Dalga Etkisi Altında Kazık Ve Palplanş Çevresinde Akım Ve Oyulma

Abstract

Köprü ayakları, açıkdeniz ağırlık platformları, kazık destekli dolgu limanlar, a.ık deniz rüzgar türbinleri gibi kullanım alanı çok geniş olan büyük deniz yapılarının öneminin artmasıyla beraber, bu yapıların tasarım ve projelendirilmesinin düzgün yapılabilmesi de büyük önem kazanmıştır. Bu tür yapıların tasarımının güvenli ve ekonomik olması için yapının etrafındaki akım alanının iyi analiz edilmesi gerekir. Çünkü deniz ortamına inşa edilen yapı, çevresindeki akımı değiştirecektir ve bu değişim bölgesel sediment hareketini arttırarak sonunda yapı çevresinde oyulmaya sebep olacaktır. Bu oyulma yapının stabilitesine zarar verebilir. Deniz yapıları akıma, dalgaya ya da bu iki mekanizmanın birleşimine maruz kalabilirler. Ancak deniz ortamında dalga etkisi akım etkisinden daha baskındır. Akımın ve dalganın sebep olacağı oyulma mekanizmaları birbirinden farklı olacağı için bu durumlar birbirinden ayrı incelenmelidir. Kazık temelli dolgu limanlarda ve rıhtımlarda kazıklara etkiyen sürşarj yükü, gemi yanaşmalarından dolayı etki edecek yükler ve su yüklerinin doğru tahmin edilmesi, özellikle taban oyulmaya müsaitse büyük önem taşır. Çünkü yapının tabanında meydana gelebilecek oyulma, yapının stabilitesine zarar vererek yapının hasar görmesine hatta yapının yıkılmasına yol açabilir. Bu çalışmada, kazık destekli rıhtımların kazıklarına etkiyecek kuvvetlerin bulunabilmesi, yapı etrafındaki akım mekanizmasının ve meydana gelecek oyulmanın sebep ve yerinin anlaşılabilmesi için, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı’nda deneysel bir çalışma yapılmıştır. Deneyler 22.5 m uzunluğunda, 1 m genişliğinde ve 0.5 m derinliğindeki düzenli dalga kanalında yürütülmüştür. Tek silindir durumu için ve farklı açıklıklarla yerleştirilen iki silindir ile yapılan deneylerde, silindirlerin çapı aynıdır ve 22.5 cm’dir. Silindirlerden birinin cidarında basınç ölçümü yapılmış ancak diğer silindirde ölçüm yapılmamıştır. Kullanılan silindirdirler PVC’dir ve bu silindirlerin yüzeyi hidrolik olarak pürüzsüzdür. Silindirler hem tabana hem de kanal duvarına bitişik şekilde dikey olarak yerleştirilmiştir. Bu sayede silindir ve kanal duvarının ve kanal tabanının birleştiği yerlerde su ve sediment geçişi engellenmiştir. x, silindirlerin merkezleri arasındaki uzaklık ve D silindir çapı olmak üzere x/D sırasıyla 2, 1.5 ve 1 için deneyler yapılmıştır. Bu konfigürasyonlarda ölçüm yapılmayan silindir hem dalga geliş yönüne hem de mansap yönüne yerleştirilmiştir. Deneyler hem sedimentsiz (rijit) tabanda hem de oyulma desenini gözlemleyebilmek için sedimentli tabanda yapılmıştır. Sedimentli deneylerde kanal tabanına 3 m uzunlukta, 1 m genişlikte ve 6 cm yüksekliğinde bir sediment havuzu yerleştirilmiştir. Bu deneylerde kullanılan yatak malzemesinin ortalama çapı 0.72 mm’dir. Deneyler aynı dalga koşullarında yapılmıştır, su derinliği tüm deneylerde 34.5 cm’dir. Dalga boyu 1.15 m, dalga yüksekliği 0.13 m ve dalga periyodu 0.9 saniyedir. Keulegan Carpenter sayısı yaklaşık 1’dir. Hesaplanan Shields parametresi kritik Shields parametresinden büyüktürö yani tüm deneylerde taban hareketlidir. Bu sebeple oyulma deneylerinde kanal duvarı ile yapı arasında oluşan oyulma çukurunun deney süresinde tekrar dolduğu ve oyulduğu gözlemlenmiştir. Yürütülen deneylerde silindir cidarında aynı seviyedeki beş farklı noktada basınç ölçümü ve yapının 4 m uzağındaki bir noktada hız ölçümü yapılmıştır. Basınç ölçümleri tabandan 5 cm yukarıda, silindir cidarına 