بررسی آزمایشگاهی اثر شمع در کاهش آبشستگی پایه‌ی پل دوکی شکل

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

دوره 14، شماره 51، بهمن 1400، صفحه 129-146   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2022.26619.2281

نویسندگان

علی نیکنام¹؛ محمد حیدرنژاد^{* 2}؛ علیرضا مسجدی²؛ امین بردبار³

¹دانشجوی دکتری، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز ، دانشگاه آزاد اسلامی ، اهواز، ایران

²دانشیار گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

³استادیار گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

تاریخ دریافت: 03 آذر 1399،  تاریخ بازنگری: 18 بهمن 1399،  تاریخ پذیرش: 29 دی 1400 

چکیده

مقدمه: مسئله آبشستگی یکی از مهمترین مسائل در بحث مهندسی رودخانه می­باشد. سالانه تعداد بسیار زیادی از پل­ها در سراسر جهان تخریب می‌شوند که عمدتا به دلیل عدم در نظر نگرفتن نقش هیدرولیکی در طراحی آنها می­باشد. از جمله روش‌های کنترل و کاهش آبشستگی موضعی می‌توان از استفاده از زبری‌ها، طوق، صفحات مستغرق و شمع‌های حفاظتی نام برد. در پژوهش حاضر به بررسی تأثیر شمع‌های حفاظتی در کنترل و کاهش آبشستگی در اطراف پایه‌ی دوکی پرداخته شده است.
روش­: برای انجام این پژوهش آزمایشگاهی، از فلومی با مقطع مستطیلی به عرض و ارتفاع 5/0 و 6/0 متر و از جنس پلکسی­گلاس در دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز استفاده شده است. آزمایش‌ها با نصب 5 شمع با زاویه­های مختلف و فاصله نسبی مختلف انجام شد. آزمایش‌ها شامل 36 آزمایش با نصب شمع و 4 آزمایش شاهد بدون شمع می‌باشد. مجموعا" 40 آزمایش­ انجام شد.
یافته‌ها و نتیجه­گیری: نتیجه­های پژوهش آزمایش‌ها نشان دادند با نصب 5 شمع با زاویه‌ی 30 درجه و با فاصله نسبی 5/0 (L/D)=، شاهد 20% کاهش آبشستگی نسبت به پایه‌ی دوکی بدون شمع می‌باشد. این کاهش آبشستگی به دلیل منتقل شدن رسوبات اطراف شمع به سمت پایه ی و جمع شدن رسوبات در وسط شمع­ها و
جلوی پایه‌ی دوکی می­باشد. دلیل دیگر، تغییر رژیم جریان و کاهش سرعت و گردابه در جلوی پایه ی­ دوکی می­باشد که این نیز به نوبه خود باعث کاهش آبشستگی شده است. همچنین افزایش سرعت نسبی (V/Vc) (سرعت جریان به سرعت بحرانی) از 54/0 به 95/0 به‌طور متوسط باعث افزایش آبشستگی به میزان 4/165% شده است.

کلیدواژه‌ها

پایه‌ی پل؛ دوکی؛ شمع؛ آبشستگی

عنوان مقاله [English]

Laboratory Study of the Effect of pile in Reducing the scure of of spindle-shaped Bridge pier

نویسندگان [English]

Ali Niknam¹؛ Mohammad Heidarnejad²؛ Alireza Masjedi²؛ Amin Bordbar³

¹Ph.D. Student. Department of Water Science Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.

²Associate Prof. Department of Water Science Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.

³Assistant Prof. Department of Water Science Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.

چکیده [English]

Scour is among the most critical topics in river engineering. A large number of bridges around the world are destructed mainly due to ignoring the hydraulic function in the design of bridges. The use of roughness, collars, submerged plates, and protective piles are among the methods for controlling and reducing local scouring. This study investigated the effect of protective piles in controlling and reducing scouring around spindle-shaped piers. According to the experimental results, by installing 5 piles at an angle of 30˚ with a relative distance (L/D) of 0.5, scouring decreased by 20% relative to the pile-less spindle-shaped pier. This scour reduction can be attributed to the transport of sediments around the pile toward the pier and accumulation of sediments in the middle of piles and in front of the spindle-shaped pier. The other factor reducing local scour is the change in the flow regime and reduced velocity and vortices in front of the spindle-shaped pier. Moreover, as the relative velocity (V/Vc, the ratio of the flow velocity to the critical velocity) increased from 0.54 to 0.95, scouring increased by 165.4% on average. The water flow colliding the spindle-shaped pier and the formation of a downward flow cause scouring. An increase in the flow velocity also increases the vertical velocity and vortices and thereby scouring. The mathematical model simulated by Flow-3D is consistent with the physical model showing an acceptable error rate of 4.3%.

