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

Abstract

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.

Keywords

• آب‌شستگی موضعی
• اجسام شناور
• مدل آزمایشگاهی
• عمق استغراق
• پایه پل