اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی اطراف پایه پل مکعبی شکل 2 *1 آمنه جلیلی و مهدی قمشی * 1 نویسنده مسئول دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز 2 استاد گروه سازههای آبی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز تاریخ دریافت: 92/6/12 چکيده تاریخ پذیرش: 93/8/4 دو عامل مهم باعث ایجاد آبشستگی اطراف پایه های پل می شوند یکی برخورد جریان با پایه و دیگری جدایی جریان از پایه. نصب طوق از تماس مستقیم جریان پایین رونده در جلو پایه با بستر رودخانه جلوگیری میکند و توان گرداب نعلاسبی را کاهش میدهد. در این تحقیق اثر قرارگیری طوق مشبک و طوق ساده بر آبشستگی اطراف پایه پل مکعبی به ابعاد 40 میلیمتر و در فلومی به طول 7/3 متر عرض 0/56 متر و عمق 0/6 متر مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور آزمایشها با چهار طوقه ساده 30 15 و 40 درصد مشبک تحت سه عدد فرود 0/16 0/19 و 0/13 در شرایط آب زالل در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شد. عملکرد طوقهها در سه تراز 0/25B 0/5B و روی بستر رسوبی بررسی و با نتایج پایه بدون طوقه مقایسه گردید. نتایج آزمایشها بین 34 تا 97 درصد کاهش در عمق بیشینه آبشستگی را در حضور طوقههای مشبک نشان داد. همچنین با کاهش فرود جریان در تمامی طوقهها با درصدهای بازشدگی مختلف میزان آبشستگی کاهش یافت. کلید واژهها: آبشستگی پایه پل مکعبی طوقه ساده طوقه مشبک. Influence of Netted Collar on Scour depth around of Cubic Bridge Pier A. Jalili 1* and M. Ghomeshi 2 1 * M.Sc. Student, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran. 2 Professor, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran. Received:3 September 2013 Accepted:26 October 2014 Abstract Two major factors causing of scour around bridge piers are the down flow occurred in upstream part of the piers and separation of streamlines from piers called horseshoe vortex. Installation of a collar on a pier will reduce the power of the down flow and horseshoe vortex. In this study, the effects of placement of collar and netted collars on scour depth of cubic pier are investigated. The experimental flume was rectangular with the length of 7.3 meters, width of 0.56 m and a depth of 0.6 m. For this propose four collars included, one simple and three netted (with opening parts equal to 15percent, 30percent and 40percent), are tested under clear water condition. The experiments were performed in laboratory flume on Hydraulics Laboratory of Shahid Chamran University. The collars were installed in three levels equal to 0.5B, 0.25B and on the bed. The results were compared with the pier without the collar, and showed that the netted collar reduce the maximum scour depth between 34percent to 97percent in comparison with the case of no collar used. Also in low Froude Numbers, the netted collars showed better protection in comparison with the simple one. Keywords: Scour, Cubic Pier, Collar, Netted Collar. مقدمه آبشستگی پایههاي پل از مباحث مهم در مهندسی رودخانه بهشمار میرود. در اثر آبشستگی حفرهاي در اطراف پایه پل ایجاد میگردد و پایداري آنرا تضعیف میکند و ممکن است در اثر یک سیل بزرگ ویران گردد. برخورد جریان آب به پایه پل و جدائی آن عوامل اصلی آبشستگی موضعی در اطراف پایه پل به حساب
جلیلی و قمشی: اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی... 16 میآیند. در اثر برخورد آب به پایه پل به علت کاهش فشار از سطح آزاد جریان به سمت بستر جریانهاي رو به پایین ایجاد میگردد و این جریانهاي رو به پایین پس از برخورد به بستر با جریان اصلی برخورد کرده و گرداب نعلاسبی را بهوجود میآورد.