بررسي آزمايشگاهي تاثير تجمع اجسام شناور بر آبشستگي موضعي پايه و تكيه‌گاه پل

Experimental investigation of the effect of debris accumulation on the local scour at bridge pier and abutment

تجمع اجسام شناور در اطراف پايه و تكيه‌گاه‌هاي پل موجب كاهش سطح‌ مقطع رودخانه، انحراف جريان، افزايش سرعت جريان و تغيير در الگوي آبشستگي مي‌گردد. يكي از مباحث مهم در طراحي پل بر رودخانه‌ها، بررسي اثرات منفي ناشي از تجمع اجسام شناور چوبي مي‌باشد اين اجسام چوبي، وضعيت گوناگوني از لحاظ شكل جمع‌شدگي و نحوه قرارگيري در جلوي پايه‌هاي پل دارند كه بيشتر در طبيعت به شكل مكعب مستطيل در جلو پايه تجمع مي‌يابند. تاثير اجسام شناور بر آبشستگي پايه پل توسط محققين مختلف مورد بررسي قرار گرفته ولي تاكنون مطالعه كاملي براي بررسي اثر تجمع اجسام شناور بر الگوي جريان و مشخصه‌هاي چاله آبشستگي در حالت تركيب پايه و تكيه‌گاه پل صورت نگرفته است. از اين‌رو در اين پژوهش تاثير اجسام شناور با خصوصيات هندسي مختلف بر الگوي جريان و آبشستگي بستر در اطراف تكيه‌گاه و پايه پل به صورت آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. در اين پژوهش تاثير فاصله بين پايه و تكيه‌گاه و نيز مشخصات هندسي اجسام شناور (شامل ضخامت، طول موثر و شكل آن‌ها) بر روي آبشستگي به صورت آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. آزمايش‌ها در آزمايشگاه تحقيقاتي هيدروليك و سازه‌هاي آبي بخش مهندسي آب دانشگاه شهيد باهنر كرمان انجام شد. كانال آزمايشگاهي داراي طول 8 متر، عرض 80 سانتي‌متر و ارتفاع 60 سانتي‌متر مي‌باشد. مدل پايه پل (قطر 3cm) و تكيه‌گاه (6cm*12cm) از جنس گالوانيزه انتخاب گرديد. تكيه ستر رسوبي به ضخامت 16 سانتي‌متر از رسوبات با اندازه متوسط 0/91= d50 تشكيل شده بود. براي جلوگيري از شسته شدن رسوبات، بستر كاذب در بالا دست و پايين‌ دست بازه مطالعاتي نصب شد. از اجسام منشوري مستطيلي، مثلثي و نيمه-استوانه‌اي به عنوان مدل اجسام شناور استفاده شد (ضخامت نسبي اجسام شناور (T_d/D) در محدوده 1 تا 3 و طول نسبي اجسام شناور(D_d/D) در محدوده 4 تا 10 متغير مي‌باشد). سرعت آستانه حركت ذرات رسوبي و حداكثر سرعت مربوط به آزمايش-هاي اين تحقيق به ترتيب 0/4 و 0/2 متر بر ثانيه مي‌باشد كه نشان مي‌دهد، كليه آزمايش‌ها در شرايط آب زلال انجام گرفت. نتايج نشان داد كه با كاهش فاصله نسبي بين تكيه‌گاه و پايه پل (G/D) از 66/6 به 3/33 مقدار عمق حداكثر آبشستگي در اطراف پايه پل و تكيه‌گاه به ترتيب 8 و 5/12 درصد افزايش يافت. همچنين اجسام شناور مستطيلي در مقايسه با ساير شكل‌هاي مورد بررسي بيشترين عمق آبشستگي را ايجاد كردند. با افزايش ضخامت نسبي اجسام شناور استوانه‌اي(T_d/D) از 1 به 3 عمق حداكثر در اطراف پايه پل و تكيه‌گاه به ترتيب 7/6 و 24/1 درصد افزايش يافت. آزمايش‌ها نشان داد كه طول موثر اجسام شناور نيز تاثير قابل توجهي بر ابعاد حفره آبشستگي دارد به طوري‌كه عمق حداكثر آبشستگي در حضور اجسام شناور استوانه‌اي با طول نسبي (D_d/D) 10 در مقايسه با آزمايش شاهد براي پايه و تكيه‌گاه پل به ترتيب 50/8 و 58 درصد بيشتر بوده است. بر اساس نتايج اين پژوهش مشخص گرديد كه عمق آبشستگي ايجاد شده در حضور اجسام شناور با ضخامت نسبي اجسام شناور رابطه مستقيمي داشته است به طوري كه با دو برابر شدن ضخامت نسبي اجسام شناور مستطيلي، عمق آبشستگي در پايه و تكيه‌گاه پل به ترتيب 1/2 و 1/05 برابر شد. با افزايش قطر نسبي، ابتدا عمق آبشستگي افزايش يافت و سپس به يك مقدار تقريبا ثابتي رسيد. بطور مثال براي اجسام شناور مستطيلي با تغيير طول نسبي از 4 به 10، عمق آبشستگي در پايه و تكيه‌گاه پل به ترتيب 22/4 و 10/2 درصد افزايش يافت ولي براي طول‌هاي نسبي بزرگتر، تغييري در عمق آبشستگي مشاهده نشد. همچنين با كاهش فاصله بين پايه و تكيه گاه پل، حداكثر عمق آبشستگي در مقايسه با آزمايش شاهد به طور قابل توجهي افزايش يافت.

