دانشگاه آزاد اسلامی

پردیس علوم و تحقیقات هرمزگان

پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد رشتۀ‌: مهندسی عمران ( M.S.C)

گرایش: سازه های هیدرولیکی

موضوع:

مطالعه آبشستگی و روش های حفاظت پایین دست سازه های هیدرولیکی رودخانه ای

(مطالعه موردی: پل دوم رودخانه میناب)

 استاد راهنما:

دکتر سیروس ارشادی

استاد مشاور:

دکتر پیمان رضائی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب
عنوان       صفحه
چکیده ‌ک
فصل اول (کلیات پژوهش)
1-1-ضرورت و اهداف پژوهش- 3
1-2- فرضیه های پژوهش: 5
1-3- روش پژوهش- 5
1-4- ساختار پژوهش- 6
فصل دوم )مروری بر تحقیقات انجام شده(
2-1- آبشستگی- 8
2-1-1- انواع آبشستگی از نظر به وجودآمدن- 8
2-1-1-1- آبشستگی عمومی- 8
2-1-1-2- آبشستگی انقباضی- 8
2-1-1-3- آبشستگی موضعی- 9
2-1-2- انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب- 10
2-1-2-1- آبشستگی آب زلال- 10
2-1-2-2- آبشستگی در حالت بستر متحرک(زنده) 10
2-1-3- آبشستگی کلی- 13
2-2- مکانیزم آبشستگی در اطراف سازه‌های آبی- 13
2-3- روش های مطالعه و مطالعه پدیده آبشستگی- 17
2-3-1- روش تئوری- 17
2-3-2- روش تجربی- 17
2-3-3- روش عددی- 18
2-4- پیشینه پژوهش- 19
2-4-1- مروری بر مطالعات انجام گرفتۀ آزمایشگاهی در جهان  و ایران- 19
2-4-2- مروری بر مطالعات عددی آبشستگی پایه پل در جهان و ایران طی چند سال اخیر 27
2-4-3- مروری بر مطالعات انجام شده بر روی رودخانۀ میناب در سالیان گذشته 31
فصل سوم (معادلات حاکم و روش حل آنها)
3-1- معرفی نرم افزار Flow-3D: 33
3-2- معادلات حاکم بر جریان: 35
3-3 مدلسازی تلاطم توسط نرم افزار  Flow3D: 38
3-4- انتقال رسوب- 42
فصل چهارم (مواد و روش ها)
4-1- معرفی منطقه مورد مطالعه 49
4-1-1-  معرفی پل دوم رودخانه میناب: 49
4-2- مورفولوژی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب- 50
4-3- زمین شناسی رودخانه میناب (از محل سد استقلال تا پل دوم رودخانۀ میناب) 51
4-4- هیدرولوژی حوزه آبخیز میناب- 51
4-5- برآورد آبدهی در محل سد میناب- 52
4-6- پوشش گیاهی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب- 53
4-7- اندازه گیری دادههای میدانی و آزمایشگاهی مورد نیاز مدل های نرم افزاری- 54
4-7-1- تهیه نقشه های توپوگرافی بزرگ مقیاس از بازه مورد مطالعه 54
4-7-2-  نمونه برداری رسوب بستر و دیواره رودخانه 55
4-7-2-1- آزمایش دانه بندی رسوب- 55
4-7-2-2- وسایل مورد نیاز 55
4-7-2-3 روش آزمایش– 55
4-7-3-  تعیین ضریب زبری بر اساس ، بازدیدها و نتیجه های دانه‌بندی مواد بستر و پوشش گیاهی– 57
4-7-4- مشخصات رسوبات بستری- 57
4-7-4-1- قطر متوسط ذرات) : 57
4-7-4-2- دانسیتۀ رسوبات:. 57
4-7-4-3- ضریب دراگ: 57
4-7-4-4- تخلخل: 57
4-8- تهیه مدل: 57
4-8-1-مقطع کنترل: 57
4-8-2- تبیین  روش: 58
4-8-3 تعریف مدل Shallow water: 58
4-8-4- مدل CCHE2D– 59
4-8-4-1- داده های مورد نیاز مدل CCHE GUI : 60
4-8-5- واسنجی مدل– 60
4-8-6- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow-3Dبرای تهیه مدل Shallow water: 65
4-8-6-1- زمان: 65
4-8-6-2- نیروی ثقل و Shallow water): 66
4-8-6-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد: 66
4-8-6-4- هندسه مدل: 66
4-8-6-5- مش بندی: 67
4-8-6-7- شرایط مرزی: 68
4-8-7- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow3Dبرای تهیه مدل Sediment scour: 69
4-8-7-1- زمان: 69
4-8-7-2- نیروی ثقل، ، ویسکوزیته، مدل اغتشاش و Sediment scour: 69
4-8-7-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد: 70
4-8-7-4- مش بندی: 70
