در این تحقیق تاثیر ژئوبگ­ها بر کنترل آب‏شستگی کوله پل‏ها با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مورد مطالعه قرار­گرفته است. ژئوبگ­ها کیسه­هایی از جنس ژئوتکستایل هستند که با مصالحی مانند ماسه، بتن و یا مصالح حاصل از لایروبی رودخانه­ها پر می­شوند. با توجه به در دسترس بودن، هزینه کم و عدم نیاز به نیروی کار ماهر، استفاده از این مواد نسبت به مصالح سنتی بسیار مقرون به صرفه است. در این راستا، با استفاده از نرم­افزار FLOW-3D جریان و فرسایش رسوبات اطراف کوله پل‏ها و تاثیر ژئوبگ­ها و ژئومت­ها (ژئوبگ بزرگ) بر کاهش عمق آب‏شستگی مدل­سازی شد. از این نرم­افزار برای حل معادلات سه بعدی نویر-استوکس به روش مشتقات محدود (finite difference) استفاده شده­است. مدل آشفتگی RNG برای مدل­سازی میدان جریان در اطراف کوله، محلی که گردابه­های نعل اسبی تشکیل شده و جریان آشفته غالب است، به کار برده شده­است. تصدیق صحت و دقت نرم­افزار با استفاده از نتایج مدل آزمایشگاهی جریان و فرسایش اطراف کوله بدون لایه محافظ با دیواره قائم مورد بررسی قرار گرفت. در روند مدل­سازی ابتدا جریان اطراف کوله تا رسیدن به حالت پایدار گسترش یافت و سپس اجازه فرسایش به مدل داده شد. نتایج شبیه‏سازی از نظر کمی و کیفی با مدل آزمایشگاهی از مطابقت خوبی برخوردار است. بر اساس شبیه­سازی­های صورت گرفته، لایه­های ژئوبگ و ژئومت از کوله پل در برابر فرسایش به خوبی محافظت کرده ولی باعث انتقال فرسایش به پایین­دست کوله می­شوند. همچنین تاثیر هندسه لایه ژئومت بر کاهش ماکزیمم عمق آب‏شستگی، و نیز کارایی لایه ژئومت در عمق آب، سرعت و اندازه ذرات رسوبی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت.
 
کلید واژگان: آب شستگی- کوله پل- دینامیک سیالات محاسباتی
 
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
 
 
عنوان                                           صفحه
 
فصل اول: مقدمه
1-1- انواع کوله پل‏ها، مکانیابی و ساخت.. 2
1-1-1- انواع کوله پل‏ها.. 2
1-1-2- مکانیابی کوله پل‏ها.. 3
1-1-3- ابعاد کوله و نحوه ساخت.. 4
1-2- میدان جریان.. 4
1-3- پروسه آب‏شستگی.. 6
1-3-1- آب‏شستگی کلی.. 6
1-3-2- آب‏شستگی کوله پل.. 7
1-4- معرفی تحقیق.. 8
 
فصل دوم: مروری بر تحقیقات پیشین و تئوری تحقیق
2-1- مقدمه.. 11
2-2- طبقه بندی آب‏شستگی موضعی کوله پل‏ها.. 12
2-3- میدان جریان و تنش برشی بستر در محل کوله پل   13
2-4- پارامترهای تاثیرگذار بر آب‏شستگی کوله پل‏ها.. 16
2-4-1- طبقه بندی پارامترها.. 16
عنوان                                           صفحه
 
2-4-2- آنالیز ابعادی.. 17
2-5- تاثیر پارامترهای مختلف بر عمق آب‏شستگی.. 18
2-5-1- سرعت جریان عبوری.. 18
2-5-2- عمق جریان عبوری.. 20
2-5-3- طول کوله، نسبت تنگ شدگی و نسبت دهانه.. 21
2-5-4- اندازه و دانهبندی رسوبات.. 22
2-5-5- شکل کوله.. 25
2-5-6- جهت قرارگیری کوله نسبت به جریان عبوری.. 26
2-5-7- هندسه آبراهه.. 27
2-5-8- تغییرات زمانی آب‏شستگی.. 28
2-6- تخمین عمق آب‏شستگی.. 31
2-6-1- رویکرد رژیم جریان.. 31
2-6-2- رویکرد تجربی.. 32
2-6-3- رویکرد تحلیلی یا شبه تجربی.. 37
2-7- مطالعات عددی آب‏شستگی اطراف کوله پل‏ها.. 38
2-8- روش‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کنترل آب شستگی.. 40
2-9- نتیجه‏گیری.. 42
 
