Hidrolik Yapıların Etrafında ve Mansabında Meydana Gelen Yerel Oyulmanın

Yerel oyulma ilgili çalışmaların çoğu oyulma teorisini anlamak üzerinedir. Son yıllarda oyulmanın önlenmesi konusu gittikçe popüler hale gelmiştir. Yerel oyulmanın önlenmesi konusunda bir çok farklı hidrolik yapı için farklı yöntemler araştırılmaktadır. Oyulmanın önlenmesi konusundaki çalışmalar bu tez kapsamında EKH mansabında ve köprü ayakları etrafında meydana gelen oyulmanın önlenmesi konuları dikkate alınarak özetlenmiştir.

Hong, Biering, Sturm, Yoon, ve Gonzalez-Castro (2015) 1:30 ölçeğinde modelini oluşturdukları S65E dolusavağının mansabında meydana gelen yerel oyulmayı incelemişlerdir. Dolusavağın üzerine düşey kapak yerleştirmişlerdir. Modelde 1.65 m olan dolusavak kret uzunluğunun %49’u olan 0.81 m değeri alınarak deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Dolusavak yüksekliği P=0.115 m, nap yükü Hd=0.147 m, Lsb=0.54 m ve birim debi q= 0.0838 m²/s seçilmiştir. EKH iki sıra 0.026 m yüksekliğe sahip eşiklerden oluşturulmuştur. EKH mansabına Lar uzunluğunda riprap yerleştirmişlerdir. Riprap modeli, Froude modeli için belirtilen Kritik dane gerilmesinin sediment dane çapına oranının geometrik ölçek oranına eşitliği ilkesi gözetilerek oluşturulmuştur. Riprap için d50=1.5 cm ve σ=1.3 olacak şekilde, riprap mansabındaki yatak malzemesi için ise d50=1.1 mm ve σ=1.3 olarak seçilmiştir. Parametre olarak Lar/Lsb=1 ve Lar/Lsb=2 seçilmiştir. Deneyler için hız ölçümü Sontek marka 16 MHz microADV ile yapılmıştır. Seçilen parametrelerde; riprap uzunluğunu (Lar), EKH uzunluğunu (Lsb), kontrolsüz batık akışı (US), kontrolsüz serbest akışı (UF), kontrollü batık akışı (CS), kontrollü serbest akışı (CF) ve kontrolsüz jet akışı (UJ) ifade etmektedir. Sonuç olarak Lar/Lsb=2 durumunda US ve CS %38 ve %34 oranında

20

oyulmayı azaltmış UF ve CF durumunda daha düşük oranlarda (%9 ve %7 oranlarında) azaltmıştır.

Champagne ve diğ. (2016) EKH mansabındaki akıma difüzör yardımıyla hava girişi sağlayarak meydana gelen yerel oyulmayı azaltmaya çalışmışlardır. Deney düzeneğinde kullanılan dolusavak ve enerji kırıcı havuz Güney Florida Su Yönetimi Bölgesinin Kapaklı S65E dolusavağının 1:30 ölçeğindeki modelidir. EKH mansabında bulunan eşik ile aynı seviyede 20 mm delik çapına sahip PVC borudan üretilmiş difüzörler yardımıyla akıma hava girişi sağlanmıştır. Çalışmada 9 Farklı difüzör konfigürasyonu, farklı sayıda difüzör adeti ve farklı debilerde hava girişi değişken olarak seçilmiştir. Yerel oyulma için kullanılan ortalama medyan sediment çapı d50=0.56 mm ve sedimentin standart sapması σsed=1.25 olarak seçilmiştir. Boyut analizi yapılarak dolusavak yaklaşım hızı Vw ve difüzörden hava çıkış hızı Va birbirine oranlanmıştır. Sonuç olarak Va/Vw=251 için yerel oyulma %37 oranında azaltıldığı bildirilmiştir.

