اسم الباحث : عذراء عبد الواحد خلف حسن
اسم المشرف : أ.م.د.أيسر طعمة جودة ;أ.م.د.رياض جاسم محمد
الكلمات المفتاحية : Local scour, Bridge Pier, Abutment Geometry, Interaction, ANN
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة المدنية
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
يُعد النحر الموضعي قرب الأكتاف والدعامات من العوامل الرئيسة التي تسهم في فشل الجسور الهيدروليكية. وعلى الرغم من وجود عدد كبير من الدراسات التي تناولت هذا الموضوع، إلا أن هناك نقصًا في الأبحاث التي تتناول تأثير التفاعل بين الكتف والدعامة من حيث الأثر المشترك على عمق النحر، خصوصًا عند أخذ شكل الكتف والمسافة الفاصلة بين الكتف والدعامة بعين الاعتبار. تهدف هذه الدراسة إلى تحليل تأثير أشكال مختلفة من الأكتاف على حجم وشكل حفرة النحر المحلي المتشكلة حول دعامة دائرية مفردة لجسر. تم إجراء التجارب مختبريًا في ظروف الجريان النقي (clear-water) وتحت تدفق ثابت تحت الحرج (subcritical)، باستخدام نماذج لخمسة أنواع مختلفة من الأكتاف. شملت النماذج ثلاثة أشكال من الأكتاف العمودية بابعاد جانبية مختلفة (5 سم، 7.5 سم، و10 سم)، بالإضافة إلى نموذجين لأكتاف ذات جدار مائل (wing-wall) وشكل شبه منحرف (trapezoidal).
أظهرت النتائج أن وجود الكتف بالقرب من الدعامة يؤثر بشكل واضح على عمق النحر حول الدعامة، وأن هذا التأثير يختلف باختلاف شكل الكتف، وعرضه، والمسافة الفاصلة بين الكتف والدعامة، وكذلك وفقًا للخصائص الهيدروليكية. حيث لوحظ انخفاض في عمق النحر حول الكتف وزيادة حول الدعامة نتيجة لتداخل حفر النحر عند تقليل المسافة بينهما. فعلى سبيل المثال، عند تقليص المسافة من (27 سم إلى 22.5 سم)، (25 سم إلى 20 سم)، و(22.5 سم إلى 17.5 سم) في ظل نفس الظروف، زاد عمق النحر حول الدعامة بنسب تقريبية بلغت (20.88%)، (28.79%)، (2.60%)، و(2.02%) لكل من نماذج الأكتاف العمودية 1 و2، والجدار المائل، وشبه المنحرف، على التوالي. بينما أظهرت نتائج الكتف العمودي 3 انخفاضًا في عمق النحر بنسبة 4.14% عند تقليل المسافة من (22.5 سم إلى 17.5 سم).
كما أظهرت النتائج أن زيادة شدة الجريان وعدد فرويد تؤدي إلى زيادة واضحة في عمق النحر، في حين أن زيادة عمق الجريان كانت لها تأثير عكسي، حيث انخفض عمق النحر مع زيادة عمق الماء عند ثبات المسافة والتصريف. وبينت النتائج أن وجود الكتف في مجال تأثير الدعامة يغير من خصائص النحر المحلي، إذ أن تقليل المسافة بينهما يؤدي إلى تداخل حفر النحر وتشكّل حفرة واحدة بدلاً من اثنتين.وبمقارنة نتائج النماذج المختلفة من الأكتاف من حيث نسبة الزيادة في عمق النحر، تبين أن أعلى نسبة زيادة سُجلت لنموذج الكتف شبه المنحرف عند المسافة x = 17.5 سم، في حين أن أقل نسبة سُجلت لنموذج الكتف العمودي 1 عند x = 27 سم.
تم اشتقاق معادلات تجريبية جديدة باستخدام تقنية التحليل البُعدي (dimensional analysis) وبرنامج IBM SPSS الإصدار 30 للتنبؤ بأقصى عمق نحر حول الدعامة تحت تأثير شكل الكتف. أظهرت النتائج أن معاملات تحديد المعادلات (R²) كانت على النحو التالي: 0.948، 0.931، 0.913، 0.916، و0.936 لكل من نماذج الأكتاف العمودية (V1، V2، V3)، الجدار المائل، وشبه المنحرف على التوالي، مما يشير إلى وجود علاقة قوية بين القيم المرصودة والقيم المتنبأ بها.
