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

1-1)مقدمه
امروزه مسئله آبشستگی یكی 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 اسكله ها، خطوط لوله، موج شكن قائم و یا سازه های تركیبی (مانند سكوهای ساحلی و ...) از جمله سازه هایی هستند كه در رودخانه ها و یا سواحل دریا تحت تأثیر پدیده آبشستگی قرار می گیرند.
به طور كلی هنگامی كه سازه ها درون یك رودخانه یا محیط ساحلی قرار می گیرند، تغییراتی را در الگوی جریان به وجود می آورند كه 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 كه اولاً بیانگر میزان پتانسیل تخریب جریان در اطراف سازه بوده و ثانیاً در طراحی ابعاد فونداسیون سازه هایی كه در مسیر جریان آب قرار دارند نقش تعیین كننده ای را ایفا می كنند.
آبشستگی در واقع نوعی فرسایش است كه در اثر جریان آب و یا امواج در اطراف پایه ها به وجود می آید. هنگامی كه 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 حركت در می آید. با كنده 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 شكل است كه 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 كه 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 كرده 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 كه توسط پژوهشگران در این زمینه انجام شده، هنوز تئوری دقیقی در این باره ارائه نگردیده است. از آنجایی كه دقت پیشگویی الگوی آبشستگی به طور بسیار زیادی به شناخت الگوی جریان اطراف سازه  حركت 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 هیدرودینامیك جریان  آبشستگی در اطراف پایه های پل وجود دارد: (1) اندازه گیری محلی، (2)استفاده از مدل های فیزیكی و (3) مدل سازی عددی معادلات حاكم بر جریان و انتقال رسوب .
در كشور ما تعداد معدودی پروژه های تحقیقاتی در زمینه بررسی آبشستگی اطراف پایه های پل با استفاده از مدل های فیزیكی انجام شده است اما باید به این نكته اشاره كرد كه متأسفانه تعداد تحقیقات جهت بررسی هیدرودینامیك جریان و آبشستگی با استفاده از مدل های عددی بسیار نادر می باشد یا با فرض های ساده شونده فراوانی صورت گرفته است كه توانایی كافی در شبیه سازی جریان و انتقال رسوب ندارند.
1-2)اهداف تحقیق حاضر
با توجه به مطالب ذكر 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 دینامیك سیالات می باشند. از جمله مزیت آن ها كم 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 حاكم بر هیدرودینامیك جریان، معادلات متوسط زمانی ناویر- استوكس برای جریان آشفته بوده كه با فرض توزیع فشار هیدرواستاتیكی می باشد. با توجه به شرایط مرزی نسبتاً پیچیده پایه استوانه ای برای گسسته سازی معادلات حاكم از روش حجم محدود استفاده شده است. شبكه بندی میدان فیزیكی با استفاده از شبكه بندی به روش معادلات دیفرانسیل بیضوی (معادله پواسون) صورت گرفته است. در معادلات هیدرودینامیك جریان، برای مدل سازی آشفتگی از نظریه ویسكوزیته 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:
1-بررسی جریان سه بعدی در اطراف پایه استوانه ای شكل
2-بررسی الگوی جریان در جلو و پشت پایه و نحوه تشكیل گردابه های نعل اسبی و دنباله دار
3-بررسی تغییرات شرایط مرزی دیواره پایه بر روی تغییرات الگوی جریان و ابعاد و نحوه شكل گیری گردابه های نعل اسبی و دنباله دار.
4-تعیین تنش های برشی بستر ناشی از جریان
5-بررسی تغییر الگوی آبشستگی ناشی از جریان در اطراف پایه استوانه ای شكل با گذشت زمان

فصل دوم

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

2-1)مقدمه
در پنج دهه اخیر، علم هیدرولیك انتقال رسوب پیشرفت گسترده ای كرده است. شیلدر (1936)نخستین فردی بود كه به طور سیستماتیك حركت نخستین یا شروع حركت ذرات رسوب را مورد مطالعه قرار داد كه نتایج تحقیقات او تا به امروز در بحث بار بستر كاربرد گسترده ای دارد. در این فصل، قبل از پرداختن به پیشینه تحقیقات انجام گرفته درباره آبشستگی، مفاهیم كلی 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 كنترل و كاهش این پدیده بررسی می شود.