27759

بررسي تاثير پوشش‌گياهي بر ساختارهاي جريان در آبشستگي موضعي تكيه‌گاه با مقطع ذوزنقه‌اي

كارشناسي ارشد

آب و سازه هيدروليكي

1399

1401/06/30

دكتر حسن افضلي مهر

عمران

آبشستگي يك مسئله مهم براي پل‌ها در سراسر جهان است كه بر سختي جهاني سازه‌هاي پل تأثير مي‌گذارد و از اين رو رفتار ديناميكي اين سيستم‌ها را تغيير مي‌دهد. آبشستگي يك مشكل متداول برهمكنش خاك و سازه است. ريزش رسوبات اطراف پايه پل توسط جريان، مهم ترين عامل مؤثر در شكست پل است. خرابي‌هاي آبشستگي بدون هشدار قبلي رخ مي‌دهد و هر ساله منجر به تلفات جاني و زيان اقتصادي مي‌شود. مقدار قابل توجهي كار روي آبشستگي پل انجام شده است. چنين چالش‌هايي را مي‌توان به طور كلي به دو دسته عمده طبقه‌بندي كرد، يعني علم محور و مهندسي محور. پژوهش علم محور بر درك مكانيسم آبشستگي تمركز دارد و هدف آن تبيين علت آبشستگي ناشي از عوامل مختلف است. در همين حال، تحقيقات مهندسي محور بر برآورد، نظارت و اقدامات متقابل آبشستگي پل متمركز است. براي مهار ميزان آبشستگي موضعي روش‌هاي متفاوتي ارائه شده است، كه مي‌توان به افزايش مقاومت مواد تشكيل‌دهنده بستر و كاهش قدرت عوامل فرسايشي اشاره نمود. هدف اين تحقيق بررسي الگوي جريان اطراف تكيه‌گاه با شكل نيم‌ذوزنقه و همچنين تاثير پوشش گياهي بر ساختار جريان حول تكيه‌گاه است. مطالعات آزمايشگاهي در كانالي به طول 14 متر، عرض9/0 متر، ارتفاع 6/0 متر و دبي 30 ليتر در ثانيه با سطح مقطع مستطيلي انجام شد. مرحله اول از آزمايشات بر روي يك نوع تكيه‌گاه با مقطع نيم ذوزنقه با اندازه 4 سانتي‌متر عرض و 15 سانتي‌متر طول، در شرايط آبشستگي آب زلال و روي ذرات ماسه به قطر78/0 ميلي‌متر انجام شد. در مرحله دوم تحقيق اثر پوشش‌گياهي كف بر مشخصات جريان مورد بررسي قرار گرفت. در مجموع حدود هفتاد پروفيل سرعت و در هر پروفيل بسته به عمق آبشستگي بين 14تا24 نقطه برداشت گرديد. مقاطع اندازه‌گيري به گونه‌اي انتخاب شدند كه در آنها جريان كاملا توسعه يافته بود. مولفه‌هاي سرعت متوسط، مقادير آشفتگي، تنش‌هاي رينولدز، انرژي جنبشي با استفاده از سرعت‌هاي لحظه‌اي اندازه‌گيري و محاسبه شد. نتايج نشان‌دهنده حضور همزمان گرداب‌هاي نعل اسبي و جريان‌هاي رو به پايين در بالادست جريان مي‌باشد و در پايين‌دست حضور گرداب‌هاي برخاستگي سبب به وجود آمدن نامنظمي‌هاي فراوان در ساختار جريان گرديده است. حضور پوشش‌گياهي كف سبب كاهش زمان تعادل آبشستگي و عمق چاله فرسايشي مي‌گردد به طوري كه ميزان عمق آبشستگي 50 درصد نسبت به حالت بدون پوشش گياهي كاهش مي‌يابد وزمان تعادل از 55 ساعت به 35 ساعت تقليل يافته است كه به دليل وجود گرداب‌هاي نعل اسبي با قدرت بيشتر در بالادست جريان برآورد شده است. در بررسي ميدان جريان اطراف تكيه‌گاه نيم‌ذوزنقه، مشخص شد نيمرخ‌هاي سرعت u به صورت نيمرخ‌هاي داراي چولگي (انحنا) درآمده‌اند. اين چولگي‌ها در نزديكي كف مشاهده مي‌شوند. اين بررسي‌ها از توزيع سرعت در نزديكي تكيه‌گاه نشان مي‌دهد كه علت چولگي‌هاي قابل ملاحظه در نيمرخ‌هاي سرعت وجود گراديان‌هاي فشار در نتيجه ورتكس‌هاي قوي است كه جريان گردابي و مارپيچ را در اطراف تكيه‌گاه به وجود آورده است.

1401/11/02

The Effect of Vegetation on Flow Structures and Local Scouring in trapezoidal Abutment

9/21/2023 12:00:00 AM

Scouring is one of the most important issues in river engineering. The creation and expansion of local scouring in bridges abutments is one of the most important causes of hydraulic collapse of bridges. Different methods have been proposed to control local scouring, one of the most important of these methods is to increase the resistance of substrate and reduce the strength of erosion agents. The purpose of this study is to examine the flow pattern around the trapezoidal Abutment. Laboratory studies were carried out in a canal with 16m length, 0.9m wide, 0.6m high, and 30 liters per second with rectangular cross section. The first stage of the experiments was performed on a cylindrical abutment with trapezoidal cross-section with the size of (5-15 cm) under scouring condition of clear water and on sand particles with a diameter of 0.78mm. The second step of this study is to investigate the effect of bed coverings on flow characteristics. The amount of velocity profiles in each series of experiments depends on the expansion of the scouring pit and about 78 velocity profiles and in each profile, depending on the scour depth between 15-23 points were estimated. The measurement sections were selected in which the flow was completely developed. Measurements of instantaneous 3D velocities were performed in different horizontal and side sections using the ADV speedometer. The average velocity components of turbulence, Reynolds stress, kinetic energy are measured and calculated using instantaneous velocities. The results show that the presence of horseshoe vortices and downstream flows in the upstream zone takes place at the same time. In the downstream the presence of the wake vortices causes many irregularities in the flow structure. Presence of vegetation on bed decreases the depth and time of scouring equilibrium so that the scour depth decreases by 50% compared to the uncovered state. Specification of flow characteristics in coatings bed showed that vegetation weakened the initial vortices in the upstream of abutment, but the scouring effects are still observed downstream. In the uncovered bed, the horizontal velocity increases at both heights and away from the abutment along the radial angle, only at a height above the floor, The results showed that the Reynolds tensions reached a linear trend outside the pit and progressed linearly from the bed to the water surface. The magnitude of the stress levels near the bed and around the abutment, in contrast to the uncovered bed, is sharply reduced, indicating a decrease in the vortex and gradient of the pressure surrounding the abutment. The flow behavior around the abutment is of great complexity and the appearance of the coating on the bed has added to these complexities.

آبشستگي , پوشش گياهي , تكيه گاه نيم ذوزنقه , نيمرخ سرعت

Scouring , Vegetation , Trapezoidal Abutment , Velocity Profile

Amid Pahlavan

Professor Hossein Afzalimehr