خلاصه پایان نامه بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پایین دست سازه های هیدرولیکی رودخانه ای (مطالعه موردی: پل دوم رودخانه میناب)
پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد رشتۀ: مهندسی عمران ( M.S.C)
گرایش: سازه های هیدرولیکی
سال تحصیلی 1392 -1391
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 قدیمی‌ترین سازه‌های مهندسی هستند. یکی از مهمترین عوامل تخریب پلها ، مسئله آبشستگی موضعی در اطراف پایههای آن می‌باشد. این نوع فرسایش با حفره‌ای که در اطراف سازه شکل می‌گیرد ، قابل شناسایی است. این حفره در صورت گسترش در عمق می‌تواند باعث خرابی و در نهایت ریزش پل گردد . برای بررسی دقیق جریان و پیشبینی آبشستگی موضعی در اطراف پایههای پل، نیاز به فهم دقیق الگوی جریان در اطراف پایهها است. با شناخت کامل جریان میتوان با حل معادلات حاکم، میدان جریان را به طور کامل مدل کرده و به همراه حل معادلات انتقال رسوب و با تکیه بر پیشرفتهای چشمگیر در علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)[1]، روش دقیق برای تخمین آبشستگی موضعی در اطراف این سازهها 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 ( 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 توسعهی 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 کلیدی: آبشستگی موضعی ، دینامیک سیالات محاسباتی ، پل رودخانه میناب، مدل Flow-3D.
1
فصل اول
کلیات تحقیق
مقدمه
یکی از سازه‌هایی که تخریب آن عواقب جبران ناپذیری دارد پایههای پل می‌باشد. در سال‌های اخیر آبشستگی موضعی پایههای پل در طول جریان‌های سیلابی بیش از سایر عوامل باعث تخریب پلها شده است و به همین دلیل، موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در صد سال اخیر قرار گرفته و این موضوع سال‌هاست که ذهن محققین را به خود مشغول نموده است. امروزه اصو‌ل علمی طراحی سازه ای پلها به خوبی شناخته شده است. ولی تاکنون تئوری واحدی جهت تخمین آبشستگی موضعی در اطراف پایههای پل وجود ندارد، که علت آن پیچیدگی مسئله آبشستگی می باشد. برخوردجریان به پایه طبق یک فرآیند پیچیده تبدیل به گردابه نعل اسبی و عامل جدایی جریان از پایه و ایجاد گردابه برخاستگی می گردد. طراحی، محاسبه و احداث پایههای پل، از مهمترین و حساسترین مراحل یک پروژه پل سازی هستند، بخصوص وقتی که این پل در محل عبور یک رودخانه واقع شده باشد. در این زمان، طراح باید برای انتخاب طول و تعداد دهانه‌ها و عمق حداقل پی پایهها، اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی منطقه را مورد تجزیه و‌تحلیل قرار دهد. از مهمترین مواردی که در این رابطه میتوان به آن اشاره نمود، اطلاعات مربوط به میزان فرسایش بستر می باشد که در صورت در نظر نگرفتن آن، بایستی شاهد عواقب خطرناکی از جمله تهدید پایداری پل و نهایتاً تخریب آن بود. (Breusers et al., 1991)
1-1-ضرورت و اهداف تحقیق
همه ساله پلهای زیادی در سراسر جهان تخریب می‌شوند، تخریب این پلها در مواردی ناشی از در نظر نگرفتن نقش عوامل هیدرولیکی در طراحی پلها می‌باشد. اغلب مشکلاتی که بعد از ساخت پایهها با آنها مواجه می‌شویم، بعلت عدم توجه کامل و کافی به موضوعاتی مانند، پیشبینی بالازدگی آب در بالادست پایهها و یا تخمین آبشستگی در اطراف پایهها و روش‌های کاهش آن است. برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت پایهها نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن بوده تا با توجه به آن، روش مناسبی برای تخمین عمق آبشستگی، مشخص گردد. به طور معمول سه روش کاربردی برای تعیین و پیش بینی عمق آبشستگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش‌ها عبارتند از:
