TAHTAKÖPRÜ BARAJI YÜKSELTİLMESİ ve DİNAMİK PERFORMANSININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR TAHTAKÖPRÜ BARAJI YÜKSELTİLMESİ ve DİNAMİK PERFORMANSININ DEĞERLENDİRİLMESİ Seçkin AYDIN 1,İsmail KARABULUT 2 Yasemin ER, 3 1 İnş. Yük. Müh. DSİ Genel Müd. Barajlar ve HES Dairesi Başkanlığı 2 İnş. Müh. DSİ Genel Müd. Barajlar ve HES Dairesi Başkanlığı 3 İnş. Müh. DSİ Genel Müd. Barajlar ve HES Dairesi Başkanlığı ÖZET: seckinaydin@dsi.gov.tr İçme ve kullanma suyuna olan ihtiyaç tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de her geçen gün katlanarak artmaktadır. Günümüzde iklim koşulları ve çevre kirliliği nedeniyle dünya genelinde içilebilir su kaynakları hızla tükenmektedir. Bunun sonucunda da su ve su yapılarının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Gelişmiş ülkeler su potansiyellerini faydaya dönüştürecek tesisler üreterek enerji ve diğer ihtiyaçları için gereken tüm altyapıyı tamamlamışlar, ülkemiz ise henüz bu altyapı işlerini tamamlamamış olsa da önemli ölçüde yol alarak kaynakları değerlendirme konusunda hatırı sayılır mesafeler kat etmiştir. Suyun bu denli önem arz ettiği günümüzde, hem mevcut baraj envanterini arttırmak hem de ekonomik ömrünü tamamlamış veya tamamlamaya yakın olan barajları revize ederek su potansiyelimizi arttırmak gerekliliği hâsıl olmuştur. Bu revizyonlar genellikle barajın yükseltilmesi şeklinde gerçekleşmektedir. Bir barajın yükseltilmesi sonucunda barajda ilave yükler oluşmakta ve gövdesinde yapısal analizlerin tahkik edilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu kapsamda Hatay ili sınırları içerisinde bulunan ve 1975 yılında işletmeye alınan Tahtaköprü barajının nonlineer dinamik analizleri 3 adet deprem ivme kaydı kullanılarak yapılmış elde edilen deformasyon sonuçları yaklaşık yöntemlerle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak hesaplanan kalıcı deformasyonlar ve barajın performansı değerlendirilmiştir. ANAHTARKELİMELER : Nonlineer Dinamik Analiz, Kalıcı Deformasyon 1. GİRİŞ İçme ve kullanma suyuna olan ihtiyaç tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de her geçen gün katlanarak artmaktadır. Günümüzde iklim koşulları ve çevre kirliliği nedeniyle dünya genelinde içilebilir su kaynakları hızla tükenmektedir. Bunun sonucunda da su ve su yapılarının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Gelişmiş ülkeler su potansiyellerini faydaya dönüştürecek tesisler üreterek enerji ve diğer ihtiyaçları için gereken tüm altyapıyı tamamlamışlar, ülkemiz ise henüz bu altyapı işlerini tamamlamamış olsa da önemli ölçüde yol alarak kaynakları değerlendirme konusunda hatırı sayılır mesafeler kat etmiştir. Suyun bu denli önem arz ettiği günümüzde, hem mevcut baraj envanterini arttırmak hem de ekonomik ömrünü tamamlamış veya tamamlamaya yakın olan barajları revize ederek su potansiyelimizi arttırmak gerekliliği hâsıl olmuştur. Bu revizyonlar genellikle barajın yükseltilmesi şeklinde gerçekleşmektedir. Bir barajın yükseltilmesi sonucunda barajda ilave yükler oluşmakta ve gövdesinde yapısal analizlerin tahkik edilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır.dolgu barajların sismik tasarımında, basit limit denge analizlerinden gelişmiş gerilme-deformasyon özelliklerinin kullanıldığı karmaşık nümerik modellere kadar farklılık gösteren metodlar kullanılmaktadır (Fell vd., 25). Din amik kuvvetlerin, kayma kütlesinin ağırlığı ile bir sismik katsayının çarpımı ile elde edilen atalet kuvvetleri olarak temsil edildiği eşdeğer statik yöntem, dolgu barajların sismik duraylılığında kullanılan en basit yaklaşımdır. Pells ve Fell (23) ve Swaisgood (23) gibi araştırmacılar tarafından önerilen ampirik yöntemler, deprem yüklemesine maruz kalmış barajlarda oluşan deformasyonların istatistiksel olarak değerlendirilmesine dayanarak, dolgu barajların deprem davranışının tahmin edilmesine yöneliktir. Makdisi ve Seed (1978), Newmark kayma bloğu yaklaşımını göz önüne alarak, dolgu barajların kalıcı deplasmanlarının belirlenebilmesi için çok sayıda eşdeğer doğrusal analiz sonucuna dayanan ve geniş kabul gören basitleştirilmiş bir yöntem geliştirmiştir.

