2-1- ضرورت تحقیق

با توجه به پتانسیل تخریب پل ها در اثر آب شستگی و هزینه های مالی و جانی آن، تلاش برای فهم فرآیند آب شستگی  و روشهای مقابله با آن امری ضروری به نظر می رسد. تخمـین عمق آب شستگی پایه یک پل کمتر از مقدار واقعی منجر به تخریب آن می شود در حالیكه تخمین بیش از حد آن  نیز منجر به تحمیل هزینه های بالاتر برای ساخت پل می شود[1].

در ایالات متحده فاكتورهای هیدرولیكی متعددی از قبیل ناپایداری جریان، رسوب گذاری و رسوب برداری بستر در بلندمدت،آب شستگی كلی[1]، آب شستگی موضعی[2]  و حركت جانبی ذرات بستر به عنوان عوامل اصلی برای 60% از خرابی های سـازه ای پل در آمریكا شناخـته شده است[19]. حادثه مصیبت بار فروپاشی پل U.S.51 كه بر روی رودخانه هتچی  واقع شده بود، منجر به مرگ 8 نفر شد[19]. در اثر تخریب پل واقع بر رودخانه آریو پاساژرو واقع در كالیفرنیا كه در زمان رخداد یك سیل بزرگ به وقوع پیوست 7 نفر كشته شدند[19].

3-1- اهداف

هدف اصلی در این تحقیق بررسی اثر طوقه های لبه دار در كاهش عمق آب شستگی موضعی در اطراف پایه های مدور و در شرایط آب صاف می باشد. برای این منظور ابتدا یك بار آزمایشات با شرایط مذكور برای پایه مدور بدون طوقه انجام می شود سپس در مرحله دوم آزمایشات عیناً برای پایه های مدور با طوقه بدون لبه انجام می شود و در مرحله سوم آزمایشات برای طوقه های لبه دار انجام خواهد شد. در هرآزمایش عمق آب شستگی اندازه گیری خواهد شد تا درصد تغییر ماکزیمم عمق آب شستگی نسبت به طوقه بدون لبه بدست آید. همچنین آزمایشات برای طوقه های نصب شده  ارتفاع های متفاوت نسبت به بستر و با ارتفاع لبه های متفاوت و با زاویه های متفاوت نسبت به طوقه  انجام می شود تا اثر این سه پارامتر بر عمق آب شستگی بررسی شود.

4-1- نوع تحقیق

تحقیق ارائه شده عنوان رساله کارشناسی ارشد دپارتمان سازه های هیدرولیکی دانشگاه قم می باشد که بر اساس آزمایشاتی است كه درآزمایشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آب خیز داری وزارت جهاد کشاورزی واقع در تهران و با استفاده از یك مدل فیزیكی، می باشد.

5-1- ساختار پایان نامه

این پایان نامه مشتمل بر پنج  فصل می باشد که درفصل اول کلیات مبحث آب شستگی موضعی آورده شده است. در فصل دوم تحقیقاتی که توسط سایر محققین در زمینه استفاده از طوقه ها در كاهش عمق آب شستگی انجام شده است تشریح شده و در فصل سوم روش انجام آزمایشات و وسایل به كار رفته در آزمایشات توضیح داده شده است. ارائه و آنالیز نتایج در فصل چهارم بیان شده و در فصل پنجم با توجه به نتایج به دست آمده نتیجه گیری شده است.

فصل دوم: تاریخچه تحقیق

1-2- مقدمه

تاكنون مقالات وكتاب های زیادی راجع به آب شستگی موضعی كه در خاك های غیر چسبنده در اطراف پایه های یك پل اتفاق می افتد، به چاپ رسیده است. در این فصل سعی بر خلاصه كردن مطالب راجع به آب شستگی موضعی در خاك های غیر چسبنده و چگونگی توسعه آب شستگی در طول زمان و همچنین روش های كاهش آب شستگی موضعی در پایه های پل می باشد.

2-2- آب شستگی چیست؟

برازرز و همکاران(1977) آب شستگی را این گونه تعریف كرده اند: آب شستگی یك پدیده طبیعی است كه در اثر جریان آب در رودخانه ها و جویبارها به وجود می آید. این پدیده نتیجه اثر فرسایشی آب می باشد كه مواد و مصالح را از بستر و كناره های رودخانه ها و همچنین از اطراف پایه های پل و تكیه گاه های آن ها می شوید و در جاهای دیگر از رودخانه قرار می دهد.

