بررسی تاثیر روش های ترکیبی طوق، سیستم جت هوا و سیستم مکش بر کاهش آبشستگی موضعی پایه پل

STUDENT

DEGREE

YEAR

Bridges are among the most important hydraulic structures and scour around the bridge piers due to supercritical flows is a threat to the stability of these structures. There are generally two major methods of protecting bridges against scour: reinforcing the bed materials and undermining the erosion factors. In the present research, the combination of the air jet, suction, and collar systems was proposed as a new method for reducing local scour. Moreover, hybrid collar-air jet and collar-suction models were tested by combining the aforementioned systems with a collar. In the collar tests, the width and length of the collar were set to the pier diameter at the pier head. Afterwards, by increasing the collar length from 1.5 to 2 times the pier diameter, the length suiting the collar model was obtained. In the next two tests, the collar width was increased to 1 and 2 times the pier diameter to examine the efficiency of the collar model. The results from the five experiments revealed that a collar has the capacity for preventing down current, and thus it is a powerful means of reducing scour. The collar model with a length and width twice the pier diameter yielded a scour reduction efficiency of 59%. In the air jet test, a hole was created in the pier head and the output jet pressure was 1 atm in all experiments. The jet hole was created at the 0, 3, 6, 9, 12, and 15-cm distances from the bed in all experiments. The air jet system reduced scour by undermining the down current and reinforcing the boundary layer at all jet hole depths. The highest system efficiency, which was 30%, was observed by creating the hole at the lowest depth. In the suction system, a hole also was drilled in the pier head. The suction flow rate was 0.86 lit/sec in all of the 6 experiments, and the suction holes were made at the 0, 3, 6, 12, and 15-cm distances (depth) from the bed. In all experiments, the suction system powerfully reduced scour by eliminating the down current and creating a boundary layer on the pier. The highest suction efficiency was 51%, which was obtained by creating the hole in the bed. In the collar-air jet hybrid model, the best air jet model was combined with all of the collars in the course of separate experiments. The experimental results revealed that the jet efficiency escalated with an increase in the collar length. In the air jet test that was conducted using a collar with a width and length twice the pier diameter, scour declined by 82%. The collar-suction hybrid model was built using a collar with a width and length twice the pier diameter and the most efficient suction system (i.e. when the suction hole was created on the bed). The investigation results indicated the high efficiency of the collar-suction hybrid model as a down current countermeasure. This model also reduced scour by 94% at the pier head

پل ها از مهمترین سازه های هیدرولیکی هستند که آب شستگی موضعی اطراف پایه های آنها در طول جریان های سیلابی یکی از عوامل تهدید کننده پایداری آنها به شمار می آِید. بنابراین ارائه روش های مناسب به منظور کنترل و کاهش آب شستگی موضعی که بتواند در شرایط بحرانی مقاومت نماید به گونه ای که توجیه اقتصادی نیز به دنبال داشته باشد به تحقیقات گسترده ای نیاز دارد. به طور کلی دو روش اساسی برای محافظت پل ها در مقابل آب شستگی وجود دارد که عبارتند از: بالابردن مقاومت مواد بستر و کاهش قدرت عوامل فرسایش. در مطالعه حاظر روش های جدید سیستم جت هوا، سیستم مکش و طوق در کاهش آبشستگی موضعی بررسی شد. همچنین با ترکیب سیستم های مذکور با طوق، مدل های ترکیبی طوق-جت هوا و طوق-مکش مورد آزمایش قرار گرفته شد. در آزمایشات طوق در پیشانی پایه ابتدا عرض و طول طوق برابر با قطر پایه لحاظ گردید. در ادامه با افزایش طول طوق به 5/1 و 2 برابر قطر پابه طول مناسب برای مدل طوق ها بدست آمد. سپس در دوآزمایش دیگر با افزایش عرض طوق به میزان 1 و 2 برابر قطر پایه توانایی طوق ها در کاهش آبشستگی موضعی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله از مجموع 5 آزمایش انجام گفته در رابطه با طوق نشان داد که طوق می تواند با توانایی تقابل با جریان روبه پایین سیستمی قوی در کاهش آبشستگی ظاهر شود. مدل طوق با طول و عرض 2 برابر قطر پایه راندمانی 59 % در کاهش آبشستگی داشت. در بررسی سیستم جت هوا سوراخ جت در پیشانی پایه قرار داده شد. فشار خروجی جت در تمامی آزمایشات به طور ثابت 1 اتمسفر لحاظ گردید. سوراخ جت در 6 آزمایش انجام شده در فواصل 0، 3، 6، 9، 12، 15 سانتی متری از بستر قرار گرفت. سیستم جت هوا با تضعیف جریان روبه پایین و انرژی بخشیدن به لایه مرزی در تمامی اعماق قرارگیری سوراج جت آبشستگی را کاهش داد. بیشترین راندمان سیستم با قرارگیری سوراخ در کمترین عمق و به میزان 30 % بود. در سیستم مکش نیز سوراخی در پیشانی پایه ایجاد شد. دبی مکش مدل به طور ثابت در تمامی 6 آزمایش 86/0 لیتر برثانیه لحاظ گردید. عمق قرارگیری سوراخ مکش در عمق های 0، 3، 6، 9، 12، 15 سانتی متری از بستر قرار گرفت. سیستم مکش در تمامی آزمایشات با حذف جریان روبه پایین و لایه مرزی ایجاد شده برروی پایه نقش مهمی در کاهش آبشستگی داشت. بیشترین راندمان سیستم مکش به میزان 51 % با قرارگیری سوراخ بر روی بستر بود. در مدل ترکیبی طوق-جت هوا بهترین مدل از سیستم جت هوا با تمامی طوق ها در آزمایشاتی جداگانه ترکیب گشت. آزمایشات نشان داد با افزایش مساحت طوق بر توانایی کاهش آبشستگی موضعی جت هوا افزوده می گردد. در آزمایش جت هوا با طوق دارای طول و عرض 2 برابر قطر پایه آبشستگی به میزان 82 % کاهش یافت. مدل ترکیبی طوق-مکش از ترکیب طوق دارای طول و عرض 2 برابر قطر پایه و سیستم مکش با بهترین راندمان یعنی زمانی که سوراخ مکش مدل بر روی بستر قرار گرفته ساخته شد. نتایج حاصله نشان داد مدل ترکیبی طوق-مکش در تقابل با جریان روبه پایین به شدت قوی عمل می کند. مدل توانست به میزان 94 % درصد آبشستگی در پیشانی پایه را کاهش دهد. با برداشت پروفیل های سرعت توسط دستگاه ADV الگوی جریان پیرامون پایه شاهد و مدل های ترکیبی مورد بررسی قرار گرفت. در پایه شاهد در ناحیه بالادست درون گودال تغییر علامت سرعت همراه با گرادیان فشار مثبت که نشان از جدایش جریان است مشاهده گشت. در تحلیل کوادرانت ، درناحیه بالادست پایه شاهد درون گودال سهم رخداد برهم کنش بیرونی بیشتر از دیگر رخدادها می باشد. با افزایش عمق سهم رخداد جارویی از رخدادهای دیگر پیشی گرفته و تا سطح برتری خود را حفظ می کند. در پشت پایه شاهد در کمترین عمق سهم رخدادهای برهم کنش بیرونی و برهم کنش درونی بیش از رخدادهای دیگر است.