Açık Drenaj Kanallarının Boyutlandırılması Prof. Dr. Ahmet ÖZTÜRK Drenaj kanalları, drenaj alanına ilişkin en yüksek yüzey akış debisi veya drenaj katsayısı ile belirlenen kanal kapasitesi gözönüne alınarak boyutlandırılır. Boyutlandırmada kanal kesitinin şekli, kanal şev eğimi, kanalda akan suyun hızı, kanal taban eğimi, kanal derinliği, banket genişliği ve seddelerin belirli projeleme ilkeleri içerisinde ele alınması gerekmektedir. Açık Drenaj Kanallarının Boyutlandırılmasında Kullanılan Eşitlikler Chezy eşitliği V = C R .J şeklindedir. Robert Manning tarafından geliştirilen ve günümüzde açık kanallarda geniş çapta kullanılan eşitlikte Chezy eşitliğindeki C katsayısının değeri aşağıda gösterildiği şekilde ifade edilmiştir. 1 1/6 C= R n Manning eşitliğindeki C katsayısı, Chezy eşitliğinde yerine konursa; V= 1 2/3 1/2 R J n Chezy ve Manning eşitlikleri gözönüne alındığında kanalda akan debinin hesaplanmasında kullanılacak eşitlik şöyle olur. 1 2/3 1/2 Q = A. . R . J n Burada Q = Açık kanalda akan suyun debisi (m3/s) A = Kanalda akış kesit alanı (m2) n = Kanal iç yüzeyinin pürüzlülük katsayısı R = Hidrolik yarıçap (m) dir. J = Kanal taban eğimi (%) V = Akan suyun hızı (m/s) değerlerini göstermektedir Manning Eşitliğindeki (n) Pürüzlülük Katsayıları Açık Kanal Kesitlerinin Geometrik Elemanları Kesit alanı (A) : Akış yönüne dik yöndeki ıslak kesitin alanıdır. Islak çevre (P) : Kanal kesitindeki ıslak yüzeylerin toplam uzunluğudur. Serbest su yüzeyi genişliği (T): Su yüzeyinin üst genişliğidir. Su derinliği (h): Kanal tabanı ile serbest su yüzeyi arasındaki düşey mesafedir. Hidrolik yarıçap (R): Kesit alanının ıslak çevreye oranıdır (R= A/P). Hidrolik derinlik (d): Kesit alanının serbest su yüzeyi genişliğine oranıdır (d= A/T) Kesit faktörü(Z): Kesit alanı ile hidrolik derinliğin karekökünün çarpılmasına eşittir. Yani Z= A.d0.5 = A.(A/T)0.5 dir. Açık Kanal Kesitinin Şekli Düzgün geometrik şekiller içerisinde belli bir alan değeri için en küçük çevreye sahip olan şekil dairedir. Diğer bir deyişle daire şeklindeki açık kanallar belirli bir kesit alanında diğer şekillere göre en yüksek debili suyu taşırlar. Ancak arazi koşullarında kazı ve dolgu yoluyla açılan sulama ve drenaj kanallarında dairesel şeklin uygulanması oldukça zordur. Bu nedenle, arazide yapım kolaylığından dolayı daire şekline en yakın olan yamuk (trapez) kesitli kanallar tercih edilmektedir. Kanal Şev Eğimi Kanal yan yüzeylerinin yatayla yaptığı açının tanjantına kanalların şevi denir. Yatay mesafe m düşey mesafe 1 olarak ifade edilirse şev açısı tan = 1/m olur. Kanal Taban Eğimi Açık kanallarda kanal taban eğimi arttıkça akış hızı artar. Eğer kanaldan akan suyun debisi değişmiyorsa bu durumda kanal kesiti küçülür. Bunun tersi olarak taban eğimi küçüldüğünde hız azalır ve kanal kesiti büyür. Toprak kanallarda kanal taban eğimi, kanalda akan suyun hızını izin verilen maksimum akış hızını aşmıyacak ve minimum hız sınırının altına düşürmeyecek değerlerde olmalıdır. Toprak kanallarda maksimum akış hızı aşılacak olursa kanalların yan yüzeyinde ve tabanında erozyon nedeniyle oyuntular ve çökmeler meydana gelir. Minimum hız sınırının altına düşüldüğünde ise asılı halde taşınan ince materyalin kanal içinde çökelmesi sonucunda siltasyon sorunu ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle toprak drenaj kanallarının taban eğimleri genellikle 0.0005 - 0.001 arasında değişmektedir. Eğer kanal güzergahı üzerinde yüksek eğimli kesimler bulunuyorsa kanal taban eğimi düşü veya şüt gibi eğim kırıcı sanat yapılarıyla azaltılabilir. Kanallarda Maksimum ve Minimum Hızlar Kanallarda izin verilen maksimum akış