مطالعات انجام شده نشان می دهد، یکی از اصلی ترین دلایل تخریب پل ها پدیده آبشستگی است که علاوه بر تلفات جانی، سبب هزینه های زیادی می شود. این پدیده به مرور زمان باعث می شود اطراف پایه های پل خالی شده و در نهایت به خالی شدن زیر پی و تخریب پل می انجامد. طبق آمار ارائه شده، در ایران مشکل آبشستگی موضعی در پایه های پل عامل اصلی تخریب آنها می باشد. تحقیقات انجام شده در هشت منطقه و استان کشور نشان می دهد که 42% از پل های این محدوده دچار آبشستگی شده اند. همچنین نتایج آمار به دست آمده نشان می دهد که از تعداد کل پل ها که نیاز به مرمت و تعمیر دارند، 57% آنها به جهت آبشستگی نیاز به تعمیرات دارند.
آبشستگی پایه پل
آبشستگی پدیده های است که در اثر فرسایش بستر توسط جریان آب و حمل مواد بستر توسط نیرویی که این جریان به مواد بستر وارد می کند،به وجود می آید. به طور کلی برخورد جریان به پایه با تشکیل گرداب نعل اسبی و جدا شدن جریان با تشکیل گرداب برخاشتگی، دو عامل اصلی در ایجاد آبشستگی در اطراف پایه پل می باشند.
روش های کنترل و کاهش آبشستگی پایه پل
عمده روش هایی که به منظور کنترل و کاهش آبشستگی در پایه های پل انجام می شود، روش های تغییر الگوی جریان و روش های افزایش مقاومت ذرات بستر است. در روش های تغییر الگوی جریان، قدرت جریان پایین رونده و گرداب نعل اسبی که علت اصلی آبشستگی پایه می باشند، کاهش می یابد. در روش های مقاوم سازی ذرات یا مسلح کردن بستر نظیر استفاده از سنگ چین، قطعات بتنی پیش ساخته، کیسه های پر شده از دوغاب سیمان، لایه محافظتی بتنی و گاییون های توری سنگی یا ایجاد یک مانع فیزیکی، مقاومت ذرات بستر افزایش یافته تا بستر به آسانی به وسیله جریان شسته نشده و فرسایش نیابد.
طبق شکل زیر، روش های تغییر الگوی جریان بر اساس شکل و عملکردشان به چهار دسته کلی زیر تقسیم می شوند: 1- ایجاد بازشدگی بین پایه 2- استفاده از وسایل متصل به پایه 3- استفاده از وسایل متصل به بستر 4- استفاده از سایر وسایل. هر کدام از روش های ذکر شده نیز به شیوه های مختلفی تقسیم شده که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته اند.
1- ایجاد بازشدگی بین پایه ها
در این روش قدرت جریان پایین رونده و گرداب نعل اسبی با عبور جریان از باز شدگی ایجاد شده بین پایه ها کاهش می یابد. سه شکل پیشنهاد شده در این روش شامل: ایجاد شکاف در پایه، استفاده از گروه پایه و استفاده از لوله های به هم پیوسته داخلی در عرض پایه می باشد.
ایجاد شکاف در پایه
استفاده از شکاف در پایه پل ها از جمله تمهیداتی است که در آن با کاهش قطر موثر پایه، قدرت گرداب نعل اسبی کاهش می یابد (شکل 3- الف). ایجاد شکاف نزدیک بستر یا نزدیک سطح آب موجب منحرف شدن جریان رو به پایین به فاصله دورتری از پایه، کاهش عمق جریان، کاهش فشار و در نتیجه کاهش عمق آبشستگی می شود. عملکرد شکاف در کاهش آبشستگی به طول، عرض و موقعیت شکاف بستگی دارد.
