• Sonuç bulunamadı

Hücresel dolgu sistemi ile güçlendirilmiş genişleyen enerji kırıcı havuz mansabında meydana gelen oyulmanın deneysel olarak incelenmesi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "Hücresel dolgu sistemi ile güçlendirilmiş genişleyen enerji kırıcı havuz mansabında meydana gelen oyulmanın deneysel olarak incelenmesi"

Copied!
141
0
0

Yükleniyor.... (view fulltext now)

Tam metin

(1)

T.C.

İNÖNÜ ÜNİVERSİTESİ

DOKTORA TEZİ

AĞUSTOS 2021

HÜCRESEL DOLGU SİSTEMİ İLE GÜÇLENDİRİLMİŞ GENİŞLEYEN ENERJİ KIRICI HAVUZ MANSABINDA MEYDANA GELEN OYULMANIN

DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Tez Danışmanı: Doç. Dr. Ömerul FARUK DURSUN ENES GÜL

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

(2)

T.C

23615210002

AĞUSTOS 2021 İNÖNÜ ÜNİVERSİTESİ

HÜCRESEL DOLGU SİSTEMİ İLE GÜÇLENDİRİLMİŞ GENİŞLEYEN ENERJİ KIRICI HAVUZ MANSABINDA MEYDANA GELEN OYULMANIN

DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

DOKTORA TEZİ ENES GÜL

Tez Danışmanı: Doç. Dr. Ö. Faruk DURSUN Eş Danışman: Prof. Dr. M. Emin EMİROĞLU İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

(3)

i

TEŞEKKÜR VE ÖNSÖZ

Bu tez çalışmasının her aşamasında yardım, öneri, bilgi, tecrübe ve desteklerini esirgemeden beni her konuda yönlendiren danışman hocalarım Sayın Doç. Dr. Ö. Faruk Dursun ve Sayın Prof. Dr. Muhammet Emin Emiroğlu’na,

Bu tezin her aşamasında sürekli yanımda olan, her buhranlı anımda ümit veren ve manevi desteklerini her zaman hissettiğim kıymetli eşime,

Her daim yol gösteren, kolaylaştıran, güçleştirmeyen, mektup arkadaşım, kardeşim Arş. Gör.

Ahmet Polatoğlu’na,

Deneylerim sırasında yardımlarını esirgemeyen Adnan Çobansever’e, Yunus Kalay’a, Fatih Sadak’a, Bilal Yarar’a,

Mesai arkadaşlarım Dr. Talha Sarıcı, Arş. Gör. Enes Ekinci ve Arş. Gör. Alper Özmen’e, FBG-2018-1474 kodlu BAP Projesi kapsamında tezime destek olan İnönü Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi’ne,

teşekkür ederim.

Mazlumların kurtuluşuna vesile olması dileğiyle…

(4)

ii ONUR SÖZÜ

Doktora veya yüksek lisans tezi olarak sunduğum “Hücresel Dolgu Sistemi İle Güçlendirilmiş Genişleyen Enerji Kırıcı Havuz Mansabında Meydana Gelen Oyulmanın Deneysel Olarak İncelenmesi” başlıklı bu çalışmanın bilimsel ahlak ve geleneklere aykırı düşecek bir yardıma başvurmaksızın tarafımdan yazıldığına ve yararlandığım bütün kaynakların hem metin içinde hem de kaynakçada yöntemine uygun biçimde gösterilenlerden oluştuğunu belirtir, bunu onurumla doğrularım.

Enes GÜL

(5)

iii

İÇİNDEKİLER

TEŞEKKÜR VE ÖNSÖZ ... i

ONUR SÖZÜ ... ii

İÇİNDEKİLER ... iii

ÇİZELGELER DİZİNİ ... iv

ŞEKİLLER DİZİNİ ... v

SEMBOLLER VE KISALTMALAR ... ix

ÖZET ... xi

ABSTRACT ... xii

1. GİRİŞ ... 1

2. LİTERATÜR ÖZETİ ... 5

2.1.Ani Genişleyen Enerji Kırıcı Havuzlar ... 5

2.2.Hidrolik Yapıların Mansabında Meydana Gelen Yerel Oyulmalar ... 10

2.3.Hidrolik Yapıların Etrafında ve Mansabında Meydana Gelen Yerel Oyulmanın Önlenmesi ... 19

3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 29

3.1.Deney Düzeneği ve Hidrolik Şartların Oluşturulması... 29

3.2.Boyut Analizi... 39

3.3.RGB-D Kamera ile Oyulma Çukuru Geometrisinin Çıkarımı ... 40

3.4.Doğrusal Olmayan Regresyon Modeli Kurulumu ve Sonuçlarının Değerlendirilmesinde Kullanılan İstatistiksel Denklemler ... 41

4. BULGULAR ve TARTIŞMA ... 43

4.1.Ani Genişleyen EKH Mansabında Meydana Gelen Denge Oyulmasının İncelenmesi ... 43

4.2.HDS Kullanılmayan Durum için Oyulma Çukuru Geometrilerinin İncelenmesi 48 4.3.HDS Kullanılmayan Durum için Denge Oyulması Çukur Geometrilerinin Zamanla Değişiminin İncelenmesi ... 70

4.4.HDS Kullanılması Durumunda Ani genişleyen EKH Mansabında Meydana Gelen Denge Oyulmasının İncelenmesi ... 81

4.5.Boyutsuz Maksimum Denge Oyulma Derinliği, Uzunluğu ve Hacmi için Doğrusal Olmayan Denklem Sonuçlarının İncelenmesi ... 109

4.6.Deney Sonuçlarının Literatürdeki Denklemler ile Kıyaslanması ... 115

5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER ... 120

KAYNAKLAR ... 122

ÖZGEÇMİŞ ... 127

(6)

iv

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge 2.1. Bremen ve Hager (1994a) tarafından gerçekleştirilen ani genişleyen EKH deney parametreleri ... 7 Çizelge 3.1. Deney parametrelerinin özeti ... 29 Çizelge 4.1. HDS kullanılmayan durumda elde edilen doğrusal olmayan regresyon

denklemi performansları ... 110 Çizelge 4.2. HDS kullanılan durum için elde edilen doğrusal olmayan denklemlerin

performansları ... 113

(7)

v

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 1.1. EKH sınıflandırması (a) Düşüm havuzu (b) Enerji kırıcı havuz (c) Yuvarlak uçlu

EKH (d) Sıçratma eşiği ... 3

Şekil 2.1. Japon barajlar komisyonu tarafından paylaşılan bazı baraj resimleri (Foundation, 2020). Hitokura Barajı (a), Hikihara Barajı (b), Kimigano Barajı (c), Hori Barajı (d), Naramata Barajı (e), Shichikawa Barajı (f) ve Shikamori Barajı (g) ... 6

Şekil 2.2. Ani genişleyen EKH için hidrolik sıçrama türleri. (a) R-jump, (b) S-jump (c) Klasik sıçrama (d) T-jump ... 8

Şekil 2.3. Eşikli EKH’lerdeki hidrolik sıçrama türleri ... 9

Şekil 2.4. Veronese 1. deney serisi ... 11

Şekil 2.5. Farhaudi ve Simith deney düzeneği ... 13

Şekil 2.6. Dargahi (2003)deney düzeneği ... 14

Şekil 2.7. Sauro bağlaması şematik çizimi ... 15

Şekil 2.8. Adduce ve Sciortino (2006) deney düzeneği ... 16

Şekil 2.9. Pagliara ve Palermo (2008) tarafından geliştirilen oyulma önlenmesi yöntemi . 21 Şekil 2.10. Pagliara ve diğ. (2010) tarafından incelenen 3 boyutlu topoğrafya ve sınıflandırılması ... 23

Şekil 2.11. Simpson (2017) tarafından tekrarlı sediment süspansiyonunu önleme çalışmaları deney düzeneği ... 24

Şekil 2.12. Milovanović ve diğ. (2020) tarafından gerçekleştirilen deney düzeneği ... 25

Şekil 2.13. Georunner firmasına ait bir uygulama örneği ... 26

Şekil 2.14. Hanesgeo firmasına ait bir uygulama örneği ... 26

Şekil 2.15. Memlüklüler’e ait bir köprünün ayaklarına geocell uygulaması ... 27

Şekil 2.16. Derin kazık temeller etrafında meydana gelen oyulma önlenmesi için Durrant (2018) tarafından alınan patet görseli ... 28

Şekil 3.1. Ani genişleyen EKH şematik gösterimi (a) ve q=0.083 m2/s için deney görüntüsü(b) ... 30

