پایان نامه با کلید واژگان نیروی کشش

دانلود پایان نامه ارشد

از آب شستگي به وضوح نمايان مي باشد.
از آنجايي كه موضوع اصلي اين تحقيق راجع به آب شستگي موضعي می باشد، اين نوع از آب شستگي در قسمت هاي بعدي بيشتر مورد بررسي قرار می‌گیرد. در ادامه اين رساله منظور از آب شستگي، آب شستگي موضعي مي باشد.

شکل 2-1: نمایی از آب شستگی موضعی در اطراف یک پایه مستطیلی شکل(آلابی(2006))
2-4. مكانيزم هاي آب شستگي موضعی
بر اساس تحقيقات انجام گرفته مكانيزم هاي اصلي كه باعث به وجود آمدن آب شستگي درپایه هاي پل می‌شود شامل جريان رو به پايين (كه در وجه بالا دست پايه پل رخ مي دهد) و گردابه ها10 (كه در بستر تشكيل می‌شوند) مي باشد.[28]گردابه ها به دو گونه گردابه های پشت پایه11 و ورتکس نعل اسبی12 تقسيم می شوند كه هر يك به تفصيل توضيح داده می‌شوند.
زماني كه پايه يك پل در رودخانه و يا پايه يك سازه دريايي در ساحل دريا قرار می‌گیرد، جريان آب هر چه قدر به پايه نزديك تر می‌شود سرعت آن كاهش می‌یابد تا هنگامی‌که به وجه بالادست پايه برخورد مي كند و سرعت آن به صفر مي رسد كه نتيجه آن افزايش فشار در وجه بالادست پايه مي باشد. افزايش فشار در نقاط نزديك به سطح بيشتر از افزايش فشار در نقاط نزديك به بستر مي باشد چون كاهش سرعت جريان در نقاط نزديك به سطح آب بيشتر از كاهش سرعت در نقاط نزديك به بستر مي باشد. علت این امر شكل پروفيل سرعت جريان آب مي باشد كه در نقاط نزديك به سطح سرعت جريان آب بيشتر از نقاط نزديك به بستر مي باشد. به عبارت ديگرهمان طور كه سرعت جريان از بالا به پايين كاهش می‌یابد فشار ايستايي هم متناظراً از بالا به پایین كاهش می‌یابد كه اين به معناي به وجود آمدن يك گراديان فشار رو به پایین مي باشد كه در اثر اين گراديان فشار يك جت آب قائم رو به پايين تشكيل می‌شود. در نتيجه برخورد جت به وجود آمده با بستر رودخانه يك گودال در اطراف پايه پل به وجود مي آيد که به گودال آب شستگی معروف است. برخورد جريان رو به پايين با بستر مكانيزم اصلي ايجاد آب شستگي مي باشد[23]. در شكل 2-2 الگوهاي آب شستگي دراطراف يك پايه دايره اي شكل به نمايش در آمده است. همان طور كه در شكل نشان داده شده است يك حركت گردابي قوي ذرات را از اطراف پايه پل به آرامي دور می کند[20]. زمانيكه جريان رو به پايين به بستر مي رسد شروع به ايجاد حفره اي در نزديكي پايه مي كند. در اثر برخورد جریان رو به پایین با جريان نزديك شونده به سمت پايه، يك سيستم گردابي به وجود مي آيدکه با گذشت زمان از بالادست پايه و از طريق طرفين پايه به سمت پايين دست كشيده می‌شودکه بخاطر شباهتش به نعل اسب به ورتکس نعل اسبی معروف است. پس ورتکس نعل اسبی نتيجه جدايي جريان در بالادست حفره آب شستگي (كه بوسيله جریان رو به پایین ايجاد شده است) مي باشد. نقش اصلي ورتکس نعل اسبی انتقال ذرات جدا شده از بستر به پايين دست پايه پل مي باشد. ورتکس نعل اسبی نتيجه پديده آب شستگي مي باشد و نه دلیل به وجود آمدن آن.[3] هر چه قدر عمق گودال آب شستگي بيشتر می‌شود قدرت ورتکس نعل اسبی کاهش می‌یابد كه در نتيجه باعث كاهش سرعت جدایی رسوبات از بستر پايه پل می‌شود. همان طور كه در شكل 2-2 نمايش داده شده است علاوه بر ورتكس نعل اسبي كه در پيرامون بستر پايه پل اقدام به جابجايي ذرات بستر مي كند، گردابه هايي در پايين دست پايه پل نيز اقدام به جابجايي ذرات بستر مي كنند كه به اين گردابه ها،گردابه های پشت پایه گفته می‌شود. گردابه های پشت پایه در نتيجه جدايي جريان در سمت چپ و راست پايه پل به وجود می‌آیند. گردابه های پشت پایه پايدار نمی‌باشند و متعاقباً از يك سمت پايه به سمت ديگر آن منتقل می‌شوند. به اين نكته بايد توجه شود كه ورتکس نعل اسبی و گردابه های پشت پایه دو مکانیزم اصلی در فرسایش ذرات بستر می‌باشند.

