پایان نامه ارشد: بررسی آزمایشگاهی اثر طوقه های لبه دار بر فرآیند آب شستگی موضعی در اطراف پایه های مدور در شرایط آب صاف

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : سازه های هیدرولیکی

عنوان : بررسی آزمایشگاهی اثر طوقه های لبه دار بر فرآیند آب شستگی موضعی در اطراف پایه های مدور در شرایط آب صاف

دانشگاه قم

دانشکده­ فنی و مهندسی

پایان نامه­ دوره­ کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی

عنوان:

بررسی آزمایشگاهی اثر طوقه های لبه دار بر فرآیند آب شستگی موضعی در اطراف پایه های مدور در شرایط آب صاف

استاد راهنما:

جناب آقای دکتر علیخانی

استاد مشاور:

جناب آقای دکتر رستمی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

آب شستگی در اطراف سازه های موجود در مسیر جریان از موضوعاتی مهمی است که در طرح این گونه سازه ها بایستی مورد توجه قرار گیرد. به این منظور بررسی این پدیده در اطراف پایه های مدور در شرایط آب صاف مدل سازی فیزیکی آزمایشگاهی انجام شد. به این منظور از دو نوع طوقه‌‌‌‌‌ی لبه دار شامل طوقه های با لبه‌ی قائم و طوقه های با لبه‌ی مایل استفاده شد که ارتفاع لبه های استفاده شده در هر یک از این طوقه ها 0.5 cm،1.0 cm  و 1.5 cm می باشد. همچنین در این تحقیق اثر ارتفاع بر کارایی طوقه های لبه دار بررسی شد که به این منظـور طوقه ها در تراز های +5 cm،+2.5 cm ،0.0 cm ،-1.5 cm  و -3cm نصب شدند. در این تحقیق مشاهده شد که  طوقه های لبه دار در تراز های بالاتر نسبت به طوقه­ی بدون لبه درهمان تراز، عملکرد بهتری داشته و طوقه با لبه­ی مایل 0.5 cm در مقایسه با سایر طوقه های لبه دار، در اکثر تراز ها بهترین عملکرد را نسبت به طوقه­ی بدون لبه در همان تراز داشته است. تمامی آزمایش های انجام شده در این مطالعه در بخش تحقیقات رودخانه ایی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری جهاد کشاورزی انجام شده است.

فصل اول: کلیات

1-1- مقدمه

آب شستگي در اطراف پايه هاي پل هايي كه بر روي رودخانه ها قرار گرفته اند با توجه به شرايط رودخانه ها بيشتر در حالت جریان یکنواخت[1] (در شرايط معمولي و جريان عادي رودخانه) و يا در شرايط جریان غیر یکنواخت[2] (در شرايط سيلاب و يا در مكان هايي كه مسير رودخانه عوض مي شود) رخ مي دهد. تاكنون تحقيقات بسيار زيادي در زمينه فرآيند آب شستگي انجام شده است. بسياري از اين تحقيقات در زمينه هاي شناسايي مكانيزم هاي موثر بر فرآيند آب شستگي، تعيين عمق آب شستگي در حالت تعادل[3]،  زمان بندي آب شستگي، بررسي عوامل موثر مختلف بر آب شستگي از قبيل اندازه و نوع خاك بستر، رژيم جريان(آب صاف[4] یا بستر فعال[5]) سرعت جريان، اندازه پايه هاي پل، شكل پايه ها و … انجام شده است.

2-1- ضرورت تحقیق

با توجه به پتانسيل تخريب پل ها در اثر آب شستگي و هزينه هاي مالي و جاني آن، تلاش براي فهم فرآيند آب شستگي  و روشهای مقابله با آن امری ضروري به نظر مي رسد. تخمـين عمق آب شستگي پايه یک پل کمتر از مقدار واقعی منجر به تخريب آن مي شود در حاليكه تخمين بيش از حد آن  نیز منجر به تحميل هزينه هاي بالاتر براي ساخت پل مي شود[1].

در ايالات متحده فاكتورهاي هيدروليكي متعددي از قبيل ناپايداري جريان، رسوب گذاري و رسوب برداري بستر در بلندمدت،آب شستگي كلی[1]، آب شستگي موضعی[2]  و حركت جانبي ذرات بستر به عنوان عوامل اصلي براي 60% از خرابي هاي سـازه اي پل در آمريكا شناخـته شده است[19]. حادثه مصيبت بار فروپاشي پل U.S.51 كه بر روي رودخانه هتچی  واقع شده بود، منجر به مرگ 8 نفر شد[19]. در اثر تخريب پل واقع بر رودخانه آریو پاساژرو واقع در كاليفرنيا كه در زمان رخداد يك سيل بزرگ به وقوع پيوست 7 نفر كشته شدند[19].