Şekil 3.2. Hidrolik sıçrama Fr- Y ilişkisinin klasik hidrolik sıçrama ve ani genişleyen EKH için değişimi grafiği ... 30

Şekil 3.3. Mansap taban malzemesi granülometri eğrisi. d50=2.36 mm (a) ve d50=4.05 mm (b) ... 33

Şekil 3.4. Deney düzeneği şematik çizimleri. (a) PLC kontrol sistemi ve deney düzeneği lab görünümü, (b) Yüksekliği ayarlanabilir üst hazne açık kanal bağlantı şematik çizimi, (c) Ani genişleyen EKH ve oyulma haznesi birleşimi plan şematik çizimi, (d) A-A ve B-B kesitsel görünümleri eşik konumu ve kuyruksuyu detayı, (e) F-F kesitsel görünüm HDS görünümü, (f) Üst hazne boyutları plan ve X-X kesitsel görünümü ... 36

Şekil 3.5. Deney sistemine ait fotoğraflar. (a) Üst hazne şüt kanalı ve oyulma haznesi, (b) 30 m3 hacme sahip alt hazne ve pompa düzeneği, (c) 20 L/s debi için deney anı, (d) Deneylerde kullanılan HDS, (e) Oyulma haznesi içerisinde yerleştirilen HDS. ... 38

Şekil 3.6. PLC otomasyon yazılım ekranı ... 39

Şekil 3.7. RGB-D kamera ile alınan ölçümlerin şematik gösterimi ... 41

Şekil 4.1. Maksimum denge oyulma derinliğinin debi ile değişimi ... 43

Şekil 4.2. Densimetrik Froude sayısı (Fd) ile boyutsuz denge oyulması derinliği (Zmax,e/ d50) değişimi ... 44

Şekil 4.3. Boyutsuz denge oyulma derinliği (Zmax,e/d50), Fd ve S dağılımı ... 45

Şekil 4.4. Boyutsuz denge oyulma hacmi (ϕ/d503), Fd ve S dağılımı ... 46

(8)

vi

Şekil 4.5. Denge oyulma derinliğinin kinect ölçümü ile manuel ölçüm dağılımı ... 47 Şekil 4.6. Denge oyulma derinliği uzunlupunun manuel ve sensör yardımıyla alınan

ölçümler dağılımı ... 48 Şekil 4.7. q=0.067 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 49 Şekil 4.8. q=0.067 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 50 Şekil 4.9. q=0.067 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 51 Şekil 4.10. q=0.067 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 52 Şekil 4.11. q=0.083 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 53 Şekil 4.12. q=0.083 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 54 Şekil 4.13. q=0.083 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 55 Şekil 4.14. q=0.083 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 56 Şekil 4.15. q=0.100 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 57 Şekil 4.16. q=0.100 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 58 Şekil 4.17. q=0.100 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 59 Şekil 4.18. q=0.100 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 60 Şekil 4.19. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 61 Şekil 4.20. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 62 Şekil 4.21. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 63 Şekil 4.22. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 64 Şekil 4.23. q=0.133 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 65 Şekil 4.24. q=0.133 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 66 Şekil 4.25. q=0.133 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 67 Şekil 4.26. q=0.133 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm için oluşan maksimum denge oyulma

çukuru geometrisi ... 68 Şekil 4.27. Boyutsuz denge oyulmasının farklı eşik türleri için zamana bağlı değişimi .... 69 Şekil 4.28. Denge oyulması hacminin zamana bağlı değişimi ... 70 Şekil 4.29. q=0.117 m2/s, d50=2.36 mm granüler malzeme için t=5 (a), 20 (b), 50 (c), 80

(d), 140 (e) ve 200 dk (f) için oyulma topoğrafyaları ... 73 Şekil 4.30. q=0.117 m2/s, d50=4.05 mm granüler malzeme için t=5 (a), 20 (b), 50 (c), 80

(d), 140 (e) ve 200 dk (f) için oyulma topoğrafyaları ... 76

(9)

vii

Şekil 4.31. q=0.117 m2/s, s=7.5 cm ve d50=2.36 mm granüler malzeme için t=5 (a), 20 (b),

50 (c), 80 (d), 140 (e) ve 200 dk (f) meydana gelen oyulma topoğrafyaları ... 78

Şekil 4.32. q=0.117 m2/s, s=7.5 cm ve d50=4.05 mm granüler malzeme için t=5 (a), 20 (b), 50 (c), 80 (d), 140 (e) ve 200 dk (f) meydana gelen oyulma topoğrafyaları ... 81

Şekil 4.33. εz =25 mm s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 82

Şekil 4.34. εz =25 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 84

Şekil 4.35. εz =50 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 85

Şekil 4.36. εz =50 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 86

Şekil 4.37. εz =100 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 87

Şekil 4.38. εz =100 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 88

Şekil 4.39. εz =150 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 89

Şekil 4.40. εz =150 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı... 91

Şekil 4.41. HDS yüzey genişliğinin maksimum denge oyulmasına etkisi şematik gösterim ... 92

Şekil 4.42. εxy =100 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 93

Şekil 4.43. εxy =100 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 95

Şekil 4.44. εxy =200 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 96

Şekil 4.45. εxy =200 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 97

Şekil 4.46. εxy =400 mm, s=50 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 98

Şekil 4.47. εxy =400 mm, s=75 mm değerleri için Fd ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 99

Şekil 4.48. εz =25 mm, s=50 mm değerleri için Fd, εxy/ls1 ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 100

Şekil 4.49. εxy =100 mm, s=50 mm değerleri için Fd, εz/Zmax,e ve Zmax,e/d50 dağılımı ... 101

Şekil 4.50. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=4.05 mm şartları için εxy =0 mm, εxy =100 mm, εxy=200 mm, εxy =400 mm maksimum denge oyulmalarına ait boykesit görünüşleri ... 102

Şekil 4.51. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=4.05 mm şartları için εxy =0 mm, εxy =100 mm, εxy=200 mm, εxy =400 mm maksimum denge oyulmalarına ait boykesit görünüşleri ... 103

Şekil 4.52. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm, εxy =100 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 104

Şekil 4.53. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm, εxy =200 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 105

Şekil 4.54. q=0.117 m2/s, s=50 mm, d50=2.36 mm, εxy =400 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 106

Şekil 4.55. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm, εxy =100 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 107

Şekil 4.56. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm, εxy =200 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 108

Şekil 4.57. q=0.117 m2/s, s=75 mm, d50=2.36 mm, εxy =400 mm ve εz =25 mm şartları için HDS kullanılarak ve HDS kullanılmadan zamana bağlı boykesit değişimi ... 109

Şekil 4.58. Denklem (4.1) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması değerleri karşılaştırılması ... 110

Şekil 4.59. Denklem (4.2) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması hacmi değerleri karşılaştırılması ... 111

Şekil 4.60. Denklem (4.3) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması uzunluğu değerleri karşılaştırılması ... 112

Şekil 4.61. Denklem (4.4) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması değerleri karşılaştırılması ... 113

Şekil 4.62. Denklem (4.5) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması hacmi değerleri karşılaştırılması ... 114

(10)

viii

Şekil 4.63. Denklem (4.6) ile tahmin edilen ve deneysel ölçülen boyutsuz maksimum denge oyulması uzunluğu değerleri karşılaştırılması ... 115 Şekil 4.64. Eşlenik derinlik değerlerinin literatürde önerilen denklemler ile dağılımı ... 116 Şekil 4.65. Boyutsuz hidrolik sıçrama uzunluğunun literatürdeki denklemler ile dağılımı

... 117 Şekil 4.66. Deneysel verilerin Oliveto ve Comuniello (2009) tarafından önerilen Fd ile Ψ

dağılımı ... 118 Şekil 4.67. Deneysel verilerin Oliveto ve Comuniello (2009) tarafından önerilen Fd ile Ω

dağılımı ... 119

(11)

ix

SEMBOLLER VE KISALTMALAR

α : Su jetinin yatayla yaptığı açı (-) β : Genişleme oranı (L)

b1 : Kanal dar kesitinin genişliği (L) b2 : Kanal geniş kesitinin genişliği (L) Cu : Üniformluk katsayısı (-)

d50 : Malzemenin %50’sini geçiren elek çapı, medyan dane çapı (L) d90 : Malzemenin %90’nını geçiren elek çapı (L)

D : Boru çapı (L)

D* : Boyutsuz dane çapını (-) εxy : HDS hücre yüzey genişliği (L) εz : HDS hücre derinliği (L) Fr : Froude sayısı (-)

