MÜHJEO 2017: Ulusal Mühendislik Jeolojisi ve Jeoteknik Sempozyumu, Ekim 2017, ÇÜ, Adana

Transkript

1 Beypazarı Gölet Yerindeki Tüfün Temel Kaya Olabilirliğinin İncelenmesi, (Ankara) Investigation of Tuff as Foundation Material at Beypazarı Reservoir Site (Ankara) K. Ulamış 1*, R. Temiz 2, R. Kılıç 1 1 Ankara Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Gölbaşı, Ankara 2 Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara (*ulamis@ankara.edu.tr) ÖZ: Jeolojik birimlerin geçirimlilik, dayanım ve kazılabilirliklerinin belirlenmesi baraj yeri seçiminde önemlidir. Bu çalışmada, Ankara ili, Beypazarı İlçesinin kuzeyinde planlanan Beypazarı Gölet yerindeki birimlerin kaya kütle özellikleri değerlendirilmiştir. Temel birim Miyosen yaşlı Hırka Formasyonu'na ait litik tüftür. DSİ tarafından eksen yerinde ve sondajlar ve basınçlı su (Lugeon) deneyleri yapılmıştır. Litik tüf "geçirimli" ve "çok geçirimli" dir. Tek eksenli sıkışma dayanımına göre yüksek modül oranlı, çok düşük ve düşük dayanımlı, birleşik ayrışma indeksine (UAI) göre son derece ayrışmış ve az ayrışmış, RMR ile Q sınıflamalarına göre "zayıf-orta" ve GSI değerine göre bloklu-örselenmiş kaya olarak tanımlanmıstır. Litik tüfün kazılabilirlik sınıflamasında süreksizlikler ve kaya kütle sınıfları kullanılmıştır. Sağlam karotların dayanımı ile süreksizlik açıklığının karşılaştırılması veya sonik dalga hızına göre kazılabilirliğin yorumlanması anizotropi dikkate alındığında yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir. Kaya kütle dayanımı ve süreksizlik özelliklerini dikkate alarak geliştirilen kazılabilirlik indeksine göre litik tüf " orta- zor kazılabilir" sınıfındadır. Anahtar Kelimeler: Tüf, Kaya Kütle sınıflaması, Geçirimlilik, Kazılabilirlik, Beypazarı Göleti ABSTRACT: Investigation of permeability, strength and slope stability characteristics of geological units is a key factor for dam site selection. This study aims to assess the rock mass properties of the units at the Beypazarı reservoir place, located at northern Beypazarı, Ankara. Main unit is lithic tuff of Miocene aged Hırka Formation. Boreholes were drilled by DSİ with Lugeon Testing program. The lithic tuff is "permeable" and "highly permeable". Same unit is also classified as "rock with high modulus ratio with very low and low strength" based on uniaxial compressive strength; "extremely altered" and "slightly altered" based on unified alteration index (UAI); "weak-moderate" based on RMR and Q; "blocky-disturbed rock mass" based on GSI classifications. Excavability of yhe lithic tuff is investigated based on discontinuity and rock mass characteristics instead of using sonic wave velocity or comparison of discontinuities with intact rock strength due to anisotropy. Lithic tuff is classified as "hard ripping rock" regarding to excavability index, which takes the rock mass strength and discontinuities into account. Keywords: Tuff, rock mass classification, permeability, excavability, Beypazarı Reservoir 1. GİRİŞ Kaya kütlelerinin jeolojik ve jeoteknik değerlendirmesi, inşa edilecek mühendislik yapılarının güvenli olarak ekonomik ölçülerde yapılabilirliği açısından önemlidir. Baraj yeri planlamasında jeolojik birimlerin taşıma gücü, geçirimlilik, kazılabilirlik ve kazı şevlerinin duraylılıklarının