3-1- اهداف

 هدف اصلي در اين تحقيق بررسي اثر طوقه های لبه دار در كاهش عمق آب شستگي موضعی در اطراف پایه های مدور و در شرایط آب صاف مي باشد. براي اين منظور ابتدا يك بار آزمايشات با شرايط مذكور براي پايه مدور بدون طوقه انجام مي شود سپس در مرحله دوم آزمايشات عيناً براي پايه هاي مدور با طوقه بدون لبه انجام مي شود و در مرحله سوم آزمایشات برای طوقه های لبه دار انجام خواهد شد. در هرآزمايش عمق آب شستگي اندازه گيري خواهد شد تا درصد تغییر ماکزیمم عمق آب شستگي نسبت به طوقه بدون لبه بدست آيد. همچنين آزمايشات برای طوقه های نصب شده  ارتفاع هاي متفاوت نسبت به بستر و با ارتفاع لبه های متفاوت و با زاویه های متفاوت نسبت به طوقه  انجام مي شود تا اثر این سه پارامتر بر عمق آب شستگی بررسی شود.

4-1- نوع تحقیق

تحقيق ارائه شده عنوان رساله کارشناسی ارشد دپارتمان سازه های هیدرولیکی دانشگاه قم می باشد که بر اساس آزمايشاتي است كه درآزمايشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آب خیز داری وزارت جهاد کشاورزی واقع در تهران و با استفاده از يك مدل فيزيكي، مي باشد.

5-1- ساختار پایان نامه

این پایان نامه مشتمل بر پنج  فصل می باشد که درفصل اول کلیات مبحث آب شستگی موضعی آورده شده است. در فصل دوم تحقیقاتی که توسط ساير محققين در زمينه استفاده از طوقه ها در كاهش عمق آب شستگي انجام شده است تشریح شده و در فصل سوم روش انجام آزمايشات و وسايل به كار رفته در آزمايشات توضيح داده شده است. ارائه و آنالیز نتایج در فصل چهارم بیان شده و در فصل پنجم با توجه به نتایج به دست آمده نتیجه گیری شده است.

فصل دوم: تاریخچه تحقیق

1-2- مقدمه

تاكنون مقالات وكتاب هاي زيادي راجع به آب شستگي موضعی كه در خاك هاي غير چسبنده در اطراف پايه هاي يك پل اتفاق مي افتد، به چاپ رسيده است. در اين فصل سعي بر خلاصه كردن مطالب راجع به آب شستگي موضعی در خاك هاي غير چسبنده و چگونگی توسعه آب شستگي در طول زمان و همچنين روش هاي كاهش آب شستگي موضعی در پايه هاي پل مي باشد.

2-2- آب شستگی چیست؟

برازرز و همکاران(1977) آب شستگي را اين گونه تعريف كرده اند: آب شستگي يك پديده طبيعي است كه در اثر جريان آب در رودخانه ها و جويبارها به وجود مي آيد. اين پديده نتيجه اثر فرسايشي آب مي باشد كه مواد و مصالح را از بستر و كناره هاي رودخانه ها و همچنين از اطراف پايه هاي پل و تكيه گاه هاي آن ها مي شويد و در جاهاي ديگر از رودخانه قرار مي دهد.

کریمیسینوف و همکاران(1987) بــــيان مي كنــــــندكه آب شستگي به معناي پايين رفتن سطح بستر رودخانه بوسيله فرسايش آب مي باشد كه اين فرآيند تا رسيدن به فونداسيون سازه هاي رودخانه اي و در نتيجه تخریب آن ها ادامه می‌یابد.

به مقدار پايين رفتگي سطح بستر رودخانه (نسبت به قبل از رخداد آب شستگي) عمق آب شستگي گفته می‌شود. گودال آب شستگي به حفره تو رفتگي كه پس از حركت ذرات بستر به وسيله جريان آب به جا مي ماند گفته می‌شود.

3-2- انواع آب شستگی

به طور كلي آب شستگي به سه نوع تقســـيم می‌شود كه شـــــامل آب شستـــگي كلي، آب شستگي انسدادي[1] و آب شستگي موضعی تقسيم می‌شود.

کریمیسینوف و همکاران(1987) در يك تقســيم بــــندي ديگــــر آب شســتگي را به دو نوع كلي آب شستگي كلی و آب شستگي ناحیه ایی[2] تقسيم بندي کرده است که این تقسیم بندی در دیاگرام 2-1 نشان داده شده است.

