بررسي عددي تاثير ژئوبگ‏ها بر کنترل آب‏شستگي کوله پل‏ها word

کلید واژگان: آب شستگی- کوله پل- دینامیک سیالات محاسباتی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1- انواع کوله پل‏ها، مکانيابي و ساخت.. 2

1-1-1- انواع کوله پل‏ها.. 2

1-1-2- مکانيابي کوله پل‏ها.. 3

1-1-3- ابعاد کوله و نحوه ساخت.. 4

1-2- ميدان جريان.. 4

1-3- پروسه آب‏شستگي.. 6

1-3-1- آب‏شستگي کلي.. 6

1-3-2- آب‏شستگي کوله پل.. 7

1-4- معرفي تحقيق.. 8

فصل دوم: مروري بر تحقيقات پيشين و تئوري تحقيق

2-1- مقدمه.. 11

2-2- طبقه بندي آب‏شستگي موضعي کوله پل‏ها.. 12

2-3- ميدان جريان و تنش برشي بستر در محل کوله پل.. 13

2-4- پارامترهاي تاثيرگذار بر آب‏شستگي کوله پل‏ها.. 16

2-4-1- طبقه بندي پارامترها.. 16

عنوان صفحه

2-4-2- آناليز ابعادي.. 17

2-5- تاثير پارامترهاي مختلف بر عمق آب‏شستگي.. 18

2-5-1- سرعت جريان عبوري.. 18

2-5-2- عمق جريان عبوري.. 20

2-5-3- طول کوله، نسبت تنگ شدگي و نسبت دهانه.. 21

2-5-4- اندازه و دانهبندي رسوبات.. 22

2-5-5- شکل کوله.. 25

2-5-6- جهت قرارگيري کوله نسبت به جريان عبوري.. 26

2-5-7- هندسه آبراهه.. 27

2-5-8- تغييرات زماني آب‏شستگي.. 28

2-6- تخمين عمق آب‏شستگي.. 31

2-6-1- رويکرد رژيم جريان.. 31

2-6-2- رويکرد تجربي.. 32

2-6-3- رويکرد تحليلي يا شبه تجربي.. 37

2-7- مطالعات عددي آب‏شستگي اطراف کوله پل‏ها.. 38

2-8- روش‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي کنترل آب شستگي.. 40

2-9- نتيجه‏گيري.. 42

 

فصل سوم:ضوابط طراحي ژئوبگ‌ها

3-1- مقدمه.. 44

3-2- ضوابط کلي پايداري.. 44

3-2-1- پايداري در برابر بار موج.. 44

3-2-2- پايداري بار جريان.. 48

عنوان صفحه

 

3-3 -ضوابط پايداري ژئوبگ‌ها.. 52

3-3-1- بحث در مورد دانسيته نسبي.. 52

3-3-2- محافظت شيب.. 52

3-3-3- پايداري المان‌هاي تاج.. 56

3-4- ضابطه طراحي بر اساس بار جريان.. 57

3-5- پايداري ژئوبگ‌ها از منظر مکانيک خاک.. 57

فصل چهارم: معرفي نرم‏افزار FLOW-3D

4-1- مقدمه.. 59

4-2- مدل هيدروديناميک.. 59

4-3- مدلسازي رسوب.. 62

4-4- مدل آشفتگي.. 66

فصل پنجم:نتايج شبیه‏سازی عددي

5-1- مقدمه.. 69

5-2- کاليبراسيون مدل و آناليز حساسيت مش‏بندي.. 70

5-2-1- مشخصات مدل و نحوه شبکه‏بندي.. 70

5-2-2- نتايج شبیه‏سازی.. 73

5-2-2-1- نتايج شبیه‏سازی جريان.. 73

5-2-2-2- نتايج شبیه‏سازی رسوب.. 75

5-3- بررسي تاثير ژئومت بر کنترل آب‏شستگي کوله با ديواره قائم 81

5-4- بررسي تاثير ژئوبگ و ژئومت بر کنترل آب‏شستگي اطراف کوله باله‏اي 83

5-4-1- مشخصات مدل کوله باله‏اي.. 83

عنوان صفحه

5-4-2- نتايج شبیه‏سازی جريان و فرسايش اطراف کوله باله‏اي بدون
وجود لايه محافظ.. 85

5-4-3- نتايج شبیه‏سازی جريان و فرسايش اطراف کوله باله‏اي
محافظت شده با ژئوبگ.. 87

5-4-4- شبیه‏سازی جريان و فرسايش اطراف کوله بالهاي محافظت شده
به وسيله ژئومت.. 91

5-5- تاثير ضخامت و عرض لايه ژئومت بر کنترل آب‏شستگي اطراف کوله باله‏اي.. 93

5-6- بررسي اثر عمق جريان بر آب‏شستگي اطراف کوله باله‏اي بدون لايه
محافظ و کارايي کوله حفاظت شده با لايه ژئومت.. 98

5-7- مطالعه تاثير سرعت جريان بر آب‏شستگي اطراف کوله باله‏اي
بدون لايه محافظ و کارايي کوله حفاظت شده با لايه ژئومت 100

5-8- بررسي تاثير اندازه ذرات رسوبي و پارامتر شيلدز بر آب‏شستگي اطراف کوله باله‏اي بدون لايه محافظ و کارايي کوله حفاظت شده با لايه ژئومت و لايه ژئوبگ.. 102

فصل ششم: نتايج تحقيق و پيشنهادها

6-1- نتايج تحقيق.. 105

6-2- پيشنهادها براي کارهاي آينده.. 106

فهرست منابع.. 107

فهرست جداول

جدول 2-1- ضريب شکل‏هاي کوله پل‏ها.. 25

جدول 2-2- ضريب راستاي جريان براي زواياي مختلف برخورد 26

جدول 2-3- ضرائب رابطه پيشنهادي Melville (1992، 1995، 1997) 36

جدول 3-1- پارامتر پايداري براي سيستم هاي مختلف.. 49

جدول 5-2- پارامتر _sheilds براي سيستم هاي مختلف.. 49

جدول 5-3-مقادير پيشنهادي براي ضريب K_T. 50

جدول 3-4-الف- ضخـامت معـادل سيستم‌هاي پر شده از ماسه
(H=1 m) (Pilarczyc، a-2000).. 57

جدول 3-4-ب- ضخـامت معـادل سيستـم‌هاي پر شده از ماسه (H=2 m) 57

جدول 5-1- جزئيات شبکه‏بندي شبيه‏سازي‏ها.. 73

جدول 5-2- ميانگين سرعت و عمق جريان و ميزان خطا براي شبکه‏بندي‏هاي مختلف.. 75

جدول 5-3- مقايسه مقادير عمق متوسط، سرعت متوسط براي f_s,co=0.0005
و f_s,co=0.002. 76

جدول 5-4- مقادير ماکزيمم عمق آب‏شستگي مدل‏هاي شبیه‏سازی 81

جدول 5-5- عمق آب‏شستگي موضعي اطراف کوله قائم محافظت شده توسط ژئومت.. 83

جدول 5-6- جزئيات شبکه‏بندي مدل کوله باله‏اي.. 85

جدول 5-7- مقايسه کارايي لايه‏هاي ژئومت با ضخامت مختلف در کنترل آب‏شستگي.. 95

جدول 5-8- مقايسه کارايي لايه‏هاي ژئومت با عرض مختلف در کنترل آب‏شستگي 98

فهرست شکل‎ها

عنوان صفحه

شکل 1-1- شماي کلي کوله‏هاي با ديواره شيب‏دار و باله‏اي3

شکل 1-2- جريان عبوري از يک تنگ‏شدگي کوتاه.. 5

شکل 1-3- جريان و آب‏شستگي اطراف يک کوله و خاکريز در يک آبراهه مرکب 6

شکل 2-1- تغييرات زماني آب‏شستگي در حالت آب زلال و بستر متحرک 13

شکل 2-2- نماي شماتيک ميدان جريان اطراف کوله يک پل.. 15

شکل 2-3- تغييـرات عمق آب‏شستگي با نسبت سرعت برشي 19

شکل 2-4- تغييرات عمق آب‏شستگي ds نسبت به عمق جريان h 21

شکل 2-5- تغييرات عمق آب‏شستگي ds نسبت به طول کوله l22

شکل 2-6- تغييرات عمق آب‏شستگي ds با اندازه دانه‏هاي رسوبي d50 24

شکل 2-7- تغييرات عمق آب‏شستگي ds با دانه‏بندي رسوبات σ_g24

شکل 2-8- تغييرات نسبت عمق آب‏شستگي به طول کوله ds/l با زمان t 29

شکل 2-9- استفاده از ژئوبگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها جهت کنترل آب شستگي کوله پل‏ها 41

