آبشستگي پايهي پل
يکي از مهمترين سازههايي که از دير باز مورد توجه همگان بوده، پل است. جهت عبور از رودخانهها، وجود پلها اجتنابناپذير است. يکي از مهمترين عوامل تخريب پلها، آبشستگي موضعي ( Local scour) در پايههاي آنها است و بشر همواره به دنبال مهار اين پديده بوده است. آبشستگي پديدهاي است که در اثر اندرکنش آبوخاک، بستر رودخانه يا سواحل دچار تغييرات شوند. بررسي‌هاي انجام شده نشان مي‌دهد كه عامل اساسي تخريب پلها عدم رعايت مسايل هيدروليكي است (شكل 1). تخريب پلها در هنگام وقوع سيلاب باعث اختلال در سيستم حمل‌ونقل ميگردد و باعث ايجاد معضلات اجتماعي و حتي مخاطرات جاني ميگردد (شكل 2).
در طي 60 سال گذشته، مطالعه آبشستگي موضعي در پايهي پلها مورد توجه محققين متعددي قرار گرفته است. الگوي جريان در اطراف پايهي پل بسيار پيچيده است (شكل 3). جريان سهبعدي غيردایمي و بستر متحرک باعث شده که اين زمينهی تحقيقاتي همچنان در حال توسعه باشد. هنگاميکه جريان يکبعدي آب به پايهي پل برخورد ميکند، سيستمهاي گردابي اطراف پايه ايجاد ميشوند و جريان سهبعدي خواهد شد. چهار مرحلهي اساسي در طي توسعهي آبشستگي قابل تشخيص است:
مرحلهي اول) در زمان شروع آبشستگي، جريان يك‌بعدي به پايهي پل برخورد كرده، پس از منحرف شدن باعث تشکيل گرداب اوليه خواهدشد. اين گرداب باعث افزايش تنش برشي در کنارههاي پايهي پل و حرکت رسوبات ميگردد. در پاييندست پايه، جدايش جريان در محدودهي برخاستگي اتفاق خواهد افتاد.
مرحلهي دوم) وقتي چالهي آبشستگي به جلوي پايه ميرسد، گرداب اوليه ناپديد ميگردد و نقطهي جدايش از محور کانال در پاييندست به سمت بالادست منتقل ميگردد.
مرحلهي سوم) در اين مرحله، گردابي در چالهي آبشستگي شکل خواهدگرفت که در پلان شبيه به نعلاسب است، از اين رو به آن گرداب نعلاسبي ( Horseshoe vortex) گفته ميشود.
مرحلهي چهارم) سيستم گرداب نعلاسبي به‌طور کامل توسعهيافته و بهعلت توسعهي چالهي آبشستگي، سرعت جريان کاهش مييابد و سرعت توسعهي آبشستگي کاهش خواهد يافت. عامل اصلي در توسعهي آبشستگي، گرداب نعلاسبي توسعهيافته بوده و جريان جداشده از پايه و ناحيهي متصل برخاستگي فقط در محدودهي بالايي سطح آب موثر خواهند بود. گرداب برخاستگي ( Wake vortex) عامل انتقال مواد جدا شده از بستر در اثر گرداب نعلاسبي به پاييندست پايه است. با افزايش فاصله از پايه، قدرت گرداب برخاستگي به شدت کاهش مييابد. بههمين دليل، در پاييندست پايه غالباً با يک انباشتگي رسوب مواجههايم.
به‌طور كلي، دو روش اساسي جهت كنترل آبشستگي وجود دارد:
1) بالابردن مقاومت مواد تشكيل‌دهنده‌ي بستر: در اين روش، بالابردن مقاومت مصالح بستر در برابر جريان آب مدنظر است. اگر بستر رودخانه با ذرات درشت دانه‌تر جايگزين شود، احتمال شسته‌شدن بستر كم ميشود. استفاده از سنگ‌چين ( Riprap) از جمله روش‌هاي بالابردن بردن مقاومت بستر است (شكل 4). سنگ‌چين مي‌تواند از مصالح شكسته و يا رودخانه‌اي تشكيل شده و مي‌تواند به‌صورت گابيون اجرا شود.
2) كاهش قدرت جريان: از آنجا‌يي‌كه جريان روبه‌پايين، گرداب نعلاسبي و گرداب برخاستگي سه عامل مهم آبشستگي است، هر عاملي كه بتواند قدرت اين عوامل را كاهش دهد، مي‌تواند باعث كنترل آبشستگي گردد. استفاده از طوق ( Collar) يكي از اين وسايل است (شكل 5). طوق يك صفحه با ضخامت كم است كه دور پايه را مي‌پوشاند. طوق به‌مانند يك مانع در برابر جريان روبه‌پايين عمل مي‌كند و باعث تضعيف جريان روبه‌پايين و در نتيجه كاهش قدرت گرداب نعلاسبي ميگردد.
تحقيقات اخير بر روي آبشستگي تحت فشار ( Pressure flow) متمركز شده است كه در آن، عرشه‌ي پل مستغرق ميگردد (شكل 6). از ديگر زمينه‌ها مي‌توان به آبشستگي پايهي پل با پي عريض (شكل 7) و تأثير آبشستگي بر ظرفيت باربري شمع‌هاي واقع در زير پي پايهي پل اشاره كرد (شكل 8).
مقالات پژوهشي نويسنده در اين زمينه
Zarrati, A.R., Chamani, M.R., Shafaie, A., and Latifi, M. (2010). “Scour countermeasures for cylindrical piers using riprap and combination of collar and riprap”. International Journal of Sediment Research, 25(3), 313-321. Moredetails
Aarabi, M.J., Chamani, M.R., Dehghani, A.A., and Asghari, K. (2011). “Numerical Simulation of Temporal Evolution of Local Scour in Bridge Pier with Nonuniform Sediment”. Advanced Materials Research, Volumes 250–253, 3610-3614. More details
.