پديد آورندگان :
قاسمي، احسان دانشگاه علوم كشاورزي ومنابع طبيعي گرگان - گروه مهندسي آب , ظهيري، عبدالرضا دانشگاه علوم كشاورزي ومنابع طبيعي گرگان - گروه مهندسي آب , دهقاني، اميراحمد دانشگاه علوم كشاورزي ومنابع طبيعي گرگان - گروه مهندسي آب , مفتاح هلقي، مهدي دانشگاه علوم كشاورزي ومنابع طبيعي گرگان - گروه مهندسي آب
كليدواژه :
آبشستگي موضعي , هيدروگراف , پايه پل , مواد نانورس , جريان غيرماندگار
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: يكي از مسائل عمده و مهم در مباحث مهندسي رودخانه، طراحي و احداث پل‌ها مي‌باشد كه علاوه بر مسائل پايداري، تخمين عمق بيشينه آبشستگي در مجاورت پايه‌ها نيز داراي اهميت بسياري است. وقوع آبشستگي موضعي يكي از دلايل عمده عدم پايداري پل‌ها و در نهايت شكست آن‌ها مي‌باشد. در حالي كه اكثر تحقيقات انجام شده در زمينه آبشستگي پايه‌پل‌ها در شرايط جريان ماندگار انجام شده است، اما در رودخانه‌ها و به‌ويژه در شرايط وقوع سيل، جريان غيرماندگار بوده و ممكن است تغييرات زماني دبي جريان نسبتاً سريع باشد. نتايج مطالعات نشان داده شده است كه در نظر گرفتن جريان غيرماندگار، موجب پيش‌بيني واقعي‌تر واقتصادي‌تر عمق بيشينه آبشستگي در اطراف پايه‌هاي پل مي‌گردد. تاكنون راه‌كارهاي زيادي به منظور حفاظت از پايه پل‌ها ارائه شده است. در اين پژوهش از يك راه‌حل غيرسازه‌اي و دوستدار محيط زيست براي كاهش عمق آبشستگي پايه پل‌ها در شرايط جريان غيرماندگار استفاده شده است.
مواد و روش‌‌ها: تاكنون از مواد نانوساختار عمدتاً براي اصلاح رفتار مقاومتي بتن و نيز جاده‌هاي روستايي خاكي استفاده شده است. براي دستيابي به اهداف پژوهش، رسوب بستر اطراف پايه پل با نوعي ماده نانو ساختار به نام نانورس مخلوط شد. آزمايش‌هاي آبشستگي در شرايط جريان ماندگار و غيرماندگار براي يك پايه پل استوانه‌اي به قطر 35 ميلي‌متر و در يك كانال با طول 5/9 متر، عرض و ارتفاع 40 سانتي‌متر و شيب كف 001/0 انجام شد. اين آزمايش‌ها در دو حالت رسوب بستر با و بدون مواد نانورس انجام شد. براي شبيه‌سازي جريان غيرماندگار از هيدروگراف‌هاي پلكاني مثلثي با زمان اوج 5/7 دقيقه و دبي‌هاي اوج 8، 12 ، 16 و 20 ليتر بر ثانيه استفاده گرديد.
يافته‌‌ها: توسعه زماني پديده آبشستگي در محل پايه پل در هر دو حالت با و بدون حضور مواد نانورس مورد بررسي قرار گرفته و با هم مقايسه شد. در همه دبي‌هاي اوج، روند آبشستگي در بازه‌هاي زماني اوليه در حالت استفاده از نانورس مشابه حالت عدم وجود اين مواد اما با شيب بيشتري مشاهده شد. اين روند در بازه‌هاي زماني بعدي با شيب كمتري ادامه يافت و در نهايت به يك مقدار ثابت رسيد.
نتيجه‌گيري: نتايج آزمايش‌هاي جريان غيرماندگار نشان داد كه در حالت حضور مواد نانورس در رسوب بستر با افزايش دبي جريان، عمق بيشينه آبشستگي در مجاورت پايه پل كاهش مي‌يابد. بيشترين درصد كاهش عمق آبشستگي با اختلاف زياد در دبي جريان بيشينه (20 ليتر بر ثانيه) و حدود 86/62 مشاهده شد. در اين دبي جريان، عمق بيشينه آبشستگي از 4/47 ميلي‌متر به حدود 18 ميلي‌متر كاهش يافت. كمينه كاهش عمق آبشستگي با حدود 15/56 درصد در كوچكترين دبي جريان (8 ليتر بر ثانيه) به‌دست آمد.
چكيده لاتين :
Background and objectives: One of the major topics in river engineering, is design and construction of the bridges with sustainability considerations; estimating the maximum depth of scour in the vicinity of the pier also has a lot of importance. Scour is one of the most important reasons for instability and ultimately the defeat of the bridges. While most of previous researches on Bridge Piers scour are mainly focused on steady flows; in rivers and especially during flood, the flow is unsteady and the changes in flow rate based on the time, could be really fast and rapid. On the other hand and based on the author’s literature reviews, considering unsteady flow would cause more economic and realistic prediction about the maximum depth of scour around the piers. Many different methods have been used till now to protect piers of the bridges. In this research, a non-structural and environmental friendly solution has been used to reduce the depth of the scour of bridge piers in unsteady condition.
Materials and methods: Based on author’s knowledge, so far Nano materials just used to correct the behavior of concrete resistance and also used in dusty rural roads. For this reason, this experimental study attempts to test a new method to reduce the scouring around the bridge pier in river in unsteady flow condition. To achieve this, in flume bed around the piers, the combination of nanostructured materials, called Nano-clay had been used. Experiments for both steady and unsteady conditions, were conducted on cylindrical pier with a diameter of 35 mm, in a channel with a 9.5 m length and the equal height and width of 40 cm, and a slope of 0.001. In this study, experiments have been done in two different cases, with and without the existence of Nano clay materials in the bed of the channel. For simulating unsteady flow, stepped triangular hydrographs with a peak time of 7.5 minutes and flow peak of 8, 12, 16 and 20 liters per second were used in two different modes of Nanostructure mixture with and without materials.
Findings: The timing development of scour phenomenon at the piers of the bridge has been studied and compared in both cases, with and without presence of nano-materials. In the presence of nano-materials and at all maximum discharges, it has been seen that the scouring process at initial time steps is almost as same as the condition without nano-materials with sharper trend. The trend in later time steps has experienced lighter changes and finally has reached to a constant value.
Results: The results of experiments in unsteady flows indicated that with the presence of Nano materials in the bed sediment, the maximum scouring depth at the adjacent of the bridge piers has been deducted while discharge rate increased. It has also been shown that the maximum reduction of scour depth, 62.86%, happened at maximum discharge of 20 lit/sec. In this discharge, the maximum scour depth has been reduced from 47.4 millimeter to 18 millimeter. The minimum reduction of scour depth with 56.15% happened at the discrge of 8 lit/sec.
