آبشستگی اطراف پایه های پل و روشهایی برای کنترل و کاهش آن

مهندسی عمران
دانلود پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد مهندسی عمران آبشستگی اطراف پایه های پل و روشهایی برای کنترل و کاهش آن (مطالعه موردی: پل دوم رودخانه میناب) چکیده رودخانه میناب مهمترین رودخانۀ آب شیرین استان هرمزگان می باشد. این رودخانه زهکش آبهای سطحی حوزۀ آبریز میناب است و بر روی آن دو پل، که اولی مسیر ارتباطی ورودی شهر میناب و دومی به فاصلۀ 1500 متر بعد از پل اول در مسیر کمربندی میناب- جاسک ساخته شده است. موضوع این تحقیق، بررسی پدیدۀ آبشستگی بر روی پایه های پل دوم میناب است. تأثیر پدیدۀ آبشستگی بر روی سازه های آبی از جمله پل ها، از مباحث مهم در مهندسی عمران و مهندسی رودخانه می باشد، پل‌ها از قدیمی‌ترین سازه‌های مهندسی هستند. یکی از مهمترین عوامل تخریب پل‌ها ، مسئله آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های آن می‌باشد. این نوع فرسایش با حفره‌ای كه در اطراف سازه شكل می‌گیرد ، قابل شناسایی است. این حفره در صورت گسترش در عمق می‌تواند باعث خرابی و در نهایت ریزش پل گردد . برای بررسی دقیق جریان و پیش بینی آبشستگی موضعی در اطراف پایه های پل، نیاز به فهم دقیق الگوی جریان در اطراف پایه ها است. با شناخت کامل جریان می توان با حل معادلات حاکم، میدان جریان را به طور کامل مدل کرده و به همراه حل معادلات انتقال رسوب و با تکیه بر پیشرفت های چشمگیر در علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ، روش دقیق برای تخمین آبشستگی موضعی در اطراف این سازه ها بدست آورد. در تحقیق پیش رو، شبیه‌سازی انجام گرفته، با استفاده از نرم افزار Flow-3d که نرم افزاری توانمند در شبیه سازی آشفتگی جریان به صورت سه بعدی است صورت گرفته، برای این منظور با استفاده از مدل Shallow water، مشخصه های جریان شامل سطح آب،سرعت، فشار و غیره را در اثر عبور دبی با دوره بازگشت صد ساله (m^3/s 2723( در محدوده ابتدای پل اول تا 100 متر پایین دست پل دوم رودخانه میناب محاسبه شد. سپس با استفاده از مدل Sediment scour به صورت 3 بعدی به بررسی میزان توسعه ی فرآیند آبشستگی در اطراف پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته شد. نتایج نشان می دهد که بیشترین آبشستگی در پایه های سوم، چهارم و پنجم اتفاق می افتد. کلمات کلیدی: آبشستگی موضعی دینامیک سیالات محاسباتی پل رودخانه میناب مدل Flow-3D مقدمه یکی از سازه‌هایی که تخریب آن عواقب جبران ناپذیری دارد پایه‌های پل می‌باشد. در سال‌های اخیر آبشستگی موضعی پایه‌های پل در طول جریان‌های سیلابی بیش از سایر عوامل باعث تخریب پل‌ها شده است و به همین دلیل، موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در صد سال اخیر قرار گرفته و این موضوع سال‌هاست كه ذهن محققین را به خود مشغول نموده است. امروزه اصو‌ل علمی طراحی سازه ای پل‌ها به خوبی شناخته شده است. ولی تاكنون تئوری واحدی جهت تخمین آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های پل وجود ندارد، كه علت آن پیچیدگی مسئله آبشستگی می باشد. برخوردجریان به پایه طبق یك فرآیند پیچیده