4-8-7-5- شرایط مرزی: 71
فصل پنجم(بحث و نتیجه گیری)
5-1- مطالعه جریان در محدودۀ مورد مطالعه: 73
5-2- مطالعه توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 2،1و3– 76
5-2-1- مطالعه توزیع سرعت و الگوی جریان– 76
5-2-2- مطالعه آبشستگی– 77
5-2-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه ها ی 1 تا 3 : 79
5-3- مطالعه توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 4،5و6– 80
5-3-1- مطالعه توزیع سرعت و الگوی جریان– 80
5-3-2- مطالعه آبشستگی– 81
5-3-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 4 تا 6– 83
5-4- مطالعه توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 7،8،9و10– 85
5-4-1- مطالعه توزیع سرعت و الگوی جریان– 85
5-4-2- مطالعه آبشستگی– 86
5-4-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 7 تا 10– 88
5-5- مطالعه توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 10 تا 15– 89
5-5-1- مطالعه توزیع سرعت و الگوی جریان– 89
5-5-2- مطالعه آبشستگی، 90
5-5-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 11 تا 15– 92
5-6- مطالعه توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 19– 94
5-6-1- مطالعه توزیع سرعت و الگوی جریان– 94
5-6-2- مطالعه آبشستگی– 95
5-7- نتیجه گیری– 96
5-8-پیشنهادات: 97
منابع:
منابع فارسی : 100
منابع غیر فارسی: 102
چکیده
رودخانه میناب مهمترین رودخانۀ آب شیرین استان هرمزگان می باشد. این رودخانه زهکش آبهای سطحی حوزۀ آبریز میناب می باشد و بر روی آن دو پل، که اولی مسیر ارتباطی ورودی شهر میناب و دومی به فاصلۀ 1500 متر بعد از پل اول در مسیر کمربندی میناب- جاسک ساخته شده می باشد. موضوع این پژوهش، مطالعه پدیدۀ آبشستگی بر روی پایه های پل دوم میناب می باشد. تأثیر پدیدۀ آبشستگی بر روی سازه های آبی مانند پل ها، از موضوعات مهم در مهندسی عمران و مهندسی رودخانه می باشد، پل‌ها از قدیمی‌ترین سازه‌های مهندسی هستند. یکی از مهمترین عوامل تخریب پل‌ها ، مسئله آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های آن می‌باشد. این نوع فرسایش با حفره‌ای که در اطراف سازه شکل می‌گیرد ، قابل شناسایی می باشد. این حفره در صورت گسترش در عمق می‌تواند باعث خرابی و در نهایت ریزش پل گردد . برای مطالعه دقیق جریان و پیش­بینی آبشستگی موضعی در اطراف پایه­های پل، نیاز به فهم دقیق الگوی جریان در اطراف پایه­ها می باشد. با شناخت کامل جریان می­توان با حل معادلات حاکم، میدان جریان را به گونه کامل مدل کرده و به همراه حل معادلات انتقال رسوب و با تکیه بر پیشرفت­های چشمگیر در علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)[1]، روش دقیق برای تخمین آبشستگی موضعی در اطراف این سازه­ها بدست آورد. در پژوهش پیش رو، شبیه‌سازی انجام گرفته، با بهره گیری از نرم افزار Flow-3d که نرم افزاری توانمند در شبیه سازی آشفتگی جریان به صورت سه بعدی می باشد صورت گرفته، برای این مقصود با بهره گیری از مدل Shallow water، مشخصه های جریان شامل سطح آب،سرعت، فشار و غیره را در اثر عبور دبی با دوره بازگشت صد ساله (  2723( در محدوده  ابتدای پل اول تا 100 متر پایین دست پل دوم رودخانه میناب محاسبه گردید. سپس با بهره گیری از مدل Sediment scour  به صورت 3 بعدی به مطالعه اندازه توسعه­ی فرآیند آبشستگی در اطراف پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته گردید. نتایج نشان می دهد که بیشترین آبشستگی در پایه های سوم، چهارم و پنجم اتفاق می افتد.
 کلمات کلیدی: آبشستگی موضعی ، دینامیک سیالات محاسباتی ، پل رودخانه میناب، مدل Flow-3D.

