دانشگاه قم

دانشکده­ فنی و مهندسی

پایان نامه­ دوره­ کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی

عنوان:

مطالعه 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 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)
چکیده:
آب شستگی در اطراف سازه های موجود در مسیر جریان از موضوعاتی مهمی می باشد که در طرح این گونه سازه ها بایستی مورد توجه قرار گیرد. به این مقصود مطالعه این پدیده در اطراف پایه های مدور در شرایط آب صاف مدل سازی فیزیکی آزمایشگاهی انجام گردید. به این مقصود از دو نوع طوقه‌‌‌‌‌ی لبه دار شامل طوقه های با لبه‌ی قائم و طوقه های با لبه‌ی مایل بهره گیری گردید که ارتفاع لبه های بهره گیری شده در هر یک از این طوقه ها 0.5 cm،1.0 cm  و 1.5 cm می باشد. همچنین در این پژوهش اثر ارتفاع بر کارایی طوقه های لبه دار مطالعه گردید 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 پژوهش نظاره گردید 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 می باشد. تمامی آزمایش های انجام شده در این مطالعه در بخش تحقیقات رودخانه ایی پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری جهاد کشاورزی انجام شده می باشد.
فصل اول: کلیات
1-1- مقدمه
آب شستگی در اطراف پایه های پل هایی که بر روی رودخانه ها قرار گرفته اند با در نظر داشتن شرایط رودخانه ها بیشتر در حالت جریان یکنواخت[1] (در شرایط معمولی و جریان عادی رودخانه) و یا در شرایط جریان غیر یکنواخت[2] (در شرایط سیلاب و یا در مکان هایی که مسیر رودخانه عوض می گردد) رخ می دهد. تاکنون تحقیقات بسیار زیادی در زمینه فرآیند آب شستگی انجام شده می باشد. بسیاری از این تحقیقات در زمینه های شناسایی مکانیزم های موثر بر فرآیند آب شستگی، تعیین عمق آب شستگی در حالت تعادل[3]،  زمان بندی آب شستگی، مطالعه عوامل موثر مختلف بر آب شستگی از قبیل اندازه و نوع خاک بستر، رژیم جریان(آب صاف[4] یا بستر فعال[5]) سرعت جریان، اندازه پایه های پل، شکل پایه ها و … انجام شده می باشد.
2-1- ضرورت پژوهش
با در نظر داشتن پتانسیل تخریب پل ها در اثر آب شستگی و هزینه های مالی و جانی آن، کوشش برای فهم فرآیند آب شستگی  و روشهای مقابله با آن امری ضروری گویا. تخمـین عمق آب شستگی پایه یک پل کمتر از مقدار واقعی منجر به تخریب آن می گردد در حالیکه تخمین بیش از حد آن  نیز منجر به تحمیل هزینه های بالاتر برای ساخت پل می گردد[1].
در ایالات متحده فاکتورهای هیدرولیکی متعددی از قبیل ناپایداری جریان، رسوب گذاری و رسوب برداری بستر در بلندمدت،آب شستگی کلی[1]، آب شستگی موضعی[2]  و حرکت جانبی ذرات بستر به عنوان عوامل اصلی برای 60% از خرابی های سـازه ای پل در آمریکا شناخـته شده می باشد[19]. حادثه مصیبت بار فروپاشی پل U.S.51 که بر روی رودخانه هتچی  واقع شده بود، منجر به مرگ 8 نفر گردید[19]. در اثر تخریب پل واقع بر رودخانه آریو پاساژرو واقع در کالیفرنیا که در زمان رخداد یک سیل بزرگ به وقوع پیوست 7 نفر کشته شدند[19].
