع فداشونده.

2-3-2-2 شکاف…

2-3-2-3 طوق..

2-3-2-4 صفحات مستغرق..

2-3-2-5 روشهای تلفیقی…

4-2 گروه پایه.

5-2 کمبود مطالعات گذشته.

بحث و نتایج

4-1 مقدمه.

4-2 آبشستگی در تک پایه.

4-3 مقایسه عملکرد طوقها

4-3-1 بهترین محل قرار گیری طوق بر روی پایه.

4-3-2 اندازه طول طوق در کاهش آبشستگي ..

4-3-3 مقایسه اشکال طوق در کاهش آبشستگي ..

4-4 مقایسه روش­های کاهش آبشستگي در تک پایه.

4-5 مقایسه روش­های ترکیبی در تک پایه.

4-6 آبشستگی در گروه پایه.

4-6-1 آبشستگي در گروه پایه دوتایی در جهت جریان.

4-6-2 آبشستگي در گروه پایه سه­تایی در جهت جریان.

4-6-3 آبشستگي در گروه پایه دوتایی عمود بر جهت جریان.

4-6-4 آبشستگي در گروه پایه سه­تایی عمود بر جهت جریان.

4-7 مقایسه روش­های کاهش آبشستگي در حالتG2.

4-8 مقایسه روش­های کاهش آبشستگي در حالت G3.

4-9 مقایسه روش­های کاهش آبشستگي در حالتهای G2V و G3V..

4-10 بررسی شکل چاله آبشستگي ..

4-10-1 شکل چاله آبشستگي در حضور شمع فداشونده

4-10-2 بررسی شکل چاله آبشستگي در حضور طوق مربعی..

4-10-3 شکل چاله آبشستگي در حضور شکاف..

4-10-4 شکل چاله آبشستگي در حضور طوق دایره­ای..

4-10-5 شکل چاله در حضور شمع فداشونده و طوق مربعی..

4-10-6 شکل چاله در حضور شمع­فداشونده و طوق دایره­ای..

4-10-7 شکل چاله در حضور شمع فداشونده و شکاف..

4-10-8 شکل چاله در حضور شمع­فداشونده، طوق مربعی و شکاف..

4-10-9 شکل چاله در حضور شمع­فداشونده، شکاف و طوق دایره­ای..

4-10-10 شکل چاله در حضور طوق لوزی..

منابع

 آبشستگی

آبشستگی به­معنی جدایی رسوب از اطراف یا نزدیکی و حمل آن توسط جریان است. این عمل باعث کاهش سطح بستر از اطراف سازه شده و فونداسیون سازه نمایان می­شود. با این عمل تمامیت ساختاری سازه به خطر می­افتد (وزارت نیرو نشریه 594، 1390).

 انواع آبشستگی

آبشستگی را از چندین لحاظ طبقه ­بندی می­کنند:

الف – از نظرعلت به­وجود آمدن آن، که شامل، آبشستگي عمومی ( طبیعی )، آبشستگی ناشی از تنگ­شدگی، آبشستگي موضعی است. آبشستگي کل از جمع سه آبشستگي ذکر شده به­دست می­آید.

ب – آبشستگي از نظر حمل رسوب، که شامل آبشستگي در حالت آب زلال[1] و آبشستگي در حالت حاوی رسوب[2] است (وزارت نیرو نشریه 549، 1390 ).

آبشستگی عمومی (طبیعی)

این نوع آبشستگی زمانی رخ می­دهد که بستر در بازه­ای از رودخانه قادر به حمل رسوب باشد. هرگاه کل بستر رودخانه در بازه­ای که پل در آن قرار دارد، شسته شده و نسبت به بستر طبیعی رودخانه در بالادست، در تراز پایین­تری قرار بگیرد، آبشستگي طبیعی رخ داده­است. این پدیده، در بسیاری از رودخانه­ها با بستر متحرک بوجود می­آید ( اداره حمل و نقل فلوریدا[3]).

آبشستگی در اثر کاهش مقطع

بر اثر کاهش سطح مقطع رودخانه­ها به علت وجود تاسیسات یا علل دیگر موجب آبشستگی می­گردد. تنگ شدن مسیر جریان در محل احداث پل، باعث بالا آمدن سطح آب در بالادست پل و افزایش سرعت جریان می­شود. در نتیجه این عمل، پتانسیل حمل رسوب و یا شدت فرسایش افزایش می­یابد. معمولا در اینگونه موارد عمل فرسایش آنقدر ادامه خواهد داشت تا اینکه سطح مقطع جریان به­اندازه­ای افزایش می­یابد و ظرفیت حمل رسوب کاهش­یافته و برابر ظرفیت حمل رسوب در مقاطع بالادست محل پل می­گردد، در این حالت فرسایش تقریبا متوقف می­شود (شفاعی بجستان، 1390).