گردابهاي نعلاسبی بیشتر در جلو پایه پل فعالیت دارند. جدائی جریان از پایه پل در پشت پایه گرداب برخاستگی را بهوجود میآورد. بررسیها نشان میدهد گردابهاي نعلاسب و برخاستگی نقش عمدهاي را در ایجاد حفره آبشستگی اطراف پایه پل دارند 1 )بروسرز و رادکیوي 1991(. آبشستگی موضعی به دو حالت آبشستگی آب زالل و آبشستگی بستر زنده تقسیمبندي میشود. در آبشستگی آب زالل بهعلت عدم حرکت رسوبات باالدست پایه پل حداکثر مقدار عمق حفره آبشستگی ایجاد میگردد. انواع روشهاي موجود کنترل آبشستگی را میتوان به طور عمده به دو دسته اصلی تقسیم نمود. دسته نخست روشهایی هستند که با قراردادن اجزاي وزین در مجاورت پایههاي پل بستر رودخانه در اطراف پایهها که همواره مورد تهدید فرسایش قرار دارند حفاظت شده و در نتیجه خطر آبشستگی تا حدود قابل توجهی کاهش مییابد. دسته دوم شامل مواردي است که با اثر گذاري بر جریان اطراف پایههاي پل انرژي جریانهاي گردابی مؤثر در ایجاد آبشستگی را تضعیف میکند. از جمله این روشها استفاده از صفحهاي نازک است که در یک ارتفاع مشخص از پایه پل نصب میشود و طوقه نامیده میشود. حسن طوق آن است که پس از احداث رودخانه حتی زمانی که آب در رودخانه جریان دارد قابل اجرا است. از عیبهاي این روش آن است که طوق آبشستگی را بهطور کامل برطرف نمیکند و همچنین نصب آن 2 احتیاج به دقتی به مراتب بیشتر از سنگچین دارد )بلوچی.)2010 3 الرسن و توچ )1956( را میتوان از محققین پیشگام در استفاده از طوق دانست. آنها از وسیلهاي شبیه طوق براي جلوگیري از آبشستگی پایه پل استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که آبشستگی کاهش یافته است. مطالعات گستردهاي که 4 توسط تاناکا و یانو )1967( صورت گرفت نشان میدهد که نصب یک طوق به پایه موجب کاهش میزان آبشستگی اطراف پایه می شود همچنین بهکار بردن یک طوق با قطر سه برابر قطر پایه پل در تراز بستر رودخانه نشان دهنده کاهش عمق آب شستگی برابر 5 با 22 درصد میباشد. بر طبق نظر زراتی و همکاران )2004( طوقها در کاهش آبشستگی پایههاي مستطیل شکل مؤثرتر از 6 پایه هاي دایرهاي عمل میکنند. مشاهیري و همکاران )2004( نیز مطالعاتی را بر روي توسعه زمانی عمق آبشستگی در پایههاي پل همراه با طوق انجام دادند. در آزمایشهاي آنها طوقی به اندازه سه برابر قطر پایه مورد استفاده قرار گرفت. آنها نتایج 7 حاصل از آزمایشهاي خود را با نتایج اتما )1980( مقایسه کردند و اظهار داشتند که طوقی که در سطح بستر قرار گرفته و عرض آن سه برابر قطر یا عرض پایه باشد مؤثرتر از یک طوق با دو 8 برابر قطر پایه میباشد. بر طبق نظر دفانتی و همکاران )2010( شرایط جریان نیز بر میزان راندمان طوق در کاهش عمق آب شستگی مؤثر میباشد نتایج آنها نشان داد که طوقها در سرعتهاي پایین جریان آب از عملکرد بهتري برخوردار میباشند. عالم )1391( تأثیر قرارگیري طوقه مشبک وساده را بر آبشستگی تکیهگاه پل مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان داد استفاده از طوق مشبک میزان آبشستگی اطراف تکیهگاه را کاهش میدهد. در بین طوقههاي مشبک طوقه با درصد بازشدگی 33 درصد بهترین عملکرد را داشت بهطوريکه میزان کاهش آبشستگی طوقه مشبک نسبت به طوقه ساده براي دبی 25 لیتر بر ثانیه و در ارتفاعهاي 2 و 4 سانتیمتر بهترتیب 9/4 و 10/4 درصد بود. او علت این امر را تأثیر میزان بازشدگی طوقه بر جریانهاي الیه مرزي دانست. به عبارتی جدایی خطوط جریان از سطح دیرتر اتفاق افتاد. الیه مرزي ناحیهاي است نزدیک به سطح جامد که در آن نیروهاي لزوجتی داراي اهمیت هستند. جریان در الیههاي مرزي ابتدا ورقهاي است جریان حد واسط)بینابین( بهطرف درهم بسته به حالت جریان آزاد زبري سطح و گرادیان فشار با مقداري فاصله از نقطه سکون اتفاق میافتد. بهطور کلی هرچه جریان آشفتهتر یا بهعبارتی سطح جسم قرار گرفته در برابر جریان تا حد مشخصی زبرتر باشد جدایی خطوط جریان از سطح جسم دیرتر اتفاق میافتد. در طوقه صاف جریان به فاصله کوتاهی از تشکیل به نقطه جدایی میرسد و در نتیجه وجود جریان برگشتی موجب آبشستگی بیشتر خواهد شد. با زبرشدن یا مشبک شدن طوقه الیه مرزي آشفته شده در نتیجه نقطه جدایی به تأخیر خواهد افتاد. نتیجه این تغییر وضعی کاهش جریان برگشتی و کاهش آبشستگی خواهد بود. با توجه به اینکه کلیه تحقیقاتی که تاکنون در مورد پایه پل صورت گرفته است تنها تأثیر طوقه ساده را در کاهش آبشستگی مورد بررسی قرار دادهاند در این پژوهش تأثیر طوقه مشبک بر تغییرات آبشستگی پیرامون پایه مکعبی شکل پل مورد بررسی قرار گرفته است. مواد و روشها تجهيزات آزمایشگاهی: آزمایشهاي این تحقیق در فلومی به طول 7/3 متر عرض 0/56 متر و عمق 0/6 متر با شیب طولی 0/0028 در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه چمران انجام شده است. دیوارهها و کف فلوم از جنس 7 Ettema 8 Defanti et al. 1 Breusers and Raudkivi 2 Balouchi 3 Laursen and Toch 4 Tanaka and Yano 5 Zarrati et al. 6 Mashahiri et al.
