Düzenli ve düzensiz dalgaların etkisiyle şev üzerindeki iri danelerin harekete başlaması /
Yazar: N. ERDEM ÜNAL
Danışman: PROF. DR. MEHMETÇİK BAYAZIT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1996
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Su mühendisliği = Water engineering ; Şevler = Slopes

Özet:
Dalgalar açık denizde kazandıkları enerjiyi kıyı bölgesine taşırlar. Kıyı bölgesine ulaşan dalga enerjisi dalga kırılmasıyla türbülans ve ısıya dönüşür. Kırılma olayı dalgaların kıyı bölgesinde taban etkisini hissetmesiyle başlar. Kınlan dalgaların oluşturduğu türbülanslı ortamla birlikte kıyı boyunca ve kıyıya dik yönde oluşan kütle taşınımı sırasında önemli miktarda katı madde hareketi meydana gelir. Kıyı bölgesinde oluşan katı madde hareketi, dengeli kıyı yapılarının tasarımında önemli bir faktördür. Kıyı boyunca ve kıyıya dik yönde katı madde hareketi ile ilgili çalışmalar tabiatta genel olarak karşılaşılan malzemenin kum olması nedeniyle ince daneli malzemeler için yapılmıştır. Açık denizden taşınan dalga enerjisiyle bağlantılı olarak kumlu ince malzemeden oluşan kıyılarda, katı madde hareketinin miktan, taban şekilleri ve kıyı profilleri üzerine bir çok araştırmacı çalışma yapmıştır. Çakıl malzemeden oluşan kıyı bölgelerine az rastlanması nedeniyle bu tip kıyılar için çalışmalar sınırlı olmuştur. İri malzemeli kıyılar için yapılan deneysel çalışmalar arasında Van Hijum ve Pilarzcyk (1982) tarafından yapılan çalışma önemlidir. Araştırmacılar çakıl malzemeli kıyılarda düzenli ve düzensiz dalga etkisi altında oluşan denge profili ve katı madde taşınım miktarını, tanımlanan parametrelere göre belirlemişlerdir. Bu tez çalışmasında düzenli ve düzensiz dalga etkisi altında eğimli bir şev üzerinde bulunan çakıl danelerinin harekete başladığı derinlik incelenmiştir. Deneysel çalışmada, iri daneli malzemenin hareketinde plunging tipi kırılan dalgaların önemli bir etkisi olması nedeniyle şev eğimleri bu kırılma tipi oluşacak şekilde düzenlenmiştir. Düzenli dalga deneylerinde üç ve düzensiz dalga deneylerinde dört farklı çapta doğal çakıl malzeme ile çalışılmıştır. iki boyutlu olarak yapılan çalışmada olaya etkiyen parametrelere göre tanımlanan boyutsuz büyüklükler arasındaki ilişkiler deney sonuçlanna göre belirlenmiştir. Düzensiz dalgalarla yapılan çalışmalar için düzensiz dalga üreten bir sistem ve bu sistemi konrol eden bilgisayar programlan geliştirilmiştir. Çalışmada elde edilen sonuçlar, düzenli ya da düzensiz dalga etkisi altında, verilen eğimde bir şev üzerinde iri danelerin harekete başlayacağı derinliğin dane çapına, dalganın yüksekliği ve periyoduna ve şev eğimine bağlı olarak hesaplanmasına imkan vermektedir.

