Effect of Mean Water Level Variations on the Design and Performance of Rubble-Mound Coastal Protection Structures

Abstract

Variations in mean water level such as tides, seasonal variations, wave set-up/set-down, storm surge and sea level rise due to global warming are directly related to design and performance evaluation of rubble-mound coastal structures. The highest water level is generally considered as the most critical water level for this type of structures. However, Coastal Structures Planning and Design Manual [1] states that the most critical water level can be observed in between the lowest water level and the highest water level. In this study, the effects of different approaches used in selecting design water level on the mass of the armor stone and the free crest height are investigated. Three project sites are selected in the Black Sea, Aegean Sea and the Mediterranean Sea, and the mass of armor stones and the free crest height are calculated at each water level that might be observed during the economic lifetime of these structures. For the selected projects, up to 60% of bigger mass of armor stones are found at lower water levels compared to higher water levels. The results of this study examplifies that the most critical water level can be observed in between the lowest water level and highest water level. In addition, the relation of the most critical water level and the calculation methods of the mass of armor stones are discussed, and it is suggested to assess all the water levels that might occur during the economic life of the structure.

Keywords

• Mean water level,rubble mound,armor layer,wave overtopping,climate change

Ortalama Su Seviyesi Değişimlerinin Taş Dolgu Kıyı Koruma Yapılarının Tasarımına ve Performansına Etkisi

Abstract

Gel-git, mevsimsel değişiklikler, dalga kabarması/alçalması, fırtına kabarması ve küresel ısınmaya bağlı su seviyesi değişimleri sonucunda ortalama su seviyesinde gözlenen değişimler, taş dolgu kıyı koruma yapılarının tasarımlarının ve performanslarının değerlendirilmesi ile doğrudan ilgilidir. Bu tip yapılar için en kritik su seviyesi, yaygın olarak en yüksek su seviyesi tanımı ile kullanılmaktadır. Ancak, Kıyı Yapıları Planlama ve Tasarım Teknik Esasları’nda [1] koruma yapısında kullanılacak taşların kütlelerinin belirlenmesi için en kritik su seviyesinin en düşük su seviyesi ile en yüksek su seviyesi arasında ortaya çıkabileceği belirtilmiştir. Bu çalışmada taş dolgu kıyı koruma yapılarının tasarım derinliğinin belirlenmesinde kullanılan farklı yaklaşımların koruma tabakası taş kütlesi ile serbest kret kotuna olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla Karadeniz, Ege Denizi ve Akdeniz’de birer proje alanı seçilmiş ve bu projelerdeki yapıların ekonomik ömürleri boyunca gözlenebilecek tüm su seviyelerinde koruma tabakası taş kütlesi ile serbest kret kotu hesaplanmıştır. Seçilen projeler için daha düşük su seviyelerinde daha yüksek su seviyelerine göre %60’a varan oranlarda daha büyük taş kütlesi bulunmuştur. Çalışma sonuçları, en yüksek su seviyesinden daha kritik bir su seviyesinin, düşük su seviyesi ile en yüksek su seviyesi arasındaki herhangi bir su seviyesinde de oluşabileceğine örnek oluşturmaktadır. Buna bağlı olarak, seçilen kritik su seviyesi değeri ile koruma tabakası taş kütlesi hesaplama yöntemlerinin ilişkisi tartışılmış ve yapının ekonomik ömrü boyunca oluşabilecek tüm su seviyelerinin tasarım derinliği belirlenirken göz önünde bulundurulması önerilmiştir.

