شبیه سازی عددی اثرات ژئوتکنیکی بر آبشستگی موضعی در اطراف گروه پایه کج با استفاده از نرم افزار Flow-3D

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

دوره 15، شماره 52، اردیبهشت 1401، صفحه 129-144   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2021.20404.2114

نویسندگان

رامتین صبح خیز¹؛ علیرضا مردوخ پور^{* 2}

¹دانشجوی دکتری گروه عمران، دانشگاه فم ، فم ، ایران

²استادیار گروه عمران ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان، لاهیجان، ایران

تاریخ دریافت: 12 بهمن 1397،  تاریخ بازنگری: 25 اسفند 1399،  تاریخ پذیرش: 10 شهریور 1400 

چکیده

مقدمه: با قرارگیری پایه پل در مقابل جریان، گردابه­هایی در مقابل آن شکل گرفته که در نتیجه فعالیت آن­ها مواد بستر پیرامون پایه فرسایش یافته و چاله آبشستگی شکل می­گیرد و در صورت کافی نبودن عمق پی و شمع­های پایه پل، شکست پل را به دنبال خواهد داشت. با پیشرفت فتاوری طراحی و ساخت سازه­ها، شاهد ساخت پل­ها با اشکال مدرنی بوده که از جمله آن­ها می­توان به پل­های با گروه پایه­های کج اشاره کرد.
روش­: با توجه به اهمیت شناخت مکانیزم­های موثر بر آبشستگی این نوع از پایه­های پل، در پژوهش حاضر به بررسی تاثیر شکل هندسی شمع­های قرار گرفته در زیر پایه­های کج و رقوم کارگذاری سرشمع در بستر رسوبی بر روی مشخصات آبشستگی اطراف گروه پایه کج به صورت عددی و با نرم­افزار FLOW-3D پرداخته شد.
یافته­ها: در گام اول از طریق مقایسه و صحت سنجی نتایج عددی نمودار توسعه زمانی حداکثر عمق آبشستگی در زمان­های مختلف و در اطراف گروه پایه کج با نتایج آزمایشگاهی اسمعیلی­ورکی و همکاران (1392) بیشترین درصد خطای نسبی و مقدار RMSE به ترتیب به مقدار 25/9 درصد و 091/0 محاسبه گردید و مشاهده گردید که تطابق نسبتا خوبی بین مقادیر حل عددی و آزمایشگاهی برقرار بود. در گام بعدی با بررسی الگوی جریان اطراف گروه پایه­ها مشخص گردید با تغییر تراز کارگذاری سرشمع در بستر رسوبی گردابه های تشکیل شده در بین پایه اول و دوم گروه پایه متفاوت بوده و هر چه تراز کارگذاری نزدیک به بستر و یا بالاتر از آن قرار گیرید گردابه­ها تشکیل شده با قدرت بیشتری بر روی بستر اطراف گروه پایه کج تاثیر می­گذارد. با بررسی تنش برشی کل ایجاد شده در بستر جریان در تراز­های مختلف سرشمع مشاهده گردید که بیشترین تنش برشی در حالت کارگذاری سرشمع در تراز بستر رخ می­دهد و با قرار گیری تراز کارگذاری سر­شمع به تراز پایین­تر از بستر، بیشینه تنش برشی کاهش می­یابد. علت این امر می­تواند ناشی از افزایش فاصله بین گروه­ پایه­ها باشد بطوریکه وجود پایه دوم باعث کاهش الگوی جریان تشکیل شده در گروه پایه شده و عملکرد گروه پایه بصورت دو پایه مستقل در تشکیل الگوی جریان رفتار می­کنند.
 نتیجه­گیری: بررسی پروفیل طولی آبشستگی اطراف گروه پایه کج مشاهده گردید که شمع دوکی­شکل نسبت به سایر شکل شمع­ها اثر بهتری در کاهش آبشستگی از خود نشان می­دهد. بطوریکه حداکثر عمق آبشستگی ایجاد شده در اطراف گروه پایه کج با حضور شکل دوکی شمع، مستطیلی و مستطیلی گرد گوشه حداکثر عمق آبشستگی 61/19، 11/14 و 45/6 درصد نسبت به شکل استوانه­ای شمع کاهش پیدا می­کند. نکته قابل ذکر این که هر چه دماغه شمع آئرودینامیکی و تیز باشد کنترل گرداب­های نعل اسبی بهتر عمل می­کند و این امر باعث کاهش عمق آبشستگی در اطراف گروه پایه کج می­گردد.