کلیدواژه‌ها [English]

Spindle-shaped bridge base, pile, scour

مراجع

1. Mahmoudi, S. A. H., Heidarpour, M. Evaluate the performance of the control and reduction of scour protection of bridge piers cylindrical candles. Journal of Construction Engineering and Management, 2016; 1(3):7-11.
2. EL-Ghorab, E.A. Reduction of scour around bridge piers using a modified method for vortex reduction. Alexandria Engineering Journal, 2013; 52(3): 467-478.
3. Placzek, G., Haeni, F. Surface-geophysical techniques used to detect existing and infilled scour holes near bridge piers. US Department of the Interior, US Geological Survey. 1995
4. Ghasemi, M., Soltani-Gerdefaramarzi, S. The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using FLOW-3D. Journal of Hydroscience and Environment,2017; 1(2): 46-54.
5. Wang, S., Wei, K., Shen, Z., Xiang, Q. Experimental Investigation of Local Scour Protection for Cylindrical Bridge Piers Using Anti-Scour Collars. Water, 2019; 11(7): 1515.
6. Namaee, M.R., Sui, J., Wu, P. Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge Piers under Ice-Covered Flow Conditions. In Book: The Fluvial Processes and Forms-Dynamics, Delineation and Conservation.2019.
7. Moussa, Y.A.M., Nasr-Allah, T.H., Abd-Elhasseb, A. Studying the effect of partial blockage on multi-vents bridge pier scour experimentally and numerically. Ain Shams Engineering Journal, 2018; 9(4): 1439-1450.
8. Chen, S.C., Tfwala, S., WU, T-Y., Chan, H-C., and Chou, H-T. A hooked-collar for bridge piers protection: Flow fields and scour. Water, 2018; 10(9): 1251.
9. Singh, C., Setia, B., Verma, D. Collar-sleeve combination as a scour protection device around a circular pier. Proceedings of the Congress International Association for Hydrailic Research. 2001.
10. Chiew, Y.M. Scour protection at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 1992; 118(9): 1260-1269.
11. Zarrati, A.R., Gholami, H., Mashahir, M. Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. Joural of Hydraulic Research, 2004; 42(1): 97-103.
12. Tafarojnoruz, A., Gaudio, R., Calomino, F. Evaluation of flow-altering countermeasures against bridge pier scour. Journal of Hydraulic Engineering, 2012; 138(3): 297-305.
13. Ismael, A., Gunal, M., Hussein, H. Use of Downstream-Facing Aerofoil-Shaped Bridge Piers to Reduce Local Scour. International Journal of Civil Engineering and Technology,2014; 5(11):44-56.
14. Amini, A., and Eghbalzadeh, A. Laboratory study of the effect of pile arrangement on scour depth in bridge piers. Iraninan Water Reserchers Journal, 2012; 6 (11):95-103.
15. Azam, N., and Ghomeshi, M. Influence of sacrificial piles on scour reduction of cylindrical bridge pier. Water and Soil Science, 2013; 23(3): 123-134 .
16. Zomorodian, S.M.A., Ghaffari, H., Ghasemi, Z. 2017. Separated and combined effects of collar and sacrificial pile on scour reduction of bridge piers group. Iran. Journal of Soil & Water Research, 2017; 48 (4): 879-890.
17. Shahsavanpour, F., Ershadi, S., Olyaee, N. Numerical modeling of scour reduction of pile group with collar and the effect of collar height on scour depth. Proceedings of the 6th Congress of Civil Engineering Ministry of Science, Research and Technology, Babol School of Civil Engineering, Iran. 2014.
18. Bitarnejad Shirazi, R., and Heidarpour, M. Investigation of the performance of protective piles in rectangular bases of round noses with different length to width ratios on the amount of scour. Proceedings of the Conference Civil Engineering Archit. Urban Development of Islamic World Country. Iran, Tabriz, Azarbaijan Shahid Madani University, Sahand University of Technology.2018.
19. Chiew, Y-M., Melville, B.W. Temporal development of local scour at bridge piers. In North American Water and Environment Congress & Destructive Water. Anaheim, California, United States.1999.
20. Donat, M. Bioengineering techniques for stream bank restoration: A review of central European practices. Ministry of Environment, Lands, and Parks and Ministry of Forests, British Columbia. Watershed Restoration Project Report.1995.
21. Oliveto, G., Hager, W.H. Temporal evolution of clear-water pier and abutment scour. Journal of Hydraulic Engineering, 2002; 128(9): 811-820.
22. Ettema, R., Melville, B.W., and Barkdoll, B. Pier width and local-scour depth. In North American Water and Environment Congress & Destructive Water (ASCE).1991.
23. Dongol, D.M.S. Local scour at bridge abutments. Department of Civil Engineering, University of Auckland.1994.
24. Raudkivi, A.J., The roughness height under waves. Journal of Hydraulic Research, 1988; 26(5): 569-584.
25. Ettema, R. Scour at bridge piers. Volume 216 of Report/University of Auckland.pp.527.