بررسی تاثیر شمع‌های حفاظتی بر کنترل و کاهش آبشستگی موضعی درگروه پایه پل

STUDENT

DEGREE

YEAR

Scour is considered as one of the most important issues in river engineering. The bulk of the studies conducted about the control and reduction of the scour has been focused on single-pier bridges while the majority of the bridges currently built around the world are of the multiple-pier type. Various techniques have been employed for reducing the scour. These include techniques such as using the roughness, the collars, submerged plates, and sacrificial piles. The present study investigates the effect of sacrificial piers on reducing the scour around the bridge piers. To this end, the longitudinal expansion of the scour and the flow pattern around both single and multiple piers bridges was examined. The experiments were done under clear water scour and a constant discharge of 21 L/S for a period of 5 hours for the experimental group which included sacrificial piles and 8 hours for the Witness tests. All experiments were done in a using a flume of 8 m length, 0.4 m width and 0.6 depth at the Hydraulics Laboratory of the Isfahan University of Technology. Plastic circular piers with diameters of 30 mm were exploited. In the base group, the distance between the bridges were 2 and 3 times the diameters of the piers. Metal sacrificial piles with a constant diameter of 8 mm were used. There were 5 sacrificial piles and the head angles of 30 and 45 degrees were selected. The distance between the sacrificial piles were 21, 30, and 39 mm. Finally, 21 experiments were done for the Single pier and Group piers conditions. The ADV Velocimeter was used in this study in order to capture three-dimensional longitudinal and latitudinal flow velocity around the bridges. Velocity Profile, Reynolds stress, and turbulence intensity were examined. In the single-pier condition, the best results were obtained when the distance between the piles were 0.7 D and the head angles were 30 degrees. Compared to the witness group, scour reduction of up to 65 percent was observed when the distance between the two piles was 2 D (i.e., 6 cm). On the other hand, when the sacrificial piles are 0.7 D apart and the angles are 45 degrees, the lowest rate of scour happens for the back pier such that this design had 74 percent reduction in the scour compared to the single pier witness condition and 68 percent reduction compared to the Group piers witness condition where the piles were 2D apart. The same arrangement of the piles obtained a 56 and 60 percent scour reductions in the front pier compared to the single pier witness condition and the Group pier witness condition where the piles were 2D apart, respectively. Furthermore, when the the sacrificial piles are 1.3 D apart and the angles are 30 degrees, the lowest rate of scour happens for the back pier such that this design had 63 percent reduction in the scour compared to the single pier control condition and 58 percent reduction compared to the Group piers witness condition where the piles were 3D apart. The same arrangement of the piles obtained a 47 and 43 percent scour reduction in the front pier compared to the single pier witness condition and the Group pier witness condition where the piles were 3D apart, respectively. Further analysis of the velocity profiles and the stress around the piers revealed the existence of horseshoe vortex and downward flow simultaneously at the upstream of piers. In addition, the existence of wake vortex in the downstream caused serious fluctuations in flow structure. The evaluation of the features of the downward flow when the design includes sacrificial piles showed a tangible decrease in the upward flow and, consequently. Keywords : Local scour, sacrificial piles, Group Piers, Flow structure, Quadrant analysis.

