ادیر پیشنهادی برای زاویه انحراف آبشکن ()]13[
شمارهمرجعاندازه (درجه)ملاحظات1سازمان ملل100-120آبشکن‌های دفعی2ممک100-110آبشکن‌های دفعی3جاگلکار100-120آبشکن‌های دفعی4 “30-60آبشکن‌های جذبی5ماکورا110قوس خارجی6 “100بازه مستقیم7 “90قوس داخلی8 کاپلند90قوس داخلی9آکانتیس و همکاران65آبشکن جذبی10مزاآلوارز70آبشکن جذبی
براساس بررسی‌های انجام گرفته آبشکن‌های دفعی موجب تشدید فرسایش در دماغه و ایجاد چاله فرسایشی عمیق‌تری می‌شوند. از آنجائیکه یکی از اهداف احداث آبشکن برقراری شرایط لازم برای ترسیب مواد رسوبی درمیدان آبشکن می‌باشد. لذا در طراحی آبشکن‌ها این مسئله مورد توجه قرار می‌گیرد. آبشکن‌های دفعی در مقایسه با آبشکن‌های قائم موجب افزایش رسوبگذاری(بخصوص در جناح پایین دست) میدان آبشکن می‌گردد. در این نوع آبشکن‌ها با تشکیل یک گرداب فعال (هسته چرخشی) مواد معلق موجود در آب در میدان آبشکن (و بویژه در محدوده بالادست) آبشکن) ترسیب می‌نماید (چگونگی رسوبگذاری در محدوده آبشکن‌های دفعی و جذبی در شکل (9) نشان داده شده است). آبشکن‌های جذبی برای حفاظت سواحل فرسایشی رودخانه چندان مناسب نمی‌باشند. در این نوع آبشکن‌ها جریان فعال نفوذی به میدان آبشکن اغلب موجب تخریب و فرسایش کناره‌ها گردیده و به نوبه خود سلامت سازه آبشکن را نیز به مخاطره می‌اندازد. آبشکن‌های قائم نیز محدوده حفاظتی کمتری را پوشش می‌دهند. از اینرو آبشکن‌های دفعی در مقایسه با سایر انواع آبشکن‌ها برای حفاظت کناره‌ها از خطر فرسایش و همچنین تحقق اهداف رسوبگذاری و تشکیل لایه رسوبی ضخیم در فضای بین سازه‌ای مناسب می‌باشند.در زمینه آبشستگی پای آبشکن تحقیقات زیادی صورت گرفته و روابطی را جهت تعیین حداکثر عمق آبشستگی در پای آبشکن ارائه کردهاند ولی همچنان به عنوان یکی از مسائل مورد توجه مهندسی رودخانه به حساب میآید.
یکی از نواقص اکثر این تحقیقات استفاده از فلوم مستقیم در آزمایشگاه بوده است. همانطور که بیان گردید از آبشکنها جهت حفاظت سواحل در خم رودخانهها استفاده میشود و با توجه به ماهیت پیچیده جریان در خم رودخانه نمیتوان اطلاعات مربوط به کانالهای مستقیم را برای رودخانههای طبیعی بکار برد. بدلیل تشابه مکانیزم آبشکن و پایه پل، الگوی جریان و آبشستگی در اطراف این دو سازه شباهت زیادی به یکدیگر دارند.