Fd : Densimetrik Froude sayısı (-)

Fd90 : d90’a ait densimetrik Froude sayısı (-) g : Yerçekim ivmesi (LT-2)

g’ : Boyutsuz yerçekim ivmesi (-) h : Memba su derinliği (L)

h1 : Hidrolik sıçrama öncesi su derinliği (L) h2 : Hidrolik sıçrama sonrası su derinliği (L) hd : Düşü yüksekliği (L)

htw : Kuyruk suyu derinliği (L) La : Apron uzunluğu (L) Lar : Riprap uzunluğu (L)

Lr* : Klasik hidrolik sıçrama silindir uzunluğu (L)

ls1 : Maksimum denge oyulma derinliğinin hidrolik yapıdan uzaklığı (L) Lj : Ani genişleyen EKH’de hidrolik sıçrama uzunluğu (L)

Lj* : Klasik hidrolik sıçrama uzunluğu (L) s : Eşik yüksekliği (L)

S : Boyutsuz eşik yüksekliği (-) Re : Reynolds sayısı (-)

R2 : Belirginlik katsayısı (-) Q : Debi (LT-1)

q : Birim debi (L2T-1)

(12)

x

Zmax,e : Maksimum denge oyulma derinliği (L)

Zmax,h : Maksimum denge oyulma tepe noktası derinliği (L) X1 : Boyutsuz hidrolik sıçrama kuyruğu uzunluğu (-) x1 : Kanalın dar kesitindeki hidrolik sıçrama uzunluğu (L) Lsb : EKH uzunluğu (L)

w : Dolusavak yüksekliği (L) V : Enkesitsel akım hızı (LT-1)

Y : Hidrolik sıçrama eşlenik derinliği (-) Vw : Dolusavak yaklaşım hızı (LT-1) Va : Difüzör hava çıkış hızı (LT-1)

ϕ : Maksimum denge oyulması hacmi (L3) ρ : Suyun özgül kütlesi (ML-3)

ρs : Granüler malzeme özgül kütlesi (ML-3) u* : Gerilme hızı (LT-1)

uc* : Kritik sediment parçaçık hızı (LT-1)

δx : RGBD kamera konumunun deney seti ile x eksenindeki farkı (L) δy : RGBD kamera konumunun deney seti ile y eksenindeki farkı (L) δz : RGBD kamera konumunun deney seti ile z eksenindeki farkı (L) ADV : Akustik Hız Ölçer

BGS : Alt Izgara Sistemi EKH : Enerji Kırıcı Havuz GEP : Gen Değişim Programı

HDPE : Yüksek Yoğunluklu Polietilen HDS : Hücresel Dolgu Sistemi

ICOLD : Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu KOKH : Kök Ortalama Kare Hata

OMH : Ortalama Mutlak Hata

PLC : Programlanabilir Lojik Kontrolcü SFWMD : Güney Florida Su Yönetimi Bölgesi SVR : Destek Vektör Makinesi

USBR : Amerika Birleşik Devletleri Sular İdaresi YSA : Yapay Sinir Ağları

WCD : Dünya Barajlar Komisyonu

(13)

xi ÖZET

Doktora Tezi

HÜCRESEL DOLGU SİSTEMİ İLE GÜÇLENDİRİLMİŞ GENİŞLEYEN ENERJİ KIRICI HAVUZ MANSABINDA MEYDANA GELEN OYULMANIN DENEYSEL

OLARAK İNCELENMESİ ENES GÜL

İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı

127+XII sayfa 2021

Danışman: Doç. Dr. Ö. Faruk DURSUN Eş Danışman: Prof. Dr. M. Emin EMİROĞLU

Enerji kırıcı yapılar yüksek hızlara sahip olan taşkın suyunu güvenli bir şekilde baraj mansabına iletmeyi sağlarlar. Literatürde bugüne kadar bir çok enerji kırıcı yapı tipi incelenmiştir. Bu tez kapsamında ani genişleyen enerji kırıcı havuzlar (EKH) incelenmiştir.

Ani genişleyen EKH’lerin mansabında meydana gelen yerel oyulmalar, maksimum denge oyulma derinliği, denge oyulma hacimi, denge oyulma uzunluğu gibi parametreler ile incelenmiştir. Yerel oyulmaların önlenmesi konusunda yapılan çalışmaların sayısı son yıllarda artmıştır. Literatürde daha çok köprü ayakları etrafında meydana gelen yerel oyulmaların önlenmesi çalışmaları mevcuttur. Bu tez kapsamında ani genişleyen EKH mansabında meydana gelen yerel oyulma incelenmiş ve hücresel dolgu sistemi (HDS) kullanımı araştırılmıştır. HDS’ler özellikle zemin iyileştirme çalışmalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hidrolik yapıların iyileştirilmesi konusunda kullanımı ise giderek yaygınlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında kare geometriye sahip HDS’lerin dört farklı yüzey genişliğinin (εxy=0, 100, 200, ve 400 mm) ve beş farklı HDS derinliğinin (εz=0, 25, 50, 100 ve 150 mm) ani genişleyen EKH mansabında meydana gelen yerel oyulmaya etkileri incelenmiştir. Deneyler için ortalama medyan dane çapı d50=2.36 mm ve d50=4.05 mm olan iki farklı granüler malzeme, dört farklı birim debi (q=0.067, 0.083, 0.1, 0.117 ve 0.133 m2/s) ve iki farklı eşik yüksekliği (s=50 mm ve 75 mm) kullanılmıştır. Tüm oyulma çukuru geometrileri 3 boyutlu olarak RGB-D kamera yardımıyla HDS kullanılan ve kullanılmayan durumların her ikisi için de elde edilmiştir. Sonuç olarak, HDS kullanılan ve kullanılmayan her iki durum için de eşik yüksekliği arttıkça enerji sönümlenme miktarının arttığı gözlemlenmiştir. HDS kullanılması durumunda, maksimum denge oyulma derinliği ve hacmi daha küçük elde edilmiştir. HDS yüzey genişliği arttıkça maksimum denge oyulma derinliği ve denge oyulma hacimi artmıştır. En iyi çözüm, en küçük yüzey genişliğine sahip εxy=100 mm HDS için elde edilmiştir. HDS’lerin denge oyulma derinliğini (Zmax,e) ve denge oyulma hacmini (ϕ) büyük oranda azaltabileceği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Hücresel dolgu sistemi, Hidrolik, Enerji kırıcı havuz, Dolusavak, Yerel oyulma

(14)

xii ABSTRACT

Phd. Thesis

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SCOUR IN DOWNSTREAM OF EXPANDING STILLING BASIN REINFORCED BY CELLULAR CONFINEMENT

SYSTEM ENES GÜL Inonu University

Graduate School of Nature and Applied Sciences Department of Civil Engineering

127+XII page 2021

Supervisor: Doç. Dr. Ö. Faruk DURSUN Co Supervisor: Prof. Dr. M. Emin EMİROĞLU

Energy dissipation structures allow high velocity flood water to be safely transmitted downstream of the dam. Many types of energy dissipation structures have been examined in the literature. In the scope of this thesis, stilling basin (SB) that expand suddenly have been investigated. Local scourings occurring in the downstream of the suddenly expanding SBs have been analyzed with parameters such as maximum equilibrium scour depth, equilibrium scour volume, equilibrium scour length. The number of efforts to prevent local scour has increased in recent years. In the literature, there are studies to prevent local scour that occur around the bridge piers and abutments. Within the scope of this thesis, the use of cellular confinement system (CCS) was investigated in order to prevent local scour in the suddenly expanding SB downstream. CCSs are widely used especially in ground improvement works.

Its use in the improvement of hydraulic structures is getting more and more widespread. In this thesis study, the effects of four different surface widths (εxy=0, 100, 200, and 400 mm) and five different HDS depths (εz=0, 25, 50, 100 and 150 mm) of square geometry CCSs on local scouring downstream of the suddenly expanding SB. It has been examined with, two different granular materials with mean median grain diameter d50= 2.36 mm and d50= 4.05 mm for the experiments, four different unit flow rates (q= 0.067, 0.083, 0.1, 0.117 and 0.133 m2/s) and two different threshold heights (s=50 mm and 75 mm) were used. All scour hole geometries were obtained with an RGB-D camera in order to examine them in 3D for both CCS used and unused situations. As a result, the amount of energy absorption increased as the sill height increased for both cases with and without CCS. Maximum equilibrium scour depth and volume were achieved smaller. As the CCS surface width increased, the maximum equilibrium scour depth and equilibrium scour volume increased. The best solution is obtained for the smallest surface width εxy= 100 mm. It has been determined that CCS can greatly reduce the equilibrium scour depth (Zmax,e) and equilibrium scour volume (ϕ).