فصل سوم: ضوابط طراحی ژئوبگ‌ها
3-1- مقدمه.. 44
3-2- ضوابط کلی پایداری.. 44
3-2-1- پایداری در برابر بار موج.. 44
3-2-2- پایداری بار جریان.. 48
عنوان                                           صفحه
 
3-3 -ضوابط پایداری ژئوبگ‌ها.. 52
3-3-1- بحث در مورد دانسیته نسبی.. 52
3-3-2- محافظت شیب.. 52
3-3-3- پایداری المان‌های تاج.. 56
3-4- ضابطه طراحی بر اساس بار جریان.. 57
3-5- پایداری ژئوبگ‌ها از منظر مکانیک خاک.. 57
 
فصل چهارم: معرفی نرم‏افزار FLOW-3D
4-1- مقدمه.. 59
4-2- مدل هیدرودینامیک.. 59
4-3- مدلسازی رسوب.. 62
4-4- مدل آشفتگی.. 66
 
فصل پنجم: نتایج شبیه‏سازی عددی
5-1- مقدمه.. 69
5-2- کالیبراسیون مدل و آنالیز حساسیت مش‏بندی.. 70
5-2-1- مشخصات مدل و نحوه شبکه‏بندی.. 70
5-2-2- نتایج شبیه‏سازی.. 73
5-2-2-1- نتایج شبیه‏سازی جریان.. 73
5-2-2-2- نتایج شبیه‏سازی رسوب.. 75
5-3- بررسی تاثیر ژئومت بر کنترل آب‏شستگی کوله با دیواره قائم   81
5-4- بررسی تاثیر ژئوبگ و ژئومت بر کنترل آب‏شستگی اطراف کوله باله‏ای.. 83
5-4-1- مشخصات مدل کوله باله‏ای.. 83
 
عنوان                                           صفحه
 
5-4-2- نتایج شبیه‏سازی جریان و فرسایش اطراف کوله باله‏ای بدون
وجود لایه محافظ.. 85
5-4-3- نتایج شبیه‏سازی جریان و فرسایش اطراف کوله باله‏ای
محافظت شده با ژئوبگ.. 87
5-4-4- شبیه‏سازی جریان و فرسایش اطراف کوله بالهای محافظت شده
به وسیله ژئومت.. 91
5-5- تاثیر ضخامت و عرض لایه ژئومت بر کنترل آب‏شستگی اطراف کوله باله‏ای..     93
5-6- بررسی اثر عمق جریان بر آب‏شستگی اطراف کوله باله‏ای بدون لایه
محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت.. 98
5-7- مطالعه تاثیر سرعت جریان بر آب‏شستگی اطراف کوله باله‏ای
بدون لایه محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت   100
5-8- بررسی تاثیر اندازه ذرات رسوبی و پارامتر شیلدز بر آب‏شستگی اطراف کوله باله‏ای بدون لایه محافظ و کارایی کوله حفاظت شده با لایه ژئومت و لایه ژئوبگ.. 102
 
فصل ششم: نتایج تحقیق و پیشنهادها
6-1- نتایج تحقیق.. 105
6-2- پیشنهادها برای کارهای آینده.. 106
 
