پایان نامه شبیه سازی عددی هیدرولیکی - هندسی آب شستگی در پایه پل های بتنی (مطالعه موردی)

فهرست و منابع پایان نامه شبیه سازی عددی هیدرولیکی - هندسی آب شستگی در پایه پل های بتنی (مطالعه موردی)

فهرست:

عنوان                                                                                                                          صفحه

چکیده .........................................................................................................................................................................................................١

مقدمه ..........................................................................................................................................................................................................٢ فصل اوّل : مقدّمه و کلیات

١-١- کلیّات ...............................................................................................................................................................................................٤

١-٢- تعریف آب شستگی...........................................................................................................................................................................٥

١-٣- انواع آبشستگی...............................................................................................................................................................................٦

١-٣-١- آبشستگی عمومی (کّلی)........................................................................................................................................................٧

١-٣-٢- آبشستگی موضعی (محّلی)....................................................................................................................................................٨

١-٤- مکانیزم آبشستگی.........................................................................................................................................................................٩

١-٥- بررسی کلی مراحل مختلف پدیده آبشستگی در پایه پل ..................................................................................................١٠

١-٦- ضرورت تحقیق ............................................................................................................................................................................١٢

١-٧- معرّفی فصل های پایان نامه .....................................................................................................................................................١٤ فصل دوم : سابقه تحقیق

٢-١- مقدّمه ............................................................................................................................................................................................١٥

٢-٢- پل کابلی بر روی رودخانه مجاور کانال LANCA..............................................................................................................16

٢-٢-١- نتایج مدل عددی..................................................................................................................................................................١٨

٢-٣- مطالعات آبشستگی در پل های ایالت آلاسکای آمریکا......................................................................................................٢١

٢-٣-١- پل جدید رودخانه Knik در آزاد راه Old Glenn نزدیک Palmer.............................................................................25

٢-٣-١-١- هندسه پل .........................................................................................................................................................................٢٧

٢-٣-١-٢- پارامترهای به کار رفته در مدل ....................................................................................................................................٢٧

٢-٣-١-٣- شرایط حاصل شده توسط مدل ....................................................................................................................................٢٨

٢-٣-١-٤- محاسبات آبشستگی در اثر تنگ شدگی.....................................................................................................................٢٩

٢-٣-١-٥- محاسبات آبشستگی موضعی در پایه ها......................................................................................................................٣٣

 ه

٢-٣-١-٦- مقایسه نتایج محاسبات آبشستگی به کمک مدل یک بعدی و آبشستگی مشاهده شده

در شرایط واقعی.....................................................................................................................................................................................٣٤

٢-٣-٢- پل رودخانه Tanana در Big Delta..................................................................................................................................36

٢-٣-٢-١- توصیف سایت مطالعاتی آبشستگی..............................................................................................................................٣٨

٢-٣-٢-٢- توصیف نقشه برداری سایت و اطّلاعات صحرایی بدست آمده در زمان مطالعات ..............................................٤٠

٢-٣-٢-٣- محاسبات مربوط به پروفیل سطح آب .........................................................................................................................٤٢

٢-٣-٢-٤- محاسبات مربوط به آبشستگی......................................................................................................................................٤٥

٢-٣-٣- پل رودخانه Tanana در آزادراه Parks در منطقه Nenana.........................................................................................52

٢-٣-٣-١- توصیف سایت مطالعاتی آبشستگی............................................................................................................................. ٥٢

٢-٣-٣-٢- توصیف نقشه برداری سایت و اظّلاعات صحرایی بدست آمده به عنوان ورودی مدل .......................................٥٦

٢-٣-٣-٣- ساختن و کالیبراسیون مدل یک بعدی.......................................................................................................................٥٨

٢-٣-٣-٤- ساختن و کالیبراسیون مدل دو بعدی.........................................................................................................................٦٠

٢-٣-٣-٥- محاسبات مربوط به آبشستگی......................................................................................................................................٦٣

٢-٣-٣-٦- مقایسه کّلی مدل یک بعدی HEC-RAS و مدل دو بعدی RMA2....................................................................65 فصل سوّم : معرّفی نرم افزار SSIIM