Keywords: Cellular confinement system, Hydraulic, Energy dissipation structure, Spillway, Local scour

(15)

1

1. GİRİŞ

Su kaynakları miktarı tüm dünya için yeterli olsa da, zamansal ve konumsal dağılımları eşit değildir. Hidrolojik çevrimle yeryüzüne ve denizler üzerine düşen toplam yağış miktarı sabittir. Ancak suya olan talep; nüfus artışı, ağır sanayi ve tarımsal ihtiyaçlar gibi nedenlerle artmaktadır. Ekonomik büyüme, sosyo-kültürel ve çevresel gelişmeler de bu artışı tetiklemektedir. Geçtiğimiz üç yüzyıl boyunca, tatlı su kaynaklarından çekilen su miktarı 35 kat artarken, dünya nüfusu 8 kat artmıştır (Altinbilek, 2002). Bu problem kişi başına düşen kullanılabilir su miktarında büyük azalmaya sebep olmuştur. Tatlı su kaynaklarının kullanıma kazandırılmsı amacıyla inşa edilen en uygun yapılar barajlardır. Barajlar, insanlık tarihinin başlangıcından itibaren, neredeyse 5000 yıl boyunca yağışlı zamanlardaki suyu depolayarak, kurak zamanlarda kullanılmasına imkân vererek hizmet vermişlerdir. Aynı zamanda ani su baskınlarını da önlemiş veya hafifletmişlerdir.

Su kaynaklarının sürdürülebilir kullanımı ve yönetimi her geçen gün önem kazanmaktadır.

Baraj rezervuarları işletimi; su ve su ile ilgili hizmetlerin insani ihtiyaçları karşılaması yanında, doğal hidrolojik rejimi de düzenlemesi baraj emniyeti açısından önem taşımaktadır.

Barajlar; içme suyu temini, tarımsal sulama, taşkın kontrolü, elektrik enerjisi üretimi, akarsu taşımacılığı, rekreasyon alanı oluşturma, kirliliği azaltma, endüstriyel kullanım, balık ve yabani hayatın korunması, tuzluluk kontrolü, sediment kontrolü, ve yeraltı suyunun beslenmesi gibi sebeplerle inşa edilen büyük yapılardır.

Dünya barajlar komisyonuna (World Comission of Dams - WCD) göre yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan hidroelektrik enerji, dünya elektrik arzının %19’unu karşılamakta ve dünya genelinde 150’den fazla ülke yararlanmaktadır. Hemen hemen bütün büyük barajların ana amacı hidroelektrik enerjisi üretmektir. Hidroelektrik enerji 24 ülkede kendi ulusal toplam elektrik arzının %90’ından fazlasını ve 63 ülkede kendi ulusal toplam elektrik arzının % 50’den fazlasını oluşturmaktadır (WCD, 2000). Uluslararası büyük barajlar komisyonuna (International Comission of Large Dams - ICOLD) göre sanayileşmiş ülkelerin dörtte üçü 1949’a kadar 5000 büyük baraj inşa etmiştir. 20. yüzyılın sonuna gelindiğinde ise dünya genelinde 45000 büyük baraj inşa edilmiştir. Aynı sınıfa göre ise Türkiye’de 625 büyük baraj vardı. Dünyadaki bütün büyük barajların %50’sinden fazlası

(16)

2

sulama suyu için yapılmıştır. Barajların dünya gıda üretimine %12-16 oranında katkıda bulunduğu tahmin edilmektedir (ICOLD, 1999).

Dolusavak ve enerji kırıcı yapılar, baraj rezervuarına giren taşkın debisinin güvenli bir şekilde barajın mansabında bulunan doğal nehir yatağına iletilmesini sağlayan yapılardır.

Dolusavak ve enerji kırıcı yapılar, barajların hayati öneme sahip elemanlarıdır. Bu yapılar birçok farklı tipte inşa edilebilmektedir. Literatürde birçok farklı dolusavak sınıflandırması mevcuttur. Şekil 1’de de gösterildiği gibi dolusavak tipleri: (a) Karşıdan alışlı, (b) Yandan alışlı, (c) Tünelli, (d) Kuyulu, (e) Labirent, (f) Basamaklı, (g) Orifis ve (h) Sifon olarak sıralanabilir. Dolusavak yaklaşım kanalında bulunan suyun dolusavak eteğine ulaştığında yüksek hız ve dolayısıyla yüksek kinetik enerjiye sahip olmasından dolayı doğal nehir yatağına zarar vermesi enerji kırıcı yapılar kullanılarak önlenir. Dolusavak eteğinde oluşan bu yüksek kinetik enerjiye sahip suyun enerjisinin kırılması, farklı enerji kırıcı yapıların kullanılması ile sağlanmaktadır. Enerjinin kırılmaması halinde baraj stabilitesi büyük oranda tehlikeye girebilir. Oyulma nedeniyle hidrolik yapı gövdesi altındaki sızma oranı artmaktadır. Dolusavak eteğinde bulunan yüksek hıza sahip su, doğal nehir yatağında oyulma meydana getirmekte ve enerji tünellerinin batık çalışması gibi sorunları ortaya çıkarabilmektedir. Enerji kırıcı yapı tipleri: (a) Enerji Kırıcı Havuzlar (i-USBR Tip I, ii- USBR Tip II, iii-USBR Tip III, iv-USBR Tip IV) (b) Sıçratma eşiği, (c) Yuvarlak uçlu enerji kırıcılar ve (d) Düşü havuzu olarak sıralanabilir (Şekil 1). Uygulamada birçok EKH türü uygulanmaktadır. En genel ifade ile EKH türleri Şekil 1’de gösterilmiştir. Plan görünüşlerine göre de (a) ani genişleyen ve (b) tedrici genişleyen Enerji Kırıcı Havuzlar (EKH) olarak sınıflandırılabilir.

EKH’ler, hidrolik sıçrama meydana getirmek suretiyle enerjiyi kırmaktadır. Hidrolik sıçrama, açık kanal akımlarının sel rejiminden nehir rejimine geçişiyle meydana gelir.

Genellikle akarsularda ve nehirlerde, açık kanallarda, üretim süreçleri süresince ve baraj dolusavaklarının mansabında yaşanmaktadır. Hidrolik sıçrama esnasında sıçramanın türüne bağlı olarak yoğun türbülanslar meydana gelir. Hidrolik sıçramanın kuyruğunda çarpan akım ile oluşan yuvarlak akım iplikleri arasındaki süreksizlik bölgelerine hava hapsolur. Hava-su ayrım tabakası yüksek hızlı jet akışından çevrim bölgesinin üstüne doğru olan momentum transferi ile tanımlanır ki bu hava kabarcıklarının advektif difüzyonudur. Hidrolik sıçramanın detaylı bir şekilde incelenmesi, EKH boyutlandırması ve mansabında meydana gelen oyulmanın anlaşılabilmesi açısından önemlidir (Chanson, 2015). Bu tez kapsamında yapılan deneylerde T-jump, Bm-jump ve C-jump türü hidrolik sıçramalar incelenmiştir.

(17)

3

Ayrıca yapılan deneylerde ani genişleyen EKH’ler için hidrolik sıçrama karekteristikleri de detaylı bir şekilde incelenmiştir.

(a) (b)

(c) (d)

Şekil 1.1. EKH sınıflandırması (a) Düşüm havuzu (b) Enerji kırıcı havuz (c) Yuvarlak uçlu EKH (d) Sıçratma eşiği (Khatsuria, 2004)

EKH’ler her ne kadar büyük bir enerjiyi sönümlese de bazen yeterli olamamakta ve mansaplarında yerel oyulmalar meydana gelebilmektedir. EKH’lerin mansabında meydana gelen oyulmalar konusunda çalışmalar mevcuttur. Yerel oyulma problemlerinin fiziksel ve matematiksel olarak incelenmesi ve anlaşılması oldukça önemlidir. Bu problemler barajların stabilitesi ve enerji tünellerinin batık çalışması gibi sorunlara yol açması nedeniyle oldukça önem arzetmektedir.

Yerel oyulmaların incelenmesi konusunda teorik bilgi ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır.

