Prof. Dr. Ahmet ÖZTÜRK
Açık Drenaj Kanallarının Boyutlandırılması
Drenaj kanalları, drenaj alanına ilişkin en yüksek yüzey akış debisi veya drenaj katsayısı ile belirlenen kanal kapasitesi gözönüne alınarak boyutlandırılır. Boyutlandırmada kanal kesitinin şekli, kanal şev eğimi, kanalda akan suyun hızı, kanal taban eğimi, kanal derinliği, banket genişliği ve seddelerin belirli projeleme ilkeleri içerisinde ele alınması gerekmektedir.
Açık Drenaj Kanallarının Boyutlandırılmasında Kullanılan Eşitlikler
Chezy eşitliği V = C R .J şeklindedir.
Robert Manning tarafından geliştirilen ve günümüzde açık kanallarda geniş çapta kullanılan eşitlikte Chezy eşitliğindeki C katsayısının değeri aşağıda gösterildiği şekilde ifade edilmiştir.
n R
= 1
C 1/6
Chezy ve Manning eşitlikleri gözönüne alındığında kanalda akan debinin hesaplanmasında kullanılacak eşitlik şöyle olur.
Manning eşitliğindeki C katsayısı,
Chezy eşitliğinde yerine konursa; n R J
= 1
V 2/3 1/2
. J . R
n A. 1
=
Q 2/3 1/2
Burada
Q = Açık kanalda akan suyun debisi (m
3/s) A = Kanalda akış kesit alanı (m
2)
n = Kanal iç yüzeyinin pürüzlülük katsayısı R = Hidrolik yarıçap (m) dir.
J = Kanal taban eğimi (%)
V = Akan suyun hızı (m/s) değerlerini göstermektedir
Manning Eşitliğindeki (n) Pürüzlülük Katsayıları
Açık Kanal Kesitlerinin Geometrik Elemanları
Kesit alanı (A) : Akış yönüne dik yöndeki ıslak kesitin alanıdır.
Islak çevre (P) : Kanal kesitindeki ıslak yüzeylerin toplam uzunluğudur.
Serbest su yüzeyi genişliği (T): Su yüzeyinin üst genişliğidir.
Su derinliği (h): Kanal tabanı ile serbest su yüzeyi arasındaki düşey mesafedir.
Hidrolik yarıçap (R): Kesit alanının ıslak çevreye oranıdır (R= A/P).
Hidrolik derinlik (d): Kesit alanının serbest su yüzeyi genişliğine oranıdır (d= A/T)
Kesit faktörü(Z): Kesit alanı ile hidrolik derinliğin
karekökünün çarpılmasına eşittir.
Yani Z= A.d
0.5= A.(A/T)
0.5dir.
Açık Kanal Kesitinin Şekli
Düzgün geometrik şekiller içerisinde belli bir alan değeri için en küçük çevreye sahip olan şekil dairedir. Diğer bir deyişle daire şeklindeki açık kanallar belirli bir kesit alanında diğer şekillere göre en yüksek debili suyu taşırlar. Ancak arazi koşullarında kazı ve dolgu yoluyla açılan sulama ve drenaj kanallarında dairesel şeklin uygulanması oldukça zordur. Bu nedenle, arazide yapım kolaylığından dolayı daire şekline en yakın olan yamuk (trapez) kesitli kanallar tercih edilmektedir.
Kanal Şev Eğimi
Kanal yan yüzeylerinin yatayla
yaptığı açının tanjantına
kanalların şevi denir. Yatay
mesafe m düşey mesafe 1 olarak
ifade edilirse şev açısı tan = 1/m
olur.
Kanal Taban Eğimi
Açık kanallarda kanal taban eğimi arttıkça akış hızı artar. Eğer kanaldan akan suyun debisi değişmiyorsa bu durumda kanal kesiti küçülür. Bunun tersi olarak taban eğimi küçüldüğünde hız azalır ve kanal kesiti büyür.
