اثر شمع فداشونده با حضور شکاف و طوق در کاهش عمق آبشستگی موضعی پایه پل

مهندسی آب
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی آب-سازه های آبی اثر شمع فداشونده با حضور شکاف و طوق در کاهش عمق آبشستگی موضعی پایه پل چکیده: یکی از مسائل مهم در مهندسی هیدرولیک، بررسی آبشستگی موضعی اطراف پایه پل است. آبشستگی موضعی پتانسیل به خطر انداختن تمامیت ساختاری پایه پل را دارد، بنابراین زمانی که فونداسیون پایه ضعیف شد، موجب شکست آن می شود. برای طراحی ایمن و مقرون به صرفه لازم است که آبشستگی اطراف پایه کنترل شود. آبشستگی موضعی اطراف پایه پل به دلیل جدایی جریان و توسعه گردابه-های ایجاد شده اطراف پایه رخ می دهد. روش های مختلفی برای برای پیشگیری و کاهش آبشستگی اطراف پایه از جمله شمع فداشونده، طوق و شکاف ارائه شده است. این روش ها با انحراف جریان از اطراف پایه باعث کاهش جریان و آبشستگی موضعی می شوند. در این پژوهش برای بررسی اثر شمع فداشونده ، پنج شمع در بالادست تک پایه دایره ای قرار گرفت. همچنین برای بررسی اثر طوق، دو طوق دایره ای و مربعی شکل با اندازه نسبی 5/2 ، در سه موقعیت شامل روی بستر و زیر بستر (D 1/0و D4/0 زیر بستر) برای کاهش آبشستگی اطراف پایه مورد استفاده قرار گرفت. در مرحله بعد شکافی در پایه به طول 8 برابر قطر پایه و عرض 3/0 قطر پایه ایجاد شد و عملکرد آن در کاهش آبشستگی بررسی شد. در آخر استفاده ترکیبی این روش ها برای کاهش آبشستگی مورد بررسی و استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که، ترکیب شمع-فداشونده و طوق مربعی تاثیر بیشتری در کاهش عمق آبشستگی در اطراف تک پایه و گروه پایه دارد. ترکیب شمع فداشونده و شکاف نقش کمتری در کاهش عمق آبشستگی اطراف تک پایه داشت . ترکیب سه روش به طور همزمان بازده خوبی ایجاد نکرد. همچنین نتایج نشان داد که در گروه پایه، طوق مربعی آبشستگی اطراف پایه های قرار گرفته در جلو و شمع فداشونده آبشستگی اطراف پایه های قرار گرفته در پشت را بیشتر کاهش می دهند. کلید واژگان: طوق شکاف پایه پل آبشستگی شمع فداشونده   مقدمه پل ها از جمله حیاتی ترین سازه های ارتباطی هستند. پل ها اکثرا بر روی رودخانه ها احداث می شوند بنابراین از مهم ترین و پرکاربردترین سازه های رودخانه ای محسوب می شوند که از دیرباز مورد استفاده بوده اند. همه ساله در اثر بروز سیلاب در رودخانه ها، تعداد زیادی از پل ها، درست در زمانی که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد، تخریب می شوند ( ثانی خانی و همکاران، 1387 ). وقوع آبشستگی در اطراف پایه های پل یکی از عمده-ترین دلایل تخریب پل ها می باشند. هزار پل در سی سال گذشته در ایالات متحده آمریکا تخریب شده ، که 60% تخریب ها بعلت آبشستگی بوده است. این تخریب ها علاوه بر خسارت جانی، میلیون ها دلار خسارت مالی برای ساخت و بازسازی پل ها در آمریکا