كلمات كلیدی: آبشستگی، نمایه صلب، سرعت آستانه حرکت، بستر غیر یکنواخت، سد تنظیمی دز.
مقدمه
فرسایش[1] در علم مکانیک سیالات عبارتست از ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺷﻜﻞ و ﺟﺎﺑﺠﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺳﻴﺎل ﻧﺎﺷﻲ از ﺣﺮﻛﺖ ﺧـﻮد ﺑﺮ روی ﺳﻄﻮﺣﻲ ﻛﻪ در ﻣﺠﺎورت آﻧﻬﺎ ﺣﺮﻛﺖ ﻣﻲ‌ﻛﻨﺪ، اﻳﺠﺎد ﻣﻲ‌ﻧﻤﺎﻳﺪ. ﺑﻌﻨﻮان ﻣﺜﺎل ﺣﺮﻛﺖ ﺳـﻴﺎل ﻫـﻮا در ﻗﺎﻟﺐ ﺑﺎد در ﺻﺤﺮا ﻛﻪ ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ ﻓﺮﺳﺎﻳﺶ ﺷﻦ‌ﻫﺎی روان و ایجاد تغییر شکل و جا به جایی در آنها می‌گردد. به طور اخص در علم هیدرولیک که سیال مورد بحث آب می‌باشد، فرسایش از اهمیت خاصی برخوردار بوده و ﺑﻪ آن ﭘﺪﻳﺪه آﺑﺸﺴﺘﮕﻲ[2]ﮔﻔﺘﻪ ﻣﻲ‌ﺷﻮد. اﻳﻦ اﻫﻤﻴﺖ از آﻧﺠﺎ ﻧﺸﺄت ﻣﻲ‌ﮔﻴﺮد ﻛﻪ زﻧﺪﮔﻲ ﺑﺸﺮ در ﻃﻮل ﺗﺎرﻳﺦ در ﻛﻨﺎر رودﺧﺎﻧﻪ‌ﻫﺎ و ﺳﻮاﺣﻞ ﺷﻜﻞ ﮔﺮﻓﺘﻪ و اﻳﻦ ﺧﻮد ﺑـﻪ ﻣﻌﻨـﻲ روﻳـﺎروﻳﻲ داﺋـﻢ اﻧـﺴﺎن ﺑـﺎ ﻋﻮارض اﻳﻦ ﭘﺪﻳﺪه ﻣﻲ‌ﺑﺎﺷﺪ.
سازه‌هایی که انسان برای ارتقا و رفاه حال جامعه بشری در کنار سواحل و رودخانه‌ها یا در مجاورت آنها احداث کرده است همواره در معرض آسیب و انهدام قرار دارند. همین امر سبب انگیزه‌ برای شناخت قوانین حاکم برعلم سیالات و شناخت هیدرولیک جریان گردیده است. به خصوص این نگاه در 100 سال اخیر علمی‌تر گشته و محققین را بر آن داشته تا با شناخت پارمترهای موثر و میزان تاثیر هر کدام از آنها، در پی ایجاد راهکارهایی مناسب جهت کاهش این پدیده برآیند (پارس‌مهر، 1390).
یکی از مهمترین عوامل تخریب  سازه های هیدرولیکی، آبشستگی اطراف آنها می باشد . لذا به منظور جلوگیری و کاهش اثرات آن، شناخت مکانیزم آن لازم و ضروری می باشد. مواد بستر رودخانه ها فرسایش پذیرهستند، اما شدت این فرسایش به زمان بستگی دار د . بطوریکه بستر رودخانه های پوشیده از گرانیت سالهای زیادی طول می کشد تا فرسایش یابد، در حالیکه رودخانه هایی با بستر ماسه ای در فاصله  زمانی بسیار کوتاه حداکثر عمق آبشستگی را دارا می باشد . علاوه برساختار زمین و رودخانه ها که  یکی از عوامل مهم در فرسایش است، عوامل هیدرولیکی نیز نقش بسزایی در وقوع این پدیده ایفا می کنند .
