18733

16258

كارشناسي ارشد

علوم و مهندسي آب

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1402

چهارده، 113ص. : مصور، جدول

1402/06/18

كتابنامه

كشاورزي

مهندسي كشاورزي

1402/06/18

2947661

آبشستگي پديده‌اي است كه بر اثر فرسايش رسوبات ازسطح بستر توسط جريان ايجاد مي‌شود. اين پديده در سه دسته آبشستگي عمومي، آبشستگي ناشي از تنگ شدگي مقطع و آبشستگي موضعي تقسيم‌بندي مي‌شود. آبشستگي موضعي در اطراف سازه‌هايي كه در مسير جريان بوده رخ مي‌دهد تا ميدان جريان در اطراف موقعيت مانع را اصلاح كند. آبشستگي ايجاد شده در پايه پل نمونه‌اي از آبشستگي موضعي است كه از ديرباز چالشي مهم براي مهندسان اين شاخه بوده و پژوهش‌هاي متعددي همچنان در حال انجام است و يكي از دلايل اصلي تخريب پل‌هاي بسياري در سراسر جهان گزارش شده است. بنابراين، برآورد دقيق از عمق آبشستگي سبب طراحي ايمن پل‌ها خواهد شد. پيچيدگي و تنوع پارامترهاي اثرگذار در آبشستگي موضعي پايه‌پل در آزمايشگاه (ويژگي‌هاي هندسه فلوم و پايه، جريان و رسوبات بستر) سبب پيچيدگي پديده آبشستگي مي‌شود. با توسعه فناوري‌هاي كامپيوتري، مدل‌هاي عددي كارايي بسيار مناسبي در حوزه مسائل محاسبات ميدان جريان نشان داده‌اند و شرايط مناسبي را براي بررسي پارامترهاي مختلف اثرگذار بر آبشستگي و انتقال رسوبات فراهم نموده‌اند. در پژوهش حاضر، آ‌بشستگي موضعي با استفاده از روش‌هاي عددي در اطراف پايه پل تكي وگروه‌ پايه‌هاي پل سه تايي و در بستر رسوبي يكنواخت مطالعه شده است. براي شبيه‌سازي آبشستگي موضعي در اطراف پايه پل نياز به مطالعه آزمايشگاهي براي واسنجي نتايج عددي خواهد بود. بدين منظور از مطالعات منتخب آزمايشگاهي اخروي (1399) براي تطابق نتايج عددي تكامل زماني عمق آبشستگي با نتايج آزمايشگاهي ايشان استفاده شده است. مدل عددي مورد استفاده در اين مطالعه، كد SSIIM بوده و پارامتر مورد بررسي در اين پژوهش نيز فاصله بين پايه‌ها Sm/dpمي‌باشد (Sm فاصله بين پايه‌ها وdp قطر پايه است ). ابتدا آزمايش عددي در حالت تك پايه شبيه‌سازي شد ونتايج عددي توالي زماني حداكثر عمق آبشستگي و توپوگرافي سطح بستر حاصل از اين آزمايش با نتايج آزمايش منتخب در اين پژوهش مقايسه و تغييرات لازم به منظور واسنجي مدل عددي انجام شد. آزمايش تك‌پايه، آزمايش مرجع در اين مطالعه براي آزمايش‌هاي گروه‌پايه مي‌باشد. پس از واسنجي بستر رسوبات و آبشستگي در اطراف تك پايه، توسعه زماني حد اكثرعمق آبشستگي و توپوگرافي سطح بستر براي هر آزمايش گروه پايه انجام گرفت و نيمرخ طولي عمق آبشستگي و تغييرات توپوگرافي سطح بستر براي هرآزمايش نيز ترسيم و مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. لازم به ذكر است كه مدت زمان شبيه‌‌سازي‌هاي صورت گرفته يك ساعت مي‌باشد. بررسي نتايج حاكي از عملكرد مناسب مدل عددي براي برآورد حداكثر عمق آبشستگي و تغييرات گودال آبشستگي مي‌باشد. نتايج آزمايش عددي تك پايه نشان داد كه حداكثر عمق آبشستگي در جلوي پايه و با زاويه33 درجه نسبت به مركز پايه قرار گرفته است. همچنين بررسي توپوگرافي سطح بستر رسوبات در اطراف تك‌پايه نشانگر توافق بالاي شكل وابعاد گودال آبشستگي و نيز عمق آبشستگي در بالادست پايه با مدل آزمايشگاهي مي‌باشد. اگرچه دقت مدل عددي در پايين دست پايه كمتر بوده و نشانگر عدم عملكرد مناسب مدل در تخمين عمق آبشستگي و تپه رسوبات مي‌باشد. دليل اين امر، ناتواني مدل عددي در شبيه‌سازي پيچيدگي‌هاي گرداب‌هاي برخاستگي در پشت پايه مي‌باشد. بررسي نتايج آزمايش‌هاي عددي در حالت گروه‌ پايه با فاصله متفاوت بين پايه‌ها نيز مشخص نمود كه با افزايش فاصله پايه‌ها از يكديگر ميزان حداكثر عمق آبشستگي در گروه‌پايه كاهش يافته است. دليل اين امر كاهش اثرات متقابل گرداب‌هاي نعل اسبي و برخاستگي اطراف پايه‌ها مي‌باشد. علاوه براين، با افزايش فاصله بين پايه‌ها توسعه طولي گودال آبشستگي افزايش و توسعه عرضي آن كاهش يافته است. به طور كلي نتايج آزمايش‌ هاي مذكور نشان مي‌دهد كه در ابتدا با افزايش فاصله پايه‌ها تا Sm/dp = 6، حداكثر عمق آبشستگي افزايش يافته و در ادامه تا Sm/dp = 9، روند كاهشي داشته است و سپس ثابت شده است. روند كلي نمايانگر كاهش حداكثر عمق آبشستگي با افزايش فاصله بين پايه‌ها در طول زمان يك ساعت مي‌باشد. لازم به ذكر است كه اين نتايج حاصل از خروجي مدل براي 60 دقيقه شبيه‌سازي است و بسط مطالعات تا زمان تعادل آبشستگي اجتناب ناپذير است.

