پروژه شبیه سازی عددی هیدرولیکی و هندسی آبشستگی در پایه پل های بتنی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی عمران - گرایش سازه های هیدرولیکی با عنوان شبیه سازی عددی هیدرولیکی- هندسی آبشستگی در پایه پل های بتنی (مطالعه موردی)

آبشستگیِ موضعی در اطراف پایه پل ها همواره به عنوان یک مشکل؛ به ویژه در زمان وقوع سیلاب ها در رودخانه ها مطرح بوده است. این پدیده باعث ایجاد یک حفره در مجاورت پایه پل شده و در صورت عدم طراحی مناسب با توسعه ی عمق این حفره و رسیدن آن به تراز پی پایه پل، سازه پل در آستانه انهدام قرار می گیرد. انهدام سازه پل در هنگام وقوع جریان های سیلابی علاوه بر هزینه های مستقیم، هزینه های غیر مستقیم اقتصادی و اجتماعی زیادی به دنبال دارد. سالیان متمادی قرار دادن پی پایه پل در عمقی بیش از عمق آبشستگی متعادل متناظر با سیل طرح به عنوان یک راه حل مطرح بوده است. این راه حل به رغم اینکه محافظه کارانه می باشد در بسیاری از موارد مانند پل های کم ارزش و یا سازه های موقت روشی غیر اقتصادی خواهد بود زیرا عمق آبشستگی متعادل در زمان نسبتا طولانی حاصل می شود حال آنکه زمان تداوم جریان در بیشتر مواقع کمتر از آن است که عمق آبشستگی متعادل حاصل گردد. آبشستگی موضعی در هنگام وقوع سیلاب ها پدیده ای وابسته به زمان می باشد و از آنجا که جریان سیلابی به صورت هیدروگراف جریان نشان داده می شود می توان اظهار نمود که آنچه در واقعیّت اّتفاق می افتد آبشستگی موضعی تحت جریان های غیر دائمی است.

مطالعات بسیار محدودی راجع به آبشستگی تحت جریان های غیر دائمی وجود دارد. مدل های عددی هیدرولیکی در سالیان اخیر توسعه زیادی یافته اند و در این بین آنهایی که جریان را در سه بعد مدل می کنند به دلیل تطابق هر چه بیشتر با ماهیت فیزیکی پدیده از جایگاه ممتازی برخوردار هستند. با توجه به اینکه نرم افزار SSIIM توانایی مدل کردن سه بعدی میدان جریان و رسوب در حالت وابسته به زمان را داراست در این تحقیق از این مدل عددی توانمند استفاده گردید. نتایج شبیه سازی عددی توسعه عمق حفره آبشستگی موضعی تحت جریان های غیر دائمی به کمک داده های آزمایشگاهی نشان داد که این نرم افزار قابلیت انجام محاسبات جریان های غیر دائمی را داراست. همچنین به کمک این مدل عددی سه بعدی تأثیر تغییر برخی از پارامترهای هندسی بر مقدار عمق آبشستگی متعادل به صورت کیفی و کمّی نشان داده شد. یکی از این تغییرات در هندسه پایه که با تضعیف گردابه های موّثر در پدیده آبشستگی می تواند به کاهش عمق آبشستگی متعادل بینجامد ایجاد شکاف در پایه پل است. نتایج مدل آزمایشگاهی و شبیه سازی عددی حاکی از آن است که با گسترش طول شکاف نسبت به سطح آب عمق آبشستگی متعادل کاهش می یابد. علاوه بر موارد فوق قابلیت نرم افزار SSIIM در محاسبات سه بعدی جریان آب و رسوب و مدل کردن آبشستگی اطراف پایه های پل در شرایط واقعی نیز نشان داده شده است.

مراحل مختلف پدیده آب شستگی در پایه پل

مراحل مختلف پروسه آبشستگی در محل پایه پل به صورت زیر است:

الف) مرحله اول (آغازین): جریان در گودال آب شستگی در راستای طولی تقریباً یکنواخت است.