3-1- اهداف
 هدف اصلی در این پژوهش مطالعه اثر طوقه های لبه دار در کاهش عمق آب شستگی موضعی در اطراف پایه های مدور و در شرایط آب صاف می باشد. برای این مقصود آغاز یک بار آزمایشات با شرایط مذکور برای پایه مدور بدون طوقه انجام می گردد سپس در مرحله دوم آزمایشات عیناً برای پایه های مدور با طوقه بدون لبه انجام می گردد و در مرحله سوم آزمایشات برای طوقه های لبه دار انجام خواهد گردید. در هرآزمایش عمق آب شستگی اندازه گیری خواهد گردید تا درصد تغییر ماکزیمم عمق آب شستگی نسبت به طوقه بدون لبه بدست آید. همچنین آزمایشات برای طوقه های نصب شده  ارتفاع های متفاوت نسبت به بستر و با ارتفاع لبه های متفاوت و با زاویه های متفاوت نسبت به طوقه  انجام می گردد تا اثر این سه پارامتر بر عمق آب شستگی مطالعه گردد.
4-1- نوع پژوهش
پژوهش ارائه شده عنوان رساله کارشناسی ارشد دپارتمان سازه های هیدرولیکی دانشگاه قم می باشد که بر اساس آزمایشاتی می باشد که درآزمایشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آب خیز داری وزارت جهاد کشاورزی واقع در تهران و با بهره گیری از یک مدل فیزیکی، می 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 می باشد. در فصل دوم تحقیقاتی که توسط سایر محققین در زمینه بهره گیری از طوقه ها در کاهش عمق آب شستگی انجام شده می باشد تشریح شده و در فصل سوم روش انجام آزمایشات و وسایل به کار رفته در آزمایشات تبیین داده شده می باشد. ارائه و واکاوی نتایج در فصل چهارم اظهار شده و در فصل پنجم با در نظر داشتن نتایج به دست آمده نتیجه گیری شده می باشد.
فصل دوم: تاریخچه پژوهش
1-2- مقدمه
تاکنون مقالات وکتاب های زیادی راجع به آب شستگی موضعی که در خاک های غیر چسبنده در اطراف پایه های یک پل اتفاق می افتد، چاپ شده می باشد. در این فصل کوشش بر اختصار کردن مطالب راجع به آب شستگی موضعی در خاک های غیر چسبنده و چگونگی توسعه آب شستگی در طول زمان و همچنین روش های کاهش آب شستگی موضعی در پایه های پل می باشد.
2-2- آب شستگی چیست؟
برازرز و همکاران(1977) آب شستگی را این گونه تعریف کرده اند: آب شستگی یک پدیده طبیعی می باشد که در اثر جریان آب در رودخانه ها و جویبارها به وجود می آید. این پدیده نتیجه اثر فرسایشی آب می باشد که مواد و مصالح را از بستر و کناره های رودخانه ها و همچنین از اطراف پایه های پل و تکیه گاه های آن ها می شوید و در جاهای دیگر از رودخانه قرار می دهد.
کریمیسینوف و همکاران(1987) بــــیان می کنــــــندکه آب شستگی به معنای پایین رفتن سطح بستر رودخانه بوسیله فرسایش آب می باشد که این فرآیند تا رسیدن به فونداسیون سازه های رودخانه ای و در نتیجه تخریب آن ها ادامه می‌یابد.
به مقدار پایین رفتگی سطح بستر رودخانه (نسبت به قبل از رخداد آب شستگی) عمق آب شستگی گفته می گردد. گودال آب شستگی به حفره تو رفتگی که پس از حرکت ذرات بستر به وسیله جریان آب به جا می ماند گفته می گردد.
3-2- انواع آب شستگی
به گونه کلی آب شستگی به سه نوع تقســـیم می گردد که شـــــامل آب شستـــگی کلی، آب شستگی انسدادی[1] و آب شستگی موضعی تقسیم می گردد.
کریمیسینوف و همکاران(1987) در یک تقســیم بــــندی دیگــــر آب شســتگی را به دو نوع کلی آب شستگی کلی و آب شستگی ناحیه ایی[2] تقسیم بندی کرده می باشد که این تقسیم بندی در دیاگرام 2-1 نشان داده شده می باشد.
