علوم آب و خاک

آبشستگی موضعی اطراف پایه‌های پل از دلایل اصلی تخریب و شکست پل است. در طراحی پل‌ها به ‌دلایل اقتصادی و ژئوتکنیکی از گروه پایه استفاده می‌شود که مکانیسم آبشستگی آن پیچیده و با تک‌پایه متفاوت است. در این پژوهش میزان آبشستگی در گروه پایه با سه پایه استوانه‌ای و با دو آرایش 3×1 در امتداد جریان و 1×3 در جهت عمود بر جریان، در خاک ماسه‌ای و خاک مخلوط ماسه + رس بنتونیت در درجه تراکم 90‌ درصد و رطوبت بهینه، با تغییر فاصله‌ بین پایه‌ها و درصد رس بنتونیت، بررسی شده است. همچنین تأثیر نوع کانی رس با استفاده از رس کائولین نشان داده ‌شده است. نتایج نشان داد که میزان آبشستگی در دو خاک چسبنده و غیرچسبنده با توجه به نوع کانی رس متفاوت است. به‌گونه‌ای که استفاده از 10‌ درصد رس بنتونیت به ‌صورت مخلوط با خاک ماسه باعث کاهش بیش از 90‌ درصد آبشستگی نسبت به ماسه می‌شود در صورتی‌که استفاده از 15‌ درصد کائولین در شرایط مشابه تقریباً 30‌ درصد کاهش در آبشستگی نشان می‌دهد.

با افزایش پهنای پل‌ها، برای تحمل بار سازه پل عموماً از گروه پایه‌ به‌جای تک پایه استفاده می‌شود و به‌صورت مخصوص گروه پایه‌ متشکل از یک ستون پایه‌ها برای نگهداری عرشه پل‌ کاربرد فراوانی دارند. در این مطالعه، آبشستگی موضعی در گروه‌ پایه‌های تک ستونی متشکل از چهار ردیف پایه با فاصله متفاوت بین پایه‌ها در شرایط آب زلال و برای دو دبی جریان 20 و 35 لیتر بر ثانیه (اثر افزایش عمق جریان در شدت جریان مشابه) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش عمق جریان نه تنها عمق آبشستگی افزایش می‌یابد بلکه وسعت عرضی گودال آبشستگی نیز افزایش چشمگیری داشته است. علاوه بر این، بررسی اثرات عمق نسبی جریان بر میزان آبشستگی نمایانگر ضرورت اصلاح معیار جریان عمیق گزارش شده در منابع است. نتایج آزمایش‌های گروه‌های پایه‌ نشان‌دهنده تأثیر قابل توجه فاصله بین پایه‌ها بر آبشستگی موضعی است. افزایش فاصله بین پایه‌ها به کاهش اثرات متقابل گردابه‌های نعل‌اسبی و برخاستگی می‌انجامد و این امر سبب کاهش عمق آبشستگی و رویت گودال‌های آبشستگی در اطراف هر پایه به‌صورت تقریباً مجزا می‌شود. در پایان، نتایج با مدل‌های جامع متداول مقایسه شد. یافته­ های این پژوهش در انتخاب و جانمایی مناسب روش‌های کنترل آبشستگی کاربرد دارد.