Keywords

• ortalama su seviyesi,taş dolgu,koruma tabakası,dalga aşması,iklim değişik

References

1. [1] AYGM (Altyapı Yatırımları Genel Müdürlüğü), Kıyı Yapıları Planlama ve Tasarım Teknik Esasları. T.C. Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanlığı, Ankara, Türkiye, 2016.
2. [2] CERC (Coastal Engineering Research Center), Shore Protection Manual. USACE, Vicksburg, Mississippi, ABD, 1984.
3. [3] CIRIA, CUR, CETMEF. The Rock Manual. The use of rock in hydraulic engineering (2. Baskı). C683, CIRIA, Londra, İngiltere, 2007.
4. [4] Van der Meer, J.W., Rock Slopes and Gravel Beaches under Wave Attack. Doktora Tezi, Delft Universitesi, Hollanda, 1988.
5. [5] Van Gent, M.R.A., Smale, A.J., Kuiper, C., Stability of Rock Slopes with Shallow Foreshores. 4. Uluslararası Kıyı Yapıları Konferansı Bildirileri Kitabı, Portland, ABD, 2004.
6. [6] EurOtop. Manual on wave overtopping of sea defences and related structures. An overtopping manual largely based on European research, but for worldwide application. Van der Meer, J.W., Allsop, N.W.H., Bruce, T., De Rouck, J., Kortenhaus, A., Pullen, T., Schüttrumpf, H., Troch, P. ve Zanuttigh, B., www.overtopping-manual.com. 2016.
7. [7] Simav, M., Okay, H., Gürer, A., Akçakaya, M., Yılmaz, S., Akça, M., Çakmak, R., Karaböce, B., Sadıkoğlu, E., Doğan, U., Türkiye Yükseklik Sisteminin Modernizasyonu ve Gravite Altyapısının İyileştirilmesi Projesi. TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 15. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, 25-28 Mart 2015, Ankara, 2015.
8. [8] Reeve, D., Chadwick, A., Fleming, C., Coastal Engineering: Processes, Theory and Design Practice”, Spon Press, Taylor & Francis, 2004.

