پایاننامه عمران سازه هیدرولیکی آبشستگی حفاظت سازه هیدرولیکی رودخانه ای

۱۳۰ هزار تومان ۹۵ هزار تومان
افزودن به سبد خرید

جهت خرید و دانلود پایاننامه عمران سازه هیدرولیکی آبشستگي حفاظت سازه هيدروليكي رودخانه اي روی آیکون افزودن به سبد خرید یا با ایمیل زیر در ارتباط باشید.

sellthesis@gmail.com


پایان‌نامه ارشد مهندسی عمران سازه های هیدرولیکی بررسي آبشستگي و روش هاي حفاظت پايين دست سازه هاي هيدروليكي رودخانه ای


پایاننامه عمران سازه هیدرولیکی آبشستگي حفاظت سازه هيدروليكي رودخانه اي


چکیده

رودخانه میناب مهمترین رودخانۀ آب شیرین استان هرمزگان می باشد. این رودخانه زهکش آبهای سطحی حوزۀ آبریز میناب است و بر روی آن دو پل، که اولی مسیر ارتباطی ورودی شهر میناب و دومی به فاصلۀ 1500 متر بعد از پل اول در مسیر کمربندی میناب- جاسک ساخته شده است. موضوع این تحقیق، بررسی پدیدۀ آبشستگی بر روی پایه های پل دوم میناب است. تأثیر پدیدۀ آبشستگی بر روی سازه های آبی از جمله پل ها، از مباحث مهم در مهندسی عمران و مهندسی رودخانه می باشد، پل‌ها از قدیمي‌ترین سازه‌های مهندسی هستند. یکی از مهمترین عوامل تخریب پل‌ها، مسئله آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های آن مي‌باشد. اين نوع فرسايش با حفره‌اي كه در اطراف سازه شكل مي‌گيرد، قابل شناسايي است. اين حفره در صورت گسترش در عمق مي‌تواند باعث خرابي و در نهايت ريزش پل گردد. برای بررسی دقیق جریان و پیش بینی آبشستگی موضعی در اطراف پایه های پل، نیاز به فهم دقیق الگوی جریان در اطراف پایه ها است. با شناخت کامل جریان می توان با حل معادلات حاکم، میدان جریان را به طور کامل مدل کرده و به همراه حل معادلات انتقال رسوب و با تکیه بر پیشرفت های چشمگیر در علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، روش دقیق برای تخمین آبشستگی موضعی در اطراف این سازه ها بدست آورد. در تحقیق پیش رو، شبیه‌سازی انجام گرفته، با استفاده از نرم افزار Flow-3d که نرم افزاری توانمند در شبیه سازی آشفتگی جریان به صورت سه بعدی است صورت گرفته، برای این منظور با استفاده از مدل Shallow water، مشخصه های جریان شامل سطح آب،سرعت، فشار و غیره را در اثر عبور دبی با دوره بازگشت صد ساله (m^3/s 2723) در محدوده ابتدای پل اول تا 100 متر پایین دست پل دوم رودخانه میناب محاسبه شد. سپس با استفاده از مدل Sediment scour به صورت 3 بعدی به بررسی میزان توسعه ی فرآیند آبشستگی در اطراف پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته شد. نتایج نشان می دهد که بیشترین آبشستگی در پایه های سوم، چهارم و پنجم اتفاق می افتد.

کلمات کليدي: آبشستگی موضعی، دینامیک سیالات محاسباتی، پل رودخانه میناب، مدل Flow-3D.


فهرست مطالب

عنوان  صفحه
چکیده

فصل اول – کلیات تحقیق
1-1-ضرورت و اهداف تحقیق3
1-2- فرضیه های تحقیق:5
1-3- روش تحقیق5
1-4- ساختار تحقیق6

