آشنایی با سازه های آبشکن و کاربردهای آن ها

در این پست تصمیم داریم جهت آشنایی بیشتر با سازه های آبشکن و بررسی کاربردهای آن ها، مطالبی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.

مقدمه

حفاظت ساحل رودخانه در مقابل فرسایش از اهداف اصلی ساماندهی رودخانه ها در توسعه پایدار منابع آب به شمار می آید، چرا که فرسایش سواحل رودخانه ها، باعث خسارت به اراضی کشاورزي، آسیب دیدن سازه هاي مجاور مانند پل ها و جاده ها، عریض شدن آبراهه جریان و مسائل زیست محیطی قابل توجهی می باشد. این مسأله سبب می شود هر ساله مبالغ زیادي براي حفاظت از سواحل رودخانه در برابر فرسایش هزینه شود. روش هاي حفاظت سواحل از دیدگاه عملکرد سازه ها به دو گروه کلی حفاظت مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می شوند. در روش غیرمستقیم، تثبیت رودخانه ها توسط احداث سازه هاي عرضی یا آبشکن در طول ساحل فرسایش پذیر انجام می گیرد. با وجود پژوهش هاي متعددي که براي بهینه سازي اجزاي آبشکن و کارایی یا عدم کارایی سازه ها، نظیر ارزیابی عمق آبشستگی پیرامون سازه و میزان رسوب گذاري و فرسایش ساحل رودخانه صورت گرفته، تاکنون روشی که همزمان قادر به بررسی ملاحظات طراحی، اقتصادي و تغییرات دینامیکی رودخانه باشد، ارائه نشده است.

آبشکن، سازه ای عرضی است که در کناره رودخانه ها اجرا شده و باعث انحراف آب از محل کناره ها می شود. مدل بهینه سازي آبشکن ها  متشکل از سه زیر مدل مورفولوژیکی، طراحی و بهینه سازي است. براي بررسی پایداري رودخانه از زیر مدل مورفولوژیکی استفاده می شود. در این زیر مدل ابعاد مقطع پایدار با استفاده از تئوري حدي حداکثر ظرفیت انتقال رسوب محاسبه می شود. سپس با به کارگیري ضوابط طراحی مناسب براي اجزاي آبشکن از قبیل طول، ارتفاع، فاصله، تعداد و عمق آبشستگی آبشکن در زیر مدل طراحی، هزینه هاي ساخت کمینه خواهد شد. نتایج حاصل از دو زیر مدل مورفولوژیکی و طراحی در زیرمدل بهینه سازي، با استفاده از روش وزن دهی به صورت یک مدل بهینه سازي چند هدفه غیرخطی فرموله شده و مورد بررسی قرار می گیرد تا به این وسیله ابعاد بهینه آبشکن محاسبه شود. به عبارتی زیر مدل بهینه سازي از ترکیب وزنی دو تابع هدف زیر مدل طراحی و زیر مدل مورفولوژیکی تشکیل شده است. مدل توسعه یافته، روند تغییرات هزینه ساخت سازه را نسبت به ظرفیت حمل رسوب کانال که بیانگر وضعیت پایدار رودخانه است، محاسبه می کند.

طبیعت سه بعدي جریان و آشفتگی هاي موجود در قوس رودخانه ها از یک طرف و تغییرات غیر یکنواخت توپوگرافی بستر و عمق جریان از طرف دیگر، باعث تشکیل جریان هاي پیچیده در قوس رودخانه ها می شود. این جریان ها تأثیر زیادي بر کف قوس رودخانه می گذارند، به طوری که سرعت بالاي جریان در قوس خارجی باعث فرسایش بستر رودخانه و ساحل خارجی و در نتیجه تخریب آن می شود. کارایی اصلی آبشکن هاي رودخانه اي، انحراف جریان از کناره رودخانه و هدایت آن به سمت مجراي اصلی است. نتیجه انحراف جریان، توسعه یک ناحیه چرخشی با تلاطم شدید در پیرامون آبشکن است که به صورت گسترده تري در پایین دست آبشکن ظاهر می شود. با استقرار آبشکن در قوس خارجی رودخانه، به دلیل اندر کنش بین الگوي جریان در قوس و الگوي جریان حول آبشکن، تحلیل جریان در اطراف آبشکن هاي مورد استفاده در قوس، از پیچیدگی بیشتري برخوردار است. در مورد الگوي جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن مستقر در رودخانه ها تحقیقات عددي و آزمایشگاهی متعددي انجام گرفته است.

