Yan savak akımlarının etkisindeki kohezyonlu taban malzemesinin oyulma probleminin deneysel incelenmesi
Experimental study of scour of cohesive bed material subject to side weir flow
Yazar: FEVZİYE AYÇA SARAÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. HAYRULLAH AĞAÇCIOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yan savaklar, sulama, hidroelektrik ve diğer hidrolik yapıların su temini amaçlı tesislerinin iletim kanalları gibi kanallarda fazla debinin azaltılması veya herhangi bir kanaldan ihtiyaç olan debinin alınması için kullanılan ana kanalın yan kısmına yerleştirilen yapılardır. Hidrolik yapılar etrafındaki taban oyulmalarının araştırıldığı birçok çalışmada koheziv olmayan taban malzemesi ile çalışılmıştır. Ancak hidrolik yapılar doğada tamamen koheziv veya kum-kil karışımı zeminlerde de yer alabilmektedir. Kohezyonlu taban malzemesinde oluşan oyulmanın, kohezyonsuz taban malzemesinde meydana gelen oyulmadan farklı olduğu bilinmektedir. Koheziv malzemenin  oyulma direncinin yüksek olması ve oyulma mekanizmasının oldukça karmaşık olmasından dolayı, koheziv malzemede oyulma süreci çok çalışılamamıştır.
Bu çalışmada kumlu-killi tabanlı bir dikdörtgen enkesitli kanal boyunca, nehir rejimi akım şartlarında (Fr=0.33-0.81), L=25, 40 ve 50 cm uzunluklu, taban malzemesinden itibaren p=7, 12 ve 17 cm kret yükseklikli dikdörtgen yan savak etrafında ana kanal tabanında meydana gelen oyulma ve rölatif denge oyulma derinlikleri incelenmiştir. Boyut analizi sonucunda rölatif denge oyulma derinliği (Hde/h1)'nin;  Fr, p/h1, L/b, C, Wc, ve s/(.g.h1) boyutsuzlarına bağımlı olduğu belirlenmiştir.
Deney sisteminin elverdiği maksimum hızlarda bile tamamen kil tabanda ve % 5, 7 ve 10 gibi düşük kum muhtevalarında oyulma oluşmamıştır. Taban malzemesinin konsolidasyon süresi arttıkça boyutsuz kayma mukavemeti artmakta dolayısıyla oyulma azalmaktadır. Bütün savak boyutlarında kil-kum karışımı malzeme tabanlı kanalda, kohezyonsuz malzemeye benzer olarak oyulma derinliğinin zamanla arttığı ve belli bir zamandan sonra asimptot olarak devam ettiği tesbit edilmiştir.  Ancak kohezyonlu tabanda yapılan deneylerin Fr sayısı kum tabana göre oldukça büyük olmasına rağmen, kohezyonsuz tabandaki deneylere göre oyulma derinliklerinin daha küçük olduğu belirlenmiştir. Bütün savak boyutlarında yaklaşan akımın Froude sayısı arttıkça, boyutsuz denge oyulma derinliği artmaktadır. Savak kret yüksekliği arttıkça boyutsuz denge oyulma derinliği azalmaktadır. 
Fr sayısına ve savak boyutlarına bağlı olarak kohezyonlu malzemede denge zamanının %10'unda denge oyulma derinliğinin %10-70'ine ve denge zamanının %50'sinde denge oyulma derinliğinin %50-95'ine ulaşıldığı belirlenmiştir.
Etkili olan parametrelere bağlı olarak boyutsuz oyulma derinliği için regresyon analizi ile denklem elde edilmiştir. Bu denklemde yapılan deney parametreleri aralığı için savak uzunluğunun (L/b) oyulmaya  etkisinin oldukça az olduğu, yan savak kret yüksekliğinin oyulmaya daha etkili bir parametre olduğu belirlenmiştir. Bir diğer etkili parametrede başlangıç su muhtevasıdır. Bu parametrenin %3 gibi küçük değişiminde bile  oyulma derinlikleri önemli ölçüde değişmiştir.

Abstract:
Side weirs are hydraulic structures widely used in irrigation and drainage systems, urban sewage systems, water treatment plants and also intake structures for flow diversion or intake purposes. Local scour around hydraulic structures in non-cohesive sediment beds has been extensively studied before. But hydraulic structures can be existed in either purely cohesive sediment or sand-clay mixed bed. The scour process in cohesive sediment is different from that in non-cohesive. The scour process in cohesive sediment is not well understood, because of resistance of the material and also the complicated behavior of  cohesive material.
In this study, scour process and dimensionless equilibrium scour depths around rectangular side weir  located on the rectangular channel is investigated. Three different dimensions of side weir with a length of  L=25, 40 and 50 cm and height of p=7, 12 and 17 cm  are considered. All experiments are conducted in clay-sand mixed bed for subcritical flow conditions (Fr=0.33-0.81). Dimensional analysis showed that the dimensionless equilibrium scour depth (Hde/h1) depends on the dimensionless parameters of Fr, p/h1, L/b, C, Wc and s/(.g.h1).
For purely kaolin and in low sand ratio (5, 7 and 10%) bed material, scour did not occur. The dimensionless bed shear strength of cohesive sediment increases with consolidation time. Therefore, the scour depths decrease with consolidation time. In sand-clay mixed beds the scour depth increased rapidly with time and then asymptotically approached constant values in all experiments for all side weir dimensions as in non-cohesive sediment. Even though Froude Numbers in cohesive sediment are larger than that in non-cohesive, the scour depths are smaller with respect to non-cohesive sediment. For all side weir dimensions, dimensionless scour depths increase with increasing upstream Froude number. As the side-weir crest height increases, equilibrium scour depths decrease.
The data indicates that 10-70% of the equilibrium scour depth is attained during a time period 10% of equilibrium time.  50-95% of the equilibrium depth of scour is attained during a time period 50% of equilibrium time, depending on the flow intensity and side weir dimensions.
An equation is obtained for dimensionless equilibrium scour depths depending on dimensionless parameters. Regression analysis showed that the effect of the side weir lenght is quite small for these experiment parameters range. Side weir crest height is more effective parameter than the side weir length.  Another important parameter is initial water content of bed material. Even small changes of this parameter ( ) cause significiant effect in scour depths.