استفاده از لوله های به هم پیوسته داخلی
در این روش برای کاهش آبشستگی از لوله های پلاستیکی نازک به هم پیوسته در عرض پایه پل استفاده می شود. پارامترهای موثر در عملکرد این لوله ها شامل زاویه انحراف (α)، فاصله باز شدگی بالادست (XO)، قطر باز شدگی (d) و عدد فرود است (شکل 3- ب).
استفاده از گروه پایه
در این روش به جای استفاده از پایه های با قطر بزرگ از چند پایه با قطر کوچکتر استفاده می شود (شکل 3- ج).
2- استفاده از وسایل متصل به پایه
در دومین روش تغییر الگوی جریان، قدرت جریان پایین رونده و گرداب نعل اسبی به وسیله وسایل متصل شده به پایه کاهش می یابد که این وسایل شامل استفاده از کابل، طوقه و صفحات متصل به پایه می باشد.
استفاده از کابل
در این روش کابل ها به صورت مارپیچی روی پایه قرار گرفته و با انحراف گرداب نعل اسبی منجر به کاهش عمق آبشستگی می شوند. با افزایش قطر، تعداد و کاهش زاویه کابل ها، عمق آبشستگی کاهش می یابد (شکل 4- ب).
طوق ها و صفحات افقی
طوق ها وسایلی هستند که موازی با کف رودخانه و عمود بر پایه، نصب می شوند. شکل عمومی طوق ها دایره ای است؛ اگرچه از طوق ها به شکل مربعی، مستطیلی و نامتقارن برای پایه استوانه ای نیز استفاده است.
کارایی طوق به عرض و موقعیت قرار گیری طوق بستگی دارد. همچنین با افزایش ضخامت طوق، قطر موثر پایه افزایش یافته و در نتیجه عمق آبشستگی افزایش می یابد. طوق ممکن است سبب تاخیر فرآیند آبشستگی شده و توسعه حفره های آبشستگی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد. زمانی که طوق زیر سطح بستر قرار می گیرد، گسترش حفره آبشستگی اطراف پایه و عمق آبشستگی پایین دست طوق افزایش می یابد.
صفحه ها
صفحه ها به شکل های مختلفی برای محافظت پایه پل استفاده می شوند. یکی از اولین مطالعات روی صفحات به وسیله Maza انجام شد. او از یک صفحه شیبدار برای کنترل آبشستگی استفاده کرد. نصب یک صفحه با شیب 3:1 باعث کاهش عمق آبشستگی بین 70-80% شد.
باله های دلتا شکل، نوع دیگری از پره های متصل شونده پایه است که شامل یک صفحه نازک دلتا شکل و یک ستون عمودی که پایین تر از محور تقارن طولی پایه نصب می شود. با استفاده از باله های دلتا شکل، حداکثر کاهش عمق آبشستگی برای شرایط آب زلال به 67% و حداقل 32% رسید.
3- استفاده از وسایل متصل به بستر
وسایل متصل به بستر با منحرف کردن و یا تضعیف جریان برخوردی و تغییر در لایه مرزی و متعاقبا کاهش جریان پایین رونده و گرداب نعل اسبی موجب کاهش آبشستگی می شوند. این روش به چهار دسته صفحات یا پره های مستغرق، شمع های حفاظتی، صفحات هدایت کننده سطحی و غلاف و غلاف طوقه ای تقسیم می شوند.
صفحات یا پره های مستغرق
پره های مستغرق، سازه هایی هستند که با ایجاد گرداب ثانویه، بزرگی و جهت تنش برشی، توزیع سرعت، عمق جریان و میزان انتقال رسوب را تغییر می دهند (شکل 6- الف).
پارامترهای موثر در عملکرد پره ها، شامل طول پره ها، نسبت طول به عرض پره، زاویه برخورد جریان، فاصله پره ها در امتداد جریان و عمود بر جریان، فاصله از بالادست پایه، استغراق پره و عدد فرود است.
