اثر پره های مستغرق بر روی آبشستگی گروه پایه

STUDENT

DEGREE

YEAR

Scouring is a phenomenon that causes bridge collapse. Several studies show that 60 percent of bridges collapse is related to scouring. Different methods have been suggested to protect and reduce scouring around bridge piers. Some of them are using riprap, collar, slot and etc. Using of vane was suggested as a method to reduce local scouring around bridge piers. Scouring around single pier had been thoroughly investigated in past, however there are not many investigations regarding scouring at pier groups. Since scouring around piers group is affected by factors which are not in determinant single pier, therefore, survey of them is necessary. Important effects in scouring pier groups are: reinforcing, sheltering, horse-shoe vortex compression and shed vortices. In this study effect of space between piers on scouring and the vanes efficiency on pier groups were investigated. Experiments were carried out under clear water scour conditions with constant discharge in horizontal re-circulatig flume in Hydraulic Laboratory at the Isfahan University of Technology in Iran for a period of approximately 8 h after which an equilibrium state of scour was achieved. The flume had 7 m long, 0.32 m wide and 0.35 m deep. Uniformly graded sand with median diameter, d 50 , of 0.71 mm and geometric standard deviation 1.26 was applied. The diameter of the piers was 20 mm and the distance between the piers (center to center) were 2, 3, 4 and 5 times b (b is the pier diameter). The vane had 2cm long, 10 mm thickness and 13 cm height and vane angle was 18.5°. laboratory flume experimental detection were made by using ADV to determine velocity, Reynolds stress distribution and turbulent intensities. Scour hole was frozen by cement to facilitate performance of the experiments. The results of the experiments showed that the vane caused increasing of the sheltering effects. Vane effect on reduction of scour depth was negative on first pier in pier groups. The vane caused that effect of reinforcing decreased with increasing number piers from 2 to 3 and scour depth of first and second piers were increased. Efficiency vane was 27 and 12.3 percent, respectively at spaces 2b and 3b in second pier of two pier groups. Efficiency vane in meddle pier of three pier groups was 41.8 and 32.7 percent, and in rear pier was 28.5 and 18.18 percent, respectively at spaces 2b and 3b. The vane had negative effect at two and three pier groups with spaces 4b and 5b. In upstream, the velocity profiles and turbulent intensities showed that the existence of primary vortex associated with down flow. Within scour hole and in downstream, wake vortex caused irregularities in flow pattern. The vane caused increasing down flow velocity at front of first pier. The RMS and velocity profiles showed that oscillations of velocity in downstream piers caused the velocity reduced in this region, and wake vortex was the main factor for oscillations of velocity. Magnitudes turbulence intensities increased with enter to scour hole, and within the scour hole, there was a core of higher magnitude of turbulence intensities at front of the pier as a result of the flow separation which occur at the front of the pier. Key words : Scour, Bridge piers, Pier groups, Vane, Acoustic Doppler velocity (ADV)