٣-١- مقدّمه ............................................................................................................................................................................................٧١

٣-٢- محدودیت های برنامه ................................................................................................................................................................٧٢

٣-٣- مدل عددی SSIIM در یک نگاه کّلی....................................................................................................................................٧٣

٣-٤- آشنایی با انواع فایل ها در نرم افزار SSIIM.........................................................................................................................75

٣-٤-١- فایل boogie...........................................................................................................................................................................75

٣-٤-٢- فایل koordina و koomin..................................................................................................................................................76

٣-٤-٣- فایل control..........................................................................................................................................................................77

٣-٤-٤- فایل geodata........................................................................................................................................................................78

٣-٤-٥- فایل bedrough.....................................................................................................................................................................78

٣-٤-٦- فایل inflow...........................................................................................................................................................................79

 و

٣-٤-٧-  فایل result............................................................................................................................................................................80

٣-٤-٨- فایل interpol و interres....................................................................................................................................................81

٣-٤-٩- فایل conres........................................................................................................................................................................82

٣-٤-١٠- فایل timei و timeo......................................................................................................................................................83

٣-٥- روند مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD).............................................................................................85

٣-٦- محاسبه جریان آب در SSIIM و معادلات حاکم بر میدان جریان ..................................................................................٨٧

٣-٦-١- تقریب Boussinesq از لزجت گردابه ای..........................................................................................................................٨٨

٣-٦-٢- مدل آشفتگی k-ε..................................................................................................................................................................88

٣-٦-٢-١- مزایا و معایب مدل آشفتگی k-ε...................................................................................................................................90

٣-٦-٣- تأثیر تغییرات چگالی............................................................................................................................................................٩٠

٣-٧- قانون دیوارها...............................................................................................................................................................................٩٠

٣-٨- تأثیر غلظت رسوب بر جریان آب ............................................................................................................................................٩١

٣-٩- محاسبات جریان رسوب در SSIIM و معادلات حاکم بر میدان جریان .........................................................................٩٢

٣-١٠- انفصال معادلات حاکم بر میدان جریان آب و رسوب ......................................................................................................٩٥

٣-١٠-١- انفصال معادله انتقال -پخش .............................................................................................................................................٩٦

٣-١٠-١-١- الگوی قاعده توانی (POW).........................................................................................................................................96

٣-١٠-١-٢- الگوی جهتمند مرتبه دوّم (SOU)............................................................................................................................97

٣-١١- مجموعه های اطّلاعاتی موجود در فایل control..............................................................................................................98

٣-١١-١- مجموعه اطّلاعاتی F..........................................................................................................................................................98

٣-١١-٢- مجموعه اطّلاعاتی G......................................................................................................................................................103

٣-١١-٣- مجموعه اطّلاعاتی S.......................................................................................................................................................107

٣-١١-٤- مجموعه اطّلاعاتی I........................................................................................................................................................108

٣-١١-٥- مجموعه اطّلاعاتی N......................................................................................................................................................108

٣-١١-٦- مجموعه اطّلاعاتی B.......................................................................................................................................................108

٣-١١-٧- مجموعه اطّلاعاتی W.....................................................................................................................................................109

٣-١١-٨- مجموعه اطّلاعاتی K......................................................................................................................................................110

 ز

فصل چهارم : نتایج و بحث

٤-١- مقدّمه .........................................................................................................................................................................................١١٢

٤-٢- مطالعات آزمایشگاهی.............................................................................................................................................................١١٣

٤-٢-١- شبیه سازی سه بعدی میدان جریان و رسوب در اطراف پایه استوانه ای

تحت جریان غیر دائمی با استفاده از مدل عددی SSIIM.........................................................................................................113

٤-٢-٢- نتایج شبیه سازی عددی آبشستگی در پایه پل های به کمک هیدروگراف جریان .............................................١١٧

٤-٢-٢-١- بحث در مورد نمودارهای بدست آمده از نتایج مدل عددی و مدل آزمایشگاهی............................................١٢٠

٤-٢-٣- نمایش خروجی های بدست آمده از مدل عددی سه بعدی SSIIM تحت شرایط جریان غیر

دائمی شکل (٤-١-ج ) به عنوان نمونه و بررسی آنها...................................................................................................................١٢٣