Barlock, Barkdoll, ve González-Castro (2016), Güney Florida Su Yönetimi Bölgesine ait (SFWMD) S65E kapaklı dolusavağının 1:30 ölçeğinde modeli üzerinde deneylerini gerçekleştirmişlerdir. S65E dolusavağı mansabına yerştirilen riprapın yetersiz olduğunu ve bu nedenle uzamış bir EKH eklemenin çözüm sunabileceği bir çalışmayı sunmuşlardır.

Deneylerini 0.92 × 10.18 × 1.04 m boyutlarında bir deney düzeneğinde ve ortalama medyan çapı (d50) 0.56 mm olan yatak malzemesiyle gerçekleştirmişlerdir. Oyulma granüler malzemesinin geometrik standart sapması (σsed) 1.25 olarak seçilmiştir. Çalışmalarında hız alanlarını akustik hız ölçer (ADV) ile ölçmüşlerdir. Sonuç olarak en etkili uzamış EKH uzunluğunu akım derinliğinin 1.88 katı olarak belirlemişlerdir.

Pagliara ve Palermo (2008) bir dairesel su jetinin meydana getirdiği oyulmayı önlemek için Pisa Üniversitesi hidrolik laboratuvarında bir grup deney gerçekleştirmişlerdir. Şekil 10’da gösterildiği üzere 5 farklı dairesel su jetinin meydana getirdiği oyulmayı ve SG17, SG10, S ve SF olmak üzere 4 farklı yatak eşiğinin oyulma topoğrafyasını ne şekilde etkilediğini incelemişlerdir. Ayrıca 15 farklı noktaya yerleştirerek eşiklerin en doğru konumlarını incelemişlerdir. Dairesel boru iç çapı 0.027 m olarak seçilmiş ve su jeti 0.8 m genişliğinde, 0.9 m yüksekliğinde 6 m uzunluğunda bir dikdörtgen kanala etki ettirilmiştir. Fakat 2 boyutlu plan oyulması incelemek için kanal genişliği 0.2 m genişliğe azaltılmıştır.Yatak malzemesi olarak σ=1.18 ve d50= 9.5 mm olan üniform granüler malzeme kullanmışlardır. Yatak eşik yapısı olarak dairesel şekilli 10 mm çaplı boşluklara sahip (SF), kare şekilli 10 mm kenar uzunluğuna sahip (SG10), kare şekilli 17 mm kenar uzunluğuna sahip (SG17) ve herhangi

21

bir geçirimli boşluğa sahip olmamak üzere dört farklı yatak eşiği kullanmışlardır. Şekil 2.9’da gösterildiği üzere yatak eşikleri (+) işaretli konuma yatak eşiğinin en üst noktası denk gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Olaya etki eden parametreleri aşağıdaki gibi seçmişlerdir:

max,_e, 0 ( , , , , , , , , , , )0 _s 90

z l = f Q D v h ρ ρ d σ α g x (2.15)

Burada Q debiyi, D boru çapını, v kinematik vizkositeyi, ρ suyun yoğunluğunu, ρs yatak malzemesi yoğunluğunu, d90 %90 elekten geçen dane çapını, σ geometrik standart sapmayı, α su jeti açısını, g yerçekim ivmesini ve x boru çıkışı ile su seviyesi arasındaki mesafeyi gösterir. Sabit parametreler çıkarıldığında aşağıdaki denklem elde edilmiştir:

max,_e/ , /0 ( _d90, , , )_w

z D l D f F= α T σ (2.16)

Burada F^{d 90} d90’a ait densimetrik froude sayısıdır ve Tw ise rölatif mansap su derinliğidir.

Tüm ölçümleri dijital limnimetre aracılığıyla almışlardır.