پیش‌بینی عمق آبشستگی موضعی به‌عنوان پدیده‌ای پویا و غیرخطی با استفاده از روش‌هایی با توانایی پیش‌بینی مناسب همواره مورد توجه پژوهشگران بوده‌اند. از عوامل مؤثر در اندازۀ حفرۀ آبشستگی، شکل هندسی پایه‌های پل است. در این پژوهش با استفاده از الگوریتم پشتیبان بردار ماشین و بر مبنای 395 دادۀ صحرایی سازمان زمین‌شناسی آمریکا و فروهلیچ (1988) در قالب دو سناریو، مقدار عمق آبشستگی سه پایۀ پل استوانه‌ای، نوک تیز و مستطیلی بر اساس ترکیب‌های مختلف پارامترهای بی‌بعد: زاویۀ حملۀ آب (α)، عدد فرود (Fr)، نسبت طول به عرض پایه (ِb / L) ( و نسبت قطر متوسط ذرات رسوبی به عرض پایه (ِb / 50 D) پیش‌بینی شدند. نتایج پژوهش ضمن تأیید عملکرد قابل قبول الگوریتم SVM برای همۀ پایه­ ها در هر دو سناریو نشان داد در سناریوی اول و دوم بهینه‌ترین عملکرد مربوط به پایۀ مستطیلی به‌ترتیب با ضریب همبستگی 0/8702 و 0/8838 و مقدار بیشینۀ Ds(DDR) با مقادیر 0/854 و 1/229 در فرایند تست الگوریتم بودند. همچنین تأثیر مثبت افزایش تعداد داده‌ها روی عملکرد الگوریتم SVM با افزایش شاخص‌های ارزیابی تأیید شد. مقایسۀ نتایج نشان داد الگوریتم SVM مقادیر آبشستگی را بیشتر از مقدار مشاهداتی با خطای مطلق بین 11 تا 35 درصد برآورد کرده است. 

بهینه­سازی مدل‌های هوش مصنوعی از اهمیت بسزایی برخوردار است زیرا باعث بهبود عملکرد این مدل‌ها و افزایش انعطاف آنها می‌شود. در این مطالعه، عمق آبشستگی در مجاورت تکیه پل‌ها به شکل‌های مختلف توسط مدل ANFIS و ANFIS-Genetic Algorithm (GA) تخمین زده شد. به‌عبارت دیگر، برای بهینه‌سازی توابع عضویت مدل ANFIS از GA استفاده شد که عملکرد مدل ANFIS به‌شکل قابل توجهی بهبود یافت. در ابتدا، پارامترهای تأثیرگذار بر روی عمق آبشستگی در اطراف تکیه‌گاه پل‌ها تعریف شدند. سپس با استفاده از این پارامترهای ورودی، یازده مدل مختلف برای هر یک از مدل‌های ANFIS و ANFIS-GA تولید شدند. سپس با تجزیه و تحلیل نتایج این مدل‌ها، مدل برتر برای هر یک از روش‌های ANFIS و ANFIS-GA زنتیک معرفی شدند. به‌عنوان مثال، مقدار ضریب همبستگی و شاخص پراکندگی برای مدل ANFIS به‌ترتیب برابر با 0/979 و 0/070 و برای مدل ANFIS-GA نیز به‌ترتیب مساوی با 0/986 و 0/056 محاسبه شدند. علاوه بر این، نسبت اختلاف متوسط برای مدل‌های برتر ANFIS و ANFIS-GA به‌ترتیب مساوی با 0/984 و 0/988 بودند. بنابراین نشان داده شد که مدل‌های ترکیبی ANFIS-GA دقت بیشتری در مقایسه با مدل‌های ANFIS داشتند. همچنین، تحلیل حساسیت نشان داد که عدد فرود (Fr) و نسبت عمق جریان به شعاع حفره آبشستگی (h/L) به‌عنوان مؤثرترین پارامترهای ورودی برای تخمین عمق آبشستگی در مجاورت تکیه‌گاه پل‌ها شناسایی شدند.

در این مطالعه، عمق حفره آبشستگی در پائین¬دست سرریزهای سنگی با شکل¬های مختلف J، I، U و W توسط یک روش نوین هوش مصنوعی تحت عنوان ماشین آموزش نیرومند خارج از محدوده (ORELM) شبیه¬سازی شد. داده¬های مشاهداتی به دو دسته آموزش (70 درصد) و تست (30 درصد) تقسیم شدند. سپس تابع فعال¬سازی بهینه برای شبیه¬سازی عمق آبشستگی در پائین¬دست سرریزهای سنگی انتخاب شد. در ادامه، با استفاده از پارامترهای ورودی که شامل نسبت طول سازه به عرض کانال (b/B)، عدد فرود تراکمی (Fd)، نسبت اختلاف عمق جریان بالادست و پائین¬دست سازه به ارتفاع سازه (Δy/hst) و فاکتور شکل سازه (φ)، یازده مدل مختلف ORELM برای تخمین عمق آبشستگی توسعه داده شدند. با انجام یک تحلیل حساسیت، مدل برتر و مؤثرترین پارامترهای ورودی شناسایی شدند. مدل برتر مقادیر آبشستگی¬ها را توسط پارامترهای بدون بعد b/B, Fd, Δy/hst شبیه¬سازی کرد. برای این مدل، مقادیر ضریب همبستگی (R)، شاخص عملکرد  (VAF)و ضریب نش (NSC) برای مدل برتر در شرایط تست به¬ترتیب مساوی با 0/956، 91/378 و 0/908 بدست آمدند. همچنین، پارامترهای بدون بعد b/B, Δy/hst به¬عنوان مؤثرترین پارامترهای ورودی شناسایی شدند. همچنین، نتایج مدل برتر با مدل ماشین آموزش نیرومند نیز مقایسه شدند که مدل ORELM دقت بیشتری داشت. علاوه بر این، تحلیل عدم قطعیت نشان داد که مدل ORELM مقادیر آبشستگی¬ها را بیشتر از واقعیت تخمین زد. در ادامه، برای مدل برتر، یک تحلیل حساسیت مشتق نسبی (PDSA) اجرا گردید.

آبشستگی زیر لوله‌های انتقال گاز، نفت و آب خطر خمیدگی لوله و شکستن آن را به دنبال دارد. این پدیده می‌تواند به محیط زیست و صنعت نفت و گاز آسیب‌های فراوانی وارد کند. در ایﻦ پژوهش تأثیر تغییرات قطر، فاصله از کف و زاویه قرارگیری لوله‌های انتقال بر میزان کاهش عمق آبشستگی زیر لوله‌های مستغرق در بستر رسوبات چسبنده بصورت آزمایشگاهی بررسی شده است. آزﻣﺎیﺶﻫﺎ برای ﺣﺎﻟﺖ آﺑﺸﺴﺘﮕﯽ زیﺮ ﻟﻮﻟﻪ ﺑﺎ زاویﻪ ﺑﺮﺧـﻮرد صفر، 15 و 30 درﺟﻪ و در 3 ﻣﻮﻗﻌﯿـﺖ روی ﺑﺴـﺘﺮ، ﻓﺎﺻـﻠﻪ D/2 و D/4 از ﺑﺴﺘﺮ انجام شد. همچنین، در اﻧﺠﺎم آزﻣﺎیﺶﻫﺎ از سه قطر 10، 20 و 40 میلی‌متر اﺳﺘﻔﺎده ﺷﺪه اﺳﺖ. ﻧﺘﺎیﺞ این مطالعه ﻧﺸـﺎن داد، زاویﻪ ﺑﺮﺧﻮرد ﺟﺮیﺎن روی ﻣﮑﺎن ﻗﺮارﮔﯿﺮی ﺑﯿﺸﯿﻨﻪ ﻋﻤﻖ آﺑﺸﺴﺘﮕﯽ و ﻧﺤﻮه ﻋﻤﻠﮑـﺮد ﮔﺮداﺑـﻪﻫـﺎ ﻣـﺆﺛﺮ است، به‌طوری¬که با افزایش زاویه، عمق آبشستگی زیر خط لوله کاهش می‌یابد و به ازای افزایش ﻓﺎﺻــﻠﻪ ﺑــﯿﻦ ﻟﻮﻟــﻪ و ﺑﺴــﺘﺮ، میزان آبشستگی به‌صورت معنی¬داری تا میزان 18 درصد، کاهش ﭘﯿــﺪا ﮐﻨــﺪ، میزان آﺑﺸﺴﺘﮕﯽ زیﺮ ﻟﻮﻟﻪ ﮐﻤﺘﺮ ﻣﯽﺷﻮد. همچنین مشاهده شد که قطر لوله بر میزان عمق آبشستگی تأثیر دارد و بدلیل تأثیر روی جریان به سمت پایین و جریان‌های گردابی، هرچه قطر لوله افزایش یابد، عمق آبشستگی نیز افزایش می‌یابد. درنهایت با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی حداکثر میزان آبشستگی لوله، رابطه‌ای بر پایه رگرسیون غیر خطی برای تخمین حداکثر میزان آبشستگی ارائه شد