فصل دوم – مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1- آبشستگی8
2-1-1- انواع آبشستگی از نظر بوجود آمدن8
2-1-1-1- آبشستگي عمومي8
2-1-1-2- آبشستگي انقباضي8
2-1-1-3- آبشستگی موضعي9
2-1-2- انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب10
2-1-2-1- آبشستگي آب زلال10
2-1-2-2- آبشستگي در حالت بستر متحرك(زنده)10
2-1-3- آبشستگی کلی13
2-2- مکانيزم آبشستگي در اطراف سازههاي آبي13
2-3- روش های مطالعه و بررسی پدیده آبشستگی17
2-3-1- روش تئوری17
2-3-2- روش تجربی17
2-3-3- روش عددی18
2-4- پیشینه تحقیق19
2-4-1- مروری بر مطالعات انجام گرفتۀ آزمایشگاهی در جهان و ایران19
2-4-2- مروری بر مطالعات عددی آبشستگی پایه پل در جهان و ایران طی چند سال اخیر27
2-4-3- مروری بر مطالعات انجام شده بر روی رودخانۀ میناب در سالیان گذشته31

فصل سوم (معادلات حاکم و روش حل آنها)
3-1- معرفی نرم افزار Flow-3D:33
3-2- معادلات حاکم بر جریان:35
3-3 مدلسازی تلاطم توسط نرم افزار Flow3D:38
3-4- انتقال رسوب42

فصل چهارم (مواد و روش ها)
4-1- معرفی منطقه مورد مطالعه49
4-1-1- معرفی پل دوم رودخانه میناب:49
4-2- مورفولوژی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب50
4-3- زمین شناسی رودخانه میناب (از محل سد استقلال تا پل دوم رودخانۀ میناب)51
4-4- هیدرولوژی حوزه آبخیز میناب51
4-5- برآورد آبدهی در محل سد میناب52
4-6- پوشش گیاهی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب53
4-7- اندازه گیری دادههای میدانی و آزمایشگاهی مورد نیاز مدل های نرم افزاری54
4-7-1- تهیه نقشه های توپوگرافی بزرگ مقیاس از بازه مورد مطالعه54
4-7-2- نمونه برداری رسوب بستر و دیواره رودخانه55
4-7-2-1- آزمایش دانه بندی رسوب55
4-7-2-2- وسایل مورد نیاز55
4-7-2-3 روش آزمایش55
4-7-3- تعيين ضريب زبری بر اساس، بازديدها و نتيجه هاي دانه‌بندي مواد بستر و پوشش گیاهی57
4-7-4- مشخصات رسوبات بستری57
4-7-4-1- قطر متوسط ذرات) (d50:57
4-7-4-2- دانسیتۀ رسوبات:.57
4-7-4-3- ضریب دراگ: 57
4-7-4-4- تخلخل:57
4-8- تهیه مدل:57
4-8-1-مقطع کنترل:57
4-8-2- شرح روش:58
4-8-3 تعریف مدل Shallow water:58
4-8-4- مدل CCHE2D59
4-8-4-1- داده های مورد نیاز مدل CCHE GUI :60
4-8-5- واسنجی مدل60
4-8-6- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow-3Dبرای تهیه مدل Shallow water:65
4-8-6-1- زمان:65
4-8-6-2- نیروی ثقل و Shallow water):66
4-8-6-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد:66
4-8-6-4- هندسه مدل:66
4-8-6-5- مش بندی:67
4-8-6-7- شرایط مرزی:68
4-8-7- ورود اطلاعات به نرم افزار Flow3Dبرای تهیه مدل Sediment scour:69
4-8-7-1- زمان:69
4-8-7-2- نیروی ثقل،، ویسکوزیته، مدل اغتشاش و Sediment scour:69
4-8-7-3- مشخصات فیزیکی سیال، سیستم واحد:70
4-8-7-4- مش بندی:70
4-8-7-5- شرایط مرزی:71

فصل پنجم (بحث و نتیجه گیری)
5-1- بررسی جریان در محدودۀ مورد مطالعه:73
5-2- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 2،1و376
5-2-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان76
5-2-2- بررسی آبشستگی77
5-2-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه ها ی 1 تا 3 :79
5-3- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 4،5و680
5-3-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان80
5-3-2- بررسی آبشستگی81
5-3-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 4 تا 683
5-4- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 7،8،9و1085
5-4-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان85
5-4-2- بررسی آبشستگی86
5-4-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 7 تا 1088
5-5- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 10 تا 1589
5-5-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان89
5-5-2- بررسی آبشستگی،90
5-5-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 11 تا 1592
5-6- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 1994
5-6-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان94
5-6-2- بررسی آبشستگی95
5-7- نتیجه گیری96
5-8-پیشنهادات:97
منابع 100


