KATI MADDE TAŞINIMI VE YAPAY KIYI BESLEMESİ ÖZET

Transkript

1 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 35 KATI MADDE TAŞINIMI VE YAPAY KIYI BESLEMESİ Servet KARASU Murat İ. KÖMÜRCÜ İsmail H. ÖZÖLÇER Ömer YÜKSEK Öğr. Gör. Dr. Yard. Doç. Dr. Yard. Doç. Dr. Prof. Dr. Rize MYO Rize Uni. KTÜ İnş. Müh. Böl. Karaelmas Üni. İnş. Müh Böl. KTÜ İnş. Müh. Böl. Rize, Türkiye Trazon, Türkiye Zonguldak, Türkiye Trazon, Türkiye ÖZET Bu çalışmada, yapay esleme projelerinin performansı üzerinde etkin parametrelerden iri olan taan eğiminin ve esleme malzemesi dane çapının kalan malzeme oranına etkisi, deneysel olarak incelenmiş ve katı madde taşınım formülleri ile karşılaştırılmıştır. Deneyler, Karadeniz Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laoratuarı ndaki 30**,m oyutlarındaki dalga havuzunda gerçekleştirilmiştir. Deneylerde, kıyıya dik düzenli dalgalar kullanılmıştır. Taan malzemesi olarak kullanılan 0.8 mm çapındaki malzeme /5, /0 ve /30 eğiminde havuza yerleştirilmiştir. Her deneyden önce kıyının dengeye ulaşması için kullanılacak dalga yüksekliği oluşturularak, elirli ir süre taan üzerine verilmiştir. Kıyı dengeye ulaştıktan sonra esleme malzemesi,.5 m uzunluğunda 0.30 m genişliğinde trapez planformda seçilen esleme ölgesindeki kıyıya yerleştirilmiştir. Besleme yapıldıktan sonra 0*0 cm lik ölçüm ağında aşlangıç okumaları yapılarak, esleme malzemesi dalgalara maruz ırakılmıştır. Belirli aralıklarla dalgalar durdurularak aynı ölçüm ağında okumalar yapılmış, taan topoğrafyasının değişimi ve esleme ölgesinde kalan malzeme oranı elirlenmiştir. Kalan malzeme oranı, herhangi ir t anında, esleme ölgesinde kalan malzeme hacminin aşlangıçtaki malzeme hacmine oranıdır. Besleme yapılmadan önce taandaki kum yüksekliği ölçülmüş ve eslemenin hemen ardından kum yükseklikleri ölçülerek ne kadar malzeme konulduğu tespit edilmiştir. Daha sonra çeşitli zaman aralıklarında yine aynı noktalardan ölçümler alınarak ilk konulan malzemeye oranla esleme ölgesinde kalan malzeme oranları ulunmuştur. Deneylerde, taan malzemesi olan 0.8 mm tane çapındaki malzemenin üzerine, esleme malzemesi olarak 0.8 mm ve 0.80 mm tane çaplı farklı malzeme kullanılmıştır. Deney sonuçları CERC ve Kamphuis denklemleri ile karşılaştırılmıştır. GİRİŞ Büyük miktarlardaki kumun kıyıdan denize doğru yerleştirilmesi şeklinde yapılan yapay esleme; dünyanın irçok yerinde hem erozyon kontrolü hem de plaj oluşturma metodu olarak her geçen gün daha da fazla uygulama alanı ulmaktadır. Yapımı Karadeniz Sahil Yolu, halkın denizle olan ilişkisini tamamen kesmekte; zaten sınırlı sayıda olan plajlar, yapılan tahkimatlarla yok olmaktadırlar. Halkın denizle olan irtiatını tekrar sağlamak ve yolu dalgaların etkisinden korumak için aşvurulacak en uygun yöntemlerden iri yapay kıyı eslemesidir. Bu çalışmanın amacı, taan eğiminin ve malzeme dane çapının yapay esleme performansı üzerindeki etkilerinin elirlenmesi ve en uygun kıyı oyu taşınım denkleminin ulunmasıdır.