٤-٢-٣-١- بررسی کیفی تنش برشی در اطراف پایه استوانه ای در زمان های مختلف با استفاده از نتایج

مدل عددی سه بعدی SSIIM.........................................................................................................................................................128

٤-٢-٣-٢- بررسی کیفی سرعت های افقی و قائم در اطراف پایه استوانه ای با استفاده از نتایج

 مدل عددی  سه بعدی SSIIM......................................................................................................................................................129

٤-٢-٤- بررسی تأثیر پارامتر هندسی قطر پایه بر عمق آبشستگی متعادل ..........................................................................١٣٣

٤-٢-٤-١- شرایط آزمایشگاهی و کالیبراسیون مدل عددی.....................................................................................................١٣٤

٤-٢-٤-٢- شبیه سازی میدان جریان و رسوب در اطراف پایه استوانه ای به کمک مدل عددی سه

بعدی SSIIM.......................................................................................................................................................................................135

٤-٢-٤-٣- نتایج مدل عددی...........................................................................................................................................................١٣٦

٤-٢-٥- بررسی تأثیر شکاف در کاهش عمق آبشستگی در پایه های استوانه ای................................................................١٣٩

٤-٢-٥-١- شبیه سازی عددی آبشستگی در پایه استوانه ای با در نظر گرفتن اثر شکاف ................................................١٤٠

٤-٣- مطالعه موردی..........................................................................................................................................................................١٤٢

٤-٣-١- توصیف پل ٥٢٤ رودخانه Tanana در Big Delta و سایت مطالعاتی آبشستگی.................................................١٤٣

٤-٣-٢- توصیف نقشه برداری سایت و اطّلاعات صحرایی بدست آمده در زمان مطالعات .................................................١٤٨

٤-٣-٣- روش مدل سازی سایت مورد مطالعه ............................................................................................................................١٥٣

٤-٣-٣-١- کالیبراسیون مدل عددی سه بعدی SSIIM...........................................................................................................154

 ح

٤-٣-٣-٢- شبیه سازی میدان جریان و رسوب به کمک مدل عددی سه بعدی SSIIM..................................................156

٤-٣-٣-٣- نتایج مدل عددی سه بعدی SSIIM.........................................................................................................................157 فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات

٥-١- نتایج حاصل از شبیه سازی های عددی صورت گرفته ...................................................................................................١٦١

٥-٢- پیشنهادات جهت ادامه تحقیق .............................................................................................................................................١٦٣

منابع و ماخذ......................................................................................................................................................................................١٦٥

چکیده لاتین .....................................................................................................................................................................................١٧٠

منبع:

١- اسماعیلی، تایماز.، بررسی پدیده آبشستگی در پایه پل ها. ١٣٨٦، سمینار کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب ، دانشکده تحصیلات تکمیلی.

٢- بیات حبیب الله .، اندرکنش سازه های آبی و فرسایش . ١٣٧٩، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر،چاپ اوّل .

٣- حیدرپور، م . و کیخایی، م .، بررسی روند تغییرات عمق آبشستگی در گروه پایه ها. ١٣٨٥، مجموعه مقالات هفتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران .

٤- زرّاتی، امیررضا.، نقش عوامل هیدرولیکی در طرّاحی پل . ١٣٨١، انتشارات دانشگاه صنعتی امیر کبیر، چاپ دوّم .

٥- شفاعی بجستان ، محمود.، هیدرولیک رسوب . ١٣٨٤، انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، چاپ سوّم .

٦- طبیب زاده ، م .، دهقانی، ا. ا.، خانجانی، م . ج . و صالحی نیشابوری، ع . ا.، شبیه سازی عددی میزان آبشستگی اطراف پایه های پل با مقطع دایره ای. ١٣٨٤، مجموعه مقالات پنجمین کنفرانس هیدرولیک ایران ، دانشگاه شهید باهنر کرمان ، ١٩-١٧ آبان ، ٤٩-٤١.

٧- قوامی، ه .، بررسی عوامل ژئوتکنیکی موّثر بر فرسایش در مجاورت پل های واقع در مصب رودخانه سفیدرود. ١٣٨٥، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه گیلان .

فهرست منابع لاتین :

8- Ackers, P., and White, W.R. (1973). “Sediment transport: New approach and

analysis.” Journal of Hydraulic Division, ASCE, HY11, 2041-2060.

9- Ahmed, F., and Rajaratnam, N. (1998). “Flow around bridge piers.” J. Hydr. Engrg.,

ASCE, 124(3), 288-300.

10- Breusers, H.N.C., and Raudkivi, A.J. (1991). “Scouring.” Balkema, Rotterdam

11- Brunner, G.W. (1997). “HEC-RAS, River analysis system.” User’s manual-Version

2.0, U.S. Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center, 243 p.

12- Chase, K.J., and Holenbeck, S.R. (2004). “Evaluation of Pier-Scour Equations for

Coarse-Bed Streams.” U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey

Publication, Scientific Investigation Report 2004-5111, 18 p.

13- Chang, W.Y., Lai, J.S., and Yen, C.L. (2004). “Evolution of scour depth at circular

bridge piers.”  J. Hydr. Engrg., ASCE, 130(9), 905-913.

14- Conaway, J.S. (2004). “Summary and Comparison of Multiphase Streambed scour

Analysis at Selected Bridge Sites in Alaska.” U.S. Department of the Interior, U.S.

Geological Survey Publication, Scientific Investigation Report 2004-5066, 34 p.

15- Coleman, S.E. (2005). “Clear water local scour at complex piers.” J. Hydr.

Engrg., ASCE, 131(4), 330-334.

16- Daraghi, B. (1987). “Flow field and local scouring around a pier.” Bultin No.

TRITA-VBI-137,   Hydraulic   laboratory,   Royal   Institute   of   Technology,

Stockholm, Sweden.

17- Donnell, B.P., Letter, J.V., Jr., McAnally, W.H., and Thomas, W.A. (2000). “Users

Guide to RMA2 WES Version 4.5.” U.S. Army Corps of Engineers Waterway

Experiment Station, 264 p.

18- Froehlich, D.C. (1988). “Analysis of on site measurements of scour at piers.”

Proceeding of the National Conference on Hydraulic Engineering., New York,

ASCE,  534-539.

19- Hannah, C.R. (1978). “Scour at pile groups.” Christchuch, New Zealand,

University of Canterbury, ME thesis.

20- Heinrichs, T.A., Langely , D.E., Burrows., R.L., Conaway, J.S. (2007). “ Hydraulic

Survey and Scour Assessment of Bridge 524, Tanana River at Big Delta, Alaska.”

166

U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey Publication, Scientific

Investigation Report 2006-5282, 16p.

21- Heinrichs, T.A., Kennedy, B.W., Langely , D.E., and Burrows., R.L. (2001).

“Methodology and Estimates of Scour at Selected Bridge Sites in Alaska.” U.S.

Department of the Interior, U.S. Geological Survey Publication, Scientific

Investigation Report 00-4151, 44 p.

22- Holenbeck, S.R., and Parrett, C. (1997). “Method for rapid estimation of scour at

highway bridges based on limited site data.” U.S. Geological Survey Water

Resources Investigations, Report 96-4310, 79 p.

23- Johnson, P.A. (1992). “Reliability-based pier scour engineering.” J. Hydr. Engrg.,

ASCE, 118(10), 1344-1358.

24- Jones, S.H., and Fahl, C.B. (1994). “Magnitude and frequency of floods in Alaska

and conterminous basins of Canada.” U.S. Department of the Interior, U.S.

Geological Survey Water-Resources Investigations Report 93-4179, 122 p.

25- Kothyari, U.C., Garde, R.J., and Ranga Raju, K.G. (1992), “Temporal variation of

scour around circular bridge piers.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 118(8), 1091-1106.

26- Kummar, V., Ranga Raju, K.G., and Vittal, N. (1999). “Reduction of local scour

around  bridge  piers  using  slots  and  collars.”  J.  Hydr.  Engrg.,  ASCE,

125(12),1302-1305.

27- Landers, M.N., and Muller, D.S. (1996). “Channel scour at bridges in the United

States.” U.S. Department of Transportation, Federal Highway administration

Publication, FHWA, RD-95-184, 140 P.

28- Laursen, E.M. (1960). “Scour at bridge crossings.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 86(2),

39-54.

29- Langley, D.E. (2006). “Calculation of Scour Depth at the Parks Highway Bridge on

the Tanana River at Nenana, Alaska, Using one- and Two-Dimensional Hydraulic

models.” U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey Publication,

Scientific Investigation Report 2006-5023, 19 p.

30- Mia, M.F., and Nago, H. (2003). “Design method of time-dependent local scour at

circular bridge pier.”  J. Hydr. Engrg., ASCE, 129(6), 420-427.

31- Motta, D., Ramon, P., and Telo, R. (2007). “Advanced numerical modeling of the

scouring process around the piers of a bridge.”  Proceeding of the 32 th IAHR

Congress, Rom, Italy.

167

32- Mueller, D.S. (1996). “Local scour at bridge piers in nonuniform sediment under

dynamic conditions.” Fort Collins, Colo., Colorado State University, Ph.D.

dissertation, 212 p.

33- Murillo, J.A. (1987). “The scourge scour.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 57(7), 66-69.

34- Neill, C.R. (1973). “Guide to bridge hydraulics.” Roads and Transportation

Association of Canada, University of Toronto Press.

35- Nazariha, M. (1996). “Design relationships for maximum local scour depth for

bridge pier groups.” University of Ottawa, Canada, Ph.D. dissertation.

36- Norman, V.W. (1975). “Scour at selected bridge sites in Alaska.” U.S. Geological

Survey Water Resources Investigations, 32-37, 160 p.

37- Olsen, N.R.B. (2007). “A THREE DIMENSIONAL NUMERICAL MODEL FOR

SIMULATION OF SEDIMENT MOVEMENTS IN WATER INTAKES WITH

MULTIBLOCK  OPTION.”  User’s  manual,  Department  of  hydraulic  and

environmental engineering, The Norwegian University of science and technology.

38- Olsen, N.R.B., Jimenes, O.F., Abrahamsen, L., and Lovoll, A. (1999). “3D CFD

modeling of water and sediment flow in a hydropower reservoir.” International

Journal of Sediment Research, Vol (14), No.1.

39- Raudkivi, A.J., and Ettema, R. (1986). “Scour at cylindrical bridge piers in

armoured beds.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 111(4), 713-731.

40- Raudkivi, A.J. (1988). “Loose boundary hydraulics.” A. A. Balkwma, Rotterdam.

41- Richardson, E.V., and Davis, S.R. (1995). “Evaluating scour at bridges.” (3d ed.),

U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration Hydraulic

Engineering Circular 18, Publication FHWA-IP-90-017, 204 p.

42- Richardson, E.V., and Davis, S.R. (2001). “Evaluating scour at bridges.” (4th ed.),

U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration Hydraulic

Engineering Circular 18, Publication no. FHA NHI 01-001 HEC-18, 378 p.

43- Roheds, J., and Trent, R.E. (1999). “Economic of floods, scour and bridge failures.”

ASCE, 1013-1018.

44- Salaheldin, T.M., Imran, J., and Chaudhry, M.H. (2004). “Numerical modeling of

three-dimensional flow field around circular piers.” J. Hydr. Engrg., ASCE,

130(2), 91-100.

45- Sarker, Md. A. (1998). “Flow measurements around scoured bridge piers using

acoustic-doppler velocimeter  ( ADV).” Flow Meas. Instrum., 9, 217-227.

168

46-“Step-Backwater Model and Bridge Scour Analysis for Knik River, Old Glenn

Highway.”       U.S.       Geological       Survey       Water       Resources       Division,

www.water.usgs.gov.

47- Vittal, N., Kothyari, U.C., and Haghighat, M. (1994). “Clear water scour around

bridge pier group.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 120 (11), 1309-1319.

48- Wu, W., Rodi, W., and Wenka, T. (2000). “3D numerical modeling of flow and

sediment transport in open channels.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 126(1).

49- Yanmaz, A.M. (2006). “Temporal variation of clear water scour at cylindrical

bridge piers.” Can. J. Eng, 33, 908-1102.