Dolusavak plaka boşlukları boyunca akım ve türbülans karakteristiği
Flow and turbulent characteristic over spillways slab gaps
Yazar: MUHAMMED FATİH ÖZÜN
Danışman: PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışma, akım özelliklerini, özellikle de boşluklu düz tabana yakın türbülans özelliklerini kapsamaktadır. Dolu savaklar ve düşüm havuzları gibi su yapıları, doğaları gereği yüksek akım koşulları altında çalışırlar. Bu yapılar, taşkına bağlı olarak yüksek deşarjları mansaba güvenli bir şekilde göndermek için tasarlanmıştır. Geçmişte bu tür yapılarda bazı yapısal arızalar gözlemlenmiştir. Dickinson Barajı'nda 1954'te, Big Sandy Barajı'nda 1983'te, Keban Barajı'nda 1974'te, Malpaso Barajı'nda 1973'te (Meksika), Bhakra Barajı'nda 1967'de (Hindistan), Bratsk, Boutcharninsk, Pavlovsk, Krasnoiarsk and Sayano - Sushenskoe Barajlarında 1975'te (Sovyet Birliği), Tarbela Barajı'nda 1979'da (Pakistan) ve son olarak Oroville Barajı'nda 2017'de meydana gelen dolu savak şutu arızaları, şut beton plakalarının hidrolik kaldırmasından kaynaklanmıştır. Örneğin, Malpaso Barajı'ndaki düşü havuzunu (100x50x26 m) korumak için koyulan beton tabakaların (12x12x2 m) 3000 m3/s'lik deşarj sonunda tamamının gittiği (10.000 m3'lük beton) ve tabanın oturduğu ana kayanın da 6 m oyulduğu görülmüştür. Hidrolik jacking, yukarı kaldırma kuvvetleri tabakanın ağırlığını, ankrajların kapasitesini ve plakanın üstündeki su basıncını aştığında meydana gelir. Bu dolu savakların inşası sırasında, düşüm havuzlarının beton tabanı belirli boyutlardaki plaklarla değiştirilmiş ve plakların yukarı kaldırma kuvvetlerine karşı stabilitesi kendi ağırlıkları ve gerektiğinde ankrajlarla sağlanmıştır.  Gözlemler, bu tür yapıların arızalarının plakaların birleşme kısımlarından (plakalar arasındaki boşluk) başladığını göstermektedir. Göçük mekanizmasının daha iyi anlaşılması ve fiziksel temelli bir modelin geliştirilmesi, dolu savakların, sediment baypas tünellerinin ve tabaka göçüğüne eğilimli diğer hidrolik yapıların güvenli tasarımı ve sürdürülebilir kullanımı için kilit öneme sahiptir. Düşüm havuzları ve dalma havuzlarında kaya bloklarının veya beton plakaların yukarı kalkması üzerine yapılan çok sayıda çalışmaya rağmen, dolu savak şutlarında yükselme üzerine çok az çalışma yapılmıştır. Türbülanslı akım ile plakalar ve bağlantılar etrafındaki dinamik basınç dalgalanmalarının yüksek sel rejimi akımlarda plakanın yukarı kalkmasına neden olacak şekilde nasıl etkileşime girdiği konusunda hala bilgi eksikliği bulunmaktadır. Sunulan çalışma, sistematik bir laboratuvar araştırması yürüterek bu araştırma boşluklarını doldurmayı amaçlamaktadır.  

Bu nedenle, laboratuvarda tabana yakın devir daim kanalında ayrıntılı hız ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Sunulan makalenin ana araştırması, ana akım (kanaldaki akım) ve levhalar arasındaki boşluktaki akımın etkileşimidir. Deneyler, 12x0.5x0.5 m boyutlarındaki laboratuvar kanalında, 10 mm pleksiglas tabanın gerçek tabanla değiştirildiği ve farklı boşlukların bırakıldığı, aynı seviyede tutulan memba ve mansap levhaları arasındaki boşluğun simüle edildiği bir ortamda gerçekleştirilmiştir. Savak kapağı, akımı kritik üstü akım koşullarının yanı sıra kritik altı akım rejimleri boyunca zorlamak için yukarı yönde değiştirilmiştir. Deşarj ölçümleri dik açılı v-çentikli savak kullanılarak yapılmış, su derinliği nokta ölçerlerle belirlenmiştir. Hız ölçümleri 2D parçacık görüntülü hız ölçümü (Particle Image Velocimetry – PIV) kullanılarak oluşturulmuş, türbülans yoğunlukları ve türbülans kayma gerilmesi değerleri bu hız ölçümleri kullanılarak belirlenmiştir. Kritik altı ve kritik üstü akım koşulları için çeşitli Froude sayısı ölçümleri incelenmiştir.  
Deneysel sonuçlar, plakalar arasındaki boşluk üzerindeki akımın kararlı olmadığını ve plakalar arasındaki boşluk genişlediğinde, boşluktaki akım-ana akım etkileşiminin önemli hale geldiğini göstermiştir. Boşlukta vorteks oluşmuş ve plakalar arasında emilmiş ve mansap plakalarının memba kenarı üzerinde belirsiz akış koşulları oluşmuştur.