شکل 2-2: نمایش الگوهای آب شستگی در اطراف یک پایه دایره ایی شکل (آلابی (2006))
قدرت گردابه های پشت پایه با دور شدن و فاصله گرفتن از پايه پل به شدت كاهش می‌یابد به طوری که از یک فاصله معين به بعد ذرات شسته شده بارگذاري می‌شوند[34].
2-5. آغاز حركت ذرات بستر
اطلاع از شرايط هيدروليكي كه در آن ذرات بستر با يك اندازه معلوم در آستانه فرسايش و جابجايي قرار می‌گیرند در مطالعات مربوط به آب شستگي از اهميت خاصي برخوردار است. به اين شرايط، آستانه حركت ذرات13 گفته می‌شود. بيشترين عمق آب شستگي در شرايط جريان آب صاف زماني حاصل می‌شود كه ذرات در آستانه حركت يا فرسايش قرار بگيرند. مرسوم است كه نوع آب شستگي موضعي بر اساس اينكه آيا ذرات بستر در بالادست پايه پل در حالت سكون قرار دارند يا خیر تعیین می‌شود كه در اين زمينه آستانه فرسايش ذرات نقش مهمي را بازي می‌کند. روش های مختلفی برای تعیین آستانه حرکت ذرات وجود دارد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به روش نیروی کششی بحرانی اشاره کرد.
2-5-1. روش نيروي كششي بحراني
در اين روش نيروي كششي اعمال‌شده از طرف جريان آب بر بستر كانال به عنوان تنها عامل حركت ذرات بستر در نظر گرفته می‌شود. هنگامی‌که تنش برشي در بستر با تنش برشي بحراني برابر شود، ذرات منفرد در بستر در آستانه حركت قرار می‌گیرند. اين روش به طور گسترده توسط محققين استفاده شده است چون نسبت به روش هاي ديگر نتايج معقول تر و قابل اعتماد تري مي دهد. در زير اين روش به تفصيل توضيح داده می‌شود[16].
پارامترهاي اصلي تاثير گذار بر آستانه حركت ذرات در تراز بستر رودخانه شامل: چگالي ذرات (ρ_s)، دماي آب (T)، چگالي آب (ρ)، شتاب جاذبه (g)، ويسكوزيته سينماتيكی آب(ν)، سرعت ميانگين جريان (u)، عمق جريان (y0)، زبري ذرات (ks) و تنش برش بحراني (τ_c) مي باشند[5]. همان طور كه گفته شد هنگامی‌که تنش برشي در بستر رودخانه به تنش برشي بحراني برسد (τ_c) ذرات منفرد بستر در آستانه حركت قرار مي گيرند. تنش برشي بحرانی از دياگرام شيلدز به طور غير مستقيم بدست مي آيد. براي این منظورابتدا نسبت تنش برشي بحراني بدون بعد را مي توان از دياگرام شيلدز (با توجه به شرايط جريان مثل درجه حرارت، وزن مخصوص و قطر متوسط ذرات بستر) تعيين كرد سپس از روی این نسبت تنش برشی بحرانی بدست می آیدکه برای این کـار ابتــــدا پارامتــــر 2-1 را كــــــه در
(1975) Sedimentation Manual ASCE آمده را بدست آوريم :
d_50/υ (0/1(γ_s/γ-1)g d_50 )^(1/2) (1-2)
اين پارامتر به صورت دسته اي از خطوط موازي در دياگرام شيلدز ظاهر می‌شود.[5] با داشتن مقدار پارامتر 2-1،τ_* به طور مستقيم از دياگرام شيلدز محاسبه می‌شود. سپس τ_c از رابطه زير محاسبه می‌شود:
τ_c=τ_* (γ_s-γ)d_50 (2-2)