شکل 3-1-شکل شماتيک سنگ چين.. 47

شکل 3-2-طرز قرار گيري کيسه ها به طور شماتيک.. 53

شکل 3-3-خلاصه نتايج آزمايش پايداري براي ژئوبگ هاي قرار گرفته بر شيب (D=d).. 55

شکل 5-1- نماي کلي فلوم آزمايشگاهي Kayaturk. 70

شکل 5-2- نماي کلي مدل شبیه‏سازی در FLOW-3D.. 71

شکل 5-3- شرايط مرزي مدل.. 71

عنوان صفحه

شکل 5-4- نماي کلي مقطع عرضي شبکه‏بندي.. 73

شکل 5-5- پروفيل سطح آب در محل دماغه کوله براي چهار حالت اندازه شبکه‏بندي.. 74

شکل 5-6- خطوط هم‏تراز سرعت در نزديکي سطح بستر رسوبي 74

شکل 5-7- بردارهاي توزيع سرعت الف- ابتداي مرحله دوم شبیه‏سازی؛
ب- 5 ثانيه پس از شروع مرحله دوم.. 77

شکل 5-8- مقايسه پرفيل سرعت مدل با توزيع سرعت لگاريتمي در فواصل 1 متري
پروفيل طولي.. 79

شکل 5-9- الف- نماي کلي فلوم شبیه‏سازی؛ ب- مقطع عرضي حفره آب‏شستگي
در محل بالادست کوله؛ ج- ايجاد حفره آب‏شستگي در اطراف کوله 80

شکل 5-10- نماي سه بعدي حفره آب‏شستگي تشکيل شده در بالادست کوله 80

شکل 5-11- نماي کوله قائم حفاظت شده توسط الف) ژئومت در وجه جلوي کوله؛
ب) ژئومت در اطراف سه وجه کوله.. 82

شکل 5-12- تشکيل حفره آب‏شستگي در وجه بالادست کوله و پايين‏دست ژئومت 82

شکل 5-13- تشکيل حفره آب‏شستگي در وجه بالادست و پايين‏دست ژئومت 82

شکل 5-14- نماي کلي فلوم آزمايشگاهي.. 84

شکل 5-15- کوله باله‏اي يکپارچه از جنس پلکسي گلاس.. 84

شکل 5-16- نماي کلي مدل شبیه‏سازی در FLOW-3D.. 84

شکل 5-17- مکان‏هاي محتمل تشکيل حفره آب‏شستگي.. 86

شکل 5-18- الف- مقطع عرضي حفره آب‏شستگي؛ ب- حفره آب‏شستگي در محل کوله
(A) و پايين‏دست آن (B).. 86

شکل 5-19- نماي سه بعدي حفرات آب‏شستگي تشکيل شده.. 87

شکل 5-20- چيدمان ژئوبگ پيشنهادي.. 88

شکل 5-21- نماي کلي کوله باله‏اي محافظت شده با لايه ژئوبگ شيبدار 88

عنوان صفحه

شکل 5-22- حفره آب‏شستگي تشکيل شده در اطراف لايه ژئوبگ
الف) مدل آزمايشگاهي؛ ب) مدل شبیه‏سازی.. 90

شکل 5-23- نماي کلي مدل شبیه‏سازی کوله باله‏اي محافظت شده با ژئومت 91

شکل 5-24- حفرات آب‏شستگي تشکيل شده در اطراف ژئومت الف) پلان مدل؛
ب) مدل آزمايشگاهي؛ ج) نماي سه بعدي شبیه‏سازی عددي.. 92

شکل 5-25- نماي پلان آب‏شستگي اطراف لايه ژئومت با ضخامت الف) 22 ميليمتر؛
ب) 33 ميليمتر؛ ج) 44 ميليمتر.. 93

