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

Transkript

1 Yusufeli Barajı ve HES Projesi, Sağ Sahil Kret Üstü Kazılarında Kaya Şevlerinin Tahkimat Tasarımının Belirlenmesi Yusufeli Dam and HEPP Project, Designing Support of Rock Slopes during Right Bank above Crest Elevation M.Ö. Ünal DSİ Çoruh Projeleri 26. Bölge Müdürlüğü Artvin ÖZ: Çalışma alanı, Doğu Karadeniz Bölgesi nde Artvin ilinin 70 km güneybatısında bulunan Yusufeli Barajı ve HES Projesi dir. Baraj gövdesi, Çoruh Nehri ile bu nehrin ana kollarından olan Oltu Çayı kavuşumunun 800 m mansabındadır. Baraj, ince kemer beton tipinde ve temelden 270 m yüksekliği ile tamamlandığında ülkemizdeki en yüksek baraj olma unvanına sahip olacaktır. Baraj, hidroelektrik enerji üretimi için planlanmıştır. Kurulu gücü 558 MWh tır. Baraj aksı ve çevresi; dik ve apik bir topoğrafyaya sahiptir. Yaklaşık 145 m kazı yüksekliği planlanan sağ sahil 715 kret kotu üstünde oluşabilecek duraylılık problemlerinin kret üstü ve sıyırma (cut-off) kazıları ile birlikte toplam 400 m den fazla kazı yüksekliğine sahip baraj alanında, yeterli ve tekniğine uygun kazı destekleme imalatlarının yapılması, güvenli ve emniyetli bir inşaat ve işletme koşulları için zorunlu hale gelmektedir. Desteksiz ve destekli kazı şevlerinin paket program (Slide v6.032) yardımıyla, depremsiz ve depremli yükler altındaki duraylılıkları ve en uygun destekleme patterninin elde edilmesi amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Yusufeli Barajı, Mühendislik Jeolojisi, Kaya Şevleri Stabilitesi, Öngermeli Ankraj. ABSTRACT: Study area is the Yusufeli Dam and HEPP Project which is located at the East Black Sea region, at 70 km southwest of Artvin City. The dam body is located at 800 m downstream of intersection point of the Çoruh River and Oltu Creak, which is one of the main branch of Çoruh River. The dam type is thin arch dam with a height of 270 m The dam is being constructed for production of hydro-electric energy and the installed capacity is 558 MW. Dam axis and its surrounding area has a steep and apeak topography. For stability issues that might occur above right bank 715 m crest elevation due to planned approximately 145 m high excavation, performing adequate and technically appropriate excavation support has become a necessity for safe and secure construction at dam site with an excavation height of more than 400 m together with above crest and cut-off excavations. Determining stability of supported and unsupported cut slopes under seismic loads and static conditions with obtaining most appropriate support patterns by means of package software (Slide v.6.032) is aimed. Keywords: Yusufeli Dam, Engineering Geology, Rock Slope Stability, Prestressed Anchorage 1. GİRİŞ Enerji, insanların yaşam kalitelerini yükselten, sosyo-ekonomik süreçlerin ilerlemesinde katkısı bulunan ve gelişen dünyada