تبدیل به گردابه نعل اسبی و عامل جدایی جریان از پایه و ایجاد گردابه برخاستگی می گردد. طراحی، محاسبه و احداث پایه‌های پل، از مهمترین و حساسترین مراحل یك پروژه پل سازی هستند، بخصوص وقتی كه این پل در محل عبور یك رودخانه واقع شده باشد. در این زمان، طراح باید برای انتخاب طول و تعداد دهانه‌ها و عمق حداقل پی پایه‌ها، اطلاعات هیدرولوژیكی و هیدرولیكی منطقه را مورد تجزیه و‌تحلیل قرار دهد. از مهمترین مواردی كه در این رابطه می‌توان به آن اشاره نمود، اطلاعات مربوط به میزان فرسایش بستر می باشد كه در صورت در نظر نگرفتن آن، بایستی شاهد عواقب خطرناكی از جمله تهدید پایداری پل و نهایتاً تخریب آن بود. (Breusers et al., 1991) در تحقیق پیش رو به بررسی آبشستگی در پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده است، از آنجا که بیشترین عمق آبشستگی در اثر طغیان رودخانه ها و سیلابها اتفاق می افتد، لذا ابتدا دبی سیلابی طرح از روش های توزیع آماری هیدرولوژیکی در طول دوره صد ساله پیش بینی شده است و با استفاده از این دبی و به کمک نرم افزار یک بعدیHEC-RAS پروفیل سطح آب در مقطعی پایین دست پل دوم رودخانۀ میناب استخراج و به محیط نرم افزاری CCHE2D به عنوان شرط مرزی خروجی وارد شده (شرط مرزی ورودی در هر دو نرم افزار HEC-RAS و CCHE2D دبی سیلابی وارد شده است)، سپس به کمک نتایج حاصله از مدل نرم افزاری CCHE2D به عنوان یک دید فنی لازم جهت مش بندی بهینه برای انتخاب سطح آب و مشخصات هندسی بستر به گونه ای که کمترین خطا را داشته باشد در نرم افزار Flow-3D مدل Shallow water که یک مدل دو بعدی بوده، با هدف بررسی الگوی جریان در محدودۀ پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده است. و در نهایت با در دست داشتن وضعیت جریان به لحاظ عمق، سرعت و جهت جریان در اطراف پایه ها با مدل 3 بعدی، آبشستگی در اطراف پایه ها مورد بررسی قرار گرفته است. فهرست مطالب چکیده فصل اول (کلیات تحقیق) 1-1-ضرورت و اهداف تحقیق 3 1-2- فرضیه های تحقیق: 7 1-3- روش تحقیق 7 1-4- ساختار تحقیق 8 فصل دوم )مروری بر تحقیقات انجام شده( 2-1- آبشستگی 8 2-1-1- انواع آبشستگی از نظر بوجود آمدن 8 2-1-1-1- آبشستگی عمومی 8 2-1-1-2- آبشستگی انقباضی 9 2-1-1-3- آبشستگی موضعی 10 2-1-2- انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب 11 2-1-2-1- آبشستگی آب زلال 11 2-1-2-2- آبشستگی در حالت بستر متحرك(زنده) 11 2-1-3- آبشستگی کلی 15 2-2- مکانیزم آبشستگی در اطراف سازههای آبی 15 2-3- روش های مطالعه و بررسی پدیده آبشستگی 20 2-3-1- روش تئوری 20 2-3-2- روش تجربی 21 2-3-3- روش عددی 22 2-4- پیشینه تحقیق 23 2-4-1- مروری بر مطالعات انجام گرفتۀ آزمایشگاهی در جهان و ایران 23 2-4-2- مروری بر مطالعات عددی آبشستگی پایه پل در جهان و ایران طی چند سال اخیر 34 2-4-3- مروری بر مطالعات انجام شده بر روی رودخانۀ میناب در سالیان گذشته 39 فصل سوم (معادلات حاکم و روش حل آنها) 3-1- معرفی نرم افزار Flow-3D: 33 3-2- معادلات حاکم بر جریان: 35 3-3 مدلسازی تلاطم توسط نرم افزار Flow3D: 41 3-4- انتقال رسوب 46 فصل چهارم (مواد و روش ها) 