Alüvial Tabanlı Akarsularda Yanal Akımın Denge Oyulma

Alüvial Tabanlı Akarsularda Yanal Akımın Denge Oyulma
Derinliğine Etkisi
Fevzi ÖNEN (*) ve Hayrullah AĞAÇCIOĞLU (**)
(*) Y. T. Ü.,İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yıldız, İstanbul, Tel : 0212 259 70 70/2826, E-mail : fonen@yildiz.edu.tr
(**) Y. T. Ü., İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yıldız, İstanbul, Tel : 0212 259 70 70/2826, E-mail : agacci@yildiz.edu.tr
Özet
Yan savaklar, herhangi bir kanaldan ihtiyaç duyulan debinin temini veya fazla suyun
uzaklaştırılması için sulama, arazi drenajı ve kanalizasyon sistemlerinde yaygın olarak
kullanılmaktadır. Tabiatta akarsular genellikle alüvial tabanlı olup, bu akarsularda inşa edilen
yan savaklardan su alma maksadı için yararlanılması yaygın bir uygulamadır. Ancak bu
konuda literatürde sınırlı sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmada, nehir rejimli akım
şartlarında ve yan savaktan serbest savaklanma durumunda alüvial tabanlı dikdörtgen en
kesitli doğrusal bir kanala yerleştirilen dikdörtgen kesitli ve keskin kenarlı yan savakların
denge oyulma derinliğine etkisi incelenmiştir. U/Ukr =0.40~0.90arasında “temiz su oyulması”
gözlenmiş ve oyulmanın hız ile hemen hemen lineer olarak arttığı belirlenmiştir. U/Ukr =0.902.0 arasında ise hareketli taban oyulması görülmüş, oyulmanın hız ile azaldığı tespit
edilmiştir. Ayrıca, temiz su oyulmasında, Hd/h rölatif oyulma derinliğinin zamana bağlı olarak
lineer olarak arttığı ve belli bir süre sonra denge konumuna ulaştığı gözlenmiştir.
Yan Savak Akımı
Dikdörtgen en kesitli, prizmatik, yatay ve sürtünmesiz bir kanalda yan savak boyunca su
yüzeyinin değişimi,
⎧ dQ ⎫
Qh ⎨−
⎬
dh
ds ⎭
⎩
=
ds gb 2 h 3 − Q 2
(1)
olarak verilmiştir.
Ana kanaldaki nehir rejimli akım şartları için verilen bu denkleme göre, ana kanaldaki
su derinliği yan savak başlangıcında minimuma ulaştıktan sonra yan savak ortasına kadar
hızla yükselmekte daha sonra da artış oranı azalarak yan savak sonuna doğru su yüzü hemen
hemen yatay olmaktadır. El-Khashab, yan savak boyunca mansaba doğru gidildikçe
savaklanmadan dolayı ana kanaldaki akımın yavaşlayarak kinetik enerjisinin azaldığı(yan
savak boyunca Froude sayısı azalıyor), yan savağa doğru yanal akımdan kaynaklanan
sekonder akımın şiddetlendiğini ve yan savağın ilk yarısı sonunda ayrılma bölgesi, ikinci
yarısında ise ters akım meydana geldiğini belirtmiştir.
Subramanya-Awasthy ve Ağaçcıoğlu ise nehir rejimli bir akımda ayrılma bölgesinin
yeri ve büyüklüğünün yan savak başlangıcında ana kanaldaki Froude sayısı ile yan savak
uzunluğuna bağlı olduğunu ifade etmişlerdir. Doğrusal kanallar üzerine yerleştirilen yan
savaklardaki yanal akımdan dolayı meydana gelen sekonder akımın şiddetinin su yüzeyindeki
değişime olan etkisi, yan savak uzunluğuna ve savaklanma oranına bağlıdır. Savaklanma
oranı Qr, yan savaktan savaklanan debinin yan savak membasındaki ana kanal debisine oranı
olarak ifade edilmektedir. (El-Khashab, )
Katı Madde Taşımında Denge ve Dengenin Bozulması
Alüvial bir akarsu, taşıdığı debi ve katı madde miktarına uygun bir denge konumuna
ulaşır. Böyle bir akarsuyun tabanı hareketli olmakla birlikte taban seviyesinde bir değişme
olmaz. Yani, gelen malzeme miktarındaki değişmeler, akarsuyun tabanında kısa süreli
değişmelere neden olmakla birlikte, neticede gelen malzeme miktarı ile taşıma kapasitesinin
eşit olacağı bir denge durumu oluşur. Bu şekilde oluşan dengeye “Dinamik denge” adı verilir.
