بررسی تغییرات زمانی اندازه گرداب نعل اسبی و تنش برشی در جلوی پایه پل

گرداب نعل اسبی در جلوی پایه پل نتیجه نهایی ناشی از گرادیان فشار معکوس بر روی بستر بالادست پایه می‌باشد. بررسی مراجع نشان می‌دهد دیدگاه های مختلفی در مورد نحوه و زمان تشکیل شدن گرداب نعل اسبی وجود دارد. بر این اساس در تحقیق حاضر اقدام به بررسی نظرات مختلف در مورد نحوه شکل‌گیری گرداب نعل اسبی در جلوی پایه پل می‌گردد. بررسی مراجع نشان می‌دهد که هر سه شکل وجود گرداب نعل اسبی قبل از شکل‌گیری حفره آبشستگی، در لحظه شکل‌گیری و بعد از آن مورد تایید محققین مختلف است. در ادامه با جمع‌آوری داده‌های آزمایشگاهی مختلف اقدام به محاسبه اندازه گرداب نعل اسبی در شرایط تعادل حفره و همچنین تغییرات زمانی اندازه گرداب نعل اسبی با افزایش عمق آبشستگی می‌گردد. نتایج محاسبات نشان می‌دهد که منحنی تغییرات زمانی اندازه گرداب نعل اسبی مشابه با عمق آبشستگی بوده که در نهایت به یک مقدار ثابت میل می‌کند. همچنین اندازه گرداب نعل اسبی محاسبه شده با روش‌های مختلف در شرایط تعادل حفره از 0.3 تا 3.3 برابر عمق آبشستگی تعادلی بوده و تابعی از پارامترهای مختلف نظیر اندازه دانه‌های بستر و قطر پایه پل می‌باشد. در نهایت روشی برای محاسبه تغییرات زمانی تنش برشی اعمالی به بستر جلوی پایه با توجه به اندازه گرداب نعل اسبی شده است. در این روش با افزایش اندازه گرداب نعل اسبی، تنش برشی در جلوی پایه پل از 4 برابر تنش برشی در بالادست پایه تا مقدار تنش برشی آستانه حرکت دانه‌های بستر کاهش می‌یابد.

Study on time development of horseshoe vortex diameter and shear stress at bridge pier

Horseshoe vortex at the bridge pier nose is a final result of reverse pressure gradient at the upstream side of pier and river surface. From literature review different ideas about the formation and initiation of horseshoe vortex at the bridge pier can be found. These ideas indicated that the horseshoe vortex is formed before the formation of scour hole, exactly when the scour hole forms and after the formation of scour hole. In present study these ideas are examined with different experimental data selected from previous studies. The experimental data includes equilibrium scour hole to examine the size of horse shoe vortex in comparison with final scour depth and time development of local scour depth to study the variation of horseshoe vortex diameter with time. Results showed that similar to scour depth development, the logarithmic trend of horseshoe vortex diameter with time tends to an equilibrium value. In addition, the calculated horseshoe vortex diameter in equilibrium scour hole condition with different methods is a function of different parameters such as sediment size or bridge pier diameter and varies from 0.3 to 3.3 of equilibrium scour hole. Finally, a new method is presented for calculation of bed shear stress at the bridge pier with regard to diameter of horseshoe vortex. In this method, by increasing the size of horseshoe vortex, shear stress at the bridge pier decreases from 4 times of upstream shear stress to critical shear stress of stream bed sediment.