4-1- معرفی منطقه مورد مطالعه 49 4-1-1- معرفی پل دوم رودخانه میناب: 49 4-2- مورفولوژی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب 51 4-3- زمین شناسی رودخانه میناب (از محل سد استقلال تا پل دوم رودخانۀ میناب) 52 4-4- هیدرولوژی حوزه آبخیز میناب 53 4-5- برآورد آبدهی در محل سد میناب 53 4-6- پوشش گیاهی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب 56 4-7- اندازه گیری دادههای میدانی و آزمایشگاهی مورد نیاز مدل های نرم افزاری 56 4-7-1- تهیه نقشه های توپوگرافی بزرگ مقیاس از بازه مورد مطالعه 57 4-7-2- نمونه برداری رسوب بستر و دیواره رودخانه 57 4-7-2-1- آزمایش دانه بندی رسوب 58 4-7-2-2- وسایل مورد نیاز 58 4-7-2-3 روش آزمایش 58 4-7-3- تعیین ضریب زبری بر اساس ، بازدیدها و نتیجه های دانه‌بندی مواد بستر و پوشش گیاهی 60 4-7-4- مشخصات رسوبات بستری 60 4-7-4-1- قطر متوسط ذرات) (d50: 60 4-7-4-2- دانسیتۀ رسوبات:. 60 4-7-4-3- ضریب دراگ: 61 4-7-4-4- تخلخل: 61 4-8- تهیه مدل: 61 4-8-1-مقطع کنترل: 61 4-8-2- شرح روش: 62 4-8-3 تعریف مدل Shallow water: 63 4-8-4- مدل CCHE2D 63 4-8-4-1- داده های مورد نیاز مدل CCHE GUI : 64 4-8-5- واسنجی مدل 65 4-8-6- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow-3Dبرای تهیه مدل Shallow water: 72 4-8-6-1- زمان: 72 4-8-6-2- نیروی ثقل و Shallow water): 72 4-8-6-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد: 73 4-8-6-4- هندسه مدل: 73 4-8-6-5- مش بندی: 75 4-8-6-7- شرایط مرزی: 76 4-8-7- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow3Dبرای تهیه مدل Sediment scour: 76 4-8-7-1- زمان: 76 4-8-7-2- نیروی ثقل، ، ویسکوزیته، مدل اغتشاش و Sediment scour: 77 4-8-7-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد: 78 4-8-7-4- مش بندی: 78 4-8-7-5- شرایط مرزی: 79 فصل پنجم(بحث و نتیجه گیری) 5-1- بررسی جریان در محدودۀ مورد مطالعه: 73 5-2- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 2،1و3 76 5-2-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان 76 5-2-2- بررسی آبشستگی 78 5-2-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه ها ی 1 تا 3 : 81 5-3- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 4،5و6 82 5-3-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان 82 5-3-2- بررسی آبشستگی 84 5-3-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 4 تا 6 87 5-4- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 7،8،9و10 90 5-4-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان 90 5-4-2- بررسی آبشستگی 90 5-4-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 7 تا 10 93 5-5- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 10 تا 15 94 5-5-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان 94 5-5-2- بررسی آبشستگی، 96 5-5-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 11 تا 15 99 5-6- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 19 102 