ülkelerin rekabet edebilme gücünü arttıran temel unsurlardandır. Enerji, sanayileşmenin ve kalkınmanın temel taşıdır. diyen Mustafa Kemal ATATÜRK, bu sözü ile enerji sektöründeki gelişimin, ülkenin gelişimindeki önemini vurgulamıştır yılı itibari ile Dünya üzerinde uzunluğu 1000 km yi aşan yaklaşık 175 nehirden sadece 21 tanesinin denize doğrudan bağlantısı kalmıştır. Bu veri, ülkelerin teknik değerlendirilebilir hidroelektrik potansiyelinin kullanılması konusunda doğru adımlar attıklarını göstermektedir. Bu kapsamda ülkemiz 25 adet havzaya ayrılarak gelişim planları yapılmıştır veya yapılmaktadır. Çalışma konusu olan Yusufeli Barajı ve HES Projesi, adını Çoruh Nehri nden alan 23 no lu Çoruh Havzası nda bulunmaktadır. Çoruh Havzası nda ilk çalışmalara 1938 yılında EİE (Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel 292

2 Müdürlüğü) tarafından debi ölçümleri ile başlamıştır. Çoruh Nehri 431 km uzunluğundadır ve ülkemizin en hızlı akan nehridir. Nehrin 410 km si ülkemiz sınırlarında akmaktadır. Yıllık ortalama 6 milyar m 3 akış hacmine sahip ve 5.8 milyon m 3 rusubat taşımaktadır. Çoruh Nehrinde, Mayıs-Temmuz ayları arasındaki 3 aylık dönemde, yıllık toplam akışın %85 i meydana gelmektedir. Çoruh Havzası nın yağışları genel anlamda düzensizdir. Havza eğiminin fazla olması sebebiyle hidroelektrik enerji potansiyeli yüksektir. Çoruh Havzası gelişim planı (Şekil 1), 6446 sayılı Elektrik Piyasası Kanunu ile özel sektörün su kullanım hakkı anlaşmaları yolu açıldıktan sonra gelen proje teklifleri ve Devlet Su İşleri nin çalışmaları ile; 10 adedi ana kolda, 2 adedi Berta kolunda, 2 adedi Oltu kolunda, 1 adedi Barhal kolunda, 1 adedi Bardız kolunda olmak üzere toplam 16 adet baraj ve 163 adet nehir tipi HES projesi planlanmıştır. Bu projelerin toplam kurulu gücü yaklaşık 5.840,931 MW ve yıllık enerji üretimi ise ,27 GWh/yıl dır. 2. YUSUFELİ BARAJI VE HES PROJESİ Şekil No lu Çoruh Havzası gelişim planı. Yusufeli Barajı ve HES Projesi; Doğu Karadeniz Bölgesi nde Artvin ilinin 70 km güneybatısında bulunmaktadır. Çoruh Havzası nda bulunan büyük projelerden biridir Seçilmiş Proje Bilgileri ve Baraj Çevresi Jeolojisi Çizelge 1. Seçilmiş karakteristik proje bilgileri. Baraj gölü maksimum su seviyesi (m) Baraj gölü yüzey alanı 710 kotunda (km²) 33 Baraj tipi Çift Eğrilikli İnce Kemer Beton Talveg kotu (m) 495 Kret kotu (m) 715 Talvegden yükseklik (m) 220 Temelden yükseklik (m) 270 Kret genişliği (m) 8 Kret uzunluğu (m)