آب شستگی کلی
 این نوع از آب شستگی باعث تغییر در ارتفاع و تراز بستر رودخانه بخاطر علل انسانی یا طبیعی و همچنین باعث پایین رفتن پروفیل طولی در کل رودخانه می گردد. این نوع از آب شستگی در اثر تغییر در رژیم رودخانه به وجود می آید. همان گونه که از دیاگرام 2-1 پیداست آب شستگی کلی به دو نوع طولانی مدت وکوتاه مدت تقسیم می گردد که آب شستگی کوتاه مدت در اثر یک یا چند سیلاب نزدیک به هم و در مدت زمان کوتاه به وقوع می پیوندد در حالیکه آب شستگی طولانی مدت در زمان طولانی تر (معمولاً در حدود چند سال) به وقوع می پیوندد و شامل فرسایش سواحل کناری رودخانه می گردد.
آب شستگی ناحیه ایی
بر خلاف آب شستگی کلی، آب شستگی ناحیه ایی در اثر حضور پل یا هر سازه دریایی و رودخانه ای دیگر به وجود می آید. این نوع آب شستگی به دو نوع آب شستگی انسدادی و آب شستگی موضعی تقسیم می گردد.
آب شستگی انسدادی
این نوع آب شستگی در اثر تنگ شدگی جریان ( که ممکن می باشد بصورت طبیعی یا در اثر فعالیت های انسانی به وجود آید) رخ می دهد. در اثر این تنگ شدگی فضایی که جریان آب می تواند از آن عبور کند کاهش می‌یابد و در نتیجه سرعت متوسط جریان آب افزایش می‌یابد. در اثر این افزایش سرعت، نیروی فرساینده ای که از طرف جریان آب به بستر وارد می گردد افزایش می‌یابد در نتیجه بستر رودخانه تحت فرسایش قرار می‌گیرد و سطح آن پایین تر می رود. آب شستگی در اطراف پایه های پل که بر روی بستر رودخانه قرار می گیرند نمونه خوبی از آب شستگی انسدادی می باشند.
آب شستگی موضعی
این نوع از آب شستگی به فرسایش قسمتی از بستر رودخانه که در مجاورت پایه پل قرار گرفته می باشد اطلاق می گردد. در اثر برخورد جریان آب با پایه پل، شتاب جریان آب افزایش می یابد و باعث به وجود آمدن گرداب های کوچک می گردد که در اثر تشکیل این گردابه ها ذرات از اطراف پایه های شسته می شوند و آب شستگی موضعی به وجود می آید. آب شستگی در مجاورت پایه های پل نمــونه خوبی از آب شســتگی موضعی می باشد که در شکل 2-1 این نوع از آب شستگی به وضوح نمایان می باشد.
از آنجایی که موضوع اصلی این پژوهش راجع به آب شستگی موضعی می باشد، این نوع از آب شستگی در قسمت های بعدی بیشتر مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در ادامه این رساله مقصود از آب شستگی، آب شستگی موضعی می باشد.
4-2- مکانیزم های آب شستگی موضعی
بر اساس تحقیقات انجام گرفته مکانیزم های اصلی که باعث به وجود آمدن آب شستگی درپایه های پل می گردد شامل جریان رو به پایین (که در وجه بالا دست پایه پل رخ می دهد) و گردابه ها[1] (که در بستر تشکیل می شوند) می باشد.[28]گردابه ها به دو گونه گردابه های پشت پایه[2] و ورتکس نعل اسبی[3] تقسیم می شوند که هر یک به صورت کامل تبیین داده می شوند.