2 35 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Bu kapsamda farklı taan eğimleri ve esleme malzemesi çapı kullanılarak deneyler yapılmış ve deney sonuçları mevcut kıyı oyu taşınım denklemleri ile karşılaştırılmıştır. YAPAY PLAJ GELİŞİMİ İÇİN GELİŞTİRİLEN ANALİTİK ÇÖZÜMLER Plaj esleme ile ilgili katı madde taşınımı, hem kıyı oyu hem de kıyıya dik taşınımı ilgilendirmesine ve karmaşık olmasına rağmen, yapılan irçok kaul, plaj esleme tahminlerini asitleştirmektedir. Plaj esleme planform gelişimi için geliştirilen temel denklemler, süreklilik denklemi ve katı madde taşınım denklemidir. Kıyı çizgisi değişimini göstermek için u iki temel denklemden hareketle tek-çizgi modeller geliştirileilir. Süreklilik denklemi Denklem de verilmiştir. V t Q = () Burada, V: Her irim plaj genişliği için hacim, Q: Net kıyı oyu katı madde deisi, x: Kıyı oyu koordinatı, t: Zamandır. Profiller, yatay kıyı çizgisi değişimi Δy ve taşınım deisinin kıyı oyunca değişimi Q/ X arasında denge içindedir. Dikey mesafe ise, erm yüksekliğinden (B), aktif derinliğe (h * ) kadar olan derinlik olarak kaul edilir (Şekil ). x B y h * Şekil Plaj profil geometrisi Böylece Δy = Q h + B * () yazılailir. Analitik modellerde kullanılan kıyı oyu sediment taşınım formüllerini incelemek gerekir. Kıyıoyu Sediment Taşınım Denklemleri Kıyı oyu sediment taşınımını elirlemek için irçok denklem kullanılmaktadır (Donohue ve Dean, 999). Bu denklemler irirlerinden oldukça farklıdırlar ve farklı parametreler içerirler. Bu çalışmada, en çok kullanılan CERC(Coastal Engineering Research Center) (CEM, 00) ve Kamphuis (99) denklemleri irirleriyle ve deney sonuçları ile karşılaştırıldı. CERC denklemi aşağıdaki giidir.

3 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu K H g Q =. / κ sin θ 8( s )( p) (3) Denklemde; Q net kıyı oyu katı madde deisini, g yerçekimi ivmesini, s katı maddenin özgül ağırlığını, p katı maddenin porozitesini, к kırılma indisini (Kırılma anındaki dalga yüksekliğinin su derinliğine oranı), H kırılma anındaki dalga yüksekliğini, K sediment taşınım katsayısını ve θ kırılma anındaki dalga açısını göstermektedir. Kamphuis denklemi ise aşağıdaki giidir; T (tan ) d Q =,7H β sin θ (4) T dalga periyodunu, tanβ plaj eğimini ve d 50 medyan tane çapını göstermektedir. Kamphuis denkleminde plaj eğimi ve malzeme çapının etkisi elirgin ir şekilde görülürken CERC denkleminde u parametreler yer almamaktadır. Pelnard-Considere (956), difüzyon denklemini (Denklem 5) elde etmek için Denklem ve 3 ü kullanmıştır. y t y = G x (5) Burada, G: Kıyı oyu yayılailirliktir (plaj planformunun gelişim oranını kontrol eder) ve CERC denklemi için (sin θ ) θ = cosθ (6) y t = G CERC y cosθ (7) Burada G CERC; G CERC =.5 K. H g / κ 8( s )( p)( h + B) * (8) θ genelde küçük ir değer olduğu için cosθ değeri e yakin olacaktır. Kamphuis denklemi için; (sin θ ) 0.6.cos θ = 0.4 (sin θ ) θ (9) y t = G KAMP cosθ (sin θ 0.4 ) y (0)

4 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu.5 H T G KAMP = (tan β ).7 h + B * 0.75 d () şeklindedir ve Denklem (0)`da görüldüğü gii dalga açısı önemlidir (Dean, 00). Kırılma anındaki dalga yüksekliğini ve kırılma indisini hesaplamak için Weggel (97) yaklaşımı, aktif derinliği hesaplamak içinse Hallermeier (978) denklemi kullanılmıştır. Aşağıda en çok kullanılan trapez şekilli sınır şartları altında geliştirilen analitik çözümler verilmektedir. Trapez Şekilli Sınır Şartı Trapez aşlangıç şekli uygulamada daha gerçekçidir. Bu planform içimi için analitik çözüm Walton (994) tarafından geliştirilmiştir. Yapay esleme projesinde trapez aşlangıç şeklinin plan görünümü Şekil de verilmiştir. y l Y(X,T) w x l Şekil Trapez aşlangıç şeklinin plan görünümü Beslenmiş ir plajın davranış içimine ağlı olarak gii üç değişik durum söz konusudur: Plaj eslemesinin topuk derinliği (h t ), malzemenin taşınaileceği derinlikten (aktif derinlik) (h * ), üyük, küçük veya ona eşit olailir (Work ve Rogers, 997). h t <h * Olması Durumu Besleme projesinin topuk derinliğinin aktif derinlikten küçük olması durumunda, kıyıya dik katı madde taşınımının hızlı ir şekilde malzemeyi aktif derinliğe götürdüğü kaulü yapılmıştır. Dolayısıyla h t =h * durumunda yapılan çözümler u durumda da geçerlidir. Bu çalışmada, tüm deneyler için h t <h * durumu söz konusudur ve kalan malzeme oranı M(t) yi ulmak için Denklem kullanılmıştır. 4 L T LT L erf exp + L 4 + π T T L T ( ) T M T = erf L T π T L exp ( L ) π T + L erf T L + T ( L + ) ( L ) + exp ( L + ) T + ()