آب شستگي كلی

 اين نوع از آب شستگي باعث تغيير در ارتفاع و تراز بستر رودخانه بخاطر علل انساني يا طبيعي و همچنین باعث پايين رفتن پروفيل طولي در كل رودخانه می‌شود. اين نوع از آب شستگي در اثر تغيير در رژيم رودخانه به وجود مي آيد. همان طور كه از دياگرام 2-1 پيداست آب شستگي كلي به دو نوع طولاني مدت وكوتاه مدت تقسيم می‌شود كه آب شستگي كوتاه مدت در اثر يك يا چند سيلاب نزديك به هم و در مدت زمان كوتاه به وقوع مي پيوندد در حاليكه آب شستگي طولاني مدت در زمان طولاني تر (معمولاً در حدود چند سال) به وقوع مي پيوندد و شامل فرسايش سواحل كناري رودخانه می‌شود.

آب شستگي ناحیه ایی

بر خلاف آب شستگي كلي، آب شستگي ناحیه ایی در اثر حضور پل يا هر سازه دريايي و رودخانه اي ديگر به وجود مي آيد. اين نوع آب شستگي به دو نوع آب شستگي انسدادي و آب شستگي موضعي تقسيم می‌شود.

آب شستگي انسدادی

اين نوع آب شستگي در اثر تنگ شدگي جریان ( كه ممكن است بصورت طبيعي يا در اثر فعاليت هاي انساني به وجود آيد) رخ مي دهد. در اثر اين تنگ شدگي فضايي كه جریان آب مي تواند از آن عبور كند كاهش می‌یابد و در نتيجه سرعت متوسط جریان آب افزايش می‌یابد. در اثر اين افزايش سرعت، نيروي فرساينده اي كه از طرف جریان آب به بستر وارد می‌شود افزايش می‌یابد در نتيجه بستر رودخانه تحت فرسايش قرار می‌گیرد و سطح آن پايين تر مي رود. آب شستگی در اطراف پایه های پل که بر روي بستر رودخانه قرار مي گيرند نمونه خوبي از آب شستگي انسدادي مي باشند.

آب شستگي موضعی

اين نوع از آب شستگي به فرسايش قسمتي از بستر رودخانه كه در مجاورت پايه پل قرار گرفته است اطلاق می‌شود. در اثر برخورد جريان آب با پايه پل، شتاب جريان آب افزایش می یابد و باعث به وجود آمدن گرداب هاي كوچك می‌شود که در اثر تشكيل اين گردابه ها ذرات از اطراف پايه هاي شسته می‌شوند و آب شستگی موضعی به وجود می آید. آب شستگي در مجاورت پايه هاي پل نمــونه خوبي از آب شســتگي موضعی مي باشد كه در شكل 2-1 اين نوع از آب شستگي به وضوح نمايان مي باشد.

از آنجايي كه موضوع اصلي اين تحقيق راجع به آب شستگي موضعي می باشد، اين نوع از آب شستگي در قسمت هاي بعدي بيشتر مورد بررسي قرار می‌گیرد. در ادامه اين رساله منظور از آب شستگي، آب شستگي موضعي مي باشد.

4-2- مكانيزم هاي آب شستگي موضعی

بر اساس تحقيقات انجام گرفته مكانيزم هاي اصلي كه باعث به وجود آمدن آب شستگي درپایه هاي پل می‌شود شامل جريان رو به پايين (كه در وجه بالا دست پايه پل رخ مي دهد) و گردابه ها[1] (كه در بستر تشكيل می‌شوند) مي باشد.[28]گردابه ها به دو گونه گردابه های پشت پایه[2] و ورتکس نعل اسبی[3] تقسيم می شوند كه هر يك به تفصيل توضيح داده می‌شوند.