مدل‌های فیزیکی
استفاده از تجهیزات ویژه و مجهز، به منظور رفتارسنجی آبشستگی ایجاد شده در محل پایهها
مدل‌های ریاضی و کامپیوتری
روش‌های اول و دوم روش‌هایی کاملاً تجربی بوده و بر مبنای آزمایش و مشاهده استوار هستند. روش دوم روش دقیقی است که بیشتر برای پایههای ساخته شده مناسب بوده و به کمک آن مشکلات موجود شناسایی شده و طرح مورد نظر در برابر تهدیدات آبشستگی محافظت و تقویت می‌گردد. عمده‌ترین مشکل در این رابطه، آن است که تجهیزات دارای قابلیت‌های رفتارسنجی آبشستگی مورد استفاده در این روش، بسیار گران و پر هزینه می‌باشند. بنابراین، بیشتر مطالعات و تحقیقات انجام شده به صورت مدل فیزیکی بوده و معادلات مربوط به تعیین عمق آبشستگی نیز براساس این مدل‌ها ارائه شده‌اند. با استفاده از روش اول میتوان رفتار و میزان آبشستگی را برای پایههای در دست احداث و پایههای ساخته شده بررسی نمود ولی متاسفانه نتایج حاصل از مدل‌های فیزیکی در اغلب موارد منطقی و قابل قبول نمی‌باشند، زیرا در این تحقیقات بسیاری از پیچیدگی‌های محدوده جریان در اطراف پایهها بسیار ساده در نظر گرفته شده و از اغلب پارامترها صرفه نظر می‌شود.(Qiping Yang, 2005)
مقیاس‌های فیزیکی، خصوصیات جریان و شرایط مرزی در مدل‌های کوچک مقیاس (شرایط آزمایشگاهی) بایستی از پروتوتیپ[2] یا شرایط واقعی و بر طبق قوانین تشابه هیدرولیکی استخراج شوند. تشابه هندسی معمولاً برای تمامی مدل‌های فیزیکی ضروری است. از طرفی تشابه رینولدزی برای مدل‌هایی که در آنها جریان در اطراف اجسام صلب بررسی می‌شود و تشابه فرودی برای مدل‌های شامل جریان با سطح آزاد مطرح بوده و بایستی لحاظ گردند. ساده‌سازی ذکر شده و اینکه در مدل‌های فیزیکی از بسیاری پارامترها صرفه نظر می‌شود به این علت است که در مدل فیزیکی آبشستگی در اطراف پایهها، در نظر گرفتن تمام تشابهات مذکور ممکن و عملی نمی‌باشد. این روش اساساً مبتنی بر تئوری‌ها و روابط ریاضی بوده، به طوری که در ابتدا با استفاده از روابط مربوط به فرسایش و تئوری‌های ارائه شده در رابطه با هیدرولیک و آبشستگی پایهها، یک مدل ریاضی تهیه می‌گردد. پس از این مرحله و با توجه به مدل ریاضی تهیه شده، یک مدل کامپیوتری که قابل انطباق با شرایط و حالات مختلف این پدیده باشد، ساخته می‌شود. (Richardson et al., 1998)
در کشور عزیزمان ایران، همه ساله پلهای فراوانی در اثر پدیده آبشستگی از بین میروند و خسارات جانی و مالی فراوان و بعضاً جبران ناپذیری را به بار می‌آورند. آمار جدول (1-1) نشان می دهد که با وجود بهبود و ارتقاء دانش فنی در مورد طراحی سازهای پلها و پیشرفت تکنولوژی ساخت ، میزان تخریب پلها افزیش یافته است.
از این رو بررسی هرچه بیشتر این پدیده به روش صحیح و اصولی جهت نیل به نتایج دقیق و قابل قبول، ضروری به نظر می‌رسد. خصوصاً اجرای تحقیق به صورت کمی و با استفاده از نرم افزارهای تخصصی و مدل های رایانه ای می تواند به شناخت مهندسین عمران از این پدیده بیافزاید و خلأ موجود در این زمینه را پرکند. بدیهی است تحقق این مهم باعث خواهد شد هزینه طراحی، اجرا و نگهداری سازه های آبی رودخانه ای در موارد مشابه کاهش پیدا کند. ضمن آنکه بستر مناسبی برای تحقیقات مشابه و موردی دیگر فراهم شود.
هدف از انجام این تحقیق را می توان به دو بخش اصلی و فرعی تقسیم بندی نمود:
الف- اهداف اصلی: هدف اصلی از انجام این تحقیق، مدل سازی عددی محدودۀ پل دوم رودخانه میناب و بررسی میزان توسعه فرآیند آبشستگی در پایه های این پل و ارائه راهکارهای مناسب جهت کنترل، کاهش و جلوگیری از فرسایش ناشی از آبشستگی در این محدوده می باشد.