2 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR QUAD4M (Hudson vd., 1994) gibi sonlu elemanlar programlarının kullanıldığı eşdeğer doğrusal analizlerde, baraj ve temelini oluşturan malzemelerin kayma birim deformasyonu ile değişen rijitlik ve sönümleme karakteristikleri iterasyonlar ile gözönüne alınabilmektedir. Son yıllarda, bilgisayar ve bilgisayar programlarındaki gelişmeler, özellikle yüksek sismisiteli bölgelerde ve sıvılaşmanın söz konusu olduğu hallerde, dolgu barajların dinamik performansının incelenmesinde doğrusal olmayan metodların tercih edilmesine olanak tanımıştır. 2. EŞDEĞER LİNEER ANALİZ YÖNTEMİ Zemin tabakalarında elastik modüller 1-4 gibi çok küçük mertebelerdeki şekil değiştirmeler için tanımlanmaktadır. Oysa deprem sırasındaki kayma şekil değiştirmeleri 1-2 ile 1-1 mertebelerine kadar çıkabilmektedir. Killi zeminlerde kayma modülleri altında ilk elastik değerin %4 - %1 kadarına inmektedir. Sönüm oranları ise 2 ile 4 katına çıkmaktadır. Aynı şekilde dolgu barajlarda şiddetli depremler altında kalıcı şekil değiştirmeler gözlenmektedir. Bu durum gövdeyi oluşturan malzemelerin lineer davranmadıklarının bir göstergesidir. Seed ve Idriss (197) tarafından geliştirilen Eşdeğer Lineer Dinamik Analiz yöntemi, dolgu barajlardaki malzemelerin lineer olmayan davranışını içermektedir. Bu yönteme göre dolgu barajların lineer olmayan davranışları, sistemin her noktasında oluşan şekil değiştirmelerle uyumlu rijitlik ve sönümün seçilmesi ile yapılabilecek bir analizle tahmin edilebilmektedir. Eşdeğer lineer analiz iteratif bir yöntemle gerçekleştirilmektedir. Önce yapı-zemin sistemini oluşturan tüm elemanların küçük şekil değiştirmelerdeki malzeme parametreleri ile hesap yapılmakta ve seçilen deprem hareketi için elemanlarda oluşan maksimum birim şekil değiştirmeler hesap edilmektedir. Sonra her elemandaki etkili birim şekil değiştirme maksimum değerin bir çarpanı olarak kabul edilmekte ve kayma modülü ile sönüm oranı bu birim şekil değiştirmede alacağı değerlerle değiştirilerek tekrar tüm sistem analiz edilmektedir. Belirli bir iterasyon sayısında değişen değerler yakınsamakta ve böylece lineer olmayan davranış yaklaşık olarak elde edilmektedir. 3. KARAKTERSİTİKLER, MALZEME PARAMETRELERİ ve DİNAMİK YÜKLER 3.1. Geometri ve Model Şekil 1. de proje alanı ve mevcut durumu görülen Tahtaköprü Barajının 47,5 m kotundan 416,5 m kotuna yükseltilmesi ile halen sulanmakta olan 11.9 ha tarım arazisinin dışında ha kuru tarım yapan arazinin sulanması sağlanacaktır. Ayrıca önerilen bir adet baraj santrali ve iki adet kanal santrallerinin toplam kurulu gücü 39. MW olup, yılda toplam GWh/yıl enerji üretilebilecektir. Şekil 2 de Barajın gövde tip en kesiti görülmektedir. Proje Alanı Şekil 1. (a) Proje Alanı (b)barajın mevcut görünümü

