در این پست تصمیم داریم در مورد پدیده کاویتاسیون و اثرات مخرب آن بر روی سدها  اطلاعاتی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.

کاویتاسیون پدیده‌ای بسیار مهم و در عین حال مخرب در سازه‌های هیدرولیکی، از جمله سرریز سدها به شمار می‌آید که این پدیده زمانی حادث می‌شود که فشار موجود بر روی سازه سرریز از فشار بخار کمتر باشد. وقوع این پدیده موجب خسارات بسیار شدید بر سازه سرریز شده و در نهایت تاثیرات نامطلوبی بر عملکرد سد خواهد گذاشت. از جمله پارامترهای مهم دخیل در وقوع این پدیده می‌توان به سرعت جریان، فشار جریان‌، مقاومت مصالح تشکیل دهنده سازه سرریز و نیز میزان هوای موجود در جریان عبوری از روی سرریز اشاره کرد.  به طور کلی برای بررسی پدیده کاویتاسیون روش‌های مختلفی از جمله شاخص کاویتاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش چنانچه شاخص کاویتاسیون بیشتر از شاخص بحرانی کاویتاسیون باشد در سرریز خطر این پدیده ناچیز و تاحدی منتفی می‌باشد.

پیشنهاد دانلود : جزوه تایپ شده انواع سرریز در سدها

مقدمه

هنگامی که آب روی یک سرریز جریان یابد، ناحیه‌ای از آب خالص با یک لایه مرزی مشاهده می‌شود که این لایه در طول جریان رشد نموده تا به سطح آزاد می‌رسد، آشفتگی در لایه مرزی تداخل نموده با سطح آب، می‌تواند نقطه آغاز طبیعی ورود هوا باشد. چنانچه رشد لایه آب و هوا از سطح آب به بدنه سرریز برسد، خسارت ناشی از کاویتاسیون منتفی می‌شود. با افزایش ارتفاع سد و دبی واحد عرض سرریز، هوای سطح آزاد به سطح سرریز نرسیده، ضمن آنکه ناهمواری های بسیار کوچک سطح سرریز در سرعت‌های بالا باعث جدایی مناطق کوچکی از جریان خواهد شد که در این مناطق فشار پایین خواهد بود.  اگر سرعت به اندازه کافی بزرگ باشد،  فشار می‌تواند به پایین‌تر از فشار بخار محلی کاهش یافته و در نتیجه حباب‌های بخار شکل خواهند گرفت. چنانچه حباب‌ها به مناطق  پایین دست با فشار بالا می‌رسند، وقوع پدیده درون انفجاری حباب‌ها باعث ایجاد نیروهای برشی قابل توجه و در نتیجه وقوع خسارت ناشی از آن به سازه شود که به آن کاویتاسیون گفته می‌شود. این حباب‌ها در درون مایع و در دمای معمولی ظاهر می‌شوند.

در واقع این پدیده شامل مجموعه‌ای از پیامدهای متوالی است، که از تولید حباب‌ها آغاز شده، رشد آنها را در بر گرفته و تا انهدام آنها ادامه دارد. رشد حباب‌ها ممکن است در اثر ورود گاز محلول در مایع به درون حباب‌ها و یا انبساط گاز درون این حباب‌ها به علت افزایش دما یا کاهش فشار باشد. حباب‌هایی که در نزدیکی سطح و در تماس با جداره‌ها می‌باشند، در زمان انهدام شرایط مرزی یکسان و متقارنی نداشته و نیروهای وارد از طرف سیال به صورت غیر متقارن به آن‌ها وارد می‌شود. بدین ترتیب برآیند نیروهای غیر متقارن وارد بر حباب شبیه به یک میکروجت عمل کرده و با تولید نیرو و فشار بسیار بالا می‌تواند تخریب جداره و سطح سرریز را باعث شود. تحلیل‌های عددی و نتایج عکس‌برداری سرعت میکروجت مذکور را بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ متر بر ثانیه برآورد می‌کند.