30⁰ 45⁰

60⁰

75⁰ 85⁰

Su jeti

Kullanılan yapılar χ =+0.33

Ψ =0.5 Ψ =1.5

χ =-0.33

Şekil 2.9. Pagliara ve Palermo (2008) tarafından geliştirilen oyulma önlenmesi yöntemi

22

Sonuç olarak Pagliara ve Palermo (2008) SG10 ve SG17 yapılarının uygun konumlara yerleştirilirdiğinde oyulma derinliğini, uzunluğunu ve hacmini sırasıyla %50 ve %30 oranlarında azaltmayı başarabildiğini ifade etmişlerdir. Uygun konumsal yeri boyutsuz parametrelerle ifade etmiş ve bir yatak eşiği kullanılmadan meydana gelen oyulma yerinin yatay uzaklığının 0.75 (ψ) katı kadar uzunluk ve maksimum oyulma derinliği miktarının ise +0.33 (χ) katı kadar olan noktanın en uygun olan konum olduğunu tespit etmişlerdir.

Pagliara, Roy, ve Palermo (2010), bir dairesel su jetinin meydana getirdiği 3 boyutlu oyulma topoğrafyasını ve bunun boşluklu yatak eşikleri yardımıyla önlenebilirliğini incelemişlerdir.

Deneylerini Pisa Üniversitesi hidrolik laboratuvarında 0.8 m genişliğinde, 0.9 m derinliğinde 6 m uzunluğunda dikdörtgen bir kanalda gerçekleştirmişlerdir. 0.027 m iç çapına sahip dairesel bir su jetinin oluşturacağı oyulmayı incelemişler ve sonrasında iki farklı permabiliteye sahip yatak eşiğini üç farklı konum için denemişlerdir. Yatay eşiklerinin oyulmayı önleyebileceğini ispat etmişlerdir. %0 permabiliteye sahip S eşiği ve %40 permabiliteye sahip S8 yatak eşiğini 3 farklı konumda yerleştirmişler ve en uygun eşik ve konumunu tespit etmeye çalışmışlardır. Deneylerinde tüm seviye ölçümleri için dijital limnimetre kullanmışlardır. Elde etikleri bulgulara göre meydana gelen oyulma topoğrafyasını 3 boyutlu ele almışlar ve oyulma topoğrafyasını 5 farklı tipte sınıflandırmışlardır (Şekil 2.10).

23

Tip 0

Tip B1 Tip B1'

Tip C1 Tip C2 Tip C3

Tip D Tip A

Şekil 2.10. Pagliara ve diğ. (2010) tarafından incelenen 3 boyutlu topoğrafya ve sınıflandırılması

Şekil 2.10 Pagliara ve diğ. (2010) tarafından incelenen farklı permeabiliteye ve pozisyonlara sahip yatak eşiklerinin ve eşiksiz meydana gelen oyulmanın tiplerini göstermektedir. Tip 0 herhangi bir yatak eşiği kullanılmadan meydana gelen oyulmaya benzerdir. Tip A su jetinin yatak eşiğine çarptıktan sonra aşağıya doğru yönlendiği durumdur. Bu tip genellikle boyutsuz yatay konumun (ψ) 0.5 ile 0.75 arasında olduğu durumlarda gözlenir. Tip B su jetinin yatak eşiğine çarptıktan sonra yukarı doğru yönlendiği durumdur. İki farkı tipte plan görüntüsü meydana getirir. Tip B1 oyulma topoğrafyası kenarlarının büyük oranda yatak eşiği mansabında oluştuğu ve Tip B1’ ise oyulma topoğrafyası kenarlarının hem yatak eşiği mansabında hem menbasında meydan geldiği durumlardır. Tip C oyulma topoğrafyasının hem yatak eşiği mansabında hem de menbasında meydana geldiği durumdur. Tip D oyulma topoğrafyasının yatak eşiği mansabında meydana geldiği durumdur. Onlar oyulma topoğrafyası uzunluklarını analiz etmiş ve bunları tahmin etmek için ilişkiler önermişlerdir.

3 boyutlu oyulma topoğrafyası incelenmesi için maksimum oyulma derinliğini, maksimum oyulma derinliği uzunluğunu, maksimum oyulma genişliğini ve orijinal yatak malzemesi üzerindeki hayali jet darbe noktasından oyulma derinliği başlatma noktasının mesafesini

24

içerir. Deneysel testleri, jet etkisine yakın konumlandırıldığında oyulma derinliğini en aza indirmek için S yerine S8 korumasının tercih edilmesi gerektiğini göstermiştir.

