SUPERVISOR
Mohamadnavid Moghim,Mohammad-Reza Chamani
محمدنوید مقیم (استاد راهنما) محمدرضا چمنی (استاد راهنما)
STUDENT
Mostafa Koushki
مصطفی کوشکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Pressure-flow scour of conical bridge piers
Pressure-flow scour of conical bridge piers Mostafa Koushki mostafakoushki13@gmail.com 2020 Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc Language: Farsi Supervisors: Dr. M.R. Chamani, (mchamani@cc.iut.ac.ir) and Dr. M.N. Moghim (moghim@cc.iut.ac.ir) Scouring is defined as the excavation and movement of bed particles and riverbank by water flow. This phenomenon may lead to a collapse or damage the bridge piers. The 3-D complex flow around piers, simultaneous transfer of sediment and water particles, and continuous change of bed elevation are the factors that make the scouring a complicated task to study. The water flow level may rise above the bridge deck's lower level in any flood, and the flow regime changes from free-surface to pressure-flow. Most previous studies are focused on free-surface flow, and the pressure-flow flow patterns are not deeply investigated. In the present study, the flow patterns of pressure-flow scour around cylindrical, semi-conical, and completely-conical piers are investigated. Physical models of bridge piers and deck are constructed in the Hydraulics Laboratory of the Civil Engineering Faculty, Isfahan University of Technology. Experiments have been performed in a rectangular section flume with 0.6 m width, 0.7 m height, and 9 m length. The bridge deck's width is equal to the flume's width, and its height and length (in flow direction) are equal to 0.2 and 0.25 m, respectively. Two cylindrical, semi-conical and conical piers of 50 mm and 70 mm diameters have been built. The median diameter of uniform sand grain used in the bed is 0.76 mm, with a specific gravity of 2.65. The scour equilibrium time criterion is set when the scour depth rate in 8 hours is less than twice of grain size. All of the tests were performed in a clear-water condition with flow intensities of 0.5, 0.75, and 0.9. Different parameter effects on scour depth in pressure flow, including the upstream flow depth, the upstream flow velocity, opening height of the bridge deck, and pier diameter have been investigated. As the upstream flow impacts the bridge deck, a separated circulated flow is formed under the deck. The separated flow zone reduces the flow section and increases the flow velocity under the deck. The present study's results reveal that at low deck submergence ratios, the maximum scour depth of pressure-flow and dimensions of the scour hole around semi-conical and conical piers are less than those of cylindrical piers in the first 60 minutes. The equilibrium maximum scour depths of cylindrical and semi-conical piers are equals, and they are less than the conical piers. Increasing upstream flow depth, upstream flow velocity, and pier diameter increase the equilibrium maximum scour depth. The equilibrium maximum scour depth reduces when the opening height of the bridge deck reduces. Equations are proposed for estimating the equilibrium maximum scour depth in cylindrical, semi-conical, and conical piers. Key words Scouring, pressure-flow, conical pier, cylindrical pier, bridge deck, clear-water scour
آبشستگی را میتوان بهصورت حفر و جابهجایی ذرات بستر و کنارههای رودخانه در اثر فعالیت فرسایشی جریان آب تعریف کرد. بروز این پدیده در اطراف پایهی پلها منجر به تخریب پل و تحمیل خسارات فراوانی میگردد. مطالعات بسیاری پیرامون عمق بیشینهی آبشستگی و فرایند این پدیده انجام شده که اغلب به صورت آزمایشگاهی هستند. به دلیل سهبعدی بودن جریان حول پایهها و انتقال همزمان رسوب و تغییر مداوم بستر رسوبات، بررسی تحلیلی و عددی پدیدهی آبشستگی با دشواریهایی همراه است. بیشتر مطالعات در این زمینه مربوط به جریان آزاد بوده و مطالعات آبشستگی در اثر جریان تحتفشار کمتر بررسی شده است. در هنگام سیلاب و یا آبگرفتگی در معابر، سطح جریان آب به سطح زیرین عرشهی پل میرسد و جریان از حالت آزاد به تحتفشار تبدیل میگردد. آبشستگی ناشی از جریان تحتفشار از حالت آزاد شدیدتر است. در تحقیق حاضر الگوی جریان آبشستگی و تأثیر پارامترهای جریان در پایههای استوانهای، مخروطی و نیمهمخروطی در جریان تحتفشار به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. مدل فیزیکی پایهها و عرشهی پل در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکدهی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان ساخته شده است. آزمایشها در کانالی با مقطع مستطیلی با عرض 6/0 متر، ارتفاع 7/0 متر و طول 9 متر صورت گرفته است. عرض عرشهی پل با عرض کانال برابر و ارتفاع و طول آن (در راستای جهت جریان) بهترتیب برابر با 20/0 و 25/0 متر بوده است. از دو نوع پایهی استوانهای از جنس تفلون با قطرهای 50 و 70 میلیمتر و پایههای نیمهمخروطی و مخروطی با قطر معادل برابر با پایههای استوانهای استفاده شده است. دانهبندی ماسهی استفادهشده در بستر بهصورت یکنواخت و قطر متوسط آن 76/0 میلیمتر با وزن مخصوص 65/2 است. معیار زمان تعادل در این تحقیق زمانی درنظر گرفته شده است که تغییرات عمق آبشستگی در بازهی زمانی 8 ساعت از دو برابر قطر متوسط ذرات کمتر است. تمام آزمایشها در شرایط آبزلال با شدت جریانهای 5/0، 75/0 و 9/0 انجام شده است. تأثیر پارامترهای مختلف از قبیل عمق جریان بالادست، سرعت جریان بالادست، عمق بازشدگی عرشهی پل و قطر پایه بر روی میزان آبشستگی تحتفشار در اطراف پایهها بررسی شده است. با برخورد جریان به عرشه، در زیر عرشه ناحیهی جداشده ایجاد میشود که جریان در آن به حالت چرخشی درمیآید. ایجاد ناحیهی جداشده موجب کاهش مقطع جریان عبوری و افزایش سرعت جریان در زیر عرشه میگردد. بررسی نتایج این تحقیق نشان میدهد در نسبتهای استغراق عرشهی پایین، میزان عمق بیشینهی آبشستگی تحتفشار و ابعاد چاله در اطراف پایههای نیمهمخروطی و مخروطی نسبت به پایههای استوانهایشکل، در 60 دقیقهی ابتدایی فرایند آبشستگی کاهش پیدا میکند. عمق بیشینهی آبشستگی در اثر افزایش مقطع جریان عبوری اطراف پایههای نیمهمخروطی و مخروطی نسبت به پایهی استوانهای در شروع آزمایش کمتر است. اما، در نهایت عمق بیشینهی آبشستگی در زمان تعادل برای هر دو نوع پایهی نیمهمخروطی و استوانهای یکسان و کمتر از پایهی مخروطیشکل است. پارامترهای عمق بالادست، سرعت جریان بالادست و قطر پایه تأثیر مستقیم و عمق بازشدگی عرشه تأثیر معکوس بر روی میزان عمق آبشستگی دارند. در نهایت، رابطهای برای تخمین عمق بیشینهی آبشستگی تحتفشار اطراف پایههای نیمهمخروطی و استوانهایشکل ارائه شده است. کلمات کلیدی: آبشستگی، جریان تحتفشار، عرشهی پل، پایهی مخروطیشکل، پایهی استوانهایشکل، آبزلال