3 Baraj aksı ve çevresi; dik ve apik bir topoğrafyaya sahiptir. Jeolojik açıdan bu kesim, Pontidler adı ile tanınan (Ketin, 1966) tektonik ayırdın doğusunda yer alır (Şekil 2). Bölge Alpin orojenezinin etkilerini en erken hissetmiş ve evrimini ilk önce tamamlamıştır. Orta Çoruh havzasında yer alan Yusufeli Barajı ve göl alanını çevreleyen bölgede, Alt Jura dan Üst Kretase ye kadar birimler yer almaktadır. Baraj aksı, Rize plütonu içerisindeki Tersiyer yaşlı granitik kayalar üzerinde yapılacaktır. Bu birimler değişik kalınlıklarda, diyabaz daykları ile kesilmiş granit, granodiyorit ve tonalit grubundan oluşmaktadır. Yüzeye yakın kısımları genellikle kırıklı, derinlerde ise oldukça masif bir görünüme sahiptir. Baraj yerinde alüvyon kalınlığı yaklaşık 50 m civarında olup, her iki sahilde de anakaya yer yer Kuvaterner yaşlı yamaç molozu ile kaplıdır. Şekil 2. Doğu Karadeniz Bölgesinin basitleştirilmiş jeoloji haritası (Güven, 1998). Kaya türlerinin farklı özelliklere ve kökenlere sahip olmaları nedeniyle bunların içsel jeolojik özellikleri de farklılıklar sunar. Örneğin şist ve şeyl gibi yumuşak ve zayıf kayalarda şev duraylılığını denetleyen başlıca faktör malzemenin kendisi iken, Yusufeli Barajı aksı ve çevresinde gelişen granit, granodiyorit gibi sert kayalarda bunların içerdiği ana süreksizlik takımları duraylılığı kontrol ederler Süreksizlik Yönelimleri ve Süreksizlik Verileri Baraj aksı ve çevresinde süreksizlik setlerini belirlemek amacı ile açılan tünel ve açık kazı şevlerinde yapılan jeolojik haritalama çalışmaları ile toplam 6 ana süreksizlik seti belirlenmiştir (Çizelge 2). Çizelge 2. Kazı şevi tasarımı için kullanılan karakteristik süreksizlik yönelimleri. Set Azimut / Eğim Değişkenlik (Azimut / Eğim) Sağ Sahil İçin Jeoteknik Önemi 1a 275/ / Kayma düzlemi 2 350/ / Kayma düzlemi 3 130/ / Serbest bırakma düzlemi 4 075/ / a 300/ / Kayma düzlemi 5b 110/ / Bunlardan sağ sahil kret üstünde şev duraylılığını kontrol eden 3 ana süreksizlik seti (5a, 2 ve 5b) bulunmaktadır. Bu setler şev dışına (vadiye doğru) eğimlidir ve bu nedenle birleştiklerinde düzlemsel veya kama kayması tipinde yenilme düzlemleri oluşturabilir. Düzlemsel ve/veya dairesel olmayan kayma riski, kret üstü kazılarında daha kritik olduğundan, çalışmamızda sadece bu kayma tipine 294

4 yönelik araştırma ve çözümlere yer verilmiştir. Varlığı belirlenen süreksizlikler ağırlıklı olarak fay, fay düzlemi ve eklemlerden oluşmaktadır (Şekil 3). Süreksizliklerde yeraltı suyu sadece yağışlı dönemler ve sonrasında çok az sızıntı şeklinde görülmektedir. Şekil 3. Süreksizlik setleri için ortalama yönelimler ve ilgili büyük daireler ile beraber, süreksizlik verilerinin kontur çıktısı (n=5685 adet) Jeoteknik Tasarım ve Süreksizlik Parametreleri Kaya Tipi Karakteristik Dayanım Parametreleri Çizelge 3. Jeoteknik tasarım parametreleri. Proje Dayanım Parametreleri DS1 DS2 DS3 Kalıcı Yükler OBE MDE/MCE c ϕ c ϕ c ϕ c ϕ [MPa] [ ] [MPa] [ ] [MPa] [ ] [MPa] [ ] D C B A A Q Eklem A1: Hafif tektonize-sağlam kırıklı kaya kütlesi, GSI (60-75), RMR Sınıfı II A2: Hafif tektonize, kırıklı kaya kütlesi, GSI (45-65), RMR Sınıfı II-III B: Orta derecede tektonize kaya kütlesi, düzenli C ve D zonları içerir, GSI (35-55), RMR Sınıfı III-IV C: Son derece tektonize kaya kütlesi, breşik, GSI (25-40), RMR Sınıfı IV D: Yoğun ezik, killi, siltli değişken kumlu ve çakıllı fay malzemesi, GSI (<30), IV-V Q: Alüvyon ve yamaç molozu, siltli, killi DS: Eurocode 7 ye göre tasarım durumları (DS1: Kalıcı, DS2: Geçici, DS3: Tesadüfi (Arızi) Bölüm- 3 te detaylı anlatılmaktadır. 295