hızı, toprağın bünyesine ve bitki örtüsüne göre değişir. Genel olarak toprak kanallarda maksimum akış hızının 1.5 m/s den yüksek olması erozyona neden olmaktadır. Drenaj kanallarında en uygun hız 0.60 - 1.20 m/s olarak kabul edilir. Herhangibir nedenle planlanan hızın azaltılması gerekirse, ya kesit genişletilir veya hidrolik eğim ayarlaması yapılır. Eğer bu önlemlerle uygun hız sağlanamazsa, otlandırma, düşü ve şüt yapıları veya diğer emniyet yapıları kullanılır. Hidrolik Yönden En Uygun Kanal Kesiti Açık drenaj kanallarının boyutlandırılmasında önce hidrolik yönden en uygun kanal kesiti belirlenir. Daha sonra belirlenen kanal kesitindeki akım hızı, kritik hız ve sürükleme gücü yönünden kontrol edilir. Belirli bir kesit alanında debinin maksimum olabilmesi için hidrolik yarıçapın da maksimum olması gerekir. Aynı kesit alanı için hidrolik yarıçapın büyük olması ıslak çevrenin ve dolayısıyle sürtünme yüzeyinin küçük olması demektir. Yamuk kesitli açık kanallarda hidrolik yarıçapın, kanalda su derinliğinin yarısına eşit olduğu hesaplanmıştır (R= h/2). Kanal taban genişliği ile su derinliği oranı b/h=1.5 olması idealdir. Ancak drenaj kanallarından su alımı söz konusu olmadığı için b/h oranı sulama kanallarına göre biraz daha fazla tutulabilir. Diğer bir deyişle drenaj kanalları sulama kanallarına göre biraz daha derin açılabilir. Bu nedenle drenaj kanallarında uygun b/h oranı 1 ile 1.5 arasında değişmektedir (b/h = 1 - 1.5). Açık Drenaj Kanallarında Kritik Hızın Hesaplanması Şekilde görüldüğü gibi sabit bir debi değeri için özgül enerjinin minimum olduğu bir tek derinlik vardır. Bu derinliğe "kritik derinlik" (hk) denir. Kritik derinlikte akan suyun hızına da kritik hız denir. Şekilde A noktasından yukarıya doğru çıkıldıkça derinlik ve özgül enerji değerleri artmakta ancak hız değeri azalmaktadır. Bu kısımdaki akışa nehir rejimi veya kritik altı akış denir. A noktasından aşağıya inildikçe derinlik azalmakta buna karşılık özgül enerji ve hız değerleri artmaktadır. Bu kısımdaki akışa sel rejimi veya kritik üstü akış denir. Sel rejiminde akan suyun hızı büyük olacağından kinetik enerjide fazla olur. Bu nedenle toprak kanallarda erozyon sorunu ortaya çıkar. Buna karşılık nehir rejiminde akan kanallarda hız küçük olacağından kanalda sedimentlerin çökelmesi sonucunda sedimentasyon sorunu görülür. Bunun için kanalda akan suyun hiçbir zaman kritik üstü ve kritik altı derinliklerde akması istenmez. Daha çok kritik derinliğe yakın bir derinlikte akması istenir. Dolayısıyle kanalda akan suyun ortalama hızı da kritik hıza yakın bir değerde olmalıdır. Açık drenaj kanallarında genellikle kanalda akan suyun ortalama hızının kritik hızın 0.90 katına eşit veya daha küçük olması istenir. 2 (b + mhk )3 3 Q = hk g (b + 2 mhk ) Vk= Q (b + mhk ) hk Kritik derinlik 1. eşitlikteki hk yerine çeşitli rakamlar denenerek Q2/g elde edilinceye kadar büyütülüp küçültülerek yani deneme yanılma yoluyla bulunur. Daha sonra bulunan hk 2. eşitlikte yerine konarak kritik hız değeri belirlenir. Kritik derinliğin deneme yanılma yerine doğrudan bulunduğu bir abak (Leavy abağı) mevcuttur. Kritik derinliğin bulunmasında kullanılan Lavy abağı Açık Drenaj Kanallarında Sürükleme Gücünün Hesaplanması Açık kanallarda akıma karşı gösterilen direnç, yani kanal yüzeylerindeki kayma gerilmesi, suyun hacim ağırlığı, hidrolik yarıçap ve kanal taban eğimine bağlıdır. Oyuntuya karşı direnç ölçüsü şeklinde kullanılan kayma gerilmesi sürükleme kuvveti olarakta gözönüne alınabilir. Sürükleme kuvveti kanal tabanı ve şev yüzeyleri üzerine etki yapmaktadır. Sürükleme kuvvetinin birim alandaki etkisi sürükleme gücü veya