Kıyı Mühendisliğinde Dalga Değişimleri

Kıyı mühendisliğinde dalga değişimleri büyük bir önem arz eder çünkü dalgaların nasıl bir değişim göstereceği kıyı bölgesinde yaptığımız ve/veya  yapacağımız yapılar için nasıl önlemler, tedbirler almamız gerektiği yönünde veriler ve fikirler verir.

Bu değişimleri incelemeden önce dalgaların göreceli derinliğe göre nasıl sınıflandırıldığından bahsetmek iyi olacaktır.

Dalgaların Göreceli Derinliğe Göre Sınıflandırılması

Kıyı mühendisliğinde sık sık kullanılan göreceli kavramı bir parametreyi boyutsuz hale getirmek için kullanılmaktadır. Bu bağlamda göreceli derinlik kavramı da su derinliğinin, dalga boyuna oranıdır.

Dalga Değişimleri

Açık denizden kıyıya doğru gelen dalgalar derinliğin değişmesi ve bir engel ile karşılaşması durumunda bazı değişimlere uğrar bu değişimleri;

• Dalga Sığlaşması
• Dalga Sapması
• Dalga Kırılması
• Dalga Dönmesi
• Dalga Yansıması

şeklinde sınıflandırmak mümkündür.

Dalga Sığlaşması(Shoaling)

Gelen dalganın derinlik nedeniyle, dalga yüksekliğinde meydana gelen değişimdir.

Şekil.1’de de göreceğimiz üzere dalgalar derin su sınırından sonra sığlaşma bölgesine girerler. Dalgaların sığlaşmasının en temel sebebi derinliğin dalga boyunun yarısına eşit ve daha az olduğu bölgelerde su partikülü hareketinin taban ile etkileşime girmesi sonucu sığlaşma etkisinin  oluşmasıdır.

Derinliğin L/2 den fazla olduğu yani derin su koşullarında ise sığlaşma faktörü yaklaşık 1 mertebesinde olup, sığlaşmanın derin su koşullarında etkisiz olduğu bilinmektedir. Sığlaşma faktörü derin su sınırından kıyıya doğru derinliğin azalması ile birlikte 0.913 mertebesine kadar azalıp daha sonra artmaya başlar ve göreceli derinliğin 0.04 mertebelerinde olduğu bölgelerde 1.44 değerine kadar çıkar.

Sığlaşma faktörünün tespiti için  aşağıdaki yol izlenebilir. Bunun dışında literatürde bulunan dalga karakteristikleri değişimi tablosundan göreceli derinliğe göre ilgili sığlaşma faktörü alınabilir.

d0 derinliğinde geçen dalga akısı;

d1 derinliğinde geçen dalga akısı;

γ :Birim Hacim Ağırlık

Cg:Dalga katarındaki dalgaların grup hızı

B:Dalga ortogonalleri arası mesafe

olmak üzere denklemler eşitlenirse ;

Eşitlik düzenlenirse;

Burada kök içindeki grup dalga hızları oranı şu şekilde adlandırılırsa, Ks: Sığlaşma Faktörü olarak adlandırılırsa; d1 derinliğindeki dalga yüksekliği şöyle ifade olunabilir;

Dalga Sapması (Refraction)

Derinlik nedeniyle dalga ilerleme yönünün değişimidir.

Şekil.2’de de görüleceği üzere dalgalar derinlik sebebiyle ilerleme yönünde sapmaya uğrayabilirler. Sapmanın olması için dalga sırtları ile eş derinlik eğrileri arası açılı olmalıdır yani kıyı çizgisi veya dalga ilerleme yönünden biri dik olmamalıdır. Sapmanın incelenmesini şöyle yapmak mümkündür;

Snell yasası gereği;

sapmadan dolayı B0≠B1 bilgisi ile akılar yazılıp eşitlenirse;

Buradan denklem düzenlenirse;

Burada kök içinde grup dalga hızları oranının sığlaşma faktörü(Ks) olduğunu birinci bölümde ifade etmiştik.

Kök içinde B0/B1 oranınıda şu şekilde adlandırırsak; Kr:Sapma Faktörü, d1 derinğindeki dalga yükseklği ;

H1=H0*Ks*Kr şeklinde yazılabilir.

Ayrıca sapma faktörü Kr nin bulunması için sapma açılarının bilinmeside yeterlidir;

Not:Dalgalar eş derinlik eğrilerinin sıklaştığı bölgeye doğru saparlar.(Şekil.3)

Dalga Kırılması (Breaking)

Dalga formunu oluşturan akışkan parçacıklarının sığ suda kinetik enerjisinin  belli miktarını potansiyel enerjiye çevirmesi sonucu dalga yüksekliği artar(Şekil.4 ve Şekil.5) belli miktardan sonra dalga formu bozulur ve çeşitli tiplerde kırılmalar meydana gelir.(Şekil.6)

Kırılma Tipleri

• Köpürerek(spilling): İrribaren sayısının 0.5 den küçük olduğu,deniz tabanının yataya yakın olduğu yerlerde görülür.
• Dökülerek(plunging): İrribaren sayısının 0.5 ile 3.3 arasında olduğu,deniz tabanının fazla eğimli yada yataya yakın olmadığı orta eğimli bölgelerde görülür. (Sörfçülerin en sevdiği kırılma tipidir.)
• Şişerek(surging): İrribaren sayısının 3.3 den büyük olduğu,deniz tabanının yüksek eğime sahip olduğu bölgelerde görülür.

İrribaren sayısı: Kıyı bölgelerinde dalgaların kırılma türünü belirlemeye yarayan boyutsuz bir parametre olup, İspanyol mühendis Ramón Iribarren Cavanillas tarafından ortaya konmuştur.

