پایان نامه عمران-سازه های هیدرولیکی:بررسی عددی تاثیر ژئوبگها بر کنترل آبشستگی کوله پلها |
 |
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چكیده
بررسی عددی تاثیر ژئوبگها بر کنترل آبشستگی کوله پلها
به کوشش
هاجر حسینی
در این تحقیق تاثیر ژئوبگها بر کنترل آبشستگی کوله پلها با بهره گرفتن از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مورد مطالعه قرارگرفته است. ژئوبگها کیسههایی از جنس ژئوتکستایل هستند که با مصالحی مانند ماسه، بتن و یا مصالح حاصل از لایروبی رودخانهها پر میشوند. با توجه به در دسترس بودن، هزینه کم و عدم نیاز به نیروی کار ماهر، استفاده از این مواد نسبت به مصالح سنتی بسیار مقرون به صرفه است. در این راستا، با بهره گرفتن از نرمافزار FLOW-3D جریان و فرسایش رسوبات اطراف کوله پلها و تاثیر ژئوبگها و ژئومتها (ژئوبگ بزرگ) بر کاهش عمق آبشستگی مدلسازی شد. از این نرمافزار برای حل معادلات سه بعدی نویر-استوکس به روش مشتقات محدود (finite difference) استفاده شدهاست. مدل آشفتگی RNG برای مدلسازی میدان جریان در اطراف کوله، محلی که گردابههای نعل اسبی تشکیل شده و جریان آشفته غالب است، به کار برده شدهاست. تصدیق صحت و دقت نرمافزار با بهره گرفتن از نتایج مدل آزمایشگاهی جریان و فرسایش اطراف کوله بدون لایه محافظ با دیواره قائم مورد بررسی قرار گرفت. در روند مدلسازی ابتدا جریان اطراف کوله تا رسیدن به حالت پایدار گسترش یافت و سپس اجازه فرسایش به مدل داده شد. نتایج شبیهسازی از نظر کمی و کیفی با مدل آزمایشگاهی از مطابقت خوبی برخوردار است. بر اساس شبیهسازیهای صورت گرفته، لایه های ژئوبگ و ژئومت از کوله پل در برابر فرسایش به خوبی محافظت کرده ولی باعث انتقال فرسایش به پاییندست کوله میشوند. همچنین تاثیر هندسه لایه ژئومت بر کاهش ماکزیمم عمق آبشستگی، و نیز کارایی لایه ژئومت در عمق آب، سرعت و اندازه ذرات رسوبی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت.
کلید واژگان: آب شستگی- کوله پل- دینامیک سیالات محاسباتی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-1- انواع کوله پلها، مکانیابی و ساخت.. 2
1-1-1- انواع کوله پلها.. 2
1-1-2- مکانیابی کوله پلها.. 3
1-1-3- ابعاد کوله و نحوه ساخت.. 4
1-2- میدان جریان.. 4
1-3- پروسه آبشستگی.. 6
1-3-1- آبشستگی کلی.. 6
1-3-2- آبشستگی کوله پل.. 7
1-4- معرفی تحقیق.. 8
:
2-1- مقدمه.. 11
2-2- طبقه بندی آبشستگی موضعی کوله پلها.. 12
2-3- میدان جریان و تنش برشی بستر در محل کوله پل 13
2-4- پارامترهای تاثیرگذار بر آبشستگی کوله پلها.. 16
2-4-1- طبقه بندی پارامترها.. 16
عنوان صفحه
2-4-2- آنالیز ابعادی.. 17
2-5- تاثیر پارامترهای مختلف بر عمق آبشستگی.. 18
2-5-1- سرعت جریان عبوری.. 18
2-5-2- عمق جریان عبوری.. 20