فهرست منابع.. 107
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
 
 
عنوان                                           صفحه
 
جدول 2-1- ضریب شکل‏های کوله پل‏ها.. 25
جدول 2-2- ضریب راستای جریان برای زوایای مختلف برخورد   26
جدول 2-3- ضرائب رابطه پیشنهادی Melville (1992، 1995، 1997)   36
جدول 3-1- پارامتر پایداری برای سیستم های مختلف   49
جدول 5-2- پارامتر sheilds برای سیستم های مختلف.. 49
جدول 5-3-مقادیر پیشنهادی برای ضریب KT. 50
جدول 3-4-الف- ضخـامت معـادل سیستم‌های پر شده از ماسه
(H=1 m) (Pilarczyc، a-2000).. 57
جدول 3-4-ب- ضخـامت معـادل سیستـم‌های پر شده از ماسه (H=2 m)   57
جدول 5-1- جزئیات شبکه‏بندی شبیه‏سازی‏ها.. 73
جدول 5-2- میانگین سرعت و عمق جریان و میزان خطا برای شبکه‏بندی‏های مختلف.. 75
جدول 5-3- مقایسه مقادیر عمق متوسط، سرعت متوسط برای fs,co=0.0005
و fs,co=0.002. 76
جدول 5-4- مقادیر ماکزیمم عمق آب‏شستگی مدل‏های شبیه‏سازی   81
جدول 5-5- عمق آب‏شستگی موضعی اطراف کوله قائم محافظت شده توسط ژئومت.. 83
جدول 5-6- جزئیات شبکه‏بندی مدل کوله باله‏ای.. 85
جدول 5-7- مقایسه کارایی لایه‏های ژئومت با ضخامت مختلف در کنترل آب‏شستگی.. 95
جدول 5-8- مقایسه کارایی لایه‏های ژئومت با عرض مختلف در کنترل آب‏شستگی.. 98
 
 
 
فهرست شکل‎ها
 
 
عنوان                                           صفحه
 
شکل 1-1- شمای کلی کوله‏های با دیواره شیب‏دار و باله‏ای    3
شکل 1-2- جریان عبوری از یک تنگ‏شدگی کوتاه.. 5
شکل 1-3- جریان و آب‏شستگی اطراف یک کوله و خاکریز در یک آبراهه مرکب.. 6
شکل 2-1- تغییرات زمانی آب‏شستگی در حالت آب زلال و بستر متحرک   13
شکل 2-2- نمای شماتیک میدان جریان اطراف کوله یک پل   15
شکل 2-3- تغییـرات عمق آب‏شستگی با نسبت سرعت برشی      19
شکل 2-4- تغییرات عمق آب‏شستگی ds نسبت به عمق جریان h  21
شکل 2-5- تغییرات عمق آب‏شستگی ds نسبت به طول کوله l 22
شکل 2-6- تغییرات عمق آب‏شستگی ds با اندازه دانه‏های رسوبی d50  24
شکل 2-7- تغییرات عمق آب‏شستگی ds با دانه‏بندی رسوبات σg 24
شکل 2-8- تغییرات نسبت عمق آب‏شستگی به طول کوله ds/l با زمان t    29
شکل 2-9- استفاده از ژئوبگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها جهت کنترل آب شستگی کوله پل‏ها   41
شکل 3-1-شکل شماتیک سنگ چین.. 47
شکل 3-2-طرز قرار گیری کیسه ها به طور شماتیک.. 53
شکل 3-3-خلاصه نتایج آزمایش پایداری برای ژئوبگ های قرار گرفته بر شیب (D=d).. 55
شکل 5-1- نمای کلی فلوم آزمایشگاهی Kayaturk. 70
شکل 5-2- نمای کلی مدل شبیه‏سازی در FLOW-3D.. 71
شکل 5-3- شرایط مرزی مدل.. 71
عنوان                                           صفحه
 