Scouring is a phenomenon created by sediments’ erosion from bed surface through flow. This phenomenon is classified into three classes of general scouring, scouring due to cross-sectional contraction and local scouring. Local scouring occurs around structures located in flow path. The occurrence of scouring in bridge pier is an example of local scouring which has been converted to an important challenge for engineers of related fields. Several studies are being done in this relation and it has been reported as a main reason for destruction of many bridges all around the world. Therefore, a precise estimation of scouring depth has to be done for designing safe piers. Complexity and diversity of parameters influencing bridge pier local scouring in laboratory (Characteristics of flume and pier geometries, flow and bed sediments) will increase scouring phenomenon complexity. Through development of computer technology, numerical models have shown their efficiency in flow field calculations and provided appropriate conditions for studying different parameters influencing scouring and sediment transport rate. This research studies local scouring using numerical methods around single and three bridge pier groups, and uniform sediment bed. To simulate local scouring around bridge pier, laboratory study is required for calibrating numerical results. For this purpose, selected Okhravi (2020) laboratory studies were used to compare numerical results of time evolution for scouring depth with laboratory results. The numerical model used for this study is SSIIM code and the parameter studied in present research is the distance between piers (S_m/d_p) where S_m and d_p are distance of piers and pier diameter, respectively. Initially, numerical experiment was simulated in single pier and findings of time sequence for maximum scour depth and bed surface topography resulting from this research were compared and required modifications in order to calibrate numerical model were made. Single pier experiment is the reference experiment in present research for pier group experiments. After calibrating sediment bed and scour around single pier, time development of maximum scour depth and bed surface topography were obtained for each pier group experiment; then scour depth longitudinal profile and bed surface topography changes were depicted and analyzed. It should be mentioned that time period for simulations is one hour. Results indicated the appropriate performance of numerical model in estimating maximum depth of scour and changes of scour hole. Results of single pier numerical experiment indicated that maximum scour depth is in front of pier and with 33-degree angle in proportion to pier center. In the meanwhile, topography of sediment bed surface around single pier indicates high agreement of scour shape and hole dimensions and also depth of scour in pier upstream with laboratory model. The results showed, accuracy of numerical model in pier downstream is lower which indicate inappropriate performance of model in estimation of scour depth and sediment hill. The reason is that numerical model can not simulate complexities of wake vortexes behind the pier. Studying the results of numerical experiments in pier group with different distances of piers indicated that increase in pier distances has reduced maximum scour depth in pier group, the reason is reduction of interacting effects of horse-shoe and wake vortexes around piers. Furthermore, increase of distance between piers increases longitudinal development of scour hole and decreases its cross-sectional development

منوچهر حيدرپوراسفرجاني

سعيد اخروي

سعيد سلطاني كوپائي , سعيد اسلاميان