ب- اهداف فرعی: پس از مدل سازی محدودۀ پل دوم رودخانۀ میناب، پارامترهایی از قبیل پروفیل سطح جریان، توزیع سرعت، در اطراف پایه ها و بستر رودخانه مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
1-2- فرضیه های تحقیق:
نرم افزار Flow-3D یک نرم افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک بعدی، دوبعدی و سه بعدی بوده که با کاربرد وسیعی در زمینۀ دینامیک سیالات، گازها و هیدرولیک جریان در شرایط متفاوت طراحی شده که دارای روش های مختلفی برای حل مسائل در زمینۀ سیالات و هیدرولیک می باشد، در این تحقیق، فرض آن است که این نرم افزار قابلیت مدل سازی آبشستگی را در پایه های پل با بستر غیر همسطح را دارد و می تواند اطلاعات مربوط به شرایط هیدرولیکی جریان و رسوب را بر روی مدل پیش بینی کند.
1-3- روش تحقیق
در تحقیق پیش رو به بررسی آبشستگی در پایه های پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده است، از آنجا که بیشترین عمق آبشستگی در اثر طغیان رودخانه ها و سیلابها اتفاق می افتد، لذا ابتدا دبی سیلابی طرح از روش های توزیع آماری هیدرولوژیکی در طول دوره صد ساله پیش بینی شده است و با استفاده از این دبی و به کمک نرم افزار یک بعدیHEC-RAS پروفیل سطح آب در مقطعی پایین دست پل دوم رودخانۀ میناب استخراج و به محیط نرم افزاری CCHE2D به عنوان شرط مرزی خروجی وارد شده (شرط مرزی ورودی در هر دو نرم افزار HEC-RAS و CCHE2D دبی سیلابی وارد شده است)، سپس به کمک نتایج حاصله از مدل نرم افزاری CCHE2D به عنوان یک دید فنی لازم جهت مش بندی بهینه برای انتخاب سطح آب و مشخصات هندسی بستر به گونه ای که کمترین خطا را داشته باشد در نرم افزار Flow-3D مدل Shallow water که یک مدل دو بعدی بوده، با هدف بررسی الگوی جریان در محدودۀ پل دوم رودخانه میناب پرداخته شده است. و در نهایت با در دست داشتن وضعیت جریان به لحاظ عمق، سرعت و جهت جریان در اطراف پایه ها با مدل 3 بعدی، آبشستگی در اطراف پایه ها مورد بررسی قرار گرفته است.
1-4- ساختار تحقیق
این پایان نامه شامل 6 فصل می باشد. در فصل حاضر پس از مقدمه، اهداف و ضروروت انجام تحقیق و سپس فرضیات و روش تحقیق بیان شده است. فصل دوم شامل تئوری تحقیق و مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینۀ آبشستگی در جهان و کشور عزیزمان ایران می باشد. فصل سوم به معرفی نرم افزارFlow-3D و روش حل آنها در پژوهش حاضر پرداخته شده است. فصل چهارم محدودۀ مورد مطالعه، داده ها، اطلاعات لازم جهت مدل سازی، صحت سنجی نرم افزارهای مورد استفاده و در نهایت ایجاد مدل عددی را ارائه خواهد کرد. فصل پنجم به بحث در مورد نتایج مدل عددی، مقایسه و صحت سنجی نتایج حاصله و ارائه راهکارهایی برای کاهش آبشستگی در محدودۀ مورد مطالعه پرداخته است. فصل ششم جمع بندی نتایج و ارائه پیشنهادهایی در این زمینه می باشد.
فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده
مقدمه
نظر به موضوع پایان نامه که در مورد آبشستگی اطراف پایه های پل (مطالعه موردی پل دوم رودخانه میناب) می باشد، لازم است تا ابتدا توضیحاتی در مورد آبشستگی و الگوی جریان اطراف پایه پل ها ارائه شود و در ادامه در این فصل به مروری بر تحقیقات پیشین سایر محققان در جهان و ایران در زمینه های مشابه پرداخته می شود.
