چکیده

پل ها از شاهراه هاي حیاتی هر کشور محسوب می شوند، مسئله آبشستگی موضعی در اطراف پایه ها ي پل همواره با عنوان پدیده اي نامطلوب که پایداري پل ها را به مخاطره انداخته و موضوع بسیاري از تحقیقات انجام شده در صـد سـال اخیـر می باشد. این موضوع یکی از مسائل مطرح در علم مهندسی رودخانه و سازه هاي آبی است . امروزه اصول علمـی طراحـی سازه اي پل ها به خوبی شناخته شده، ولی تاکنون تئوري واحدي جهت تخمین آبشستگی موضعی در اطراف پایـههـاي پـل ارائه نشده که علت آن پیچیدگی مسئله آبشستگی می باشد. در تحقیق پیش رو با استفاده از مدل عددي یـک بعـدي و سـه بعدي به مسئله آبشستگی در پل دوم رودخانه میناب و مقایسه نتایج حاصله پرداخته شده است، یافته هاي تحقیـق نشـان مـی دهد که مدل هاي سه بعدي به دلیل اختیار عمل بیشتر در مدل سازي سازه ها، ارزیابی دقیـق تـري از نحـوه شـکل گیـري و توسعه آبشستگی در پایه هاي پل ها را نسبت به مدل هاي یک بعدي را دارا می باشند.

واژگان کلیدي: آبشستگی موضعی، پل دوم رودخانه میناب،پایه پل، HEC-RAS، Flow-3D

مقدمه

رودخانه میناب مهمترین رودخانه آب شیرین استان هرمزگان می باشدکه سد استقلال میناب بر روي این رودخانه واقع شـده اسـت. در فاصله ۵ کیلومتري پایین دست سد، پل اول رودخانه میناب و به فاصله تقریبی ۱۵۰۰ متر بعد از پل اول، پل دوم به قصد مسـیر کمربنـدي میناب- جاسک مورد بهره برداري قرار گرفته است. یکی از مهمترین عوامل تخریب پلها ، مسئله آبشستگی موضعی در اطـراف پایـههـاي آن می باشد. به طور کلی طراحی، محاسبه و احداث پایههاي پل، از مهمترین و حساسترین مراحل یک پروژه پل سازي میباشند، بخصوص هنگامی که پل در محل عبور یک رودخانه واقع شده باشد. در این زمان، طراح باید براي انتخاب طول و تعداد دهانهها و عمـق حـداقل پـی پایهها، اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی منطقه را در نظر گرفته، مورد تجزیه وتحلیل قرار دهد. مهمترین عامل میزان فرسایش بستر می باشد که در صورت بی توجهی به آن، می بایستشاهد عواقب خطرناکی از جمله تهدید پایداري پـل و نهایتـاً تخریـب آن بـود. در تحقیـق پیش رو، به مقایسه نتایج حاصل از آبشستگی پایه هاي پل دوم رودخانه میناب با استفاده از مدل هاي یـک بعـدي (بـا اسـتفاده از نـرم افـزار (HEC-RAS و سه بعدي (با استفاده از نرم افزار (Flow-3D با در نظر گرفتن اکثر عوامل (توپوگرافی منطقه، سـازه هـاي موجـود و …) در اثر وقوع دبی سیلابی با دوره بازگشت صد ساله، ۲۷۲۳) متر مکعب بر ثانیه) پرداخته شده است.

حالت هاي مختلف فرسایش (آبشستگی)

آبشستگی حاصل از جریان رودخانه در پلها را میتوان از این منظر به سه نوع تقسیم نمود.(: (Melville& Coleman, 2002 -1 آبشستگی عمومی۱ که باعث کاهش تراز بستر رودخانه می شود. -۲ آب شستگی موضعی۲ کـه ناشـی از برخوردمسـتقیم آب بـه سـازه هیدرولیکی میباشد -۳ آبشستگی انقباضی۳ با کاهش سطح مقطع رودخانه و به تبع آن بالا رفتن سرعت، در بستر رودخانه ایجاد میشود.

آبشستگی پایه پل یکی از انواع آبشستگی موضعی است که با ایجاد یک گودال اطراف پایه در نتیجـه جابجـایی رسـوب بـه وسـیله جریان، خود را نمایان می سازد. بنابراین، لازم است که مکانیسم آبشستگی به همراه ساختار جریان مربوط به اطراف پایه پل توصـیف شـود. در حالت عمومی، وجود یک سازه آبی به طور مثال وجود پایه پل در بستر رودخانه موجب میگردد تا سرعت جریان در برخورد بـه سـازه، در سطح بالادست سازه صفر شود و یک جدایی سه بعدي در لایه مرزي جلوي سازه را موجب گردد. با توجه بـه اینکـه سـرعت جریـان از سطح آب تا بستر از ماکزیمم مقدار خود به صفر کاهش مییابد، لذا مقدار فشار ایستایی نیز متناسب با سرعت از سـطح آزاد آب بـه سـمت بستر کاهش می یابد و این گردایان فشار باعث ایجاد جریان رو به پایین میگردد. جریان روبه پایین به علت وجـود گرادیـان فشـار ایسـتایی منفی روبه پایین از جریان غیر یکنواخت رسیده به سطح بالادست توسعه مییابد. برهم کنش بین جریان روبه پایین و لایه مـرزي افقـی روي بستر، باعث ایجاد گردابه در جریان میگردد. این دو سیستم به دور سازه پیچیده و بـه شـکل نعـل اسـب (در پـلان) اطـراف سـازه را احاطـه می نمایند. از این رو گردابه ایجاد شده به گرداب نعل اسبی۴ شناخته میشود. تأثیر گرداب نعلاسبی بـر روي بسـتر، جابجـایی مـواد از کنـار
سازه میباشد. .(Breusers, Nicollet & Shen., 1977)
معرفی مدل و معادلات حاکم بر جریان