Akım içerisine yerleştirilen köprü ayağı, köprü kenar ayağı, mahmuzlar ve benzeri
yapıların bulunduğu daraltılmış kesitlerde türbülans şiddetinin artması, katı madde taşınımı ve
bu ikisinin karşılıklı etkileşimi sonucunda, akarsuyun yerel katı madde kapasitesi artar, bunun
sonucunda da yerel oyulma olayı başlar. Daha sonra oyulma çukurunun geometrisi sürekli
olarak değişir. Oyulma çukuruna gelen katı madde miktarı, giden katı madde miktarına eşit
olduğunda dinamik denge oluşur. Bu durumdaki oyulma derinliğine “maksimum denge
oyulma derinliği” denilmektedir.
Akım içerisine yerleştirilen köprü ayağı ve benzeri engelden dolayı, akım alanında
bazı önemli değişiklikler olur.
Bu değişimler şöyle sıralanabilir:
•
Akımdan dolayı akım çizgilerinde meydana gelen sapmalar ve bunun neticesinde de
ayak etrafındaki hız ve basınç alanındaki önemli değişiklikler,
•
Ayak etrafında sınır tabakasının oluşması, hız ve basınç alanındaki değişikliklerinden
dolayı sınır tabakasından ayrılmalar,
•
Sınır tabakasından bu ayrılmaların neticesinde ayak etrafında çeşitli biçim ve
büyüklükte vortekslerin oluşması ve sekonder hareketler.
Köprü ayakları için yapılan deneylerde yaklaşım hızının oyulma olayına etkisi tüm
araştırmacılar tarafından kabul edilmektedir. Oyulma belli bir hız değerinde başlamakta ve
büyümektedir. Oyulmaya sebep olan hız değeri şu şekilde sınıflandırılmıştır.[ Hancu , S.
(1971) ve Nicollet, G. (1971)]:
a) U/Ukr ≤ 0.5 Oyulma yoktur.
b) 0.5 ≤ U/Ukr < 1.0 Temiz su oyulması.
Bu bölgede oyulma U/Ukr ile hemen hemen lineer olarak artmaktadır.
c) U/Ukr ≥ 1.0 Daimi sürüntü maddesi taşınımı oyulması
Bu bölgede oyulma hız ile artmaz. Çünkü oyulma çukurundan çıkan malzeme ile menbadan
taşınan malzeme arasındaki dinamik denge sediment debisinin şiddetinden etkilenmez.
Deneysel çalışma
Bu çalışma, 14 m’lik doğrusal yaklaşım kanalı, 1800 lik 2.95 m eksen eğrilik
yarıçapına sahip 90 cm genişliğinde kıvrımlı kanal ve kıvrımdan sonra 3’ m lik doğrusal
mansap kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanal saç levhalarla 40 ve 50 cm genişliklerde olmak
üzere iki kısma ayrılmıştır. Ayırma duvarının yüksekliği 50 cm’ dir. 40 cm genişliğine sahip
kısım ana kanal olup, buradan 50 cm genişliğindeki sağanak kanalına savaklanma yapılmıştır.
Kıvrımlı kanalın kıvrımdan etkilenmeyen doğrusal menba kısmında ayırma duvarının
üzerinde çeşitli kret yüksekliklerinde ve uzunluklarında dikdörtgen yan savaklar
yerleştirilmiştir. Ana kanalın tabanına 20 cm yüksekliğinde, d60=1.28 mm olan kuvars kumu
serilmiş ve her deneyden önce kanal tabanı düzlenmiştir. Ana kanal taban eğimi % 0.1’ dir.