آبشستگی موضعی

آبشستگی موضعی در جایی رخ می­دهد که یک مانع مانند سازه­های هیدرولیکی ( پایه پل و نیم­پایه ) در میدان جریان اختلال ایجاد کند. واژه “محلی” به این دلیل استفاده می­شود که آبشستگي در تمام و یا حتی بخشی از کانال رخ  نمی­دهد بلکه فقط در مجاورت محل انسداد اتفاق می­افتد. بنابراین جریان­های درهم به­طور موضعی افزایش می­یابد و یک سلسله جریان­های گردابی ایجاد می­شود.

دو نوع رایج آبشستگی موضعی که در پل وجود دارد، آبشستگي پایه پل و آبشستگي نیم پایه است. یخ و آوار باقی­مانده در جریان نیز می­تواند در آبشستگي موضعی تاثیرگذار باشد (زونبرگن و همکاران، 2012 )[4].

بسته به نوع پایه و شرایط جریان، سیستم گردابی، ممکن است ترکیبی از یک یا چند نوع از سیستم­های زیر باشد. این سیستم­های گردابی مکانیزم اصلی آبشستگی به­حساب می­آیند.

• 1-سیستم گردابی نعل اسبی[5]
• 2-سیستم گردابی شیاری[6]
• 3-سیستم گردابی دنباله­دار[7]
• 4-سیستم گردابی رو به پایین[8]
• 5-سیستم گردابی موج کمانی[9] ( شفاعی بجستان 1390 ).

 آبشستگی از نظر حمل رسوب

آبشستگی رسوبات وقتی اتفاق می­افتد که رسوبات خارج شده از منطقه بیشتر از رسوبات وارد شده به آن باشد. حمل ونقل رسوب به دو دسته تقسیم میشود: 1- بار معلق و 2- بار بستر

وقتی ذرات رسوب در یک لایه نازک به ضخامت دو برابر قطر ذارت و در نزدیکی بستر می­لغزند، بار بستر می­گویند. ذرات رسوبی که در یک ستون آب بوسیله تلاطم و آشفتگی جریان، معلق می­شوند و همراه با گردابه­های ایجاد شده حمل می­شوند، بار معلق نام دارد.

حرکت رسوب زمانی آغاز می­شود که نیروهای وارد بر ذرات به یک مقدار آستانه که بیشتر از نیروهای نگهدارنده آنها در حالت سکون است، برسد. جریان روی رسوبات بستر نیروی بالابرنده[10] و درگ[11] روی ذرات بستر اعمال می­کند.

نیروی درگ و نیروی لیفت، دو نیروی جانبی و نوسانی هستند که بر پایه پل وارد می­شوند. نیروی درگ، در جهت جریان و نیروی لیفت عمود بر مسیر جریان وارد می­شوند. شکل مناسب پایه پل، نیروهای وارد به پایه را کمتر می­کند و همچنین شکل مقطع پایه پل با تاثیر گذاری بر چرخش گردابه­های تشکیل شده در بستر، بر آبشستگی نیز موثر خواهد بود.

معادله­ی حاکم بر جریان لزج واقعی، معادله ناویر استوکس است که حل آن به­ویژه برای اعدادرینولدز بالا به­سادگی امکان­پذیر نیست. نحوه تشکیل پدیده شکست گردابه­ها با بعد جسم (D)، جرم مخصوص سیال (ρ)، سرعت سیال (V) و لزجت دینامیکی سیال (µ) یا در واقع عدد رینولدز جریان، مرتبط است. در اعداد رینولدز بالا گردابه­های تشکیل شده در دو طرف پایه ناپایدار شده و یک گردابه بیشتر از دیگری رشد می­کند و پدیده شکست گردابه­ها را تشکیل می­دهد. فرکانس شکست گردابه به­صورت تابعی از عدد رینولدز بیان می­شود.جرارد در سال 1966 اظهار داشت که پدیده شکست گردابه برای اعداد رینولدز بزرگتر از 40 اتفاق می­افتد. همچنین ضرایب نیروی درگ و لیفت نیز تابعی از عدد رینولدز است.

وقتی که نیرو بر واحد سطح مماس بر بستر (تنش برشی بستر) از مقدار بحرانی (تنش برشی بحرانی) بیشتر شود، رسوبات بستر شروع به حرکت می­کنند .برای رسوبات غیرچسبنده (مثل ماسه) تنش برشی بحرانی به چگالی و گرانروی (ویسکوزیته) آب، چگالی رسوب ،اندازه و شکل ذرات رسوب، زبری بستر و سرعت آب در محل بستگی دارد. برای رسوبات چسبنده (مثل لجن[12] و رس) و سنگ فرسایش­پذیر علاوه بر خصوصیات آب و رسوب، نوع اتصال ذرات نیز نقش ایفا می­کنند.