كه در آن d_50 قطر متوسط ذرات بستر، γ_s وزن مخصوص ذرات و γ وزن مخصوص آب مي باشند. سرعت برشي بحراني14 u_(*c ) از فرمول زير محاسبه می‌شود :
u_(*c)=√(τ_c/ρ) (3-2)
همچنين u_(*c) مي تواند از فرمول زير محاسبه شود:
u_(*c)=0/0115+0/0125 〖d_50〗^(1/4) 0/1 mmu_(*c)=0/0305〖d_50〗^(0/5)+0/0065 〖d_50〗^(-1) 1 mmسرعت بحراني متناظر با u_(*c) (u_c) كه به عمق جريان بستگي دارد مي تواند با استفاده از معادله سرعت ميانگين نيمه لگاريتمي زيركه براي يك بسترزبرارائه شده است[8] بدست آيد:
u_c/u_(*c) = 5/75 log⁡〖y_0/k_s +6〗 (2-6)
به نسبت هاي u/u_c , u_*/u_(*c) شدت جريان15 گفته می‌شود كه عامل تعيين كننده در آغاز حركت (آستانه حركت) ذرات بستر مي باشد. u_* سرعت برشي جريان وu سرعت متوسط جريان مي باشد وk_s زبري ذرات بستر16 ناميده می‌شود كه برابر با 〖2d〗_50 مي باشد.
2-6. دسته بندي آب شستگي موضعي
چابرت و انگلدینگر(1956) دو نوع اصلي آب شستگي موضعي در اطراف يك پايه پل و بر اساس قدرت انتقال و فرسايش ذرات بستر بوسيله جريان نزديك شونده به سمت پايه را شناسايي كردند و آنها را شرايط آب صاف و شرايط بستر فعال نامگذاري كردند. اين دسته بندي شرايط جريان بستگي به قدرت جريان نزديك شونده به پايه17 در انتقال ذرات بستر از يك نقطه به نقطه ديگر دارد[7]. شرايط آب صاف به حالتي اطلاق می‌شودكه در آن ذرات بستر بوسيله جريان شسته نمی‌شوند و يا حالتي كه ذرات از ناحيه گودال آب شستگي برداشته می‌شوند ولي بوسيله جريان نزديك شــونده بــه پايه، اين گودال مجدداً پر نمی‌شود[24]. به طور مشابه اتما و رادکیوی(1983) آب شستگي موضعي در شرايط آب تميز را اين گونه تعريف كردند كه ذرات بستر در سمت بالادست پايه پل در حركت نمي باشد. از سوي ديگر شرايط بستر فعال به حالتي اطلاق می‌شود كه يك جابجايي كلي از ذرات بستر بوسيله جريان انجام می‌شود و گودال آب شستگي به طور پيوسته بوسيله جريان نزديك شونده با ذرات بستر پرمی شود[11]. در شرايط آب صاف ماكزيمم عمق آب شستگي زماني فرا مي رسد كه جريان ديگر توانايي بلند كردن ذرات بستر را از گودال آب شستگي نداشته باشد[2]. در شرايط بستر فعال عمق آب شستگي در حالت تعادل زمانی فرا مي رسد كه در طول يك زمان مشخص مقدار ذرات شسته شده از گودال آب شستگي با تعداد ذراتي كه بوسيله جريان نزديك شونده در داخل گودال آب شستگي قرار مي گيــــرند برابر باشد[24]. توسعه ماكزيمم عمق آب شستگي در شرايط آب صاف و عمق آب شستگي در شرايط بستر فعال با توجه به زمان در شكل 2-3 نمايش داده شده است. در بسترهاي درشت دانه (ماسه ها وشن ها)آب شستگي موضعي در حالت تعادل در شرايط بستر فعال به سرعــت حاصل می‌شود سـپس در پاسخ به تغییر حالت هاي بستر18 نوسان مي كند. ولي از سوي ديگر گودال آب شسـتگي متعادل در شرايط آب صاف در مدت زمان طولاني تري حاصل می‌شود[33].