belirlenmesi gereklidir. Kaya ve zeminlerin kazılabilirlik özellikleri ile ilgili çalışmalar yapılmıştır (Weaver, 1975; Church, 1981; Abdullatif ve Cruden, 1983; Smith, 1986; Pettifer ve Fookes, 1994; Basarir ve Karpuz, 2004; Tsiambos ve Saroglu, 2009). Bu çalışmada; Beypazarı Göleti eksen yerindeki Miyosen yaşlı litik tüflerin RMR, Q ve GSI kaya kütle sınıflamalarını belirlemek için sondajlar ve arazide hat incelemeleri yapılmıştır. Lugeon deneyleri ile tüflerin geçirimlilikleri belirlenmiş olup, aks yeri bölgelendirilmiştir. Litik tüflerin indeks ve jeomekanik özellikleri laboratuvarda incelenmiştir. Arazi ve laboratuvar verilerini birarada dikkate 285

2 alan kazılabilirlik indeksi heasaplanarak aks yerinin ve diğer baraj yapılarının oturacağı temel birim olan tüfün kazılabilirlik/sökülebilirlik derecesi belirlenmiştir. 2. JEOLOJİ İnceleme alanı ve çevresi ile ilgili genel jeoloji amaçlı çalışmalar yapılmıştır (Stchepinsky, 1942; Erol, 1955; Türkecan vd., 1999). İnceleme alanında temel birimler Beypazarı Neojen havzası içinde yer alan Miyosen yaşlı Hırka, Sarıağıl ve Çakıloba formasyonlarıdır. Hırka formasyonuna ait birimler eksen yeri ve göl alanı civarında yaygın olarak gözlenir. Hırka formasyonu tipik olarak ismini aldığı Hırka Köyü nde görülmektedir. Formasyon ilk kez Aziz (1976) tarafından tanımlanmıştır. İnceleme alanında yapılan jeoteknik amaçlı sondaj verilerine göre bu formasyona ait tabanda kiltaşı ve üstte litik tüf mevcuttur. Karacakaya deresinde talvegten itibaren üst kotlarda kahverengi turuncu rengiyle litik tüfler yer almaktadır. En altta bulunan Hırka formasyonu'nun üstüne gelen Sarıağıl ve Çakıloba formasyonları kiltaşı ve kireçtaşından oluşmaktadır (Şekil 1)... Şekil 1. Beypazarı Göleti eksen yeri ve göl alanının jeoloji haritası (Temiz, 2011). 3. ARAZİ ÇALIŞMALARI İnceleme alanında litik tüflerde hat incelemeleri yapılarak süreksizlik karakteristikleri incelenmiştir. Süreksizliklerin yönelim, aralık, açıklık, devamlılık, pürüzlülük ve dolgu maddesi özellikleri ISRM (2007) esas alınarak belirlenmiş ve sınıflandırılmıştır. DSİ tarafından eksen yerinde 5 adet toplam 600 m jeoteknik amaçlı sondaj yapılarak karot örnekleri alınmış ve yeraltı suyu seviyesi belirlenmiştir. Ayrıca, basınçlı su testi yapılarak geçirimlilik özellikleri belirlenmiştir (Şekil 2). 4. LABORATUVAR ÇALIŞMALARI Litik tüflerden alınan karot örneklerinin fiziksel (Çizelge 1) ve jeomekanik özellikleri (Çizelge 2) incelenmiştir. Toplam 25 adet karot örneğinin birim ağırlık, ağırlıkça/hacimce su emme ve gözeneklilikleri belirlenmiştir. Litik tüf, gözeneklilik değerlerine göre "çok fazla gözenekli" olarak değerlendirilmiştir (Moos ve Quervain, 1948). Kaya kütle sınıflamalarında, jeomekanik değerlendirme 286

3 ve kazılabilirlik sınıflamasında kullanılmak üzere litik tüfün tek eksenli sıkışma dayanımı ile teğetsel elastisite modülü, poisson oranı ve P-dalga hızı aralıkları belirlenmiştir. Litik tüf, tek eksenli sıkışma dayanımı ve elastisite modülüne göre yüksek modül oranlı, çok düşük ve düşük dayanımlı olarak sınıflandırılmıştır. 