5-6-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان 102 5-6-2- بررسی آبشستگی 104 5-7- نتیجه گیری 96 5-8-پیشنهادات: 97 منابع: منابع فارسی : 100 منابع غیر فارسی: 102 فهرست جدول ها جدول (1-1) آمار 35 ساله خرابی پلهای ایران (فرهاد زاده ، به نقل از آبادزاده 1392) 5 جدول( 3-1): مقادیر استاندارد ضرایب ثابت در مدل متلاطم 41 جدول(4-1)، مقادیر دبی حداکثر لحظه ای با دوره برگشت مختلف(m3s) ، (خسروی،1391) 52 جدول(4-2)، مقادیر دبی متوسط سالانه با دوره برگشت مختلف(m3s)، (خسروی،1391) 53 جدول(4-3)، مقادیر مجموع مربعات باقیمانده(R.S.S) ، (خسروی،1391) 53 جدول(4-4)، نتایج دانه بندی رسوبات بارکف 56 جدول (4-5)، شرایط مرزی برای مدل CCHE2D 60 جدول (4-6)،پارامترهای اندازه گیری شده میدانی بین پایه هشتم ونهم 61 جدول (4-7)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار CCHE2D 62 جدول (4-8)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار CCHE2D 62 جدول (4-9)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار HEC-RAS 63 جدول (4-10)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار HEC-RAS 63 جدول (4-11)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار Flow-3D 64 جدول (4-12)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار Flow-3D 64 جدول (4-13)، مقایسۀ پارامترهای عمق جریان و سرعت متوسط جریان با دبی 150 متر مکعب بر ثانیه 65 فهرست شکل ها شکل(2-1)، الف) آبشستگی عمومی ناشی از تنگ‌شدگی مقطع رودخانه ب)، انواع آبشستگی : 9 شکل(2-2)، میزان آبشستگی در واحدزمان 10 شکل( 2-3)، تغییرات عمق آبشستگی در ازای سرعت برشی 10 شکل(2-4)، منحنی عمق آبشستگی نسبت به سرعت جریان 12 شکل(2-5)، منحنی تغییرات فاکتور حمل بر حسب عدد رینولدز (اكرز و وایت،1940) 12 شکل(2-6)، آبشستگی کلی در محل قرارگیری پل 13 شکل(2-7)، الف) مکانیزم آبشستگی حول پایه استوانه‌ای ب) گرداب نعل‌اسبی قبل از ایجاد حفره آب‌شستگی، ج) بعد از ایجاد حفره آب‌شستگی د) نمایی تقریبی از چگونگی تشکیل گرداب نعل اسبی از زاویه دید جانبی 15 شکل(2-8)، محل و چگونگی تشکیل گرداب‌های برخاستگی 16 شکل(2-9)، الگوی جریان اطراف یک پایه قائم استوانه‌ای 17 شکل(2-10)- چگونگی تخمین پارامترT1(Sumer et al., 1993) 21 شکل (2-11)- نمودار ارائه شده جهت بررسی تآثیر عمق جریان بر آبشستگی موضعی (ملویل و کلمن، 2002) 24 شکل (2-12)-نمودارعمق نسبی جریان در برابر ضریب تصحیح آن(اتما، 1980) 25 (شکل 3-1) منحنی سرعت نقطه‏ای در جریان متلاطم 35 شکل(4-1)، موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه و نمایی از پل دوم میناب 50 شکل (4-2)، نمایی از پوشش گیاهی منطقه، نگاه به سوی شمال 54 شکل(4-3)، موقعیت نقاط برداشت نمونه های بار کف 56 شکل (4-4)، موقعیت مقطع کنترل 58 شکل (4-5)، هندسۀ تهیه شده از محدودۀ مورد مطالعه در نرم افزار CCHE MESH 59 شکل(4-6)، سطح آب را در مرز پایین دست برای دبی 150 مترمکعب بر ثانیه 60 شکل(4-7)، موقعیت نقطۀ F 62 شکل (4-8)، نتایج حاصل از نرم افزار CCHE2D را برای مختصات جغرافیایی نقطۀ F 63 شکل (4-9)، نتایج حاصل