2-1- آبشستگی[3]
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. ( شفاعی بجستانی، 1373)
2-1-1- انواع آبشستگی از نظر بوجود آمدن
آبشستگی حاصل از جریان رودخانه در پلها را میتوان از این منظر به سه نوع تقسیم نمود:
2-1-1-1- آبشستگی عمومی
این نوع آبشستگی زمانی رخ می دهد که جریان در بازه ای از رودخانه قادر باشد ذرات بستر را در طول مسیر جابجا و با خود حمل کند که باعث کاهش تراز بستر رودخانه در همان بازه می شود. آبشستگی عمومی شامل موارد زیر می شود: (معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی رییس جمهور،.1390)
پایین افتادگی تراز رودخانه
مهاجرت جانبی رودخانه جابجایی رودخانه در پلان
فهرست پایان نامه بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پایین دست سازه های هیدرولیکی رودخانه ای (مطالعه موردی: پل دوم رودخانه میناب)
چکیده ک
فصل اول (کلیات تحقیق)
1-1-ضرورت و اهداف تحقیق- 3
1-2- فرضیه های تحقیق: 5
1-3- روش تحقیق- 5
1-4- ساختار تحقیق- 6
فصل دوم )مروری بر تحقیقات انجام شده(
2-1- آبشستگی- 8
2-1-1- انواع آبشستگی از نظر بوجود آمدن- 8
2-1-1-1- آبشستگی عمومی- 8
2-1-1-2- آبشستگی انقباضی- 8
2-1-1-3- آبشستگی موضعی- 9
2-1-2- انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب- 10
2-1-2-1- آبشستگی آب زلال- 10
2-1-2-2- آبشستگی در حالت بستر متحرک(زنده) 10
2-1-3- آبشستگی کلی- 13
2-2- مکانیزم آبشستگی در اطراف سازه‌های آبی- 13
2-3- روش های مطالعه و بررسی پدیده آبشستگی- 17
2-3-1- روش تئوری- 17
2-3-2- روش تجربی- 17
2-3-3- روش عددی- 18
2-4- پیشینه تحقیق- 19
2-4-1- مروری بر مطالعات انجام گرفتۀ آزمایشگاهی در جهان و ایران- 19
2-4-2- مروری بر مطالعات عددی آبشستگی پایه پل در جهان و ایران طی چند سال اخیر 27
2-4-3- مروری بر مطالعات انجام شده بر روی رودخانۀ میناب در سالیان گذشته 31
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 رسوب- 42
فصل چهارم (مواد و روش ها)
4-1- معرفی منطقه مورد مطالعه 49
4-1-1- معرفی پل دوم رودخانه میناب: 49
4-2- مورفولوژی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب- 50
4-3- زمین شناسی رودخانه میناب (از محل سد استقلال تا پل دوم رودخانۀ میناب) 51
4-4- هیدرولوژی حوزه آبخیز میناب- 51
4-5- برآورد آبدهی در محل سد میناب- 52
4-6- پوشش گیاهی بازه مورد مطالعه رودخانه میناب- 53
4-7- اندازه گیری دادههای میدانی و آزمایشگاهی مورد نیاز مدل های نرم افزاری- 54
4-7-1- تهیه نقشه های توپوگرافی بزرگ مقیاس از بازه مورد مطالعه 54
4-7-2- نمونه برداری رسوب بستر و دیواره رودخانه 55
4-7-2-1- آزمایش دانه بندی رسوب- 55
4-7-2-2- وسایل مورد نیاز 55
4-7-2-3 روش آزمایش-- 55
4-7-3- تعیین ضریب زبری بر اساس ، بازدیدها و نتیجه های دانه‌بندی مواد بستر و پوشش گیاهی- 57
4-7-4- مشخصات رسوبات بستری- 57
4-7-4-1- قطر متوسط ذرات) : 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 CCHE2D- 59
4-8-4-1- داده های مورد نیاز مدل CCHE GUI : 60
4-8-5- واسنجی مدل- 60
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،1و3- 76
5-2-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان- 76
5-2-2- بررسی آبشستگی- 77
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،5و6- 80
5-3-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان- 80
5-3-2- بررسی آبشستگی- 81
5-3-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 4 تا 6- 83
5-4- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 7،8،9و10- 85
5-4-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان- 85
5-4-2- بررسی آبشستگی- 86
5-4-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 7 تا 10- 88
5-5- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 10 تا 15- 89
5-5-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان- 89
5-5-2- بررسی آبشستگی، 90
5-5-3- مقایسۀ وضعیت کنونی با مدل، پایه های 11 تا 15- 92
5-6- بررسی توزیع سرعت، الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 19- 94
5-6-1- بررسی توزیع سرعت و الگوی جریان- 94
5-6-2- بررسی آبشستگی- 95
5-7- نتیجه گیری- 96
5-8-پیشنهادات: 97
منابع:
منابع فارسی : 100
منابع غیر فارسی: 102