در اثر وقوع پدیده کاویتاسیون در نزدیک سطح سازه حفره‌هایی ایجاد می‌شود که در ادامه بهره‌برداری از سازه این حفره‌ها بزرگتر شده و منجر به پدیده فرسایش و کنده شدن تکه‌های بزرگی از سطح می‌گردد. پدیده کاویتاسیون دارای خاصیت گسترش سریع به اطراف و با فرکانس بالا می‌باشد. به‌ عنوان مثال زمان انفجار یک حباب به قطر ۱میلی متر برابر ۹ میکروثانیه محاسبه و سرعت انتقال موج فشاری متناسب با سرعت صوت در جریان (مشابه پدیده ضربه قوچ) می‌باشد. بدین ترتیب ملاحظه می‌شود که به علت فرکانس بالا و نیروی زیاد، کاویتاسیون پتانسیل تخریبی قابل توجهی دارد. پدیده کاویتاسیون از آن جهت که می‌تواند ظرفیت جریان را محدود کند، صداهای قابل توجهی را تولید می‌کند و سبب تخریب سطح جریان شود، حائز اهمیت می‌باشد. به طور نمونه در شکل ۱ پدیده کاویتاسیون نشان داده شده است.

شکل ۱- نمونه‌ای از پدیده کاویتاسیون

در اثر وجود ناصافی‌ها و ناهمواری‌های  کف سرریز، خطوط جریان از بستر خود  جدا می‌شوند. در اثر این جداشدگی یک جریان گردابی در پایین‌دست محل جداشدگی تشکیل می‌شود. به دلیل بالا بودن سرعت جریان در سرریز (سرعت بیش از ۲۵ متر در ثانیه)، فشار موضعی در منطقه گردابی، کاهش یافته و به فشار بخار آب می‌رسد. در نتیجه بخار آب، حباب‌هایی به نام Cavity در این منطقه شکل می‌گیرند. این حباب‌ها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه با فشار بیشتر می‌رسند و منفجر می‌شوند. از آنجا که سطوح تماس این حباب‌ها با بستر سازه بسیار کوچک است، نیروی فوق‌العاده زیادی در اثر انفجار حباب‌ها به بستر سرریز وارد می‌شود. پارامتری که برای توصیف ترکیب بحرانی میان سرعت جریان، فشار جریان و فشار بخار آب به کار می‌رود شاخص کاویتاسیون نامیده شده و از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

که در آن  Pv  فشار بخار اشباع، Pa فشار اتمسفر،  R شعاع انحنا، Y ارتفاع جریان و V سرعت جریان است. وقوع خرابی در اثر کاویتاسیون، ناشی از علل متنوعی است، ولی ترکیبی از عوامل هندسی و هیدرودینامیکی ممکن است ایجاد خرابی کنند.

تخلیه کننده‌های تحتانی سازه‌هایی می‌باشند که برای انتقال آب از مخزن سد به پایین دست جهت تخلیه‌ی مخزن در مواقع اضطراری، پایین آوردن تراز آب مخزن، شستن رسوبات ته نشین شده‌ی داخل مخزن به پایین دست و انحراف دبی مازاد و سیلاب به کار می‌روند. از آنجایی که عمدتاً سرعت جریان در تخلیه کننده‌ها بسیار بالا می‌باشد، کاویتاسیون، خوردگی و همچنین ارتعاش دریچه‌ها در اثر نوسانات فشار از مسائل مهم اندرکنش آب و سازه در این گونه سازه‌ها به شمار می‌رود. دریچه‌های سد جهت کنترل جریان با توجه به نیازهای پایین دست باید به گونه‌ای طراحی شوند که عملکرد آن‌ها در برابر نیروهای هیدرواستاتیک و هیدرودینامیکی وارد بر آن که تحت تاثیر شرایط بهره برداری (میزان بازشدگی دریچه)، دبی و هد می‌باشد، دچار اختلال نشود. پیش‌گیری از وقوع اختلال در عملکرد و حتی شکست این سازه در نتیجه‌ی ارتعاشات ناشی از بارهای هیدرودینامیکی نوسانی که در اثر نوسانات فشار آب زیر دریچه و پدیده‌ی کاویتاسیون می‌باشد، نیاز به توجه جدی در طراحی دارد. تعریفی که به طور عمومی از کاویتاسیون در سازه‌های هیدرولیکی ارائه می‌شود آن است که هرگاه مایعی تحت دمای ثابت بواسطه‌ی شرایط و حالات دینامیکی و استاتیکی با کاهش فشار مواجه شود، به گونه‌ای که فشار آن به محدوده ی فشار بخار اشباع آن مایع برسد، حباب‌های گازی در آن ایجاد می‌شود که قابل توسعه و انتقال می‌باشند. در اثر ترکیدن‌های پی در پی این حباب‌ها، ضربه‌های موج گونه‌ای در سیال ایجاد می‌شود که گاهاً موجب پدیده‌ی خستگی و آسیب رساندن به سازه‌ی هیدرولیکی و ایجاد ارتعاش در آن می‌شود.