از نرم افزار HEC-RAS برای مختصات جغرافیایی نقطۀ F 64 شکل (4-10)، نتایج حاصل از نرم افزار Flow-3D 65 شکل (4-11) نمایش سازه های ایجاد شده توسط نرم افزار Catia 67 شکل (4-12)، نمایش سازه های ایجاد شده توسط نرم افزار Catia (پایه های پل) 67 شکل(4-13) نمایش مدل مش بندی شده و بلوک ها در Flow-3D 68 شکل (4-14)، نحوۀ عملکرد روش Favor با مرزهای جامد 71 شکل (5-1)، نمایش خطوط جریان و ارتفاع سطح آزاد در محدودۀ مورد مطالعه 74 شکل (5-2)، نمایش توزیع سرعت در محدودۀ مورد مطالعه 75 شکل (5-3)، نمایش مکان هایی که رسوب گذاری در آن جا اتفاق می افتد 75 شکل (5-4)، نمایش خطوط جریان اطراف پایه های1 تا 3 77 شکل (5-5)، نمایش توزیع سرعت اطراف پایه های 1 تا 3 77 شکل (5-6)، خطوط هم ارتفاع مربوط به گودال آبشستگی بستر 78 شکل (5-7)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 1 تا 3 78 شکل (5-8)، نمای 3 بعدی از آبشستگی در اطراف پایه های1 تا 3 79 شکل (5-9) نمایی از وضعیت کنونی پایۀ شمارۀ 2 79 شکل (5-10) نمایی از وضعیت کنونی و مدل در پایۀ شمارۀ 3 79 شکل (5-11)، خطوط هم ارتفاع بستر، اطراف پایه های 4،5 و 6 در لحظۀ شروع محاسبات 80 شکل (5-12)، پلان توزیع سرعت و الگوی جریان در اطراف پایه های 4 تا 6، 81 شکل (5-13)، پلان پارامتر فرود در اطراف پایه های 4 تا 6 81 شکل (5-14)، پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی 82 شکل (5-15)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 4،5و6 83 شکل (5-16)، نمای سه بعدی آبشستگی بستر در اطراف پایۀ 4،5و6 83 شکل (5-17)، نمایی از بستر و پایه های 4 به بعد (به سمت پایۀ 19) 84 شکل (5-18)، مقایسۀ آبشستگی آبراهۀ بالادست پایۀ 4 و 5 84 شکل (5-19)، وضعیت آبشستگی پایه های 4 و 5 85 شکل (5-20)، توزیع سرعت و الگوی جریان در اطرف پایه های 7 تا 10 86 شکل (5-21)، توزیع سرعت در پایه های 7 تا 10 86 شکل (5-22)، پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی بستر در اطراف پایه 7 تا 10 87 شکل (5-23)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 7 تا 10 87 شکل (5-24)، توسعۀ آبشستگی در اطراف پایه های 7 تا 10 88 شکل (5-25) الف، وضعیت کنونی دیوار را قبل از پایۀ 9؛ ب، وضعیت کنونی دیوار بین پایه 9 و 10 88 شکل (5-26)، الف- توزیع سرعت و الگوی جریان اطراف پایه های 11 تا 15 89 شکل (5-26)،ب- پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی بستر در اطراف پایه ها 11 تا 15 90 شکل (5-27)، تغییرات مربوط به ارتفاع بستر در اطراف پایه های 11 تا 15 91 شکل (5-28)،تغییرات گودال آبشستگی 92 شکل (5-29)،الف- مقایسۀ مدل و وضعیت کنونی بستر را در اطراف پایۀ 11 92 شکل (5-29)،ب- مقایسل مدل و بستر در اطراف پایه 12 93 شکل (5-30)، وضعیت موجود پایه های 13 تا 15 93 شکل (5-31)، توزیع سرعت و الگوی جریان اطراف پایه های 16 تا 19 94 شکل (5-32)، شرایط رسوب بستر در محدودۀ پایه های 16 تا 19 94 شکل (5-33)، توزیع سرعت در محدودۀ پایه های 16 تا 19 95 شکل (5-34)، نمای سه بعدی از ارتفاع نهایی بستر و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 19 95