5. JEOMEKANİK DEĞERLENDİRME Çizelge 1. Litik tüfün fiziksel özellikleri. En En Ortalama düşük yüksek Kuru birim ağırlık, kn/m Doygun birim ağırlık, kn/m Ağırlıkça su emme, % Hacimce su emme, % Gözeneklilik, % Çizelge 2. Litik tüfün jeomekanik özellikleri. En En Ortalama düşük yüksek Tek eks. MPa Teğetsel el. mod. MPa Poisson oranı Vp, m/s Kaya kütle sınıflamasında kullanılmak üzere litik tüfün RQD değerleri belirlenmiş ve sınıflandırılmıştır (Çizelge 3). Özellikle talvegdeki sondajlarda RQD değeri %19 ile %43 arasında olup, "çok zayıf-zayıf" kaya grubundadır (Deere, 1964). Tüfün tek eksenli basınç dayanımı MPa ile MPa arasında değişmekte olup birleşik ayrışma indeksine (UAI) göre son derece ayrışmış ve az ayrışmış sınıfındadır (Kılıç, 1999). Çizelge 3. Litik tüfün ortalama RQD değerleri. Sondaj Lokasyon Derinlik, m RQD, % SK1 Sağ yamaç SK2 Sağ yamaç SK3 Talveg SK4 Sol yamaç SK5 Sol yamaç Süreksizlikler "orta aralıklı", "orta derecede geniş", "çok yüksek devamlı" ve "düzlemsel-pürüzlü" olarak sınıflandırılmıştır. Yeraltı suyu seviyesi 79 m ile 108 m arasında değişmektedir. Litik tüfün geçirimlilik katsayısı 5 Lugeon ile 30 Lugeon arasında olup, "az geçirimli" ve "çok geçirimli" dir (Şekil 2). Hırka Formasyonu'na ait litik tüflerin altındaki kiltaşları da talvegde m arası haricinde "az geçirimli-geçirimlidir". Litik tüf ve kiltaşı laboratuvar deneylerinde düşük dayanımlı ve yüksek gözenekli olarak sınıflandırılmıştır. Bölgelendirme yapılırken bu durum dikkate alınarak çok kısa aralıklarda değişen ani geçirimlilik sınıfı değişimleri gözardı edilmiştir. Anizotropi, tüfteki eklem takımları ve bozunma da dikkate alındığında, sağ sahilde litik tüften kiltaşına geçiş zonuna kadar yüksek geçirimli bir kesim bulunmakta olup sol sahilde aynı seviyelerde çok geçirimli kesimler bulunmamaktadır. 287

4 Şekil 2. Baraj aks yerinde yapılan Lugeon deneylerine göre geçirimlilik bölgelendirmesi. 6. KAYA KÜTLE SINIFLAMASI Litik tüflerin RMR (Bienawski, 1989), Q (2002) ve GSI (Hoek vd., 2002) kütle sınıflamaları en iyi ve en kötü koşullar dikkate alınarak yapılmıştır. RMR puanına göre en kötü koşullarda "zayıf kaya", en iyi koşullarda "orta", Q puanına göre "olağanüstü zayıf" ve "orta" kaya kütlesidir (Çizelge 4). Çizelge 4. Litik tüfün en düşük ve yüksek RMR ve Q sınıfları. Parametreler En düşük Puan En yüksek Puan Tek eksenli sıkışma dayanımı, MPa RQD, % Süreksizlik aralığı, cm Süreksizlik devamlılığı, cm > Süreksizlik açıklığı, mm > Süreksizlik yüzey pürüzlülüğü Az pürüzlü 3 Pürüzlü 5 Dolgu malzemesi <5mm 2-6 Bozunma Çok 0 Orta 3 Su gelimi, l/dk Islak 7 Nemli 10 RMR Parametreler En düşük En yüksek RQD, % Eklem seti sayısı 12 6 Eklem pürüzlülük sayısı 2 1 Eklem alterasyon sayısı 4 1 Su azaltma faktörü Gerilim azaltma faktörü 10 1 Q Litik tüfün kaya kütle dayanımının belirlenmesi amacı ile GSI değeri Hoek vd. (2013) tarafından yapılan değişiklikler de dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Roclab programı ile yapılan değerlendirme sonucunda kütle dayanım parametreleri belirlenmiştir (Çizelge 5). 288