5 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 355 Bu eşitliklerde, T=4 Gt /l, L=l /l oyutsuz değişken dönüşümleri yapılmıştır. Burada, t zamanı, ve l esleme ölgesinin uzunluğunu göstermektedir. l LABORATUAR ÇALIŞMALARI Model Havuzu ve Yapılan Deneyler Deneyler, Karadeniz Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laoratuarı ndaki 30**,m oyutlarındaki dalga havuzunda gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kıyıya dik düzenli dalgalar kullanılmıştır. Taan malzemesi olarak kullanılan 0.8 mm çapındaki malzeme /5, /0 ve /30 eğiminde havuza yerleştirilmiştir. Her deneyden önce kıyının dengeye ulaşması için kullanılacak dalga yüksekliği oluşturularak, elirli ir süre taan üzerine verilmiştir. Kıyı dengeye ulaştıktan sonra esleme malzemesi,.5 m uzunluğunda 0.30 m genişliğinde trapez planformda seçilen esleme ölgesindeki kıyıya yerleştirilmiştir. Deneylerde, taan malzemesi olan 0.8 mm tane çapındaki malzemenin üzerine, esleme malzemesi olarak 0.8 mm ve 0.80 mm tane çaplı farklı malzeme, B=5 cm ve B=8 cm lik erm yükseklikleri kullanılmıştır. H=4 cm lik dalga yüksekliği ve T=, sn lik periyot kullanılarak toplam deney yapılmıştır (Karasu, 005). Yapılan deneyler Talo de görülmektedir. Talo Yapılan deneyler Deney No Eğim Besleme Malz. Çapı d 50 (mm) Berm Yük. B (cm) / / / / / / / / / / / / Deneylerde, esleme ölgesi ve çevresindeki taan topoğrafyasının değişimini tespit etmek için kıyıya paralel 5 m., kıyıya dik 3 m. uzunluğunda 0*0 cm. lik ir ölçüm ağı kurulmuştur. Besleme ölgesinde ise daha sık aralıklarla ölçüm alınmıştır (0*0 cm). Taan malzemesi düzeltildikten sonra deneylere aşlanmış ve topoğrafyanın dengeye ulaşması için elli ir süre dalga üretilmiştir. Kıyı dengeye ulaştıktan sonra suya doygun haldeki esleme malzemesi,.5 m uzunluğunda 0.30 m genişliğinde trapez planformda seçilen esleme ölgesine yerleştirilmiştir. Metal ir kalıp kullanılarak her defasında aynı miktardaki malzemenin esleme ölgesine konulması sağlanmıştır. Besleme yapıldıktan sonra ölçüm ağında aşlangıç okumaları yapılarak, esleme malzemesi dalgalara maruz ırakılmıştır. Belirli aralıklarla dalgalar durdurularak aynı ölçüm ağında okumalar yapılmış, taan topoğrafyasının değişimi ve esleme ölgesinde kalan malzeme oranı elirlenmiştir.

6 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Kalan malzeme oranı, herhangi ir t anında, esleme ölgesinde kalan malzeme hacminin aşlangıçtaki malzeme hacmine oranıdır [5]. Kalan malzeme oranını tespit etmek için aşlangıçta esleme yapılan.5*0.3 m oyutlarındaki ölge esas alınmıştır. Besleme yapılmadan önce taandaki kum yüksekliği ölçülmüş ve eslemenin hemen ardından kum yükseklikleri ölçülerek ne kadar malzeme konulduğu tespit edilmiştir. Daha sonra /30 eğiminde 30., 90., 50. ve 40. dakikalarda yine aynı noktalardan ölçümler alınarak ilk konulan malzemeye oranla esleme ölgesinde kalan malzeme oranları ulunmuştur. /0 ve /5 eğimlerinde ise malzeme hareketi çok daha hızlı olduğu için ilk ölçüm 0. dakikada yapılmış, sonraki ölçümler ise 30., 60., 90. ve 50. dakikalarda yapılmıştır. Taan eğimine ağlı olarak kalan malzeme oranlarının değişimi ile CERC ve Kamphuis denklemleriyle karşılaştırılmaları Şekil 3, 4, 5 ve 6 da görülmektedir., m=/30 M(t) 0,8 0,6 0,4 0,,00 0,87 0,69 0,83 0,80 0,73 0,59 0,57 0,48 0,3 0,3 0,5 0,70 0,64 m=/0 m=/5 Kamph./30 Kamph./0 Kamph./5 CERC /30 CERC /0 CERC / t Zaman (dak.) Şekil 3 d 50 =0.8 mm, B=5cm, H=4cm, T=.sn için kalan malzeme oranları, m=/30 M(t) 0,8 0,6 0,4,00 0,93 0,73 0,80 0,64 0,84 0,64 0,55 0,63 0,40 0,85 0,53 0,69 0,60 m=/0 m=/5 Kamph./30 Kamph./0 Kamph./5 CERC /30 CERC /0 0, CERC / t Zaman (dak.) Şekil 4 d 50 =0.80 mm, B=5cm, H=4cm, T=.sn için kalan malzeme oranları