Özellikle deneysel çalışmalar incelendiğinde yerel oyulma deneylerinin oldukça zaman alıcı ve zorlu şartlar altında yapıldığı görülecektir. Literatürde, yerel oyulma çalışmaları daha çok maksimum oyulma derinlikleri ve tepe noktalarının konumsal ve zamansal açıdan incelendiği çalışmalar mevcuttur. Yerel oyulma topoğrafyasının tamamı hakkında bilgi sahibi olmak oldukça önemlidir. Bu çalışmada oyulma topoğrafyasının tamamı güvenilir ve ucuz bir yöntem olan RGB-D sensör kullanılarak elde edilmiştir.

Yerel oyulma hakkında literatürdeki çalışmalar daha çok oyulmanın nasıl geliştiğini inceleyen çalışmalardır. Bu konuda oldukça geniş bir bilgi birikimi oluşmuştur. Yerel oyulmanın önlenmesi konusunda ise oldukça sınırlı çalışmalar mevcuttur. Bu çalışma

(18)

4

kapsamında yerel oyulmanın önlenebilirliği hücresel dolgu sistemi (HDS) kullanılarak incelenmiştir. HDS’ler bir geosentetik ürün olarak uygulamada yamaç erozyonu önlemede, yol temellerinin güçlendirilmesinde ve yüzey erozyonu önleme gibi alanlarda gittikçe yaygın bir halde kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışma kapsamında ani genişleyen EKH mansabına yerleştirilen HDS’lerin oyulmanın önlenmesi konusundaki performansı incelenmiştir.

Köprü ayakları etrafında, akarsu kavuşumlarında, serbest düşülü savakların mansabında, dipsavakların çıkışında ve dolusavakların mansabında meydana gelen yerel oyulma ile ilgili birçok çalışma güncelliğini korumaktadır. Yerel oyulma baraj emniyeti açısından da önemli bir problemdir. Son yıllarda baraj imalatlarında geosentetik ürünlerin kullanımı gittikçe artmıştır. Bu çalışmada geosentetik ürünlerden olan HDS ile güçlendirilmiş zeminlerin yerel oyulma performansları ilk kez detaylı bir şekilde incelenmiştir. Simpson, Wang, ve Vasconcelos (2018) yaptıkları çalışmada kohezyonsuz zeminlerde HDS kullanımının askıda sediment taşınımını büyük oranda önlediğini ortaya koymuşlardır. Askıda sediment taşınımı ve yerel oyulma olaylarının kuramsal temelleri benzeşmektedir. Yerel oyulmanın önlenebilmesi için yatak malzemesi içerisinde rijit eşikler yerleştirme fikri son zamanlarda araştırılmaktadır Özellikle yatak malzemesi içerisine birçok farklı geometrilerde eşikler yerleştirilerek deneyler yapılmaktadır. Fakat bu çözümler kolay ve ekonomik değildir. Bu çalışma ile HDS’nin yatak malzemesi ile birlikte ve bir zemin donatısı şeklinde çalışması sağlanacaktır. Bu sayede ani genişleyen EKH mansabında meydana gelen oyulmanın HDS yardımıyla önlenmesi araştırılmıştır. Tez danışmanı ve tez yazarının basit bir deney düzeneği ile yaptıkları deneyler HDS’nin oyulmayı büyük oranda (%42) önleyebildiğini göstermiştir (Gul, Sarıcı, & Dursun, 2017). Yerel oyulmanın nasıl geliştiği üzerine yapılan çalışmaların yerini son yıllarda yerel oyulmanın nasıl önlenebileceği ile ilgili çalışmalar almaktadır. Bu çalışma ile; HDS’nin dolusavakların mansabında meydana gelen yerel oyulmayı önleyebileceği ortaya koyulmuştur. Bu durum ise barajların en maliyetli kısımlarını oluşturan dolusavak ve EKH boyutlarında küçültme sağlanabileceği anlamını taşımaktadır.

Ayrıca HDS ile yerel oyulmanın önlenmesi ilk kez detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Bu çalışma, birçok hidrolik yapının etrafında meydana gelen yerel oyulmanın önlenebilmesi konusunda yapılacak ileri ki çalışmalara yol gösterecektir.

(19)

5

2. LİTERATÜR ÖZETİ

2.1.Ani Genişleyen Enerji Kırıcı Havuzlar

Hidrolik sıçrama, hidrolik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan önemli bir olgudur.

Yüksek hızlı bir akıştan daha yavaş bir akış hareketine hızlı bir geçiştir. Genellikle baraj savaklarının mansabında, akarsularda ve endüstriyel kanallarda meydana gelir. Birçok farklı enerji kırıcı havuz vardır. Plan geometrisine göre, yavaş genişleyen ve ani genişleyen olarak sınıflandırılırlar.

Literatürde, hidrolik sıçrama detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bakhmeteff (1936) boyutsuz serbest yüzey profilleri önerdi. Eşlenik derinlikler ve sıçramanın uzunluğu için deneysel veriler sundu. Bradley ve Peterka (1957), hidrolik sıçramanın meydana geldiği durgun havuz tipini (Type I) geliştirmiştir. Rajaratnam ve Murahari (1971) iki boyutlu bölmeler veya bölme duvarı ile oluşturulan zorlamalı hidrolik sıçramaların deneysel bir çalışma sunmuşlardır. Hager (1985) yatay, dikdörtgen ve prizmatik olmayan kanallarda ve U-şekilli kanallarda hidrolik sıçramalarla ilgilenen farklı kanal tiplerini incelemiştir (Hager, 1989).

Gharangik ve Chaudhry (1991) dikdörtgen bir kanaldaki hidrolik sıçramayı simüle etmek için çözülen tek boyutlu Boussinesq denklemlerini incelemiştir.

(20)

6

a b

d

e

f

g c

Şekil 2.1. Japon barajlar komisyonu tarafından paylaşılan bazı baraj resimleri (Foundation, 2020). Hitokura Barajı (a), Hikihara Barajı (b), Kimigano Barajı (c), Hori Barajı (d),

Naramata Barajı (e), Shichikawa Barajı (f) ve Shikamori Barajı (g)

(21)

7

Şekil 2.1’de ani genişleyen EKH’ler için uygulamada bazı örnekler gösterilmiştir. Bu örnekler dolusavak üzerinde ve EKH üzerinde ani genişleme meydana getirilmiş baraj tipleridir. Ani genişleyen EKH’ler özellikle topoğrafya müsait olduğunda tercih edilmektedir. Bu çalışmanın konusu olan ani genişleyen EKH’ler ilk defa Bremen ve Hager (1994b) tarafından detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bremen ve Hager (1994a) beş farklı enerji kırıcı tipi, uzunluğu ve üç farklı EKH genişleme oranını denemişlerdir. İki farklı deney setinde deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Birinci deney setinin (LCH1) genişliği 50 cm, derinliği 70 cm’dir. İkinci deney setinin (LCH2) menba genişliği 50 cm, mansab genişliği 150 cm’dir. Bu kanalın menba uzunluğu 1.2 m, 11.8 m mansab uzunluğu ile toplam 13 m’dir.

Çalışmalarında enerji kırma açısından en iyi performansın merkezi eşik (central sill) için elde edildiğini göstermişlerdir. Deney serileri Çizelge 2.1’de özetlenmiştir.

Çizelge 2.1. Bremen ve Hager (1994a) tarafından gerçekleştirilen ani genişleyen EKH deney parametreleri

Series β(b2/b1) Fr1 S (s/h1) X1 (x1/Lr*)

I 3 3-5-7-9 0.6-3 0.2

II 2 3-5-7-9 0.6-3 0.2

III 1.5 3-5-7-9 0.6-3 0.2

Burada; β genişleme oranı, b2 en geniş kesit genişliği, b1 en dar kesit genişliği, Fr1 Froude sayısı, S boyutsuz eşik yüksekliği, X1 boyutsuz sıçrama kuyruğu, x1 hidrolik sıçrama uzunluğu, (dar kesit boyunca) Lr* klasik hidrolik sıçrama silindir uzunluğudur. Bu tez kapsamında, Bremen ve Hager (1994a)’ın deneylerini gerçekleştirmediği fakat denklemlerle öneride bulunduğu β=4 hidrolik şartları incelenmiştir.

(22)

8

(a) (b)

(c) (d)

Şekil 2.2. Ani genişleyen EKH için hidrolik sıçrama türleri. (a) R-jump, (b) S-jump (c) Klasik sıçrama (d) T-jump

Şekil 2.2’de ani genişleyen EKH’lerde meydana gelen dört farklı hidrolik sıçrama türü gösterilmiştir. R-jump klasik hidrolik sıçramaya benzer fakat genişleyen havuzda meydana gelir ve simetriktir. S-jump asimetrik bir hidrolik sıçramadır. Aslında S-jump hidrolik sıçrama görüntüsünden ziyade bir jet görüntüsüne benzer. T-jump hidrolik sıçramayı dar kesitte meydana getirir. T jump simetrik veya asimetrik meydana gelebilir. Bremen ve Hager (1993), ani genişleyen EKH’lerdeki hidrolik sıçrama türlerinden biri olan T-jump'ı kapsamlı bir şekilde incelemişlerdir. Deneylerini 0.5 m genişliğinde, 0.7 m yüksekliğinnde ve 11 m uzunluğunda bir açık kanalda gerçekleştirmişlerdir.

Zare ve Doering (2011) ani genişleyen EKH’deki eşikli hidrolik sıçramayı kapak altı akım etkisi altında incelemişlerdir. Deneylerini Manitoba Üniversitesi hidrolik laboratuvarında, 0.94 m genişliğe, 0.75 m derinliğe ve 14 m uzunluğa sahip dikdörgen bir kanalda gerçekleştirmişlerdir. Ahşap malzemeden dar kesit oluşturulmuş ve kapak açıklığı 2.5 cm olarak sabitlenmiştir. Seviye ölçümleri ultrasonik derinlik ölçer yardımıyla ölçülmüştür.

Asimetrik ve simetrik hidrolik şartlar altında deneyler gerçekleştirmişlerdir. Sonuç olarak eşlenik derinlik değerinin asimetrik şartlar için küçük genişleme oranlarında simetrik genişlemeden daha fazla düşürdüğ ve büyük genişleme oranlarında ise tam tersi durumun oluştuğunu belirtmişlerdir. Asimetriklik arttıkça eşlenik derinlikteki azalma büyümüş ve bu büyüme hem simetrik hem de asimetrik şartlar için büyük genişleme şartları için daha fazla meydana geldiğini belirtmişlerdir.

(23)

9

Hager ve Li (1992) eşik kontrollü enerji kırıcı havuz hidroliğini detaylı bir şekilde incelemişlerdir. Şekil 4’te gösterildiği üzere eşikli hidrolik sıçrama için A-jump, B-jump, minimum B-jump, C-jump ve Spray tiplerinde olmak üzere beş farklı sınıflandırma önermişlerdir. A-jump daha çok klasik hidrolik sıçramaya benzemektedir. En büyük hidrodinamik etkiler Spray tipinde görülmektedir. A-jump tipinin en az oyulmaya sebep olacağını, Spray tipinin ise en fazla oyulmaya sebep olacağını belirtmişler fakat herhangi bir denklem önermemişlerdir.

B-jump

Bm-jump

C-jump

Spray A-jump

Şekil 2.3. Eşikli EKH’lerdeki hidrolik sıçrama türleri (Hager & Li, 1992)

Öte yandan yapay zeka çalışmaları, güvenilir modelleme yöntemleri olduğunu kanıtlamaktadır. Litearatürde hidrolik sıçrama karekteristiklerinin makine öğrenmesi algoritmaları yardımıyla modellendiği görülmüştür. Hidrolik sıçrama bağlamında Güven, Günal, ve Cevik (2006) pürüzlü bir yatağın üzerindeki hidrolik sıçramanın özelliklerini tahmin etmek için gen değişim programını (GEP) kullanmışlardır. GEP modelinin performanslarını, geleneksel denklemler, yapay sinir ağları (YSA) ve Destek Vektör Regresyonu (SVR) ile karşılaştırmışlardır. Karbasi ve Azamathulla (2016) pürüzlü bir yatağın üzerindeki hidrolik sıçramanın özelliklerini tahmin etmek için gen değişim programını (GEP) kullandı. GEP modelinin performanslarını, geleneksel denklemler, yapay sinir ağları (YSA) ve Destek Vektör Regresyonu (SVR) ile karşılaştırdılar. Roushangar, Valizadeh, ve Ghasempour (2017) ani genişleyen EKH için makine öğrenmesi algoritmalarını incelemişlerdir. Eşlenik derinlik (h2/h1) ve göreceli sıçrama uzunluğu (Lj/y1) gibi hidrolik sıçrama özelliklerini modellemişlerdir. Modellemelerinde kullanılan veriler

(24)

10

Bremen (1990) çalışmasından alınmıştır. Araştırmacılar, GEP ile literatürdeki mevcut ampirik denklemleri karşılaştırdılar ve GEP'in en iyi performansa sahip olduğunu bildirmişlerdir.

2.2.Hidrolik Yapıların Mansabında Meydana Gelen Yerel Oyulmalar

Oyulma; genel oyulma ve yerel oyulma olmak üzere iki farklı şekilde meydana gelebilir.

Genel oyulma nehir akışlarında doğal bir süreç olarak meydana gelir. Genel oyulma dört alt kategoride incelenebilir (Armitage, 2002):

1. Genelgeçer oyulma

Bu oyulma türü bir nehir, su veya tortu akışındaki değişikliklere uyum sağladığında meydana gelir. Topoğrafyadaki değişiklikler doğal veya insan müdahalesinin bir sonucu olabilir. Bu değişiklikler, debi değişimi, bentlerin veya barajların inşası, havzalar arası su transferleri vb.

olabilir.

2. Sıkışma oyulma

Bu oyulma türü, özel, lokalize bir genel bozulma (deformasyon) durumudur. Bu durum, bir su yolunun daralmasına veya taşkının yeniden kanallanmasına neden olursa oluşur. Sonuç olarak, yatak seviyesinin düşmesi ve artan akış hızı, daralmış bölümde bir oyulma meydana getirir.

3. Kıvrım oyulma

Akış eğri bir yolu izlemeye zorlandığında akış yapısı ikincil akımlar tarafından etkilenir. Bu ikincil akımlar, kıvrımın dışındaki yatağın yakınında yerel hızların artmasına neden olur ve ortalama akış derinliğinin iki katına kadar yerel derinliklerde oyulmaya neden olabilir.

4. Birleşim oyulma

Bu oyulma türü, bir nehrin iki kolu birleştiğinde meydana gelir. Akış hızları, eğimler, tortu taşınması ve mansap kanalına göre yaklaşma açısı gibi faktörlere bağlı olarak iki kol arasındaki farklar, birleşmenin mansabında ilişkili oyulma ve birikme ile karmaşık ikincil akış modelleriyle sonuçlanır.

Yerel oyulma, doğrudan bir yapının akış üzerindeki etkisinden kaynaklanır. Yapının türünün bir fonksiyonu olan bu oyulma, genel oyulma türlerinden bağımsız incelenmektedir.

Literatürde köprü ayaklarının etrafında, açık denizlerdeki rüzgar enerji tarlalarının temel

(25)

11

kazıkları etrafında, kıyı yapılarında, nehir yataklarında, savakların mansabında oyulmalar ve EKH’lerin mansabında meydana gelen yerel oyulmalar geniş çaplı olarak incelenmektedir.

lsc

Zmax,e+h2

Şekil 2.4. Veronese 1. deney serisi

Veronese (1937), iki farklı deney seti kullandığı deneylerde yatay ve düşey jetlerin oluşturduğu oyulmayı incelemiştir (Şekil 2.4). İki deney serisi için de boyutsuz parametreler içermeyen denklemler vermiştir. Yapmış olduğu birinci seri deneyler için oyulma derinliğinin, 4 mm’den küçük boyutlu yatak malzemeleri için malzeme boyutundan bağımsız olduğunu ifade etmiştir. İkinci seri deneyleri için ise bu dane çapını 5 mm olarak belirlemiştir. Sonuç olarak oyulmanın birim debiye (q), malzeme dane çapına (dm), memba su derinliğine (h) bağlı olduğunu gösteren maksimum oyulma derinliğini (Zmax,e) veren Eşitlik (2.1) aşağıda verilmiştir.

0.225 max,e 2 3.68 0.42 0.54

m

Z h h q

+ = d (2.1)

Eggenberger (1944), bir kapağın hem üzerinden hem altından geçen batık akım şartlarının oluştuğu kapak mansabındaki oyulmayı incelemiştir. Maksimum oyulma derinliğini (Zmax,e) veren Eşitlik (2.2) aşağıda verilmiştir.

0.5 0.6

max, 2 0.4

90

7.255

e h q

Z h

+ = d (2.2)

Shalash (1959), düşey kapak mansabına yerleştirdiği eşiksiz apronun mansabındaki oyulmayı incelemiştir. Düşey kapağın mansabında apron kullanımı konusunda ilk çalışmadır. Ayrıca apronun eşikli olması durumunu da incelemiştir. Hidrolik sıçramanın konumu hakkında bilgi açık değildir. Apron uzunluğu (l) parametre olarak kullanılırken makisimum oyulma derinliğini (Zmax,e) veren Eşitlik (2.3) aşağıda verilmiştir.

