مهندسی رودخانه و آبشستگی کف رودخانه
طرح و محاسبه و احداث شالوده پایههای پل از مهمترین و حساسترین مراحل یک پروژه پل سازي میباشد. مخصوصاً وقتی که منظور از ساخت پل، عبور از رودخانه باشد. در انتخاب طول و تعداد دهانهها و عمق حداقل شالودههای پل، طراح باید یک سري اطلاعات هیدرولوژي و هیدرولیکی را در اختیار داشته باشد. مهندس طراح پل در هنگام طرح پل مورد نظر این عوامل را نباید نادیده بگیرد و در پروژههای مهم وجود مهندس هیدرولوژي لازم و واجب است.
شکلشناسی رودخانه
رودخانه مسیر هدایت آبی را گویند که در آن آب فقط در یک جهت جریان دارد. رودخانهها به دو دسته رودخانههای آبرفتی و رودخانههای جاری تقسیم بندی میشوند. رودخانههای آبرفتی با فرسایش سواحل و بستر، هندسه هیدرولیکی خود را متناسب با دبی جریان و رسوبات انتقال یافته از بالادست تطبیق میدهند. در این نوع رودخانهها ممکن است بر اثر سیلاب، آب از مسیر رودخانه خارج شده و در اراضی چپ و راست رودخانه جریان یابد. رودخانههای جاری در مناطق کوهستانی با شیب بیشتر و دبی جریانی بیشتر بوجود میآیند. حمل رسوبات با سرعت بیشتر، بستر را با فرسایش کف روبرو ساخته و عمق آن را افزایش میدهد. به همین دلیل است که سیلاب در این نوع از رودخانهها کمتر از مسیر خارج شده مگر در محل پیچهای تند و بریدگیها.
پایداری رودخانه
رودخانهها برحسب پایداری بستر به سه حالت زیر طبقهبندی میشوند:
۱ – رودخانههای با بستر صلب (پایدار استاتیکی): این رودخانهها به چنان مرحلهای ار تکامل رسیدهاند که نیروی آب در حال جریان، کافی برای فرسایش بستر و سواحل رودخانه نمی باشد. در چنین رودخانههایی ممکن است سواحل و کرانههای رودخانه در طی سالهای متمادی بدون تغییر باقی بمانند. رودخانههای با بستر سنگی در زمره این طبقهبندی قرار میگیرند.
۲ – رودخانههای رژیم (پایدار دینامیکی): این رودخانهها به صورت پیوسته فعال اند. بستر و سواحل خود را فرسوده و یا رسوب گذاری مینمایند. تراز بستر این روخانهها معمولا پایین مینشیند ولی شکل هندسی آنها در پلان تغییر قابل توجهی ندارد.
۳ – رودخانههای ناپایدار: این رودخانهها به مقدار قابل توجهی رسوب حمل میکنند و بطور پیوسته بستر و سواحل خود را فرسوده و یا در آنها رسوب گذاری میکنند. تودههای رسوب گذاری شده مسیر جریان را منحرف کرده و باعث تغییر مسیر رودخانه میشود.
بستر صغیر و بستر کبیر رودخانه
رودخانهها در نکثر مواقع سال در بستری جریان دارند که عمیقتر از نواحی فرسایش یافته اطراف است. به این بستر، بستر صغیر میگویند. در هنگام طغیان آب رودخانه بالا آمده و قسمتهایی از نواحی مجاور خود را اشغال میکند. به این بستر، بستر کبیر میگویند. وقتی رودخانه در دره عمیق با سواحلی غیرقایل فرسایش جریان دارد، افزایش دبی در هنگام طغیان با افزایش عمق رودخانه تامین میشود. در این رودخانهها اختلاف بستر کبیر و صغیر به مراتب کمتر از رودخانههای جاری در دشت میباشد که آب آنها در هنگام طغیان در عرض گسترش مییابد.
اثر پایههای پل بر روی رژیم رودخانه
اضافه نمودن هرگونه مانع در مسیر جریان رودخانه، بر روی خطوط و شدت جریان تاثیر میگذارد که این مسئله به نوبه خود باعث تغییرات در شکل هندسه رودخانه میگردد. برهم زدن خطوط جریان باعث ایجاد جریانهای چرخشی میشود که این پدیده فرسایش و آب شستگی موضعی بدنبال خواهد داشت. همچنین تنگ و محدود شدن عرض جریان باعث افزایش سرعت جریان و بدنبال آن تشدید فرسایش طبیعی میشود. تنگ کردن عرض جریان توسط ایجاد خاکریز بمنظور کم کردن تعداد و طول دهانه مسئله دیگری بنام پشته کردن در بالادست رودخانه را بوجود میآورد که نه تنها باعث زیر آب رفتن اراضی اطراف رودخانه میشود بلکه باعث افزایش خطر تخریب پایهها و دیواره ساحل میگردد.