شکل 2-3: عمق آب شستگی نهایی در شرایط آب صاف و بستر فعال(رادکیوی و همکاران (1983))
شرايط آب صاف زماني رخ مي دهد كه سرعت متوسط جريان از سرعت آستانه حركت ذرات بستر كوچكترباشد يعني uu_c باشد. ماكزيمم عمق آب شستگي در شرايط آب صاف هنگامي رخ مي دهد كه u≅u_c باشد. ماكزيمم عمق آب شستگي در شرايط آب صاف نسبت به شرايط بستر فعال در مدت زمان طـولاني تـري رخ مي دهـــد. براساس ریچارد سون و دیویس(1995) ماكزيمم عمق آب شستگي در شرايط آب صاف براي يك پايه پل نسبت به عمق آب شستگي تعادل در شرايط بستر فعال ده درصد بيشتر مي باشد. همان طور كه از شكل 2-3 معلوم است چون عمق آب شستگي متعادل به صورت مجانبي با زمان تعيين می‌شود مدت زمان طولاني نياز است تا گودال آب شستگي متعادل شكل گيرد.
2-7. پارامترهاي موثر بر فرآيند آب شستگي
برازرز و همکاران(1977) پارامترهاي موثر بر آب شستگي در گروه هاي زير دسته بندي کردند:
پارامترهاي مربوط به جريان نزديك شونده شامل: شدت جریان، عمق جریان، سرعت برشی، سرعت میانگین جریان، زبری بستر و توزیع سرعت جریان
پارامترهاي مربوط به پايه شامل: اندازه، هندسه، فاصله ميان پايه ها، تعدادپایه ها و جهت گيري پايه ها نسبت به جهت جريان (زاويه حمله)
پارامترهاي مربوط به ذرات بستر شامل: اندازه ذرات، چگالي جرمي، شكل ذرات، نيروي چسبندگي در خاك هاي چسبنده و دانه بندی ذرات
پارامترهاي سيال شامل: چگالي جرمي، شتاب جاذبه و ويسكوزيته سينماتيكي
همچنين اولیوتو و هنگر (2002 و 2005)پارامتر اصلي تاثير گذار بر فرآيند آب شستگي را به نام عدد فرود ذرات بستر19 را يافتند كه از رابطه زير محاسبه می‌شود:
F_d=u/√(g ́d_50 ) (2-7)
g ́=[(ρ_s-ρ)/ρ]g (2-8)
كه درآن g ́ شتاب جاذبه نسبي، ρ_s چگالي ذرات بستر، ρ چگالي سيال(كه در اينجا آب است)،u سرعت جريان نزديك شونده و d_50 قطر ميانگين ذرات بستر مي باشد.
2-7-1. عمق جريان
با توجه به شكل 2-2 در اثر حضور پايه پل در كانال يك موج سطحي20 درسطح آب و در مجاورت پايه پل و يك ورتكس نعل اسبي در سطح بستر و در مجاورت پايه پل تشكيل می‌شوند. عمق جريان زماني بر عمق آب شستگي تاثير مي گذارد كه بر تشكيل موج سطحی و ورتکس نعل اسبی تاثیرگذارد. موج سطحی و ورتکس نعل اسبی در جهت های مخالف همديگر مي چرخند. به طور كلي تا زماني كه هيچ تداخلي در دو مكانيزم مذكور وجود نداشته باشد عمق جريان بر عمق آب شستگي تاثير نمي گذارد كه در اين حالت جريان عميق خوانده می‌شود و گفته می‌شود كه آب شستگي موضعي در اطراف پايه باريك21 رخ مي دهد. هر چه عمق جريان كمتر می‌شود موج های سطحی به ورتکس نعل اسبی نزديك تر می‌شود و از قدرت آن مي کاهدکه نهایتا اين فرآیند باعث كاهش عمق آب شستگي موضعي می‌شود. بنابراين براي جریان های كم عمق تر، عمق آب شستگي نسبت به جریان های عمیق تركمتر خواهد بود. پس می توان گفت که در يك جریان آب بسيار كم عمق، عمق آب شستگي موضعي به عمق جريان بستگي خواهد داشت و در اين حالت گفته می‌شود كه آب شستگي در اطراف يك پايه پهن22 اتفاق افتاده است.
پارامتر عمق جريان23 ، (D/y_0 ) (كه در آن D وy_0 به ترتيب قطر پايه و عمق جريان هستند) مي تواند براي طبقه بندي اثرعمق جريان وقطر پايه برعمق آب شستگي موضعي به كاررود. اين دسته بندي در جدول 2-1 آورده شده است[27]. به طور كلي در آب هاي كم عمق، عمق آب شستگي با افزايش عمق جريان افزايش می‌یابد و زمانیکه جريان به جريان عميق تبديل می‌شود عمق آب شستگي به عمق جريان وابسته نخواهد بود.
2-7-2. نسبت انقباض24
به نسبت عرض فلوم به قطر پایه نسبت انقباض گفته می شود. با توجه به اینکه عمق آب شستگي با تغيير نسبت انقباض تغیير مي كند پیشنهاد شده است که درتحقيقات آزمايشگاهي و در شرايط آب صاف و در شرایط بستر فعال این نسبت به ترتیب از 8 و 10 بیشتر باشد تا بتوان از اثر انسداد بر عمق آب شستگی صرفنظر کرد[35].
2-7-3. درشتي ذرات بستر و دانه بندي
پارامتر درشتي دانه ها به نسبت عرض پايه(D) به قطر متوسط ذرات (d_50) ( D/d_50 ) گفته می‌شود. بر اساس تحقيقات انجام گرفته اگر 50≥ D/d_50 باشد آب شستگي موضعي تحت تاثير اندازه ذرات بستر می باشد و براي D/d_50 ≥ 50 آب شستگي موضعي مستقل از اندازه ذرات بســــتر مي باشد. اتـــمــا (1980)