0.5 0.6 0.6

max, 2 0.4

90

9.65 1.5

e h q h

Z h

d l

 

+ =   (2.3)

(26)

12

Novak (1961), EKH mansabında meydana gelen oyulmayı incelemiştir. Bu çalışmaya kadar, genellikle düşü havuzunda meydana gelen oyulma incelenmişken bu çalışmayla ilk kez EKH mansabında meydana gelen oyulma detaylı bir şekilde incelenmiştir. Özellikle eşlenik derinlik (h1)’in 1.05-1.1 katından daha uzun inşa edilecek EKH’ların, mansabında meydana gelecek oyulmayı etkilemeyeceğini belirtmiştir. Deneyler sonucunda oyulma derinliğini (Zmax,e) veren Eşilik (2.4)’ü önermiştir. Eşitlikte bulunan k katsayısı hidrolik sıçramanın batıklığı ile ilgili bir katsayı olup, 0.45-0.65 değerleri arasında değişmektedir.

1/3 0.25 0.5

max,e 2 6

m

Z h k h q h d

   

 

+ =  

   

 

(2.4)

Catakli (1973) eşikli ve eşiksiz EKH mansabında meydana gelen oyulmayı incelemiştir. Bu çalışmada EKH eşiksiz olması durumunda k=1.62 eşikli olması durumunda k=1.42-1.53 olarak alınmasını önermişlerdir. Maksimum oyulma derinliğini veren Eşitlik (2.5)’i önermişlerdir. Yanal olarak kullandıkları eşiğin suyun enerjisini az da olsa kırarken akış hızını arttırmasından ötürü oyulmayı istenen ölçüde azaltmadığını belirtmişlerdir.

0.6 0.2

max, 2 0.12

90

( )

e q h h

Z h k

d

+ = + (2.5)

Farhoudi ve Smith (1985) hidrolik sıçramanın yerel oyulma üzerine etkisini araştırmışlardır.

Bu çalışmayı Şekil 2.5’de gösterilen boyutlara sahip deney düzeneğinde gerçekleştirmişlerdir. Oyulma topoğrafyası ve oyulma hacmi ilk defa denklemler yardımıyla ifade etmeye çalışmışlardır. Deneylerde üç farklı düşü yüksekliği (hd=10, 20, 40 cm) üç farklı apron uzunluğu (La=41.5, 83, 166 cm) ve 6 farklı (d50) medyan dane çapına sahip yatak malzemesi kullanmışlardır. Yatak malzemesinin porozitesi, rölatif dane yoğunluğu ve ortalama medyan çapı hesaplanmıştır. Dikkat edilirse deneyler çok küçük boyutlara sahip deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir.

(27)

13

Not: hd=2P htw

hd P

La

ls1

Lb

h1 Zmax,e

Şekil 2.5. Farhaudi ve Simith deney düzeneği

Hoffmans ve Pilarczyk (1995), hidrolik yapıların mansabında özellikle de bir apron mansabında meydana gelebilecek oyulmayı incelemişlerdir. Zamana bağlı olarak oyulmanın dört aşamada gerçekleştiğini göstermişlerdir. Birinci faz başlangıç, ikinci faz gelişim, üçüncü faz stabilizasyon dördüncü faz ise denge oyulmasıdır.

Dargahi (2003), dolusavak mansabında meydana gelen yerel oyulmayı incelemiştir.

Deneylerini Şekil 2.6’da boyutları verilen deney düzeneğinde gerçekleştirmiştir. Deneyleri için üniform (σsed ≤1.4) iki farklı yatak malzemesi (d50=0.36 mm ve d50=4.90 mm), iki farklı pürüzlülükte dolusavak, 4 farklı debi(Q=20, 40, 60, 80, 100 L/s) kullanmıştır. Dolusavak genişliğinin tüm kanal genişliğine oranı (B=b1/b2) ile değişen denklemler üretmiştir.

Çalışmanın asıl amacı nap yüksekliği (h0) ile oyulma arasındaki ilişkiyi ortaya koyabilmektir. Dargahi (2003) tarafından önerilen Eştlik (2.6) ve (2.7) B=0.167 için Eşitlik (2.8) ve (2.9) B=0.5 için aşağıda verilmiştir.

1/3

max, 0

0 50

e h

h d

Ζ  

=  

  (2.6)

1/12 0 1

0 50

ls 10 h

h d

 

=  

  (2.7)

1/4.5

max, 0

0 50

1.7

e h

h d

Ζ  

=  

  (2.8)

(28)

14

1/3 0 1

0 50

ls 5 h

h d

 

=  

  (2.9)

Olaya etki eden parametreler boyut analizi yapılarak Eşitlik (2.10)’da verilmiştir. Bu analizdeki parametreler; dolusavak pürüzlülüğü (ks), Froude sayısı (Fr), Reynolds sayısı (Re), Karekteristik sedimet boyutu (Dm), Apron uzunluğu (La),Gerilme hızı (u*), Kritik sediment parçacık hızı (u*c), Sediment geometrik standart sapması (σ) şeklindedir.

0 0 *

0 0 *

, , ,Re,s , a , ,

d m c

h k Fr h L u

h h D h u σ

 

 

  (2.10)

4.00 m La=0.615

Koruma Plakası Akım

Zmax,e

htw

0.205

Şekil 2.6. Dargahi (2003)deney düzeneği

Ben Meftah ve Mossa (2006) yatak malzemesi içerisine yerleştirdikleri eğimli rijit eşiklerin oyulma davranışlarını incelemişlerdir. Maksimum oyulmayı veren bağıntıyı zamana ve denge durumunda oyulma topoğrafyasını ve üç boyutlu hız vektörleri ile ilişkisini araştırmışlardır. 7.72 m uzunluğunda 0.30 m genişliğinde ve 0.40 m derinliğinde bir kanal içerisinde deneylerini gerçekleştirmişlerdir. İki eşik arasındaki uzaklık için dört farklı uzaklık (L=1, 2, 3, 4 m) her bir set için dört farklı debi (5-12 L/s) değeri kullanmışlardır.

Yaptıkları deneylere ait yatak malzemesi özellikleri; d50=1.8 mm, ρs=2.650 kg/m3 ve üniformluk katsayısı Cu=d60/d10=1.6 şeklindedir.

Oliveto ve Comuniello (2009) 20 m uzunluğunda 1 m genişliğinde bir açık kanal içerisine Şekil 2.7’de boyutları verilmiş olan ogee kretli dolusavak ve enerji kırıcı havuz modelini incelemişlerdir. Sauro bağlamasının (İtalya) 1:15 ölçeğindeki modelinin enerji kırıcı havuzu sonuna pozitif yönde bir eşik yerleştirilmiştir. Bu eşik mansabında meydana gelen yerel oyulmayı incelemişlerdir. Dolusavak yüksekliği (w) 20 cm’dir. İki farklı apron uzunluğu (La=0.73m ve La=1.43m) üç farklı yatak malzemesi kullanmışlardır. Kullanılan yatak malzemelerinin sırasıyla özellikleri; i) dane meydan çapı d50=1.7 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.5 ve dane yoğunluğu ρs=2.650 kg/m3, ii) d50=2.5 mm, sedimentin standart

(29)

15

sapması σsed=1.2 ve yoğunluğu ρs=2.650 kg/m3, iii) d50=1.3 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.1 ve yoğunluğu ρs=11.400 kg/m3 şeklindedir. Deneyler sonucunda bazı boyutsuz denklemler kullanılmıştır. Örneğin; boyutsuz dane büyüklüğü (D*=g'/υ2)1/3d50,) kinematik viskozite (υ), yenilenmiş yerçekimi ivmesi g'=g(ρs-ρ)/ρ, su yoğunluğu (ρ), yerçekimi ivmesi (g), densimetrik Froude sayısı (Fd=V/(g'd50)1/2), en kesitsel akım hızı (V), boyutsuz zaman ((T=g'd50)1/2t/s), eşik yüksekliği (s) ve yerel oyulma değeri için geçen süre (t) gibidir. Yerel oyulmanın maksimum olduğu değeri veren denklem Eşitlik (2.11)’deki gibi ifade edilmiştir. Oyulmanın eşikten olan uzaklığını veren denklem ise Eşitlik (2.12)’deki gibidir.

