چکیده

آبشستگی اطراف پایههای پل یکی از مهمترین دلایل عدم پایداری و تخریب پلها گزارش شده است. تخریب این پلها نه به دلیل عوامل سازهای، بلکه به دلیل در نظر نگرفتن نقش عوامل هیدرولیکی در طراحی سازهها میباشد. دو عامل مهم باعث ایجاد آبشستگی اطراف پایه های پل می شوند یکی برخورد جریان با پایه و دیگری جدایی جریان از پایه. سامانههای گردابهای پیچیده در اطراف پایه موجب حفر گودالی بهنام حفره آبشستگی میشود. توسعه این گودال در اطراف پایهها باعث خالی شدن زیر پیها و در نتیجه خرابی آنها و خرابی پل می شود. در این تحقیق، اثر قرارگیری طوق مشبک و طوق ساده بر آبشستگی پایه پل مکعبی مورد ارزیابی قرار گرفت. نصب طوق از تماس مستقیم جریان پایین رونده در جلو پایه با بستر رودخانه جلوگیری میکند و توان گرداب نعلاسبی را کاهش میدهد. به این منظور آزمایشات با چهار طوقه ساده، %۱۵، %۳۰ و %۴۰ مشبک در شرایط آب زلال و با سه فرود ۰/۱۹، ۰/۱۶ و ۰/۱۳ در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شد. نتایج آزمایشات تا %۷۰ کاهش در عمق بیشینه آبشستگی را نشان میدهد. همچنین با کاهش فرود جریان در تمامی طوقهها با درصدهای بازشدگی مختلف، میزان آبشستگی کاهش یافت.

واژههای کلیدی: آبشستگی، پایه پل مکعبی، طوقه ساده، طوقه مشبک

مقدمه

پلها به عنوان سازههای ارتباطی راهها از اهمیت ویژهای برخوردارند. تخریب یا صدمه دیدن پی پایهها بر اثر سیلاب، یکی از مسایل مهم در آسیب دیدگی پلهای قرار گرفته بر روی رودخانهها است. پس از برخورد جریان به دماغه پل، با توجه به اینکه سرعت جریان از بستر رودخانه به طرف سطح آب بیشتر میشود، فشار بیشتری نیز در ترازهای بالاتر روی پایه ایجاد میشود و به این ترتیب گرادیان فشاری روی پایه از بالا به پایین بوجود میآید که خود باعث یک جریان رو به پایین در جلو پایه میشود. جریان رو به پایین همانند یک جت عمودی عمل کرده و پس از برخورد به بستر رودخانه ضمن حفر بستر به هر طرف پراکنده میشود (رادکیوی، .(۱۹۹۸ مقداری از این جریان که به سمت بالا بازگشت میکند، در برخورد به جریان عمومی رودخانه، مجبور به حرکت در جهت جریانشده و مجدداً به پایه برخورد میکند. این چرخش جریان و بازگشت آن در داخل حفره کنده شده، گردابی تشکیل میدهد که به تدریج در دوطرف پایه، امتداد یافته و شکلی شبیه نعل اسب پدید میآورد که به آن گرداب نعل اسبی میگویند. تشکیل گرداب نعل اسبی در داخل حفره آبشستگی، باعث تسریع در حفر آن شده و ذرات جداشده از بستر، توسط جریان اصلی رودخانه به پایین دست حمل میشوند.

در اثر جدایی جریان در کنارههای پایه نیز گردابهایی تشکیل میشوند که محور آنها عمود بر بستر رودخانه است و به آنها گردابهای برخاستگی میگویند. این گرداب ها همانند گردباد ذرات بستر را جدا کرده و در معرض جریان قرار میدهند و به انتقال ذرات از جلو و اطراف پایه به سمت پاین دست کمک میکنند. حفر گودال آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی آن قدر ادامه مییابد تا حجم آب درون حفره آبشستگی زیاد شده و انرژی گرداب را مستهلک کند. در این حالت عمق آبشستگی به حالت تعادل میرسد (رادکیوی و اتما، .(۱۹۸۳ شکل ۱ الگوی جریان و حفره آبشستگی اطراف پایه پل را نشان میدهد. شکل ۲ نمونه ای از آبشستگی پایه پل در طبیعت است.