فصل اول

کلیات پژوهش
مقدمه
یکی از سازه‌هایی که تخریب آن عواقب جبران ناپذیری دارد پایه‌های پل می‌باشد. در سال‌های اخیر آبشستگی موضعی پایه‌های پل در طول جریان‌های سیلابی بیش از سایر عوامل باعث تخریب پل‌ها شده می باشد و به همین دلیل، موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در صد سال اخیر قرار گرفته و این موضوع سال‌هاست که ذهن محققین را به خود مشغول نموده می باشد. امروزه اصو‌ل علمی طراحی سازه ای پل‌ها به خوبی شناخته شده می باشد. اما تاکنون تئوری واحدی جهت تخمین آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های پل وجود ندارد، که علت آن پیچیدگی مسئله آبشستگی می باشد. برخوردجریان به پایه طبق یک فرآیند پیچیده تبدیل به گردابه نعل اسبی و عامل جدایی جریان از پایه و ایجاد گردابه برخاستگی می گردد. طراحی، محاسبه و احداث پایه‌های پل، از مهمترین و حساسترین مراحل یک پروژه پل سازی هستند، بخصوص وقتی که این پل در محل عبور یک رودخانه واقع شده باشد. در این زمان، طراح بایستی برای انتخاب طول و تعداد دهانه‌ها و عمق حداقل پی پایه‌ها، اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی منطقه را مورد تجزیه و‌تحلیل قرار دهد. از مهمترین مورد هایی که در این ارتباط می‌توان به آن تصریح نمود، اطلاعات مربوط به اندازه فرسایش بستر می باشد که در صورت در نظر نگرفتن آن، بایستی شاهد عواقب خطرناکی مانند تهدید پایداری پل و نهایتاً تخریب آن بود. (Breusers et al., 1991)
1-1-ضرورت و اهداف پژوهش
همه ساله پل‌های زیادی در سراسر جهان تخریب می شوند، تخریب این پل‌ها در مورد هایی ناشی از در نظر نگرفتن تأثیر عوامل هیدرولیکی در طراحی پل‌ها می‌باشد. اغلب مشکلاتی که بعد از ساخت پایه‌ها با آنها مواجه می‌شویم، بعلت عدم توجه کامل و کافی به موضوعاتی مانند، پیش‌بینی بالازدگی آب در بالادست پایه‌ها و یا تخمین آبشستگی در اطراف پایه‌ها و روش‌های کاهش آن می باشد. برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت پایه‌ها نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن بوده تا با در نظر داشتن آن، روش مناسبی برای تخمین عمق آبشستگی، مشخص گردد. به گونه معمول سه روش کاربردی برای تعیین و پیش بینی عمق آبشستگی مورد بهره گیری قرار می‌گیرد. این روش‌ها عبارتند از:

  • مدل‌های فیزیکی
  • بهره گیری از تجهیزات ویژه و مجهز، به مقصود رفتار‌سنجی آبشستگی ایجاد شده در محل پایه‌ها
  • مدل‌های ریاضی و کامپیوتری