آبشستگی

به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پایین دست سازه های هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریان های متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر نسبت به بستر اولیه را عمق آبشستگی می نامند. (–، 1373)

انواع آبشستگی از نظر بوجود آمدن

آبشستگی حاصل از جریان رودخانه در پل‌ها را می‌توان از این منظر به سه نوع تقسیم نمود:

آبشستگي عمومي

اين نوع آبشستگي زماني رخ مي دهد كه جريان در بازه اي از رودخانه قادر باشد ذرات بستر را در طول مسير جابجا و با خود حمل كند كه باعث كاهش تراز بستر رودخانه در همان بازه مي شود. آبشستگي عمومي شامل موارد زير مي شود: (–،.1390)
پايين افتادگي تراز رودخانه
مهاجرت جانبي رودخانه جابجايي رودخانه در پلان
آبشستگي در قوس رودخانه ها و پيچانرودها
آبشستگي در محل اتصال رودخانه ها و انشعابات

آبشستگي انقباضي

وقتي بازه رودخانه دراثر احداث ديواره‌هاي هادی، آبشكن، پايه‌هاي پل، گوشواره‌‌ها يا خاکريز سيل بند محدود و تنگ شود، انرژي اضافي ناشي از افزايش سرعت و تنش برشي صرف حمل رسوبات كف مي‌شود به طوري كه تراز بستر رودخانه در بازه مورد نظر پايين افتاده و پديده آبشستگي انقباضي رخ مي‌دهد. (–.1390).

آبشستگی موضعي

آبشستگي موضعي ناشي از برخوردمستقيم آب به سازه هيدروليکي مي‌باشد. اين آبشستگي در اثر افزايش شدت تلاطم موضعي ناشي از تغيير شرايط جريان در پايين دست سازه‌هاي هيدروليکي مانند حوضچه‌هاي آرامش، سرريز آزاد، باکت پرتابي و همچنين دراطراف سازه‌هايي نظيرپايه پل و نوک آبشكن‌ها ايجاد مي‌شود. (–، 1384).

مکانيزم آبشستگي در اطراف سازه‌هاي آبي

طراحي مطمئن و اقتصادي سازه‌هاي آبي مستلزم آشنايي با مکانيزم آبشستگي در اطراف سازه و پيش‌بيني دقيق حداکثر عمق آبشستگي در اطراف آن‌ها مي‌باشد. بررسي فرآيند آبشستگي در اطراف سازه‌هاي آبي از جمله پايه‌هاي پل در سراسر جهان توسط متخصصين در حالات مختلف انجام گرفته است لذا محققين زيادي مسئلۀ آبشستگي در اطراف اين نوع سازه‌ها را در جنبه‌هاي مختلف مانند، عمق تعادل و تغييرات زماني آبشستگي، آبشستگي در شرايط آب زلال و بستر زنده، همچنين آبشستگي در رسوبات يکنواخت و غير يکنواخت مورد بررسي قرار داده‌اند (–، 1383). وجود يک سازه آبي به طور مثال وجود پايه پل در بستر رودخانه موجب مي‌گردد تا سرعت جريان در برخورد به سازه، در سطح بالادست سازه صفر شود و يک جدايي سه بعدي در لايه مرزي جلوي سازه را موجب ‌گردد. با توجه به اينکه سرعت جريان از سطح آب تا بستر از ماکزيمم مقدار خود به صفر کاهش مي‌يابد، لذا مقدار فشار ايستايي نيز متناسب با سرعت از سطح آزاد آب به سمت بستر کاهش مي‌يابد و اين گردايان فشار باعث ايجاد جريان رو به پايين مي‌گردد. جريان روبه پايين به علت وجود گراديان فشار ايستايي منفي روبه پايين از جريان غير‌يکنواخت رسيده به سطح بالادست توسعه مي‌يابد. برهم کنش بين جريان روبه پايين و لايۀ مرزي افقي روي بستر، باعث ايجاد گردابه در جريان مي‌گردد. اين دو سيستم به دور سازه پيچيده و به شکل نعل اسب (در پلان) اطراف سازه را احاطه مي‌نمايند. از اين رو گردابه ايجاد شده به گرداب نعل‌اسبي شناخته مي‌شود. اين گردابه تأثير قابل توجهي در فرآیند آبشستگي در بستر مجاور سازه‌هاي آبي دارد. در شکل(2-7)، اين گرداب به تصوير کشيده شده است. گرداب نعل‌اسبي از سطح بالادست سازه در جلو سازه ايجاد و با شتاب ثانويه جريان در طرفين پيشاني سازه ايجاد مي‌گردد. تأثير گرداب نعل‌اسبي بر روي بستر، جابجايي مواد از کنار سازه مي‌باشد. سرعت حمل رسوبات از اطراف ناحيه اصلي آبشستگي بيشتر از درون ناحيۀ آبشستگي است و در نتيجه گودال حاصل از آبشستگي گسترش مي‌يابد. هنگامي که عمق آبشستگي افزايش يافت، قدرت گرداب نعل‌اسبي کاهش يافته و به موجب آن سرعت حمل مواد نيز از ناحيۀ تحت تأثير کاهش مي‌يابد. در آبشستگي بستر زنده، تعادل زماني برقرار مي‌گردد که حجم مواد ورودي به جريان و خروجي از آن برابر گرديده و آبشستگي متوقف شود. در آبشستگي آب زلال، آبشستگي زماني متوقف مي‌گردد که تنش برشي ايجاد شده توسط گرداب نعل‌اسبي مساوي تنش برشي بحراني ذرات بستر در ته سوراخ آبشستگي شود.