تعیین دبی سیلاب طرح
انتخاب دبی سیلاب طرح یک مسئله هیدرولوژی است و بخصوص در شرایط موجود کشورمان که تاریخچه ثبت آمار بارندگی و رودخانهها ناقص و کوتاه است، انتخاب یک هدد بعنوان دبی سیل طرح احتیاج به مهارت و ظرافتهای خاصی دارد که بیشتر بر عهده یک هیدرولوژیست است تا یک محاسب پل. از اینرو در این قسمت فقط اشارهای به روشهای موجود نموده تا یک دید کلی در ذهن دانشجویان بوجود آید.
طبق تعریف متوسط فاصله زمانی بین وقوع یک رویداد مشخص و رویدادهای بزرگتر یا مساوی آن را دوره بازگشت مینامند.
روابط متعددی برای محاسبه دوره بازگشت رویدادها ارایه شده است که معمولترین آنها بصورت زیر است:
در رابطه فوق T دوره بازگشت، N تعداد سالهای دارای آمار و m مرتبه رویداد مورد نظر است. که برای رویداد حداکثر ۱=m و برای رویداد حداقل N=m میباشد. معمولاً در محاسبات پل، دوره بازگشت سیل طرح از جدول ذیل که بر اساس استاندارد کانادا تهیه شده است، پیشنهاد میگردد.
در ایران معمولاً دوره بازگشت ۵۰ تا ۱۰۰ سال معمول میباشد.
پس از انتخاب دوره بازگشت سیل طرح، مقدار دبی سیل طرح رودخانه باید محاسبه گردد که برای محاسبه آن روشهای مختلفی ارایه میگردد:
۱ – تعیین دبی سیل طرح با استفاده از آمار موجود از دبی رودخانه: اگر در نزدیکی محل مورد نظر برای احداث پل، آمار منظمی از دبی رودخانه (حداقل ۱۰ سال متوالی) وجود داشته باشد، میتوان با استفاده از روشهای بسط آماری دبی سیل طرح را با زمان بازگشت مورد نظر محاسبه نمود.
۲ – تعیین دبی سیل طرح با استفاده از آمار بارندگی: این روش کاری بس دشوار و پیچیده است و احتیاج به مهارت خاصی در رشته هیدرولوژی دارد. لیکن در تعیین ابعاد مجاری آبروها و سطوح آبخیز کوچک میتوان از این روش استفاده نمود.
فرسایش موضعی در اطراف پایههای پل
در طراحی و تعیین عمق شالوده پایههای میانی و کناری پل باید توجه خاصی به مسئله فرسایش بستر در اطراف شالوده این سازهها نمود. بطور کلی در رودخانهها دو نوع فرسایش مطرح است.
الف-فرسایش موضعی که مثال بارز آن وجود پایههای پل و یا هر مانع دیگر در مسیر حرکت آب میباشد که جریانهای چرخشی (گرداب) پدید میآورند.
ب-فرسایش عمومی که به واسطه افزایش دبی، سرعت و در نتیجه افزایش عمق، بوجود میآید. تذکر این نکته لازم به نظر میرسد که طرح مسئله فرسایش و آب شستگی در بستر رودخانهها یی مطرح میباشد که بر روی بستر آبرفتی جریان دارند.
در صورتی که جنس بستر سنگی باشد، میتوان از عدم فرسایش مصالح در زیر پی پایهها مطمئن بود.
فرسایش موضعی
پایههای پل
همانطور که در شکل مشخص است، جریان آب در برخورد به پایه بطور قائم انحراف مسیر داده و بطرف بستر جریان پیدا میکند و در برخورد با بستر باعث ایجاد جریانهای چرخشی میگردد. از آنجا که سیستم جریانهای چرخشی شکل نعل اسب به خود میگیرند، به آن جریانهای نعل اسبی نیز میگویند.
عمق فرسایش موضعی در اطراف پایهها
عمق فرسایش موضعی در اطراف پایههای پل به موارد مختلفی بستگی دارد که از آن جمله میتوان به نوع رودخانه (جاری – آبرفتی )، چگالی آب رودخانه، جنس مصالح بستر رودخانه و شکل هندسی پایههای پل اشاره نمود.
الف – عمق فرسایش موضعی در اطراف پایههای استوانهای – مصالح دانهای:
روابط بدست آمده توسط محققین مختلف مربوط به این بخش بر مبنای تئوری و نتایج تجربی است که به برخی از آنها اشاره میکنیم:
ب – عمق فرسایش موضعی در اطراف پایههای غیر استوانهای – مصالح دانهای:
همانطور که از نمودار فوق مشخص است، هرچه میزان زاویه انحراف (کجی) پایه پل نسبت به جریان مستقیم آب بیشتر باشد، ضریب f3 افزایش مییابد که باعث افزایش مقدار عمق فرسایش خواهد شد.
مثال- پلی با اطلاعات زیر در اختیار است، مطلوب است:
الف- تعیین عمق فرسایش موضعی (آب شستگی) در اطراف پایههای پل با فرض پایههای استوانهای.
ب- تعیین عمق فرسایش موضعی (آب شستگی) در اطراف پایههای پل با فرض پایههای مستطیلی.
عمق متوسط جریان آب رودخانه(Y (3 متر – قطر ذرات ماسهای (D (78 میلیمتر – طول پایه پل (L (88/4 متر – عرض پایه پل(b (44/2 متر – زاویه انحراف ۱۰ درجه.
حل:
الف – با استفاده از رابطه لارسن خواهیم داشت:
ب – با استفاده از جدول و نمودار، ضرایب f2 و f3 را تعیین نموده:
انتخاب طول و تعداد دهانه پل
برای تصمیم گیری طراح در انتخاب تعداد و دهانه یک پل، تمام و یا قسمتی از اطلاعات زیر لازم است:
۱ – اطلاعات نقشه برداری شامل: عکسها هوایی با مقیاس با هدف تعیین بهترین محل برای عبور از رودخانه، شیب و مساحت حوزه آبخیز، عرض بستر کبیر و صغیر.
۲ – اطلاعات زمین شناسی و ژئوتکنیک شامل: وضعیت ساختمان زمین شناسی (چین – گسل)، جنس رسوبات، اکتشافات اولیه با حفر گمانههای دستی به عمق حداقل ۵/۱ برابر عمق سیلابی.
۳ – اطلاعات هیدرولوژی شامل: اندازه گیری عمق رودخانه و سیلاب طرح با استفاده از روشهای تجربی و یا تئوری، شیب سطح آب در بالادست و پایین دست محل پل.
۴ – اطلاعات جمع آوری شده از بازدیدهای محلی شامل: عمق شالوده پلهای قدیمی تر، سرعت باد منطقه و.. .
تعیین دهانه کل پل
دهانه کل پل، فاصله بین دو تکیه گاه کناری پل (کوله) میباشد که معمولاً مساوی عرض رودخانه در هنگام سیلاب حداکثر انتخاب میگردد. این عرض بستگی زیادی به طبیعت رودخانهای دارد که پل از روی آن عبور میکند. لیسی رابطه زیر را برای بررسی عرض مناسب رودخانه پیشنهاد میکند:
حالت دوم زمانی است که طراح تصمیم میگیرد، دهانه پل را کوچکتر از عرض بستر کبیر ظاهری رودخانه در نظر بگیرد. در چنین حالتی درست است که مخارج ساخت پل کاهش مییابد، لیکن مخارج ساحلسازی و دیوارههای هدایت آب برای جلوگیری از انحراف مسیر سیلابی، افزایش قابل توجهی خواهد داشت و حتی ممکن است کاهش مخارج کوچک شدن دهانه پل را جبران کند. علاوه بر این، تنگ نمودن مسیر عبور آب باعث افزایش دبی و بدنبال آن افزایش فرسایش عمومی و موضعی بستر رودخانه خواهد شد که افزایش هزینه شالوده را منجر میشود.
محل قرارگیری پایههای میانی و کناری ( کولهها )
پس از انتخاب دهانه کل، نوبت به تعیین محل تکیه گاههای کناری و میانی میرسد. مواردی از قبیل حداقل فاصله لازم برای عبور کشتیها در مناطق بندری، عبور تنه درخت و شاخ و برگ آن در مناطق جنگلی، در زمان سیلاب لازم است. از قراردادن پایههای میانی در نواحی عمیق رودخانه اجتناب کنید. اگر بعلت فرسایش بستر احتیاج به پایههای عمیق داشته باشیم بهتر است که طول دهانه را زیاد کرده و از تعداد پایهها بکاهیم و بالعکس اگر بعلت بستر سنگی بتوان از پایههای کم عمق استفاده نمود، بهتر است طول دهانه را کم کرده و بر تعداد پایههای میانی افزود. بعد از تعیین طول دهانه، سیستم سازهای عرشه انتخاب میگردد. برای دهانههای بزرگ از سیستمهای خرپایی و برای دهانههای متوسط و کوچک از سیستم تیر و دال استفاده میکنند. همیشه سعی کنید که پایههای پل را به موازات جریان آب قرار دهید (تصویر۱۹ (تا خطر فرسایش موضعی در پای شالودهها را بکاهید.