     روش‌های اول و دوم روش‌هایی کاملاً تجربی بوده و بر مبنای آزمایش و نظاره استوار هستند. روش دوم روش دقیقی می باشد که بیشتر برای پایه‌های ساخته شده مناسب بوده و به کمک آن معضلات موجود شناسایی شده و طرح مورد نظر در برابر تهدیدات آبشستگی محافظت و تقویت می گردد. عمده‌ترین مشکل در این ارتباط، آن می باشد که تجهیزات دارای قابلیت‌های رفتارسنجی آبشستگی مورد بهره گیری در این روش، بسیار گران و پر هزینه می‌باشند. پس، بیشتر مطالعات و تحقیقات انجام شده به صورت مدل فیزیکی بوده و معادلات مربوط به تعیین عمق آبشستگی نیز براساس این مدل‌ها ارائه شده‌اند. با بهره گیری از روش اول می‌توان رفتار و اندازه آبشستگی را برای پایه‌های در دست احداث و پایه‌های ساخته شده مطالعه نمود اما متاسفانه نتایج حاصل از مدل‌های فیزیکی در اغلب موردها منطقی و قابل قبول نمی‌باشند، زیرا در این تحقیقات بسیاری از پیچیدگی‌های محدوده جریان در اطراف پایه‌ها بسیار ساده در نظر گرفته شده و از اغلب پارامترها صرفه نظر می گردد.(Qiping Yang, 2005)
     مقیاس‌های فیزیکی، خصوصیات جریان و شرایط مرزی در مدل‌های کوچک مقیاس (شرایط آزمایشگاهی) بایستی از پروتوتیپ[2] یا شرایط واقعی و بر طبق قوانین تشابه هیدرولیکی استخراج شوند. تشابه هندسی معمولاً برای تمامی مدل‌های فیزیکی ضروری می باشد. از طرفی تشابه رینولدزی برای مدل‌هایی که در آن‌ها جریان در اطراف اجسام صلب مطالعه می گردد و تشابه فرودی برای مدل‌های شامل جریان با سطح آزاد مطرح بوده و بایستی لحاظ گردند. ساده‌سازی ذکر گردیده و اینکه در مدل‌های فیزیکی از بسیاری پارامترها صرفه نظر می گردد به این علت می باشد که در مدل فیزیکی آبشستگی در اطراف پایه‌ها، در نظر گرفتن تمام تشابهات مذکور ممکن و عملی نمی‌باشد. این روش اساساً مبتنی بر تئوری‌ها و روابط ریاضی بوده، به طوری که در آغاز با بهره گیری از روابط مربوط به فرسایش و تئوری‌های ارائه شده در ارتباط با هیدرولیک و آبشستگی پایه‌ها، یک مدل ریاضی تهیه می گردد. پس از این مرحله و با در نظر داشتن مدل ریاضی تهیه شده، یک مدل کامپیوتری که قابل انطباق با شرایط و حالات مختلف این پدیده باشد، ساخته می گردد. (Richardson et al., 1998)
در کشور عزیزمان ایران، همه ساله پل­های فراوانی در اثر پدیده آبشستگی از بین می­طریقه و خسارات   جانی و مالی فراوان و بعضاً جبران ناپذیری را به بار می‌آورند. آمار جدول (1-1) نشان می دهد که با وجود بهبود و ارتقاء دانش فنی ‌در مورد طراحی سازه­ای پل­ها و پیشرفت تکنولوژی ساخت ، اندازه تخریب پل­ها افزیش یافته می باشد.
 
جدول (1-1) آمار 35 ساله خرابی پل­های ایران (فرهاد زاده ، به نقل از آبادزاده 1392)

فاصله زمانی(سال) تعداد پل‌های تخریب شده(دهانه)
1350-1341 648
1360-1351 97
1370-1361 5724
1375-1371 9392

