AKARSULARDA AKIM VE SEDİMENT TAŞIMI – Mehmetçik Bayazıt – İlhan Avcı
ÖNSÖZ
Akarsular havzalarından gelen ya da yataklarından söktükleri sediment tanelerini taşırlar. Su ile katı tanelerin birlikte hareket ettikleri iki fazlı akımın hidroliği ve taşınan sediment miktarının belirlenmesi mühendislik açısından büyük önem taşıdığı kadar, incelenmesi çok güç olan problemlerdir. Akarsuların düzenlenmesi, çeşitli maksatlarla kullanılması ve akarsulardan su alma ile ilgili mühendislik problemlerine başarılı çözümler bulabilmek için akarsularda akım ve sediment taşınımı konusunda yeterli bilgilere sahip olmak gerekir.
1971 yılında yayınlanan “Hareketli Tabanlı Akımların Hidroliği” kitabının hazırlanmasından bu yana geçen uzun süre içinde bu konuda önemli gelişmeler olmuş, buna karşılık Türkiye’de yeni bir yayın ortaya çıkmamıştır. Bu nedenle konunun günümüzde geldiği durumu yansıtan bir kitap hazırlamak gereği duyulmuştur. Bu kitapta konu ile ilgili temel fizik ilkeleri anlatılmakta ve mühendislik problemlerinin çözümü için gerekli olan ampirik yöntemlerin başlıcaları verilmektedir. Kitabın Akarsu Hidroliği ile ilgili dersleri alan Yüksek Lisans öğrencileri ve bu konu ile ilgili uygulamalarda çalışan İnşaat Mühendisleri için yararlı olacağını umuyoruz. Konu çok geniş olduğu ve kullanılan yöntemler büyük ölçüde ampirik niteliği taşıdığı için, bugüne kadar yapılmış olan bütün çalışmaların sonuçlarını vermek şüphesiz ki mümkün değildir. Bu durumda konu ile ilgili temel kavramların aydınlatılmasına ve karşılaşılan bir problemin çözülmesinde kullanılabilecek yöntemlerle ilgili özet bilgilerin aktarılmasına çalışılmıştır. Böylelikle mühendisin akarsularla ilgili projelerde ortaya çıkabilecek sorunları kestirip bunları istenen yönde etkilemekte kullanabileceği çözümleri düşünerek karar verebilmesi için gerekli bilgileri elde etmesi mümkün olabilecektir.
Kitabın 1. Bölümünde incelenecek konu ve mühendislik açısından önemi açıklanmıştır. Akarsuların taşıdığı sediment taneleri orijinlerine göre yıkanma malzemesi ve yatak malzemesi olarak ayrılmış, baraj planlamasında ölü hacmin hesabı için gerekli olan yıkanma malzemesi yükünün belirlenmesi üzerinde durulmuştur. Taşınma şekillerine göre de katı taneler sürüntü malzemesi ve askı malzemesi olarak sınıflandırılmıştır. Bu bölümde ayrıca rijit tabanlı serbest yüzeyli akımlarda hız dağılımı, direnç ve türbülans ile ilgili temel bilgiler özet olarak verilmiştir, bunlara kitabın bundan sonraki bölümlerinde başvurulacaktır.
2. Bölümde sediment tanelerinin tane büyüklüğü, biçim, yoğunluk, porozite ve çökelme hızı gibi özellikleri ile bir sediment karışımının granülometrisi, yoğunluğu ve iç sürtünme açısı gibi özellikleri anlatılmıştır.
Akarsu Hidroliğinde boyutsuz değişkenlerin kullanılması büyük önem taşır. Kitabın 3. Bölümünde hareketli bir yatak üzerindeki akımı ve sediment
taşınımını etkileyen başlıca parametreler ve bunlardan boyut analizi ile elde edilen boyutsuz değişkenler üzerinde durulmuştur.
Akarsudaki akımın yataktaki taneleri harekete geçirdiği kritik durumun belirlenmesi 4. Bölümün konusudur. Hareketin başlaması olayının fiziği İncelenmekte, kritik duruma karşı gelen yatak kayma gerilmesi ya da akım hızını veren çeşitli yöntemler anlatılmaktadır. Yüksek eğimli yataklarda ve üniform olmayan yatak malzemesinde hareketin başlaması da ayrıca incelenmiştir.
Akarsularda katı tanelerin taşınması çoğu zaman sürüntü hareketi ve askı hareketi olarak iki sınıfa ayırarak incelenir. 5. Bölümde sürüntü, 6. Bölümde askı hareketi ele alınmıştır. 5. Bölümde sürüntü debisini belirlemek için kullanılan başlıca ampirik, yarı teorik ve olasılık ile mekanik ilkelerine dayanan yöntemler anlatılmış, üniform olmayan malzemenin sürüntü hareketi incelenmiştir. 6. Bölümde düşey boyunca askı maddesi konsantrasyonu dağılımını veren denklem difüzyon ve enerji modelleriyle elde edilmiş, yataktaki referans konsantrasyonunun ve askı maddesi debisinin belirlenmesi anlatılmış, askı hareketi yapan tanelerin sınır çapı ve üniform olmayan malzemenin askı hareketi üzerinde durulmuştur.
