بررسی آزمایشگاهی تاثیر تجمع اجسام شناور بر آبشستگی موضعی پایه و تکیه‌گاه پل

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 استادیار دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

تجمع اجسام شناور در اطراف پایه و تکیه‌گاه‌های پل موجب کاهش سطح‌ مقطع رودخانه، انحراف جریان، افزایش سرعت جریان و تغییر در الگوی آبشستگی می‌گردد. یکی از مباحث مهم در طراحی پل بر رودخانه‌ها، بررسی اثرات منفی ناشی از تجمع اجسام شناور چوبی می‌باشد این اجسام چوبی، وضعیت گوناگونی از لحاظ شکل جمع‌شدگی و نحوه قرارگیری در جلوی پایه‌های پل دارند که بیشتر در طبیعت به شکل مکعب مستطیل در جلو پایه تجمع می‌یابند. تاثیر اجسام شناور بر آبشستگی پایه پل توسط محققین مختلف مورد بررسی قرار گرفته ولی تاکنون مطالعه کاملی برای بررسی اثر تجمع اجسام شناور بر الگوی جریان و مشخصه‌های چاله آبشستگی در حالت ترکیب پایه و تکیه‌گاه پل صورت نگرفته است. از این‌رو در این پژوهش تاثیر اجسام شناور با خصوصیات هندسی مختلف بر الگوی جریان و آبشستگی بستر در اطراف تکیه‌گاه و پایه پل به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در این پژوهش تاثیر فاصله بین پایه و تکیه‌گاه و نیز مشخصات هندسی اجسام شناور (شامل ضخامت، طول موثر و شکل آن‌ها) بر روی آبشستگی به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش‌ها در آزمایشگاه تحقیقاتی هیدرولیک و سازه‌های آبی بخش مهندسی آب دانشگاه شهید باهنر کرمان انجام شد. کانال آزمایشگاهی دارای طول 8 متر، عرض 80 سانتی‌متر و ارتفاع 60 سانتی‌متر می‌باشد. مدل پایه پل (قطر 3cm) و تکیه‌گاه (6cm*12cm) از جنس گالوانیزه انتخاب گردید. تکیه ستر رسوبی به ضخامت 16 سانتی‌متر از رسوبات با اندازه متوسط 91/0d50= تشکیل شده بود. برای جلوگیری از شسته شدن رسوبات، بستر کاذب در بالادست و پایین‌دست بازه مطالعاتی نصب شد. از اجسام منشوری مستطیلی، مثلثی و نیمه-استوانه‌ای به عنوان مدل اجسام شناور استفاده شد (ضخامت نسبی اجسام شناور (T_d/D) در محدوده 1 تا 3 و طول نسبی اجسام شناور(D_d/D) در محدوده 4 تا 10 متغیر می‌باشد). سرعت آستانه حرکت ذرات رسوبی و حداکثر سرعت مربوط به آزمایش-های این تحقیق به ترتیب 4/0 و 2/0 متر بر ثانیه می‌باشد که نشان می‌دهد، کلیه آزمایش‌ها در شرایط آب زلال انجام گرفت. نتایج نشان داد که با کاهش فاصله نسبی بین تکیه‌گاه و پایه پل (G/D) از 66/6 به 33/3 مقدار عمق حداکثر آبشستگی در اطراف پایه پل و تکیه‌گاه به ترتیب 8 و 5/12 درصد افزایش یافت. همچنین اجسام شناور مستطیلی در مقایسه با سایر شکل‌های مورد بررسی بیشترین عمق آبشستگی را ایجاد کردند. با افزایش ضخامت نسبی اجسام شناور استوانه‌ای(T_d/D) از 1 به 3 عمق حداکثر در اطراف پایه پل و تکیه‌گاه به ترتیب 6/7 و 1/24 درصد افزایش یافت. آزمایش‌ها نشان داد که طول موثر اجسام شناور نیز تاثیر قابل توجهی بر ابعاد حفره آبشستگی دارد به طوری‌که عمق حداکثر آبشستگی در حضور اجسام شناور استوانه‌ای با طول نسبی (D_d/D) 10 در مقایسه با آزمایش شاهد برای پایه و تکیه‌گاه پل به ترتیب 8/50 و 58 درصد بیشتر بوده است. بر اساس نتایج این پژوهش مشخص گردید که عمق آبشستگی ایجاد شده در حضور اجسام شناور با ضخامت نسبی اجسام شناور رابطه مستقیمی داشته است به طوری که با دو برابر شدن ضخامت نسبی اجسام شناور مستطیلی، عمق آبشستگی در پایه و تکیه‌گاه پل به ترتیب 2/1 و 05/1 برابر شد. با افزایش قطر نسبی، ابتدا عمق آبشستگی افزایش یافت و سپس به یک مقدار تقریبا ثابتی رسید. بطور مثال برای اجسام شناور مستطیلی با تغییر طول نسبی از 4 به 10، عمق آبشستگی در پایه و تکیه‌گاه پل به ترتیب 4/22 و 2/10 درصد افزایش یافت ولی برای طول‌های نسبی بزرگتر، تغییری در عمق آبشستگی مشاهده نشد. همچنین با کاهش فاصله بین پایه و تکیه گاه پل، حداکثر عمق آبشستگی در مقایسه با آزمایش شاهد به طور قابل توجهی افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of the effect of debris accumulation on the local scour at bridge pier and abutment