5 7. KAZILABİLİRLİK Çizelge 5. Litik tüfün kaya kütle dayanımı özellikleri. Tek eksenli sıkışma dayanımı, MPa GSI 47 Örselenme faktörü, D 0.7 Malzeme sabiti, mi 13 S, kütle sabiti m, kütle sabiti a, kütle sabiti Kohezyon, MPa İçsel sürtünme açısı Kütle sıkışma dayanımı, MPa Kütle deformasyon modülü, MPa Kayaçların kazılabilirliklerine yönelik süreksizlik özellikleri, tek eksenli sıkışma dayanımı, nokta yük dayanım indeksi, P-dalga hızı gibi parametreleri kullanılarak çalışmalar yapılmıştır (Franklin vd. 1971; Scoble, ve Müftüoğlu, 1984; McLean, ve Gribble, 1985; Karpuz, 1990; Pettifer ve Fookes, 1994). Kazılabilirlik ile ilgili yapılan çalışmalarda özellikle kaya kütlesinde kazıda ne tür yöntem kullanılması gerektiği vurgulanmıştır. Bu çalışmada Kirsten (1982) tarafından önerilen ve farklı jeolojik malzemelerin kazılabilirlik özelliklerini Q sınıflama sistemini esas alan yöntem ile nokta yük dayanımı indeksi ve süreksizlik aralık indeksini dikkate alan Pettifer ve Fookes (1994) yöntemi kullanılmıştır (Şekil 3, Çizelge 6). Litik tüfün kazılabilirliği sağlam karot örnekleri, arazi incelemeleri ve kaya kütle özelliklerini bir arada değerlendirerek belirlenmiştir. Şekil 3. Kayaların kazılabilirliği (Pettifer ve Fookes, 1994). 289

6 Çizelge 6. Kazılabilirlik indeksi sınıflaması (Kirsten, 1982'den sadeleştirilerek). N Kazılabilirlik < El ile Basit ekipman ile Kolay Zor Çok zor Aşırı zor >10000 Patlatma Litik tüfün hat incelemeleri, sondaj verisi, laboratuvar deney sonuçları ve kütle sınıflama sonuçları birarada dikkate alınarak kazılabilirlik sınıflaması en zayıf kütle için "kolay", en iyi kütle koşulu için ise "zor" kazılır/sökülür aralığındadır. En kötü koşullarda (N ort =4.85) kırıcılarla ve/veya buldozerler ile kazı yapılması uygun iken, en iyi koşullarda (N ort =29.63) sistematik patlatma gerekecektir. Özellikle patlatma tercih edildiğinde ilgili güvenlik önlemleri ve çevresel etkileri dikkate alınmalıdır. 8. SONUÇLAR Litik tüfün boşluk oranı %27 ile %45 arasındadır. Gözenekliliği ise %21.21 ile %30.96 arasında ve çok fazla boşluklu sınıfındadır. Litik tüfün tek eksenli sıkışma dayanımı MPa ile MPa arasında, elastisite modülü 6.70 GPa ile 40 GPa arasında, poisson oranı 0.13 ile 0.47 arasında, olup yüksek modül oranlı çok düsük ve düşük dayanımlı kayadır. Birleşik ayrışma indeksine (UAI) göre son derece ayrışmış ve az ayrışmış sınıfındadır. Litik tüf RQD'ye göre zayıf kaya, RMR'a göre en iyi şartlarda orta, en kötü şartlarda zayıf kaya grubunda, Q'ya göre en kötü şartlarda olağanüstü zayıf kaya en iyi şartlarda orta kaya grubundadır. GSI değeri 47 olarak hesaplanmış ve bloklu-örselenmiş kaya olarak tanımlanmıştır. Litik tüfün kazılabilirliği kolay sökülür ile zor sökülür arasındadır. Kaya kütlesinin üç yönlü ve gelişigüzel kırık ve çatlaklı yapıya sahip olması ayrışmayı artırmakta ve dayanımlarının düşük olmasında ve kazılabilirlikte etkili olmaktadır. Litik tüflerde süreksizlik yönelimleri su kaçaklarına neden olmayacak konumda olup, kazılabilirlik açısından bir problem beklenmemektedir. Fakat; kaya malzemesindeki yüksek gözeneklilik, kütle içinde özellikle geçirimliliğin kiltaşına yakın kesimlerde yüksek olması ve kaya kütlesi dayanımının düşük olması gölet yeri ve temel kayası olması açısından uygun olmadığı düşünülmektedir. 9. KAYNAKLAR Abdullatif, O. M, Cruden, D. M, The relationship between rock mass quality and ease of excavation. Bulletin of International Association of Engineering Geologists, 28, Aziz, A, Beypazarı-Yeniçayırhan ve Karaköy arasındaki sahanın jeolojisi. Maden Tetkik ve Arama Gen. Müd. Raporu, 4461 (yayımlanmamış). Basarır, H., and Karpuz, C., A Rippability Classification system for marls in lignite mines. Journal of Engineering Geology, 74 (3-4), Bieniawski, Z. T., Engineering Rock Mass Classifications. John Wiley and Sons, New York. 237 pp. Church, H. K., Excavation Handbook. McGraw-Hill, New York, USA. Deere, D. U., Technical description of rock cores for engineering purposes. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1, Deere, D. U., and Miller, R. P., Classification and index properties of intact rock. Tech. Report AFWL-TR , AF Special Weapons Center, Kirtland Air Force Base, New Mexico. 290

