آب شستگی پایه پل‌ها
یکی از مهمترین عوامل تخریب پل‌ها، آبشستگی اطراف آنها است. لذا به منظور جلوگیری و کاهش اثرات آن، شناخت مکانیزم آن لازم و ضروری است. مواد بستر رودخانه‌ها فرسایش پذیر هستند، اما شدت این فرسایش به زمان بستگی دارد. بطوری که بستر رودخانه‌های پوشیده از گرانیت سال‌های زیادی طول می‌کشد تا فرسایش یابد، در حالی که رودخانه‌هایی با بستر ماسه‌ای در فاصله زمانی بسیار کوتاه حداکثر عمق آبشستگی را دارا است. علاوه بر ساختار زمین و رودخانه‌ها که یکی از عوامل مهم در فرسایش است، عوامل هیدرولیکی نیز نقش بسزایی در وقوع این پدیده ایفا می‌کنند.
تعریف آبشستگی
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، فرسایش بستر در پایین دست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریان‌های متلاطم موضعی ، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر نسبت به بستر اولیه را عمق آبشستگی می‌نامند.
انواع آبشستگی
كف كنی و بالا آمدن بستر
چنانچه مقدار رسوب وارد شده به رودخانه و یا قسمتی از آن، از مقدار رسوب خارج شده کمتر باشد، فرسایش در کف یا دیواره رودخانه صورت می‌گیرد. در اثر این عمل، کف رودخانه به تد‌ریج گود میشود، که آن را كف كنی می‌گویند.
محل‌هایی که بطور کلی تحت تاثیر كف كنی می‌باشند، پایین دست سازههای هیدرولیکی مانند سدها هستند. زیرا سدهای مخزنی مقدار زیادی از رسوبات حمل شده توسط رودخانه را در پشت خود ته نشین کرده و در نتیجه آب تقریباً بدون رسوب از سد خارج میشود. از آنجائیکه این آب قدرت فرسایش و حمل رسوب بالایی را دارد، در صورت عدم وجود تمهیدات لازم، فرسایش صورت گرفته و در نتیجه با حمل مواد رسوب به پایین دست، بتدریج بستر رودخانه گود خواهد شد و كف كنی اتفاق می‌افتد. بر عکس معمولاً در پشت سدها به علت کاهش سرعت جریان آب، مقدار زیادی از رسوبات ته نشین می‌شوند که این پدیده را افزایش یا بالا آمدن بستر می‌گویند.
آبشستگی در اثر کاهش مقطع
کاهش سطح مقطع رودخانه به علت وجود تاسیسات یا علل دیگر موجب آبشستگی میشود. تنگ شدن مسیر جریان د ر محل احداث پل، باعث بالا آمدن سطح آب در بالا دست پل و افزایش سرعت جریان میشود. در نتیجه این عمل، پتانسیل حمل رسوب و یا شدت فرسایش بستر افزایش می‌یابد.
معمولاً در این گونه موارد، عمل فرسایش آنقدر ادامه خواهد داشت تا اینکه سطح مقطع جریان باندازه‌ای افزایش یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقاطع بالا دست محل پل شود و در این حالت فرسایش تقریباً متوقف میشود. هر چند این فرسایش موجب میشود که تاثیر پس زدگی آب در بالا کاهش یابد ولی به خاطر این موضوع نباید اجازه داده شود فرسایش صورت گیرد.
آبشستگی طبیعی
پدیده آبشستگی طبیعی در بسیاری از رودخانه‌ها با بستر متحرک بوجود می‌آید. مواردی نظیر فرسایش ناپذیر بودن کناره‌های رودخانه و یا یک انحنا از رودخانه باعث تشد ید آبشستگی طبیعی در بستر رودخانه میشود، زیرا در محل پیچ رودخانه، جریان آب مواد بستر و کناره‌ها را از قسمت خارجی پیچ شسته و در قسمت داخلی پیچ رسوب می‌دهد.