شکل 5-4- نمای کلی مقطع عرضی شبکه‏بندی.. 73
شکل 5-5- پروفیل سطح آب در محل دماغه کوله برای چهار حالت اندازه شبکه‏بندی.. 74
شکل 5-6- خطوط هم‏تراز سرعت در نزدیکی سطح بستر رسوبی   74
شکل 5-7- بردارهای توزیع سرعت الف- ابتدای مرحله دوم شبیه‏سازی؛
ب- 5 ثانیه پس از شروع مرحله دوم.. 77
شکل 5-8- مقایسه پرفیل سرعت مدل با توزیع سرعت لگاریتمی در فواصل 1 متری
پروفیل طولی.. 79
شکل 5-9- الف- نمای کلی فلوم شبیه‏سازی؛ ب- مقطع عرضی حفره آب‏شستگی
در محل بالادست کوله؛ ج- ایجاد حفره آب‏شستگی در اطراف کوله   80
شکل 5-10- نمای سه بعدی حفره آب‏شستگی تشکیل شده در بالادست کوله   80
شکل 5-11- نمای کوله قائم حفاظت شده توسط الف) ژئومت در وجه جلوی کوله؛
ب) ژئومت در اطراف سه وجه کوله.. 82
شکل 5-12- تشکیل حفره آب‏شستگی در وجه بالادست کوله و پایین‏دست ژئومت.. 82
شکل 5-13- تشکیل حفره آب‏شستگی در وجه بالادست و پایین‏دست ژئومت   82
شکل 5-14- نمای کلی فلوم آزمایشگاهی.. 84
شکل 5-15- کوله باله‏ای یکپارچه از جنس پلکسی گلاس.. 84
شکل 5-16- نمای کلی مدل شبیه‏سازی در FLOW-3D.. 84
شکل 5-17- مکان‏های محتمل تشکیل حفره آب‏شستگی.. 86
شکل 5-18- الف- مقطع عرضی حفره آب‏شستگی؛ ب- حفره آب‏شستگی در محل کوله
(A) و پایین‏دست آن (B).. 86
شکل 5-19- نمای سه بعدی حفرات آب‏شستگی تشکیل شده.. 87
شکل 5-20- چیدمان ژئوبگ پیشنهادی.. 88
شکل 5-21- نمای کلی کوله باله‏ای محافظت شده با لایه ژئوبگ شیبدار   88
 
عنوان                                           صفحه
 
شکل 5-22- حفره آب‏شستگی تشکیل شده در اطراف لایه ژئوبگ
الف) مدل آزمایشگاهی؛ ب) مدل شبیه‏سازی.. 90
شکل 5-23- نمای کلی مدل شبیه‏سازی کوله باله‏ای محافظت شده با ژئومت   91
شکل 5-24- حفرات آب‏شستگی تشکیل شده در اطراف ژئومت الف) پلان مدل؛
ب) مدل آزمایشگاهی؛ ج) نمای سه بعدی شبیه‏سازی عددی.. 92
شکل 5-25- نمای پلان آب‏شستگی اطراف لایه ژئومت با ضخامت الف) 22 میلیمتر؛
ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 93
شکل 5-26- نمای سه بعدی آب‏شستگی اطراف لایه ژئومت با ضخامت الف) 22 میلیمتر؛
ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 94
شکل 5-27- خطوط هم تراز انرژی آشفتگی در نزدیکی سطح بستر رسوبی برای
کوله با لایه ژئومت الف) 22 میلیمتر؛ ب) 33 میلیمتر؛ ج) 44 میلیمتر.. 96
شکل 5-28- تشکل حفرات آب‏شستگی در اطراف لایه ژئومت با عرض 320 میلیمتر
الف) پلان ب) نمای سه بعدی.. 97
شکل 5-29- مقایسه ماکزیمم عمق آب‏شستگی کوله با لایه ژئومت و کوله بدون
محافظ برای سه عمق جریان 08/0، 1/0 و 12/0 متر در نواحی الف) B و B0؛
ب) C و A0؛ ج) D و A0. 99
شکل 5-30- مقایسه ماکزیمم عمق آب‏شستگی کوله با لایه ژئومت و کوله بدون
محافظ برای سه سرعت جریان 3/0، 4/0 و 55/0 متر بر ثانیه در نواحی الف) B و B0؛
ب) C و A0. 101
شکل 5-31- مقایسه ماکزیمم عمق آب‏شستگی کوله با لایه ژئومت، کوله با لایه ژئوبگ
و کوله بدون محافظ برای دو اندازه دانه رسوب 45/0، 48/1 میلیمتر در نواحی
الف) B و B0؛ ب) C و A0، ج) D و A0. 103
 

 
 