به همراه داشته، که این هزینه در سال 1973، 75 میلیون دلار و در سال 1993، 2/1 بیلیون دلار برآورد شده است. همچنین بررسی ها در انگلستان نشان داد که 49% خرابی ها به علت آبشستگی بوده است (گارسیا 2008 ) . بنابراین برای طراحی ایمن و مقرون به صرفه، لازم است که آبشستگی اطراف پایه پل کنترل شود (بگ و بگ ،2013) . فرسایش بستر و حمل مواد جدا شده از آن به وسیله ی جریان آبشستگی، نامیده می شود. (وزارت نیرو نشریه 549 ، 1390). میزان کاهش در سطح بستر، نسبت به بستر رودخانه، قبل از شروع آبشستگی را عمق آبشستگی عنوان کرده اند ( بگ و بگ ، 2013 ). از آنجا که در اثر آبشستگی بستر رودخانه فرسایش می-یابد و این فرسایش باعث گود شدن بستر می گردد، ممکن است مخاطرات جدی را برای سازه های مجاور به همراه داشته باشد. از این رو لازم است تا مهندسان هیدرولیک با چگونگی عمل آبشستگی آشنایی کامل داشته باشند ( شفاعی بجستان، 1390 ). بحث آبشستگی هرچند قدمتی طولانی در علم هیدرولیک دارد، لیکن به دلیل شرایط و پیچیدگی های خاص آن و همچنین به دلیل نبودن رابطه مناسب که بتواند پاسخگوی تمام شرایط باشد، همچنان مورد توجه خاص محققین علم هیدرولیک و مهندسی رودخانه است (وزارت نیرو نشریه 549، 1390). پل ها در محل احداث خود به چندین دلیل باعث آبشستگی در رودخانه ها می شوند. اول اینکه برای کوتاه کردن طول پل، مقطع پل تنگ تر از مقطع رودخانه در نظر گرفته می شود که باعث افزایش سرعت جریان و تنش برشی در بستر شده و موجب آبشستگی می-شود ( آبشستگی در اثر تنگ شدگی ) ( وزارت نیرو نشریه260، 1381 ). دوم به دلیل وجود تکیه گاه، یک سامانه سه بعدی جریان گردابی در اطراف آنها تولید شده که باعث جدا شدن دانه ها از بستر و آبشستگی موضعی می شود. این نوع آبشستگی به دلیل پیچیده بودن جریان های ایجاد شده دارای اهمیت زیادی می-باشد. اگر آبشستگی عمومی در مسیر رودخانه وجود داشته باشد آن هم به آبشستگی حاصل از احداث پل اضافه می شود ( وزارت نیرو نشریه 383، 1386 ). فهرست مطالب اثر شمع فداشونده با حضور شکاف و طوق در کاهش عمق آبشستگی موضعی پایه پل فصل اول: مقدمه 1-1 کلیات 2 1-2 ضرورت انجام پژوهش 5 1-3 اهداف پژوهش 7 1-4 مروری بر مطالب سایر فصل ها 7 فصل دوم: مروری بر پژوهش های پیشین 2-1 مقدمه 10 2-1-1 آبشستگی 11 2-1-2 انواع آبشستگی 11 2-1-2-1 آبشستگی عمومی (طبیعی) 11 2-1-2-2 آبشستگی در اثر کاهش مقطع 12 2-1-2-3 آبشستگی موضعی 12 2-1-3 آبشستگی از نظر حمل رسوب 14 2-1-3-1 آبشستگی در آب زلال 16 2-1-3-2 آبشستگی در بستر زنده ( حاوی رسوب ) 17 2-1-4 مکانیزم آبشستگی موضعی در تک پایه 18 2-1-5 مکانیزم آبشستگی در گروه پایه 20 2-1-6 منطقه جداشدگی خطوط جریان اطراف پایه پل 23 2-2 آبشستگی پایه 24 2-3 روشهای کاهش آبشستگی و توصیه ها 30 2-3-1 ایجاد پوشش حفاظتی در اطراف پایه 31 2-3-2 کاهش قدرت گردابه ها 31 2-3-2-1 