آبشستگی موضعی
بطور کلی این نوع آبشستگی در پایین دست سازههای هیدرولیکی، در محل پایه‌های پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریان‌های در هم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود می‌آید. وجود پایه‌های پل در مسیر جریان باعث تغییر الگوی جریان و ایجاد یك حفره آبشستگی در اطراف پایه‌ها میشود. این نوع آبشستگی را آبشستگی موضعی می‌گویند.
برای تخمین آبشستگی موضعی پایه پل به دلیل پیچیدگی مسئله و فاکتورهای متعددی که در مسئله دخیل هستند، انجام آزمایشات آزمایشگاهی ضروری است. ولی جواب‌هایی که از این فرمول‌ها بدست می‌آید متفاوت است. یکی از دلایل عدم تطابق جواب‌ها، انتخاب فاکتورهای متعدد بعنوان فاکتورهای موثر و عدم تشخیص شرایط متفاوت انتقال رسوبات است. بنا به شرایط انتقال رسوب و بر اساس میزان رسوباتی که به حفره آبشستگی وارد یا خارج می‌شوند دو حالت وجود دارد.
- حالت اول: آبشستگی آب زلال
- حالت دوم: آبشستگی بستر زنده
آبشستگی آب زلال
آبشستگی آب زلال مو قعی اتفاق می‌افتد که مواد بستر بالادست محل پل هیچ گونه حرکتی ندارند. یعنی اینکه شرایط جریان در بستر افقی به آستانه حرکت نرسیده است، اما شتاب جریان و گرداب‌های ایجاد شده در محل پایه‌های پل سبب حرکت مواد از جای خود می‌شوند. هنگامی که سرعت جریان و یا نیروی برشی از حد بحرانی گذشت عمق آبشستگی نسبت به زمان، تغییرات تقریباً نوسانی حول عمق تعادل آبشستگی خواهد داشت و علت این تغییرات حرکت توده‌های شنی است که از بالادست شروع میشود.
آبشستگی بستر زنده
در این حالت، شرایط جریان در بستر افقی از آستانه حرکت عبور کرده و در نتیجه حرکت عمومی مواد رسوبی بستر وجود دارد. در این نوع آبشستگی حفره ایجاد شده به طور متوسط با رسوباتی که از بالا دست منتقل می‌شوند پر میشود. البته به دلیل وجود جریان‌های گردابی تولید شده در محل پایه‌های پل، مقدار فرسایش در ابتدا زیاد است و پس از مدتی آبشستگی به حالت تعادل می‌رسد. حالت تعادل در آبشستگی آب زلال زمانی اتفاق می‌افتد که عمق آبشستگی به حدی برسد که نیروهای بالابرنده توانایی بلند کردن ذرات و خارج کردن آنها از گودال حفر شده را ندارند. در حالی که حالت تعادل در آبشستگی بستر زنده موقعی اتفاق می‌افتد که میزان رسوبات وارد شده به حفره مساوی رسوبات خارج شده باشد.
مکانیزم آبشستگی موضعی
اگر پایه‌ای بطور عمودی در بستر رودخانه قرار گرفته باشد جریان آب در اطراف آن متلاطم شده و یک سلسله جریان‌های گردابی ایجاد می‌کند. این سیستم‌های گردابی مکانیزم اصلی آبشستگی به حساب می‌آیند که در دراز مدت باعث ایجاد حفره در محل پایه پل شده و ممکن است موجب ریزش پل شود.
بسته به نوع پایه و شرایط جریان، سیستم گردابی ممکن است ترکیبی از سیستم‌های زیرباشد.
- سیستم گردابی نعل اسبی
- سیستم گرداب شیاری یا برخاستگی
- سیستم گردابی دنباله دار
- سیستم گردابی رو به پایین
- سیستم گردابی موج کمانی
سیستم گردابی نعل اسبی
پس از برخورد جریان با پایه، فشار موضعی بوجود آمده و در نتیجه باعث جدا شدن خطوط جریان خواهد شد. این خطوط جریان گردابی با جریان دست نخورده تداخل نموده و در جلوی پایه، متمرکز میشود و باعث حفر گو‌دالی در جلوی پایه میشود. چرخش آب در داخل گودال جلوی پایه به دو طرف پایه نیز کشیده میشود و در مجموع، گردابی به نام گرداب نعل اسبی ایجاد می‌کند. چنانچه پایه حجیم باشد، گرادیان فشار کافی ایجاد می‌کند که موجب وقوع مرحله فوق میشود. زیرا برای پایه‌های نوک باریک، فشار تولید شده نسبتاً قوی نبوده تا باعث جدا شدگی خطوط جریان شود و در نتیجه گرداب نعل اسبی بوجود نخواهد آمد.