فهرست نشانه‏های اختصاری
 
 
B = عرض آبراهه یا فلوم
bd = عرض پایه پل استوانه­ای متحمل نیروی دراگی معادل با نیروی دراگ روی کوله
bs = عرض پایه پل هم ارز
CD = ضریب نیروی دراگ ذرات رسوبی
D = قطر پایه پل
d، d50 = قطر متوسط ذرات رسوبی
d16 = ذرات با قطر ریزتر از 16%
d50a = dmax / 1.8
d84 = ذرات با قطر ریزتر از 84%
= نسبت عمق آب‏شستگی در محل کوله به نسبت عمق آب‏شستگی در تنگ­شدگی طویل هم ارز
dmax = ماکزیمم اندازه ذرات رسوبات غیر یکنواخت
ds = عمق آب‏شستگی تعادلی رسوبات یکنواخت
dst = عمق آب‏شستگی در زمان t
Fd = ، عدد فرود densimetric
Fr = ، عدد فرود جریان عبوری
Frc = ، عدد فرود جریان عبوری متناظر با سرعت بحرانی
f1 = ضریب شکاف Lacey؛ 1.76d0.5
g = شتاب ثقل
h = عمق جریان عبوری
h* = عمق جریان در دشت سیلابی
K1,2، k1,2 = ضرائب
Kd = ضریب اندازه ذرات
Khl = ضریب عمق جریان – طول کوله
KI = ضریب شدت جریان
Ks، Ks* = ضریب شکل کوله و ضریب شکل کوله تصحیح شده
Kθ، Kθ* = ضریب زاویه قرار­گیری کوله نسبت به جریان و ضریب زاویه قرار­گیری کوله نسبت به جریان تصحیح شده
Kσ = تابع وابسته به σg
LR = طول reference، l2/3h1/3
l = طول عرضی یا طول جلو­آمدگی کوله
l* = عرض دشت سیلابی
M = نرخ دبی
m = ضرائب وابسته به اندازه ذرات رسوبی
N، N* = ضرائب زبری مانینگ به ترتیب برای آبراهه و دشت سیلابی
Ns = عدد شکل
n = متغیر­های وابسته به اندازه ذرات رسوبی
Q = دبی طرح
q = شدت دبی
= r/l
s = چگالی نسبی ذرات رسوبی
T = مدت زمان رسیدن به عمق آب‏شستگی تعادلی
TR = مدت زمان بی­بعد،
T* = زمانی که
t = مدت زمان
U = سرعت متوسط جریان عبوری
Ua = 0.8Ucn
Uc = سرعت بحرانی برای ذرات رسوبی
Ucn = سرعت بحرانی برای اندازه ذرات لایه آرمور، d50a
u، v، w = مولفه­های متوسط زمانی سرعت در جهات (x, y, z) یا (θ, r, z)
= u / U
u* = سرعت برشی جریان عبوری
u*c = سرعت برشی بحرانی برای ذرات رسوبی
u*cn = سرعت برشی بحرانی برای اندازه ذرات لایه آرمور، d50a
= v / U
= w / U
ws = سرعت ته­نشینی ذرات رسوبی
X =
= x / l
xd = dst / ds
x، y، z = مختصات کارتزین
= y / l
= z / l
α = نسبت باز­شدگی، 1 – l / B
= s – 1
ϕs = زاویه شیب دیواره حفره آب‏شستگی
1-3η = ضرائب
θ، r، z = مختصات استوانه­ای قطبی
θa = زاویه برخورد
θc = تابع entrainment شیلدز،
θt = زاویه چرخش بین مسیر جریان زیرین و جهت جریان اصلی،
ρ، ρs = به ترتیب چگالی جرمی آب و ذرات رسوبی
σg = انحراف معیار هندسی
τ0 = تنش برشی بستر ناشی از جریان عبوری
τc = تنش برشی بحرانی ذرات رسوبی
τcont = تنش برشی ناشی از تنگ­شدگی
= تنش برشی بستر ناشی از تنگ­شدگی،
τnose = تنش برشی بستر در محل دماغه کوله
= ضریب تشدید تنش برشی بستر تنها به علت وجود کوله، τ´nose / τ0
τ´nose = تنش برشی تنها به علت وجود کوله
= ضریب تشدید کلی تنش برشی در محل کوله با دیواره قائم، τnose / τ0
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
فصل اول
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
مقدمه
 
 
1-1- انواع کوله پل‏ها، مکانیابی و ساخت
 
اگر­چه مورفولوژی آبراهه­های رودخانه­ای از یک محل به محل دیگر تفاوت­های اساسی دارند، اما کوله پل‏ها خصوصیات عمومی واحدی دارند که می­توان از آن برای تعریف نوع آن­ها جهت پیش­بینی میدان جریان در هندسه آبراهه­های مختلف استفاده نمود. خصوصیات عمومی کوله پل‏ها را می­توان در قالب نوع کوله، مکان­یابی عمومی خاکریز دسترسی و