Bed Stabilization around Abutment Using Combination of Six-Legged Concrete Elements and Pebbles

مهندسی عمران فردوسی

Article 3, Volume 33, Issue 4 - Serial Number 32, December 2020, Pages 33-48   

Document Type: Original Article

DOI: 10.22067/jfcei.2021.61563.0

Authors

masih Zolghadr^{* 1}; Aliakbar Hoseinreza²; Mahmoud Safai Bejestan²

¹Department of Water Sciences Engineering, Jahrom University, Fars, Iran.

²Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.

Abstract

Installation of stone particles is a very common method to protect abutment against scour. An alternative is concrete elements. In this research, installation of pebbles, Six-Legged Concrete (SLC) elements and combination of them is studied in laboratory. SLC elements were installed in open and dense arrangements with three different depths; on the bed, under the bed and the median case around wing-wall and vertical-wall abutment. Generally, results showed the significant effect of scour mitigation when both methods were applied so that, the maximum scour depth at the abutment toed was reduced up to 70% in vertical wall abutment and totally eliminated at the wing wall abutment. Edge failure was observed when the best scour reduction was achieved in SLC elements installation case. However, best countermeasure was achieved when both methods were applied while edge failure was also controlled. Transformation of the maximum scour depth from the abutment toe to the channel midway at the downstream of the abutment is also discussed.

Keywords

Six-legged concrete elements; Vertical-wall; Wing-wall; Edge failure

Supplementary Files

400-CE(33-4)-3- zolghadr-Revised.pdf

References

1. Melville, B. W., "Local scour at bridge abutments", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 118(4), pp.615-631, (1992).
2. Radice, A., Lauva, O., "On flow-altering countermeasures for scour at vertical-wall abutment", Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, Vol. 59(3-4), pp.137-153, (2012).
3. Radice, A., Davari, V., "Roughening elements as abutment scour countermeasures", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 140(8), pp.1-7 (2014).
4. Bejestan, M. S., Khademi, K., Kozeymehnezhad, H., "Submerged vane-attached to the abutment as scour countermeasure", Ain Shams Engineering Journal, Vol. 6(3), pp. 775-783, (2015).
5. Pagan-Ortiz, J. E., "Stability of rock riprap for protection at the toe of abutments located at the floodplain", United States. Federal Highway Administration, Report No. FHWA-RD-91-057 (1991). 
6. Singh, N. B, Devi, T. T., Kumar, B., "The local scour around bridge piers—a review of remedial techniques", ISH Journal of Hydraulic Engineering, DOI: 10.1080/09715010.2020.1752830, pp. 1-14, (2020).
7. Thornton, C. I., Abt, S. R., Watson, C. C., "Field Assessment of A-Jacks Installation, A Case Study of: Brush, Creek, Kansas City, Missouri Powell Creek, Waukegan, Illinois", Wetlands Engineering & River Restoration 2001, (2001).
8. Corvallis, O. R., "Submerged breakwater tests a-jacks armor units", Master of Science Thesis, Oregon State University, USA, (1996). 
9. Lebaron, J. W., "Stability of A-Jacks armored rubble mound breakwaters subjected to breaking and non-breaking waves with no overtopping", Master of Science Thesis, Oregon State University, USA, (1999).
10. Wise, L., "Numerical and physical modeling of wave forces on A-Jacks units", Master of Science Thesis, Oregon State University, USA, (1999).
11. Ripkey, B. J., "Determination of wave run-up, rundown, and reflection design coefficients for a-jacks concrete armor units", Master of Science Thesis, Oregon State University, USA, (1999). 
12. Mickel J. J., "A-Jacks Matrix Stability: Deflection Due to Static Normal Loads", Master of Science Thesis, Oregon State University, USA, (1999).
13. Latta, T. E., "Static and dynamic stresses in A-Jacks® concrete armor units", Doctoral dissertation, Auburn University, USA, (2000). 
14. Thornton, C. I., Watson, C. C., Abt, S. R., Lipscomband C. M., Ullman, C. M. a., "Laboratory Testing of A-JACKS Units for Inland Applications: Pier Scour Protection Testing", Colorado State University research report prepared for Armortec Inc., (1999).
15. Thornton, C. I., Watson, C. C., Abt, S. R., Lipscomband C. M., Ullman, C. M. b., "Laboratory Testing of A-JACKS Units for Inland Applications: Full Scale Testing", Colorado State University research report for Armortec Inc., February. (1999).

16.   ذوالقدر، م.، شفاعی بجستان، م.، "تاثیر آرایش کارگذاری المان های شش پایه بر پستی و بلندی بستر اطراف تکیه گاه ذوزنقه‌ای"، فصلنامه علمی - پژوهشی مهندسی منابع آب (36)11 ، ص 58-47 ، (1397).

17.   ذوالقدر، م.، شفاعی بجستان، م.، "تأثیرتراکم و رقوم کارگذاری قطعات شش‌پایه برعمق آبشستگی اطراف تکیه‌گاه مستطیلی"،  دانش آب و خاک, (4)26، ص135-119، (1397).

1. Zolghadr, M., Shafai Bejestan, M., "Six legged concrete (SLC) elements as scour countermeasures at wing wall bridge abutments", International Journal of River Basin Management. DOI: 10.1080/15715124.2020.1726357, pp. 1-7, (2020).

19.   حسین رضا، ع.، شفاعی بجستان، م.، قمشی، م.، فتحی مقدم، م.، "کاربرد همزمان سنگچین و المان های شش پایه در کنترل عمق آبشستگی اطراف تکیه گاه پل مستطیل شکل"، علوم و مهندسی آبیاری، دوره. (1)42 ، ص 114-99 (1398).

1. Khademghaeiny, Gh., Abrishami, J., Zarrati, A. R., Karimaei Tabarestani, M., and Mashahirb, M., "Riprap design at bridge piers with limited scouring", Journal of Scientia Iranica A. Vol. 27(2), pp. 588-595, (2020).
2. Abboud, B., and Coe, J., "Environmental and Cost Effectiveness of Partially Grouted Riprap for Scour Countermeasure. Pennsylvania Department of Transportation", Report No. FHWA-PA-2019-004-TEM WO 001, pp. 215, (2019).

22.   کریمایی طبرستانی، م.، "مطالعه پایداری و تحلیل حساسیت لایه سنگچین محافظ در اطراف پایه‌های پل بر اساس تحلیل قابلیت اطمینان"،  نشریه هیدرولیک، (14)4، ص 68-51، (1398).

23.   شفاعی بجستان، م.،" مبانی نظری و عملی هیدرولیک انتقال رسوب" انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، (1387).

24.   شفاعی بجستان، م.، "مبانی و کاربرد مدل های فیزیکی و هیدرولیکی" انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، (1384).

25.   خادمی، خ.، "بررسی اثر فواصل طولی و عرضی صفحات مستغرق بر آبشستگی موضعی ایجاد شده در محل تکیه گاه پل"، پایان نامه دکتری گرایش سازه های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران، (1391).

26.   خزیمه نژاد، ح.، "بررسی ابعاد و موقعیت قرارگیری طوقه بر آبشستگی موضعی ایجاد شده در محل تکیه گاه پل"، پایان نامه دکتری گرایش سازه های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران، اهواز، ایران، (1391).

27.   رمضانی، ی.، "بررسی تاثیر پوشش گیاهی دشت سیلابی بر آبشستگی تکیه گاه پل در مقطع مرکب"، پایان نامه دکتری گرایش سازه های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران، (1391).

1. Ballio, F., Teruzzi, A., and Radice A.,"Constriction effects in clear-water scour at abutments", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135(2), pp. 140–145, (2009).
2. Kothyari, U. C., Garde, R. C. J., and Ranga Ranju, K. G., "Temporal variation of local scour around circular bridge pier", Journal of Hydraulic Engineering., Vol. 118(8), pp. 1091-1106, (1992).
3. Bozkus, Z., Osman, Y., "Effect of inclination of bridge piers on scouring depth", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 130(8), pp. 1260-1269, (2004(.
4. Pagliara, S., Hassanbandi, L. S., and Kurdistani, S. M., "Log-Vane Scour in clear water Condition", Journal of River Research and Applications, Vol. 31(9), pp. 1176–1182, (2015).
5. Lagasse, P. F., Richardson, E. V., "ASCE compendium of stream stability and bridge scour papers", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 127(7), pp. 531-533, (2001).
6. Melville, B. W., Van Ballegooy, S., Coleman, S. E., and Barkdoll, B., "Riprap size selection at wing-wall abutments", Journal of hydraulic engineering, Vol. 133(11), pp. 1265-1269, (2007).
7. Simons, D. B., Lewis, G. L., "Report-Flood Protection at Bridge Crossings", prepared for the Wyoming State Highway Department in conjunction with the U.S. Department of Transportation, C.S.U. Civil Engineering Report No. CER71-72DBS-GL10, (1971).
8. Lauchlan, C. S., "Pier Scour Countermeasures", Ph. D. Thesis, University of Auckland, Auckland, NZ,(1999).

36.   منصوری هفشجانی، م.، و شفاعی بجستان، م.، "طراحی قطر سنگ‌چین در اطراف تکیه‌گاه پل واقع در قوس رودخانه"، نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران،  (4)1، صص35-34، (1390).

1. Cardoso, A. H., Fael, C.  M., "Protecting vertical-wall abutments with riprap mattresses", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135(6), pp.457-465, (2009).

38.   زیلایی، ز.، شفاعی بجستان، م.، "تأثیر تعداد ردیف عناصر شش پایه درکاهش عمق آب‌شستگی پیرامون پایه پل مکعبی"، دانش آب و خاک، (2.4)، 26، ص200-187، (1395).

39.   منصوری هفشجانی، م.، شفاعی بجستان، م.، "مقایسه تاثیر سه رقوم قرارگیری سنگ چین بر پایداری آن در محل تکیه گاه پل واقع در قوس 90درجه براساس آستانه حرکات سنگ چین"، دانش آب و خاک (23)2، ص204-195، (1392).

1. Bakhtiari, M., Kashefipour, S, M., and Ghomeshi, M., "Criteria for Design of Rip Rap using bend form coastal protection plan", Journal of Marine Science and Technology, Vol. 13(2), pp. 81-91, (2014).