بقیه اشکال مانند پایه عدسی شکل بسته به نحوه قرار گرفتن محور پایه با جهت جریان ممکن است به صورت نوک تیز و یا جسم حجیم عمل کنند. بنحوی که اگر محور پایه با جهت جریان زاویه‌ای را تشکیل دهد که بیش از ۳۰ درجه باشد، می‌تواند زاویه حمله را تغییر دهد، بطوری که پایه به صورت یک جسم حجیم عمل نماید.
همچنین اگر خار و خاشاک و الوار چوب در نوک پایه جمع شود، بصورت یک جسم حجیم عمل خواهد کرد و ضمن تشکیل جریان‌های گردابی نعل اسبی میزان آبشستگی شدت خواهد یافت و حفره بزرگی در نوک پایه ایجاد خواهد شد. جریان گردابی بصورت عمودی و از بالا به پایین عمل می‌کند و محور این جریان افقی است و حوزه عمل این سیستم گردابی اطراف پایه است.
جریان گردابی نعل اسبی در نتیجه جدا شدگی جریان لبه بالایی حفره آبشستگی بوجود می‌آید و این سیستم از نتایج آبشستگی است.گرداب نعل اسبی، گودال آبشستگی را گود می‌کند تا زمانی که تنش برشی بحرانی کمتر شود. شتاب جریان در دو طرف پایه، دو شکاف در بستر ایجاد می‌کند که انتقال ( پاک کردن ) رسوب ازگودال آبشستگی بالادست در پیرامون پایه را آسان می‌کند.
طبق نظر بعضی محققان، این سیستم در ابتدا کوچک و قدرت آن ضعیف است ولی پس از تشکیل حفره آبشستگی، سیستم جریان نعل اسبی از لحا‌ظ اندازه و قدرت نیز رشد می‌یابد. با افزایش عمق آبشستگی (گود شدن حفره)، مقدار جریان رو به پایین در نزدیکی کف حفره کاهش یافته و زمانی که قدرت نیروهای محرک تقریبا برابر با نیروهای مقاوم (وزن اشباع ذره) گردید، آب شستگی متوقف میشود.
سیستم گردابی شیاری
این سیستم به وسیله خود پایه به وجود می‌آید و جهت آن برعکس سیستم گردابی نعل اسبی، بطرف بالا است. این سیستم بر اثر غلتیدن لایه‌ها بطرف بالا که بر روی سطح پایه بوجود می‌آید، تشکیل میشود و در خط جدا شدگی از هر طرف پایه جدا میشود.
قدرت این سیستم به مقدار زیادی به شکل پایه و سرعت آب بستگی دارد. در پایه‌هایی که بصورت آیرودینامیکی ساخته می‌شوند، جداشدگی جریان و در نتیجه سطح گرداب شیاری کاهش یافته و قدرت سیستم گردابی ضعیف میشود. در نتیجه میزان آبشستگی موضعی بشدت کاهش می‌یابد. در حالی که در پایه‌های مستطیل شکل، میزان آبشستگی موضعی از همه بیشتر است، زیرا میزان سطح گرداب شیاری به علت افزایش جداشدگی خطوط جریان، زیاد میشود.