Simpson ve diğ. (2018) tekrarlı sediment süspansiyonunu önlemek için hücresel dolgu sistemini (HDS) önermişlerdir. Bu araştırma, çökeltme havzalarında tekrarlı süspansiyonu önlemenin bir yolu olarak hücresel dolgu sisteminin etkinliğini ölçmeyi amaçlamaktadır. Bu araştırmacılar hücresel dolgu düzenlemelerinin çeşitli geometrilerini, farklı akışlar altında test etmişlerdir. Şekil 12’de Simpson (2017) tarafından yapılan tez çalışmasına ait deney düzeneği gösterilmiştir.

ADV

Savak

Akış düzenleyici

HDS Akış yönü

Şekil 2.11. Simpson (2017) tarafından tekrarlı sediment süspansiyonunu önleme çalışmaları deney düzeneği

Deneylerdeki HDS’ler karakteristik bal peteği şekli yerine alt ızgara sistemleri (BGS) hücrelerine benzer bir kare şekline sahiptir. Deneylerini 12.5 cm genişliğinde 10 m uzunluğunda bir kanalda gerçekleştirmişlerdir. Test edilen sediment, USDA (Ditzler, Scheffe, & Monger, 2017) sınıflandırma sistemine göre granüler, kohezif olmayan, silt balçıktır. İki farklı debi dolayısıyla 25 cm/s ve 50 cm/s olmak üzere iki farklı hız için çalışmalarını gerçekleştirmişlerdir. İki farklı HDS derinliği (5 cm ve 7.5 cm) ve üç farklı yüzey genişliğini (3 cm, 6.6 cm ve 12.2 cm) test etmişlerdir. Hız ölçümleri için akustik dopler hız profilcisini (ADV) kullanmışlardır. Bulanıklık için Hach 2100Q marka bulanıklık

25

ölçer kullanmışlardır. Sonuçlara göre HDS derinliği ve genişliği küçük olan durumların tekrarlı sediment süspansiyon oluşumunu daha iyi engellediğini belirtmişlerdir.

Alt ızgara sisteminin (BGS) sediment tuzaklama alanında kullanımı konusunda birçok çalışma mevcuttur (He & Marsalek, 2013; He, Post, Rochfort, & Marsalek, 2014).

Milovanović ve diğ. (2020) bir boru çıkışı sonrası meydana gelen sediment taşınımını alt ızgara sistemi (BGS) ile güçlendirilmesi durumunda incelemişlerdir. Deneylerini Çek Teknik Üniversitesinde, Şekil 2.12’de gösterilen deney düzeneğinde gerçekleştirmişlerdir.

Hücreler kare şekilli ve kenar uzunluğu 50 mm’dir. Granüler malzeme yoğunluğu (ρs) 1.32 kg/m³ ve d50=143 μm ‘dir. Çalışmada sediment tuzaklama verimi 24 deney ile incelenmiştir.

D100 0.5 m

0.5 m 1 m 0.5 m 2 m

Çıkış BGS yapısı Genişleme Giriş borusu

Akış

Eğim=%3

Şekil 2.12. Milovanović ve diğ. (2020) tarafından gerçekleştirilen deney düzeneği Öte yandan hidrodinamik çalışmalara çözüm üretmesi açısından geosentetiklerin kullanımı araştırılmaktadır (Wang, Sun, Li, & Li, 2018). Geosentetiklerin yamaç stabilizesi, kanal koruma yapıları gibi alanlarda uygulamaları mevcuttur. Geosentetik ürünlerden biri olan aynı zamanda bu çalışmanın konusunu oluşturan hücresel dolgu sistemleri ise birçok farklı alanda oldukça yaygın kullanılmaktadır. Uygulamada BGS kullanılarak sediment taşınımı önlenmesi çalışmaları mevcuttur. Şekil 2.13’de Georunner ve Şekil 2.14’de Hanesgeofirmasına ait bir uygulama (ScourProtection) gösterilmiştir. Georunner firması polimer malzemeden üretmiş olduğu geocell 60 cm*60 cm boyutlarında kare şeklindedir.