زماني كه پايه يك پل در رودخانه و يا پايه يك سازه دريايي در ساحل دريا قرار می‌گیرد، جريان آب هر چه قدر به پايه نزديك تر می‌شود سرعت آن كاهش می‌یابد تا هنگامی‌که به وجه بالادست پايه برخورد مي كند و سرعت آن به صفر مي رسد كه نتيجه آن افزايش فشار در وجه بالادست پايه مي باشد. افزايش فشار در نقاط نزديك به سطح بيشتر از افزايش فشار در نقاط نزديك به بستر مي باشد چون كاهش سرعت جريان در نقاط نزديك به سطح آب بيشتر از كاهش سرعت در نقاط نزديك به بستر مي باشد. علت این امر شكل پروفيل سرعت جريان آب مي باشد كه در نقاط نزديك به سطح سرعت جريان آب بيشتر از نقاط نزديك به بستر مي باشد. به عبارت ديگرهمان طور كه سرعت جريان از بالا به پايين كاهش می‌یابد فشار ايستايي هم متناظراً از بالا به پایین كاهش می‌یابد كه اين به معناي به وجود آمدن يك گراديان فشار رو به پایین مي باشد كه در اثر اين گراديان فشار يك جت آب قائم رو به پايين تشكيل می‌شود. در نتيجه برخورد جت به وجود آمده با بستر رودخانه يك گودال در اطراف پايه پل به وجود مي آيد که به گودال آب شستگی معروف است. برخورد جريان رو به پايين با بستر مكانيزم اصلي ايجاد آب شستگي مي باشد[23]. در شكل 2-2 الگوهاي آب شستگي دراطراف يك پايه دايره اي شكل به نمايش در آمده است. همان طور كه در شكل نشان داده شده است يك حركت گردابي قوي ذرات را از اطراف پايه پل به آرامي دور می کند[20]. زمانيكه جريان رو به پايين به بستر مي رسد شروع به ايجاد حفره اي در نزديكي پايه مي كند. در اثر برخورد جریان رو به پایین با جريان نزديك شونده به سمت پايه، يك سيستم گردابي به وجود مي آيدکه با گذشت زمان از بالادست پايه و از طريق طرفين پايه به سمت پايين دست كشيده می‌شودکه بخاطر شباهتش به نعل اسب به ورتکس نعل اسبی معروف است. پس ورتکس نعل اسبی نتيجه جدايي جريان در بالادست حفره آب شستگي (كه بوسيله جریان رو به پایین ايجاد شده است) مي باشد. نقش اصلي ورتکس نعل اسبی انتقال ذرات جدا شده از بستر به پايين دست پايه پل مي باشد. ورتکس نعل اسبی نتيجه پديده آب شستگي مي باشد و نه دلیل به وجود آمدن آن.[3] هر چه قدر عمق گودال آب شستگي بيشتر می‌شود قدرت ورتکس نعل اسبی کاهش می‌یابد كه در نتيجه باعث كاهش سرعت جدایی رسوبات از بستر پايه پل می‌شود. همان طور كه در شكل 2-2 نمايش داده شده است علاوه بر ورتكس نعل اسبي كه در پيرامون بستر پايه پل اقدام به جابجايي ذرات بستر مي كند، گردابه هايي در پايين دست پايه پل نيز اقدام به جابجايي ذرات بستر مي كنند كه به اين گردابه ها،گردابه های پشت پایه گفته می‌شود. گردابه های پشت پایه در نتيجه جدايي جريان در سمت چپ و راست پايه پل به وجود می‌آیند. گردابه های پشت پایه پايدار نمی‌باشند و متعاقباً از يك سمت پايه به سمت ديگر آن منتقل می‌شوند. به اين نكته بايد توجه شود كه ورتکس نعل اسبی و گردابه های پشت پایه دو مکانیزم اصلی در فرسایش ذرات بستر می‌باشند.

قدرت گردابه های پشت پایه با دور شدن و فاصله گرفتن از پايه پل به شدت كاهش می‌یابد به طوری که از یک فاصله معين به بعد ذرات شسته شده بارگذاري می‌شوند[34].

5-2- آغاز حركت ذرات بستر

اطلاع از شرايط هيدروليكي كه در آن ذرات بستر با يك اندازه معلوم در آستانه فرسايش و جابجايي قرار می‌گیرند در مطالعات مربوط به آب شستگي از اهميت خاصي برخوردار است. به اين شرايط، آستانه حركت ذرات[1] گفته می‌شود. بيشترين عمق آب شستگي در شرايط جريان آب صاف زماني حاصل می‌شود كه ذرات در آستانه حركت يا فرسايش قرار بگيرند. مرسوم است كه نوع آب شستگي موضعي بر اساس اينكه آيا ذرات بستر در بالادست پايه پل در حالت سكون قرار دارند يا خیر تعیین می‌شود كه در اين زمينه آستانه فرسايش ذرات نقش مهمي را بازي می‌کند. روش های مختلفی برای تعیین آستانه حرکت ذرات وجود دارد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به روش نیروی کششی بحرانی اشاره کرد.

[1] : Threshold of Motion

[1] : vortices

[2] : lee vortices (wake vortices)

[3] :Horse shoe vortex

[1] : Contraction scour

[2] : Localized Scour

[1] : General scour

[2] : local scour

[1] : steady current

[2] : unsteady current

[3] :Equilibrium scour depth

[4] :clear water

[5] :live bed

تعداد صفحه : 224

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --