پیش بینی آزمایشگاهی نیمرخ بستر با تجمع اجسام شناور مستغرق کامل و نیمه مستغرق در بالادست پایه پل استوانه ای

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

2 نویسنده مسئول، دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

3 دانشجوی دکتری تخصصی مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: در مواقع سیلابی که سرعت جریان آب در رودخانه‌ها زیاد است، جریان بقایای شاخ و برگ درختان و دیگر اجسام جامد را با خود حمل کرده و با برخورد با پایه‌های پل‌های احداث‌شده در مسیر جریان آب، در بالادست آن تجمع می‌یابند. این فرایند موجب تغییر در روند و مقادیر بیشینه عمق آب‌شستگی اطراف پایه پل می‌شود. اگر مقادیر بیشینه عمق آب‌شستگی از مقادیر پیش‌بینی‌شده در طراحی پایه‌های پل بیشتر گردد، می‌تواند حتی سبب تضعیف پایه‌ها و در مواقعی خرابی و واژگونی آنها شود. ازاین‌رو در این پژوهش به مطالعه اثر تجمع اجسام شناور در بالادست پایه‌های پل استوانه‌ای در دو حالت استغراق کامل و نیمه‌مستغرق بر نیمرخ‌های آب‌شستگی اطراف پایه پل و مقادیر بیشینه عمق آب‌شستگی در فلوم آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل پرداخته می‌شود. بدین منظور کلیه پارامترهای مختلف توسط آنالیز ابعادی تعیین و اثر پارامترهای مؤثر عدد فرود چگال، عمق استغراق و ترار قرارگیری اجسام شناور بر نیمرخ‌های طول و عرضی اطراف پایه پل بررسی می‌شوند. همچنین معادله‌ای برای پیش‌بینی بیشینه عمق آب‌شستگی برمبنای داده‌های آزمایشگاهی ارائه و دامنه کاربرد پارامترهای حاصل از تحلیل ابعادی برای کاربرد در طراحی‌ها بیان می‌شود.‌
مواد و روش‌ها: برای بررسی اثر تجمع اجسام شناور بر مقادیر آب‌شستگی سه مجموعه آزمایش اجرا گردید که تمامی آنها در شرایط آب زلال و جریان دائمی بودند. مجموعه اول آزمایش‌های شاهد در حالت پایه پل استوانه‌ای تنها با قطر (D) 3 سانتی‌متر، حالت دوم برای اجسام شناور مدفون (0=y0) و حالت سوم برای اجسام شناور آزاد (D=y0) بوده‌است. پارامترهای متغیر در آزمایش‌ها سرعت نسبی جریان (838/0≥u/uc ≥230/0) و عمق نسبی جریان (3≥y/D≥33/1) می‌باشد. فاصله پایه پل از ابتدای بستر ثابت و برابر 3 متر و اندازه دانه متوسط دانه‌ها 82/0 میلی‌متر بوده‌است. در این پژوهش ضمن بررسی منحنی‌های تکامل زمانی بیشینه عمق آب‌شستگی، برای اطمینان از به تعادل رسیدن حفره آب‌شستگی آزمایش‌ها، زمان انجام آزمایش‌ها 480 دقیقه درنظر گرفته شد.
یافته‌ها: نتایج مشاهدات آزمایشگاهی نشان داد، هنگامی‌که اجسام شناور به صورت مدفون قرار گیرند، در y/D= 1تا 67/1، بیشینه عمق حفره آب‌شستگی حداکثر تا 10 درصد نسبت به حالت شاهد افزایش می‌یابد. با افزایش عمق نسبی جریان، اجسام شناور مدفون به‌صورت طوقه عمل کرده و در 2≤y/D از میزان عمق حفره آب‌شستگی نسبت به حالت شاهد کاسته می‌شود. در حالت اجسام شناور آزاد در تمام عمق‌های نسبی (3≥y/D≥33/1) بیشینه عمق آب‌شستگی نسبت به حالت شاهد افزایش داشته و حداکثر آن حدود 57 درصد در 1/33=y/D می‌باشد. همبستگی رابطه پیشنهادی برای پیش‌بینی بیشینه عمق آب‌شستگی با ضریب R2 برابر با 0/96و ضریب RMSE برابر 0/22نشان از دقت مناسب رابطه پیشنهادی برای حالت آب‌شستگی در حالت تجمع اجسام شناور دارد.
نتیجه‌گیری: با مشاهده کلی نتایج می‌توان دریافت تجمع اجسام شناور بالادست پایه در حالتی‌که اجسام شناور بالاتر از بستر رسوبی قرار گیرند موجب افزایش قابل توجه بیشینه عمق آب‌شستگی می‌شود. در مواقعی‌که این اجسام همتراز با بستر رسوبی باشند، در عمق‌های نسبی جریان کم موجب افزایش آب‌شستگی و در اعماق نسبی جریان بیشتر موجب کاهش بیشینه عمق آب‌شستگی نسبت به حالت شاهد می‌شوند. براساس معادله پیشنهادی، پارامتر عدد فرود چگال بیشترین اثر و پارامترy-y0/D کمترین اثر را بر نتایج دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Prediction of the Bed Profile with the Full-submerged and Semi-submerged Debris Accumulation Upstream of the Cylindrical Bridge Pier

نویسندگان [English]

  • Pouria Akbari Dadamahalleh 1
  • Mehdi Hamidi 2
  • Ali Mahdian Khalili 3
1 M.Sc. Student of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Faculty of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.
3 Ph.D. Candidate of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.
چکیده [English]

Background and objectives: During floods, when the water velocity is high, the flow carries the pieces of tree leaves and other solid objects with them by colliding with the built bridge's piers in the direction of the water flow and accumulating upstream. This process causes a change in the procedure and maximum scour depth around the bridge pier. If the maximum scour depth exceeds the predicted values in the design of bridge piers, it can even weaken the piers and in some cases fail and overturn them. Therefore, in this research, the effect of the debris accumulation of upstream cylindrical bridge piers in two fully submerged and semi-submerged conditions on the scour profiles around the bridge pier and their maximum values are studied in a flume of Hydraulic laboratory of Babol Noshirvani University of Technology. For this purpose, all the different parameters are determined by dimensional analysis, and the efficacy of the effective parameters such as Froud densimetric number, submergence depth, and position level of debris on the longitudinal and transverse profiles around the bridge pier is investigated. Also, one equation for predicting the maximum scour depth based on experimental data is proposed and the scope of application of the parameters obtained from the dimensional analysis for use in designs is stated.
Materials and Methods: Three sets of experiments were conducted, all of which were in the conditions of clear water and constant flow to investigate the effect of the debris accumulation on the scour values. The first set is the reference tests in the case of a cylindrical bridge pier with a diameter (D) equal to 3 cm, the second condition is for debris is buried debris (y0=0) and the third condition is for free debris (y0=D). The variable parameters in the experiments are the relative velocity of the flow (u/uc≥0.838) and the relative depth of the flow (y/D≥1.33). The distance of the bridge pier from the beginning of the apron is 3 meters and the median grain size of the sediment particles is 0.82 mm. In this research, while examining the time evolution of the maximum scour depth, to ensure the equilibrium of the scour hole in the tests, the time of the tests was considered 480 minutes.
Results: The results of the laboratory observations indicated that when the debris is buried, in y/D=1 to 1.67, the maximum scour depth increases by up to 10% compared to the reference condition. When the relative depth of the flow increases, the buried debris act the same as a collar, and at y/D≥2, the scour depth is reduced compared to the reference condition. In the case of free debris, in all relative depths (1.33≤y/D≤3), the maximum scour depth has increased compared to the reference condition, and its critical case is about 57% at y/D=1.33. The correlation of the proposed equation for predicting the maximum scour depth with the R2=0.96 and the RMSE=0.22 shows the appropriate accuracy of the proposed equation for the case of scour in the condition of debris accumulation.
Conclusion: By observing the results in general, it can be found that the debris accumulation upstream of the pier, in the case that the debris is placed above the sedimentary bed, causes a significant increase in the maximum scour depth. When these objects are at the same level as the sedimentary bed, they cause an increase in scouring in shallow flow depths, and in deeper flows, they decrease the maximum scour depth compared to the case without debris. Based on the proposed equation, the densimetric Froude number parameter has the most effective, and (y-y0)/D has the least effect on results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Local Scour
  • Debris
  • Experimental Model
  • Submergence Depth
  • Bridge Pier
2.Zevenbergen, L.W., Lagasse, P.F., Clopper, P.E., and Spitz, W.J. 2006. Effects of debris on bridge pier scour. Proceedings 3rd International Conference on Scour and Erosion (ICSE-3), Amsterdam, the Netherlands. pp. 741-749.  
3.Raudkivi, A.J., and Ettema, R. 1983. Clear water scour at cylindrical piers. Journal of Hydraulic Engineering. 109: 3. 338-350.
4.Melville, B.W. 1997. Pier and abutment scour: integrated approach. Journal of Hydraulic Engineering. 123: 2. 125-136.
5.Melville, B.W., and Chiew, Y.M. 1999. Time scale for local scour at bridge pier. Journal of Hydraulic Engineering. 125: 1. 59-65.
6.Ebrahimi, T., Hamidi, M., Rahmani Firoozjaiee, A., and Khavasi, E. 2021. Numerical Investigation of Scour Around a Cylindrical Pier in Laboratory Scale Using Euler-Lagrange Approach. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering.
53: 1. 411-426. (In Persian)
7.Melville, B.W., and Dongol, D.M. 1992. Bridge Pier Scour with Debris Accumulation. Journal of Hydraulic Engineering. 118: 9.
8.Diehl, T.H. 1997. Potential drift accumulation at bridge. Report No. FHWARD -97-026, Hydraulic Engineering No. 9, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
9.Lagasse, P.F., Zevenbergen L.W., and Clopper, P.E. 2010. Impacts of debris on bridge pier scour. Proceedings 5th International Conference on Scour and Erosion (ICSE-5), San Francisco, USA. Reston, Va.: American Society of Civil Engineers. pp. 854-863.
10.Pagliara, S., and Carnacina, I. 2010. Temporal scour evolution at bridge piers: effect of wood debris roughness and porosity. Journal of Hydraulic Research. 48: 1. 3-13.
11.Pagliara, S., and Carnacina, I. 2011. Influence of wood debris accumulation on bridge pier scour. Journal of Hydraulic Engineering. 137: 2. 254-261.
12.Pagliara, S., and Carnacina, I. 2011. Influence of large woody debris on sediment scour at bridge pier. International Journal of Sediment Research. 26: 2. 121-136.
13.Park, J.H., Chamroeun, S., Park, C.K., and Young, D.K. 2016. A study on the effects of debris accumulation at sacrificial piles on bridge pier scour. KSCE Journal of Civil Engineering. 20: 4. 1546-1551.
14.Ebrahimi, M., Kripakaran, P., Djordjević, S., Tabor, G., Kahraman, R., Prodanović, D., and Arthur, S. 2016. Hydrodynamic effects of debris blockage and scour on masonry bridges: towards experimental modelling. Proceedings of 8th International Conference on Scour and Erosion, Oxford, UK.
15.Rahimi, E., Qaderi, K., Rahimpour, M. and Ahmadi, M.M. 2017. Experimental study on effect of debris accumulation on bridge pier scour. Modares Civil Engineering Journal. 10: 6. 786-796. (In Persian)
16.Ebrahimi, M., Kripakaran, P., Prodanovic, D.M., Kahraman, R., Riella, M., Tabor, G., Arthur, S., and Djordjevi´C, S. 2018. Experimental study on scour at a sharp-nose bridge pier with debris blockage. Journal of Hydraulic Engineering. 144: 12.
17.Rahimi, E., Qaderi, K., Rahimpour, M., and Ahmadi, M.M. 2018. Effect of debris on piers group scour: an experimental study. KSCE Journal of Civil Engineering. 22. 1496-1505.
19.Dias, A.J., Sena Fael, C., and González, F.N. 2019. Effect of debris on the local scour at bridge piers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 471: 022024.
20.Pagliara, S., and Palermo, M., 2020. Effects of bridge pier location and debris accumulation on equilibrium morphology. World Environmental and Water Resources Congress. Henderson, Nevada, pp. 76-83.
21.Palermo, M., Pagliara, S., and Roy, D. 2021. Effect of debris accumulation on scour evolution at bridge pier in bank proximity. Journal of Hydrology and Hydromechanics. 61: 1. 1-11.
22.Koohsari, A., and Hamidi, M. 2021. Experimental Study of the Effect of Mining Materials Downstream of Bridge Pier on Scour Profile with optimizing Distance Approach. Journal of Water and Soil Conservation. 28: 3.1-26. (In Persian)
23.Sadeqlu, M., and Hamidi, M. 2022. Numerical investigation of the cylindrical bridge pier scour reduction by installing a group of two submerged vanes. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research. 22: 85. 91-114. (In Persian)