17 علوم و مهندسی آبیاری )مجله ی علمی پژوهشی( جلد 39 شمارهی 2 تابستان 95 پلکسی گالس بود. آب مورد نیاز با استفاده از یک پمپ سانتریفیوژ از مخزن زیرزمینی تامین میگردید. جریان در ابتداي فلوم وارد مخزن آرام کننده میشد. بهمنظور حذف تالطم ورودي از یک صفحه مشبک آرام کننده در فاصله یک متري از دهانه ورودي فلوم استفاده شد. جریان پس از خروج از فلوم وارد یک حوضچه میگردید و با عبور از روي یک سرریز مثلثی استاندارد 53 درجه مجددا وارد مخزن زیرزمینی میشد. اندازهگیري دبی جریان با قرائت ارتفاع آب روي راس سرریز مثلثی و با استفاده از رابطه دبی اشل سرریز صورت میگرفت. با توجه به زیر بحرانی بودن جریان کنترل عمق جریان با استفاده از یک دریچه کشویی که در انتهاي فلوم قرار داشت صورت گرفت. در شکل )1( نمایی از فلوم آزمایشگاهی نشان داده شده است. شکل 1 پالن کانال و تجهيزات آزمایشگاهی شکل 2 طوقههای ساده و مشبک با ابعاد 120 120 ميلیمتر شکل 3 نمایی از طوقه نصب شده روی پایه در تحقيق حاضر
جلیلی و قمشی: اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی... 18 جدول 1 شرایط جریان حاکم بر آزمایشها (V/V c ) V(m/s) y (m) Q (m 3 /s) Fr = V gy Re = VR υ 0/94 0/ 28 0/ 225 0/ 035 0/ 19 35000 0/81 0/ 24 0/ 225 0/ 03 0/ 16 30000 0/67 0/ 2 0/ 225 0/ 025 0/ 13 25000 براي از بین رفتن تأثیر دیوارههاي کانال بر آبشستگی 1 موضعی طبق توصیههاي چیو و ملویل )1987( قطر پایه نباید از 10 درصد عرض کانال بیشتر باشد. لذا از پایه مکعبی از جنس پلکسی گالس به ابعاد 40 40 میلیمتر استفاده گردید. براي اطمینان از نصب طوقه در ارتفاع مورد نظر از بستر پایه بهوسیله دستگاه برش لیزري با دقت یک میلیمتر مدرج شده بود. طوقهها به صورت صفحاتی از جنس پلکسی گالس و با ضخامت سه میلیمتر تهیه شدند. با توجه به نتایج مطالعات بسیاري که در زمینه طوقه ساده انجام گرفته است طوقهاي با طول سه برابر قطر پایه مورد آزمایش بیشترین تأثیر را در کاهش آبشستگی دارد. در نتیجه طول تمامی طوقهها سه برابر قطر پایهها در نظر گرفته شد. به این ترتیب طوقهها از صفحات مربعی به ابعاد 120 120 میلیمتر تهیه شد. طوقههاي مشبک با سه درصد بازشدگی مختلف 30 15 و 40 درصد مشبک تهیه شدند. روي هریک از این صفحات با توجه به بازشدگی مورد نیاز سوراخهایی به قطر سه میلیمتر با دستگاه برش لیزري ایجاد شد. براي نصب طوقهها روي پایه ابتدا قطعههاي کوچکی به شکل مکعب مربع از جنس پلکسی گالس با ضخامت دو میلیمتر بهعنوان تکیهگاه روي پایه و در تراز مورد نظر نصب گردید و پس از حصول اطمینان از تراز بودن طوقه در ارتفاع مورد نظر طوقه و پایه توسط چسب آکواریوم بههم چسبانده شدند. شکل )2( طوقههاي ساده و مشبک استفاده شده در این پژوهش و شکل )3( نمایی از طوقه نصب شده روي پایه را در تحقیق حاضر نشان