Hakan ERSOY, Murat KARAHAN, Tuğçe ANILAN

İtki Dalgalarının Oluşumunda Ölçek Etkisi, Hareket Süresi ve Çarpma Hızının Model Deneyler ve 3 Boyutlu Nümerik Simülasyonlarla Değerlendirilmesi

İtki dalgaları, baraj veya göl alanlarında heyelan, kaya düşmesi, çığ, moloz ve çamur akması gibi doğal jeolojik olayların tetiklemesi sonucu meydana gelmektedir. Oluşan dalganın hızı ve yüksekliği yamaç boyunca eğim aşağı hareket eden kütlenin suya çarpma hızına bağlıdır. Çarpma hızı ise yamaç eğimine, hareket eden kütlenin konumuna, fiziksel ve mekanik özelliklerine bağlıdır. İtki dalgalarının özellikleri, sayısal ve ampirik yaklaşımlarla belirleneceği gibi hidrolik modellerle de belirlenebilmektedir. Bu çalışmada ise ölçek etkisi ve hareket eden kütlenin suya çarpma hızları farklı yöntemler kullanılarak modellenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında tasarlanan bir hidrolik model üzerinde fiziksel deneyler yapılmış, 0.4 m3 hacimli bir havuz, yükleme rampası, yüksek hızlı kamera ve akışkan olarak su kullanılmıştır. Farklı rampa açılarında hareket eden suyun havuz tabanına ulaşma süresi, çarpma hızı ve havuzda oluşan dalga yüksekliği değerleri hesaplanmıştır. Aynı model, 3 boyutlu nümerik çözümleme yapan FLOW-3D programı kullanılarak farklı ölçeklerde tanımlanmış (0.1x, 1x, 10x, 100x, 1000x), farklı yoğunlukta akışkanlar (800-2000 kg/m3) kullanılarak çözümleme yapılmış ve serbest su seviyesi yükseklikleri tespit edilmiştir. Nümerik ve hidrolik model kullanılarak tanımlanan parametreler ampirik ilişkiler kullanılarak da belirlenmiştir. Yapılan nümerik çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre hidrolik model hangi ölçekte olursa olsun elde edilen sonuçların ölçekten etkilenmediği tespit edilmiştir. Her 3 yöntem kullanılarak belirlenen, su hareket hızı, çarpma hızı ve maksimum dalga yüksekliği değerleri arasındaki farkın %2-3 arasında değiştiği tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar basit rezervuarlar için ve kısa mesafeler için ölçek etkisinin önemsiz olduğunu ve hesaplamalarda ampirik ilişkilerin yeterli olabileceğini göstermiştir.

Anahtar Kelimeler:

Ampirik Eşitlikler, Çarpma Hızı, Dalga Yüksekliği, Hidrolik Model, İtki Dalgası, Nümerik Model

Assessment of Scale Effect, Travel Time, Impact Velocity on Forming of Impulse Waves using Model Tests, 3D Numerical Simulations

Impulse waves occur as a result of natural geological events such as landslides, rock falls, avalanches, rubble and mudflows in dam or lake areas. The celerity and height of the formed wave depends on the impact velocity of the mass moving into the water. The impact velocity depends on the slope, the location of the sliding materials, and their physical and mechanical properties. The characteristics of the impulse waves can be determined by numerical and empirical approaches as well as by hydraulic models. In this study, the scale effect and the slide impact velocity were modeled using different methods and the results obtained were compared. A hydraulic model, which was made of a pool of 0.4 m3 volume, loading ramp, high speed camera, and water as fluid, was designed to carry out the physical experiments within the scope of the study. The time it takes for the fluid to reach the bottom of the pool, the impact velocity of the fluid and the wave height were calculated for various ramp angles. The same model has been defined in different scales (0.1x, 1x, 10x, 100x, 1000x) using FLOW-3D program that performs 3-dimensional numerical analysis. Analysis were carried out using different density fluids (800-2000 kg/m3), and values of free surface elevation were determined. The parameters defined using the numerical and hydraulic model were also determined using empirical relationships. According to the results obtained from the numerical studies, it has been determined that the results obtained are not affected by the scale regardless of the scale of the hydraulic model. It has been determined that the difference between water celerity, impact velocity and maximum wave height values determined between all 3 methods varies between 2-3%. The results showed that the scale effect is insignificant for simple reservoirs and for short distances and empirical relationships may be sufficient for the calculations.

Keywords:

Empirical Equations, Impact Velocity, Wave Height, Hydraulic Model, Impulse Wave, Numerical Model,