 آبشستگی در آب زلال

آبشستگی در آب زلال در شرایطی اتفاق می­افتد که مواد بستر بالادست پل هیچ­گونه حرکتی نداشته و جریان حاوی رسوب نباشد. یعنی اینکه شرایط جریان در بستر افقی به آستانه حرکت نرسیده و سرعت جریان کمتر از سرعت آستانه­ی حرکت رسوبات می­باشد. (رادکیوی و اتما، 1983). در این حالت شتاب جریان و گردابه­های ایجاد شده در محل پایه پل باعث حرکت مواد و حفر گودال اطراف آن می­شود. در آبشستگی آب زلال، عمق آبشستگی رابطه تقریبا خطی با نیروی برشی یا سرعت جریان دارد، بدین معنی که با افزایش سرعت جریان عمق آبشستگی نیز افزایش می­یابد تا اینکه سرعت به سرعت بحرانی نزدیک شده و ذرات در آستانه حرکت قرار می­گیرند.

شکل 2-1 نمودار  تغیرات عمق آبشستگی نسبت به سرعت جریان را نشان می­دهد. با افزایش سرعت جریان، عمق آبشستگی زیاد شده تا اینکه سرعت به سرعت آستانه و عمق آبشستگي به حداکثر مقدار خود می­رسد و آبشستگی در حالت آب زلال رخ می­دهد. وقتی سرعت از سرعت بحرانی گذشت رسوبات در آستانه حرکت قرار می­گیرند و عمق آبشستگي کاهش می­یابد تا به مقدار ثابتی می­رسد، در این­صورت آبشستگي در حالت بستر زنده می­باشد که در قسمت بعد توضیح داده می­شود.

آبشستگی در بستر زنده ( حاوی رسوب )

در این حالت شرایط جریان در بستر افقی از شرایط آستانه عبور کرده، سرعت جریان افزایش یافته، حرکت عمومی رسوبات انجام می­گیرند. بنابراین جریان حاوی رسوب است. در این­صورت بخشی از رسوبات که از بالادست منتقل می­شوند وارد حفره آبشستگی می­شود، بنابراین عمق تعادلی آبشستگی در این حالت کمتر است ( ملویل و ساترلند، 1989 ).

 مکانیزم آبشستگی موضعی در تک پایه

جریان منظم و یکنواخت رودخانه پس از برخورد با پایه پل دچار دگرگونی می­شود و در اثر انحراف خطوط جریان و تشکیل لایه مرزی، ناحیه پرفشار در بالادست پایه و ناحیه کم فشار در پایین دست آن به­وجود می­آید. این امر باعث تشدید گردیان فشار و به­وجود آمدن نوعی جریان ثانویه در اطراف پایه پل می­شود. این میدان جریان ایجاد شده در اطراف پایه پل از سه ناحیه مشخص تشکیل شده است.

در رویه بالایی بخشی از جریان پس از برخورد با پیشانی پل به سمت پایین منحرف می­شود و ناحیه جریان رو به پایین را تشکیل می­دهد. این جریان رو به پایین که عامل اولیه آبشستگی است، مانند یک جت عمودی عمل می­کند و مواد کناره پایه پل را بلند کرده و جریان معمولی آب آن­را می­شوید. ( انتصار، 2013[13] ). وقوع چنین پدیده­ای ناشی از ویژگی توزیع سرعت و کاهش مقدار آن در مجاورت بستر در جریان یکنواخت بالادست است که خود باعث عدم توازن در فشارهای دینامیک است.

گرداب نعل اسبی بخش مهم دیگری از میدان جریان ایجاد شده بوده و در واقع بیشترین سهم آبشستگی، مربوط به این نوع جریان است. این جریان پیچشی قوی از نوع سه بعدی بوده، در ابتدا کوچک و قدرت آن ضعیف است ولی پس از تشکیل حفره آبشستگی، از لحاظ قدرت و اندازه رشد می­کند. چرخش آب در گودال جلوی پایه به دو طرف پایه کشیده می­شود و گردابی شبیه نعل اسب ایجا می­کند که به گرداب نعل اسبی معروف است.

ناحیه پایین دست پایه، موسوم به ناحیه برخاستگی، سومین بخش از میدان جریان و کانون تشکیل گردابه­های متعدد و فعال است. جریان­های چرخشی ایجاد شده در این ناحیه کم فشار عموما حول محور قائم ایجاد می­شود.