Kitabın 7. Bölümünde toplam sediment yükünü sürüntü ve askı maddesi sınıflarını toplayarak, ya da bu ayrımı yapmadan doğrudan doğruya hesaplayan yöntemler verilmiştir. Bölümün sonunda çeşitli yöntemlerin verdiği sonuçlar laboratuvar kanallarında ve akarsularda yapılan sediment yükü ölçümleriyle karşılaştırılarak bir değerlendirme yapılmıştır.
Sediment hareketi sırasında akarsu yatağı düzlem olmaktan çıkarak çeşitli biçimler almaktadır. Hareketli yatağın biçimlerinin özellikleri, geometrisi, oluşum nedenleri, görüldükleri akım koşulları ve akıma olan etkileri 8. Bölümün konusudur.
Akarsu Hidroliğinin önemli problemlerinden biri akarsuyun anahtar eğrisinin, yani derinlik-debi ilişkisinin belirlenmesidir. Yatak biçimleri akıma karşı direnci önemli ölçüde etkilediğinden bu ilişkinin elde edilmesinde güçlüklerle karşılaşılır. 9. Bölümün konusu yatak biçimlerinin direncinin çeşitli yöntemlerle hesabıdır. Yüksek eğimli akarsularda direnç de ayrıca incelenmiştir.
Hareketli yataklı bir açık kanalın zaman içinde değişmeyen kararlı bir kesiti olması pratikte önem taşır. 10. Bölümde kararlı kesit, akarsularda doğal denge ve bu konu ile ilgili olan rejim teorisi anlatılmaktadır.
Bir akarsudan herhangi bir maksat için su alırken problemin katı madde girişi açısından da ele alınarak sürüntü malzemesinin girmesinin önlenmesi, askı maddesi girişinin de kontrol edilmesi gerekir. Su alma ağzından giren askı maddesinin çökeltme havuzlarında akımdan ayrılması sağlanır. Su almada karşılaşılan sediment problemleri ve çökeltme havuzları 11. Bölümün konusunu oluşturur.
Kitabın son bölümü olan 12. Bölüm sediment iaşmımı için geliştirilen matematik modellere ayrılmıştır. Akarsularda sediment taşınımı ile ilgili problemleri incelerken karşılaşılan güçlükler çoğu zaman fiziksel ya da matematik bir model kullanmayı gerektirir. Günümüzde bilgisayar kullanımının gelişmesiyle laboratuvar modellerinin yerini büyük ölçüde matematik modeller almıştır. Bu bölümde matematik modellerde kullanılan temel denklemler 1 boyutlu modeller için verilmiş ve bu denklemlerin sayısal çözümü anlatılmıştır.
Kitabm her bölümünün sonunda konu ile ilgili, pratikte yararlı olabilecek çözülmüş örnekler verilmiştir. Günümüze kadar uzanan geniş bir Kaynaklar listesinin daha ayrıntılı bilgiler edinmeye gerek duyanlar için yararlı olacağını düşünüyoruz.
Kitabı bilgisayarda büyük bir özenle hazırlayan Sevgi Öğün’e teşekkür ederiz. Sınırlı sayıda satılabilecek bir kitabı yayınlamayı kabul etmekteki özverisi için Birsen Yayınevi sahibi Bahadır Algın’a şükran borçluyuz. Halim Özkaya'ya ve Birsen Yayınevi çalışanlarına teşekkür ederiz.
M.BAYAZIT,
İ.AVCI
İstanbul, Aralık 2009
YAZAR HAKKINDA
Prof. Dr. Mehmetçik BAYAZIT
1937 yılında doğdu, 1960'da İTÜ İnşaat Fakültesini bitirdi. Yüksek Lisans ve Doktora öğrenimini University of California ve İTÜ'de yaptı. İTÜ İnşaat Fakültesi Hidrolik Kürsüsünde 1969 yılında Doçent, 1975'de Profesör oldu. 1985-2004 arasında Hidrolik Anabilim Dalı Başkanlığı yaptı. 1983 yılında TÜBİTAK Bilim Ödülünü aldı. Hidroloji, Hidrolik, Su Kaynakları ve İstatistik alanlarında yayınlanmış 15 kitabı, 40 bilimsel makalesi, 30 bildirisi vardır.
Prof. Dr. İlhan AVCI
1946 yılında doğdu, 1969'da İTÜ İnşaat Fakültesini bitirdi. Yüksek Lisans ve Doktora öğrenimini İTÜ'de yaptı. İTÜ İnşaat Fakültesi Hidrolik Kürsüsünde 1982 yılında Doçent, 1988'de Profesör oldu. Su Yapıları, Kıyı Mühendisliği, Hidrolik ve Hidroloji konularında yayınlanmış kitapları, makaleleri ve araştırma raporları vardır.
İÇİNDEKİLER
GİRİŞ
İNCELENECEK KONU VE ÖNEMİ AKARSULARDAKİ KAT! TANELERİN ORİJİNİ YIKANMA MALZEMESİ YÜKÜ SEDİMENTİN YIĞILMASI SEDİMENTİN TAŞINIM ŞEKİLLERİ
SERBEST YÜZEYLİ AKIMLARDA HIZ DAĞILIMI VE DİRENÇ SERBEST YÜZEYLİ AKIMLARDA TÜRBÜLANS
KATI MADDE TANELERİNİN ÖZELLİKLER! TANE BÜYÜKLÜĞÜ TANE BİÇİMİ
YOĞUNLUK VE POROZİTE ÇÖKELME HIZI DİĞER TANE ÖZELLİKLERİ GRANÜLOMETRİ
SEDİMENT YIĞINLARININ DİĞER ÖZELLİKLERİ
SEDİMENT HAREKETİNİN BOYUTSUZ DEĞİŞKENLER!
PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ BOYUT ANALİZİ
BOYUTSUZ DEĞİŞKENLERİN FİZİKSEL ANLAMLARI
YATAKTA HAREKETİN BAŞLAMASI YATAKTAKİ BİR TANEYİ ETKİLEYEN KUVVETLER 36 KRİTİK KAYMA GERİLMESİ KRİTİK HIZ
YÜKSEK EĞİMLİ DERE YATAKLARINDA HAREKETİN BAS LA MASI
ÜNİFORM OLMAYAN YATAK MALZEMESİNDE HAREKETİN BAŞLAMASI
SURUNTÜ HAREKETİ AMPİRİK YÖNTEMLER YARI TEORİK YÖNTEMLER OLASILIK VE MEKANİK İLKELERİNE DAYANAN YÖNTEMLER
ÜNİFORM OLMAYAN YATAK MALZEMESİNİN SÜRÜNTÜ HAREKETİ
SÜRÜNTÜ DEBİSİ FORMÜLLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
ASKI HAREKETİ KONSANTRASYON DAĞILIMI Difüzyon Modeli Yerçekimi (Enerji) Modeli REFERANS KONSANTRASYONUNUN BELİRLENMESİ ASKI MADDESİ DEBİSİNİN BELİRLENMESİ ASKI HAREKETİ YAPAN TANELERİN SINIR ÇAPI ÜNİFORM OLMAYAN YATAK MALZEMESİNİN ASKI HAREKETİ
YÜKSEK KONSANTRASYONLU ASKI HAREKETİ
TOPLAM SEDİMENT YÜKÜ
TOPLAM YÜKÜ SÜRÜNTÜ YÜKÜ İLE ASKI YÜKÜNÜ
TOPLAYARAK HESAPLAYAN YÖNTEMLER
TOPLAM YÜKÜ DOĞRUDAN DOĞRUYA VEREN
YÖNTEMLER
TOPLAM SEDİMENT YÜKÜ FORMÜLLERİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ
HAREKETLİ YATAĞIN BİÇİMLERİ YATAK BİÇİMLERİNİN ÖZELLİKLERİ YATAK BİÇİMLERİNİN OLUŞUM NEDENLERİ YATAK BİÇİMLERİNİN OLUŞTUĞU BÖLGELER YATAK BİÇİMLERİNİN GEOMETRİSİ YATAK BİÇİMLERİNİN AKIMA ETKİSİ
HAREKETLİ YATAKLARIN DİRENCİ YATAK BİÇİMLERİNİN DİRENCİ YÜKSEK EĞİMLİ AKARSULARDA DİRENÇ AKARSULARDA DİRENCİ ETKİLEYEN DİĞER
FARKLI PÜRÜZLÜLÜKLÜ SINIRLARDAN OLUŞAN AKARSU KESİTLERİNİN DİRENCİ
KARARLI KESİTLER VE REJİM TEORİSİ KARARLI KESİT
AKARSULARDA DOĞAL DENGE REJİM TEORİSİ
SU ALMADA SEDİMENT SORUMLARI SU ALMA YAPILARINA SEDİMENT GİRİŞİ Giriş
Su Alma Yerinin Seçimi . SU ALMA YAPISI TİPLERİ Yandan Su Alma Sistemi Karşıdan Su Alma Sistemi
Tirol Tipi Bağlamalar ve Tabandan Su Alma Sistemi
AKARSUDAN ALINAN SUDAKİ SEDİMENTİN AYRILMASI Çökeltme Havuzu Kavramı ve Yapılış Amacı Çökeltme Havuzu Tipleri Çökeltme Havuzlarının Boyutlandırılması Çökeltme Havuzlarının Konstrüktif Esasları Çökeltme Havuzlarına Giren Fazla Suyun Atılması Hızın Uniform Yayılışını Sağlamak için Yapılan Düzenlemeler
Çökeltme Havuzlarının Yıkanması
SEDİMENT TAŞINİMI İÇİM MATEMATİK MODELLER GENEL BAKIŞ TEMEL DENKLEMLER SAYISAL ÇÖZÜM