میدهد. براي حذف اثر غیریکنواختی رسوبات بر کاهش آبشستگی موضعی مطابق پیشنهاد چیو و ملویل )1987( میزان انحراف معیار سانتیمتر با رسوباتی با متوسط قطر ذرات 0/5 میلیمتر پوشانده شد. همچنین طبق نظر اتما )1980( در جریانهاي کمعمق گردابهاي موج کمانی ایجاد شده در سطح آب به علت گردش در خالف جهت جریان با جریان تداخل یافته و موجب کاهش در جریان رو به پایین و کاهش عمق آبشستگی میشود. بنابراین باید عمق جریان بهگونهاي انتخاب شود که تأثیر این پدیده بر عمق آبشستگی از بین برود. پس حداقل عمق انتخاب شده براي از بین بردن این اثر باید بیش از سه برابر قطر پایه باشد. نکته دیگري که باید در تعیین عمق جریان مورد توجه قرار گیرد رعایت حداکثر سرعت جریان در شرایط آب زالل است. درصورتیکه سرعت متوسط جریان (V) از سرعت متوسط بحرانی یا آستانه حرکت ) c V) بیشتر باشد آبشستگی بستر زنده و زمانیکه سرعت متوسط جریان در محدوده V c V< V< c 0/3 باشد آبشستگی آب زالل ایجاد میشود. با توجه به موارد ذکر شده براي بهدست آوردن سرعت بحرانی در آزمایشگاه بر روي بستر فلوم با دبی ثابت 35 لیتر بر ثانیه عمقهاي مختلفی از 30 تا 15 سانتیمتر بدون حضور پایه ایجاد شد تا حرکت یا عدم حرکت رسوبات بستر مطالعه شود. در نهایت مقدار متوسط سرعت جریان براي آستانه حرکت 0/3 متر بر ثانیه بهدست آمد )جدول 1 (. مقایسه نتایج حاصله با دیاگرام شیلدز نشان داد مطابقت مطلوبی بین نتایج وجود دارد. پدیده آبشستگی در اطراف پایهي پلها فرآیندي تابع زمان است و با گذشت زمان گسترش پیدا کرده و به حالتی تعادلی میرسد. شناخت این فرآیند و توانایی تخمین عمق آبشستگی در طی زمان و بهخصوص زمان رسیدن حفره آبشستگی به حالتی تعادلی براي طراحان پلها داراي اهمیت میباشد. با توجه به شکل )4( که در آن روند تغییرات عمق حفره آبشستگی نسبت به زمان نشان داده شده و با توجه به اینکه هدف این تحقیق مقایسه نتایج گزینههاي مختلف میباشد لذا زمان هر آزمایش 150 دقیقه در نظر گرفته شد. ( σ g = D 84.1 D15.9 باید از 1/3 کمتر باشد. هندسی ذرات ) با توجه به شرایط ذکرشده براي تأمین رسوبات بستر از ماسهي باقیمانده بین الکهاي 30 و 40 در محدوده اندازه ذرات 0/59 تا 0/42 میلیمتر استفاده و بستر در بازهاي دو متري به ضخامت 11 1 Chiew and mellville
19 علوم و مهندسی آبیاری )مجله ی علمی پژوهشی( جلد 39 شمارهی 2 تابستان 95 شکل 4 منحنی توسعه زمانی حفره آبشستگی )3( در شروع هر آزمایش دریچه کشویی کامال بسته و آب زالل به آرامی به درون کانال هدایت شد تا از ایجاد ریپل و ناهمواري در سطح بستر جلوگیري شود. پس از باال آمدن آب و اطمینان از مرطوب شدن رسوبات بعد از گذشت چند دقیقه پمپ با دبی کمی راه اندازي و جریان ورودي با سرعت بسیار کم وارد کانال می گردید تا سطح ناحیه رسوبی تا ارتفاع چند سانتیمتري از آب پوشیده شود