( )

3/4 6/5

max,e 3.4 htw d50 Fd 1 6/5T1/4

s s s

Ζ  

=      − (2.11)

( )

3/5 50 4/3

1 133.3 htw d d 1

ls F

s s s

   

=      − (2.12)

L

a

=0.93 m

h

tw

Z

max,e

ls

1

s w

Şekil 2.7. Sauro bağlaması şematik çizimi

Dey ve Sarkar (2006), bir apronun mansabında batık yatay bir su jetinden kaynaklı oyulmayı incelemişlerdir. Apronun ortalama %39, maksimum %57.3 ve minimum %16.2 oranında oyulmayı önlediğini bildirmişlerdir. Yatay jeti bir kapak yardımıyla sağladıkları deneylerde oyulma noktasının derinliğini, aprondan uzaklığını, maksimum birikme yüksekliğini kapak açıklığı miktarı ile birlikte incelenmişlerdir. 6’sı kum ve 2’si çakıl sınıfında olmak üzere kohezif ve kohezif olmayan toplam 8 farklı granüler malzeme kullanmışlardır. Deney düzenekleri; 0.6 m genişliğinde, 0.71 m derinliğinde ve 10 m uzunluğundadır. Yatak malzemesi ise 0.3 m derinliğinde ve 2 m uzunluğundadır. Üç farklı kapak açıklığı ve üç

(30)

16

farklı apron uzunluğu için deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Tüm ölçümlerini dijital limnimetre ile elde etmişlerdir.

Adduce ve Sciortino (2006) bir yatay jet ile oluşan oyulmayı nümerik ve deneysel olarak incelemişlerdir. Deneylerini Roma Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarında (RomaTre) gerçekleştirmişlerdir. 17 m uzunluğunda, 1 m yüksekliğinde, 0.8 m genişliğinde bir dikdörtgen kanal kullanmışlardır. Oyulma yatak malzemesi ise 0.3 m derinliğinde, 0.8 m genişliğinde ve 3 m uzunluğundadır. Oyulma haznesi konumu akış girişinin deney düzeneğine girdiği noktadan 7 m mesafesindedir. Eşik yapısının yüksekliği 0.15 m ve eşik mansabından itibaren apron uzunluğu 0.5 m olarak seçilmiştir. Akış miktarını ayarlamak için elektormanyetik debimetre ve derinlik ölçümleri için limnimetre kullanmışlardır.

Toplamda 9 adet deney gerçekleştirmişlerdir. Şekil 2.8’de gösterildiği gibi 20 cm aralıklarla belirtilen plan görüntüsü yardımıyla ölçümlerini almışlardır. Ölçümlerinde CCD (Charged Coupling Devices) sensöre sahip kamera kullanmışlardır. Ayrıca kurdukları matematik model için gerekli hız vektörlerini ölçmede akustik dopler hız ölçer (UDV) kullanmışlardır.

T

Akış

Apron Yatak Malzemesi 20 cm

20 cm 20 cm 20 cm Kamera

Şekil 2.8. Adduce ve Sciortino (2006) deney düzeneği

Adduce ve La Rocca (2006) Şekil 2.8’de gösterilen deney düzeneğini kullanmış ve bir matematik modeli sunmuşlardır. Fakat bu çalışma meydana gelen hidrolik sıçrama karektersitiklerine bağlı olarak incelenmiştir.

Pagliara, Palermo, ve Carnacina (2009), genişleyen EKH’ye sahip engel rampalarının (block ramps) mansabındaki hidrolik sıçrama ve oyulmayı incelemişlerdir. EKH genişliği (b2)’nin kanal genişliğine oranı (b1), Y=b2/b1 üç farklı boyutta (1, 1.8, 2.8) değişken seçmişlerdir.

(31)

17

Kanal genişliğinin etki oranın gözlemlenebilmesi için iki farklı boyutlarda kanal (kanal 1 ve kanal 2) kullanmışlardır. Kanal 1 (0.30 m genişliğinde, 6 m uzunluğunda ve 0.50 m derinliğinde) bütün deneylerin gerçekleştiği kanaldır. Bu kanalda üniform m1 (d50=5.75 mm, σ=1.17), üniform olmayan m2 (d50=5.32 mm, σ=1.77) ve m3 (d50=5.00 mm, σ=2.77) olmak üzere üç farklı yatak malzemesi ile üç farklı rampa eğimi ve 2.2-6 L/s arasında değişen debi değerlerinde deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Deneyler ile hidrolik sıçrama türleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca maksimum oyulma değeri ve uzunluğunu veren denklemler elde dilmiştir. Bu denklemler için eşdeğer densimetrik Forude sayısı kullanmışlardır (Eşitlik 2.13).

02 0

(150.5 43.8 3.8) 90 90.( / )2 1 S S

d d

F =F b b + (2.13)

Oliveto, Comuniello, ve Bulbule (2011) eşikli enerji kırıcı havuz mansabındaki oyulmayı zamansal olarak incelemiştir. Sauro bağlamasının 1:15 ölçeğinde Şekil 2.7’de belirtilen deney düzeneğinde çalışmalarını yürütmüşlerdir. Dört farklı granüler malzeme kullanmışlardır. Kullanılan yatak malzemelerinin özellikleri sırasıyla; i) dane meydan çapı d50=1.7 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.5 ve dane yoğunluğu ρs=2.650 kg/m3 ii) d50=2.5 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.2 ve yoğunluğu ρs=2.650 kg/m3, iii) d50=1.3 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.1 ve yoğunluğu ρs=11.400 kg/m3 ve iiii) d50=9 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.5 ve yoğunluğu ρs=2650 kg/m3 şeklindedir. Bu yatak malzemelerini Oliveto ve Comuniello (2009)’nin kullandığı yatak malzemesine d50=1.3 mm, sedimentin standart sapması σsed=1.1 ve yoğunluğu ρs=11.400 kg/m3 ekleyerek daha da geniş bir granüler malzeme denemişlerdir. Oyulma deneylerine başlamadan oyulma topoğrafyasının eşik yüksekliği ile eşit olduğundan emin olmak için granüler malzeme çapının yarısı kadar hata olacak şekilde düzeltme yapmışlardır. Ayrıca kuyruksuyu derinliğini eşikten 3 m ileriden ölçmüşlerdir. Ortalama her deney için 70 yatak seviyesi ölçümü almışlar ve 25 L/s ile 120 L/s arasında değişen debi değerleri ile deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Boyutusuz zaman (T =( ' ) ( / )g d50 1/2 t htw ) parametresi ile denge oyulma hacmi ve maksimum oyulma noktasının boyutsuz koordinatları arasındaki ilişkileri incelemişlerdir.

Oliveto (2013) üzerinde hidrolik sıçramanın gerçekleştiği bir aprona sahip dolusavak mansabında meydana gelen yerel oyulmayı zamansal ve konumsal açıdan incelemiştir. 1 m genişliğinde 20 m uzunluğunda bir açık kanal içersine 20 cm yüksekliğinde ogee kretli dolusavak yerleştirmiştir. Apron uzunluğu (l) 1.65 m’dir. Deneyler için üç farklı yatak

Referanslar

Benzer Belgeler

tine girmiş, tercüme, polis, ada­ let ve dışişlerinde, kaymakamlık ve mutasarrıflıklarda bulunduktan sonra 1868 de vezir rütbesine yük­ selerek Yanya, Tuna,

Buna karşın enneagram kullanılarak grup çalışmasının uygulandığı deney grubundaki öğrencilerin deneysel işlem sonrası matematik başarı testinden aldıkları

Bu çalışmada, L/D=10 olan farklı koniklik açılarında (0º (=silindirik), 2º, 4º, 6º) imal edilen karşıt akışlı vorteks tüpler kullanılarak, koniklik açısının

Bunların yanında besleme suyu olarak tabir ettiğimiz damıtma havuzundaki tuzlu suyun ısısının yüksek seviyelere çıkartılması ayrıca şu özelliklerde çok önemlidir:

Her bir dolgu yüksekliğinin termal performans katsayılarının çıkartılması için toplamda 20 farklı su ve hava debisi noktasında minimum 1 saatlik ölçüm

Üzerine sıva uygulanan dolgu duvarın yük taşıma kapasitesinde ve enerji tüketme kapasitesinde, sıvasız dolgu duvar numunesine göre sırasıyla %144 ve %119 oranında

Mecnun gibi Leylâmı ararken seni bulsam Kalbim yanarak hep seni bülbüllere sorsam Sevdalı siyah gözlerinin uğruna yansam Kalbim yanarak hep seni bülbüllere

Çalışmanın amacına uygun olarak sadece yazılı kültür, sözlü kültür, elektronik kültür, sözlü tarih ve bellek teorileri arasındaki fark belirtilmiş, konu