Accumulation of floating debris around the bridge's piers and abutments causes reduction of river flow area, flow diversion, flow accelerating and altering of scour pattern. The investigation of potential impacts of debris on the local scour processes is one of the main factors in design of bridge structures across the rivers. These wooden floating debris may have different shapes in terms of accumulation and position, often have rectangular shape in the nature. Although, the effect of debris on piers scour has been studied by different researchers, to the author's knowledge, no investigation has been conducted to study the effect of debris on flow pattern and scour hole characteristics in the case of combinative presence of pier and abutment. Therefore, in this study, the effect of debris with different geometrical characteristics on the pier and abutment scour and flow behavior was investigated experimentally. in this study, the effect of distance between bridge pier and abutment, geometrical characteristics of debris (including thickness, diameter and shape) on the scour was investigated experimentally. The experiments were conducted at the hydraulic and water structures laboratory of department of water engineering of Shahid Bahonar university of Kerman. The experimental flume has a rectangular cross section with 8 m length, 80 cm width and 60 cm depth. Model of bridge pier (diameter 3cm) and bridge abutment (6cm*12cm) was selected by stainless steel. Sedimentary bed with thickness of 16 cm, was composed of sediments with d50=0.91 mm. To avoid undesirable erosion of sediment, false bottoms were installed at the upstream and downstream parts of the study reach. Prismatic objects with different shapes of rectangular, triangular and semi-circular were used as debris. (The range of relative thickness of debris (T_d/D) was from 1 to 3 and the relative length of debris (D_d/D) from 4 to 10). The sediment threshold velocity and the maximum velocity of experiments of this study are 0.4 and 0.2 m⁄s respectively which shows that, all experiments were carried out at the clear water condition. The results showed that by decreasing the relative distance between bridge pier and abutment (G/D) from 6.66 to 3.33, the maximum scour depth at pier and abutment increased 8.1 and 12.5%, respectively. Also, the rectangular debris caused the most scour depth in comparison with the other debris shapes. By increasing the relative thickness of the semi-cylindrical debris (T_d/D) from 1 to 3, the maximum scour depth around the pier and abutment was respectively increased 7.64 and 24.21. In addition, the experimental results showed that the effective length of debris has a significant influence on the dimensions of scour hole, so that, the maximum scour depth in the presence of semi-cylindrical debris with relative effective length (D_d/D) of 10, increased 50.8 and 58 percent compared with that of the reference test, for the bridge pier and abutment, respectively. According to the results of this study, There was a direct relation between the scour depth and the debris thickness, so that, by doubling the relative thickness of rectangular debris, the scour depth around bridge pier and abutment is became 1.2 and 1.05, respectively. With increasing the relative length, the scour depth increased at first, thereafter reached to a constant value. For example, for rectangular debris, by changing the relative length from 4 to 10, the scour depth around bridge pier and abutment was increased 22.4 and 10.2 %, respectively, but for larger relative lengths, no change was observed in the scour depth. In addition, by decreasing the distance between pier and abutment, the maximum depth of scour hole was significantly increased compared with the reference test.