Bu ürünler bir birlerine kolayca bağlanabilmektedir. Toplam permebilitesi %55’tir ve boşluklar kare şekillidir. Hanesgeo firması ise ScourStop ismiyle bir ürün sunmaktadır. Bu ürün dairesel %50 permabiliteye sahiptir. Ürünler yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) kullanılarak üretilmiştir.

26

Şekil 2.13. Georunner firmasına ait bir uygulama örneği (Georunner, 2020)

Şekil 2.14. Hanesgeo firmasına ait bir uygulama örneği (Hanesgeo, 2020)

Geosentetik ürünlerden olan HDS’ler bir çok farklı firma tarafından üretilmektedir. Üretilen HDS’ler yamaç stabilizasyonu, yol temel güçlendirilmesi ve köprü ayaklarında oyulmanın önlenmesi gibi birçok farklı alanda çözüm olarak uygulanmaktadır. Şekil 2.15’de 15 yy döneminden Memlüklüler’e ait bir köprünün ayaklarına HDS uygulaması gösterilmektedir.

HDS’lerin bilimsel çalışmalar ile desteklenmesi daha çok taşıma gücü hesapları alanındadır

27

(Dash, Krishnaswamy, & Rajagopal, 2001; Mengelt, Edil, & Benson, 2000). Yüzey erezyonunu önleme konusunda da çalışmalar mevcuttur (Wang, Liu, & Wang, 2012).

Geocell Uygulaması

Uygulama sonrası

Şekil 2.15. Memlüklüler’e ait bir köprünün ayaklarına geocell uygulaması (GEO-Technologies, 2020).

Oyulmanın önlenmesi konusuna köprü ayakları, derin deniz kazıkları gibi düşey elemanlar etrafında meydana gelen oyulma açısından bakılırsa literatürde birçok çözüm yöntemi mevcuttur. Özellikle köprü ayaklarının etrafında meydana gelen oyulmaların önlenmesi konusunda daha geniş çaplı araştırmaların olduğu söylenebilir. Köprü ayakları etrafında

28

meydana gelen oyulmaların önlenmesi için köprü ayağını saran bilezik (collar) (Amini, Balouchi, & Bejestan, 2017; Khosravinia, Malekpour, Hosseinzadehdalir, & Farsadizadeh, 2018; Li, Barkdoll, & Kuhnle, 2005), köprü ayağı içinde yarık (slot) (Carmelo Grimaldi, Roberto Gaudio, Francesco Calomino, & António H Cardoso, 2009), yatak eşiği (bed sill) (Chiew & Lim; Carmelo Grimaldi, Roberto Gaudio, Francesco Calomino, & António H.

Cardoso, 2009) ve geoçantalar (geobag) (Korkut, Martinez, Morales, Ettema, & Barkdoll, 2007) gibi birçok farklı çözüm önerilmiştir.

Ayrıca deniz üstü rüzgar türbinlerine ait derin kazıklar etrafında meydana gelen oyulmaların önlenmesi için bu tez kapsamında önerilen hücre oluşturma fikrine benzer bir uygulama literatürde mevcuttur. Durrant (2018) derin deniz kazıkları etrafındaki oyulmaları önlemek için dairesel kesitlerle kazık etrafının kaplanmasını öneren bir patent almıştır. Şekil 2.16’da patent için çizilmiş ve derin kazık etrafına yerleştirilen deniz kumu ile dolu hücreler görülmektedir.

Kazık

Şekil 2.16. Derin kazık temeller etrafında meydana gelen oyulma önlenmesi için Durrant (2018) tarafından alınan patet görseli

29