نویسنده [English]

  • Zahra Abousaeidi 1

1 Shahid Bahonar University Of Kerman

چکیده [English]

Accumulation of floating debris around the bridge's piers and abutments causes reduction of river flow area, flow diversion, flow accelerating and altering of scour pattern. The investigation of potential impacts of debris on the local scour processes is one of the main factors in design of bridge structures across the rivers. These wooden floating debris may have different shapes in terms of accumulation and position, often have rectangular shape in the nature. Although, the effect of debris on piers scour has been studied by different researchers, to the author's knowledge, no investigation has been conducted to study the effect of debris on flow pattern and scour hole characteristics in the case of combinative presence of pier and abutment. Therefore, in this study, the effect of debris with different geometrical characteristics on the pier and abutment scour and flow behavior was investigated experimentally. in this study, the effect of distance between bridge pier and abutment, geometrical characteristics of debris (including thickness, diameter and shape) on the scour was investigated experimentally. The experiments were conducted at the hydraulic and water structures laboratory of department of water engineering of Shahid Bahonar university of Kerman. The experimental flume has a rectangular cross section with 8 m length, 80 cm width and 60 cm depth. Model of bridge pier (diameter 3cm) and bridge abutment (6cm*12cm) was selected by stainless steel. Sedimentary bed with thickness of 16 cm, was composed of sediments with d50=0.91 mm. To avoid undesirable erosion of sediment, false bottoms were installed at the upstream and downstream parts of the study reach. Prismatic objects with different shapes of rectangular, triangular and semi-circular were used as debris. (The range of relative thickness of debris (T_d/D) was from 1 to 3 and the relative length of debris (D_d/D) from 4 to 10). The sediment threshold velocity and the maximum velocity of experiments of this study are 0.4 and 0.2 m⁄s respectively which shows that, all experiments were carried out at the clear water condition. The results showed that by decreasing the relative distance between bridge pier and abutment (G/D) from 6.66 to 3.33, the maximum scour depth at pier and abutment increased 8.1 and 12.5%, respectively. Also, the rectangular debris caused the most scour depth in comparison with the other debris shapes. By increasing the relative thickness of the semi-cylindrical debris (T_d/D) from 1 to 3, the maximum scour depth around the pier and abutment was respectively increased 7.64 and 24.21. In addition, the experimental results showed that the effective length of debris has a significant influence on the dimensions of scour hole, so that, the maximum scour depth in the presence of semi-cylindrical debris with relative effective length (D_d/D) of 10, increased 50.8 and 58 percent compared with that of the reference test, for the bridge pier and abutment, respectively. According to the results of this study, There was a direct relation between the scour depth and the debris thickness, so that, by doubling the relative thickness of rectangular debris, the scour depth around bridge pier and abutment is became 1.2 and 1.05, respectively. With increasing the relative length, the scour depth increased at first, thereafter reached to a constant value. For example, for rectangular debris, by changing the relative length from 4 to 10, the scour depth around bridge pier and abutment was increased 22.4 and 10.2 %, respectively, but for larger relative lengths, no change was observed in the scour depth. In addition, by decreasing the distance between pier and abutment, the maximum depth of scour hole was significantly increased compared with the reference test.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Maximum scour depth