مطالعات آزمایشگاهی پیرامون آبشستگی در ایران

— و همکاران (١٣۹٠)، به بررسی آزمایشگاهی تاثیر مشخصات هندسی پایه بر عمق بیشینه آبشستگی موضعی پایه پل پرداخته اند. آزمایش هایی به منظور بررسی شکل پایه بر بیشینه آبشستگی موضعی بر روی یک کانال آزمایشگاهی به عرض٤0 سانتی متر، ارتفاع ٤٠سانتی متر و طول۹ متر و با استفاده از پایه با مقطع دایره ای به قطر ٣٥ میلی متر، پایه مستطیلی با دماغه نیم دایره و ردیف پایه استوانه-ای در شرایط آب زلال و رسوب یکنواخت انجام شد. سپس بیشینه عمق آبشستگی و الگوی نهایی آبشستگی در اطراف این سه شکل مختلف پایه بررسی و نتایج با یکدیگر مقایسه شدند.

مروری بر مطالعات عددی آبشستگی پایه پل در جهان و ایران طی چند سال اخیر

گستردگی تحقیقات صورت گرفته در چند دهه اخیر به منظور دستیابی به روابط تجربی جهت تخمین حداکثر عمق آبشستگی موضعی در اطراف پایه‌های پل حاکی از عدم قطیعت این روابط در تخمین حداکثر عمق آبشستگی در باره مدل‌های واقعی می‌باشد چرا که تمامی این روابط از معادلات حاکم بر نمونه‌های آزمایشگاهی حاصل شده است. بنابراین لزوم دستیابی به روشی جهت درک و کشف روابط بین پارامترهای موجود در پدیده آبشستگی بیش از پیش احساس می‌‌شود. در ادامه به بیان پیشینه‌ای از تحقیقات و مطالعات عددی صورت گرفته در زمینه آبشستگی پایۀ پل پرداخته می شود.

مطالعات عددی پیرامون آبشستگی در جهان

— و همکاران (2000)، شبیه‌سازی عددی را برای پایه‌های دایره‌ای و مستطیلی با مدل LES انجام دادند. آنها اظهار داشتند که جریان پایین رونده در مقابل پایه شکل می‌گیرد و این پدیده باعث شکل‌گیری گرداب نعل اسبی می‌گردد. آنها همچنین نتایج آشفتگی ضریب لیفت و ضریب دراگ را با نتایج بدست آمده از آزمایشات انجام شده مقایسه نمودند، که هماهنگی خوبی مشاهده شد…

مرور

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.