مسئله آبشستگی یکی از مهم‌ترین مسائل در بحث مهندسی رودخانه می‌باشد. سالانه تعداد بسیار زیادی از پل‌ها در سراسر جهان تخریب می‌شوند که عمدتاً به‌دلیل سازه‌ای نیست. بلکه به‌دلیل در نظر نگرفتن نقش هیدرولیکی در طراحی آن‌ها می‌باشد. وقتی سازه‌ای بر روی رودخانه‌ای قرار می‌گیرد پایه‌های آن در درون آب واقع می‌شوند. درنتیجه این پایه‌ها در معرض آب شستگی قرار می‌گیرند. تعیین عمق آبشستگی از این جهت که بیانگر میزان پتانسیل تخریب جریان در اطراف سازه بوده دارای اهمیت است. ازاین‌رو پیش‌گویی الگوی آبشستگی برای ایجاد ایمنی در سازه‌هایی که در معرض آب قرار دارند امری ضروری است. عمده روش‌هایی که به‌منظور کنترل و کاهش آبشستگی موضعی در پایه‌ی پل‌ها انجام می‌شود برای تک‌پایه‌ی پل مورد بررسی قرارگرفته است درصورتی‌که پایه‌های اکثر پل‌هایی که در جهان ساخته شده و مورد بهره‌برداری قرارگرفته‌اند، به‌صورت گروه پایه طراحی شده‌اند. از جمله روش‌های کنترل و کاهش آبشستگی موضعی می‌توان از استفاده از زبری‌ها، طوق، صفحات مستغرق و شمع‌های حفاظتی نام برد. در تحقیق حاضر به بررسی تأثیر شمع‌های حفاظتی در کنترل و کاهش آبشستگی در اطراف گروه پایه پل پرداخته شده است. بدین منظور ضمن بررسی توسعه زمانی آبشستگی، الگوی جریان در اطراف تک پایه و گروه پایه دوتایی بررسی شده است. آزمایش‌ها تحت شرایط آب زلال و دبی ثابت 21 لیتر بر ثانیه در بازه زمانی 5 ساعت برای آزمایش‌ها با حضور شمع‌های حفاظتی و 8 ساعت برای حالت تک‌ پایه شاهد و گروه پایه شاهد در کانال آزمایشگاهی به طول 8 متر، عرض 4/0 متر و ارتفاع 6/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شد. در این آزمایش‌ها از پایه‌های مدور ساده از جنس پلاستیک تفلون به قطر 30 میلی‌متری استفاده گردید. در حالت گروه پایه، فاصله بین مرکز پایه‌ها از یکدیگر 2و 3 برابر قطر پایه استفاده شده در نظر گرفته شد. شمع‌های حفاظتی با قطر ثابت 8 میلی‌متر از جنس آلیاژ آهن در نظر گرفته شدند. تعداد شمع‌های حفاظتی برابر 5 عدد و زاویه رأس شمع‌ها با دو زاویه 30 درجه و 45 درجه و بافاصله افقی شمع‌ها از یکدیگر 21، 30و39 میلی‌متری در نظر گرفته شدند. نهایتاً برای تک‌پایه و گروه پایه‌ها مجموعاً تعداد 21 حالت مورد آزمایش قرار گرفت. در انجام این آزمایش‌ها از دستگاه سرعت‌سنج ADV به‌منظور برداشت سرعت‌های سه‌بعدی لحظه‌ای در مقاطع مختلف طولی و عرضی در اطراف پایه‌ها استفاده شد و نیمرخ‌های سرعت، شدت آشفتگی و تنش‌های رینولدز مورد بررسی قرار گرفت. در حالت تک پایه با آرایش فاصله شمع‌ها D7/0، زاویه رأس شمع‌ها 30 درجه بهترین نتیجه در کاهش آبشستگی رخ داد و درصد کاهش آبشستگی نسبت به تک‌پایه شاهد برابر 65 گزارش گردید. در هنگامی‌که فاصله مرکز دو پایه از یکدیگر برابر d2 (6 سانتی‌متر) است. بهترین آرایش شمع‌های حفاظتی در حالتی است که فاصله شمع‌ها D7/0، زاویه رأس شمع‌ها 45 درجه حداکثر میزان کاهش آبشستگی در پایه پشتی رخ می‌دهد به‌طوری‌که در این آرایش با کاهش74 درصدی آبشستگی نسبت به حالت تک پایه شاهد (68 درصد نسبت به پایه پشتی در گروه پایه شاهد دوتایی، با فاصله d2 مرکز پایه‌ها از یکدیگر) مشاهده گردید. همین آرایش در پایه جلویی کاهش آبشستگی تا 56 درصد نسبت به تک پایه شاهد( 60 درصد نسبت به پایه جلویی در گروه پایه شاهد دوتایی، با فاصله d2 مرکز پایه‌ها از یکدیگر) را فراهم می‌کند. همچنین هنگامی‌که فاصله مرکز دو پایه از یکدیگر برابر d3 (9 سانتی‌متر) است. بهترین آرایش شمع‌های حفاظتی در حالتی است که فاصله شمع‌ها D3/1 زاویه رأس شمع‌ها 30 درجه حداکثر میزان کاهش آبشستگی در پایه پشتی رخ می‌دهد به‌طوری‌که در این آرایش با کاهش 63 درصدی آبشستگی نسبت به حالت تک پایه شاهد (58 درصد نسبت به پایه پشتی در گروه پایه شاهد دوتایی، با فاصله d3 مرکز پایه‌ها از یکدیگر) مشاهده گردید. همین آرایش در پایه جلویی کاهش آبشستگی تا 47 درصد نسبت به تک پایه شاهد( 43 درصد نسبت به پایه جلویی در گروه پایه شاهد دوتایی، با فاصله d3 مرکز پایه‌ها از یکدیگر) را فراهم می‌کند. بررسی‌های انجام شده بر روی پروفیل‌های سرعت و تنش حول پایه‌ها حضور توأمان گرداب‌های نعل اسبی و جریان‌های رو به پایین در بالادست جریان را نشان می‌دهند. همچنین در پایین‌دست جریان حضور گرداب‌های برخاستگی سبب به وجود آمدن بی‌نظمی‌های فراوان در ساختار جریان گردیده است. نتایج بررسی خصوصیات جریان در حضور شمع‌های حفاظتی نشان دهنده کاهش محسوس جریان رو به پایین و به‌تبع آن کاهش قدرت جریان نعل اسبی نسبت به حالت عدم حضور شمع‌های حفاظتی است. مقدار نوسانات سرعت در بالادست به‌محض ورود به گودال افزایش می‌یابد از این‌رو درون حفره یک هسته با شدت توربولانس زیاد در جلوی پایه‌ها وجود دارد که نتیجه جدایی جریان در آن ناحیه‌ است. پروفیل‌های سرعت طولی و آشفتگی طولی در پشت پایه به‌وضوح نشان‌ می‌دهند که عامل پدیده برخاستگی باعث نوسانات شدید سرعت طولی در پشت پایه و کاهش سرعت طولی در این منطقه می‌شود. با استفاده از آنالیز کوادرانت مشخص شد رخداد غالب در فرآیند آبشستگی، حرکت پرتابی (Ejection) و حرکت جاروبی (Sweep) می‌باشند. کلمات کلیدی: آبشستگی موضعی، گروه پایه، شمع‌های حفاظتی(پایه‌های فدا شونده)، الگوی جریان، آنالیز کوادرانت