2-5-3- طول کوله، نسبت تنگ شدگی و نسبت دهانه.. 21
2-5-4- اندازه و دانهبندی رسوبات.. 22
2-5-5- شکل کوله.. 25
2-5-6- جهت قرارگیری کوله نسبت به جریان عبوری.. 26
2-5-7- هندسه آبراهه.. 27
2-5-8- تغییرات زمانی آبشستگی.. 28
2-6- تخمین عمق آبشستگی.. 31
2-6-1- رویکرد رژیم جریان.. 31
2-6-2- رویکرد تجربی.. 32
2-6-3- رویکرد تحلیلی یا شبه تجربی.. 37
2-7- مطالعات عددی آبشستگی اطراف کوله پلها.. 38
2-8- روش‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کنترل آب شستگی.. 40
2-9- نتیجهگیری.. 42
3-1- مقدمه.. 44
3-2- ضوابط کلی پایداری.. 44
3-2-1- پایداری در برابر بار موج.. 44
3-2-2- پایداری بار جریان.. 48
عنوان صفحه
3-3 -ضوابط پایداری ژئوبگها.. 52
3-3-1- بحث در مورد دانسیته نسبی.. 52
3-3-2- محافظت شیب.. 52
3-3-3- پایداری المان‌های تاج.. 56
3-4- ضابطه طراحی بر اساس بار جریان.. 57
3-5- پایداری ژئوبگها از منظر مکانیک خاک.. 57
4-1- مقدمه.. 59
4-2- مدل هیدرودینامیک.. 59
4-3- مدلسازی رسوب.. 62
4-4- مدل آشفتگی.. 66
5-1- مقدمه.. 69
5-2- کالیبراسیون مدل و آنالیز حساسیت مشبندی.. 70
5-2-1- مشخصات مدل و نحوه شبکهبندی.. 70
5-2-2- نتایج شبیهسازی.. 73
5-2-2-1- نتایج شبیهسازی جریان.. 73
5-2-2-2- نتایج شبیهسازی رسوب.. 75
5-3- بررسی تاثیر ژئومت بر کنترل آبشستگی کوله با دیواره قائم 81
5-4- بررسی تاثیر ژئوبگ و ژئومت بر کنترل آبشستگی اطراف کوله بالهای.. 83
5-4-1- مشخصات مدل کوله بالهای.. 83
عنوان صفحه
5-4-2- نتایج شبیهسازی جریان و فرسایش اطراف کوله بالهای بدون
وجود لایه محافظ.. 85
5-4-3- نتایج شبیهسازی جریان و فرسایش اطراف کوله بالهای
محافظت شده با ژئوبگ.. 87
5-4-4- شبیهسازی جریان و فرسایش اطراف کوله بالهای محافظت شده
به وسیله ژئومت.. 91
5-5- تاثیر ضخامت و عرض لایه ژئومت بر کنترل آبشستگی اطراف کوله بالهای.. 93
5-6- بررسی اثر عمق جریان بر آبشستگی اطراف کوله بالهای بدون لایه
محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت.. 98
5-7- مطالعه تاثیر سرعت جریان بر آبشستگی اطراف کوله بالهای
بدون لایه محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت 100
5-8- بررسی تاثیر اندازه ذرات رسوبی و پارامتر شیلدز بر آبشستگی اطراف کوله بالهای بدون لایه محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت و لایه ژئوبگ.. 102
6-1- نتایج تحقیق.. 105
6-2- پیشنهادها برای کارهای آینده.. 106
.. 107
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- ضریب شکلهای کوله پلها.. 25
جدول 2-2- ضریب راستای جریان برای زوایای مختلف برخورد 26
جدول 2-3- ضرایب رابطه پیشنهادی Melville (1992، 1995، 1997) 36
جدول 3-1- پارامتر پایداری برای سیستم های مختلف 49
برای سیستم های مختلف.. 49
. 50