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

عوامل تشدید کننده کاویتاسیون

چنانچه شاخص کاویتاسیون بیشتر از ۲/۰ باشد، کاویتاسیون به وجود نمی‌آید. ولی در نقاطی که این شاخص کمتر از ۲/۰ شود، احتمال وقوع کاویتاسیون زیاد بوده و باید روش‌های برای جلوگیری از پیدایش آن طراحی شود.

وقوع کاویتاسیون در اثر ترکیبی از علل و شرایط متنوّع رخ می‌دهد که برخی از این علل، عوامل هندسی و برخی هیدرودینامیکی هستند. برخی از این علل عبارتند از:  ناهمواری‌های سطح سرریز، هر نوع برآمدگی و روزنه، شکاف‌های دریچه‌های کشویی، پایه‌های دریچه‌های قطاعی، شکستگی‌های ساختمانی، دهانه مجاری و لوله‌ها، دبی مخصوص، سرعت جریان، عملکرد دریچه، یا بطور کّلی مواردی که باعث جدایی جریان می‌شود و پیشرفت لایه مرزی و انتقال گرما حین انفجار حباب‌ها، دمای آب و میزان حباب هوا در آب که خسارت بوجود آمده معمولا در رویه سرریزها، کنار ضمائم حوضچه آبریز، قسمت انتهای شوت سرریز، در پایه دریچه‌ها و روی سرریزها، در قسمت زیر دریچه کشویی و… می‌باشد.

روش های مقابله با کاویتاسیون

با استفاده از اندیس کاویتاسیون و دانستن مقادیری از سرعت و فشار که تحت آنها پدیده کاویتاسیون رخ می‌دهد می‌توان پیش از بوجود آمدن این پدیده، آن‌را کنترل واز بوجود آمدن آن جلوگیری کرد. برای مثال اوّلین کنترل بالا بردن فشار و کم کردن سرعت است تا عدد کاویتاسیون را افزایش دهیم. یا کنترل بعدی، استفاده از اشکالی است که کاویتاسیون بحرانی آنها کوچک باشد که این کنترل بدین طریق از روی ناهمواری‌های سطح بتن بدست می‌آید. راه حل‌ های اجرایی استفاده از روش‌ های توصیه شده زیر می‌باشد. این روش‌ها شامل اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص، سرریز‌های پلکانی و هوادهی می‌باشد.

۱ . اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص

استفاده از مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون مانند فولاد ضدّ زنگ جوش شده و یا فولاد ضد زنگ تهیه شده به روش نورد گرم، استفاده از بتن الیاف‌دار، ایجاد پوشش‌های سطحی از قبیل بتن‌های با مقاومت بسیار بالا، اندود کردن سطح آبرو با مواد مقاوم و صیقل کننده مثل رزین‌ها و بالاخره کاهش زبری سطحی در بخش‌های پایین آبرو جهت از بین بردن زمینه شروع کاویتاسیون می‌تواند باعث جلوگیری از پدیده شود.

۲ . سرریزهای پلکانی

یکی از راه‌های کاهش انرژی بسیار زیاد آب و کاهش سرعت جریان طراحی وساخت سرریزهای پله‌ای است. این سرریزها با افزایش تعداد سدهای بتن غلتکی (R.C.C) که شرایط آسان و وسیعی را برای ساخت چنین سرریزهایی فراهم می‌کند، علاقمندان بیشتری به خود پیدا کرده است.  فرق سرریز پلکانی با سرریز صاف در این است که درسرریز پلکانی بریدگی‌هایی درسطح منحنی سرریز صاف به صورت پله طراحی شده است.

نحوه جلوگیری ازکاویتاسیون دراین سرریزها بدین گونه است که به علت آشفتگی ناشی از وجود پله‌ها سرعت جریان کاهش یافته و همچنین در طی این آشفتگی‌ها مقدار متنابهی هوا وارد آن می‌شود که این هوا باعث ترکیدن و تصاعد حباب‌های هوا می‌شود.

محل اولین نقطه بلع هوا درجریان روی این سریزها با تغییرات دبی متغیر است وهرچه دبی افزایش یابد هوادهی درنقطه پایین‌تری صورت می‌گیرد، آگاهی از این نکته در طراحی این سرریزها برای جلوگیری از کاویتاسیون بسیار مهم است.