کریمیسینوف و همکاران(1987) بــــیان می كنــــــندكه آب شستگی به معنای پایین رفتن سطح بستر رودخانه بوسیله فرسایش آب می باشد كه این فرآیند تا رسیدن به فونداسیون سازه های رودخانه ای و در نتیجه تخریب آن ها ادامه می‌یابد.

به مقدار پایین رفتگی سطح بستر رودخانه (نسبت به قبل از رخداد آب شستگی) عمق آب شستگی گفته می‌شود. گودال آب شستگی به حفره تو رفتگی كه پس از حركت ذرات بستر به وسیله جریان آب به جا می ماند گفته می‌شود.

3-2- انواع آب شستگی

به طور كلی آب شستگی به سه نوع تقســـیم می‌شود كه شـــــامل آب شستـــگی كلی، آب شستگی انسدادی[1] و آب شستگی موضعی تقسیم می‌شود.

کریمیسینوف و همکاران(1987) در یك تقســیم بــــندی دیگــــر آب شســتگی را به دو نوع كلی آب شستگی كلی و آب شستگی ناحیه ایی[2] تقسیم بندی کرده

 است که این تقسیم بندی در دیاگرام 2-1 نشان داده شده است.

آب شستگی كلی

این نوع از آب شستگی باعث تغییر در ارتفاع و تراز بستر رودخانه بخاطر علل انسانی یا طبیعی و همچنین باعث پایین رفتن پروفیل طولی در كل رودخانه می‌شود. این نوع از آب شستگی در اثر تغییر در رژیم رودخانه به وجود می آید. همان طور كه از دیاگرام 2-1 پیداست آب شستگی كلی به دو نوع طولانی مدت وكوتاه مدت تقسیم می‌شود كه آب شستگی كوتاه مدت در اثر یك یا چند سیلاب نزدیك به هم و در مدت زمان كوتاه به وقوع می پیوندد در حالیكه آب شستگی طولانی مدت در زمان طولانی تر (معمولاً در حدود چند سال) به وقوع می پیوندد و شامل فرسایش سواحل كناری رودخانه می‌شود.

آب شستگی ناحیه ایی

بر خلاف آب شستگی كلی، آب شستگی ناحیه ایی در اثر حضور پل یا هر سازه دریایی و رودخانه ای دیگر به وجود می آید. این نوع آب شستگی به دو نوع آب شستگی انسدادی و آب شستگی موضعی تقسیم می‌شود.

آب شستگی انسدادی

این نوع آب شستگی در اثر تنگ شدگی جریان ( كه ممكن است بصورت طبیعی یا در اثر فعالیت های انسانی به وجود آید) رخ می دهد. در اثر این تنگ شدگی فضایی كه جریان آب می تواند از آن عبور كند كاهش می‌یابد و در نتیجه سرعت متوسط جریان آب افزایش می‌یابد. در اثر این افزایش سرعت، نیروی فرساینده ای كه از طرف جریان آب به بستر وارد می‌شود افزایش می‌یابد در نتیجه بستر رودخانه تحت فرسایش قرار می‌گیرد و سطح آن پایین تر می رود. آب شستگی در اطراف پایه های پل که بر روی بستر رودخانه قرار می گیرند نمونه خوبی از آب شستگی انسدادی می باشند.

آب شستگی موضعی

این نوع از آب شستگی به فرسایش قسمتی از بستر رودخانه كه در مجاورت پایه پل قرار گرفته است اطلاق می‌شود. در اثر برخورد جریان آب با پایه پل، شتاب جریان آب افزایش می یابد و باعث به وجود آمدن گرداب های كوچك می‌شود که در اثر تشكیل این گردابه ها ذرات از اطراف پایه های شسته می‌شوند و آب شستگی موضعی به وجود می آید. آب شستگی در مجاورت پایه های پل نمــونه خوبی از آب شســتگی موضعی می باشد كه در شكل 2-1 این نوع از آب شستگی به وضوح نمایان می باشد.