جدول 3-4-الف- ضخـامت معـادل سیستم‌های پر شده از ماسه
(H=1 m) (Pilarczyc، a-2000).. 57
جدول 3-4-ب- ضخـامت معـادل سیستـم‌های پر شده از ماسه (H=2 m) 57
جدول 5-1- جزئیات شبکهبندی شبیهسازیها.. 73
جدول 5-2- میانگین سرعت و عمق جریان و میزان خطا برای شبکهبندیهای مختلف.. 75
جدول 5-3- مقایسه مقادیر عمق متوسط، سرعت متوسط برای fs,co=0.0005
و fs,co=0.002. 76
جدول 5-4- مقادیر ماکزیمم عمق آبشستگی مدلهای شبیهسازی 81
جدول 5-5- عمق آبشستگی موضعی اطراف کوله قائم محافظت شده توسط ژئومت.. 83
جدول 5-6- جزئیات شبکهبندی مدل کوله بالهای.. 85
جدول 5-7- مقایسه کارایی لایههای ژئومت با ضخامت مختلف در کنترل آبشستگی.. 95
جدول 5-8- مقایسه کارایی لایههای ژئومت با عرض مختلف در کنترل آبشستگی.. 98
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل 1-1- شمای کلی کولههای با دیواره شیبدار و بالهای 3
شکل 1-2- جریان عبوری از یک تنگشدگی کوتاه.. 5
شکل 1-3- جریان و آبشستگی اطراف یک کوله و خاکریز در یک آبراهه مرکب.. 6
شکل 2-1- تغییرات زمانی آبشستگی در حالت آب زلال و بستر متحرک 13
شکل 2-2- نمای شماتیک میدان جریان اطراف کوله یک پل 15
شکل 2-3- تغییـرات عمق آبشستگی با نسبت سرعت برشی 19
شکل 2-4- تغییرات عمق آبشستگی ds نسبت به عمق جریان h 21
شکل 2-5- تغییرات عمق آبشستگی ds نسبت به طول کوله l 22
شکل 2-6- تغییرات عمق آبشستگی ds با اندازه دانههای رسوبی d50 24
24
شکل 2-8- تغییرات نسبت عمق آبشستگی به طول کوله ds/l با زمان t 29
شکل 2-9- استفاده از ژئوبگها جهت کنترل آب شستگی کوله پلها 41
شکل 3-1-شکل شماتیک سنگ چین.. 47
شکل 3-2-طرز قرار گیری کیسه ها به طور شماتیک.. 53
شکل 3-3-خلاصه نتایج آزمایش پایداری برای ژئوبگ های قرار گرفته بر شیب (D=d).. 55
شکل 5-1- نمای کلی فلوم آزمایشگاهی Kayaturk. 70
شکل 5-2- نمای کلی مدل شبیهسازی در FLOW-3D.. 71
شکل 5-3- شرایط مرزی مدل.. 71
عنوان صفحه
شکل 5-4- نمای کلی مقطع عرضی شبکهبندی.. 73
شکل 5-5- پروفیل سطح آب در محل دماغه کوله برای چهار حالت اندازه شبکهبندی.. 74
شکل 5-6- خطوط همتراز سرعت در نزدیکی سطح بستر رسوبی 74
شکل 5-7- بردارهای توزیع سرعت الف- ابتدای مرحله دوم شبیهسازی؛
ب- 5 ثانیه پس از شروع مرحله دوم.. 77
شکل 5-8- مقایسه پرفیل سرعت مدل با توزیع سرعت لگاریتمی در فواصل 1 متری
پروفیل طولی.. 79
شکل 5-9- الف- نمای کلی فلوم شبیهسازی؛ ب- مقطع عرضی حفره آبشستگی
در محل بالادست کوله؛ ج- ایجاد حفره آبشستگی در اطراف کوله 80
شکل 5-10- نمای سه بعدی حفره آبشستگی تشکیل شده در بالادست کوله 80
شکل 5-11- نمای کوله قائم حفاظت شده توسط الف) ژئومت در وجه جلوی کوله؛
ب) ژئومت در اطراف سه وجه کوله.. 82
شکل 5-12- تشکیل حفره آبشستگی در وجه بالادست کوله و پاییندست ژئومت.. 82