45° açıyla yerleştirilen 5 adet Mesens tipi basınç dönüştürücüsü ile yapılmıştır. Hız ölçümleri, tabandan 5 cm yukarıda, akustik Doppler hızölçer (Vectrino I) kullanılarak yapılmıştır. Ölçülen hızlar ve hesaplanan hızlar karşılaştırıldığında değerlerin birbirine benzer olduğu gözlemlenmiştir. Her deney sonrasında kanaldan su boşaltılırken yatak formunun korunabilmesi için sedimentli tabanın altına yapının etkilenmeyeceği şekilde drenaj boruları yerleştirilmiş ve su yavaş bir şekilde boşaltılmıştır. Oyulma derinliğinin ve birikme miktarının saptanabilmesi için sedimentli durumda kanal tabanı deney öncesinde ve deney sonrasında bir lazer tarayıcı (Leica Laser Scanner) ile taranmıştır. Lazer tarayıcıyla elde edilen sonuçlar hem görselleştirilmiş hem de eş derinlik eğrisi haritaları çıkarılmıştır. Böylece yapı etrafındaki oyulma ve birikme desenlerinin oluştuğu yerler detaylı olarak görülebilmiştir. Deneylerin her biri 6 saat yapılmıştır. Bu süre boyunca deneyler aralıklı olarak kamerayla kaydedilmiş ve yapı çevresinde oluşacak akım mekanizması ve oyulmanın nerede olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen deney sonuçlarına göre dalganın geliş yönünde, silindir ve kanal duvarının bitişik olduğu bölgede yapı geniş kazık kategorisine girmesine ragmen (D/L>0.1) atnalı çevrintilerine benzer çevrintilerin oluştuğu görülmüştür (D silindir çapı, L dalga boyudur). Bu çevrintiler kamerayla kaydedilmiş ve yavaşlatılarak izlenmiştir. Oluşan çevrintinin periyodu ile dalga periyodunun birbirine yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu çevrintilerin periyodu 0.8 saniye civarindadir. Yapı ve dalga kanalının birleştiği yerde gelen dalga yönünde meydana gelen oyulmaya burada oluşan çevrintilerin sebep olduğu saptanmıştır. Deney konfigürasyonu değişmesine rağmen tüm deneylerde, bu bölgedeki oyulma derinliklerinin birbirine yakın olduğu görülmüştür. Ancak gözlenen en büyük oyulmanın S/D=0.18 olduğu saptanmıştır (S, oyulma derinliği). Test sonuçlarına göre tüm deneylerde gözlemlenen en fazla oyulmanın gelen dalga yönünde silindir ve kanal duvarı arasında meydana geldiği görülmüştür. Ancak oyulma sadece bu bölgeyle sınırlı değildir. Silindirlerin etrafında meydana gelen oyulmanın, zamansal ortalama akıntılar sebebiyle oluştuğu gözlemlenmiştir. Sedimentli tabanın final durumundaki topografyası lazer tarayıcı ile çıkarılmış ve oluşan desenler incelenmiştir. Görseller incelendiğinde, oyulma desenlerinin zamansal ortalama akıntılar sebebiyle oluştuğu fikri desteklenmiştir. Tüm deneyler için akıntı gözleri ve bunların etki alanları çıkarılmış, meydana gelen oyulma ve birikmeler eş derinlik haritalarıyla şematize edilmiştir. Akıntı gözlerinin oluştuğu bölgede meydana gelen en büyük oyulmanın x/D=1.5 konfigürasyonunda olduğu gözlemlenmiştir. Bu durumda S/D=0.09~0.13 olarak kaydedilmiştir. Sumer (2001) ve Khalfin (2007) benzer deney koşullarında geniş kazık durumunda oyulma desenlerini incelemişlerdir. Bu çalışmalar incelendiğinde Sumer (2001), boyutsuz oyulma derinliğinin yapı yakınında en fazla S/D=0.04 olarak, Khalfin (2007) S/D=0.07~0.08 olarak bulmuştur. Bu araştırmacıların bulguları ve yapılan çalışma karşılaştırıldığında boyutsuz oyulma derinliğinin daha fazla olduğu görülmektedir. Bu durumun sebebi deney sınır koşullarının farklılığıdır. Akıntı gözlerinin oluştuğu bölgede oyulmanın en düşük olduğu durum x/D=1 durumudur. x/D=2 durumlarında akıntı gözleri bölgesinde oluşan oyulmanın tek silindir durumunda meydana gelen oyulma ile benzerlik gösterdiği görülmüştür. Silindirler arasındaki uzaklık daha fazla açıldıkça yapı artık tek silindir gibi davranacaktır. Deney sonuçları ayrıca tabanda meydana gelen birikmenin ve oyulmanın, sırasıyla bu bölgede ölçülen basınçta değişim yarattığını göstermiştir. Tabanda birikme meydana geldiğinde ölçülen basıncın azaldığı, taban oyuldukça bu noktada ölçülen basıncın arttığı gözlemlenmiş ve bir grafikte gösterilmiştir.