وأخيرًا، أثبتت الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) كفاءتها العالية في محاكاة عمق النحر المتزن حول دعامات الجسور المتأثرة بوجود الأكتاف. حيث أظهر أنموذج الشبكة متعددة الطبقات (MLP) دقة تنبؤية مرتفعة، خصوصًا في حالة الكتف العمودي 3، إذ بلغ معامل التحديد R² = 0.983. وبشكل عام، تفوقت نماذج ANN على التحليل غير الخطي في القدرة على التنبؤ، مما يؤكد موثوقيتها في المهام المعقدة الخاصة بتنبؤ النحر الموضعي. كما بين تحليل الحساسية أن عرض وطول الكتف لهما التأثير الأكبر في عمق النحر المتوقع حول الدعامة. وتوفر هذه النتائج إسهامًا مهمًا في فهم تفاعل الكتف مع الدعامة في عمليات النحر الموضعي، بما يوجه نحو تصميم أكثر أمانًا للجسور، ويساعد في التنبؤ الدقيق بعمق النحر. كما أن المخرجات ذات فائدة خاصة في تحسين معايير التصميم الهيدروليكي، وتحقيق أفضلية في اختيار شكل الكتف بالنسبة لموقع الدعامة، وتعزيز النماذج التنبؤية الخاصة باستقرار أساسات الجسور تحت ظروف جريان مختلفة.
Experimental Investigation for the Effect of Abutment Geometry on the Local Scour at Bridge Piers
Abstract
Local scour at bridge abutments and piers is a major factor contributing to hydraulic bridge failures. Even though a lot of research has been done on this subject, there is a deficiency in research addressing the influence of the interaction between the abutment and pier in terms of their combined effect on scour depth, especially considering the abutment geometry and the space concerning the abutment and the pier. This thesis investigates the impact of various abutment shapes on the volume and shape of local scour development around a single cylindrical bridge pier. Experimental work was conducted under clear-water conditions and steady subcritical flow, using five abutments of different shapes. Three vertical wall abutment models varying in width are (5 cm, 7.5 cm, and 10 cm), the inclined wing-wall abutment, and the trapezoidal abutment. According to the results, the presence of abutment in the vicinity of the bridge pier influences the scour depth of the pier; this influence differs according to abutment shape, abutment width, the distance between them, and hydraulic parameters. Abutment scour decreased, and pier scour increased due to scour hole interference between the two structures when the distance is reduced. Where decreased spacing is from 27 cm to 22.5 cm, 25 cm to 20 cm, and 22.5 cm to 17.5 cm under the same conditions, pier scour increased by about 21%, 29%,3%, and 2% for vertical-wall 1, vertical-wall 2, wing-wall, and trapezoidal abutments model, respectively. In the case of vertical-wall 3, reducing the distance from 22.5 cm to 17.5cm was accomplished by decreasing the percentage of pier scour by 4%. The results show that the pier’s scour depth increases with increasing Froude number and flow intensity, but decreases with increasing flow depth under constant distance. When the abutment is closer to the pier, the scour holes tend to merge and form a larger hole. The comparison between abutment models, according to the value of percentage increase in scour depth, showed that the trapezoidal abutment at x=17.5 cm produced the greatest increase in scour depth, while the vertical-wall 1 abutment at x=27 cm produced the smallest. Furthermore, using the dimensional analysis technique and IBM SPSS 30 new empirical formulas were derived to estimate maximum scour depth around pier affected by abutment shape with a high determination coefficient (R²= 0.948, 0.931, 0.913, 0.916, 0.936) for vertical-wall (V1), vertical-wall (V2), vertical-wall (V3), wing-wall, and trapezoidal models, respectively, displaying a strong relationship between the observed and predicted values. Finally, artificial neural networks (ANNs) were used to simulate the equilibrium scour depth around bridge piers impacted by abutments and have proven to be an excellent tool. The Multi-Layer Perceptron (MLP) model achieved the highest accuracy (R² = 0.983), confirming the reliability of ANN for complicated scour prediction tasks by outperforming nonlinear regression overall. Also, the abutment in both width and length has the greatest influence on the projected amount of scour depth around the pier, per sensitivity analysis. These findings provide a valuable contribution to the understanding of abutment–pier interaction in local scour processes, offering guidance for safer bridge design and more accurate prediction of scour depth. The outcomes are particularly useful for improving hydraulic design criteria, optimizing abutment geometry in relation to pier placement, and enhancing predictive models for bridge foundation stability under varying flow conditions.