شکل 5-13- تشکیل حفره آبشستگی در وجه بالادست و پاییندست ژئومت 82
شکل 5-14- نمای کلی فلوم آزمایشگاهی.. 84
شکل 5-15- کوله بالهای یکپارچه از جنس پلکسی گلاس.. 84
شکل 5-16- نمای کلی مدل شبیهسازی در FLOW-3D.. 84
شکل 5-17- مکانهای محتمل تشکیل حفره آبشستگی.. 86
شکل 5-18- الف- مقطع عرضی حفره آبشستگی؛ ب- حفره آبشستگی در محل کوله
(A) و پاییندست آن (B).. 86
شکل 5-19- نمای سه بعدی حفرات آبشستگی تشکیل شده.. 87
شکل 5-20- چیدمان ژئوبگ پیشنهادی.. 88
شکل 5-21- نمای کلی کوله بالهای محافظت شده با لایه ژئوبگ شیبدار 88
عنوان صفحه
شکل 5-22- حفره آبشستگی تشکیل شده در اطراف لایه ژئوبگ
الف) مدل آزمایشگاهی؛ ب) مدل شبیهسازی.. 90
شکل 5-23- نمای کلی مدل شبیهسازی کوله بالهای محافظت شده با ژئومت 91
شکل 5-24- حفرات آبشستگی تشکیل شده در اطراف ژئومت الف) پلان مدل؛
ب) مدل آزمایشگاهی؛ ج) نمای سه بعدی شبیهسازی عددی.. 92
شکل 5-25- نمای پلان آبشستگی اطراف لایه ژئومت با ضخامت الف) 22 میلیمتر؛
ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 93
شکل 5-26- نمای سه بعدی آبشستگی اطراف لایه ژئومت با ضخامت الف) 22 میلیمتر؛
ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 94
شکل 5-27- خطوط هم تراز انرژی آشفتگی در نزدیکی سطح بستر رسوبی برای
کوله با لایه ژئومت الف) 22 میلیمتر؛ ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 96
شکل 5-28- تشکل حفرات آبشستگی در اطراف لایه ژئومت با عرض 320 میلیمتر
الف) پلان ب) نمای سه بعدی.. 97
شکل 5-29- مقایسه ماکزیمم عمق آبشستگی کوله با لایه ژئومت و کوله بدون
محافظ برای سه عمق جریان 08/0، 1/0 و 12/0 متر در نواحی الف) B و B0؛
ب) C و A0؛ ج) D و A0. 99
شکل 5-30- مقایسه ماکزیمم عمق آبشستگی کوله با لایه ژئومت و کوله بدون
محافظ برای سه سرعت جریان 3/0، 4/0 و 55/0 متر بر ثانیه در نواحی الف) B و B0؛
ب) C و A0. 101
شکل 5-31- مقایسه ماکزیمم عمق آبشستگی کوله با لایه ژئومت، کوله با لایه ژئوبگ
و کوله بدون محافظ برای دو اندازه دانه رسوب 45/0، 48/1 میلیمتر در نواحی
الف) B و B0؛ ب) C و A0، ج) D و A0. 103
فهرست نشانههای اختصاری
B = عرض آبراهه یا فلوم
bd = عرض پایه پل استوانهای متحمل نیروی دراگی معادل با نیروی دراگ روی کوله
bs = عرض پایه پل هم ارز
CD = ضریب نیروی دراگ ذرات رسوبی
D = قطر پایه پل
d، d50 = قطر متوسط ذرات رسوبی
d16 = ذرات با قطر ریزتر از 16%
d50a = dmax / 1.8
d84 = ذرات با قطر ریزتر از 84%
= نسبت عمق آبشستگی در محل کوله به نسبت عمق آبشستگی در تنگشدگی طویل هم ارز
dmax = ماکزیمم اندازه ذرات رسوبات غیر یکنواخت
ds = عمق آبشستگی تعادلی رسوبات یکنواخت
dst = عمق آبشستگی در زمان t
Fd = ، عدد فرود densimetric
Fr = ، عدد فرود جریان عبوری