5 3. HESAP MODELLERİ 3.1. Dairesel Olmayan Kaymalar İçin Limit Denge Hesapları (2D) Kazı şevi duraylılığı limit denge hesapları Slide (Rocscience Inc.) yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Kaya kütlesinin anizotropisinin dikkate alınması için Spencer ve Janbu yöntemleri kullanılmıştır. Belirli değer aralıklarındaki süreksizlikler boyunca indirgenmiş kesme dayanımını dikkate almak için Slide programında anizotropik dayanım fonksiyonları, kaya kütlesi bölümlerine uygulanmıştır (Şekil 4). Şekil 4. Sağ sahil A2 tipi kaya parametrelerinde anizotropik fonksiyonun kullanılması Destekleme Çeşitleri, Drenaj Durumu, Yükler ve Proje Tasarım Yaklaşımları Kaya bulonları; donatı sınıfı S420a (TS 500 e göre) olan ϕ32 mm lik kaya bulonlarının; F=Ӷ (bulon kapasitesi)*a (Alan) 420/((π*r 2) /4)=338 kn Donatı çeliğin kısmi güvenlik katsayısı (γ s ) 338/1.15=294 kn Önem sınıfına göre katsayı (CC) (η) 294/1.3=226 kn F k = 226 kn, çekme kapasitesi F yk = 338 kn dur. Püskürtme beton; saha gözlerimleri sonucu yapılan haritalama sonucu çıkan RMR puanlamasına göre, kazı şevlerine çeşitli kalınlıkta püskürtme beton uygulanacaktır. Püskürtme beton ile birlikte bindirmeli çelik hasırlarda şev yüzeyini kaplayacaktır. Öngermeli ankrajlar; 7 tel sarımlı 12 adet halattan oluşmaktadır. Her bir halatın kopma dayanımı 1860 MPa Her bir halatın çapı 150 mm 2 Her bir halatın son çekme kapasitesi 1860*150= 279 kn 12 halatın son çekme kapasitesi (F yk ) 12*279=3348 kn Servis kapasitesi (F k ) ( arası) 3348*0.55=1842 kn Öngermeli ankraj kök boyu tayini, Çekme dayanımı (deneyime dayalı) MN/m 2 Delik çapı 152 mm Sürtünme mukavemeti 0.152*π*1.25=600 kn/m Gerekli kök boyu 3348/(600/1.25)=7 m Yusufeli Barajı mansabında bulunan Deriner Barajı ndaki 12 halatlı öngermeli ankrajlarda kök boyu 8 metre uygulandığından, bu projede de bu değerin uygulaması devam etmiştir. Tüm ankraj uygulamaları, aksi belirtilmedikçe, 10 lik eğimle yapılmaktadır. 296

6 Drenaj delikleri; ankraja enjeksiyon uygulanması, bu enjeksiyonun yapıldığı alanlarda bir enjeksiyon perdesi oluşturarak, kaya kütlesinin geçirgenliğini kayda değer miktarda azaltabilir. Gelişebilecek bir su basıncının önüne geçmek amacıyla tesis edilen öngermeli ankrajların toplam uzunluğunu 1 m geçecek şekilde drenaj delikleri açılarak, sızan suların şevden uzaklaştırılması amaçlanmıştır. Sismik yükler; bütün saha çalışmalarında kullanılmak üzere 3 farklı pik yer ivmesi belirlenmiştir. OBE (işletme esaslı deprem), MDE (maksimum proje depremi) ve MCE (beklenen en şiddetli deprem) olarak sırası ile 0.11 g, 