The design of large marine structures are essential because of their large application fields, such as bridge piers, offshore gravity platforms and pile supported backfilling zones. In order to design these types of marine structures, the flow mechanism around the structures must be well understood and analyzed. Since the flow around the structure will cause an increment of the local sediment transport, eventually it will cause scour formation around the structure. The structures built in a marine environment are exposed to waves, currents, or combination of them. However, in the marine environment waves are generally more dominant than currents. The current induced scour and wave induced scour have different mechanisms; therefore they must be investigated separately. Pile supported reclamation zones can be built as a pile row. Piles are attached to each other or with a gap, which fills with sheet between the pile surfaces. The surcharge and wave loads acting on the structure must be analyzed properly, especially when the erodible bottom condition is valid, since scour can be a great threat to the structural stability. In this study, in order to understand the flow mechanism and scour process around pile-supported wharfs, a series of experiments were conducted in İstanbul Technical University Hydraulics Laboratory. Experiments were held in a regular wave flume, which is 22.5 m in length, 1 m in width and 0.5 m in height. Two twin cylinders, which has 22.5 cm diameter, were used as experimental model. They were flush mounted to the flume wall and flume base. First of all, rigid bed experiments were conducted. Secondly, actual erodible bed experiments were made for different gap ratios. In all the experiments, wave conditions were the same and water depth was 34.5 cm. Pressure measurements, velocity measurements and bottom scanning were made for all the tests in order to get a better understanding of the flow mechanism around the cylinder(s). Pressure measurements were made with five transducers which are located 5 cm above the bed and placed on the surface of the cylinder with 45° intervals. Velocity measurements were made at the undisturbed bed with an Acoustic Doppler Velocimeter (Vectrino). The bottom was scanned before and after the experiments in order to determine the scour and deposition depths around the structure. In all the tests, the maximum scour depth was seen at the incoming wave side, between the flume wall and cylinder. In this zone, vortex formation was observed and it was the cause of scour. However, the scour around the cylinder except this region was independent from the vortex generation. The scour around the cylinder was because of the wave induced steady streaming mechanism. The results of the experiments indicated that, where x is the distance between the cylinders and D is the pile diameter, the most critical case of scour depth was observed in the cases of x/D=1.5 for steady streaming zone. For this test, the maximum scour depth to the cylinder diameter ratio, was S/D=0.09~0.13. The results also showed that there is a relation between the pore pressure and deposition.