حوضچه های آرامش به عنوان عضو سازه ایی مورد نیاز در پائین دست سدها و در جهت استهلاک نیروهای جنبشی مخرب طراحی و اجرا می شوند. این سازه بالاخص در شرایط سیلابی می تواند نقش موثری در کنترل و مهار جریانهای سیلابی پس از خروج از سد و پیش از ورود به رودخانه ایفا نماید . لذا طراحی و اجرای دقیق این سازه ها به خصوص در بالادست شبکه های آبیاری و زهکشی می تواند مدیریت بهره برداری و نگهداری از این شریانهای حیاتی هیدرولیکی آبیاری را ارتقا بخشد . این امر در پائین دست سد تنظیمی دز و بالادست سد انحرافی دز از اهمیت به سزایی برخوردار است زیرا کنترل و مهار جریانهای مخرب در تنظیم جریانهای مهار شده کانالهای انتقال و توزیع و آبرسانی به موقع به مزارع پائین دست برای کلیه بهره برداران و مدیران این شبکه ها اهمیت دارد .
با توجه به اهمیت تعادل و پایداری این سازه ها هر گونه آبشستگی می تواند راندمان بهره برداری از سازه ها را مختل نماید . لذا مطالعه و بررسی ابعاد گوناگون روند آبشستگی در این مطالعه مد نظر بوده تا از این رهگذر بتوان چالش های موجود در روند بروز و ایجاد این معضل هیدرولیکی کنترل و مدیریت گردد .
سد تنظیمی دز دارای دو حوضچه آرامش به ابعاد و طراحی های  مختلف به منظور مستهلک نمودن انرژی، طراحی شده است که یکی از حوضچه ها جهت آرامش آب رها شده از دریچه ها ی آبیاری و دیگری خاصا جهت دریچه تخلیه رسوبات طراحی شده است که در اثر سیلاب زمستان 1381 در این منطقه  حوضچه ها ی آرامش در پائین دست تخریب و در زیر دیواره های جناحین نیز آبشستگی هایی بوجود آمده است .
علیرغم اهمیت توجه و مطالعه نارسایی ها در فازهای پس از ساخت سازه های آبی عمده ادبیات مهندسی موجود روی چگونگی طراحی متمرکز شده و شکاف عمده ایی در بین ساخت و مشکلات بهره برداری مشهود بوده و با وجود اهمیت مدیریت بهینه بهره برداری تاکنون مقالات و نتایج پژوهشهای اندکی برای بهره برداری کارشناسی موجود است.همچنین با توجه به اینکه آب شستگی های پائین دست حوضچه های آرامش  سد تنظیمی دز به مرور به سمت بالا پیش روی کرده ،باعث شکستگی هایی در حوضچه آرامش و در نهایت به همراه آبشستگی های طرفین تهدیدی برای پایداری سد خواهند شد پس لازم است در دبی های طراحی سازه حوضچه و یا نحوه بهره برداری از دریچه ها تجدید نظر شود ، لذا از نقطه نظر نظری لزوم یک پژوهش که بتواند یک چهارچوب تحلیلی مناسبی برای استفاده کارشناسان و مهندسان باشد احساس می شود ،بنابراین با استفاده از داده های موجود و دسترسی به مسئله تحقیق در سد تنظیمی دز هدف ارائه تحلیل جامع و فراگیر و تا حدودی کاربردی با پشتوانه تئوریک به منظور ارتقاء شیوه های کارشناسی در تقویت مدیریت سخت افزاری این سازه ها  که منجر به نتایجی چون بهره وری بهینه از امکانات موجود و برون رفت از و ضعیت موجود با هدف سوق به وضعیت مطلوب  می باشد .

این مطلب را هم بخوانید :

مطالعه حاضر بر اساس بکارگیری داده های موجود سازمان آب و برق خوزستان بعلاوه مشاهدات میدانی پژوهشگر بوده که در قالب تحلیلی برنامهFLOW 3D  تفسیر و مورد بحث قرار می گیرد .

1-1 بیان مسئله
حوضچه های آرامش به عنوان عضو سازه ایی مورد نیاز در پائین دست سدها و در جهت استهلاک نیروهای جنبشی مخرب طراحی و اجرا می شوند. این سازه بالاخص در شرایط سیلابی می تواند نقش موثری در کنترل و مهار جریانهای سیلابی پس از خروج از سد و پیش از ورود به رودخانه ایفا نماید. لذا طراحی و اجرای دقیق این سازه ها به خصوص در بالادست شبکه های آبیاری و زهکشی می تواند مدیریت بهره برداری و نگهداری از این شریانهای حیاتی هیدرولیکی آبیاری را ارتقا بخشد . این امر در پائین دست سد تنظیمی دز و بالادست سد انحرافی دز از اهمیت به سزایی برخوردار است زیرا کنترل و مهار جریانهای مخرب در تنظیم جریانهای مهار شده کانالهای انتقال و توزیع و آبرسانی به موقع به مزارع پائین دست برای کلیه بهره برداران و مدیران این شبکه ها اهمیت دارد .