پل ها در برقراري راه هاي ارتباطي از اهميت زيادي برخوردارند. همه ساله پل های متعددی در سراسر جهان به دليل عدم درک صحيح از هيدروليک جريان اطراف پايه و رعايت نکردن ملاحظات فني در طراحي و اجراي آنها تخريب مي شوند که دليل عمده آن آبشستگي موضعي مي باشد. تخريب و خسارت وارده به پل ها که اغلب در هنگام سيلاب رخ مي دهد، علاوه بر ضررهاي مالي، به علت قطع راه هاي ارتباطي، کمک به مناطق سيل زده را مختل نموده و از اين نظر عواقب اجتماعي نيز به دنبال دارد.

پیشنهاد مطالعه : انواع سریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

ضرورت بررسي پديده آبشستگي زماني آشکار مي گردد که عمق آبشستگي قابل ملاحظه باشد به گونه اي که اين عمق به پي سازه هاي رودخانه اي برسد و پايداري اين سازه ها را در معرض خطر قرار دهد و نهايتاً موجب تخريب آنها گردد. در ايران بر طبق آمار ارائه شده مشکل آبشستگي موضعي در پايه هاي پل عامل اصلي تخريب آنها مي باشد. تحقيقات انجام شده در هشت منطقه و استان کشور نشان مي دهد که ۴۲ % از پل هاي اين محدوده دچار آبشستگي شده اند. همچنين نتايج بررسي هاي انجام شده نشان مي دهد که از تعداد کل پل ها که نياز به مرمت و تعمير دارند، ۵۷ % آنها به جهت آبشستگي نياز به تعميرات دارند. در شکل 1 یک نمونه آبشکن نشان داده شده است.

بنابراين شناخت اين پديده، پيش بيني ميزان آن و لحاظ کردن آن در طراحي پل ها و مهم تر از همه به کار بردن تمهيدات لازم براي کنترل و کاهش آبشستگي موضعي امري بسيار ضروري مي باشد. مکانيسم عمل آبشستگي موضعي به اين صورت است که پس از برخورد جريان به پايه پل، با توجه به اينکه سرعت جريان از بستر رودخانه به طرف سطح آب بيشتر مي شود، فشار بيشتري در تراز هاي بالاتر بر روي پايه ايجاد مي شود و به اين ترتيب گراديان فشاري روي پايه از بالا به پايين به وجود مي آيد که خود باعث ايجاد يک جريان رو به پايين در عقب پايه مي شود. جريان رو به پايين در حين برخورد به بستر رودخانه، ضمن حفر بستر به هر طرف پراكنده مي شود. با حفر بستر در عقب پايه، اين جريان وارد حفره شده و به طرف بالا گرداب هايي با نام گرداب نعل اسبي ايجاد مي نمايد. از سوي ديگر، جريان برخورد کرده به پايه در کناره آن از پايه جدا مي گردد و موجب ايجاد گرداب هايي مي شود که محور آنها عمود بر بستر رودخانه مي باشد. اين گرداب ها با عنوان گرداب برخاستگي، همچون گردباد ذرات بستر را به سمت بالا مکيده و در معرض جريان قرار مي دهند و به اين ترتيب به حمل مصالح کنده شده از جلو و اطراف پايه، به سمت پايين دست کمک مي نمايد و در عين حال نيز يک حفره آبشستگي مستقل در پايين دست پايه ايجاد مي گردد. از این رو شناخت آبشکن بر کاهش عمق آبشستگي اطراف پايه پل ها در پيچ رودخانه ها ضروری می باشد.