شمع های حفاظتی
استفاده از شمع های مستغرق و غیر مستغرق یکی از روش های کنترل آبشستگی است. ایده اصلی استفاده از شمع، منحرف کردن جریان اطراف پایه و کاهش شدت جریان و شدت آبشستگی می باشد. راندمان استفاده از شمع عای حفاظتی به عوامل متعددی از جمله تعداد، اندازه، استغراق، آرایش هندسی نسبت به هم و نسبت به پایه و مشخصات جریان شامل شدت و زاویه برخورد جریان بستگی دارد.
صفحات هدایت کننده سطحی
در این روش دو صفحه عمودی با یک زاویه داخلی در فاصله مشخصی از بالادست پایه قار می گیرند (شکل 7- الف). جریان رو به بالا در زیر این صفحات منجر به یک جریان برشی ضعیف نزدیک بستر در تماس با پایه شده و باعث کاهش قدرت گرداب نعل اسبی می شود. همچنین رسوب موضعی ایجاد شده در صفحات در حفره آبشستگی اطراف پایه ته نشین می شود.
غلاف و غلاف طوقه ای
غلاف شامل دایره ای با قطر بزرگ که دور پایه قرار می گیرد. مکانیزم اساسی کاهش آبشستگی در این روش محدود کردن گرداب نعل اسبی در فضای بین غلاف و پایه است (شکل 7- ب)
4- استفاده از سایر وسایل
استفاده از سنگ چین
ایجاد پوشش حفاظتی سنگ چین در اطراف پایه ها به عنوان روشی متداول و آسان توسط محققین زیادی مورد بررسی قرار گرفته و الگوهای پوششی مختلفی ارائه شده است (شکل 8). در این روش باید اطراف پایه های پل را از سنگ هایی با قطر بیشتر از دانه های کف انباشت. قطر سنگ چین طوری انتخاب می شود که معمولا بتوانند در مقابل دو برابر تنش برشی موجود در بالادست پایه مقاومت کنند.
استفاده از مکش برای پایه
در این روش با سوراخ کردن دیواره قسمت تحتانی پایه آب به وسیله مکش از بین پایه خارج می شود.
اصلاح شکل پایه
گرداب نعل اسبی در پایه های با دماغه پهن از قدرت بیشتری برخوردار است و در مقابل پایه های دماغه نیز باعث کاهش جریان پایین رونده و تضعیف گرداب نعل اسبی می شوند. اصلاح پایه می تواند موجب کاهش بیش از 30 درصد در عمق آبشستگی شود.
فونداسیون
به طور کلی اگر ارتفاع شالوده در بالای بستر قرار گیرد، آبشستگی افزایش یافته و اگر ارتفاع بالای شالوده زیر تراز بستر قرار گیرد، عمق آبشستگی کاهش می یابد.
مشکلات و محدودیت های اجرایی
با توجه به اینکه اکثر روش های ذکر شده در زمینه کاهش و کنترل آبشستگی در شرایط آزمایشگاهی انجام شده، به نظر می رسد استفاده از این روش ها در رودخانه های طبیعی با مشکلات و محدودیت هایی همراه باشد که بایستی مدنظر قرار گیرد. به طور مثال، استفاده از روش مکش، نیاز به سیستم پمپ دائمی و بازدید و نگهداری منظم دارد. بکارگیری شمع در اطراف پایه علاوه بر ایجا محدودیت برای کانال های کشتی، ممکن است موجب عدم زیبایی پل شود. بعضی از روش ها نیز برای پل های موجود قابل استفاده نبوده و اجرای آنها پایداری پل را تحت تاثیر قرار می دهد. از دیگر محدودیت ها، می توان به مسدود شدن فاصله بین پایه ها یا گرفتگی شکاف به وسیله اجسام شناور موجود در جریان رودخانه یا عدم پایداری و جابه جایی وسایل متصل به پایه و بستر در شدت جریان های بالا و سیلابی بودن رودخانه اشاره کرد، که زمینه کاهش کارایی هر یک از روش های کنترل آبشستگی را فراهم می کند.