شکل 5-26- نماي سه بعدي آب‏شستگي اطراف لايه ژئومت با ضخامت الف) 22 ميليمتر؛
ب) 33 ميليمتر؛ ج) 44 ميليمتر.. 94

شکل 5-27- خطوط هم تراز انرژي آشفتگي در نزديکي سطح بستر رسوبي براي
کوله با لايه ژئومت الف) 22 ميليمتر؛ ب) 33 ميليمتر؛ ج) 44 ميليمتر 96

شکل 5-28- تشکل حفرات آب‏شستگي در اطراف لايه ژئومت با عرض 320 ميليمتر
الف) پلان ب) نماي سه بعدي.. 97

شکل 5-29- مقايسه ماکزيمم عمق آب‏شستگي کوله با لايه ژئومت و کوله بدون
محافظ براي سه عمق جريان 08/0، 1/0 و 12/0 متر در نواحي الف) B و B₀؛
ب) C و A₀؛ ج) D و A₀99

شکل 5-30- مقايسه ماکزيمم عمق آب‏شستگي کوله با لايه ژئومت و کوله بدون
محافظ براي سه سرعت جريان 3/0، 4/0 و 55/0 متر بر ثانيه در نواحي الف) B و B₀؛
ب) C و A₀101

شکل 5-31- مقايسه ماکزيمم عمق آب‏شستگي کوله با لايه ژئومت، کوله با لايه ژئوبگ
و کوله بدون محافظ براي دو اندازه دانه رسوب 45/0، 48/1 ميليمتر در نواحي
الف) B و B₀؛ ب) C و A₀، ج) D و A₀103

فهرست نشانه ‏هاي اختصاري

B = عرض آبراهه يا فلوم

b_d = عرض پايه پل استوانه­اي متحمل نيروي دراگي معادل با نيروي دراگ روي کوله

b_s = عرض پايه پل هم ارز

C_D = ضريب نيروي دراگ ذرات رسوبي

D = قطر پايه پل

d، d₅₀ = قطر متوسط ذرات رسوبي

d₁₆ = ذرات با قطر ريزتر از 16%

d_50a = d_max / 1.8

d₈₄ = ذرات با قطر ريزتر از 84%

= نسبت عمق آب‏شستگي در محل کوله به نسبت عمق آب‏شستگي در تنگ­شدگي طويل هم ارز

d_max = ماکزيمم اندازه ذرات رسوبات غير يکنواخت

d_s = عمق آب‏شستگي تعادلي رسوبات يکنواخت

d_st = عمق آب‏شستگي در زمان t

F_d =، عدد فرود densimetric

F_r= ، عدد فرود جريان عبوري

F_rc = ، عدد فرود جريان عبوري متناظر با سرعت بحراني

f₁ = ضريب شکاف Lacey؛ 1.76d^0.5

g = شتاب ثقل

h = عمق جريان عبوري

h^* = عمق جريان در دشت سيلابي

K_1,2، k_1,2 = ضرائب

K_d = ضريب اندازه ذرات

K_hl = ضريب عمق جريان – طول کوله

K_I = ضريب شدت جريان

K_s، K_s^* = ضريب شکل کوله و ضريب شکل کوله تصحيح شده

K_θ، K_θ^* = ضريب زاويه قرار­گيري کوله نسبت به جريان و ضريب زاويه قرار­گيري کوله نسبت به جريان تصحيح شده

K_σ = تابع وابسته به σ_g

L_R = طول reference، l^2/3h^1/3

l = طول عرضي يا طول جلو­آمدگي کوله

l^* = عرض دشت سيلابي

M = نرخ دبي

m = ضرائب وابسته به اندازه ذرات رسوبي

N، N^* = ضرائب زبري مانينگ به ترتيب براي آبراهه و دشت سيلابي

N_s = عدد شکل

n = متغير­هاي وابسته به اندازه ذرات رسوبي

Q = دبي طرح

q = شدت دبي

= r/l

s = چگالي نسبي ذرات رسوبي

T = مدت زمان رسيدن به عمق آب‏شستگي تعادلي

T_R = مدت زمان بي­بعد،

T^* = زماني که

t = مدت زمان

U = سرعت متوسط جريان عبوري

U_a = 0.8U_cn

U_c = سرعت بحراني براي ذرات رسوبي

U_cn = سرعت بحراني براي اندازه ذرات لايه آرمور، d_50a

u، v، w = مولفه­هاي متوسط زماني سرعت در جهات (x, y, z) يا (θ, r, z)