با توجه به اهمیت تعادل و پایداری این سازه ها هر گونه آبشستگی می تواند راندمان بهره برداری از سازه ها را مختل نماید . لذا مطالعه و بررسی ابعاد گوناگون روند آبشستگی در این مطالعه مد نظر بوده تا از این رهگذر بتوان چالش های موجود در روند بروز و ایجاد این معضل هیدرولیکی کنترل و مدیریت گردد .
سد تنظیمی دز در حوضه جغرافیایی استان خوزستان، شهرستان دزفول دارای دو حوضچه آرامش به ابعاد و طراحی های  مختلف به منظور مستهلک نمودن انرژی، طراحی شده است که یکی از حوضچه ها جهت آرامش آب رها شده از دریچه ها ی آبیاری و دیگری خاصا جهت دریچه تخلیه رسوبات طراحی شده است که در اثر سیلاب زمستان 1381 در این منطقه حوضچه ها ی آرامش در پائین دست تخریب و در زیر دیواره های جناحین نیز آبشستگی هایی بوجود آمده است .
تحقیقات بسیاری در زمینه آبشستگی موضعی بستر در اثر جریان عبوری انجام و نتایج قابل توجهی نیز حاصل شده است. از آنجا که موضوع آبشستگی به دلیل کثرت عواملی كه بر آن تاثیرگذار هستند، دارای پیچیدگی بوده بیشتر مطالعات به صورت آزمایشگاهی انجام یافته است. لذا در این تحقیق سعی می شود تا نتایج حاصل از شبیه سازی عددی توسط مدل نرم افزاری سه بعدی جریان Flow-3D، با بررسی های میدانی و محاسبات دستی، ارزیابی مهندسی گردیده تا ضمن شناخت کامل دلایل وقوع مسئله، توان مدل عددی در این زمینه نیز آزموده شود و در شرایط مشابه از این نوع مدل به جای مدل آزمایشگاهی استفاده شود.
نرم افزارFlow-3D معادلات حاکم بر سیال را با استفاده از تقریبات حجم محدود حل می کند. همچنین محیط جریان به شبکه‌ای با سلول‌های مستطیلی ثابت تقسیم شده که برای هر سلول مقادیر میانگین کمیت‌های وابسته وجود دارد. بخش آبشستگی Flow-3D از بقاء جرم و معادله‌ی انتقال-پخش استفاده می نماید تا انتقال رسوب را پیش بینی نماید.
شکل1-1 تخریب حوضچه آرامش سد تنظیمی دز  ناشی از آبشستگی بستر رودخانه (سیلاب زمستان 1381).
1-2 ضرورت انجام تحقیق
علیرغم اهمیت توجه و مطالعه نارسایی ها در فازهای پس از ساخت سازه های آبی عمده ادبیات مهندسی موجود روی چگونگی طراحی متمرکز شده و شکاف عمده ایی در بین ساخت و مشکلات بهره برداری مشهود بوده و با وجود اهمیت مدیریت بهینه بهره برداری تاکنون مقالات و نتایج پژوهشهای اندکی برای بهره برداری کارشناسی موجود است.همچنین با توجه به اینکه آب شستگی های پائین دست حوضچه های آرامش  سد تنظیمی دز به مرور به سمت بالا پیش روی کرده ،باعث شکستگی هایی در حوضچه آرامش و در نهایت به همراه آبشستگی های طرفین تهدیدی برای پایداری سد خواهند شد پس لازم است در دبی های طراحی سازه حوضچه و یا نحوه بهره برداری از دریچه ها تجدید نظر شود ، لذا از نقطه نظر نظری لزوم یک پژوهش که بتواند یک چهارچوب تحلیلی مناسبی برای استفاده کارشناسان و مهندسان باشد احساس می شود ،بنابراین با استفاده از داده های موجود و دسترسی به مسئله تحقیق در سد تنظیمی دز هدف ارائه تحلیل جامع و فراگیر و تا حدودی کاربردی با پشتوانه تئوریک به منظور ارتقاء شیوه های کارشناسی در تقویت مدیریت سخت افزاری این سازه ها  که منجر به نتایجی چون بهره وری بهینه از امکانات موجود و برون رفت از و ضعیت موجود با هدف سوق به وضعیت مطلوب  می باشد .