9. [9] Alpar, B., Dogan, E., Yüce, H., Altiok, H., Sea Level Changes along the Turkish Coasts of the Black Sea, the Aegean Sea and the Eastern Mediterranean. Med. Marine Science, 1, 141-156, 2000.
10. [10] Goda, Y., Random Seas and Design of Maritime Structures, 3. Basım. World Scientific, 2010.
11. [11] SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute), Air Pressure and Sea Level. Web Sitesi: https://www.smhi.se/en/theme/air-pressure-and-sea-level-1.12266, En son giriş tarihi: 25 Temmuz 2018, 2018.
12. [12] Yu, D., Analysis on Impact of the Coriolis Forces on Flow in the Yangtze River Estuary. 3. Çin-Alman Birleşik Kıyı ve Okyanus Mühendisliği Sempozyumu, National Cheng Kung Universitesi, Tainan, November 8-16 2006, 2006.
13. [13] Suh, K.D., Kim, S-W., Mori, N., Mase, H., Effect of Climate Change on Performance-based Design of Caisson Breakwaters. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 138(3), 215-225, 2012.
14. [14] Shimosako, K., Takahashi, S., Reliability Design Method of Composite Breakwater using Expected Sliding Distance. Port and Harbour Research Institute, Ministry of Transport, Yokosuka, Japan, 1998. (Japonca)
15. [15] Kim, T. M.,, Takayama, T., Computational Improvement for Expected Sliding Distance of a Caisson-type Breakwater by Introduction of a Doubly-truncated Normal Distribution. Coastal Engineering Journal, 45 (3), 387-419, 2003.
16. [16] T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Türkiye İklim Değişikliği 6. Bildirimi, 2015.
17. [17] Ozyurt, G., Kirezci, C., Guler, H. G., Baykal, C., Yalciner, A. C., Pelinovsky, E., Zaytsev, A., Kurkin, A., Observations of Extreme Waves at South Coast of Black Sea. IUGG Genel Toplantısı 2015, 22 Haziran-2 Temmuz 2015, Prag, Çek Cumhuriyeti, 2015.
18. [18] Alpar, B., Doğan, E., Yüce, H., On the Long Term (1935-1976) Fluctuations of the Low Frequency and Main Tidal Constituents and their Stability in the Gulf of Antalya. Turkish Journal of Marine Science 1, 13-22, 1995.
19. [19] Belokopytov, V., Goryachkin, Y., Sea Level Changes in the Black Sea (1923-1997). Mitchum, Gary (Ed), IOC Çalıştay Raporu, 1999.
20. [20] Shuisky, Y. D., Implications of the Black Sea Sea Level Rise in Ukraine. SURVAS Bildirileri Kitabı, Hamburg, Almanya, 2000.
21. [21] Yıldız, H., Demir, C., Mean Sea Level Changes and Vertical Crustal Movements at Turkish Tide Gauges for the Period of 1984-2001. Dikey Kabuk Hareketi ve Deniz Seviyesi Değişimi Çalıştayı, 17-19 Eylül 2002, Toulouse, Fransa, 2002.
22. [22] Tsimplis, M.N., Josey, S.A., Rixen, M., Stanec, E.V., On the Forcing of Sea Level in the Black Sea. Journal of Geophysical Research, 109, 2004.
23. [23] Alpar, B., Vulnerability of Turkish Coasts to Accelerated Sea-Level Rise. Geomorphology, 107, 58-63, 2009.
24. [24] Simav, M., Yıldız, H., Türkezer, A., Lenk, O., Özsoy, E., Sea Level Variability at Antalya and Menteş Tide Gauges in Turkey: Atmospheric, Steric and Land Motion Contributions. Studia Geophysica and Geodaetica, 56, 215-230, 2012.
25. [25] Avşar, NB., Jin, S., Kutoglu, H., Gurbuz, G., Sea Level Change along the Black Sea Coast from Satellite Altimetry, Tide Gauge and GPS Observations. Geodesy and Geodynamics, 7 (1), 50-55, 2016.
26. [26] Vousdoukas, M.I., Mentaschi, L., Voukouvalas, E., Verlaan, M., Feyen, L., Extreme Sea Levels on the Rise along Europe’s Coasts. Earth’s Future, 5, 304-323, 2017.
27. [27] Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), Coastal Systems and Low-Lying Areas, AR5 Sentez Raporu. 2014.
28. [28] USACE (US Army Corps of Engineers), Coastal Engineering Manual Part VI. 28 Eylül 2011 (3. Değişiklik), 2011.
29. [29] Baykal, C., Two-Dimensional Depth-Averaged Beach Evolution Modelling. Doktora Tezi, ODTÜ, Ankara, Türkiye, 2012.
30. [30] Baykal, C., Development of A Two-Dimensional Beach Evolution Model. Turkish Journal of Earth Sciences, 23: 215-231., 2014.
31. [31] Baykal, C., Ergin, A., Güler, I., Two-Dimensional Depth-Averaged Beach Evolution Modelling: Case Study of the Kizilirmak River Mouth, Turkey. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, Vol 140, Issue 3, 2014.
32. [32] Battjes, J. A., Groenendijk, H. W. Wave Height Distribution on Shallow Foreshores. Coastal Engineering, Vol 40, No. 3, pp. 161-182, 2000.
33. [33] Hsu, S.A., On the Correction of Land-Based Wind Measurements for Oceanographic Applications. 17. Uluslararası Kıyı Mühendisliği Konferansı Bildirileri Kitabı, 1980.
34. [34] Ergin, A., Özhan, E. Wave Hindcasting Studies and Determination of Design Wave Characteristics for 15 Regions - Final Report, ODTÜ, Ankara, 1986.
35. [35] Ergin, A., Yalciner, A.C., Guler, I., Baykal, C., Esen, M., Karakus, H., Fugla Beach Protection and Control Project - Final Report. ODTÜ, Ankara, 2008.
36. [36] Reeve, D., On the Impacts of Climate Change for Port Design, 26. Uluslararası Limanlar ve Deniz Taşımacılığı Konferansı Bildirileri Kitabı, 2010.
37. [37] Burcharth, H. F., Andersen, T. L., Lara, J. L., Upgrade of Coastal Defence Structures against Increased Loadings caused by Climate Change: A First Methodological Approach. Coastal Engineering, 87, 112-121, 2014.
38. [38] Burcharth, H. F., Zanuttigh, B., Andersen, T.L., Lara, J.L., vd., Innovative Engineering Solutions and Best Practices to Mitigate Coastal Risk. Coastal Risk and Mananagement in a Changing Climate, Elsevier Inc., 2015.
39. [39] Karlsson, T., Refraction of Continuous Ocean Wave Spectra. ASCE Bildirileri Kitabı 95 (WW4), 1969.
40. [40] Mase, H., Multidirectional Random Wave Transformation Model Based on Energy Balance Equation. Coastal Engineering Journal, 43 (4), 317–337, 2001.
41. [41] Janssen, T. T., Battjes, J. A., A Note on Wave Energy Dissipation over Steep Beaches. Coastal Engineering, 54, 711-716, 2007.
42. [42] Camenen, B., Larson, M., Predictive Formulas for Breaker Depth Index and Breaker Type. Journal of Coastal Research, 23(4), 2007.
43. [43] Longuet-Higgins, M.S., Stewart, R.W., Radiation Stresses in Water Waves; A Physical Discussion with Applications. Deep-Sea Research 11: 529-562, 1964.
44. [44] Tajima, Y., Madsen, O. S., Modelling Near Shore Waves and Surface Roller. Asya Pasific Kıyıları 2. Uluslararası Konferansı, Makuhari, Chiba, Japonya, 2003.