شمع فداشونده 32 2-3-2-2 شکاف 35 2-3-2-3 طوق 38 2-3-2-4 صفحات مستغرق 42 2-3-2-5 روشهای تلفیقی 42 4-2 گروه پایه 43 5-2 کمبود مطالعات گذشته 47 فصل سوم: مواد و روشها 3-1 مقدمه 49 3-1-1 شمع فداشونده 50 3-1-2 شکاف 52 3-1-3 طوق 54 3-1-4 گروه پایه 56 3-2 پارامترهای مربوط به آبشستگی پایه پل 58 3-2-1 عمق جریان 58 3-2-2 شدت جریان 59 3-2-3- زمان 62 3-2-4 قطر پایه 64 3-2-5 اندازه ذرات و دانه بندی رسوبات 65 3-3 تجهیزات آزمایشگاه 67 3-3-1 کانال یا فلوم 67 3-3-2 سکوهای فلزی 68 3-3-3 ارتفاع سنج 69 3-3-4 سیستم تامین آب 70 3-3-5 دبی سنج الکتریکی 71 3-3-6 وسیله کنترل دبی 72 3-4 روش انجام آزمایش 72 فصل چهارم: بحث و نتایج 4-1 مقدمه 76 4-2 آبشستگی در تک پایه 80 4-3 مقایسه عملکرد طوقها 81 4-3-1 بهترین محل قرار گیری طوق بر روی پایه 82 4-3-2 اندازه طول طوق در کاهش آبشستگی 83 4-3-3 مقایسه اشکال طوق در کاهش آبشستگی 83 4-4 مقایسه روش های کاهش آبشستگی در تک پایه 85 4-5 مقایسه روش های ترکیبی در تک پایه 87 4-6 آبشستگی در گروه پایه 90 4-6-1 آبشستگی در گروه پایه دوتایی در جهت جریان 90 4-6-2 آبشستگی در گروه پایه سه تایی در جهت جریان 91 4-6-3 آبشستگی در گروه پایه دوتایی عمود بر جهت جریان 93 4-6-4 آبشستگی در گروه پایه سه تایی عمود بر جهت جریان 93 4-7 مقایسه روش های کاهش آبشستگی در حالتG2 94 4-8 مقایسه روش های کاهش آبشستگی در حالت G3 100 4-9 مقایسه روش های کاهش آبشستگی در حالتهای G2V و G3V 105 4-10 بررسی شکل چاله آبشستگی 108 4-10-1 شکل چاله آبشستگی در حضور شمع فداشونده 108 4-10-2 بررسی شکل چاله آبشستگی در حضور طوق مربعی 112 4-10-3 شکل چاله آبشستگی در حضور شکاف 115 4-10-4 شکل چاله آبشستگی در حضور طوق دایره ای 116 4-10-5 شکل چاله در حضور شمع فداشونده و طوق مربعی 116 4-10-6 شکل چاله در حضور شمع فداشونده و طوق دایره ای 118 4-10-7 شکل چاله در حضور شمع فداشونده و شکاف 118 4-10-8 شکل چاله در حضور شمع فداشونده، طوق مربعی و شکاف 119 4-10-9 شکل چاله در حضور شمع فداشونده، شکاف و طوق دایره ای 120 4-10-10 شکل چاله در حضور طوق لوزی 121 فصل پنجم: نتیجه گیری 5-1 خلاصه نتایج 124 5-2 پیشنهادات 126 منابع پیوست آنالیز ابعادی 135 فهرست شکل ها شکل ‏1 1 انواع آبشستگی در پایه و نیم پایه پل 4 شکل ‏2 1 نمودار تغییرات آبشستگی نسبت به سرعت جریان 13 شکل ‏2 2 نمودار تغییرات آبشستگی برحسب زمان 14 شکل ‏2 3 مکانیزم آبشستگی موضعی اطراف تک پایه 16 شکل ‏2 4 مکانیزم آبشستگی اطراف گروه پایه دوتایی عمود بر جهت جریان 17 شکل ‏2 5 منطقه جداشدگی جریان در پشت پایه 19 شکل ‏2 6 چیدمان عرضی پیشنهادی هاکو و همکاران 26 شکل ‏2 7 پایه خطوط جریان اطراف پایه با (الف) پایه بدون شکاف شششششششش (ب)S10 (ج)S20 (د)S30 28 شکل ‏3 1 a طرز قرارگیری شمع ها در جلوی پایه b مدل