0.16 g ve 0.36 g maksimum yatay yer ivmeleri hesaplanmıştır. Yatay yer ivmelerinin 0.67 oranında da düşey yer ivmesi hesaba katılarak duraylılık analizleri yapılmıştır. Yeraltı su seviyesi; sağ sahil temel sondajlarında yakalanan yeraltı su seviyesi, 495 m talveg kotundan güneye doğru hızla yükselerek 560 m kotunda maksimum düzeyde görülmüştür. Hesaplarda, 715 m kotu ve üzeri dikkate alındığı için, tespit edilen yeraltı su seviyesi dikkate alınmamıştır. Proje tasarımı; şev duraylılık analizlerinde, projelendirme kodu olarak Eurocode 7 (EC7) kullanılması kabul edilmiştir. Bu kod projelendirme yaklaşımına bağlı olarak gerek yüklerin gerekse dirençlerin (mukavemet) yük faktörleriyle ölçeklendiği kısmi emniyet faktörü kavramının kapsamını genişletmektedir (Çizelge 4). DS 1 Tasarım Durumu 1 Kalıcı durum, işletme safhaları DS 2 Tasarım Durumu 2 Geçici durum, inşaat safhaları DS 3 Tasarım Durumu 3 Tesadüfi/arızi durum, deprem safhaları Çizelge 4. Kısmi emniyet faktörleri ULS GEO, (CC3 önem sınıfına göre). Nihai Limit Durumu GEO Kalıcı Durumlar Geçici Durumlar Tesadüfi Durumlar DS1 DS2 DS3 Kalıcı etkiler γ G = 1.00 Değişken etkiler γ Q = 1.10 γ Q = 1.00 Kesme direnci açısı (tan φ) γ φ = 1.30 γ φ = 1.20 γ φ = 1.10 Etkin kohezyon γ C = 1.30 γ C = 1.20 γ C = 1.10 Özgül ağırlık γ v = 1.00 Öngermeli ankrajın direnci γ a = 1.00 Toprak direnci γ R = 1.00 * * (1) * * Eşitlik (1) de DS1 durumu için genel emniyet faktörü hesabı görülmektedir. EC 7 ye göre genel emniyet faktörü; kısmi emniyet faktörlerinin çarpılmasıyla hesaplanmaktadır. Çizelge 5 te de Deriner Barajı ile karşılaştırılması yapılmaktadır. Çizelge 5. Emniyet faktörlerinin karşılaştırılması. Genel Emniyet Faktörü (η) Tasarım Durumu Deriner Barajı Yusufeli Barajı ULS GEO (Duraylılık) DS 1 - Kalıcı Durum DS 2 - Geçici Durum DS 3 - Tesadüfi Durum Kısaca tasarım durumlarını özetlemek gerekirse; duraylılık analizlerinde girdi olarak kullanılan malzeme parametreleri, hesabı yapılan tasarım durumu oranında azaltılarak/cezalandırılarak programa 297

7 girilir. Sonuç olarak DS1 durumunda limit dengede FS=1.000 çıkan analizin sonucu esasen FS=1.37 ye, DS2 durumunda FS=1.26 ya ve DS3 durumunda FS=1.10 a tekabül etmektedir Hesap Kesiti Kazı şevinin güney kısmında beklenen yenilme biçimi, güney batıya doğru (azimut ~ 275 ) orta dik eğimli (50-90 ), set 1 süreksizlikleri boyunca düzlemsel kaymadır. Şekil 5. Analiz kesitinin yeri (S-01). Kret kotu üzerinde kazı şevleri, set 1 in potansiyel yenilme düzlemlerine yaklaşık 40 eğimli olduğu için, analiz kesiti S-01, kazı şevlerine dik değildir (Şekil 5). Bu nedenle bazı ilave basitleştirmeler gerekmektedir. Kret kotunda üzeri kazı şevlerinde tüm aktif destekler kazı şevlerine dik tesis edileceği için, destekleme basıncı ve ankraj uzunluğu hesap düzlemine iz düşürülmeli ve [1/(cos )] oranında faktör ile azaltılmalıdır. 