Burada;

α: Deniz Taban Eğimi      H:Dalga Yüksekliği    ve   L0: Derin Su Dalga Boyudur  (1.56*T^2 ile bulunur.

Kırılma Derinliği Ve Kırılma Anı Dalga Yüksekliğinin Belirlenmesi

2 yöntem mevcut olup biri amprik yöntem diğeri ise grafik yöntemdir.

Ampirik Yöntem

Deniz taban eğimi sıfır kabul edilerek şu şekilde hesap yapılır;

Bu formülden hareketle;

yazılarak db elde olunur.

Burada;

Hb: Kırılma anı dalga yüksekliği                                       H0: Derin su dalga yüksekliği

L0: Derin su dalga boyu                                                    db: Kırılma derinliği

Grafik Yöntem

Deniz taban eğiminin etkisininde göz önüne alındığı abak kullanılması suretiyle kırılma anı derinliği ve dalga yüksekliğinin tespitini sağlar.Bu abak  Goda’nın 1970 yılındaki çalışmasına aittir.

Abak Kullanımı

• Abak.1 de yatay eksende bulunan  değer hesaplanır.(H0:Derin su dalga yüksekliği,g:yer çekim ivmesi ve T:Periyot değerleri ile hesaplanır.)[H0/(g*T^2)]
• Hesaplanan değer ile deniz taban eğimi vasıtasıyla abağa girilir ve düşey eksenden Hb/H0 değeri okunur.H0’ın yerine yazılması vasıtasıyla kırılma derinliği(Hb) bulunur.
• Bulunan Hb değeri abak.2’de yatay eksende yerine konularak değer hesaplanır.[Hb/(g*T^2)]
• Bulunan bu değer ve eğim vasıtasıyla düşey eksende db/Hb değeri okunur.Hb daha önce bulunduğundan yerine konulur ve kırılma derinliği db bulunmuş olur.

Dalga Dönmesi(Diffraction)

Dalga dönmesi, dalga sapmasıyla sık olarak karıştırılan bir durumdur. Dalga sapmasında asıl etken derinlikken, dalga dönmesinde asıl etken bir engeldir. Tanımlamak gerekirse:

Dalga Dönmesi

Bir engel nedeniyle dalga ilerleme yönünde meydana gelen değişimdir.(Şekil.7)

Şekil.8’de ki gibi bir dalga kıran düşünelim bu dalga kıranın korunaklık bölgesinde dalga yüksekliği Hd  iken gelen dalganın dalga yüksekliğine de Hi diyelim.

Kd: Dönme katsayısı = Hd/Hi şeklinde ifade olunur.

Dönme etkisi ile korunaklı bölgedeki bir noktada oluşacak dalga yüksekliğinin hesaplanabilmesi için,

Dalga ortogonalinin Kafa müzvarı ile yaptığı açı bilinmeli korunaklı bölgede belirlenen herhangi bir A noktasının kafa müzvarı orijin kabul edilecek şekilde oluşturulan eksen takımının eksenlerine göre olan uzaklığı  ve korunaklı bölgedeki A noktasında oluşacak dalga boyunun bilinmesi gerekir. Bunlar bilindikten sonra dalga dönme diyagramına girilir ve K’ okunur. Bu diyagramlar geliş açısına göre çok sayıda olduğundan bu yazıda sunulması mümkün değildir.(Diyagramlara Doç.Dr. Mustafa DOĞAN, Prof.Dr. Yalçın ARISOY ve Prof.Dr.Adnan AKYARLI hocalarımızın; KIYI MÜHENDİSLİĞİNDE SAYISAL UYGULAMALAR  adlı kitabından ulaşabilirsiniz.)

Bu işlemler takip edilerek K’ bulunur ve sadece dönme etkisi mevzu bahis ise, korunaklı bölgede A noktasında oluşacak Ha dalga yüksekliğini şöyle ifade etmek mümkündür;

Ha=H0*K’

Fakat diğer durumlarda mevzu bahis ise ilgili katsayılar aynı şekilde uygulanır.

Dalga Yansıması (Reflection)

Gelen dalgaların bir yüzeyden  bir kısmının veya tamamının geri dönmesidir.

Şekildeki gibi yatayla açısı θ derece olan eğimli bir yüzeye gelen dalgaların dalga yüksekliği Hi ve yansıyan dalgaların dalga yüksekliği Hr olarak adlandırılırsa ;

Yansıma Katsayısı= χ=Hr/Hi şeklinde ifade olunur.

Yansıma katsayısı(χ),elemanın yapıldığı malzemeye prüzlülüğüne ve yatayla yaptığı açıya bağlıdır.

İstenen yansıma için gerekli eğimin bulunması veya mevcut eğime göre yansıma hesabının yapılabilmesi için Abak. kullanılır.

Abakta yatay eksen sörf parametresini, düşey eksen ise yansıma katsayısını gösterir. Gelen dalganın yüksekliği ve yüzeyin eğimi biliniyorsa yatay eksende sörf parametresi girilip düşey eksende Yansıma katsayısı( χ) okunarak yansıyan dalganın ,dalga yüksekliği elde olunabilir veya gelen dalga yüksekliği bilinip yansıyan dalganın dalga yüksekliğinin istenen bir ölçüde olması talep edilirse bu sefer düşey eksende yansıma katsayısı girilip, yatay eksende sörf parametresi okunması suretiyle ne kadar eğim verilmesi gerektiği bulunabilir.

Diğer yazılarıma bu bağlantıdan ulaşabilirsiniz.