7 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 357, m=/30 M(t) 0,8 0,6 0,4 0,,00 0,84 0,77 0,70 0,63 0,83 0,58 0,43 0,47 0,3 0,75 0,36 0,68 0,69 m=/0 m=/5 Kamph./30 Kamph./0 Kamph./5 CERC /30 CERC /0 CERC / t Zaman (dak.) Şekil 5 d 50 =0.8 mm, B=8cm, H=4cm, T=.sn için kalan malzeme oranları, m=/30 M(t) 0,8 0,6 0,4,00 0,86 0,76 0,78 0,6 0,9 0,65 0,49 0,58 0,39 0,9 0,45 0,8 0,75 m=/0 m=/5 Kamph./30 Kamph./0 Kamph./5 CERC /30 CERC /0 0, CERC / t Zaman (dak.) Şekil 6 d 50 =0.80 mm, B=8cm, H=4cm, T=.sn için kalan malzeme oranları SONUÇ Kıyı eğiminin fazla olduğu yerlerde esleme yapmaktan kaçınılmalıdır. Eğer esleme yapılacaksa mevcut malzemeden daha iri malzeme kullanarak esleme yapılmalıdır. Eğim arttıkça kalan malzeme oranında önemli miktarda azalmalar görülmektedir. Bu sonuç Kamphuis denkleminde açıkça göze çarpmaktadır. Ancak CERC denkleminde eğimle ilgili ir tek parametre sediment taşınım katsayısı K olduğundan dolayı, değişen eğimin etkisi u denklemde elirgin ir şekilde görülmemektedir. Malzeme çapı arttıkça kalan malzeme oranında artış meydana gelmektedir. Malzeme çapındaki değişimin etkisi Kamphuis denkleminde görülmesine rağmen CERC denkleminde malzeme çapının etkisi görülmemektedir.

8 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Daha fazla deney yapılarak CERC denklemine taan eğiminin ve dane çapının etkisini gösteren parametreler ekleneilir. Ayrıca CERC denkleminde dalga açısının etkisi de görülmemektedir. Açı ile ilgili parametrede ekleneilir. Tahkimatlar ve mahmuzlar yapılarak korunmaya çalışılan Karadeniz Sahil yolunu alternatif ir yöntemle korumak, ölge halkının denizle kopan ilişkisini tekrar sağlamak ve ölgenin turizm potansiyelini artırmak için tespit edilecek uygun yerlerde yapay esleme ile yeni plajlar oluşturulailir. KAYNAKLAR Coastal Engineering Manual (CEM), U.S. Army Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center, Longshore Sediment Transport, Part III, Chapter, 00. Dean, R.G., Beach Nourishment Projects As Large Scale Experiments In Nature, Coastal Engineering 00, Donohue, K. A., ve Dean, R.G., Sand Size and Fill Geometry Effects on Longshore Transport at a Nourished Beach, Coastal Sediments 99, 999, New York, Hallermeier, R. J., Uses for a Calculated Limit Depth to Beach Erosion, Coastal Engineering 78, 978, New York, Kamphuis, J. W., Alongshore sediment transport rate. J. Waterway, Port, Coastal, and Ocean Eng., ASCE, 7(6), 99, Karasu, S., Kömürcü, M. I., Yüksek, Ö. ve Özölçer İ. H., Yapay Besleme Performansına Eğimin Etkisi, İnşaat Mühendisleri Odası 5. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sem. 5-7 Mayıs 005, Bodrum. Pelnard- Considere, R., Essai de theorie de l evolution des formes de rivate en plages de sale et de galets, 4th Jonees de l Hydraulique, Les Engergies de la Mar, Question III, Rapport No., 956. Walton, T. L., Shoreline Solution for Tapered Beach Fill, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 0, 994, Weggel, J. R., Maximum Breaker Height, Journal of the Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, Vol. 98, 97, Work, P. A. ve Rogers, E. W., Wave Transformation for Beach Nourishment Projects, Coastal Engineering,, 3 997, -8. Work, P. A. ve Rogers, E. W., Laoratory Study of Beach Nourishment Behavior, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 4, 998, 9-37.