شکل 1 . بررسی آبشکن

همان طور که بیان گردید، يكي از راه هاي تثبيت ديواره در قوس خارجي استفاده از سازه اي به نام آبشكن است. آبشكن ها به صورت منفرد يا به صورت متوالي، در يك و يا در دو سمت رودخانه احداث مي گردند. آبشكن ها مي توانند مستغرق و يا غير مستغرق باشند، آبشكن هاي مستغرق بيشتر در مسائل كشتيراني و آبشكن غير مستغرق در مسائل آبخيزداري كاربرد دارند. كارايي اصلي آبشكن هاي رودخانه اي، انحراف جريان از كناره رودخانه و هدايت آن به سمت مجراي اصلي است. نتيجه انحراف جريان، توسعه يك ناحيه چرخشي با تلاطم شديد در پيرامون آبشكن است كه به صورت گسترده تري در پايين دست آبشكن ظاهر مي گردد. فرآيند هيدروليكي اين جريان، توسعه حفره آبشستگي در پيرامون آبشكن و تهنشینی بار رسوبي در پايين دست و كناره رودخانه است. آبشستگي يك خطر جدي براي سازه آبشكن و در نتيجه براي رودخانه محسوب مي شود. در خصوص جنبه هاي مختلف آبشكن ها به عنوان مثال بررسي وضعيت قرار گيري آبشكن ها، اندازه آبشكن ها، زاويه قرار گيري آن ها در مسيرهاي مستقيم و غير مستقيم تحقيقات گوناگوني صورت گرفته است، ولي تاكنون در خصوص پايداري آبشكن ها تحقيقات زيادي صورت نگرفته و تحقيقات اندك موجود غالباً در مسير مستقيم بوده است، در حالي كه عمده ترين كاربرد استفاده از آبشكن ها در قوس ها مي باشد. با توجه به ماهيت پيچيده جريان در خم رودخانه نمي توان اطلاعات مربوط به كانال هاي مستقيم را براي رودخانه هاي طبيعي به كار برد. جهت مقابله با آبشستگي ايجاد شده در اطراف پايه ها، ديواره ها و آبشكن ها روش هاي متعددي ارائه شده كه يكي از ساده ترين و در عين حال اقتصادي ترين روش ها، استفاده از سنگ چين مي باشد. مطالعه پايداري و شناخت حالت هاي مختلف شكست سنگ چين محافظ آبشكن ضروري مي باشد. در شکل 2 یک نمونه آبشکن نشان داده شده است.

شکل 2 . بررسی آبشکن

آبشكن بحراني، آبشکنی است كه رسوبات بستر اطراف آن سريع تر حركت می نمايند و چاله آبشستگي ايجاد می گردد. سپس سنگ چين ها در اطراف آبشكن بحراني قرار داده می شوند. بجز آبشكن بحراني، آبشكن قبل و بعد از آبشكن بحراني نيز با سنگ چين ها محافظت می شوند.

منابع :

1 . مقاله ی مطالعه عددي الگوي جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن T مستقر در قوس 90 درجه با بستر تعادل یافته از محمد واقفی و همکاران

2 . مقاله ی مدل بهینه سازي طراحی ابعاد آبشکن هاي رودخانه اي و نقش آن در پایدارسازي مورفولوژیکی رودخانه از فریبا استادي و همکاران

3 . مقاله ی اثر آبشکن بر کاهش عمق آبشستگي اطراف پايه پل ها در پيچ رودخانه ها از معصومه زارع و تورج هنر

4 . مقاله ی بررسي حالت هاي مختلف شكست سنگ چين هاي محافظ آبشكن مستغرق از ابتسام جاسمي زرگاني و همکاران