شکل -۱ الگوی جریان و حفره آبشستگی شکل-۲ آبشستگی اطراف پایه پل

روشهای کنترل آبشستگی به طور کلی میتوان به دو گروه اصلی که عبارتند از روشهای مقاوم سازی بستر و روشهای تغییر الگوی جریان تقسیم نمود. در روش اول بستر رودخانه در مجاورت پایههای پل با قراردادن اجزا سنگین و مقاوم به آبشستگی محافظت میگردد . از نمونه های این گروه میتوان به گابیون، ریپ رپ، گابیون تشکی و…. اشاره نمود. دسته دوم شامل مواردی است که با اثر گذاری بر جریان اطراف پایههای پل، انرژی جریانهای گردابی مؤثر در ایجاد آبشستگی را تضعیف میکند. از جمله این روشها استفاده از صفحهای نازک است که در یک ارتفاع مشخص از پایه پل نصب میشود و طوقه نامیده میشود. حسن طوق آن است که پس از احداث رودخانه حتی زمانی که آب در رودخانه جریان دارد، قابل اجرا است. طریقه اجرا به این شکل است که دو نیم صفحه از طوق را در محل مربوطه از دو طرف مقابل هم قرار میدهند و سپس آن دو را بههم جوش میدهند. بهعلاوه، طوق در سیلابهای شدید آسیب نمیبیند، در صورتی که سنگچین توانایی تحمل سیلاب بیشتر از سیلاب طرح را ندارد. از عیبهای این روش آن است که طوق آبشستگی را بهطور کامل برطرف نمیکند و همچنین نصب آن احتیاج به دقتی به مراتب بیشتر از سنگچین دارد (بلوچی، .(۲۰۱۰

لارسن و توچ (۱۹۵۶) را میتوان از محققین پیشگام در استفاده از طوق دانست. آنها از وسیله ای شبیه طوق برای جلوگیری از آبشستگی پایه پل استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که آبشستگی کاهش یافته است. مطالعات گستردهای که توسط تاناکا و یانو (۱۹۶۷) صورت گرفت نشان میدهد که نصب یک طوق به پایه موجب کاهش قابل توجهی از میزان آبشستگی اطراف پایه میشود، همچنین بکار بردن یک طوق با قطر سه برابر قطر پایه پل در تراز بستر رودخانه نشان دهنده کاهش عمق آب شستگی برابر با %۲۲ میباشد. توماس (۱۹۶۷) برای جلوگیری و کاهش آبشستگی اطراف پایهی پل تحقیقاتی انجام داد و مشاهده کرد، عمق و توسعه حفره آبشستگی بوسیله طوق کاهش مییابد. زراتی و عزیزی (۱۳۷۶) با استفاده از طوقی به پهنای عرض مدل توانستند آبشستگی را %۸۰ کاهش دهند. بر طبق نظر زراتی و همکاران (۲۰۰۴) طوقها در کاهش آبشستگی پایههای مستطیل شکل مؤثرتر از پایه های دایرهای عمل میکنند. بر طبق نظر دیفانتی و همکاران (۲۰۱۰) شرایط جریان نیز بر میزان راندمان طوق در کاهش عمق آبشستگی مؤثر میباشد، به عنوان مثال طوقها در سرعتهای پایین جریان آب از عملکرد بهتری برخوردار میباشند. نتایج بسیاری از آزمایشات انجام گرفته نشان میدهد در پایههای طوقدار سرعت آبشستگی کاهش یافته و زمان شروع آبشستگی به تأخیر میافتد.

مواد و روشها

در این تحقیق از فلوم آزمایشگاهی به طول ۷/۳ متر، عرض ۰/۵۶ متر و عمق ۰/۶ متر با شیب طولی ۰/۰۰۲۸ استفاده شده است. دیوارهها و کف فلوم از جنس پلکسیگلاس شفاف میباشد. بازهای از فلوم به طول تقریبی ۲ متر، به ضخامت ۰/۱۱ متر با رسوبات ماسه ریز با دانهبندی یکنواخت و قطر متوسط ۰/۰۰۰۵ متر پوشیده شد. جریان مورد نیاز با استفاده از یک پمپ سانترفیوژ از مخزن تامین آب وارد مخزن آرام کننده در ابتدای فلوم میگردد. به منظور حذف تلاطم ورودی، از یک صفحه مشبک آرام کننده، در فاصله ۱ متری از دهانه ورودی فلوم، استفاده شده است. جریان پس از خروج از فلوم، وارد یک حوضچه میگردد و با عبور از روی یک سرریز مثلثی استاندارد ۵۳درجه، مجدداً وارد مخزن تامین آب میگردد. اندازهگیری دبی جریان با قرائت ارتفاع آب روی رأس سرریز و با استفاده از رابطه دبی- اشل سرریز صورت گرفت. در تمامی آزمایشها فاصله پایه از ابتدای بستر رسوبی ۱/۳ متر بود. پایه از جنس پلکسیگلاس و به صورت مکعبی با ابعاد ۴ سانتی متر به ارتفاع ۵۰ سانت و به صورت مدرج تهیه شده بود. از صفحههای مربعی شکل با ابعاد ۱۲ سانتیمتر و از جنس پلکسیگلاس در چهار حالت ساده، %۱۵ مشبک، %۳۰ مشبک و %۴۰ مشبک به عنوان طوقه استفاده شد. این طوقه ها در فاصله ۱ سانتیمتری از بستر روی پایه نصب شدند. قبل از شروع هر آزمایش از تراز بودن طوقه توسط عمق سنج لیزری اطمینان حاصل میشد.