معادلات حاکم

نرم افزارFlow-3D نرم افزاري چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازي به صورت دو بعدي و سه بعدي اسـت.

۱ – General Scour 2 – Local Scour 3 – Contraction Scour 4- Horse Shoe Vortex

این نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی((CFD بوده و توسط شرکت فلـو سـاینس (Flow Science) ارائـه شـده اسـت. روش حل معادلات در این نرم افزار بر اساس روش حجم محدودمی باشد. این مدل عددي در جریانهاي سه بعدي غیر ماندگار کـه داراي سـطح آزاد و هندسه پیچیده هستند کاربرد دارد. نرم افزار Flow-3D توانایی نمایش تغییرات لحظهاي پارامترهاي هیدرولیکی مختلف مانند عمق و سرعت در جهات مختلف و در هر مقطع دلخواه از سازه را به صورت فایل متنی یا گرافیکی داراست. یکی دیگر از خروجـیهـاي برنامـه نمایش دو بعدي تغیرات پارامتر هاي هیدرولیکی است. بدین صورت که امکان بررسی تغییرات پارامترهاي هیـدرولیکی در طـول، عـرض و پلان سازه به سهولت امکان پذیر است. نمایش سه بعدي تغییرات پارامترهاي هیدرولیکی مختلف در هر لحظه از جمله تواناییهاي دیگر این نرم افزار است.(قاسم زاده، ۱۳۹۲، سیفی و همکاران، .(۱۳۹۲

معادلات مورد استفاده این تحقیق شامل اصل بقا جرم (فرمول ۱ و (۲، و اندازه حرکت (فرمول ۳ تا (۱۰، به شرح زیـر اسـت. (قاسـم زاده، (۱۳۹۲
(۱) uAx wAz  vAy  uAxR  
RDIFRSOR x z y x  t VF
که در آن :VFحجم سیال، :دانسیته سیال، RSOR :ترم چشمه جرم است. u ، v وw به ترتیب مؤلفههاي سرعت در مختصات کارتزین (x,y,z) و یا مختصات استوانهاي((r,Ө,z است. A x،A yوAz به ترتیب مساحتهاي المان در جهت عمود بر مؤلفـههـاي x، y و z است. ضریب و R مربوط به نوع سیستم مختصات بوده و در مختصات کارتزین R=1 و  ۰اسـت. تـرم اول (RDIF) در سـمت راست ترم دیفیوژن تلاطم بوده و عبارتست از:
(۲) Ax       
 z A   R y A  R x A  RDIF 
x x
C p z z y y x 
ضریب p برابر است با که ضریب ویسکوزیته و Cp عدد اشمیت تلاطم است. این نوع دیفیوژن جرم مربـوط بـه

فرآیند هاي اختلاط تلاطم در سیالات با دانسیته غیر یکنواخت است. معادلات حرکت سیال در ۳ بعد شـامل معـادلات نـاویر_اسـتوکس بـا پارهاي ترم هاي اضافه تر بشرح زیر می باشد:
(۳) RSOR 1 P Ayv2 u u u  ۱ u
u fx  Gx   wAz vAyR uAx 
x xVF x t
VF z y VF 
که در آن :Gx شتاب جرمیدر جهت x و f x : شتاب گرانروي در جهات x اسـت، بـراي جهـت هـاي y و z، شـتاب جرمـی و
شتاب گرانروي در همان جهت در معادله شمارة (۳) قرار می گیرد. شتاب گرانروي در راستاي x از رابطه شمارة (۴) به دست می آید.
   
(۴)  A xx A  xz A  xy A R xx A  wsx x f V

 y yy x x z z y y x F
 x
تنش هاي برشی , yz , xz , xy , zz , yy xx در معادلات بالا، از معـادلات زیـر بدسـت مـیآینـد. (قاسـم زاده،
(۱۳۹۲
(۵) u  w v 1u u
 x z xRy xx ۲ x ۳
 
  
(۶) u  w v 1 u u v
 x z R y  ۳ x  x  yy ۲ y 
 
  

(۷) u   w  v R 1u  w
  zz ۲ 
 x z y x  ۳ z
  
 