آرایش پایه های پل به موازات جریان آب
عمق شالوده پایه پل
منظور از عمق شالوده، اختلاف تراز زیر شالوده تا تراز بستر فرسایش یافته موضعی میباشد. این عمق نباید از ۲/۱ متر برای پلهای صفحهای و ۲ متر برای پلهای قوسی کمتر باشد. در صورت روبرو بودن با بستر غیرقابل فرسایش، میتوان این عمق را تا ۱ متر نیز کاهش داد.
هواکش (Free Board)
هواکش به ارتفاع آزاد بین سطح آب رودخانه و سطح زیرین پل ( زیر عرشه ) اطلاق میگردد. با توجه به محمولاتی از قبیل تنه درختان، قطعات شناور یخ و ارتفاع مورد نیاز عبور کشتیها ، باید ارتفاع هواکش از مقدار حداقلی کمتر نباشد. در زیر حداقل ارتفاع هواکش بر مبنای دبی حداکثر رودخانه طبق استاندارد کشور هندوستان آورده شده است.
در مناطق جنگلی، حداقل ارتفاع هواکش مساوی ۲ متر توصیه میشود.
اندازه گیری مقدار هواکش از روی عرشه پل
پایههای پل
بارهای وارد بر عرشه پل، از طریق پایههای کناری (کوله) و پایههای میانی به شالوده و سپس از طریق شالوده به زمین منتقل میشود. جنس اغلب پایهها از بتن مسلح است که در پلهای روگذر ممکن است از پایههای فولادی نیز استفاده گردد.
شالوده پایههای پل
بسته به شرایط بستر، شالوده بصورت یکی از انواع زیر انتخاب و اجرا میگردد:
۱ – شالوده گسترده: زمانی که جنس بستر مناسب و در عمق مناسبی از بستر طبیعی رودخانه قرار داشته باشد.
اجرای شالوده گسترده پایه پل
۲ – شالوده شمعی: در مواقعی که باربری بستر رودخانه کم بوده و خاک با باربری خوب، در عمق زیاد وجود داشته باشد، از این نوع شالوده استفاده میگردد. شمعها اه تعداد و طول کافی در محل مورد نظر کوبیده میشوند و در بالای آنها یک کلاهک یکپارچه از بتن مسلح و بر روی آن پایه قرار داده میشود. در پایههای کناری بمنظور مهار نیروی رانش خاک، امکان اجرای شمعهای مایل نیز میباشد. شمعها میتوانند ار جنس فولاد، بتن پیش ساخته، پیش تنیده و یا بتن درجا باشند. مهمترین پارامتر در تعیین قطر و طول شمع، جنس خاک محل میباشد که اطلاعات مربوط به آن با گمانه زنی و آزمایشات ژئوتکنیک بدست میآید.
اجرای شالوده شمعی پایه پل
۳ – شالودههای صندوقهای: وقتی که عمق آب رودخانه زیاد باشد و شمعهای با قطر معمولی جوابگو نباشند، از شالودههای صندوقهای استفاده میشود. این شالودهها به دو روش ته بسته و ته باز اجرا میشوند که بسته به مقدار بار وارده و جنس خاک بستر، انتخاب میگردد.
اجرای شالوده صندوقهای پایه پل
پایههای کناری (کوله) پل
برای انتقال واکنش عرشه پل به شالوده و هم بعنوان دیوار حایل خاکریز جاده، عمل مینماید. از بخشهای مختلفی تشکیل شده است که با توجه نیاز موحود بکار گرفته میشوند. عرشه حایل، نشیمن و دیوار پیشانی از بخشهای مختلف کولهها بشمار میآیند.
پایههای میانی پل
این پایهها در معرض آب شستگی بیشتری قرار دارند. برای محافظت پایههای میانی غلافی از مصالح سنگی یا ورق دور پایه میانی تا ارتفاع سیلاب کشیده میشود. انواع پایههای میانی عبارتند از:
۱ – پایههای میانی وزنی: از مصالح بنایی سنگی و یا بتن غیرمسلح ساخته میشوند. که در صورت استفاده از مصالح بنایی، در بالای پایه یک کلاهک بتنی مسلح بمنظور ایجاد نشیمن زیر عرشه پل باید ساخته شود. عرض کلاهک با توجه به ابعاد بالشتکهای نشیمن و ضوابط حداقل عرض نشیمن تعیین گردد. مابین دو بالشتک باید فضای کافی برای انبساط وجود داشته باشد.
۲ – پایههای میانی از قاب صلب: در زمینهای با مقاومت کم، پایههای میانی را بصورت قاب صلب میسازند.