شکل (9) شکل شماتیک الگوی جریان در اطراف آبشکن ]9[
جهت مقابله با آبشستگی ایجاد شده در اطراف پایهها، دیوارهها و آبشکنها روشهای متعددی ارائه شده که یکی از سادهترین و در عین حال اقتصادیترین روشها، استفاده از ریپ رپ میباشد. ریپ رپ لایهای از سنگ یا مواد دیگر بوده که در کانال و به ویژه در اطراف سازهها جهت کاهش اثرات فرسایش مورد استفاده قرار میگیرد. استفاده از ریپ رپ به دلیل در دسترس بودن مصالح، سادگی اجرا و هزینههای کم بسیار متداول است. علی رغم مزایای عنوان شده در فوق، چنانچه طراحی ریپ رپ به دقت صورت نگیرد، پس از مدتی به تدریج تخریب شده و اثر خود را از دست خواهد داد. بر همین اساس هر گونه طراحی موفقیت آمیزی میبایستی جهت حالتهای مختلف شکست مورد بررسی قرار گیرد. بر اساس نظر لاگاس و همکاران (2001) شکست ریپ رپ به سه دسته تقسیم شد که شامل فرسایش المانهای ریپ رپ، فرسایش زیرسطحی و فرسایش تودهای میباشد. فرسایش المانهای ریپ رپ تحت تاثیر اندازه سنگهای ریپ رپ در مقایسه با نیروهای هیدرودینامیکی و توربولانتی میباشد، هر چند شیب ریپ رپ، ضربه و سایش و یخ یا موج نیز میتوانند باعث این نوع تخریب شوند. فرسایش زیر سطحی زمانی اتفاق میافتد که مواد بستر که ریزتر از المانهای ریپ رپ میباشند از بین خلل و فرج ریپ رپ خارج شده و باعث نشست ریپ رپ گردند. استفاده از فیلتر تا حد زیادی این نوع فرسایش را کاهش میدهد. فرسایش تودهای نیز زمانی اتفاق میافتد که قسمت عظیمی از المانهای ریپ رپ و یا مواد بستر تحت تاثیر نیروهای ثقلی لغزیده و یا ریزش کنند. براساس نتایج آزمایشگاهی چیو (1995) سه مکانیزم متفاوت در ناپایداری ریپ رپ در اطراف پایه پل نقش دارند که این سه مکانیزم عبارتند از: گسیختگی ناشی از برش، تخریب زیر سطحی و تخریب لبهای. گسیختگی ناشی از برش در حقیقت همان فرسایش المانهای ریپ رپ بوده که لاگاس و همکاران (2001) به آن اشاره کردند. تخریب لبهای در حقیقت حرکت المانهای ریپ رپ به سمت چاله آبشستگی ایجاد شده در رسوبات بستر بوده که در نهایت این المانها در چاله مذکور افتاده و باعث کاهش اثر محافظتی ریپ رپ میگردند. آنگر و هاگر (2006) سه مکانیزم مختلف لغزش، تخریب زیر سطحی و غلطش را جهت ریپ رپ اطراف پایههای پل معرفی کردند که از این سه مکانیزم تنها لغزش و تخریب زیر سطحی در ریپ رپ اطراف ابشکنها مشاهده گردید (گیسونی و هاگر، 2008). گیسونی و هاگر (2008) در تحقیق خود پایداری ریپ رپ در اطراف مجموعهای از آبشکنها در یک فلوم مستقیم را مورد بررسی قرار داد.
(ضمیمه ب)
شرح روش اجرای تحقیق:
بررسی پارامترهای موثر بر آبشستگی پای آبشکن در قوس
1- خصوصیات مربوط به هندسه سیستم
شیب کانال اصلی (Sm)، عرض کانال اصلی (B)، شعاع قوس (R)، زاویه مرکزی محل استقرار آبشکن در قوس (?)، زاویه آبشکن (?)، فاصله طولی آبشکنها (L)، طول آبشکن (w)، تعداد ردیفهای ریپ رپ(n)، ضخامت ریپ رپ (T)
2- خصوصیات مربوط به جریان
دبی جریان در بالادست آبشکن (Q)، عمق جریان در کانال اصلی (y)، شتاب ثقل (g)
3- خصوصیات مربوط به سیال
جرم واحد حجم مایع (?)، لزجت دینامیکی (?)
4- خصوصیات مواد رسوبی
قطر متوسط ذرات رسوبی (ds)، چگالی رسوبات (s?)، انحراف معیار رسوبات (?)
نحوه انجام آزمایش
در این تحقیق از یک فلوم قوسی جهت انجام آزمایشات استفاده شده است. پارامترهای متغیر در آزمایشات این تحقیق شامل دبی (Q ) ، طول آبشکن(w)، زاویه آبشکن(?) ، تعداد ردیفهای ریپ رپ (n)، فاصله طولی آبشکنها (L)، عمق کارگذاری ریپ رپ (T) میباشد. نحوه انجام آزمایشات به این ترتیب میباشد که در ابتدا سطح بستر را کاملا صاف کرده و با استفاده از Bedprofiler توپوگرافی بستر را برداشت کرده تا پس از آزمایش بتوان مقادیر رسوبگذاری و فرسایش را به طور دقیق تعیین کرد. آزمایشات این تحقیق در دو بخش صورت میگیرد بخش اول آزمایشات شامل بررسی هیدرولیک جریان و وضعیت آبشستگی قوس بدون حضور آبشکنها به عنوان ازمایشهای شاهد میباشد. در این آزمایشات هدف بررسی الگوی جریان، برآورد تنشهای برشی در نقاط مختلف قوس و بررسی الگوی فرسایش در قوس میباشد. متغیرهای مورد نظر در این سری آزمایشات شامل دبی و عمق جریان و ریپ رپ در کف میباشند در بخش دوم این آزمایشات که آزمایشات اصلی این تحقیق میباشد ابتدا آبشکنها در موقعیت مورد نظر خود قرار داده میشوند. محل قرار گیری آبشکن بر اساس محدوده مورد حمله جریان و در نتیجه محدوده فرسایشپذیر انتخاب میگردد.