کلیدواژه‌ها

آبشستگی؛ رقوم کارگذاری سرشمع؛ شکل هندسی شمع؛ گروه پایه کج؛ Flow-3D

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of the Geothechnical Effects on Local Scour in Inclined Pier Group with FLow-3D Softaware

نویسندگان [English]

Ramtin Sobhkhiz¹؛ Alireza Mardookhpour²

¹PhD Student of Civil Engineering Department, University of Qom, Qom, Iran

²Assistance Professor of Civil Engineering Department, Lahijan Branch, Islamic Azad University, Lahijan, Iran

چکیده [English]

When the bridge piers are located in front of the water flow, vortices are formed against it and due to their activity, the materials of the river bed are eroded around the bridge piers and the scouring hole is created. If the foundation depth and bridge pier piles are insufficient, the bridge will fail.The study of total shear stress in the flow bed at different leveling of the pile caps shows that the highest shear stress is created when the pile cap position is at the same level as the river bed; by installing the pile cap at a lower level than the river bed, the maximum shear stress decreases. This may be due to the fact that in this case, the distance between the pier group increases and the presence of the second pier decreases the flow rate in the pier group and different pier in the one pier group acts as the two independent piers in the formation of the flow pattern. By comparing the final longitudinal sections of the scouring at different leveling of the pile cap, it is concluded that the largest reduction in scouring depth occurs in aerofoil-shaped pile caps and pile caps with the sharper nose and better aerodynamic shapes are good options to control the horseshoe vortices and will reduce the scouring depth around the inclined pier group.

کلیدواژه‌ها [English]

Scour, Crop processing digits, Pile geometry shape, Inclined pier group, FLOW-3D

مراجع

1.       Rahimi E, Qaderi K., Rahimpour  M, Ahmadi M. 2018. Effect of Debris on Piers Group Scour: Experimental Study. KSCE Journal of Civil Eng, 22(4):1496-1505.

2.        Yazdani A, Hoseini K, Karami H .2019. Investigation of Scouring of Rectangular Abutment in a Compound Channel Under Unsteady Flow, Amirkabir Journal of Civil Engineering

3.       Fathi A, Zomorodian A .2018. Effect of Submerged Vanes on Scour around a Bridge Abutment. KSCE Journal of Civil Eng, 22(7): 2281-2289

4.        Hosseini S., Esmaili Varki M, Fazl Oli R. 2014. Laboratory study of scouring around inclined base group located on pile group, 13th Iran Hydraulic Conference, University of Tabriz[In Persian].

5.        Valizadeh R , Arman A.2019. 3D Numerical Simulation of Shear Stress in Rectangular Compound Channel using Ansys Fluent Model, Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 20: 77–94.

6.        Hashemi M ,  Zomorodian M,  Alishahi M. 2019.  Simulation of Turbulent Flow Around Tandem Piers, Iranian Journal of Science and Technology - Transactions of Civil Engineering, 43 :761–768.

7.        Rajabizadeh, Ayubzadeh AS, Ghaderi K. 2020. Laboratory study of the effect of circular collar on scour of the base of a cylindrical bridge in unstable flow, Amirkabir Civil Journal, 10.22060 / CEEJ.2019.17078.6460[In Persian].

8.        Eghbalnik L, Vaqefi M, Golbahar M. 2019. Influence of flow conditions on the dimensions of the scour cavity around the base group of 6 sloping and perpendicular bridges on the flow direction in the 180 degree arc channel. Journal of Civil Engineering Tarbiat Modares. 19 (4) [In Persian].

9.        Karimi M, Ghaderi K, Rahimpour M, Ahmadi M. 2020. Laboratory study of the effect of the arrangement of submerged flat plates on scour around the foundations and supports of the bridge, Amirkabir Civil Journal, 10.22060 / CEEJ.2020.17729.6654[In Persian].

10.    Keshavarzi A, Shrestha C. Zahedani M, Ball J, Khabbaz H . 2018. Experimental study of flow structure around two in-line bridge piers, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management, Vol17(1): 311–327

11.    Osrush M , Hosseini A Kamanbedast A .2019.  Evaluation and comparison of the slots and collars performance in reducing scouring around bridge abutments, Amirkabir Journal of Civil Engineering

12.    Taheri Z , Ghomeshi M .2019.  Experimental study of the effect of netted collar position on scour depth around of oblong-shappe bridge pier, Amirkabir Journal of Civil Engineering, 51: 81–82.

13.    Qasemzadeh F, Kuchakzadeh P. 2015. Simulation of hydraulic problems in FLOW-3D. Innovative Publishing Publications. Tehran. Iran [In Persian].

14.    Hedayatifar M., Purlak M. 2014. Simulation of fluid dynamics with FLOW-3D. Atiinger Publications. Tehran. Iran [In Persian].

15.    Marousi M., Roshan, R., and Sarkardeh, H. 2014. Analysis and design with Flow-3D software, Fadak Isatis Publications, first edition, Tehran, Iran[In Persian].

16.    Esmaili Varaki M, Saadati Pache Kanari S. 2015. Laboratory study of the effect of foundation angle on the foundation on the amount of scour around the bridge pier ", Journal of Water and Soil Knowledge, 25 (4): 27-39[In Persian]

17.    Hosseini S., Esmaili Varaki M, Fazl Oli R. 2016. Laboratory study of scouring around a sloping base located on a pile group ", Journal of Soil and Water Knowledge, 25 (4): 135-147[In Persian].

18.    Sadat Jafari M. and Ayubzadeh A., Esmaili Varaki M., Rostami M. 2016. Simulation of flow pattern around inclined base group using Flow-3D numerical model ", Journal of Water and Soil, 30 (6): 1860-1873[In Persian].

 Kardan N, Hassanpour N , Hoseinzade-Dalir H . 2018. Experimental and Numerical Investigation of Bed Erosion around Bridge Piers with Different Cross-Sections, Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 19:  19–36.