7 DSİ, Ankara-Beypazarı Beypazarı Göleti, Mühendislik Jeolojisi Ön inceleme Raporu, 11 s, Ankara (yayımlanmamış). DSİ, Ankara-Beypazarı Beypazarı Göleti, Temel Sondaj Raporu, 75 s, Ankara (yayımlanmamıs). Erol, O., Köroğlu-Işık dağları volkanik kütlesinin orta bölümleri ile Beypazarı-Ayaş arasında Neojen havzasının jeolojisi hakkında rapor. M.T.A Raporu. Derleme No:2279 Franklin, J. A., Broch, E., and Walton, G., Logging the mechanical character of rock. Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, 80A, 1 9. Hoek, E., Carranza-Torres, C. T., and Corkum, B., Hoek-Brown failure criterion-2002 edition. Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symposium, Toronto, Canada, 1, Hoek, E., Carter, T. G., Diederichs, M. S., Quantification of the geological strength index chart. Proceedings of the 47th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, No: ARMA CA, USA. ISRM, The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring, eds: Ulusay, R., J.A. Hudson, Kazan Offset Press, Ankara, 628 p. Karpuz, C., A classification system for excavation of surface coal measures. Mining Science Technology, 11, Kılıç, R., A Unified Alteration Index (UAI) for mafic rocks. Environmental & Engineering Geoscience, 4, Kirsten H. A. D., A classification system for excavation in natural materials. The Civil Engineer in South Africa, 24, McLean, A. C., and Gribble, C. D., Geology for Civil Engineers, 2nd ed. London: E & FN Spon. Moos, A. V., and Quervain, F. De, Technische Gesteinkunde, Verlag Birkhauser, Basel. Pettifer, G.S, Fookes, P.G, A revision of the graphical method for assessing the eecavability of rock. Quarterly Journal of Engineering Geology, 27, Smith, H. J., Estimating rippability of rock mass classification. The 27th U.S. Symposium on Rock Mechanics.University of Alabama, Scoble, M. J., and Muftuoglu, Y. V., Derivation of a diggability index for surface mine equipment selection. Mining Science and Technology 1, Stchepinsky, V., Beypazarı-Nallıhan-Bolu-Gerede bölgesi jeolojisi hakkında rapor. MTA Raporu, No: Temiz, R., Beypazarı (Ankara) gölet yerindeki kaya kütlelerinin jeoteknik değerlendirmesi. AÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, 98 s. Ankara Tsiambaos, G., Saroglou, H., Excavatability assessment of rock masses using the Geological Strength Index (GSI). Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 69(1), Türkecan, A., Hepsen, N., Papak, İ., Akbas, B., Dinçel, A., Karatas, S., Özgür, B., Akay, E., Bedi, Y., Sevin, M., Mutlu, G., Sevin, D., Ünay, E., ve Saraç, G., Seben-Gerede (Bolu), Güdül- Beypazarı (Ankara) ve Çerkeş-Orta-Kurşunlu (Çankırı) yörelerinin jeolojisi ve volkanik kayaçların petrolojisi. MTA Raporu. Derleme No:9193. Weaver, J. M., Geological factors significant in the assessment of rippability. The Civil Engineer in South Africa, 17 (12),