3049-95410

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره19/ بهار و تابستان 1393(31 -21)

مدلسازي عددي نوسانات سطح آب و تغییرات فشار منفذي در بدنه موجشکنهاي توده سنگی سنتی

محمد نوید مقیم

استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، moghim@cc.iut.ac.ir

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 04/09/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 13/05/1393 تاریخ انتشار مقاله: 31/06/1393

کلمات کلیدي:
موجشکن توده سنگی مدل عددي نوسانات سطح آب تغییرات فشار

Numerical Modeling of Water Surface and Pore Pressure Fluctuations in
Conventional Rubble Mound Breakwater

Mohammad Navid Moghim

Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology; moghim@cc.iut.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

زمانی که پاسخ سازه تودهسنگی در برابر برخورد موج مورد مطالعه قرار میگیرد، دارا بودن اطلاعات در زمینه نوسانات سطح آب جلوي سازه، تغییرات فشار منفذي داخل سازه متخلخل و درنتیجه چگونگی میرا شدن موج داخل سازه مهم خواهند بود. فشار آب منفذي بعنوان یک پارامتر مفید بر روي بسیاري از پارامترهاي پاسخی سازه متخلخل از جمله بالاروي موج، سرریزي موج، انعکاس موج، انتقال موج از درون سازه و همچنین پایداري هیدرولیکی و ژئوتکنیکی سازه اثر می گذارد. بدین منظور در تحقیق حاضر یک مدل عددي جهت بررسی نوسانات سطح آب جلوي سازه و تغییرات فشار در داخل موجشکنهاي توده- سنگی سنتی توسط نرم افزار FLOW-3D توسعه داده شد. به منظور مدلسازي آشفتگی، مدل دو معادله -اي k  و جهت شبیهسازي سطح آزاد روش VOF به کار گرفته شدند. مقایسه نتایج مدل عددي و مدل آزمایشگاهی حاکی از عملکرد مناسب مدل عددي توسعه داده شده هم براي نوسانات سطح آب جلوي سازه و هم براي تغییرات فشار در موجشکنهاي توده سنگی سنتی است.
When studying the structural response of rubble mound breakwaters to wave loading, the knowledge of water surface fluctuations, pore pressure variations and related wave attenuation inside the porous structure is important since the pore pressures affect most responses, such as wave run-up, wave overtopping, reflections, transmission and the hydraulic and geotechnical stability of the breakwater. For this purpose a numerical model was developed to investigate the water surface and pressure fluctuations outside and inside the statically conventional rubble mound breakwater by using FLOW-3D software. The water – structure interaction is obtained by k  model to simulate the corresponding turbulence field and volume of fluid (VOF) theory to simulate the free surface. The comparison between numerical and experimental results shows a good agreement in terms of both water surface and pore pressure Fluctuations in conventional rubble mound breakwaters.

Article History:
Received: 25 Nov. 2013 Accepted: 4 Aug. 2014
Available online: 22 Sep. 2014

Keywords:
Rubble mound breakwater
Numerical modeling
Water surface
Pore Pressure

1. مقدمه
موجشکنهاي تودهسنگی از جمله سازههاي نفوذپذیر ساحلی بوده که بدلیل حفاظت سواحل و ایجاد منطقه امن در پشت این سازه در برابر حمله موج برخوردي، از اهمیت ویژهاي در مهندسی سواحل و بنادر برخوردار هستند.
از آنجاییکه بارهاي وارد بر سازه یا اجزاي سازه اي به پارامترهاي محیطی، هیدرولیکی، ژئوتکنیکی و سازه اي بستگی دارند، این بارها را می توان به بارهاي مربوط به حرکت خارجی آب بر روي شیب ،بارهاي تولید شده در اثر حرکت داخلی آب درون سازه و زلزله تقسیم کرد .یکی از مهمترین انواع بارهاي ایجاد شده بارهاي ایجادي در اثر حرکت داخلی آب درون سازه بوده که شاملاستهلاك یا نفوذ آب به درون سازه، تغییرات فشار و سطح ایستابی داخل سازه می باشد. در واقع زمانی که پاسخ سازه تودهسنگی در برابر برخورد موج مورد مطالعه قرار میگیرد، دارا بودن اطلاعات در زمینه نوسانات سطح آب جلوي سازه، تغییرات فشار منفذي داخل سازه متخلخل و درنتیجه چگونگی میرا شدن موج داخل سازه مهم خواهند بود. فشار آب منفذي بعنوان یک پارامتر مفید بر روي بسیاري از پارامترهاي پاسخی سازه متخلخل از جمله بالاروي موج، سرریزي موج، انعکاس موج، انتقال موج از درون سازه و همچنین پایداري هیدرولیکی و ژئوتکنیکی سازه اثر می گذارند. از طرف دیگر ایجاد تغییرات فشار آب منفذي در داخل سازه در اثر برخورد موج به سازه منجر به تغییر فشار مؤثر گردیده بطوریکه اگر در اثر این تغییرات فشار مؤثر به حدي کاهش یابد که گسیختگی ژئوتکنیکی بوجود آید پایداري سازه موجشکن به خطر خواهد افتاد.
خرابی اخیر تعدادي از موجشکنها در طول طوفان مانند موجشکن -Sines در کشور پرتغال، موجشکن Bilbao در کشور اسپانیا، موج –
شکن Tripoli در کشور لیبی، موجشکن Diablo Canyon در کشور امریکا و غیره نشان میدهند که روابط موجود براي طراحی سازه موجشکن کفایت نکرده و نیاز به مطالعه بیشتري دارند [1].
725424-1406395

