موسسه انتشارات دانشگاه تهران تحقیقات آب و خاک ایران 2008-479X 57 2 2026 04 21 Laboratory Investigation of the Effect of Plastic Clay (Ball Clay) on Reducing Local Scour Around Bridge Piers بررسی آزمایشگاهی تأثیر رس پلاستیکی (Ball Clay) بر کاهش آبشستگی موضعی اطراف پایه 333 351 106935 10.22059/ijswr.2026.402768.670010 FA مهدی ماجدی اصل گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران محمد قربانزاده گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران محمد حسین جهان پیما گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه مراغه، مراغه، ایران مهدی رضایی گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی. دانشگاه مراغه، مراغه، ایران. Journal Article 2025 09 21 In this study, the influence of incorporating plastic clay (Ball Clay) into a sandy bed on the mitigation of local scour around a cylindrical bridge pier was investigated through a comprehensive series of laboratory experiments. The experiments were conducted in a recirculating flume measuring 13 m in length, 1.2 m in width, and 0.8 m in depth, with the sediment bed composed of uniform sand with a median size of d₅₀ = 0.78 mm. A cylindrical pier with a diameter of 9 cm was installed at the center of the test section, and plastic clay was mixed with the sediment at weight fractions of 5%, 10%, and 15%. The flow conditions considered included discharges of 10, 15, 20, 25, and 30 L/s, corresponding to Froude numbers of 0.12, 0.15, 0.168, 0.171, and 0.18, respectively. In total, 20 experiments were performed. To determine the equilibrium scour time, the temporal evolution of the scour depth was recorded at multiple time intervals. The results showed that for all flow conditions, the scour depth reached an asymptotic and stable state after approximately 210 minutes. At this stage, the sediment entrainment and deposition processes around the pier had reached dynamic equilibrium, such that the bed shear stress within the scour hole dropped below the critical shear stress of the particles. Consequently, the flow was no longer capable of mobilizing the bed material, and the scour depth remained constant thereafter. Based on this observation, the equilibrium scour depth at 210 minutes was adopted for all subsequent analyses. The bed topography was measured using (i) manual readings obtained with a mechanical point gauge, and (ii) three-dimensional surface reconstruction derived from close-range photogrammetry in Agisoft Metashape based on sets of overlapping images. The comparison demonstrated strong consistency between the two measurement techniques. The experimental results revealed that the addition of plastic clay significantly enhanced the resistance of the sediment bed to scouring by increasing inter-particle cohesion. Increasing the clay content markedly reduced the maximum scour depth, and in some flow conditions—particularly at 10 and 15 L/s—scour was almost completely inhibited. For instance, at 15 L/s, reductions of 54%, 100%, and 100% in scour depth were obtained for clay contents of 5%, 10%, and 15%, respectively. At 30 L/s, the corresponding reductions were 37%, 40%, and 50%. These findings demonstrate that higher clay contents, especially 15%, were capable of effectively suppressing local scour even under relatively high flow intensities. Overall, the results confirm the high potential of plastic clay as a cost-effective bed stabilization material for mitigating local scour around hydraulic structures. Furthermore, the addition of plastic clay substantially reduced not only themaximum depth but also the spatial extent of the scour hole. The 3D photogrammetric models accurately captured the scour geometry and proved to be a reliable tool for detailed morphological assessment. در این پژوهش، تأثیر افزودن رس پلاستیکی بر کاهش آبشستگی موضعی اطراف پایه استوانه‌ای در بستر ماسه‌ای به‌صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌ها در یک کانال آزمایشگاهی به طول ۱۳ متر، عرض 2/1 متر، عمق 8/0 متر و با بستری از ماسه با دانه‌بندی d50=0.78mm انجام شد. پایه‌ پل استوانه‌ای شکل به قطر ۹ سانتی‌متر در مرکز بستر قرار گرفت و درصدهای مختلفی از رس پلاستیکی (۵، ۱۰ و ۱۵ درصد وزنی) به بستر افزوده شد. آزمایش‌ها تحت دبی‌های ۱۰، ۱۵، ۲۰، ۲۵ و ۳۰ لیتر بر ثانیه با اعداد فرود بترتیب برابر با 12/0، 15/0، 168/0، 171/0، و 18/0 اجرا شدند. در مجموع 20 آزمایش در این تحقیق انجام شد. برای تعیین زمان تعادل آبشستگی، تغییرات عمق حفره در بازه‌های زمانی مختلف اندازه‌گیری شد و مشاهده گردید که در تمامی دبی‌ها پس از گذشت ۲۱۰ دقیقه، روند تغییر عمق آبشستگی پایدار شده و به حالت تعادل رسید، زیرا با گذشت زمان، فرآیند برداشت و رسوب‌گذاری ذرات در اطراف پایه به تعادل رسیده و تنش برشی جریان در کف گودال از مقدار تنش برشی بحرانی ذرات کمتر شده است. در این شرایط، نیروی جریان دیگر توانایی جابه‌جایی مؤثر ذرات بستر را نداشته و عمق آبشستگی ثابت باقی مانده است. از این رو، تمامی نتایج نهایی بر اساس عمق آبشستگی در این زمان تحلیل شدند. برداشت داده‌ها از سطح بستر به دو روش انجام شد که ابتدا روش دستی با استفاده از عمق‌سنج مکانیکی و همچنین تصاویر سه‌بعدی با بهره‌گیری از فتوگرامتری برد کوتاه در نرم‌افزار Metashape بر پایه تصاویر همپوشان. نتایج نشان داد که افزایش درصد رس پلاستیکی به دلیل ایجاد چسبندگی بین دانه‌های بستر به‌طور مؤثری عمق آبشستگی را کاهش می‌دهد، به‌گونه‌ای که در برخی دبی‌ها (به‌ویژه ۱۰ و ۱۵ لیتر بر ثانیه)، پدیده آبشستگی تقریبا مهار شد. به‌عنوان نمونه، در دبی ۱۵ لیتر بر ثانیه کاهش عمق آبشستگی به‌ترتیب ۵۴، ۱۰۰ و ۱۰۰ درصد، و در دبی ۳۰ لیتر بر ثانیه به‌ترتیب ۳۷، ۴۰ و 50 درصد برای غلظت‌های ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد ثبت گردید. این روند نشان می‌دهد که درصدهای بالاتر رس پلاستیکی (به‌ویژه ۱۵ درصد) حتی در دبی‌های بالا نیز توانسته‌اند از وقوع آبشستگی به‌صورت مؤثر جلوگیری کنند. این نتایج نشان‌دهنده کارایی بالای افزودنی رس پلاستیکی در افزایش پایداری بستر و کاهش فرسایش موضعی اطراف سازه‌ها است همچنین نتایج نشان داد افزودن رس پلاستیکی موجب کاهش قابل‌توجه عمق و وسعت گودال آبشستگی می‌شود. همچنین، مدل‌های سه‌بعدی بازسازی‌شده تطابق مناسبی با داده‌های برداشت‌شده به روش دستی داشتند و به‌عنوان ابزاری مؤثر برای تحلیل دقیق هندسه گودال قابل استفاده هستند. https://ijswr.ut.ac.ir/article_106935_ba34289f60ea7b274ef7655649425e07.pdf