آزمایشگاهی 39 شکل ‏3 2 a نحوه استفاده از شکاف بر روی پایه b مدل آزمایشگاهی 40 شکل ‏3 3 a مدل آزمایشگاهی طوق مربعی b مدل آزمایشگاهی طوق دایره ای 42 شکل ‏3 4 a گروه پایه دوتایی و جهت قرارگیری آن نسبت به جریان شششششششششش (در جهت جریان و عمود بر جهت جریان) 43 شکل ‏3 5 - a گروه پایه دوتایی عمود بر مسیر جریان b گروه پایه دوتایی ششششششششش در جهت جریان 44 شکل ‏3 6 دیاگرام شیلدز 46 شکل ‏3 7 نمودار تغییر آبشستگی بر حسب زمان 49 شکل ‏3 8 نمودار دانه بندی ذرات رسوب 51 شکل ‏3 9 نمایی از فلوم مورد آزمایش 52 شکل ‏3 10 ارتفاع سنج ( متر لیزری ) 53 شکل ‏3 11 ریل برای جابه جایی متر لیزری 54 شکل ‏3 12 سیستم تامین آب 55 شکل ‏3 13 دبی سنج الکتریکی - مانیتور قرائت دبی 55 شکل ‏3 14 شیر کنترل دبی 56 شکل ‏4 1 شکل چاله آبشستگی اطراف پایه 3 سانتیمتری 62 شکل ‏4 2 شکل چاله آبشستگی اطراف پایه 2 سانتی متری 63 شکل ‏4 3 درصد کاهش آبشستگی برای اشکال متفاوت طوق، طول و ترازقرارگیری ششش آن نسبت به پایه 3 سانتی متری 66 شکل ‏4 4 مقایسه روشهای کنترل آبشستگی - درصد کاهش عمق و حجم شششش آبشستگی نسبت به تک پایه 3 سانتیمتری 67 شکل ‏4 5 درصد کاهش عمق و حجم آبشستگی در روشهای ترکیبی کنترل شششش آبشستگی در پایه 3 سانتی متری نسبت به حالت شاهد 70 شکل ‏4 6 شکل چاله آبشستگی در حالت G2 71 شکل ‏4 7 شکل چاله آبشستگی درحالت G3 72 شکل ‏4 8 شکل چاله آبشستگی در حالت G2V 73 شکل ‏4 9 چاله آبشستگی در حالت G3V 74 شکل ‏4 10 مقایسه عمق آبشستگی درحالت G2 نسبت به پایه 2 سانتی متری 76 شکل ‏4 11 مقایسه درصد کاهش عمق آبشستگی در حالت G2 نسبت به شششششششش پایه 2 سانتی متری 77 شکل ‏4 12 مقایسه درصد کاهش آبشستگی نسبت به حالت G2 78 شکل ‏4 13 مقایسه عمق آبشستگی در حالت G3 نسبت به پایه 2 سانتی متری 81 شکل ‏4 14 مقایسه درصد کاهش آبشستگی در حالت G3 نسبت به پایه 2 سانتی متری 81 شکل ‏4 15 مقایسه درصد کاهش آبشستگی نسبت به حالت G3 82 شکل ‏4 16 چاله آبشستگی در حالت P و خطوط تراز (cm) 86 شکل ‏4 17 چاله آبشستگی در حالت G2-P و خطوط تراز (cm) 86 شکل ‏4 18 چاله آبشستگی در حالت G3-P و خطوط تراز(cm) 87 شکل ‏4 19 چاله آبشستگی در حالت G2V و خطوط تراز (cm) 87 شکل ‏4 20 چاله آبشستگی در حالت G2V-P و خطوط تراز (cm) 88 شکل ‏4 21 چاله آبشستگی در حالت Cq و خطوط تراز (cm) 89 شکل ‏4 22 چاله آبشستگی در حالت G2-Cq و خطوط تراز (cm) 89 شکل ‏4 23 چاله آبشستگی در حالت G3-Cq خطوط تراز (cm) 90 شکل ‏4 24 چاله آبشستگی در حالت S خطوط تراز (cm) 90 شکل ‏4 25 چاله آبشستگی در حالت C2.5D و خطوط تراز (cm) 91 شکل ‏4 26 چاله آبشستگی در حالت P-Cq و خطوط تراز (cm) 92 شکل ‏4 27 چاله آبشستگی در حالت P-Sخطوط تراز (cm) 93 شکل ‏4 28 چاله آبشستگی در حالت P-S-Cq 94 شکل ‏4 29 چاله آبشستگی در حالت P-C2.5D-S و خطوط تراز (cm) 94 شکل ‏4 30 شکل چاله در حضور طوق لوزی شکل و خطوط تراز (cm) 95 فهرست جدول ها جدول ‏2 1 معادلات حاکم بر آبشستگی پایه پل 21 جدول ‏2 2ضریب با توجه به زاویه برخورد و نسبت طول به عرض پایه 22 جدول ‏2 3 ضریب با توجه به وضعیت بستر 22 جدول ‏2 4 درصد کاهش آبشستگی با استفاده از طوق 31 جدول ‏4 1 مشخصات آزمایش در تک پایه و گروه پایه 59 جدول ‏4 2 جدول نامگذاری آزمایشات در تک پایه 60 جدول ‏4 3 جدول آزمایشات و نام گذاری آن در گروه پایه 61 جدول ‏4 4 مقایسه درصد کاهش آبشستگی در ترازهای مختلف بستر در طوق شششش مربعی و دایره ای نسبت به حالت شاهد 64 جدول ‏4 5 درصد کاهش عمق و حجم آبشستگی برای طوق با اشکال متفاوت،ششششش طول یکسان D5/2 و تراز بستر D1/0 نسبت به پایه 3 سانتی متری 65 جدول ‏4 6 مقایسه روشهای کنترل آبشستگی در کاهش عمق و حجم چاله شششش آبشستگی نسبت به تک پایه 3 سانتیمتری 67 جدول ‏4 7 مقایسه روشهای ترکیبی در کاهش عمق و حجم آبشستگی در تک پایه شششش 3 سانتی متری نسبت به حالت شاهد 69 جدول ‏4 8 مقایسه روش های کاهش آبشستگی در حالت G2 نسبت به پایه ششششششش 2 سانتی متری 76 جدول ‏4 9 مقایسه عمق و درصد کاهش آبشستگی در حالت G3 نسبت به پایه شششششش 2 سانتی متری 80 جدول ‏4 10 مقایسه روشهای کاهش عمق و در صد آبشستگی در حالت G2Vششششش نسبت به تک پایه 2 سانتی متری 83 جدول ‏4 11 مقایسه روشهای کاهش عمق و درصد آبشستگی در حالت G3V شششش نسبت به پایه 2 سانتی متری 83   فهرست نمادها A سطح مقطع جریان B عرض پایه در پایه مستطیلی B عرض طوق d16 قطری که 16% رسوبات از آن ریزترند d50 قطر متوسط ذرات d84 قطری که 84% رسوبات از آن ریزترند قطری که 95% رسوبات از آن ریزترند D قطر پایه DS عمق آبشستگی DSc عمق آبشستگی با طوق DSf عمق آبشستگی پایه جلویی در گروه پایه در مسیر جریان DSi حداکثر عمق آبشستگی در گروه پایه Fr عدد فرود G شتاب ثقل H ارتفاع طوق نسبت به سطح آزاد آب ضریب شکل پایه ضریب زاویه برخورد آب به پایه ضریب مربوط به بستر ضریب مربوط به لایه محافظ حفره آبشستگی ضریبی برای پایه های عریض در عمق کم آب Kps فاکتوری برای پایه های دوتایی عمود بر مسیر جریان L طول کانال La طول نیم پایه Lp طول پایه در جهت جریان LS طول شکاف N ضریب زبری مانینگ Q دب در واحد عرض Q دبی Re(D) عدد رینولدز پایه Re(h) عدد رینولدز جریان Re* عدد رینولدز مرزی فاصله پایه ها در گروه پایه S شیب کانال T مدت زمان آزمایش te زمان تعادل U* سرعت برشی U*c سرعت برشی بحرانی V سرعت متوسط سیال Vc سرعت بحرانی W عرض کانال Ws بازشدگی شکاف y0 عمق آب در بالادست پایه Α زاویه راس شمع های فداشونده Β زاویه قرارگیری پایه نسبت به مسیر جریان µ لزجت دینامیکی سیال Υ لزجت سینماتیکی Ρ جرم مخصوص سیال ρs جرم واحد حجم مواد بستر σg انحراف معیار ذرات رسوب τs تنش برشی بحرانی ضریب شکل طوق Φ زاویه ایستایی ذرات