سیستم گردابی دنباله‌دار
این سیستم فقط در جایی اتفاق می‌افتد که پایه مستغرق باشد. این سیستم از یک یا چند گرداب مجزا تشکیل شده است که از نوک پایه شروع شده و تا پایین ادامه می‌یابد. مکانیزم تشکیل این گرداب اختلا‌ف فشار محدود بین دو سطح است، که در یک گوشه، یکدیگر را قطع می‌کنند. سرعت جریان آب بر روی سطح پایه استوانه‌ی در بالادست، در یک صفحه عمودی قرینه میشود و چون سرعت عادی جریان آب در آبراهه از سطح آب به کف آبراهه کاهش می‌یابد و به صفر می‌رسد، فشار ایستایی نیز نسبت به عمق کاهش می‌یابد و چون گرادیان فشار به طرف پایین است، باعث ایجاد جریان رو به پایین میشود. این جریان رو به پایین در هر ارتفاع و در همان صفحه قرینه، عمودی و برای هر عمق بخصوص از آبشستگی، یک توزیع سرعت دارد. این سرعت از صفر بر روی پایه و یا کمی دورتر از آن شروع و به یک مقدار ماکزیمم می‌رسد.
فشار ایستایی نه تنها موجب جریان رو به پایین میشود، بلکه باعث افزایش شتاب جریان در طرفین پایه میشود. گسیختگی جریان در اطراف پایه باعث میشود که در محل اتصال با جریان اصلی آبراهه، گرداب‌های دنباله دارا یجاد شود. سیستم گردابی دنباله‌دار به پایین دست منتقل شده و با سیستم نعل اسبی در کف آبراهه تداخل پیدا می‌کند. سیستم گردابی دنباله دار بصورت یک گرداب کوچک رسوبات را در کف آبراهه جدا می‌نماید.
سیستم موج کمانی
سیستم موج کمانی در سطح آب تشکیل شده و جهت چرخش آن مخالف جهت چرخش جریان نعل اسبی است. جریان موج کمانی در جریان‌های کم عمق اهمیت دارد. زیرا در جایی که این سیستم گردابی با جریان اصلی هماهنگ شود، بر حسب کاهش قدرت، سیستم رو به پایین میشود.
پارامترهای موثر بر آبشستگی موضعی
پارامترهای موثر بر آبشستگی موضعی را می‌توان به چهار گروه تقسیم کرد.
پارامترهای هندسی
عرض پایه: قطر پایه تاثیر مستقیم روی عمق آبشستگی دارد، زیرا که با افزایش قطر پایه، سرعت جریان عبوری بین پایه‌ها افزایش و در نتیجه عمق آبشستگی افزایش پیدا می‌کند.
طول پایه: عموماً طول پایه تاثیر محسوسی روی عمق آبشستگی ندارد. بخصوص اگر پایه‌ها موازی جریان باشند. ولی اگر پایه با زاویه‌ای نسبت به جریان قرار گرفته باشد، طول پایه تاثیر خیلی زیادی بر روی آبشستگی خواهد داشت.
شکل پایه: شکل پایه تاثیر عمده‌ای روی آبشستگی دارد، بنحوی که یک پایه مربعی شکل، ماکزیمم عمق آبشستگی را دارد.
زاویه محور پایه با جهت جریان
فاصله پایه ها،
سطح پایه
سیستم حفاظتی پایه
اجسام شناور که بوسیله جریان حمل میشود.
پارامتر های هیدرولیکی
عمق جریان در بالادست: عمق جریان تاثیر مستقیم روی آبشستگی دارد.
سرعت متوسط جریان در بالادست: سرعت، آستانه آبشستگی را افزایش می‌دهد. سرعت بزرگتر عمق آبشستگی عمیق‌تر را بدنبال دارد. همچنین به احتمال زیاد عمق آبشستگی بستگی به نوع جریان نیز دارد. با افزایش عدد فرود عمق آبشستگی افزایش می‌یابد.
شیب آبراهه
دبی جریان در واحد عرض
سطح مقطع جریان
ضریب زبری مانینگ.
پارامتر های مربوط به سیال
- جرم واحد حجم سیال
- لزجت سینماتیکی
- شتاب ثقل
پارامتر های رسوب
- جرم مخصوص مواد بستر
- اندازه مواد رسوبی
- توزیع دانه بندی کف بستر
- شکل ذرات
- زاویه ایستایی
- چسبندگی خاک
- طبقه بندی، لایه بندی و ترکیب مواد بستر
- تغییرات مصنوعی یا طبیعی در رژیم رسوبات