امروزه تکیه‌گاه‌ها، جریان عادی رودخانه‌ها را مختل می‌کنند و سبب آبشستگی و فرسایش مواد رسوبی در اطراف خود و ایجاد چاله می‌شوند. این امر هر ساله خسارت زیادی به بار می‌آورد. پژوهشگران روش‌های زیادی را برای کاهش قدرت فرسایش آبی پیشنهاد کرده‌اند. یکی از روش‌های ضروری در این زمینه، ایجاد شکاف در تکیه‌گاه‌ها است. باتوجه‌به گسترش چاله آبشستگی، پایداری سازه پل را به مخاطره می‌اندازد، در این پژوهش بررسی تأثیر ابعاد شکاف در تکیه‌گاه روی ابعاد چاله آبشستگی صورت گرفت. نتایج نشان داد، وجود شکاف باعث کاهش ابعاد چاله آبشستگی شده است. شکاف در تکیه‌گاه توانست تا 50 درصد میزان حجم چاله آبشستگی را کاهش دهد. همچنین با افزایش ۷۵ درصدی سرعت نسبی، میزان آبشستگی تا ۱۴۰ درصد عمق چاله را افزایش داد و با افزایش عمق شکاف، میزان عمق چاله آبشستگی تا 85 درصد کاهش یافت.

در گذشته روش‌های مختلفی برای کنترل آبشستگی پاشنه ساحل پیشنهاد شده است برای رودخانه‌های کم‌عمق (نظیر رودخانه‌های کوهستانی) از انواع سرریزها استفاده می‌شود؛ بنابراین در این پژوهش به بررسی توسعه آبشستگی در سازه‌های cross vane و w-weir برای حفاظت سواحل پرداخته شد. نتایج نشان داد، با نصب سازه w-weir در موقعیت 90 درجه نسبت به موقعیت 30 و 60 درجه به‌ترتیب شاهد 37/9 و 19/7 درصد کاهش آبشستگی هستیم. همچنین با نصب سازه cross vane در موقعیت 90 درجه نسبت به موقعیت 30 و 60 درجه به‌ترتیب شاهد 35/4 و 21/2 درصد کاهش آبشستگی هستیم. با افزایش عرض (L/B) (نسبت عرض سازه به عرض فلوم) سازه w-weir از 1/5 به 2، میزان آبشستگی 7/9 درصد کاهش داشته است. همچنین با افزایش عرض (L/B) سازه cross vane از 1/3 به 1/7، میزان آبشستگی 4/7 درصد کاهش داشته است. سازه w-weir به‌طور متوسط 7/3 درصد آبشستگی کمتری نسبت به سازه cross vane داشته است.

آبشستگی موضعی پیرامون پایه‌های پل یکی از مهم‌ترین عوامل تخریب پل‌ها است. ازاین‌رو، بررسی عمق آبشستگی پیرامون گروه‌ پایه‌های پل امری ضروری است. در این پژوهش اثر زاویه انحراف گروه‌پایه تک‌ستونی در دو آرایش 2×1 و 3×1 نسبت به جهت جریان روی بیشینه عمق آبشستگی پیرامون گروه پایه مورد بررسی قرار گرفت. گروه‌پایه در آرایش 2×1 در زوایای انحراف صفر تا 90 درجه و در آرایش 3×1 در زوایای انحراف صفر تا 45 درجه تحت شرایط جریان ماندگار قرار گرفت. نتایج نشان داد افزایش زاویه انحراف گروه پایه بر بیشینه عمق آبشستگی پیرامون پایه اول تقریباً بی‌اثر است؛ اما تأثیر بسیاری بر بیشینه عمق آبشستگی، توسعه زمانی آن و گسترش حفره آبشستگی پیرامون پایه‌های دوم و سوم در آرایش‌های مختلف گروه‌پایه دارد. بیشینه عمق آبشستگی گروه‌پایه در هر دو آرایش مختلف در زاویه انحراف 30 درجه به وقوع پیوست که در آرایش 2×1 پیرامون پایه دوم و به میزان 13/33 درصد بیش از پایه اول و در آرایش 3×1 پیرامون پایه سوم و به میزان 21/57 درصد بیش از پایه اول دیده شد.