سپس دریچه کشویی بهتدریج باز شده تا اینکه دبی و ارتفاع آب درون کانال در مقدار مورد نظر تنظیم گردد. بعد از برقراري جریان بهمدت 150 دقیقه دریچه انتهایی بسته و پمپ خاموش میشد تا آب موجود در کانال به آرامی زهکشی شود و بر توپوگرافی بستر تغییري ایجاد نگردد. پس از گذشت چند ساعت و تخلیه کامل آب از درون کانال به وسیله عمقسنج لیزري توپوگرافی بستر در اطراف پایه در یک شبکه 1 1 سانتیمتري برداشت گردید. تحليل ابعادی: براي شرایط آب زالل آبشستگی (ds) max تابع عوامل زیر است : )1( عمق حداکثر f(d s,d,b c,z c,t c,y,v,g,p s,p,d 50,δ,t,C D,U,α=0 که در این رابطه : d s عمق آبشستگی : y عمق جریان : v سرعت جریان : g شتاب ثقل : ρ چگالی سیال : υ لزوجت سینماتیکی سیال : C D ضریب شکل پایه : D 50 قطر متوسط رسوبات بستر : ρ s چگالی رسوبات بستر : D قطر پایه پل : σ انحراف معیار ذرات رسوبی : B c عرض طوقه : Z C تراز قرار گیري طوقه از سطح بستر : t c ضخامت طوقه و : α درصد بازشدگی طوقه است. با استفاده از روش باکینگهام رابطه بدون بعد بین پارامتر هاي فوق )1( به دست آورده و با ترکیب پارامترهاي بی بعد به دست آمده و حذف پارامترهاي ثابت رابطه بدون بعد براي این پژوهش به صورت زیر قابل ارائه میباشد: نتایج و بحث بهمنظور بررسی تأثیر حضور طوقه بر آبشستگی پایه پل مکعبی شکل آزمایشها به دو دسته به شرح زیر تقسیم بندي شدند: دسته اول آزمایشهاي بدون حضور طوقه )آزمایشهاي شاهد(: آزمایشهاي این بخش به منظور مشاهده تأثیر جریانهاي گردابی اطراف پایه پل و برداشت عمق حداکثر آبشستگی براي مقایسه با نتایج حاصل از آزمایشهاي در حضور طوقه انجام گرفته است. در این پژوهش به جاي D قطر پایه B ضلع پایه مکعبی به کار میرود. در این حالت آبشستگی از جلوي پایه با شکلگیري جریان روبهپایین و به صورت متقارن نسبت به محور پایه شروع شد. با عمیق شدن حفره آبشستگی و قدرت گرفتن گردابهاي نعلاسبی مواد رسوبی از جلو و اطراف پایه شسته و به صورت پشته در پشت پایه جمع میشوند. همزمان با گسترش حفره آب شستگی و ایجاد منطقه کمفشار پشت پایه گردابهاي برخاستگی نیز تشکیل شده و رسوبات حمل شده توسط جریان را به پاییندست انتقال میدهند. با افزایش شدت جریان حفره آبشستگی وسیعتر شد و عمق حداکثر آبشستگی نیز افزایش ( d s یافت. جدول )2( تغییرات عمق بیبعد آبشستگی ) را بدون B حضور طوقه نشان میدهد. دسته دوم آزمایشهاي با حضور طوقه : در این مرحله 27 آزمایش انجام گرفت. درصد کاهش آبشستگی با استفاده از نتایج آزمایشهاي شاهد و از رابطه )1( محاسبه و در جدول )3( آورده شده است. Rدرصد = d 1 d 2 d 1 100 در رابطه فوق : d 1 حداکثر عمق آبشستگی در آزمایش شاهد و : d 2 حداکثر عمق آبشستگی در حضور طوقه میباشد. d s D = f (R e, F r, α, Z c D, C D) )2(