Abstract:
This study covers flow characteristics, mainly turbulence properties near the smooth bottom with a gap. The water structures such as spillways, stilling basins work under the high flow conditions by their nature. These structures design for submit high discharges based on flood, through the downstream safely. There were some structural failures observed these type of structures in the past. The failures of spillway chutes at Dickinson Dam in 1954, Big Sandy Dam in 1983, Keban Dam's spillway 1974, Malpaso Dam in 1973 (Mexico), Bhakra Dam in 1967 (India), Bratsk, Boutcharninsk, Pavlovsk, The spillway chute failures at Krasnoiarsk and Sayano - Sushenskoe Dams in 1975 (Soviet Union), Tarbela Dam in 1979 (Pakistan) and recently at Oroville Dam in 2017 had caused by hydraulic jacking of the chute concrete slabs. The historical context of hydraulic infrastructure failures underscores the critical need for advancements in structural design and risk mitigation strategies. Instances such as the catastrophic failures at Dickinson Dam, Big Sandy Dam, and Oroville Dam serve as poignant reminders of the devastating consequences of hydraulic infrastructure failure. These incidents not only result in immense economic losses but also pose significant threats to public safety and environmental integrity. For example, it was observed that the concrete layers (12x12x2 m) put in place to protect the drop pool (100x50x26 m) at the Malpaso Dam were completely gone (10,000 m3 of concrete) at the end of the 3000 m3/s discharge, and the bedrock on which the base sits was gouged by 6 m.
Hydraulic jacking occurs when the uplift forces exceed the weight of the slab, the capacity of the anchors, and the water pressure on the top of the slab. During the construction of this spillways, stilling basins concrete bottom was replaced with certain size of the slabs and slabs stability against uplift forces provided by their own weigh and anchors if necessary. Observations show that failures of this type of structures start with the junction parts (the gap between the slabs) of the slabs. A better understanding of the failure mechanism and the development of a physically based model is key for the safe design and sustainable use of spillways, sediment bypass tunnels and other hydraulic structures prone to slab failure. Understanding the underlying mechanisms of structural vulnerabilities, particularly in the context of hydraulic jacking and slab uplift, is paramount for enhancing the resilience and longevity of water control structures. By elucidating the intricacies of flow dynamics and turbulence effects near slab junctions, this research endeavors to fortify the foundations of hydraulic engineering practices and instill greater confidence in the reliability of water infrastructure systems worldwide. 
Despite the large number of studies on the uplift of rock blocks or concrete slabs in stilling basins and plunge pools, there have been very few studies of uplift in spillway chutes. There is still a lack of knowledge of how turbulent flow and dynamic pressure fluctuations around slabs and joints interact to cause slab uplift in highly supercritical flows. The presented study aims to fill these research gaps by conducting a systematic laboratory investigation. 
Therefore, laboratory detailed velocity measurements achieved in the laboratory recirculating flume near the bottom. The main investigation of the presented paper interaction of main flow (flow in the flume) and fluid in the gap between slabs. Experiments were achieved in the 12x0.5x0.5 m laboratory flume, 10 mm plexiglass bottom replaced on the actual bottom with different gaps which simulated gap between slabs upstream and downstream slabs kept as same level. The sluice gate was replaced upstream for forcing the flow through the supercritical flow conditions as well as subcritical flow regimes. Discharge measurements were made by using right angle v-notch weir, water depth determined by point gauges. Velocity measurements were generated by using 2D particle image velocimeter (PIV), turbulent intensities and turbulence shear stress values determined by using these velocity measurements. Various Froude number measurements for sub and supercritical flow conditions were studied. 
Furthermore, the integration of advanced measurement techniques, such as Particle Image Velocimetry (PIV), underscores a paradigm shift towards precision engineering and data-driven decision-making in hydraulic research. PIV offers insights into flow behaviors and turbulence characteristics within complex hydraulic systems, transcending traditional limitations associated with conventional measurement methods. With a high-speed camera, PIV determines velocities by tracking the movement of particles in the water over successive frames. Leveraging the capabilities of PIV, this study ventures into uncharted territories of flow dynamics near slab gaps, unraveling the interplay between main flow and flow of gap between slabs. Through meticulous experimentation and rigorous analysis, this research aims to chart a course towards sustainable hydraulic infrastructure development, where empirical evidence and theoretical frameworks converge to foster innovation and resilience in the face of evolving hydraulic challenges.
The study's findings provide crucial insights into the mechanics of hydraulic jacking and slab uplift, emphasizing the importance of precise design and maintenance of hydraulic structures. The experimental observations reveal that the instability of flow over gaps between slabs is significantly influenced by the width of these gaps. As the gap widens, the interaction between the main flow and the fluid in the gap becomes increasingly critical, leading to the formation of vortices. These vortices can exacerbate the uplift forces acting on the slabs, compromising their stability and increasing the risk of structural failure. The turbulence intensities and shear stress values measured using Particle Image Velocimetry (PIV) highlight the complex flow dynamics at play, underscoring the need for a nuanced understanding of these interactions to enhance the safety and durability of hydraulic structures.
Moreover, at low Froude numbers, the turbulence components in the vertical direction are smaller compared to a flat bottom, while the horizontal turbulence components (u) remain dominant. Conversely, at higher Froude numbers, which correspond to flood regimes, the turbulence components become more pronounced, with increased vertical turbulence leading to higher shear stress. These findings underscore the necessity of considering both the gap-induced vortex dynamics and the flow regime when designing and assessing the stability of hydraulic structures.
Finally, the implications of these findings extend beyond the immediate context of spillway chutes and stilling basins. The insights gained from this study can inform the design and assessment of various hydraulic infrastructures, such as sediment bypass tunnels and water conveyance systems, where similar flow conditions and structural vulnerabilities may exist. By bridging the gap between empirical data and theoretical models, this research contributes to the development of more robust design guidelines and risk mitigation strategies. As the global climate continues to evolve, bringing more frequent and intense hydrological events, the importance of resilient and reliable hydraulic infrastructure cannot be overstated. This study not only advances the scientific understanding of flow dynamics and turbulence effects but also provides a solid foundation for future research and practical applications in the field of hydraulic engineering.