آبشستگی اطراف پایه ها یکی از عمده ترین مشکلات سازه هایی نظیر پل ها است که پایة آنها در رودخانه های فرسایش پذیر قرار دارد. به طوریکه طبق تحقیقات انجام شده،60 درصد از تخریب پل ها را می توان به آبشستگی یا عوامل هیدرولیکی دیگر نسبت داد. روش های مختلفی برای جلوگیری و کاهش آبشستگی پیشنهاد شده است که از آن جمله می توان به استفاده از سنگچین، طوقه، شکاف و... اشاره کرد. استفاده از پره یکی دیگر از روش هایی است که برای کاهش آبشستگی موضعی پایه های پل پیشنهاد شده است. آبشستگی در تک پایه ها توسط محققان زیادی مورد مطالعه قرار گرفته است در حالیکه در زمینة آبشستگی گروه پایه ها تحقیقات زیادی انجام نشده است. از آنجا که آبشستگی در گروه پایه ها متأثر از عواملی است که در تک پایه ها تعیین کننده نیستند، تحقیق در این زمینه ضروری به نظر می رسد. عوامل مؤثر بر آبشستگی گروه پایه ها عبارتند از: عامل تقویت کنندگی عمق آبشستگی پایه های بالادست، عامل حفاظ بودن، گرداب های نعل اسبی به هم فشرده شده و گرداب های جاری. در این تحقیق تاثیر تغییر فاصلة بین پایه های استوانه ای بر آبشستگی و نیز عملکرد پره در گروه پایه ها ی قرار گرفته در مسیر جریان در چهار فاصلة مختلف بین پایه ها مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش ها تحت شرایط آب صاف و دبی ثابت در بازة زمانی 8 ساعت در فلوم آزمایشی به طول 7 متر، عرض 32/ متر و ارتفاع 35/0 متر در آزمایشگاه هیدرویک دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شد. 9 برداشت به صورت آزمایشات شاهد و 9 آزمایش اصلی با استفاده از پره انجام شد. برای این کار ازپایه هایی مدور به قطر 20 میلیمتر با فاصلة بین پایه ها (مرکز تا مرکز) 2، 3، 4 و 5 برابر قطر پایه ها استفاده شد. پره های مورد استفاده دارای طولی برابر با قطر پایه، ضخامت 10 میلیمتر و ارتفاع 130 میلیمتر بودند و زاویه برخورد پره ها نسبت به جهت جریان اصلی 5/18 درجه بود. در این تحقیق از یک نوع ماسة ریخته‌گری گرد‌گوشه دارای mm71/0=d 50 و 26/1= g ? با چگالی نسبی 65/2 استفاده شد. اندازه گیری سرعت های سه بعدی لحظه ای در مقاطع مختلف طولی و عرضی در اطراف پایه ها با استفاده از دستگاه سرعت سنج صوتی انجام گردید. مؤلفه های سرعت متوسط، مقادیر آشفتگی و تنش های رینولدز با استفاده از سرعت های لحظه ای اندازه گیری شده، محاسبه گردید. گودال آبشستگی به وسیلة سیمان تثبیت شد تا پروفیل برداری به آسانی انجام گیرد. نتایج آزمایش نشان داد، با توجه به اینکه عامل حفاظ بودن باعث کاهش عمق آبشستگی در پایه های عقبی می شود، حضور پره تأثیر این عامل را در گروه پایه ها افزایش می دهد. عملکرد پره در کاهش عمق آبشستگی پایة اول گروه پایه ها منفی است و تأثیری بر آنها ندارد. پره موجب می شود که با افزایش پایه ها از دوتایی به سه تایی پدیدة تقویت کنندگی کاهش یابد و عملکرد آن در کاهش عمق نهایی آبشستگی پایة اول و دوم افزایش ‌یابد. حضور پره در گروه پایة دوتایی در فواصل b2 و b3 عمق آبشستگی پایة دوم را به ترتیب 27 و 3/12 درصد نسبت به گروه پایة بدون پره کاهش داد. همچنین در گروه پایة سه تایی در فواصل b2 وb3 عمق آبشستگی پایه وسطی به ترتیب 8/41 و 7/32 درصد نسبت به گروه پایة بدون پره کاهش یافت. عمق آبشستگی پایة سوم با حضور پره در فواصل b2 وb3 به مقدار 5/28 و 18/18 درصد کاهش یافت. پره در گروه پایه دوتایی و سه تایی با فواصل b4 و b5 تأثیر مثبتی نداشت. بررسی های انجام شده روی پروفیل های سرعت و تنش حول پایه ها نشان دهندة حضور توأمان گرداب های نعل اسبی و جریان های رو به پایین در بالادست پایه ها می باشد. در پایین دست جریان حضور گرداب های برخاستگی سبب بوجود آمدن نامنظمی های فراوان در ساختار جریان گردیده است. حضور پره موجب افزایش سرعت جریان رو به پایین در جلوی پایه شده است ولی در پایین دست پایه ها جریان رو به پایین مشاهده نشد. مقادیر نوسانات سرعت در بالادست پایه ها و به محض ورود به گودال آبشستگی افزایش می یابد از اینرو درون حفره یک هسته با شدت توربولانس زیاد در جلوی پایه ها وجود دارد که نتیجه ی جدایی جریان در آنجا است. بررسی پروفیل های شدت آشفتگی طولی و نیز سرعت طولی در مقاطع عرضی پشت پایه نشان می دهد که نوسانات شدید سرعت طولی در پشت پایه در اثر پدیدة برخاستگی از عوامل مهم کاهش سرعت طولی در این منطقه است. واژه های کلیدی : آبشستگی، پایه های پل، گروه پایه، پره، دستگاه سرعت سنج صوتی.