بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پايين دست سازه های هيدروليكی رودخانه ای :پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش سازه های هیدرولیکی

پایان نامه ای که معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته عمران  و با عنوان بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پايين دست سازه های هيدروليكی رودخانه ای  (مطالعه موردي: پل دوم رودخانه ميناب)  در 120 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب عمران  قرار گیرد.

چکیده تحقیق بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پايين دست سازه های هيدروليكی رودخانه ای:

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 پیش­بینی آبشستگی موضعی در اطراف پایه­ های پل، نیاز به فهم دقیق الگوی جریان در اطراف پایه ­ها 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)، 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 (  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.

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 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)

فهرست مطالبتحقیق بررسی آبشستگی و روش های حفاظت پايين دست سازه های هيدروليكی رودخانه ای:

چکیده ‌ك

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- آبشستگي عمومي- 8

2-1-1-2- آبشستگي انقباضي- 8

2-1-1-3- آبشستگی موضعي- 9

2-1-2- انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب- 10

2-1-2-1- آبشستگي آب زلال- 10

2-1-2-2- آبشستگي در حالت بستر متحرك(زنده) 10

2-1-3- آبشستگی کلی- 13

2-2- مکانيزم آبشستگي در اطراف سازه‌هاي آبي- 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 داده های 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-  تعيين ضريب زبری بر اساس ، بازديدها و نتيجه هاي دانه‌بندي 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

فهرست جدول ها

جدول (1-1) آمار 35 ساله خرابی پلهای ایران (فرهاد زاده ، به نقل از آبادزاده 1392) 5

جدول( 3-1): مقادير استاندارد ضرايب ثابت در مدل متلاطم —- 41

جدول(4-1)، مقادیر دبی حداکثر لحظه ای با دوره برگشت مختلف( ) ، (خسروی،1391) 52

جدول(4-2)، مقادیر دبی متوسط سالانه با دوره برگشت مختلف( )، (خسروی،1391) 53

جدول(4-3)، مقادیر مجموع مربعات باقیمانده(R.S.S) ، (خسروی،1391) 53

جدول(4-4)، نتایج دانه بندی رسوبات بارکف– 56

جدول (4-5)، شرایط مرزی برای مدل CCHE2D- 60

جدول (4-6)،پارامترهای اندازه گیری شده میدانی بین پایه هشتم ونهم- 61

جدول (4-7)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار CCHE2D- 62

جدول (4-8)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار CCHE2D- 62

جدول (4-9)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار HEC-RAS- 63

جدول (4-10)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار HEC-RAS- 63

جدول (4-11)، مقایسه پارامتر سرعت متوسط جریان در نرم افزار Flow-3D- 64

جدول (4-12)، مقایسه پارامتر عمق متوسط جریان در نرم افزار Flow-3D- 64

جدول (4-13)، مقایسۀ پارامترهای عمق جریان و سرعت متوسط جریان با دبی 150 متر مکعب بر ثانیه  65

 فهرست شکل ها

شکل(2-1)، الف) آبشستگي عمومي ناشي از تنگ‌شدگي مقطع رودخانه ب)، انواع آبشستگی : 9

شکل(2-2)، میزان آبشستگی در واحدزمان- 10

شکل( 2-3)، تغییرات عمق آبشستگی در ازای سرعت برشی- 10

شکل(2-4)، منحنی عمق آبشستگی نسبت به سرعت جریان- 12

شکل(2-5)، منحنی تغییرات فاکتور حمل بر حسب عدد رینولدز (اكرز و وايت،1940) 12

شکل(2-6)، آبشستگی کلی در محل قرارگیری پل 13

شکل(2-7)، الف) مکانیزم آبشستگی حول پایه استوانه‌ای ب) گرداب نعل‌اسبي قبل از ايجاد حفره آب‌شستگي، ج) بعد از ايجاد حفره آب‌شستگي د) نمایی تقریبی از چگونگی تشکیل گرداب نعل اسبی از زاویه دید جانبی- 15

شکل(2-8)، محل و چگونگی تشکیل گرداب‌های برخاستگی- 16

شکل(2-9)، الگوي جريان اطراف يک پايه قائم استوانه‌اي- 17

شکل(2-10)- چگونگی تخمین پارامتر (Sumer et al., 1993) 21

شکل (2-11)- نمودار ارائه شده جهت بررسی تآثیر عمق جریان بر آبشستگی موضعی (ملویل و کلمن، 2002) 24

شکل (2-12)-نمودارعمق نسبی جریان در برابر ضریب تصحیح آن(اتما، 1980) 25

(شکل 3-1) منحنی سرعت نقطه‏ای در جریان متلاطم- 35

شکل(4-1)، موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه و نمایی از پل دوم میناب- 50

شکل (4-2)، نمایی از پوشش گیاهی منطقه، نگاه به سوی شمال- 54

شکل(4-3)، موقعیت نقاط برداشت نمونه های بار کف– 56

شکل (4-4)، موقعیت مقطع کنترل- 58

شکل (4-5)، هندسۀ تهیه شده از محدودۀ مورد مطالعه در نرم افزار CCHE MESH- 59

شکل(4-6)، سطح آب را در مرز پایین دست برای دبی 150 مترمکعب بر ثانیه 60

شکل(4-7)، موقعیت نقطۀ F- 62

شکل (4-8)، نتایج حاصل از نرم افزار CCHE2D را برای مختصات جغرافیایی نقطۀ F- 63

شکل (4-9)، نتایج حاصل از نرم افزار HEC-RAS برای مختصات جغرافیایی نقطۀ F- 64

شکل (4-10)، نتایج حاصل از نرم افزار Flow-3D- 65

شکل (4-11) نمایش سازه های ایجاد شده توسط نرم افزار Catia- 67

شکل (4-12)، نمایش سازه های ایجاد شده توسط نرم افزار Catia (پایه های پل) 67

شکل(4-13) نمایش مدل مش بندی شده و بلوک ها در Flow-3D- 68

شکل (4-14)، نحوۀ عملکرد روش Favor  با مرزهای جامد- 71

شکل (5-1)، نمایش خطوط جریان و ارتفاع سطح آزاد در محدودۀ مورد مطالعه 74

شکل (5-2)، نمایش توزیع سرعت در محدودۀ مورد مطالعه 75

شکل (5-3)، نمایش مکان هایی که رسوب گذاری در آن جا اتفاق می افتد- 75

شکل (5-4)، نمایش خطوط جریان اطراف پایه های1 تا 3- 77

شکل (5-5)، نمایش توزیع سرعت اطراف پایه های 1 تا 3- 77

شکل (5-6)، خطوط هم ارتفاع مربوط به گودال آبشستگی بستر 78

شکل (5-7)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 1 تا 3- 78

شکل (5-8)، نمای 3 بعدی از آبشستگی در اطراف پایه های1 تا 3- 79

شکل (5-9) نمایی از وضعیت کنونی پایۀ شمارۀ 2- 79

شکل (5-10) نمایی از وضعیت کنونی و مدل در پایۀ شمارۀ 3- 79

شکل (5-11)، خطوط هم ارتفاع بستر، اطراف پایه های 4،5 و 6 در لحظۀ شروع محاسبات- 80

شکل (5-12)، پلان توزیع سرعت و الگوی جریان در اطراف پایه های 4 تا 6، 81

شکل (5-13)، پلان پارامتر فرود در اطراف پایه های 4 تا 6- 81

شکل (5-14)، پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی- 82

شکل (5-15)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 4،5و6- 83

شکل (5-16)، نمای سه بعدی آبشستگی بستر در اطراف پایۀ 4،5و6- 83

شکل (5-17)، نمایی از بستر و پایه های 4  به بعد (به سمت پایۀ 19) 84

شکل (5-18)، مقایسۀ آبشستگی آبراهۀ بالادست پایۀ 4 و 5- 84

شکل (5-19)، وضعیت آبشستگی پایه های  4 و 5- 85

شکل (5-20)، توزیع سرعت و الگوی جریان در اطرف پایه های 7 تا 10- 86

شکل (5-21)، توزیع سرعت در پایه های 7 تا 10- 86

شکل (5-22)، پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی بستر در اطراف پایه 7 تا 10- 87

شکل (5-23)، تغییرات سطح بستر در اطراف پایۀ 7 تا 10- 87

شکل (5-24)، توسعۀ آبشستگی در اطراف پایه های 7 تا 10- 88

شکل (5-25) الف، وضعیت کنونی دیوار را قبل از پایۀ 9؛ ب، وضعیت کنونی دیوار بین پایه 9 و 10      88

شکل (5-26)، الف- توزیع سرعت و الگوی جریان اطراف پایه های 11 تا 15- 89

شکل (5-26)،ب- پلان تغییرات مربوط به گودال آبشستگی بستر در اطراف پایه ها 11 تا 15- 90

شکل (5-27)، تغییرات مربوط به ارتفاع بستر در اطراف پایه های 11 تا 15- 91

شکل (5-28)،تغییرات گودال آبشستگی- 92

شکل (5-29)،الف- مقایسۀ مدل و وضعیت کنونی بستر را در اطراف پایۀ 11- 92

شکل (5-29)،ب- مقایسل مدل و بستر در اطراف پایه 12- 93

شکل (5-30)، وضعیت موجود پایه های 13 تا 15- 93

شکل (5-31)، توزیع سرعت و الگوی جریان اطراف پایه های 16 تا 19- 94

شکل (5-32)، شرایط رسوب بستر در محدودۀ پایه های 16 تا 19- 94

شکل (5-33)، توزیع سرعت در محدودۀ پایه های 16 تا 19- 95

شکل (5-34)، نمای سه بعدی از ارتفاع نهایی بستر و آبشستگی اطراف پایه های 16 تا 19- 95

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا مشکل مورد بررسی قرار گیرد. دیجی لود متعهد میشود که هر طور شده فایل خریداری شده ، به دست شما خواهد رسید.

برای دانلود فابل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.