sürekleme gerilmesi olarak adlandırılır. Sürükleme gücü kanalda oyulma ve sediment birikiminin olup olmayacağını göstermektedir. Sürükleme gücü Du Bois tarafından geliştirilen eşitlik yardımıyla hesaplanmaktadır. S = .R.J S = Sürükleme gücü (kg/m2) γ = Suyun hacim ağırlığı (genellikle 1000 kg/m3) R = Hidrolik yarıçap (m) J = Hidrolik eğim (%) değerlerini göstermektedir. Sürükleme emniyeti yönünden S < So olmalıdır. Yani S = γ.R.J < So kontrolu yapılmalıdır So (kg/m2) Toprak cinsi İnce kum, kumlu tın Siltli tın, tın Kil, ince çakıl Silt ve çakıl karışımı Sert kil, çakıl Temiz su 0.15 0.25 0.35 1.20 1.50 Kolloidli su 0.35 0.75 0.75 2.20 3.30 Açık Drenaj Kanallarında Hava Payının Hesaplanması Hava payı, kanaldaki serbest su yüzeyi ile kanal banket düzeyi arasındaki düşey mesafeyi göstermektedir. Kanallarda kapasitenin üzerinde bırakılan suyun taşınması, rüzgarla dalgalanmalar ve kanal dönemeçlerindeki kabarmalar nedeniyle kanallarda su taşmalarını önlemek amacıyla su derinliğine % 10-20 oranında hava payı eklenir. Ya da şekilde verilen abak yardımıyla hava payı hesaplanarak su derinliğine eklenir. Uygulamada hava payları kanal derinliği 5 cm nin katları olacak biçimde düzeltilmektedir. Açık Drenaj Kanallarında Seddelerin ve Banketlerin Projelenmesi Açık drenaj kanallarında kanal kazısından çıkan toprak yığınlarının şevleri ve üst yüzeyleri düzeltilerek sedde haline getirilir. Seddeler işletme ve bakım yolu olarakta kullanılabilir. Seddelerin şev eğimleri 1:3 ile 1:1.5 arasında değişmektedir. Kanal şevi ile sedde şevi arasında bırakılan mesafeye banket denir. Banketler kazı malzemesinin kanala geri gelmesine engel olur. İşletme ve bakım yolu olarakta kullanılabilir. Banketler elle açılan kanallarda 1-2 m, makina ile açılan kanallarda 4-6 m genişliğindedir. Debi (m3/s) 0-1 1-5 5 - 60 > 60 Banket genişliği (m) 0.00 0.50 1.00 1.50 Yamuk Kesitli Drenaj Kanallarının Projeleme Aşamaları 1. Kanal kapasitesi maksimum yüzey akış debisine göre belirlenir. 2. Kanal taban eğimi kanalın fonksiyonuna ve arazinin topografik yapısına göre tayin edilir (genellikle % 0.1 - 0.05). 3. Kanal pürüzlülük katsayısı kanala göre Çizelge 4.4 den alınır. 4. Kanal şev eğimi, toprak cinsine göre Çizelge 4.6 dan alınır. 5. Kanal taban genişliği ile su derinliği arasındaki oran seçilerek Manning eşitliği yardımıyla kanalda akan su derinliği ve kanal taban genişliği bulunur. Yamuk kesitli kanallarda 1/1.5 ve 1/2 şev eğimleri için hazırlanan abaklar şekil 4.9 ve şekil 4.10 da verilmiştir. Genellikle abaklardan su derinliği cm cinsinden hassas olarak okunamaz, bunun için Manning eşitliğine göre, Q.n Z= J = A. R2/3 arasındaki ilişkiden yararlanılır. Abaklardan bulunan b ve h değerleri A ve R yi veren eşitliklerde yerine yazılarak A.R2/3 hesaplanır. Bu değerle Q.n/J0.5 kesit faktörü arasındaki fark minimum oluncaya kadar su derinliği (h) cm cinsinden değiştirilerek bulunur. Kesit faktörünün hesaplanmasında kullanılan abaklar (m=1.5) a) h=0.50 m - 3.50 m b)0.10 m - 0.60 m 6. Kanal boyutları bulunduktan sonra (4.19), (4.20) nolu eşitlikler veya Şekil 4.7 deki Lavy abağı yardımıyla kritik derinlik ve kritik hız bulunarak kanalda akan suyun ortalama hız değeri kritik hız değerine göre kontrol edilir (Vort < 0.90 Vk). 7. Kanaldaki sürükleme gerilmesi kanalda akan suyun temiz veya kolloidli olmasına göre Çizelge 4.7 de toprak cinsine göre belirlenen emniyetli sürükleme gücü değerleri ile kontrol edilir (S < So). 8. Hava payı ya kanaldaki su derinliğinin % 10-20 artırılması yada şekil 4.8 deki abak yardımıyla hesaplanır. Kanaldaki su derinliğinin hava payı ile toplanması sonunda kanal derinliği bulunur.
