اثر زمان بر آبشستگی پایه های استوانه ای (پل ها)

۱-۱)مقدمه
امروزه مسئله آبشستگی یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه و سواحل می باشد. قرارگیری سازه های مختلف در مسیر جریانات رودخانه ای مستلزم تعبیه پایه هایی در این مناطق بوده، در نتیجه این پایه ها همواره در معرض آبشستگی قرار خواهند داشت. پایه پل ها و اسکله ها، خطوط لوله، موج شکن قائم و یا سازه های ترکیبی (مانند سکوهای ساحلی و …) از جمله سازه هایی هستند که در رودخانه ها و یا سواحل دریا تحت تأثیر پدیده آبشستگی قرار می گیرند.
به طور کلی هنگامی که سازه ها درون یک رودخانه یا محیط ساحلی قرار می گیرند، تغییراتی را در الگوی جریان به وجود می آورند که این تغییرات معمولاً باعث افزایش ظرفیت انتقال رسوب در محیط آبی شده و در نهایت منجر به ایجاد پدیده آبشستگی خواهند شد. تعیین عمق آبشستگی از این جهت دارای اهمیت می باشد که اولاً بیانگر میزان پتانسیل تخریب جریان در اطراف سازه بوده و ثانیاً در طراحی ابعاد فونداسیون سازه هایی که در مسیر جریان آب قرار دارند نقش تعیین کننده ای را ایفا می کنند.
آبشستگی در واقع نوعی فرسایش است که در اثر جریان آب و یا امواج در اطراف پایه ها به وجود می آید. هنگامی که برآیند نیروهای وارده از طرف جریان و یا موج بر ذرات بستر از نیروی مقاوم بیشتر باشد و بر آن غلبه نماید ذره مورد نظر عملاً به حرکت در می آید. با کنده شدن و یا غلطیدن این ذره و ذرات بعدی در سطح، و به تدریج در عمق، آبشستگی به وقوع می پیوندد. این نوع آبشستگی در واقع  نوعی گود شدن قیفی شکل است که در مجاورت پایه ها رخ می دهد. چنانچه این گودی تا پی ادامه یابد، می تواند باعث خطرات جدی برای سازه باشد.
از این رو پیشگویی الگوی آبشستگی برای ایمنی طراحی سازه هایی که در معرض جریان قرار دارند امری ضروری است. اما وجود جدا شدگی سه بعدی جریان و تولید گرداب های مختلف در اطراف این پایه ها مسئله را پیچیده کرده و این پیچیدگی به دلیل اثر متقابل بین جریان و مرز متغیر در طی روند آبشستگی و توسعه گودال آبشستگی، افزایش می یابد. به همین دلیل با وجود تحقیقات گسترده ای که توسط پژوهشگران در این زمینه انجام شده، هنوز تئوری دقیقی در این باره ارائه نگردیده است. از آنجایی که دقت پیشگویی الگوی آبشستگی به طور بسیار زیادی به شناخت الگوی جریان اطراف سازه  حرکت رسوب محدوده گودال آبشستگی وابسته است، بررسی های بیشتر بر روی این عوامل مهم برای حصول نتایج بهتر امری ضروری است.
در پروژه های تحقیقاتی سه روش اساسی برای مطالعه و بررسی هیدرودینامیک جریان  آبشستگی در اطراف پایه های پل وجود دارد: (۱) اندازه گیری محلی، (۲)استفاده از مدل های فیزیکی و (۳) مدل سازی عددی معادلات حاکم بر جریان و انتقال رسوب .
در کشور ما تعداد معدودی پروژه های تحقیقاتی در زمینه بررسی آبشستگی اطراف پایه های پل با استفاده از مدل های فیزیکی انجام شده است اما باید به این نکته اشاره کرد که متأسفانه تعداد تحقیقات جهت بررسی هیدرودینامیک جریان و آبشستگی با استفاده از مدل های عددی بسیار نادر می باشد یا با فرض های ساده شونده فراوانی صورت گرفته است که توانایی کافی در شبیه سازی جریان و انتقال رسوب ندارند.
۱-۲)اهداف تحقیق حاضر
با توجه به مطالب ذکر شده در بالا در تحقیق حاضر ابعاد مختلف جریان سیال در اطراف پایه پل و آبشستگی ناشی از آن تحت اثر جریان های ماندگار با استفاده از مدل عددی بررسی شده است.
مدل های عددی ابزار توانمندی برای مدل سازی و مطالعه پدیده های مربوط به دینامیک سیالات می باشند. از جمله مزیت آن ها کم هزینه بودن، سرعت عمل زیاد و قابلیت نقل و انتقال آن به پروژه های دیگر است. با توجه به این موارد در این تحقیق به مدل سازی سه بعدی جریان در اطراف پایه پل پرداخته شده است. معادلات حاکم بر هیدرودینامیک جریان، معادلات متوسط زمانی ناویر- استوکس برای جریان آشفته بوده که با فرض توزیع فشار هیدرواستاتیکی می باشد. با توجه به شرایط مرزی نسبتاً پیچیده پایه استوانه ای برای گسسته سازی معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده است. شبکه بندی میدان فیزیکی با استفاده از شبکه بندی به روش معادلات دیفرانسیل بیضوی (معادله پواسون) صورت گرفته است. در معادلات هیدرودینامیک جریان، برای مدل سازی آشفتگی از نظریه ویسکوزیته گردابی افقی و قائم در عمق و در لایه ها استفاده شده است. جهت بررسی پدیده آبشستگی مدل انتقال رسوب بار بسترون رایان  مورد استفاده قرار گرفته است. در ادامه نتایج مدل سازی عددی با نتایج به دست آمده از نتایج تجربی و عددی دیگر محققین مقایسه شده است. عمده ترین اهداف این تحقیق عبارتند از:
۱-بررسی جریان سه بعدی در اطراف پایه استوانه ای شکل
۲-بررسی الگوی جریان در جلو و پشت پایه و نحوه تشکیل گردابه های نعل اسبی و دنباله دار
۳-بررسی تغییرات شرایط مرزی دیواره پایه بر روی تغییرات الگوی جریان و ابعاد و نحوه شکل گیری گردابه های نعل اسبی و دنباله دار.
۴-تعیین تنش های برشی بستر ناشی از جریان
۵-بررسی تغییر الگوی آبشستگی ناشی از جریان در اطراف پایه استوانه ای شکل با گذشت زمان

فصل دوم

مفاهیم کلی جریان و آبشستگی اطراف پایه پل و مروری بر تحقیقات گذشته

۲-۱)مقدمه
در پنج دهه اخیر، علم هیدرولیک انتقال رسوب پیشرفت گسترده ای کرده است. شیلدر (۱۹۳۶)نخستین فردی بود که به طور سیستماتیک حرکت نخستین یا شروع حرکت ذرات رسوب را مورد مطالعه قرار داد که نتایج تحقیقات او تا به امروز در بحث بار بستر کاربرد گسترده ای دارد. در این فصل، قبل از پرداختن به پیشینه تحقیقات انجام گرفته درباره آبشستگی، مفاهیم کلی جریان و آبشستگی و انواع آن توضیح داده خواهد شد. سپس مروری بر مطالعات انجام شده تئوری، آزمایشگاهی و عددی در مورد آبشستگی موضعی اطراف پایه پل انجام می شود. در نهایت، مطالعات مبتنی بر روشهای کنترل و کاهش این پدیده بررسی می شود.