جهت تعیین این محدوده میتوان از روش معرفی شده توسط U.S. Army Corps of Engineers استفاده نمود (لاگاس و همکاران، 2001). تعیین محدوده مورد نیاز به حفاظت در قوسها در شکل (10) ارائه شده است.
شکل(10)تعیین محدوده مورد نیاز به حفاظت در قوسها بر اساس روش U.S. Army Corps of Engineers
پس از قرار دادن آبشکن باید به نحوه قرار گرفتن ریپ رپ در اطراف این سازهها توجه نمود،. قبل از راه اندازی پمپ، دریچه انتهایی به اندازه کافی بالا آورده شده و سپس به آرامی آب را به داخل فلوم انتقال می دهیم. پس از آنکه آب روی تمامی رسوبات را پوشاند اجازه می‌دهیم تا آب کم کم زهکشی شده و تراکم نقاط مختلف بستر رسوبی یکسان گردد. پس از آن به تدریج آب به درون کانال انتقال داده میشود. در این آزمایشات دبی را به تدریج زیاد کرده تا به دبی از پیش تعیین شده برسد. پس از رسیدن به دبی از پیش تعیین شده، دریچه انتهایی را به تدریج پایین آورده تا عمق مورد نظر در فلوم ایجاد شود. پس از این مرحله اجازه میدهیم آزمایش تا زمان رسیدن به حالت تعادل ادامه یابد. پس از رسیدن به حالت تعادل سطح آب در نقاط مختلف و نیز مولفههای سرعت را با استفاده از دستگاه ADV برداشت میکنیم. با داشتن مولفههای سه بعدی جریان خواهیم توانست مقادیر تنش برشی را در نقاط مختلف قوس تعیین کنیم. پس از آن به آرامی آب داخل فلوم را خارج کرده به گونهای که تغییری در توپوگرافی بستر بوجود نیاید. پس از تخلیه کامل فلوم میتوان با استفاده از Bedprofiler توپوگرافی بستر را برداشت کرده و با مقایسه دو اندازهگیری صورت گرفته الگوی فرسایش و رسوبگذاری را در نقاط مختلف قوس تعیین نمود.
پس از تعیین این محدوده آبشکنها با ابعاد و زوایا و ارتفاعهای مورد نظر در محدوده فرسایشپذیر قوس قرار گرفته و ریپرپهای مختلف با آرایشهای از پیش تعیین شده در اطراف آبشکنها قرار میگیرند. در این مرحله از انجام آزمایشات دبی و یا عمق را به تدریج افزایش داده تا شرایط شکست ریپ رپ حاصل شود. در این سری از آزمایشات با توجه به دبی از پیش تعیین شده، دریچه را به آرامی پایین آورده تا اینکه شرایط ایجاد شده به شکست ریپ رپ منجر شود. معمولا برای هر تغییر عمق یا دبی به مدت 5 دقیقه صبر میکنیم تا جریان مورد نظر به طور کامل بر فلوم حاکم شود. پس از این زمان اگر هیچ کدام از حالات شکست اتفاق نیافتاد، عمق جریان را تغییر میدهیم. منظور از شکست ریپ رپ در این تحقیق حرکت افقی و یا عمودی نزدیکترین المانها به آبشکن میباشد. پس از اتفاق افتادن حالت شکست، میتوان با استفاده از سرعت سنج سه بعدی، مولفه‌های سرعت را در نقاط مختلف قوس و اطراف آبشکنها اندازهگیری کرد.
جدول (3) الگوی کلی آزمایشات
پارامترQ دبیزاویه آبشکن (?)سرعت
(U)طول آبشکن(w)،فاصله طولی آبشکنها (L)،تعداد ردیفهای ریپ رپ (n)عمق