در این مرحله ظرفیت آب شستگی بسیار شدید است. مشاهدات انجام شده بر مصالح نرم و زبر نشان داده که در شروع شکل گیری گودال آب شستگی، بخشی از مصالح بستر نزدیک شیب بالادست آب شستگی به حالت تعلیق در می آیند. اغلب ذرات به تعلیق درآمده در داخل جریان از مسیرهای انتقالی عبور کرده و تحت تاثیر موازنه درونی بین وزن ذرات معلق و نیروهای بالابرنده، معلق باقی می مانند. برخی از ذرات که ته نشین می شوند به دلیل اعمال نیروی جریان آشفته نزدیک بستر، مجددا به حالت معلق در می آیند. بخش دیگری از ذرات با ارتفاع جهش کمتر از یک مقدار مرجع تعریف شده به صورت بار بستر حمل می شوند.

ب) مرحله دوم (توسعه): در این مرحله عمق آب شستگی افزایش قابل توجهی پیدا می کند.

اما شکل گودال آب شستگی تغییر نمی یابد. در این مرحله فاصله از انتهای حفاظ کف تا نقطه ای که گودال آب شستگی بیشترین عمق را دارد تقریباً ثابت است. بخش بالایی شیب بالادست آب شستگی در تعادل می باشد، لیکن بخش پایینی آن همچنان در حال توسعه است. به دلیل کاهش سرعت های جریان در نزدیکی بستر در طول زمان، به رغم افزایش انرژی آشفتگی بار معلق نزدیک بستر در مقایسه با مرحله آغازین به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد.

ج) مرحله سوم (تثبیت): آهنگ توسعه عمق بیشینه آب شستگی کند می شود.

ظرفیت آب شستگی در عمیق ترین بخش گودال آب شستگی درمقایسه با ظرفیت آب شستگی در پایاب بسیار کوچک است، بطوری که ابعاد گودال آب شستگی بیشتر درجهت طولی نسبت به جهت قائم توسعه می یابد. درمرحله تثبیت وضعیت تعادل هم برای شیب بالادست آب شستگی و هم برای شیب پایین دست آب شستگی و همچنین عمق بیشینه آب شستگی تقریباً حاصل شده اند.

د) مرحله چهارم (تعادل):

در این مرحله ابعاد گودال آب شستگی تغییر قابل ملاحظه ای نخواهد داشت.

معرّفی فصل های پایان نامه:

این پایان نامه در پنج فصل گردآوری شده است. فصل اوّل مربوط به مقدّمه و کلیات راجع به پدیده آبشستگی و ضرورت انجام تحقیق می باشد. در فصل دوّم که مربوط به سابقه تحقیق است، مطالعات مربوط به مدل سازی چند مورد واقعی به کمک نرم افزار های مختلف مورد توجّه قرار گرفته است. در این فصل از مطالعات ارزنده ای که توسّط سازمان نقشه برداری جغرافیایی آمریکا (USGS) در مورد آبشستگی در پایه های پل های ایالت آلاسکا انجام شده است بهره فراوانی برده شد.

فصل سوّم به معرفی نرم افزار SSIIM با قابلیّت مدل کردن جریان آب و رسوب در سه بعد، معادلات حاکم بر آن، نحوه مدل سازی و استفاده از آن جهت مدل کردن آبشستگی موضعی اطراف پایه پل ها اختصاص یافته است. این نرم افزار قابلیت در نظر گرفتن پارامتر زمان در طول پروسه آبشستگی را داراست.

فصل چهارم که قسمت اصلی پایان نامه را تشکیل می دهد شامل دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات صحرایی است. در بخش مطالعات آزمایشگاهی توسعه آبشستگی اطراف پایه های استوانه ای تحت جریان های غیردائمی به کمک نرم افزار SSIIM شبیه سازی شده و تاثیر تغییر برخی از پارامتر های هندسی بر عمق آبشستگی متعادل به صورت عددی بررسی گردید. بخش دوم به مطالعه موردی یک پل واقع در ایالت آلاسکای آمریکا می پردازد. در این قسمت بعد از ساختن مدل رودخانه مذکور در بازه مورد نظر، نتایج شبیه سازی عددی آبشستگی اطراف پایه های پل با آنچه در واقعیت مشاهده شده مقایسه گردید. نهایتاً در فصل پنجم نتایج حاصل از این تحقیق و چند پیشنهاد ارائه شد.