از آنجایی كه موضوع اصلی این تحقیق راجع به آب شستگی موضعی می باشد، این نوع از آب شستگی در قسمت های بعدی بیشتر مورد بررسی قرار می‌گیرد. در ادامه این رساله منظور از آب شستگی، آب شستگی موضعی می باشد.

4-2- مكانیزم های آب شستگی موضعی

بر اساس تحقیقات انجام گرفته مكانیزم های اصلی كه باعث به وجود آمدن آب شستگی درپایه های پل می‌شود شامل جریان رو به پایین (كه در وجه بالا دست پایه پل رخ می دهد) و گردابه ها[1] (كه در بستر تشكیل می‌شوند) می باشد.[28]گردابه ها به دو گونه گردابه های پشت پایه[2] و ورتکس نعل اسبی[3] تقسیم می شوند كه هر یك به تفصیل توضیح داده می‌شوند.

زمانی كه پایه یك پل در رودخانه و یا پایه یك سازه دریایی در ساحل دریا قرار می‌گیرد، جریان آب هر چه قدر به پایه نزدیك تر می‌شود سرعت آن كاهش می‌یابد تا

این مطلب را هم بخوانید :

 هنگامی‌که به وجه بالادست پایه برخورد می كند و سرعت آن به صفر می رسد كه نتیجه آن افزایش فشار در وجه بالادست پایه می باشد. افزایش فشار در نقاط نزدیك به سطح بیشتر از افزایش فشار در نقاط نزدیك به بستر می باشد چون كاهش سرعت جریان در نقاط نزدیك به سطح آب بیشتر از كاهش سرعت در نقاط نزدیك به بستر می باشد. علت این امر شكل پروفیل سرعت جریان آب می باشد كه در نقاط نزدیك به سطح سرعت جریان آب بیشتر از نقاط نزدیك به بستر می باشد. به عبارت دیگرهمان طور كه سرعت جریان از بالا به پایین كاهش می‌یابد فشار ایستایی هم متناظراً از بالا به پایین كاهش می‌یابد كه این به معنای به وجود آمدن یك گرادیان فشار رو به پایین می باشد كه در اثر این گرادیان فشار یك جت آب قائم رو به پایین تشكیل می‌شود. در نتیجه برخورد جت به وجود آمده با بستر رودخانه یك گودال در اطراف پایه پل به وجود می آید که به گودال آب شستگی معروف است. برخورد جریان رو به پایین با بستر مكانیزم اصلی ایجاد آب شستگی می باشد[23]. در شكل 2-2 الگوهای آب شستگی دراطراف یك پایه دایره ای شكل به نمایش در آمده است. همان طور كه در شكل نشان داده شده است یك حركت گردابی قوی ذرات را از اطراف پایه پل به آرامی دور می کند[20]. زمانیكه جریان رو به پایین به بستر می رسد شروع به ایجاد حفره ای در نزدیكی پایه می كند. در اثر برخورد جریان رو به پایین با جریان نزدیك شونده به سمت پایه، یك سیستم گردابی به وجود می آیدکه با گذشت زمان از بالادست پایه و از طریق طرفین پایه به سمت پایین دست كشیده می‌شودکه بخاطر شباهتش به نعل اسب به ورتکس نعل اسبی معروف است. پس ورتکس نعل اسبی نتیجه جدایی جریان در بالادست حفره آب شستگی (كه بوسیله جریان رو به پایین ایجاد شده است) می باشد. نقش اصلی ورتکس نعل اسبی انتقال ذرات جدا شده از بستر به پایین دست پایه پل می باشد. ورتکس نعل اسبی نتیجه پدیده آب شستگی می باشد و نه دلیل به وجود آمدن آن.[3] هر چه قدر عمق گودال آب شستگی بیشتر می‌شود قدرت ورتکس نعل اسبی کاهش می‌یابد كه در نتیجه باعث كاهش سرعت جدایی رسوبات از بستر پایه پل می‌شود. همان طور كه در شكل 2-2 نمایش داده شده است علاوه بر ورتكس نعل اسبی كه در پیرامون بستر پایه پل اقدام به جابجایی ذرات بستر می كند، گردابه هایی در پایین دست پایه پل نیز اقدام به جابجایی ذرات بستر می كنند كه به این گردابه ها،گردابه های پشت پایه گفته می‌شود. گردابه های پشت