۳ . هوادهی

اولـین بار در سد Grand Goulee درسال ١٩۶٠ از روش هوادهـی استفاده شد و هفت سـال بـعد در سـد Yellow tail مورد استفاده قرار گرفت، از اواسط دهه ٧٠ این سیستم بیشتر مطرح شد. بطوری که در سدهای Nurek ,Yellowtail Emborcacao, FozdoAreia, Guri باعث جلوگیری ازخرابی‌های کاویتاسیون شد.

راسل و شیل ( ١٩٧۴)  پیشنهاد کردند که داخل نمودن هوا برای کاهش صدمات مناسب است. زیرا:

۱) حضور هوا در بخارهای کاویتی باعث کوبش حباب‌های کاویتی و کاهش فشار چکشی آب ناشی از این حباب‌ها می‌شود.

۲) حباب‌های هوای داخل شده جریان را احاطه می‌کنند و باعث کاهش تندی شوک موج و بزرگی شوک‌های موجی روی سطوح مادی می‌شود.

تصویر یک هواده درشکل ۲ نمایش داده شده و مطابق آن فشار در جاییکه هوا وارد می‌شود کاهش می‌یابد (فشار منفی) تا هوای بیشتری وارد جریان شود. البته در هر هواده به ازای یک ارتفاع مشخص میزان ورود هوا حداکثر می‌شود.

شکل ۳- نمای یک سیستم هواده جهت کاهش کاویتاسیون

سیستم‌های هواده مناسب باید هوای زیادی وارد نمایند و بیشتر هوا در نزدیکی نواحی خطرناک باشد و همچنین خود هواده‌ها نباید دچار کاویتاسیون شوند.

نمونه‌هایی از سدهایی که دچار کاویتاسیون شده‌اند

برخی از سدهایی که دچار کاویتاسیون شده‌اند عبارتند از:  سد شهید عبّاسپور (کارون۱) ایران که در قسمت بعد در مورد آن توضیحاتی آمده، سدهای هوور، یلوتیل  (۱۹۶۷)  و گلن کانیون (۱۹۸۳)  در آمریکا، سد کبان ترکیه، سد این فرینلو در مکزیک، سد براتسک شوروی، سد گوری در ونزوئلا، سد  آلدیاداویلا در پرتغال  (۱۹۶۶)  و سد تاربلا در پاکستان (۱۹۷۴).

خسارات کاویتاسیون در سرریز سد شهید عبّاسپور (کارون ۱)

سد شهید عباسپور (کارون ۱) یک سد قوسی با ارتفاع ٢٠٠ متر و حجم مخزن ۲/۹ میلیارد متر مکعّب،  در سال ۱۳۵۶ روی رودخانه کارون احداث شد دبی تخلیه کل سرریز ۱۶۵۰  متر مکعّب بر ثانیه است پس از آبگیری مخزن و شروع بارندگی‌ها در سال ۱۳۵۶  و استفاده از سرریز به‌ منظور تخلیه سیل، آثار اوّلین خوردگی در سطح سرریز مخصوصا در قسمت های انتهایی شوت و حّتی در سطح باکت سرریز نیز ظاهر شد با ادامه بهره‌برداری از سرریز کار پیشروی این خوردگی‌ها به جایی رسید که در گذرگاه شماره ۱ سمت چپ سرریز، حفره‌ای به عرض ۱۸  متر یعنی تقریبًا تمام عرض سرریز و طول حدود ۲۰ متر  و عمق ۵/۱ متر بوجود آمده  به طوری که علاوه بر بتن کف سرریز کلیه آرماتورهای کف نیز گسسته شد حّتی سنگ کف زیر بتن سرریز تخریب و از جا کنده شد. میزان جریانی که از این گذرگاه عبور نموده بین ۳۰۰ تا ۷۰۰ متر مکعّب در ثانیه بوده که در مقایسه با دبی حداکثر بسیار کم می‌باشد.

منابع:

۱ . مقاله‌ی بررسی پدیده کاویتاسیون روی سرریز سد ونیار با استفاده از مدل عددی FLUENT،  از وحید حسن زاده و همکاران، مجله پژوهش آب ایران/جلد ۹/ شماره ۳

۲ . مقاله‌ی مطالعه ی عددی وقوع کاویتاسیون در دریچه‌های سازه‌های آبی و ارتعاش ناشی از آن در بازشدگی‌های مختلف دریچه، از محمد سعید کریمی و حسین حسین جان زاده،  ششمین کنگره ملی مهندسی عمران

۳ . مقاله‌ی خسارات کاویتاسیون در سرریزها و راه‌های جلوگیری از آن، از امید فرقانی و ضیاءالدین ایدی