مصطفی کوشکی

آب‌شستگی جریان تحت‌فشار در اطراف پایه‌های مخروطی‌شکل

چکیده

 آب‌شستگی را می‌توان به‌صورت حفر و جابه‌جایی ذرات بستر و کناره‌های رود‌خانه در اثر فعالیت فرسایشی جریان آب تعریف کرد. بروز این پدیده در اطراف پایه‌ی پل‌ها منجر به تخریب پل و تحمیل خسارات فراوانی می‌گردد. مطالعات بسیاری پیرامون عمق بیشینه‌ی آب‌شستگی و فرایند این پدیده انجام شده که اغلب به صورت آزمایشگاهی هستند. به دلیل سه‌بعدی بودن جریان حول پایه‌ها و انتقال هم‌زمان رسوب و تغییر مداوم بستر رسوبات، بررسی تحلیلی و عددی پدیده‌ی آب‌شستگی با دشواری‌هایی همراه است. بیش‌تر مطالعات در این زمینه مربوط به جریان آزاد بوده و مطالعات آب‌شستگی در اثر جریان تحت‌فشار کم‌تر بررسی شده است. در هنگام سیلاب و یا آب‌گرفتگی در معابر، سطح جریان آب به سطح زیرین عرشه‌ی پل می‌رسد و جریان از حالت آزاد به تحت‌فشار تبدیل می‌گردد. آب‌شستگی ناشی از جریان تحت‌فشار از حالت آزاد شدید‌تر است.

در تحقیق حاضر الگوی جریان آب‌شستگی و تاثیر ÷ارامترهای جریان در پایه‌های استوانه‌ای، مخروطی‌ و نیمه‌مخروطی در جریان تحت‌فشار به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. مدل فیزیکی پایه‌ها و عرشه‌ی پل در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده‌ی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان ساخته شده ‌است. آزمایش‌ها در کانالی با مقطع مستطیلی با عرض 6/0 متر، ارتفاع 7/0 متر و طول 9 متر صورت گرفته ‌است. عرض عرشه‌ی پل با عرض کانال برابر و ارتفاع و طول آن (در راستای جهت جریان) به‌ترتیب برابر با 20/0 و 25/0 متر بوده ‌است. از دو نوع پایه‌ی استوانه‌ای از جنس تفلون با قطر‌های 50 و 70 میلی‌متر و پایه‌های نیمه‌مخروطی و مخروطی‌ با قطر معادل برابر با پایه‌های استوانه‌ای استفاده شده ‌است. دانه‌بندی ماسه‌ی‌ استفاده‌شده در بستر به‌صورت یکنواخت و قطر متوسط آن 76/0 میلی‌متر با وزن مخصوص 65/2 است. معیار زمان تعادل در این تحقیق زمانی درنظر گرفته شده است که تغییرات عمق آب‌شستگی در بازه‌ی زمانی 8 ساعت از دو برابر قطر متوسط ذرات کم‌تر است. تمام آزمایش‌ها در شرایط آب‌زلال با شدت جریان‌های 5/0، 75/0 و 9/0 انجام شده ‌است. تأثیر پارامتر‌های مختلف از قبیل عمق جریان بالا‌دست، سرعت جریان بالا‌دست، عمق باز‌شدگی عرشه‌ی پل و قطر پایه بر روی میزان آب‌شستگی تحت‌فشار در اطراف پایه‌ها بررسی شده‌ است.

با برخورد جریان به عرشه، در زیر عرشه ناحیه‌ی جداشده ایجاد می‌شود که جریان در آن به حالت چرخشی در‌می‌آید. ایجاد ناحیه‌ی جدا‌شده موجب کاهش مقطع جریان عبوری و افزایش سرعت جریان در زیر عرشه می‌گردد. بررسی نتایج این تحقیق نشان می‌دهد در نسبت‌های استغراق عرشه‌ی پایین، میزان عمق بیشینه‌ی آب‌شستگی تحت‌فشار و ابعاد چاله در اطراف پایه‌های نیمه‌مخروطی و مخروطی نسبت به پایه‌های استوانه‌ای‌شکل، در 60 دقیقه‌ی ابتدایی فرایند آب‌شستگی کاهش پیدا می‌کند. عمق بیشینه‌ی آب‌شستگی در اثر افزایش مقطع جریان عبوری اطراف پایه‌های نیمه‌مخروطی و مخروطی نسبت به پایه‌ی استوانه‌ای در شروع آزمایش کمتر است. اما، در نهایت عمق بیشینه‌ی آب‌شستگی در زمان تعادل برای هر دو نوع پایه‌ی نیمه‌مخروطی و استوانه‌ای یکسان و کمتر از پایه‌ی مخروطی‌شکل است. پارامتر‌های عمق بالا‌دست، سرعت جریان بالا‌دست و قطر پایه تأثیر مستقیم و عمق باز‌شدگی عرشه تأثیر معکوس بر روی میزان عمق آب‌شستگی دارند. در نهایت، رابطه‌ای برای تخمین عمق بیشینه‌ی آب‌شستگی تحت‌فشار اطراف پایه‌های نیمه‌مخروطی و استوانه‌ای‌شکل ارائه شده است.