شکل 1 – شکل شماتیک از چگونگی توزیع فشار منفذي داخل لایه هسته موجشکن توده سنگی [6]
Harlow با بررسی علل خرابی تعدادي از موجشکنهاي تخریب شده ،یکی از دلایل اصلی خرابیهاي بوجود آمده را فشار منفذي بالاي بوجود آمده در لایه هسته موجشکن گزارش نمود [2]. De Groot و همکاران اهمیت بررسی فشار منفذي داخل سازه را در طراحی موجشکن بویژه در تحلیل پایداري شیب سازه در قسمت پایینی (نزدیک کف) لایه فیلتر و همچنین اثر فشار منفذي بر پایداري هیدرولیکی لایه آرمور، بالاروي موج، سرریزي موج، عبور موج و بالا آمدن تراز سطح آب داخل سازه را مورد بررسی قرار داد [3]. Biesel رابطه زیر را براي محاسبه دامنه نوسانات فشار داخل سازه نفوذپذیر تحت اثر موج ارایه داد [4]:

P( x) Poe

2L x
در این رابطه x فاصله افقی نسبت به مبدا در محل مرز بین لایه فیلتر و هسته در هر تراز، oP مقدار فشار مرجع در موقعیت x = 0، P(x) ارتفاع فشار منفذي (دو برابر دامنه نوسان فشار) در محل x،
 ضریب استهلاك ،L طول موج داخل هسته سازه برابر L ،L 

D

D

L طول موج برخوردي و D ضریبی است براي بحساب آوردن طول نشت آب در اثر انحراف مسیر جریان توسط دانههاي سنگی هستند .Mehaute مقدار ضریب D را براي مصالح دانه سنگی بصورت تجربی برابر 4/1 بدست آورد .Miche مقدار این ضریب را بصورت تئوري برابر 5/1 محاسبه نمود. این رابطه نشان میدهد که مقدار دامنه نوسانات فشار داخل سازه نفوذپذیر با افزایش فاصله از محل اندازهگیري فشار مرجع در جهت انتشار موج، بصورت نمایی کاهش مییابد (شکل 1) [1].
Burcharth و همکاران [5] و Troch و همکاران [6] رابطه تجربی براي محاسبه مقدار ضریب استهلاك( ) که بیانگر میزان استهلاك انرژي در راستاي انتشار موج بصورت زیر ارایه نمودند:
396819-80349

a nLp2
H b
s
که در آن n تخلخل لایه مغزه ،b عرض لایه مغزه در عمق مشخص ،Hs و Tp ارتفاع و پرید موج و Lp طول موج محاسبه شده بر اساس ماکزیمم پرید موج هستند .Troch و همکاران مقدار ضریب a را با توجه به مقادیر فشار اندازهگیري در طبیعت براي موجشکن Zeebrugge برابر 014.0a  پیشنهاد نمودند.

Vanneste و Troch مدل آزمایشگاهی براي بدست آوردن چگونگی توزیع فشار منفذي داخل سازه برپا نمود .آنها بیان نمودند که شکل یا نوع مصالح لایه آرمور تأثیري در مقدار فشار مرجع ندارد و مقدار فشار مرجع در مرز لایه فیلتر و هسته( oP) به تیزي موج برخوردي و بخصوص به پرید موج وابسته است. بر همین اساس اثر ارتفاع موج را از رابطه( 2) حذف نمودند و رابطه زیر را براي محاسبه ضریب استهلاك ارایه کردند [7]:
373951-81368



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید