بررسی آزمایشگاهی کارایی مواد نانوساختار بر کاهش عمق آبشستگی موضعی پایه پل در جریان غیرماندگار

سابقه و هدف: یکی از مسائل عمده و مهم در مباحث مهندسی رودخانه، طراحی و احداث پل‌ها می‌باشد که علاوه بر مسائل پایداری، تخمین عمق بیشینه آبشستگی در مجاورت پایه‌ها نیز دارای اهمیت بسیاری است. وقوع آبشستگی موضعی یکی از دلایل عمده عدم پایداری پل‌ها و در نهایت شکست آن‌ها می‌باشد. در حالی که اکثر تحقیقات انجام شده در زمینه آبشستگی پایه‌پل‌ها در شرایط جریان ماندگار انجام شده است، اما در رودخانه‌ها و به‌ویژه در شرایط وقوع سیل، جریان غیر‌ماندگار بوده و ممکن است تغییرات زمانی دبی جریان نسبتاً سریع باشد. نتایج مطالعات نشان داده شده است که در نظر گرفتن جریان غیر‌ماندگار، موجب پیش‌بینی واقعی‌تر واقتصادی‌تر عمق بیشینه آبشستگی در اطراف پایه‌های پل می‌گردد. تاکنون راه‌کارهای زیادی به منظور حفاظت از پایه‌ پل‌ها ارائه شده است. در این پژوهش از یک راه‌حل غیرسازه‌ای و دوستدار محیط زیست برای کاهش عمق آبشستگی پایه ‌پل‌ها در شرایط جریان غیر‌ماندگار استفاده شده است. مواد و روش‌‌ها: تاکنون از مواد نانوساختار عمدتاً برای اصلاح رفتار مقاومتی بتن و نیز جاده‌های روستایی خاکی استفاده شده است. برای دستیابی به اهداف پژوهش، رسوب بستر اطراف پایه ‌پل با نوعی ماده نانو ساختار به نام نانورس مخلوط شد. آزمایش‌های آبشستگی در شرایط جریان ماندگار و غیر‌ماندگار برای یک پایه‌ پل استوانه‌ای به قطر 35 میلی‌متر و در یک کانال با طول 9.5 متر، عرض و ارتفاع 40 سانتی‌متر و شیب کف 0.001 انجام شد. این آزمایش‌ها در دو حالت رسوب بستر با و بدون مواد نانورس انجام شد. برای شبیه‌سازی جریان غیر‌ماندگار از هیدروگراف‌های پلکانی مثلثی با زمان اوج 7.5 دقیقه و دبی‌های اوج 8، 12 ، 16 و 20 لیتر بر ثانیه استفاده گردید. یافته‌‌ها: توسعه زمانی پدیده آبشستگی در محل پایه ‌پل در هر دو حالت با و بدون حضور مواد نانورس مورد بررسی قرار گرفته و با هم مقایسه شد. در همه دبی‌های اوج، روند آبشستگی در بازه‌های زمانی اولیه در حالت استفاده از نانورس مشابه حالت عدم وجود این مواد اما با شیب بیشتری مشاهده شد. این روند در بازه‌های زمانی بعدی با شیب کمتری ادامه یافت و در نهایت به یک مقدار ثابت رسید.نتیجه‌گیری: نتایج آزمایش‌های جریان غیر‌ماندگار نشان داد که در حالت حضور مواد نانورس در رسوب بستر با افزایش دبی جریان، عمق بیشینه آبشستگی در مجاورت پایه‌پل کاهش می‌یابد. بیشترین درصد کاهش عمق آبشستگی با اختلاف زیاد در دبی جریان بیشینه (20 لیتر بر ثانیه) و حدود 62.86 مشاهده شد. در این دبی جریان، عمق بیشینه آبشستگی از 47.4 میلی‌متر به حدود 18 میلی‌متر کاهش یافت. کمینه کاهش عمق آبشستگی با حدود 56.15 درصد در کوچکترین دبی جریان (8 لیتر بر ثانیه) به‌دست آمد.

Experimental Study on Effect of Nanostructures to Control Local Scour of Bridge Piers for Unsteady FlowsExperimental Study on Effect of Nanostructures to Control Local Scour of Bridge Piers for Unsteady Flows

Background and objectives: One of the major topics in river engineering, is design and construction of the bridges with sustainability considerations; estimating the maximum depth of scour in the vicinity of the pier also has a lot of importance. Scour is one of the most important reasons for instability and ultimately the defeat of the bridges. While most of previous researches on Bridge Piers scour are mainly focused on steady flows; in rivers and especially during flood, the flow is unsteady and the changes in flow rate based on the time, could be really fast and rapid. On the other hand and based on the author’s literature reviews, considering unsteady flow would cause more economic and realistic prediction about the maximum depth of scour around the piers. Many different methods have been used till now to protect piers of the bridges. In this research, a nonstructural and environmental friendly solution has been used to reduce the depth of the scour of bridge piers in unsteady condition.Materials and methods: Based on author’s knowledge, so far Nano materials just used to correct the behavior of concrete resistance and also used in dusty rural roads. For this reason, this experimental study attempts to test a new method to reduce the scouring around the bridge pier in river in unsteady flow condition. To achieve this, in flume bed around the piers, the combination of nanostructured materials, called Nanoclay had been used. Experiments for both steady and unsteady conditions, were conducted on cylindrical pier with a diameter of 35 mm, in a channel with a 9.5 m length and the equal height and width of 40 cm, and a slope of 0.001. In this study, experiments have been done in two different cases, with and without the existence of Nano clay materials in the bed of the channel. For simulating unsteady flow, stepped triangular hydrographs with a peak time of 7.5 minutes and flow peak of 8, 12, 16 and 20 liters per second were used in two different modes of Nanostructure mixture with and without materials. Findings: The timing development of scour phenomenon at the piers of the bridge has been studied and compared in both cases, with and without presence of nanomaterials. In the presence of nanomaterials and at all maximum discharges, it has been seen that the scouring process at initial time steps is almost as same as the condition without nanomaterials with sharper trend. The trend in later time steps has experienced lighter changes and finally has reached to a constant value.Results: The results of experiments in unsteady flows indicated that with the presence of Nano materials in the bed sediment, the maximum scouring depth at the adjacent of the bridge piers has been deducted while discharge rate increased. It has also been shown that the maximum reduction of scour depth, 62.86%, happened at maximum discharge of 20 lit/sec. In this discharge, the maximum scour depth has been reduced from 47.4 millimeter to 18 millimeter. The minimum reduction of scour depth with 56.15% happened at the discrge of 8 lit/sec.