FARKLI ŞEKİLSEL ÖZELLİKLERE SAHİP KIRINTILI SEDİMANLARIN HİDRODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN GÖRÜNTÜLENMESİ: KABA ÇAKIL AĞIRLIKLI NEHİRLERDE YATAK YÜKÜ TAŞINMA MEKANİZMALARI BAKIMINDAN YORUMLANMASI

Visualisation of the solitary grain sediment dynamics of paerticles of varying shape: Implications for sediment transport over coarse-gravel bed rivers

Özet

Akarsu yataklarında taşınan yatak yükünün şekil, boyut ve yoğunluk özellikleri onlarınhidrodinamik davranışını kontrol eden temel özelliklerdir. Yatakta taşınan tanelerin şekilözellikleri, onların su içerisindeki çökelme ve yatak üzerinde hareket mekanizmasını kontroletmeleri bakımından oldukça önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmanın amacı akarsuyataklarında bulunan çakılların şekil özelliklerinin onların harekete geçmesi ve yatakiçerisindeki taşınması üzerine olan etkilerinin araştırılmasına dayanmaktadır.Çalışma kapsamında tane hareketini fotoğraflama deneyleri yoluyla farklı şekil, boyut veağırlıklara sahip doğal ve yapay olarak üretilmiş çakılların hareket mekanizmaları tespitedilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, etrafı saydam camla kaplı dolayısı ile içerisi kolaylıklagörülebilen ve 10 litre su ile doldurulmuş dikdörtgen şeklindeki bir tank ile bu tankın tamkarşısına sabit bir konumda durabilecek bir fotoğraf makinesi monte edilmiştir. İlk olarakdeğişik boyut ve şekle sahip taneler su ile dolu tankın içerisine yukarıdan bırakılmış veonların su içerisinde batma hareketi, batma hızı ile eğimli cam yüzey üzerindeki hareketlerisürekli fotoğraflama metodu ile tespit edildi. Aynı deney düzeneği kullanılarak bu seferdeğişik yüzey pürüzlülüklerine (7 ve 14 mm) sahip cam levhalar üzerinde farklı şekil, boyut veağırlıklara sahip taneler yerleştirilmiş ve bunların ilk hareket açıları tespit edilmiştir. Buamaçla üzerine değişik boyut ve şekle sahip taneler yerleştirilen levhaların yatak eğimleri,üzerine konulan tane hareket edinceye kadar, sürekli olarak artırılmış ve bu tanelerin ilkharekete geçtiği yatak eğimi açısı ile söz konusu pürüzlü yüzey üzerinde tanenin hareketmekanizması tespit edilmiştir.Bulgular, tane şekli özelliklerinin onların su içerisindeki çökelme oranı ile yatak üzerindekihidrodinamik hareketleri üzerine önemli etkileri olduğunu ortaya koymuştur. Bu etkiler taneboyunun artması oranında daha da belirgin olarak ortaya çıkmaktadır. Tane şeklininküresellikten uzaklaşma oranı onun su içerisindeki batma hızının da azalmasına sebepolmaktadır. Yapılan bütün deneyler göstermiştir ki, test edilen bütün tane boyutlarında, aynıboyut ve ağırlıktaki taneler içerisinde kübik/küresel ve silindirmsi/kalemsi şekilde olanlar suiçerisinde daha yüksek batma oranına sahipler ve yatak üzerinde yuvarlanarak hareket etmeeğilimi gösterirler. Buna karşılık disk ve bıçağımsı şekilde olan tanelerin su içerisindeki batmaoranları daha yavaş ve büyük bir çoğunlukla yatak üzerinde kayma şeklinde hareket etmeeğilimi gösterirler. Düzensiz şekle sahip doğal çakıllarla yapılan deneyler oldukça değişebilirçökelme oranları ile yatak üzerinde düzensiz hareket örnekleri göstermişlerdir. Hemen hertane boyutu sınıfında, küresel/kübik ve silindirimsi taneler disk ve bıçağımsı şekle sahiptanelere göre hareket etmeleri için daha düşük kritik yatak eğimine ihtiyaç duyarlar. Hemen her şekil gurubu için tanenin üzerinde bulunduğu yatağın pürüzlülük oranı arttıkça onlarınharekete geçmeleri için daha yüksek kritik yatak eğimi açısı gerektirir. Tanenin hareketibakımından, genellikle tane boyutu ile tanenin üzerinde bulunduğu yatağın pürüzlülük oranıarasında ters bir ilişkinin olduğu ortaya çıkmıştır. Yüksek pürüzlülük oranına sahip yüzeylerüzerinde küçük boyuttaki tanelerin hareket etmeleri için daha yüksek yatak eğimine ihtiyaçduyarlar. Bu deneyler sonucunda tespit edilen bulgular akarsu yataklarındaki yatak yükütaşınma süreçlerinin yorumlanması bakımından önemi tartışılmıştır.

Abstract

Shape, size, and density are fundamental properties controlling the hydrodynamic behaviour of sediment particles. Particle shape can play a significant role in bedload transport processes by controlling the nature of particle settling and near-bed motion. The aim of the experiments reported here is to investigate the influence of shape on the settling initial motion and transport of gravel-size particles. Experiments, using strobe-light photography, were carried out with natural and artificial gravel-size particles of differing shape (sphere, rod, disc and blade), size and weight. Two types of experiment were undertaken in a 10 litre, water-filled rectangular tank. Firstly, particles were dropped, through water, onto a 30 inclined, smooth glass plate. A camera mounted outside the tanlq normal to the sloping glass, recorded the fall and movement of each particle. Particle velocities and trajectory paths were measured from the photographs by plotting successive centres of mass of the particle. A second set of experiments, using the same set-up as the first, but this time investigating the initial motion of particles of varying shape and size was also tested on two beds of differing roughness (7 and 14 mm). The bed was tilted until the test particle moved from its pocket of origin and strobe-light photographs were taken at the initiation of motion. Results indicate that shape is an important particle characteristic that has a significant effect on settling rates and also the mode of transport. These effects increase with larger particle sizes. Departure from a spherical form leads to a decrease in its settling velocity. Experiments show, across the range of sizes tested that, when compared to a sphere of approximate equivalent weight and density, sphere and rod shaped particles tend to settle the fastest and move by rolling. Discs and blades showed slower settling rates and, in most instances, moved by sliding. Experiments carried out with irregularly shaped, natural particles show greater variability in settling behaviour and irregular patterns of motion. For every size group, sphere and rod shaped particles have lower critical angles of initial motion than blade and discshapes. Regardless of shape, greater bed roughness, or decreasing particle size results in an increase in the critical angle for motion. The implications of these results for bedload transport in river channels is briefly discussed.