Frc = ، عدد فرود جریان عبوری متناظر با سرعت بحرانی
f1 = ضریب شکاف Lacey؛ 1.76d0.5
g = شتاب ثقل
h = عمق جریان عبوری
h* = عمق جریان در دشت سیلابی
K1,2، k1,2 = ضرایب
Kd = ضریب اندازه ذرات
Khl = ضریب عمق جریان – طول کوله
KI = ضریب شدت جریان
Ks، Ks* = ضریب شکل کوله و ضریب شکل کوله تصحیح شده
Kθ، Kθ* = ضریب زاویه قرارگیری کوله نسبت به جریان و ضریب زاویه قرارگیری کوله نسبت به جریان تصحیح شده
Kσ = تابع وابسته به σg
LR = طول reference، l2/3h1/3
l = طول عرضی یا طول جلوآمدگی کوله
l* = عرض دشت سیلابی
M = نرخ دبی
m = ضرایب وابسته به اندازه ذرات رسوبی
N، N* = ضرایب زبری مانینگ به ترتیب برای آبراهه و دشت سیلابی
Ns = عدد شکل
n = متغیرهای وابسته به اندازه ذرات رسوبی
Q = دبی طرح
q = شدت دبی
= r/l
s = چگالی نسبی ذرات رسوبی
T = مدت زمان رسیدن به عمق آبشستگی تعادلی
TR = مدت زمان بیبعد،
T* = زمانی که
t = مدت زمان
U = سرعت متوسط جریان عبوری
Ua = 0.8Ucn
Uc = سرعت بحرانی برای ذرات رسوبی
Ucn = سرعت بحرانی برای اندازه ذرات لایه آرمور، d50a
u، v، w = مولفههای متوسط زمانی سرعت در جهات (x, y, z) یا (θ, r, z)
= u / U
u* = سرعت برشی جریان عبوری
u*c = سرعت برشی بحرانی برای ذرات رسوبی
u*cn = سرعت برشی بحرانی برای اندازه ذرات لایه آرمور، d50a
= v / U
= w / U
ws = سرعت تهنشینی ذرات رسوبی
X =
= x / l
xd = dst / ds
x، y، z = مختصات کارتزین
= y / l
= z / l
α = نسبت بازشدگی، 1 – l / B
= s – 1
ϕs = زاویه شیب دیواره حفره آبشستگی
1-3η = ضرایب
θ، r، z = مختصات استوانهای قطبی
θa = زاویه برخورد
θc = تابع entrainment شیلدز،
θt = زاویه چرخش بین مسیر جریان زیرین و جهت جریان اصلی،
ρ، ρs = به ترتیب چگالی جرمی آب و ذرات رسوبی
σg = انحراف معیار هندسی
τ0 = تنش برشی بستر ناشی از جریان عبوری
τc = تنش برشی بحرانی ذرات رسوبی
τcont = تنش برشی ناشی از تنگشدگی
= تنش برشی بستر ناشی از تنگشدگی،
τnose = تنش برشی بستر در محل دماغه کوله
= ضریب تشدید تنش برشی بستر تنها به علت وجود کوله، τ´nose / τ0
τ´nose = تنش برشی تنها به علت وجود کوله
= ضریب تشدید کلی تنش برشی در محل کوله با دیواره قائم، τnose / τ0
فصل اول
مقدمه
1-1- انواع کوله پلها، مکانیابی و ساخت
اگرچه مورفولوژی آبراهه های رودخانهای از یک محل به محل دیگر تفاوتهای اساسی دارند، اما کوله پلها خصوصیات عمومی واحدی دارند که میتوان از آن برای تعریف نوع آنها جهت پیش بینی میدان جریان در هندسه آبراهه های مختلف استفاده نمود. خصوصیات عمومی کوله پلها را میتوان در قالب نوع کوله، مکان یابی عمومی خاکریز دسترسی و وضعیت ساخت کوله تعریف نمود. هریک از این خصوصیات، به همراه هندسه آبراهه و نوع رسوب بستر، تاثیر زیادی بر میدان جریان اطراف پل و در نتیجه آبشستگی خواهند داشت.