  • Debris
  • Bridge abutment
  • Bridge pier
"> 1.Breusers, H., Nicollet, G., and Shen, H. 1997. Local scour around cylindrical piers. J. Hydr.
Res. IAHR, 15: 3. 211-252.
2.Diehl, T. 1997. Potential drift accumulation at bridge. Report No. FHWARD -97-028,
Hydraulic Engineering No. 9, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
3.Hagerty, D., Parola, A., and Fenske, T. 1995. Impacts of. 1993. Upper Mississippi river basin
floods on highway systems. Report No. 1483. Transportation research board, Washington,
DC. 121: 12. 869-876.
4.Hong S. 2005. Interaction of bridge contracrion scour and pier scour in a laboratory river
model. M.Sc. thesis. Civil and Environmental Deep. Georgia Inst. of Technology. Atland.
5.Kumar, V., Rang Raju, K., and Vittal, N. 1999. Reduction of local scour around bridge piers
using slot and collars. J. Hydr. Engin. ASCE. 125: 12. 1302-1305.
6.Lagasse, P., Clopper, P., and Zevenbergen, L. 2010. Effects of Debris on Bridge Pier Scour,
NCHRP Report 653, Transportation Research Board, National Academies of Science,
Washington, D.C. 117p.
7.Lagasse, P., Zevenbergen, L., Schall, J., and Clopper, P.E. 2007. Countermeasures to protect
Bridge piers from scour. NCHRP Report No. 593, Transportation Research Record,
Transportation Research Board, Washington, D.C. 6p.
8.Melville, B.W. 1992. Local Scour at bridge abutment. J. Hydr. Engin. 118: 4. 615-631.
9.Melville, B. 1997. Pier and abutment scour–an integrated approach. J. Hydr. Engin.
123: 2. 125-136.
10.Moshashaie, M. 2014. Experimental investigation of the effect of rectangular woody debris
on scour of a sharp nose square and a square piers, M.Sc. dissertation, Faculty of agriculture,
Shahr-e-Kord University. (In Persian)
11.Oben-nyarko, K., and Ettema, R. 2011. Pier and abutment scour interaction. J. Hydr. Engin.
ASCE. Pp: 1599-1605.
12.Parola, A., Apelt, C., and Jempson, M. 2000. Debris Force on Highway Bridge. NCHRP
Report No. 445, Transportation Research Record, Transportation Research Board,
Washington, D.C. 176p.
13.Pagliara, S., and Carnacina, L. 2010. Temporal scour evolution at bridge piers: effect of
wood debris roughness and porosity, J. Hydr. Res. 48: 1. 3-13.
14.Pagliara, S., and Carnacina, L. 2011. Influence of Wood Debris Accumulation on Bridge Pier
Scour. J. Hydr. Engin. ASCE. 137: 254-261.
15.Park, J., Chamroeun, S., Park, C., and Young, D. 2015. A Study on the Effects of
Debris Accumulation at Sacrificial Piles on Bridge Pier Scour. KSCE J. Civil Engin.
20: 4. 1546-1551.
16.Raudkivi, A., and Ettema, R. 1983. Clear water scour at cylindrical piers. J. Hydr. Engin.
ASCE, 103: 10. 1209-1213.
17.Schmocker, L., and Hanger, W. 2010. Drift accumulation at River Bridge. Laboratory
of Hydraulic, Hydrology and Glaciology VAW, ETH-Zurich, Zurich, Switzerland
Bundesanstalt fur Wasserbau ISBN 978-3-939230-00-7.
18.Walleerstein, N., and Thome, C. 1996. Impact of wood debris on fluvial processes and
channel morphology in stable and unstable stream. US Army Research Development and
standardization Group., UK, London. 162p.
19.Walleerstein, N., and Thome, C., and Doyle, M. 1997. Spatial distribution and impact of
large woody debris in norther Mississippi. Proceedings of the conference and Management
of Landscapes Disturbed by channel Incision, May 19-23. Pp: 145-150.