سرریزهای کلیدپیانویی جزء جدیدترین سرریزهای غیرخطی هستند که ضریب آبگذری بیشتری نسبت به سرریزهای مشابه دارند. این سازه‌های هیدرولیکی دارای فونداسیون سبک و ساده‌ای هستند که روی سدها و کانال‌های زهکشی طراحی و نصب می‌شوند. به‌دلیل راندمان زیاد این سرریزها، بررسی آبشستگی پایین‌دست آنها و راهکار برای کاهش مقدار آن در سال‌های اخیر، موردتوجه مهندسان قرار گرفته است. در این پژوهش سعی شده از یک سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C، سه دبی و سه عمق پایاب استفاده   شود. همچنین از دو مانع با ارتفاع‌های 0/02 و 0/04 متر در انتهای کلیدهای خروجی سرریز استفاده شد. نتایج نشان داد که وجود مانع، باعث کاهش آبشستگی در پنجه سرریز می‌شود. مقدار کاهش آبشستگی در پنجه سرریز و با ارتفاع مانع بزرگ‌تر، بیشتر از سرریز با ارتفاع مانع کوچک‌تر و در هر دو بیشتر از سرریز بدون مانع است. وجود مانع باعث کاهش بیشینه عمق آبشستگی و دورتر شدن فاصله بیشینه عمق آبشستگی از پنجه سرریز می‌شود. در سرریز با ارتفاع مانع 0/02 و 0/04 متر نسبت به سرریز بدون مانع، مقدار بیشینه عمق آبشستگی حدود 16/4 و 26/9 درصد کمتر و فاصله بیشینه عمق آبشستگی در آن‌ها نسبت به سرریز بدون مانع، حدود 8/7 و 19/1 درصد بیشتر است. شاخص آبشستگی در سرریزهای دارای مانع کمتر از سرریزهای بدون مانع است که می‌تواند خطر واژگونی سرریز را کاهش دهد. کمترین مقدار شاخص آبشستگی در سرریز با ارتفاع مانع 0/04 متر دیده شد که تقریباً 41/2 درصد کمتر از سرریز بدون مانع است.

سرریزهای کلیدپیانویی شکل جدیدی از سرریزهای منقاری و به صورت غیرخطی هستند. به دلیل راندمان زیاد این سرریزها در ظرفیت عبور جریان، بررسی آبشستگی موضعی و راهکار برای کاهش آن دارای اهمیت فراوانی است. در پژوهش حاضر، برای اولین‌بار به بررسی آبشستگی موضعی در پایین‌دست سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع B پرداخته شد. سرریز در فاصله 5/50 متری از ابتدای کانال نصب شد و دارای ارتفاع 0/20 متر و سه سیکل (سه کلید خروجی، دو کلید ورودی و دو نیم‌کلید ورودی) است. از سه عمق پایاب و سه دبی جریان مختلف نیز استفاده شد. با افزایش عدد فرود ذرات و دبی جریان و کاهش عمق پایاب، بیشینه عمق آبشستگی افزایش می‌یابد. محدوده پارامتر بدون بعد عدد فرود ذرات در پژوهش حاضر بین 1 تا 2 متغیر است. همچنین از دو مصالح بستر شن و ماسه استفاده شد. با افزایش قطر مصالح بستر، بیشینه عمق آبشستگی کاهش خواهد یافت. شاخص آبشستگی در مصالح بستر شن به‌مراتب کمتر از مقدار شاخص آبشستگی در مصالح ماسه بوده و به این معنا است که خطر واژگونی سرریز در مصالح بستر شن بسیار کمتر است.