PDF

___

Carvalho, R.F. ve Carmo, J.S.A., 2006. “Numerical and Experimental Modelling of the Generation and Propagation of Waves Caused by Landslides into Reservoirs and Their Effects on Dams”, Proc. River Flow 2006, ed. R. M. L. Ferreira, E. C. T. L. Alves, J. G. B. A. Leal and A. H. Cardoso,. Vol. 1, pp.483-492. Lisbon, Portugal.
Di Risio M., Sammarco P., 2008. Analytical Modeling of Landslide-Generated Waves. J Waterw Port Coast Ocean Eng 134(1):53–60. doi:10.1061/(ASCE)0733-950. (2008)134:1(53).
Ersoy H., Karahan M., Gelişli K., Akgün A., Anılan T., Sünnetci M.O., Yahşi B.K., 2019. Modelling of the Landslide-Induced Impulse Waves in the Artvin Dam Reservoir by Empirical Approach and 3D Numerical Simulation Eng. Geol., 249 (2019), pp. 112-128, 10.1016/j.enggeo.2018.12.025.
Flow Science, Inc. FLOW-3D Version 11.2 Documentation, Santa Fe, Newmexio, USA, 2016
Fritz H.M., 2002. Initial Phase of Landslide Generated Impulse Waves. PhD Thesis Swiss Federal Institute of Technology, Zu¨rich, Switzerland.
Gabl R., Seibl J., Gems B., Aufleger M., 2015. 3-D-Numerical Approach to Simulate an Avalanche Impact into a Reservoir. Nat Hazards Earth Syst Sci, Discuss 3:4121–4157. doi:10.5194/nhessd-3-4121-2015.
Grilli S.T., Vogelmann S., Watts P., 2002. Development of a 3D Numerical Wave Tank for Modeling Tsunami Generation by Underwater Landslides. Eng Anal Bound Elem 26(4):301–313. doi:10.1016/S0955-7997(01)00113-8.
Heller, V., 2007. Landslide Generated Impulse Waves—Prediction of Near Field Characteristics. PhD thesis, ETH Zurich.
Heller, V., Hager W.H., and Minor H.E., 2008. Scale Effects in Subaerial Landslide Generated Impulse Waves, Exp. Fluids, 44, 691_703, doi:10.1007/s00348-007-0427-7.
Heller, V., Hager, W.H., Minor H.E., 2009. Landslide Generated Impulse Waves in Reservoirs—Basics and Computation. Mitteilungen 211 Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich.
Heller V., Kinnear R.D., 2010. Discussion of (2009) Experimental Investigation of Impact Generated Tsunami; Related to a Potential Rock Slide, Western Norway by Sælevik G, Jensen A, Pedersen G (Coastal Eng 56:897-906). Coast Eng 57(8):773–777. Hughes S., 1993. Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering. World Scientific, Singapore. https://tr.qwertyu.wiki/wiki/List of Historical Tsunamis.
Körner H.J., 1976. Reichweite und Geschwindigkeit von Bergstürzen und Fliessschneelawinen. Rock Mech. 8, 225–256. https://doi.org/10.1007/BF012593.
Macfarlane D.F., and Jenks D.G., 1996. Stabilisation and Performance of No. 5 Creek Slide, Clyde Power Project, New Zealand. In Proceedings of the 7th International Symposium on Landslides, Trondheim. Edited by K. Sennest. A. A. Balkema, Rotterdam. Vol. 3. Pp. 1739-1746.
Montagna F., Bellotti G., Di Risio M., 2011. 3D Numerical Modeling of Landslide-Generated Tsunamis Around a Conical Island. Nat Hazards 58(1):591–608.
Müller D.R., 1995. Auflaufen und Überschwappen von Impulswellen an Talsperren. Mitteilungen 137, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich.
Nieuwkoop J.C., Van C., 2007. Experimental and Numerical Modelling of Tsunami Waves Generated by Landslides, Msc Thesis, Delft University of Technology. Özalp S., 2018. Tsunami: Yerküremizin Dev Dalgaları. Doğal Kaynaklar ve Ekonomi Bülteni (2018) 26: 33-39.
Panizzo A., 2004. Physical and Numerical Modelling of Subaerial Landslide Generated Waves, Ph.D. Thesis, Universit`a Degli Studi di L’Aquila, L’Aquila.
Panizzo A., De Girolamo P., Petaccia A., 2005. Forecasting Impulse Waves Generated by Subaerial Landslides. J Geophys Res: Oceans (1978–2012), 110(C12).
Quecedo M., Pastor M., Herreros M.I., 2004. Numerical Modelling of Impulse Wave Generated by Fast Landslides. International Journal for Numerical Methods in Engineering 59, 1633–1656.
Shi C.Q., An Y., Q. ve Liu Q., 2015. Landslide-Generated Impulse Waves in Deep V Channel: Runup and Near Field Characteristics. 7th International Conference on Fluid Mechanics, ICFM7. 126 ( 2015 ) 232 – 236.
Solidwork Premium SP5, Concord, Massachusetts, USA, 2016.
Sue P., 2007. Modelling of Tsunami Generated by Submarine Landslides. Doctor of Philosophy in Civil Engineering, University of Canterbury, Christchurch New Zealand.
Wang F., Zhang Y., Huo Z., Peng X., Wang S., Yamasaki S., 2008. Mechanism for the Rapid Motion of the Qianjiangping Landslide During Reactivation by the First Impoundment of the Three Gorges Dam Reservoir, China. Landslides 2008a;5(4):379e86.
Wang L, Chen ZY, Wang NX, Sun P, Yu S, Li SY, Du XH (2016) Modeling Lateral Enlargement in Dam Breaches Using Slope Stability Analysis Based on Circular Slip Mode. Eng Geol 209:70–81.
Wiegel R.L., 1964. Oceanographical Engineering (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J.).
Yin Y., Huang B., Chen X., Liu G., Wang S., 2015. Numerical Analysis of Wave Generated by the Qianjiangping Landslide in Three Gorges Reservoir, China. Landslides;12(2):355e64.
Zweifel A., 2004. Impulswellen Effekte der Rutschdichte und der Wassertiefe. Dissertation 15596, ETH Zurich.