زمانی که پایه یک پل در رودخانه و یا پایه یک سازه دریایی در ساحل دریا قرار می‌گیرد، جریان آب هر چه قدر به پایه نزدیک تر می گردد سرعت آن کاهش می‌یابد تا هنگامی‌که به وجه بالادست پایه برخورد می کند و سرعت آن به صفر می رسد که نتیجه آن افزایش فشار در وجه بالادست پایه می باشد. افزایش فشار در نقاط نزدیک به سطح بیشتر از افزایش فشار در نقاط نزدیک به بستر می باشد زیرا کاهش سرعت جریان در نقاط نزدیک به سطح آب بیشتر از کاهش سرعت در نقاط نزدیک به بستر می باشد. علت این امر شکل پروفیل سرعت جریان آب می باشد که در نقاط نزدیک به سطح سرعت جریان آب بیشتر از نقاط نزدیک به بستر می باشد. به عبارت دیگرهمان گونه که سرعت جریان از بالا به پایین کاهش می‌یابد فشار ایستایی هم متناظراً از بالا به پایین کاهش می‌یابد که این به معنای به وجود آمدن یک گرادیان فشار رو به پایین می باشد که در اثر این گرادیان فشار یک جت آب قائم رو به پایین تشکیل می گردد. در نتیجه برخورد جت به وجود آمده با بستر رودخانه یک گودال در اطراف پایه پل به وجود می آید که به گودال آب شستگی معروف می باشد. برخورد جریان رو به پایین با بستر مکانیزم اصلی ایجاد آب شستگی می باشد[23]. در شکل 2-2 الگوهای آب شستگی دراطراف یک پایه دایره ای شکل به نمایش در آمده می باشد. همان گونه که در شکل نشان داده شده می باشد یک حرکت گردابی قوی ذرات را از اطراف پایه پل به آرامی دور می کند[20]. زمانیکه جریان رو به پایین به بستر می رسد شروع به ایجاد حفره ای در نزدیکی پایه می کند. در اثر برخورد جریان رو به پایین با جریان نزدیک شونده به سمت پایه، یک سیستم گردابی به وجود می آیدکه با گذشت زمان از بالادست پایه و از طریق طرفین پایه به سمت پایین دست کشیده می‌شودکه بخاطر شباهتش به نعل اسب به ورتکس نعل اسبی معروف می باشد. پس ورتکس نعل اسبی نتیجه جدایی جریان در بالادست حفره آب شستگی (که بوسیله جریان رو به پایین ایجاد شده می باشد) می باشد. تأثیر اصلی ورتکس نعل اسبی انتقال ذرات جدا شده از بستر به پایین دست پایه پل می باشد. ورتکس نعل اسبی نتیجه پدیده آب شستگی می باشد و نه دلیل به وجود آمدن آن.[3] هر چه قدر عمق گودال آب شستگی بیشتر می گردد قدرت ورتکس نعل اسبی کاهش می‌یابد که در نتیجه باعث کاهش سرعت جدایی رسوبات از بستر پایه پل می گردد. همان گونه که در شکل 2-2 نمایش داده شده می باشد علاوه بر ورتکس نعل اسبی که در پیرامون بستر پایه پل اقدام به جابجایی ذرات بستر می کند، گردابه هایی در پایین دست پایه پل نیز اقدام به جابجایی ذرات بستر می کنند که به این گردابه ها،گردابه های پشت پایه گفته می گردد. گردابه های پشت پایه در نتیجه جدایی جریان در سمت چپ و راست پایه پل به وجود می‌آیند. گردابه های پشت پایه پایدار نمی‌باشند و متعاقباً از یک سمت پایه به سمت دیگر آن منتقل می شوند. به این نکته بایستی توجه گردد که 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 پایه پل به شدت کاهش می‌یابد به طوری که از یک فاصله معین به بعد ذرات شسته شده بارگذاری می شوند[34].
5-2- آغاز حرکت ذرات بستر
اطلاع از شرایط هیدرولیکی که در آن ذرات بستر با یک اندازه معلوم در آستانه فرسایش و جابجایی قرار می‌گیرند در مطالعات مربوط به آب شستگی از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. به این شرایط، آستانه حرکت ذرات[1] گفته می گردد. بیشترین عمق آب شستگی در شرایط جریان آب صاف زمانی حاصل می گردد که ذرات در آستانه حرکت یا فرسایش قرار بگیرند. مرسوم می باشد که نوع آب شستگی موضعی بر اساس اینکه آیا ذرات بستر در بالادست پایه پل در حالت سکون قرار دارند یا خیر تعیین می گردد که در این زمینه آستانه فرسایش ذرات تأثیر مهمی را بازی می کند. روش های مختلفی برای تعیین آستانه حرکت ذرات هست که از مهم‌ترین آنها می‌توان به روش نیروی کششی بحرانی تصریح نمود.
[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

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران : دیوار های برشی کامپوزیت

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.