از این رو مطالعه هرچه بیشتر این پدیده به روش صحیح و اصولی جهت نیل به نتایج دقیق و قابل قبول، ضروری به نظر می‌رسد. خصوصاً اجرای پژوهش به صورت کمی و با بهره گیری از نرم افزارهای تخصصی و مدل های رایانه ای می تواند به شناخت مهندسین عمران از این پدیده بیافزاید و خلأ موجود در این زمینه را پرکند. بدیهی می باشد شکل گیری این مهم باعث خواهد گردید هزینه طراحی، اجرا و نگهداری سازه های آبی رودخانه ای در موردها مشابه کاهش پیدا کند. ضمن آنکه بستر مناسبی برای تحقیقات مشابه و موردی دیگر فراهم گردد.
هدف از انجام این پژوهش را می توان به دو بخش اصلی و فرعی تقسیم بندی نمود:
الف- اهداف اصلی: هدف اصلی از انجام این پژوهش، مدل سازی عددی محدودۀ پل دوم رودخانه میناب و مطالعه اندازه توسعه فرآیند آبشستگی در پایه های این پل و ارائه راهکارهای مناسب جهت کنترل، کاهش و جلوگیری از فرسایش ناشی از آبشستگی در این محدوده می باشد.
ب- اهداف فرعی: پس از مدل سازی محدودۀ پل دوم رودخانۀ میناب، پارامترهایی از قبیل پروفیل سطح جریان، توزیع سرعت، در اطراف پایه ها و بستر رودخانه مورد مطالعه و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
1-2- فرضیه های پژوهش:
نرم افزار Flow-3D یک نرم افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک بعدی، دوبعدی و سه بعدی بوده که با کاربرد وسیعی در زمینۀ دینامیک سیالات، گازها و هیدرولیک جریان در شرایط متفاوت طراحی شده که دارای روش های مختلفی برای حل مسائل در زمینۀ سیالات و هیدرولیک می باشد، در این پژوهش، فرض آن می باشد که این نرم افزار قابلیت مدل سازی آبشستگی را در پایه های پل با بستر غیر همسطح را دارد و می تواند اطلاعات مربوط به شرایط هیدرولیکی جریان و رسوب را بر روی مدل پیش بینی کند.
1-3- روش پژوهش
در پژوهش پیش رو به مطالعه آبشستگی در پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده می باشد، از آنجا که بیشترین عمق آبشستگی در اثر طغیان رودخانه ها و سیلابها اتفاق می افتد، پس آغاز دبی سیلابی طرح از روش های توزیع آماری هیدرولوژیکی در طول دوره صد ساله پیش بینی شده می باشد و با بهره گیری از این دبی و به کمک نرم افزار یک بعدیHEC-RAS  پروفیل سطح آب در مقطعی پایین دست پل دوم رودخانۀ میناب استخراج و به محیط نرم افزاری CCHE2D به عنوان شرط مرزی خروجی وارد شده (شرط مرزی ورودی در هر دو نرم افزار HEC-RAS و CCHE2D دبی سیلابی وارد شده می باشد)، سپس به کمک نتایج حاصله از مدل نرم افزاری CCHE2D به عنوان یک دید فنی لازم جهت مش بندی بهینه برای انتخاب سطح آب و مشخصات هندسی بستر به گونه ای که کمترین خطا را داشته باشد در  نرم افزار Flow-3D مدل Shallow water که یک مدل دو بعدی  بوده، با هدف مطالعه الگوی جریان در محدودۀ پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده می باشد. و در نهایت با در دست داشتن وضعیت جریان به لحاظ عمق، سرعت و جهت جریان در اطراف پایه ها با مدل 3 بعدی، آبشستگی در اطراف پایه ها مورد مطالعه قرار گرفته می باشد.
1-4- ساختار پژوهش
این پایان نامه شامل 6  فصل می باشد. در فصل حاضر پس از مقدمه، اهداف و ضروروت انجام پژوهش و سپس فرضیات و روش پژوهش اظهار شده می باشد. فصل دوم شامل تئوری پژوهش و مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینۀ آبشستگی در جهان و کشور عزیزمان ایران می باشد. فصل سوم به معرفی نرم افزارFlow-3D و روش حل آنها در پژوهش حاضر پرداخته شده می باشد. فصل چهارم محدودۀ مورد مطالعه، داده ها، اطلاعات لازم جهت مدل سازی، صحت سنجی نرم افزارهای مورد بهره گیری و در نهایت ایجاد مدل عددی را ارائه خواهد نمود. فصل پنجم به بحث در مورد نتایج مدل عددی، مقایسه و صحت سنجی نتایج حاصله و ارائه راهکارهایی برای کاهش آبشستگی در محدودۀ مورد مطالعه پرداخته می باشد. فصل ششم جمع بندی نتایج و ارائه پیشنهادهایی در این زمینه می باشد.

تعداد صفحه : 121
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار کارشناسی ارشد رشته عمران : بررسی کاویتاسیون در دریچه ها

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]

دسته‌ها: عمران