جدول2-1: طبقه بندی انواع آب شستگی در اطراف فونداسیون های پایه های پل با توجه به عمق جریان(ملویل و همکاران(2000))
وابستگی عمق آب شستگی موضعی

دسته

باریک

عمق میانه

پهن

گزارش كرد كه براي مقادير كوچك D/d_50 اندازه ذرات منفرد بستر نسبت به گودال حفر شده بوسيله جريان رو به پايين بزرگ مي باشند و در نتيجه عمق آب شستگي به شدت كاهش می‌یابد. علت اين امر اين است كه انرژي جريان رو به پايين در خلل فرج ميان ذرات بستر مستهلك می‌شود.
ملویل و کلمن(2000) بيان كردند كه براي 8 ≥D/d_50 ذرات منفرد بستر در مقايسه با پایه پل بسيار بزرگ مي باشند و آب شستگي بيشتر در دو طرف پايه پل رخ مي دهد.
دانه بندي ذرات معمولاً بوسيله استفاده از پارامتر انحراف از معيارهندسي25 معين می‌شود كه فرمول آن ( σ_g=√(d_84/d_16 )) مي باشد. براي ماسه طبيعي رودخانهσ_g درحدود 8/1 مي باشد در حاليكه براي ماسه

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه با کلید واژگان وزارت جهاد کشاورزی، کارشناسی ارشد، جهاد کشاورزی، هیدرولیک Next Entries پایان نامه با کلید واژگان شستگي، پايه، جريان، كردند