Toprak kanallarda kanal taban eğimi, kanalda akan suyun hızını
izin verilen maksimum akış hızını aşmıyacak ve minimum hız
sınırının altına düşürmeyecek değerlerde olmalıdır. Toprak
kanallarda maksimum akış hızı aşılacak olursa kanalların yan
yüzeyinde ve tabanında erozyon nedeniyle oyuntular ve çökmeler
meydana gelir. Minimum hız sınırının altına düşüldüğünde ise asılı
halde taşınan ince materyalin kanal içinde çökelmesi sonucunda
siltasyon sorunu ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle toprak drenaj
kanallarının taban eğimleri genellikle 0.0005 - 0.001 arasında
değişmektedir. Eğer kanal güzergahı üzerinde yüksek eğimli
kesimler bulunuyorsa kanal taban eğimi düşü veya şüt gibi eğim
kırıcı sanat yapılarıyla azaltılabilir.
Kanallarda Maksimum ve Minimum Hızlar
Kanallarda izin verilen maksimum akış hızı, toprağın bünyesine
ve bitki örtüsüne göre değişir. Genel olarak toprak kanallarda
maksimum akış hızının 1.5 m/s den yüksek olması erozyona
neden olmaktadır. Drenaj kanallarında en uygun hız 0.60 - 1.20
m/s olarak kabul edilir. Herhangibir nedenle planlanan hızın
azaltılması gerekirse, ya kesit genişletilir veya hidrolik eğim
ayarlaması yapılır. Eğer bu önlemlerle uygun hız sağlanamazsa,
otlandırma, düşü ve şüt yapıları veya diğer emniyet yapıları
kullanılır.
Hidrolik Yönden En Uygun Kanal Kesiti
Açık drenaj kanallarının boyutlandırılmasında önce hidrolik yönden en uygun kanal kesiti belirlenir. Daha sonra belirlenen kanal kesitindeki akım hızı, kritik hız ve sürükleme gücü yönünden kontrol edilir.
Belirli bir kesit alanında debinin maksimum olabilmesi için hidrolik yarıçapın da maksimum olması gerekir. Aynı kesit alanı için hidrolik yarıçapın büyük olması ıslak çevrenin ve dolayısıyle sürtünme yüzeyinin küçük olması demektir.
Yamuk kesitli açık kanallarda hidrolik yarıçapın, kanalda su derinliğinin yarısına eşit olduğu hesaplanmıştır (R= h/2).
Kanal taban genişliği ile su derinliği oranı b/h=1.5 olması idealdir.
Ancak drenaj kanallarından su alımı söz konusu olmadığı için b/h
oranı sulama kanallarına göre biraz daha fazla tutulabilir. Diğer
bir deyişle drenaj kanalları sulama kanallarına göre biraz daha
derin açılabilir. Bu nedenle drenaj kanallarında uygun b/h oranı 1
ile 1.5 arasında değişmektedir (b/h = 1 - 1.5).
Açık Drenaj Kanallarında Kritik Hızın Hesaplanması
Şekilde görüldüğü gibi sabit bir debi değeri için özgül enerjinin minimum olduğu bir tek derinlik vardır. Bu derinliğe "kritik derinlik" (h
k) denir.
Kritik derinlikte akan suyun hızına da kritik hız denir. Şekilde A noktasından yukarıya doğru çıkıldıkça derinlik ve özgül enerji değerleri artmakta ancak hız değeri azalmaktadır. Bu kısımdaki akışa nehir rejimi veya kritik altı akış denir. A noktasından aşağıya inildikçe derinlik azalmakta buna karşılık özgül enerji ve hız değerleri artmaktadır. Bu kısımdaki akışa sel rejimi veya kritik üstü akış denir.
Sel rejiminde akan suyun hızı büyük olacağından kinetik enerjide fazla
olur. Bu nedenle toprak kanallarda erozyon sorunu ortaya çıkar. Buna
karşılık nehir rejiminde akan kanallarda hız küçük olacağından
kanalda sedimentlerin çökelmesi sonucunda sedimentasyon sorunu
görülür.
Bunun için kanalda akan suyun hiçbir zaman kritik üstü ve kritik altı derinliklerde akması istenmez. Daha çok kritik derinliğe yakın bir derinlikte akması istenir. Dolayısıyle kanalda akan suyun ortalama hızı da kritik hıza yakın bir değerde olmalıdır.
Açık drenaj kanallarında genellikle kanalda akan suyun ortalama hızının kritik hızın 0.90 katına eşit veya daha küçük olması istenir.
) h + mh
(b
= Q V
k k
h
kmh ) 2 + (b
mh ) +
= (b g
Q
3k k
3 k 2