Yeraltı suyu akımı etkisinde akarsu kıyısı modelinde oluşan sızma erozyonunun lif katkısı ile önlenmesinin laboratuvar deneyleri ile incelenmesi

Abstract

Akarsu kıyısı erozyonunun en önemli etkenlerinden birisi yeraltı suyu akışıdır. Özellikle, yeraltı suyunun akarsu taban akışını desteklediği dere içine doğru akışı sırasında akarsu kıyısı sediman daneleri sürüklenebilir veya sıvılaşabilir. Geçmiş çalışmalar daha çok yeraltı suyu sızma erozyonunun mekanizmasına yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada, bitki köklerinin doğal yamaçlardaki erozyona karşı etkisini taklit edebilen 6 mm ve 18 mm uzunluğundaki polipropilen lif malzemesini kullanan bir koruyucu önlem metodu laboratuvar fiziksel akarsu kıyısı model deneyleri ile incelenmiştir. Akarsu kıyısı fiziksel modelleri 195 cm uzunluğunda, 100 cm genişliğinde ve 110 cm yüksekliğinde kuru birim hacim ağırlığı 14 kN/m3 ve şev yüzeyi 45o olacak şekilde bir erozyon kanalı içerisinde kum kullanılarak inşa edilmiştir. Erozyon kanalının memba kısmında bulunan su haznesinde deneyler sırasında sabit tutulan 50 cm-H2O ve 100 cm-H2O değerindeki piyezometrik yükseklikler akarsu kıyısı şev modelinde iki farklı yeraltı suyu hidrolik eğimi meydana getirmiştir. Akarsu kıyısı şev modeli içerisinde oluşan pozitif boşluk suyu basınçları titreşim telli (vibrating wire – VW) piyezometreler ile ölçülmüştür. Buna ek olarak, erozyon kanalı yan duvarı boyunca konumlandırılan tansiyometreler ile şev yan yüzeyindeki boşluk suyu basınçları ölçülmüştür. Katkısız kum ile yapılan deneyler sırasında yeraltı suyunun şev yüzeyinden çıkış yapmaya başlamasıyla birlikte bu bölgedeki sediman erozyonu gerçekleşmiştir. Erozyon sonucu oluşan oyukların hacimleri üç-boyutlu lazer taraması tekniğiyle hesaplanmıştır. 6 mm %0.3 lif içerikli akarsu kıyısı koruması 50- ve 100 cm-H2O piyezometrik yük sınır koşulları altında yapılan deneylerdeki toplam sızma erozyonu hacimlerini sırasıyla %65 ve %53 oranında azaltmıştır. Kohezyondaki artışa bağlı olarak, 6 mm ve 18 mm uzunluklarındaki lifli akarsu kıyısı koruması %1.0 lif içeriğiyle 50- ve 100 cm-H2O piyezometrik yük sınır koşulu altında katkısız kumda gözlenmiş olan erozyonu tamamen önlemiştir.

Groundwater flow is one of the major contributors in streambank erosion. Specifically, sediments on the streambank surface can be entrapped or liquefied by groundwater flow which seeps into the channel and forms the base flow during low-flow conditions. Previous studies mainly focused on groundwater seepage erosion mechanisms. On the other hand, this study investigated the use of 6-mm and 18-mm long discrete monofilament polypropylene (PP) fibers in order to mimic the effect of tree roots against erosion of natural slopes by laboratory physical streambank model experiments. The streambank slope models were 195 cm long, 100 cm wide and 110 cm high and were constructed in an erosion flume with sand dry unit weight of 14 kN/m3 and slope angle of 45o. The water reservoir located in the upstream section of the erosion flume supplied constant piezometric head boundary conditions (BC) of 50 cm-H2O and 100 cm-H2O so that the performance of the fiber use could be tested under two different hydraulic gradients. Positive pore-water pressures developed within the slopes were measured by vibrating wire (VW) piezometers. In addition, tensiometers installed on the side of the erosion flume measured both suction and positive pore-water pressures developed near the side wall. The experiments with unreinforced sand showed that the erosion initiated as the groundwater started seeping on the slope surface. Erosion volumes were calculated by the use of point clouds generated by three-dimensional (3D) laser scanning of the slope surface during the experiments. The inclusion of 6-mm long PP fibers at 0.3% gravimetric content reduced the seepage erosion by 65% and 53% under 50 cm-H2O and 100 cm-H2O piezometric head BC, respectively. Due to the increase in cohesion supplied at 1.0% gravimetric content, the inclusion of 6-mm and 18-mm long PP fibers successfully protected the slope against erosion under groundwater seepage.