منشا همه این گرداب­ها پدیده جدایی جریان[14] و تشکیل لایه­های برشی[15] ناشی از این فرآیند در دوطرف پایین دست پایه است. شکل 2-3 گرداب­های ایجاد شده اطراف پایه، الگوی جریان اطراف آن و مکانیزم آبشستگی را نشان می­دهد.

(پاورقی)

[1] Clear Water Scour

[2] Live Bed Scour

[3]Florida Department Of  Transportation

[4] Zevenbergen et al., 2012

[5] Horse Shoe Vortex

[6] Wake Vortex

[7] Trailing Vortex

[8] Down flow Vortex

[9] Bow wave Vortex

[10] Lift

[11] Drag

[12] Mud

[13] Entesar 2013

[14] Stream separation

[15] Layers shear

روش­های کاهش آبشستگی و توصیه­ها

برای مقابله با پدیده آبشستگی پایه پل سه راهکار عمده زیر متدوال است.

الف- قرار دادن پی ( فونداسیون ) پایه در تراز پایین­تر از عمق گودال آبشستگی

ب- ایجاد پوشش حفاظتی در اطراف پایه

ج- کاهش قدرت گردابه­های ایجاد شده در اطراف پایه

همچنین در مواردی برای کاهش موثر عمق گودال آبشستگی استفاده از روش­های تلفیقی متداول شده­است.

در بسیاری از موارد به لحاظ اجتناب از تبعات حاصل از تخریب پل روش اول ترجیح می­شود. به­خصوص در مواردی که عمق فرسایش پیش­بینی شده از 6 متر تجاوز کند قرار دادن فونداسون در عمق بیشتر از عمق گودال آبشستگی الزامی خواهد بود. برای فرسایش­های کمتر از 6 متر دو روش دیگر و روش تلفیقی توصیه شده­است ( چو[1] 1967).

جهت مشاهده نمونه های دیگر از مبانی نظری و ادبیات مهندسی کشاورزی کلیک کنید.

نمونه ای از منابع انگلیسی

• Ataie-Ashtiani, B., Beheshti, A.A. (2006). “Experimental Investigation of Clear- Water local scour at pill group.” Journal of hydraulic engineering., Vol.132, No.10, P.1100-1104.
• Alabi, P.D. (2006). Time development of local scour at bridge pier fitted with a collar. MA thesis, University of Saskatchewan, Canada.
• Ahmed Mohammed, T., Megat Mohd Noor, M.J., Ghazali, A. H., Yusuf, B., Saed, K. (2006). “Physical modeling of local scouring around bridge piers in erodible bed.” Journal of. King Saud Univ, Vol.19, No.11, P.195-207.
• Abdelazim, M. N., Gamal, M. M., Yasser, M.A., Amira, A. F. (2009). “Optimal shape of collar to minimize local scour around bridge pier.” Thirteenth International Water Technology Conference, Zagazig University, P.1283-1294.
• Babaeyan-Koopaei, K., Valentine, E.M. (1999). “Bridge pier scour in selfformed
• laboratory channels.” The XXVIII IAHR Congress. PP.22-27.
• Beg, M., Beg, S. (2013). “Scour reduction around bridge pier A Review.” International Journal of Engineering Inventions, Vol.2, No.7, PP. 7-15.
• Chow, V. T. (1967). Open Channel Hydroulic. Mc Graw.Hill Book Company ING.
• Chang, F.F.M., Karim, M. (1972). “An experimental study of reducing scour around bridge piers using piles. Report.” South Dakota Department of Highways, Pierre, SD, USA.
• Chiew, Y.M. (1992). “Scour protection at bridge piers.” Journal of Hydraulic engineering., Vol.118, No.11, PP.1260-1269.
• Chiew Y.M., Lim, F. H. (2000). “Failure behavior of riprap layer at bridge piers under live-bed conditions.” Journal of Hydraulic Engineering., Vol.126, No.1, PP.43–55.
• Entesar, A.S. (2013). “Reduction of scour around bridge pier using a modified method for vortex reduction.” Alexandria Engineering Journal, Egypt.Vol.52, No.3, P.467-478.
• Anonymous (2005). Bridge Scour Manual.Florida Department Of Transportation, 129 P.
• Gao, D., Posand, L.G., Nodrin, C.F., (1993). “Peir scour equation used in china.” Journal of Hydraulic Engineering, Vol.99, No.40, P.1031-1036.
• Garde, R.J., Kothyari, U.C. (1998). “Scour around bridge pier” Journal of Proceedings of the Indian National Academy, Vol.64, No.4, PP.569-580.
• …
• …