Ana kanal genişliği sabit tutulmuştur. Ana kanaldaki akım derinliği kanalın mansap ucuna
yerleştirilen radyal seviye ayar kapağı ile değiştirilmiştir.
Deneyler nehir rejimli akım
şartlarında ve serbest savaklanma hali için gerçekleştirilmiştir. Yan savak nap kalınlığı olarak,
yan savak menbasında ana kanal eksenindeki su derinliğine göre elde edilen nap kalınlığı
dikkate alınmıştır. Kanalı besleyen dinlendirme havuzunun sonunda bulunan üçgen ölçüm
savağı ile ana kanal debisi belirlenmiş, yan savaktan savaklanan akım, bu kanalın sonuna
yerleştirilen üçgen ölçüm savağı ile tayin edilmiştir. Seviye ölçümleri için raylar üzerinde
hareket eden arabaya monte edilmiş ±1 mm hassasiyetli limnimetre kullanılmıştır. Kum
tabandan itibaren 7,12 ve 17 cm kret yüksekliğine ve 25 cm uzunluğuna sahip yan savaklar
kullanılmıştır.
Melville-Chiew (1999), temiz su oyulmasının
akım hızı ile hızla artarak denge
zamanına ulaştığı, hareketli taban oyulmasında ise oyulmanın hızdaki artış ile azaldığının
belirtmişlerdir. Diğer taraftan, hareketli taban oyulmasında kısa sürede denge oyulma
derinliğine ulaşılırken, temiz su oyulmasında denge oyulma derinliğine çok daha uzun bir
sürede ulaşıldığı da bilinmektedir. Tsujimato ve Mızukami yaptıkları araştırmalarda temiz su
oyulması halinde oyulma derinliğinin zamanla arttığını ve belli bir zamandan sonra asimtot
olarak devam ettiğini tespit etmişlerdir. Daha önce belirtildiği gibi, köprü ayakları için yapılan
çalışmalarda oyulmanın, engele yaklaşım hızının belli bir değerinde başladığı ve büyüdüğü
tüm araştırmacıların ortak görüşüdür. Bu sonuçlardan hareketle bu çalışmada, temiz su
oyulmasının zamana bağlı olarak gelişimi ile akım hızının maksimum denge oyulma
derinliğine etkisi deneysel olarak incelenmiştir.
SONUÇLAR
Alüvial tabanlı ve dikdörtgen en kesitli doğrusal bir kanalda 25 cm uzunluğunda ve
7,12 ve 17 cm kret yüksekliğindeki yan savaklarda akım hızının oyulma olayına etkisi
incelendiği
bu
çalışmada
aşağıdaki
sonuçlar
elde
edilmiştir:
1-) Temiz su oyulması halinde belli bir zamanda denge oyulma derinliğine ulaştıktan sonra
eğri asimtot olarak devam etmektedir.
2-) Aynı kret yükseklikli yan savaklarda U/Ukr değeri arttıkça denge oyulma derinliğine
ulaşma süresi de artmaktadır.
3-) Aynı U/Ukr değerlerinde yan savak kret yüksekliği arttıkça, hem denge oyulma derinliğini
azalmakta ve hem de daha kısa sürede denge zamanına ulaşılmaktadır.
4-) Temiz su oyulması U/Ukr>0.4’de başlamakta, 0.4<U/Ukr<0.90 aralığında temiz su
oyulması gerçekleşmektedir. U/Ukr=0.85-0.90 arasında maksimum denge oyulma derinliğine
ulaşmaktadır.
5-) Aynı akım şartları için kret yüksekliği arttıkça oyulma derinliği azalmaktadır. Her üç yan
savak için U/Ukr≥0.9 değerlerinden sonra daimi sürüntü maddesi taşınımı oyulması
başlamaktadır. Daimi sürüntü maddesi taşınımı oyulmasında, U/Ukr değeri arttıkça Hd/h
değeri azalmaktadır.
6-) Temiz su oyulmasında olduğu gibi hareketli taban oyulmasında da küçük kret yükseklikli
yan savaklarda daha büyük Hd/h değerlerine ulaşılmıştır.