جلیلی و قمشی: اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی... 20 جدول 2 تغييرات عمق بیبعد آبشستگی بدون حضور طوقه 2 پایه مکعبی ( d s عمق بی بعد آبشستگی ) B Fr = 0/13 Fr = 0/16 Fr = 0/19 0/93 1/6 جدول 3 درصد کاهش آبشستگی با حضور طوقه برای پایه مکعبی نوع طوقه ساده 15 درصد مشبک 30 درصد مشبک 40 درصد مشبک فاصله قرارگیري طوقه از بستر) Z( c (mm) 0 0/ 25 B 0/ 5 B Fr = 0/19 درصد کاهش آبشستگی (R%) Fr = 0/13 95 97 97 81 Fr = 0/16 85 84 83 70 100 68 39 86 68 38 81 78 36 73 53 34 0 0/ 25 B 0/ 5 B 0 0/ 25 B 0/ 5 B 0 0/ 25 B 0/ 5 B الف( آزمایشهاي با حضور طوقه ساده : در این حالت در مجموع پنج آزمایش انجام شد و عملکرد طوقه در فواصل 0/5B و سطح بستر تحت فرود 0/19 و در فاصله 0/25B تحت سه فرود 0/16 0/19 و 0/13 بررسی شد. با نصب طوقه در اطراف پایه ابتدا آبشستگی در اثر وجود گردابهاي برخاستگی در پایین دست پایه ایجاد گردید. در این حالت بر خالف حالت پایه بدون طوقه گرداب نعلاسبی از ابتدا مشاهده نشد. با گذشت زمان در دو طرف پایه در لبههاي طوق شیارهایی ایجاد شدند. این شیارها به مرور به سمت باالدست و پاییندست توسعه پیدا کردند و عمق آنها افزایش یافت. ب( آزمایشهاي با حضور طوقه مشبک: در این حالت 22 آزمایش انجام گرفت و عملکرد طوقه در فواصل 0/5B و سطح بستر تحت فرود 0/19 و در فاصله 0/25B تحت سه فرود 0/16 0/19 و 0/13 بررسی شد. تأثیر مشبک شدن طوقه روي الیه مرزي همانند زبري است به این صورت که بازشدگیها یا زبريها باعث ایجاد آشفتگی در جریان الیه مرزي اطراف طوقه میشود و مومنتم جریان در نزدیکی جداره افزایش مییابد در نتیجه تمایل جریان براي جدایی از سطح طوقه کم میشود و از قدرت جریان گردابی کاسته شده و آبشستگی باید کاهش یابد. از طرف دیگر با افزایش فاصله طوقه از بستر قدرت جریانهاي نعل اسبی زیر طوقه افزایش یافته و آبشستگی بیشتر میشود. تأثیر ارتفاع نصب طوقه بر آبشستگی: طوقه معمولی: در هر سه ارتفاع نصب طوقه توسعه حفره آبشستگی نسبت به آزمایشهاي شاهد کاهش یافته است )شکل 5(. با تغییر موقعیت طوقه از سطح بستر رسوبی تا ارتفاع 0/5B باالي بستر کاهش در میزان آبشستگی از 100 درصد کاهش در سطح بستر تا 39 درصد در ارتفاع 0/5B از بستر متغیر بود. در ارتفاع 0/5B از بستر به دلیل فاصله زیاد طوقه از بستر رسوبی و تشکیل گرداب نعل اسبی از ابتداي آزمایش آبشستگی به مقدار کمی کاهش یافت. با نصب طوقه در ارتفاع 0/25B از بستر و تضعیف جریانهاي روبهپایین و گرداب نعل اسبی در مقایسه با فاصله 0/5B از بستر رسوبی عملکرد بهتري مشاهده شد. طوقه قرار گرفته روي بستر بیشترین کارایی را با 100 درصد کاهش آبشستگی داشت. محل تشکیل حداکثر عمق آبشستگی در ارتفاع 0/5B و 0/25B از سطح بستر جلوي پایه بود و در تراز بستر شیارهایی به صورت قرینه در طرفین طوقه نصب شده مشاهده شد.
21 علوم و مهندسی آبیاری )مجله ی علمی پژوهشی( جلد 39 شمارهی 2 تابستان 95 شکل 5 تأثير ارتفاع نصب طوقه ساده بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 شکل 6 تأثير ارتفاع نصب طوقه 15 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 شکل 7 تأثير طوقههای ساده و 15 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 طوقه 15 درصد مشبک: در این حالت با کاهش ارتفاع نصب طوقه از سطح بستر عمق بیشینه کاسته شد و راندمان طوقه افزایش یافت. توسعه طولی و عرضی حفره آبشستگی نیز نسبت به آزمایش شاهد کاهش یافت. البته با قرار گرفتن طوقه روي بستر توسعه حفره آبشستگی تا کنارههاي طوقه ادامه داشت ولی همچنان حداکثر عمق آبشستگی در جلوي پایه ایجاد شد. روي سطح بستر با عبور جریان از بازشدگیهاي سطح طوقه جریانهاي روبهپایین به زیر طوقه نفوذ کرده و با تشکیل گردابهاي نعلاسبی در جلوي پایه آبشستگی با عمقی بسیار کم ایجاد گردید)شکل 6 (. همانطور که مشاهده میشود در ارتفاع 0/5B و 0/25B از بستر رسوبی نتایج طوقه ساده و 15 درصد مشبک یکسان میباشد. با قرار گرفتن طوقه 15 درصد و ساده روي بستر مشاهده میشود طوقه 15 درصد مشبک با عبور جریان از سطح طوقه نتوانسته به اندازه طوقه ساده در کاهش حفره آبشستگی پیرامون پایه مؤثر باشد. )شکل 7(
جلیلی و قمشی: اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی... 22 طوقه 30 درصد مشبک همانطور که در شکل )8( مشاهده میشود در فاصله 0/5B عمق بیشینه آبشستگی در حدود 36 درصد کاهش نسبت به آزمایش شاهد نشان داد. در فاصله 0/25B توسعه حفره آبشستگی کمتر است عمق بیشینه آبشستگی نیز با 78 درصد کاهش نسبت به آزمایش شاهد و 30 درصد کاهش نسبت به طوقه ساده راندمان خوبی براي طوقه 30 درصد در این فاصله نشان داد. با مقایسه حفره آبشستگی در دو ارتفاع 0/25B و روي سطح بستر مشاهده میشود با وجود کمتر بودن حداکثر عمق آبشستگی در حالت طوقه قرارگرفته روي سطح بستر حفره آبشستگی در ارتفاع 0/25B کوچکتر است که نتیجه تأثیر جریان الیه مرزي اطراف طوقه در ارتفاع 0/25B است. در ارتفاع 0/25B جریان الیه مرزي شکل گرفته پیرامون طوقه عمق بیشینه را نسبت به طوقه ساده نیز کاهش داده است. با قرار گرفتن طوقه روي بستر در ابتدا روند کاهشی براي آبشستگی نسبت به طوقه ساده مشاهده شد اما در نهایت با رسیدن جریان به زیرطوقه در جلوي پایه نیز حفره آبشستگی گسترش یافت. )شکل 9(. طوقه 40 درصد مشبک کمترین راندمان این طوقه در ارتفاع 0/5B است. در ارتفاع 0/25B با نزدیک شدن بیشتر طوقه به بستر رسوبی و کاهش گردابههاي نعل اسبی میزان آبشستگی 53 درصد نسبت به آزمایش شاهد کاهش یافته است. در سطح بستر با استهالک جریانهاي گردابهاي آبشستگی 73 درصد نسبت به آزمایش شاهد کاهش یافته است. شکل )10( این تغییرات را نشان میدهد. با توجه به شکل )11( مشاهده میشود در تمامی ارتفاعات نصب طوقه 40 درصد مشبک در این آزمایش این طوقه نتوانسته آبشستگی را نسبت به طوقه ساده کاهش دهد و عمق حداکثر آبشستگی و توسعه حفره آبشستگی بیشتر از طوقه ساده است. شکل 8 تأثير ارتفاع نصب طوقه 30 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 شکل 9 تأثير طوقههای ساده و 30 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19
23 علوم و مهندسی آبیاری )مجله ی علمی پژوهشی( جلد 39 شمارهی 2 تابستان 95 شکل 10 تأثير ارتفاع نصب طوقه 40 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 شکل 11 تأثير طوقههای ساده و 40 درصد مشبک بر توسعه حفره آبشستگی در عدد فرود 0/19 شکل 12 تغييرات عمق بی بعد آبشستگی با تغيير فاصله از بستر رسوبی در عدد فرود 0/19 شکل )12( تغییرات عمق بی بعد آبشستگی) d s B Z c ( را نسبت به ارتفاع از سطح بستر رسوبی ( ) براي کلیهه طوقههههاي مشهبک B آزمایش شده نشان میدهد. با توجه به نمهودار بها کهاهش ارتفهاع هریک از طوقهها از بسهتر رسهوبی فضهاي الزم بهراي گسهترش جریانهاي گردابهاي زیر طوقه موجود نمیباشد در نتیجه حهداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. کلیه طوقهها نسبت به آزمهایش شاهد روند کاهشی را در میزان عمق بیشینه نشان میدهند. طوقه 30 درصد با تغییر مکان طوقه ابتدا روند کاهشی و سپس افزایشهی را طی میکند. زیرا در ارتفاع 0/25B جریان الیه مرزي به صورت کامههل توسههعه یافتههه اسههت و تههأثیر خههود را بههر کههاهش جریانهاي گردابهاي روي بستر و در نتیجهه کهاهش آبشسهتگی نشان داده است. در کلیه فاصلههاي آزمایش شده طوقه 40 درصد مشبک نتایج مطلوبی را نسبت به طوقه ساده نشان نمیدهد.