139 kn/m 2 lik destekleme basıncı S-01 kesiti için yeterli bulunmuştur (Çizelge 6 ve Çizelge 7). Her bir palyede ankraj sıraları Çizelge 6. Kazı şevinde elde edilebilen destekleme basıncı Elde edilebilen destekleme basıncı kn/m kn Yatay mesafe (m) Çizelge 7. Desteksiz ve destekli analiz sonuçları (Spencer methodu). Hesap Durumu FS Hidrojeolojik Koşullar Yatay Yer İvmesi Projelendirme Durumu Güvenlik Katsayısı Görüşler Kuru Depremsiz DS Desteksiz Kuru Depremsiz DS Düşeyde 4 sıra: yatayda 3.5 m aralık Kuru OBE (0.11g) DS Desteksiz Kuru OBE (0.11g) DS Düşeyde 4 sıra: yatayda 3.5 m aralık Kuru MDE (0.16g) DS Desteksiz Kuru MDE (0.16g) DS Düşeyde 4 sıra: yatayda 3.5 m aralık 298

8 MÜHJEO 2017: Ulusal Mühendislik Jeolojisi ve Jeoteknik Sempozyumu, Ekim 2017, ÇÜ, Adana Analizler Rocscience ürünü olan Slide (v6.032) programında anizotropik fonksiyon modülü ile yapılmıştır. Yapılan hesaplar sonunda çıkan pattern Şekil-6 da gösterilmektedir. Şekil 6. Sağ sahil kret üzeri plan ve A-A kesiti. 4. SONUÇLAR Bu makalede sunulan hesaplar; Yusufeli Barajı ve HES Projesi sağ sahil kret kotu üzeri kazı şevlerinde, kalıcı yükler, işletmeye dayalı deprem (OBE) ve maksimum proje depremi (MDE) koşulları için dairesel olmayan kayma riskine karşın alınması gereken destekleme önlemlerini içermektedir. Yatay yer ivmesine ilave olarak; OBE depremi için ve MDE depremi için mertebesinde düşey yer ivmesi de uygulanmaktadır. Görülmektedir ki, yaklaşık 145 m kazı yüksekliğine sahip kaya şevlerini oluştururken öngermeli ankrajlar ile sistematik destekleme yapılmadığı analizlerde, şevlerin duraylılığı elde bulunan verilere göre mümkün gözükmemektedir. Bu makalede sunulan tasarım, beklenen tüm jeoteknik koşulları yansıtan emniyetli bir yaklaşımı temsil etmektedir. Kazı şevlerinde bir jeoteknik izleme sistemi tesis edilmiş olup, sürekli olarak takibi yapılmaktadır. Bugün itibari ile sağ sahil kret kotu üzeri kazılarda herhangi bir olumsuzluk tespit edilmemiştir. Yusufeli Barajı gibi dik ve apik bir topograyaya sahip çalışma alanlarında, göz ardı edilen duraylılık risklerinde, barajın işletme sürecine ulaşmadan dahi, daha büyük maliyetli ilave destekleme çalışmalarına sebep olmaktadır. Belirlenen kazı ve destekleme metodolojilerine harfiyen uyulması gereklilik arz etmektedir (Çizelge 7). 5. KATKI BELİRTME Katkılarından dolayı Su-Yapı Mühendislik ve Müşavirlik A.Ş. de Jeoloji Mühendisi Sayın Teoman HIZAL a ve Limak Holding A.Ş. Teknik Koordinatörü İnşaat Mühendisi Sayın Fatih ÇEVİK e teşekkür ederim. 6. KAYNAKLAR IC Consulenten, 2014, Yusufeli Barajı ve HES Şev Projelendirme Raporu-Sağ Sahil Memba Bölümü Raporu. Güven, İ. H., Doğu Pontidlerin Jeolojisi ve 1/ Ölçekli Kompilasyonu, MTA Yayınları, Ankara. Ketin, İ., Anadolu nun Tektonik Birlikleri, MTA Dergisi, 66, Ulusay, R., Kaya Şev Duraylılığının Değerlendirilmesinde Mühendislik Jeolojisinin Önemi, Sayı 1, Sayfa