بررسي تاثير بيرون زدگي زبري ها در كاهش عمق آبشستگي اطراف پايه پل و تاثير آن روي پروفيل هاي سرعت قائم

The effect of roughness protrusions in reducing scour around bridge piers and its impact on the vertical velocity profiles

سابقه و هدف: همه ساله پل هاي زيادي در سراسر جهان تخريب مي شوند. تخريب اين پل ها اكثرا نه به دليل سازه اي، بلكه به دليل در نظر نگرفتن نقش هيدروليكي در طراحي آنها مي باشد. از اين رو يافتن راهكاري براي كاهش عمق آبشستگي از اهميت خاصي برخوردار است. به طور كلي دو روش اساسي براي محافظت پل ها در مقابل پديده آبشستگي وجود داردكه عبارتند از: بالا بردن مقاومت مواد بستر و كاهش قدرت عوامل فرسايش. يك روش جديد مطرح شده در كاهش آبشستگي پايه پل ايجاد زبري دور تا دور پايه در هنگام بتن ريزي مي باشد كه در مطالعه حاضر مورد بررسي قرار گرفت. مواد و روش ها: آزمايش ها تحت شرايط آب صاف و دبي ثابت در بازه زماني 8 ساعت در كانال آزمايش به طول 7 متر، عرض 0/32 متر و ارتفاع 0/36 متر در آزمايشگاه هيدروليك دانشگاه صنعتي اصفهان انجام شد. همچنين از ماسه گردگوشه با قطر متوسط 0/75 ميلي متر، وزن مخصوص 2/65 گرم بر سانتي متر مكعب و انحراف معيار هندسي 1/2 استفاده شد. در اين تحقيق ساختار جريان قائم بوسيله داده برداري با دستگاه ADV در اطراف پايه و تاثير آن بر آبشستگي مورد بررسي قرار گرفته است. يافته ها: با توجه به نتايج بدست آمده، سرعت قائم در راستاي محور مركزي كانال در بالادست پايه داراي مقادير منفي است كه نشان دهنده جريان رو به پايين مي باشد و در پشت پايه داراي مقاديرمثبت مي باشد كه نشان دهنده جريان رو به بالا در اين ناحيه است. مقادير سرعت با نزديك شدن به پايه بيشتر مي گردد. در بالادست جريان سرعت در راستاي قائم براي پايه زبري دار از نظر اندازه از مقادير پايه شاهد كوچك تر مي باشد. كوچك بودن اندازه مقادير منفي در بالادست پايه زبري دار نشان دهنده كاهش جريان رو به پايين و در نتيجه كاهش قدرت گرداب هاي نعل اسبي نسبت به پايه شاهد مي باشد. بررسي هاي انجام شده بر روي پروفيل هاي سرعت حول پايه ها نشان دهنده ي حضور توأمان گرداب هاي نعل اسبي و جريان رو به پايين در بالا دست جريان مي باشد. در پايين دست جريان حضور گرداب هاي برخاستگي سبب بوجود آمدن نامنظمي هاي فراوان در ساختار جريان گرديده است. مقادير نوسانات سرعت در بالا دست پايه ها به محض ورود به گودال آبشستگي افزايش مي يابد از اين رو درون حفره يك هسته با شدت توربولانس زياد در جلوي پايه ها وجود دارد كه نتيجه جدايي جريان در آن جاست. نتيجه گيري: نتايج نشان داد با افزايش اندازه بيرون زدگي زبري ها ميزان آبشستگي كاهش مي يابد. در واقع افزايش بيرون زدگي زبري ها باعث كاهش قدرت جريان رو به پايين مي گردد و به موازات آن باعث كاهش قدرت گرداب هاي نعل اسبي و گردابه هاي برخاستگي مي گردد.

Background and objectives: Bridge failure is a common phenomenon all around the world. The reason of the failure is not just the construction, but ignoring hydraulics’ roll in designing. Therefore, finding ways to reduce scouring is essential. There are two fundamental ways to protect bridges from scouring; increasing the resistant of bed materials and decreasing the power of erosion factors. A new method of decreasing pier scouring is to create roughness around the pier. Materials and methods: The experiments were conducted under clear water scouring and with a constant discharge during 8 hours in hydraulic laboratory of Isfahan University of Technology using a flume of 7 m length, 0.32 m width and 0.36 depth. Sands with median diameter of 0.75, special gravity of 2.65 grams per cubic centimeters and geometric standard deviation of 1.2 are used in the experiments. In this research vertical flow structure has been investigated has been by analyzing with ADV tool and also effect of this type of flow on scouring of piers surrounding area was also evaluated. Results: According to the results, vertical flow values were negative through central open canal line at upstream of pier which indicated that the flow was downward and also upward flow at the behind of piers was clarified by positive vertical flow values at that area. At common condition flow velocity increases by getting closer to the pier. At upstream of the flow, vertical velocity was particularly lower in existence of roughness on pier surface than control piers which didn’t have any roughness. Low negative values at upstream of the pier with roughness on its surface, the reduction of downward flow with reducing horseshoe vortex power than control pier was demonstrated.Investigation of velocity and shear profiles around the piers shows the existence of horseshoe vortex and downward flow simultaneously at upstream of piers. In downstream, existence of wake vortex causes fluctuations in flow structure. Velocity fluctuations in upstream of flow increases by entering scour hole, so inside the hole, there is a core with high intensity of turbulence in front of piers which is the result of flow separation in that region. Conclusion: In this study, the efficiency of using roughness around the piers to decrease scouring is investigated. Results show that by increasing the size of roughness, scouring will decrease. In fact, increasing the size of roughness will decrease the power of down flow, horseshoe and wake vortexes.