Abstract:
Waves carry the energy they have gained in the offshore zone to the coastal (surf) zone. Wave energy reaching the coastal zone is transformed to turbulence and heat with the breaking of the wave. Breaking event begins as the waves face the bottom effect. During the mass transport along and vertical to the coast, an important quantity of solid matter is moved due to the turbulence formed by the broken waves. Sediment motion in the coastal zone is an important factor in the design of stable coastal structures. Since sand is the usual material in the nature, studies related to the sediment motion along and vertical to the coast are generally realized for this type of material. In connection with the wave energy carried from the offshore, many researchers have performed studies about the bed forms and coastal profiles in the shores having sandy fine material. Since the coastal zones of gravel material are rare, studies for this type of coasts have been limited. Among the experimental studies, realized for shores with coarse material, the study of Van Hijum and Pilarzcyk ( 1982 ) is important. The researchers have determined the equilibrium profile, formed in the shores of gravel material under the effect of regular and irregular waves, and the transported sediment quantity according to the defined parameters. In this study the threshold depth of the motion of the gravel particles found on a beach profile has been examined under the regular and irregular wave effects. In the experimental study, since the waves of the plunging type have an important effect on the motion of coarse material, beach slope angle is set up such that this breaking type is formed. Natural gravel used in the experiments with regular and irregular waves is of three and four different diameters, respectively. In the study, realized in two dimensions, the relations between dimensionless variables, based on the effective parameters in the event, are determined according to the experiment results. Experimental studies are performed in two steps. The threshold motion depths of the coarse material on the slope are measured under the effects of regular wave series in the first step and the irregular wave series, obtained xvfrom Pierson - Moskowitz spectrum, in the second step. Both two experimental studies are performed in the two different wave flumes in the I.T.U Civil Engineering Faculty, Hydraulics Laboratory. REGULAR WAVE EXPERIMENTS Beach profile is formed by laying coarse material on a certain slope at one end of the regular wave flume. The waves are obtained in the desired height and period with the wave paddle and motor producing monochromatic waves. The wave height in the experiments is increased regularly until the particle motion is observed, wave characteristics and depth of motion are recorded. The change of the motion depth is measured by continuing to increase the wave height for a certain duration. In the following stages it is tried to determine the effect of the parameters, on the particle motion depth by changing also the wave period, particle diameter, flume water depth and beach slope angle. At every stage the initial beach profile is maintained in the fixed position. At the end of the measurements the following results are obtained; 1. It is observed that the flume water depth ( h ) has no significant effect on particle motion depth ( hd ). 2. The increase in wave characteristics ( wave height and period ) causes the motion depth to increase. 3. The increase in the particle diameter of the natural gravel material used in the experiments decreases the motion depth. 4. The increase in the beach slope angle ( a ) causes the particle to move in higher depths. Considering the parameters effective in the event the following dimensionless variables are obtained. f ( H, T, hd, D, tana, g) = 0 H ; Wave height, [L] T ; Wave period, [ T ] D ; Particle diameter, [ L ] hd ; The motion depth of the coarse material, [ L ] tana ; The slope of the initial profile, [ - ] g ; Acceleration of gravity, [ L.T"2 ] XVIDimensionless variables : # D * I-T7T- T.tmja) D " A D.Ld Ld hd D2 D2 D D.sin(a) sin(a) Dimensionless wave height Dimensionless surf similarity parameter Dimensionless motion depth Dimensionless threshold damage level Figure 1. Definition of Variables. The functional relationship between these nondimentional variables Sb = D.ûn{a)=f{~D^) Experimental results can be plotted on the ln(- )-ln(£) plane as straight lines of slope -0.5 for constant values of the damage level Sb. xviiTan(a)=0.2, 0.15; D=0.85, 1.05, 1.36 cm T = 0.8, 0.9,1.0, 1.1 [8] Ln(Ç) ti Figure 2. The threshold damage levels as functions of - and \. As a conclusion, from the regular wave experiments, the following relation is determined between dimensionless variables. fl -.41 =0.263. Sb+ 1.7261 XVIIIFor the plunging type breaking wave on the beach profile, the expression for threshold motion depth of the gravel material is found as, a-^^-H IRREGULAR WAVE EXPERIMENTS For the experiments in the irregular wave flume, a random wave generator is developed for the generation of irregular waves having a certain Pearson- Moskowitz spectrum. Experiments are performed in a similar manner to those with regular waves In evaluating the experimental data, wave characteristics Hs - Ts and H1/10 - Ts parameters are used. Using Hs and Ts, following expression is obtained for the motion depth. The expression for the threshold motion depth using H1/10 and Ts as wave characteristics is found as below ; D.sin(g)JX10 r- 1 *'- 0.2422 I D V^.o-1.7705| The latter expression is found to agree better with the data.