جلیلی و قمشی: اثر حضور طوقه مشبک بر عمق آبشستگی... 24 شکل 13 تغييرات عمق بی بعد آبشستگی با تغيير عدد فرود جریان به طور کلی با افزایش عدد فرود و در نتیجهه افهزایش قهدرت جریانهاي گردابهاي راندمان استفاده از طوقهها در ارتفاع 0/25B کههاهش یافههت. شههکل) 13 ( تغییههرات بههیبعههد حههداکثر عمههق آبشسهتگی در مقابهل تغییهرات عهدد فهرود را نشهان مهیدههد. همانطور که مشاهده میشود بیشترین عمق آبشستگی در کلیهه عدد فرودها مربوط به طوقه 40 درصد مشهبک مهیباشهد. در عهدد فرود 0/19 کمترین عمق مربوط به طوقه 30 درصد مشبک اسهت. تغییرات عمق بیبعد آبشستگی براي این طوقه نسهبت بهه سهایر طوقهها کمتر است که نشاندهنده تأثیر مثبت طوقه 30 درصهد بهر کاهش آبشستگی در شدتهاي باالي جریان است. در عهددهاي فهرود 0/16 و 0/13 ههر سهه طوقهه معمهولی 15 درصد مشبک و 30 درصد مشبک نتایج تقریبا یکسانی دارند. نتيجه گيری بها افهزایش شهدت جریهان و در نتیجهه افهزایش قهدرت جریانهاي گردابهاي پیرامون پایه عملکهرد طوقههههاي سهاده و مشبک در کاهش آبشستگی کاهش یافت. بیشترین رانهدمان در حضور طوقه ساده قرار گرفته در تراز بستر و با 100 درصد کهاهش عمق بیشینه آبشستگی مشاهده شهد. درارتفهاع 0/25B از بسهتر رسوبی در عدد فرود 0/19 طوقه 30 درصد مشبک به دلیل ایجهاد فضاي مناسب براي توسعه کامل جریان الیه مرزي پیرامون خهود با 78 درصد کهاهش آبشسهتگی نتیجهه مطلهوبی را ارائهه داد در حالیکه هر دو طوقهه سهاده و 15 درصهد مشهبک تنهها 68 درصهد کاهش در میزان آبشستگی را نشان دادند )شکل 13(. با افزایش ارتفاع نصب طوقه از بسهتر تها فاصهله 0/5B روي پایهه عملکهرد طوقهها تا 50 درصد کاهش یافت. باتوجه به اهمیهت کهاهش وزن سازه استفاده از طوقه 30 درصد مشبک بهجاي طوقه ساده پیشنهاد میشود زیرا این طوقه نتایجی برابر و حتی در شدت جریهانههاي باالتر بهتر از طوقه ساده در کاهش آبشستگی از خود نشهان داده است. 1 منابع عالم ز. 1391. تأثیر طوقه مشبک در کاهش آبشستگی تکیهگاه پل. پایاننامه دورهي کارشناسی ارشد گروه مهندسی رودخانه دانشکدهي مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز. 2 Balouchi, M. 2010. Scour controlling around bridge piers by changing the shape of collar. VDM Publishing, The Germany. 3 Breusers, H. N. C. and A. J. Raudkivi. 1991. Scouring. Hydraulic Structures Design manual. Volume 2, Balkema, Rotterdam, 152 p.
25 علوم و مهندسی آبیاری )مجله ی علمی پژوهشی( جلد 39 شمارهی 2 تابستان 95 4 Chiew, Y.M. and B.W. Mellville. 1987. Local scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 25(1):1526. 5 Defanti, E., DiPasquale, G. and D. Poggi.2010. An experimental studies of scour at bridge piers: Collars as a countermeasure. In proceeding of the 1st European Congress IAHR, Edinburgh,UK, pp 6. 6 Ettema, R. 1980. Scour at bridge piers. PhD Thesis, Auckland University, New Zealand, 527 p. 7 Laursen, E. M. and A. Toch. 1956. Scour around bridge piers and abutments. Iowa Highway Research Board, Bulletin No. 4, Bureau of Public Roads, Iowa. 8 Mashahiri, M.B., Zarrati, A.R. and A.R. Rezayi. 2004. Time development of scouring around a bridge pier protected by collar. 2nd International Conference on Scour and Erosion, ICSE2, Singapore. 9 Tanaka, S. and M. Yano. 1967. Local scour around circular cylinder. In proceeding of the 12th IAHR Congress, 3, pp. 193201.. 10 Zarrati, A. M., Gholami, H., and M. B. Mashahir. 2004. Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 42, (1): 97 103