= u / U

u_* = سرعت برشي جريان عبوري

u_*c = سرعت برشي بحراني براي ذرات رسوبي

u_*cn = سرعت برشي بحراني براي اندازه ذرات لايه آرمور، d_50a

= v / U

= w / U

w_s = سرعت ته­نشيني ذرات رسوبي

X =

= x / l

x_d = d_st / d_s

x، y، z = مختصات کارتزين

= y / l

= z / l

α = نسبت باز­شدگي، 1 – l / B

= s – 1

ϕ_s = زاويه شيب ديواره حفره آب‏شستگي

_1-3η= ضرائب

θ، r، z = مختصات استوانه­اي قطبي

θ_a = زاويه برخورد

θ_c = تابع entrainmentشيلدز،

θ_t = زاويه چرخش بين مسير جريان زيرين و جهت جريان اصلي،

ρ،ρ_s= به ترتيب چگالي جرمي آب و ذرات رسوبي

σ_g = انحراف معيار هندسي

τ₀ = تنش برشي بستر ناشي از جريان عبوري

τ_c = تنش برشي بحراني ذرات رسوبي

τ_cont = تنش برشي ناشي از تنگ­شدگي

= تنش برشي بستر ناشي از تنگ­شدگي،

τ_nose = تنش برشي بستر در محل دماغه کوله

= ضريب تشديد تنش برشي بستر تنها به علت وجود کوله، τ´_nose / τ₀

τ´_nose = تنش برشي تنها به علت وجود کوله

= ضريب تشديد کلي تنش برشي در محل کوله با ديواره قائم، τ_nose / τ₀

فصل اول

مقدمه

1-1- انواع کوله پل‏ها، مکانيابي و ساخت

اگر­چه مورفولوژي آبراهه­هاي رودخانه­اي از يک محل به محل ديگر تفاوت­هاي اساسي دارند، اما کوله پل‏ها خصوصيات عمومي واحدي دارند که مي­توان از آن براي تعريف نوع آن­ها جهت پيش­بيني ميدان جريان در هندسه آبراهه­هاي مختلف استفاده نمود. خصوصيات عمومي کوله پل‏ها را مي­توان در قالب نوع کوله، مکان­يابي عمومي خاکريز دسترسي و وضعيت ساخت کوله تعريف نمود. هر­يک از اين خصوصيات، به همراه هندسه آبراهه و نوع رسوب بستر، تاثير زيادي بر ميدان جريان اطراف پل و در نتيجه آب‏شستگي خواهند داشت.

1-1-1- انواع کوله پل‏ها

به طور کلي کوله پل‏ها را مي­توان به سه نوع اصلي تقسيم­بندي نمود:

1) کوله با ديواره شيب­دار[1] (رايج­ترين نوع)

2) کوله باله­اي[2]

3) کوله با ديواره قائم

در کوله­هاي با ديواره شيب­دارکناره­ها مانند وجه روبرو شيب­دار هستند (معمولا با زاويه­اي کمتر از زاويه قرار­گيري[3] مصالح استفاده شده در خاکريز)؛ و گوشه­هاي متصل کننده وجوه و کناره­ها مانند قسمتي از يک مخروط گرد مي­شوند (شکل 1-1). در کوله­هاي باله­اي نيز وجوه کناري خاکريز شيب­دار هستند، اما وجه روبرو عمودي است. زاويه بين وجه روبرو و باله­ معمولا ˚45 مي­باشد؛ گر­چه زاويه­هاي ديگري نيز به کار برده مي­شوند. به علت اتصال ناگهاني باله­ به وجه روبرويي، يک گوشه تيز تشکيل شده که باعث مي­شود جريان نسبت به کوله­هاي با ديواره شيب­دار کمتر آب­لغز[4] باشند (شکل 1-1) . در کوله با ديواره قائم، هم وجوه کناري و هم وجه روبرويي به صورت عمودي است. زاويه وجوه کناري و روبرويي، ˚90 است