1-3 ساختار تحقیق
پژوهش حاضر در پنج فصل و به ترتیب زیر شکل گرفته است:

• مقدمه و اهداف تحقیق،
• پیشینه تحقیق،
• مواد و روش ها‌،
• بحث و نتایج،
• نتیجه‌گیری و پیشنهادات.

در فصل اول (فصل حاضر) اهمیت بررسی مسئله تخریب حوضچه های آرامش و سازه های هیدرولیکی پایین دست، تحت تاثیر آبشستگی بستر و نقش فرسایش زودهنگام مصالح در تشدید آن و همچنین اهداف مورد نظر در این تحقیق عنوان گردیده است. فصل دوم به ارائه جزئیات چندین مطالعه مهم در خصوص پرش هیدرولیکی و پدیده آبشستگی می پردازد. در فصل سوم با عنوان مواد و روش‌ها ضمن بررسی مباحث نظری و تئوری مکانیزم پدیده آبشستگی، به بررسی معادلات حاکم بر جریان به معرفی مدل‌های آشفتگی معمول در شبیه‌سازی‌های هیدرولیکی پرداخته می‌شود. در ادامه مدل‌های مورد استفاده در شبیه‌سازی عددی آبشستگی معرفی و در مورد مدل عددی سه بعدی FLOW-3D که مدل منتخب و مورد استفاده در این تحقیق است، به تفصیل بحث می‌شود. سپس به طور اجمالی به معرفی منطقه مورد مطالعه و ارائه جزئیات مدل سازی، شناخت مدل عددی و چگونگی انجام آزمایشات پرداخته خواهد شد. فصل چهارم تحقیق حاضر، فصل بحث و نتایج می‌باشد که در آن نتایج دستی و خروجی های نرم افزار شبیه ساز و همچنین مقایسه نتایج حاصل از مدل عددی FLOW-3D با نتایج مشاهداتی حاصل از مطالعات میدانی در قالب جداول و نمودار‌های مربوطه ارائه شده است. سرانجام در فصل پنجم که فصل نتیجه‌گیری و پیشنهادات می‌باشد، کلیه نتایج بدست آمده و راهکارهای علاج بخشی مسئله بطور خلاصه و مفید جمع بندی شده و همچنین پیشنهاداتی برای انجام تحقیقات آتی در این زمینه بیان شده است.
1-4 مروری براصطلاحات کاربردی

• دینامیک سیالات محاسباتی(CFD): برای تحلیل عددی مدل‌های آزمایشگاهی باید از یک مدل تحلیلی استفاده شود. مدل‌های عددی که جهت حل میدان‌های سیال استفاده می‌شود بهCFD معروف هستند. CFD ابزاری بر اساس روش‌های عددی است که جهت شبیه‌سازی رفتار سیستم‌هایی شامل جریان سیال، انتقال حرارت و دیگر فرآیند‌های وابسته به کار می‌رود. در این روش‌ها معادلات جریان سیال برای منطقه مورد نظر که با شرایط مرزی مشخص شده‌است، حل می‌شود(نجف‌زاده، 1388).
• روش حجم محدود (VOF): یکی از روش های حل دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) می باشد که در انفصال میدان جریان کاربرد دارد. این روش دارای ظاهر روش تفاضل محدود است ولی بسیاری از ایده­های روش اجزا محدود را به کار می گیرد. روش حجم محدود به علت مستتر بودن خاصیت بقای جرم در آن، در حل میدان جریان سیال نسبت به روش های انفصال ارجح می‌باشد. در این روش ابتدا دامنه موردنظر به تعدادی حجم کنترل انتگرال­گیری شده و معادلات به فرم عددی منفصل می‌گردند. ایده اصلی در این روش انفصال تقریب معادلات دیفرانسیل جزئی در نقاط مجزا نمی باشد، بلکه شرط برقراری اصل بقای جرم به صورت ماکروسکوپی دارای اهمیت است( حیدری، 1381).
• آبشستگی (Scouring): به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پایین دست سازه های هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریان های متلاطم موضعی، آبشستگی گویند( علی حسینی، 1387).
• پرش هیدرولیکی: پرش یا جهش هیدرولیكی، از انواع جریانهای متغییر سریع است كه در بسیاری از كارهای عملی با آن روبرو بوده و آن عبارت است از تغییر حالت جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی . چنانچه آب در قسمتی از مسیر دارای حالت فوق بحرانی بوده و بنا به مشخصات و موقعیت خاص كانال بخواهد تغییر حالت دهد،عمق جریان در مسیر نسبتا كوتاهی به میزان قابل ملاحظه ای