1-1-1- انواع کوله پلها
به طور کلی کوله پلها را میتوان به سه نوع اصلی تقسیم بندی نمود:
1) کوله با دیواره شیبدار[1] (رایجترین نوع)
2) کوله بالهای[2]
3) کوله با دیواره قائم
در کولههای با دیواره شیبدار کنارهها مانند وجه روبرو شیبدار هستند (معمولا با زاویهای کمتر از زاویه قرارگیری[3] مصالح استفاده شده در خاکریز)؛ و گوشههای متصل کننده وجوه و کنارهها مانند قسمتی از یک مخروط گرد میشوند (شکل 1-1). در کولههای بالهای نیز وجوه کناری خاکریز شیبدار هستند، اما وجه روبرو عمودی است. زاویه بین وجه روبرو و باله معمولا ˚45 میباشد؛ گرچه زاویه های دیگری نیز به کار برده میشوند. به علت اتصال ناگهانی باله به وجه روبرویی، یک گوشه تیز تشکیل شده که باعث می شود جریان نسبت به کولههای با دیواره شیبدار کمتر آبلغز[4] باشند (شکل 1-1) . در کوله با دیواره قائم، هم وجوه کناری و هم وجه روبرویی به صورت عمودی است. زاویه وجوه کناری و روبرویی، ˚90 است، بنابراین جریان از جریان اطراف کوله بالهای هم دارای آبلغزی کمتری میباشد.
شکل 1-1- شمای کلی کولههای با دیواره شیبدار و بالهای (NCHRP- report 578، 2007)
1-1-2- مکان یابی کوله پلها
مکان یابی کوله پلهای واقع بر رودخانهها را میتوان با پارامترهای طول کوله (L)، عرض دشت سیلابی[5] (Bf)، و نصف عرض آبراهه (B) بیان نمود. به طور معمول مکان یابیهای زیر رایجاند (Morales & Ettema، 2011):
1) کوله در دشت سیلابی آبراهه مرکب به گونه ای قرار گیرد که باشد. این مکان یابی برای کولههای با دیواره شیبدار معمول است.
2) کوله کل دشت سیلابی تا آبراهه اصلی را در بربگیرد به گونه ای که باشد. این مکان یابی برای کولههای بالهای در مسیلهای کوچک مناسب است.
3) کوله در آبراهه مستطیلی قرار گیرد. این مکان یابی رایج نیست، و ممکن است به عنوان یک کوله کوتاه در یک دشت سیلابی عریض محسوب می شود.
1-1-3- ابعاد کوله و نحوه ساخت
پلهای آمریکا معمولا دارای حداقل دو خط 12 فوتی (m 66/3) هستند که برای یک عرض جاده کامل 24 فوت (m 32/7) به اضافه دو شانه راه 8 فوتی (m 44/2) در هر طرف، یک عرض 40 فوتی (m 2/12) را به دست میدهد. خاکریز کنار نیز با شیبهای 2H:1V تا 3H:1V اجرا می شود، هرچند رایجترین شیب کناره 2H:1V است.
کولهها معمولا بر روی یک دیوار حائل بتنی، یا ستونی واقع بر روی یک pile cap نگاه داشته شده توسط شمعها و یا یک پی گسترده قرار میگیرند، و به خاکریز دسترسی متصل میشوند.
[1] – Spill-through abutment
فرم در حال بارگذاری ...
|
[سه شنبه 1399-10-02] [ 07:28:00 ب.ظ ]
|