3 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR Tahtaköprü barajı maksimum kesitte55,5 m yüksekliğinde merkezi kil çekirdekli yarı geçirimli dolgu tipinde olup, 1 m kret genişliğine sahiptir. Memba ve Mansap şevleri 1D/3Y olarak tasarlanmıştır. Normal işletme durumunda rezervuar su seviyesi kretin 4.9 m altındadır. Hesaplamalarda kullanılan maksimum Baraj kesiti Şekil2 de gösterilmiştir. Baraj gövdesi kil çekirdek (1 numaralı zon), Ft numaralı filtre zonları ve yarı geçirimli dolgu kabuktan ( 2numaralı zon) oluşmaktadır. Akış aşağısı ve akış yukarısında kabuk dolguların altında yaklaşık 7 m kalınlığında alüvyon tabakası mevcuttur. Alüvyon tabaka altında 15 m kalınlığında kil tabakası ve ana kaya bazalt da modele dahil edilmiştir. Analiz için oluşturulan sonlu elemanlar ağı Şekil3 de verilmektedir. Model 4258 adet elemana bölünmüş memba ve mansapta yüksekliğin 2 katı temelde ise 3 katı analizlere dahil edilmiştir. Şekil 2.Max. Gövde En Kesiti İNCELENEN NOKTALAR H 2H 3H Şekil 3.Sonlu Eleman Modeli 3.2. Malzeme Parametreleri Tahtaköprü barajının statik ve dinamik analizlerine kullanılan malzeme parametreleri Tablo 1. de görülmektedir. Mevcut kil, yeni imal edilecek kil ve temel kili için birim kayma şekil değişimi - sönüm ve birim kayma şekil değişimi- rijitlik değişim grafikleri şekil 4(a) da, mevcut kabuk dolgusu, temel alüvyonu, mevcut filtre, yeni filtre ve yeni kabuk dolgusu için birim kayma şekil değişimi-sönüm ve birim kayma şekil değişimi- rijitlik değişim grafikleri şekil 4(b) de verilmiştir. Ana kaya bazalt için % 2 sönüm değeri kullanılmıştır.

4 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR Tablo 1. Malzeme Parametreleri Kil Dolgusu Kil Dolgusu G / Gmax.8.6 Sönüm Oranı Birim Kayma Şekil Değ. (%) Birim Kayma Şekil Değ.(%) Şekil 4(a). Fonk-1 Kabuk Dolgusu ve Filtre Kabuk Dolgusu ve Filtre G / Gmax.6.4 Sönüm Oranı Birim Kayma Şekil Değ.(%) Birim Kayma Şekil Değ.(%) Şekil 4(b). Fonk-2

5 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR Tablo1 de özetlenen malzeme parametrelerinde dinamik analizlerde kullanmak amacıyla Seed Idriss (198 6) önermiş olduğu Kayma Modülü ve Sönüm değişim eğrileri Şekil 4(a),(b)de görülmektedir. Kayma modüllerinin belirlenmesinde Seed in (198 6) önerdiği G=K2.(σ),5 bağıntısı kullanılmıştır. Burada K2 değeri boyutsuz bir katsayı olup filtre için 8, gövde dolgusunda 4, alüvyon için 1 olarak alınmıştır. Bağıntıda görülen σ söz konusu noktadaki ortalama gerilmeyi göstermektedir Dinamik Yükler Statik analiz çıktılarından elde edilen gerilme, deformasyon ve boşluk basıncı değerleri dinamik analizler için girdi olarak kullanılmıştır. Tahtaköprü Barajı Sismik Tehlike Analiz Raporunda MDE değeri.22g olarak verilmiştir. Ancak Türkiye Deprem Haritalarının revize edilmesi sonucunda Tahtaköprü Barajında en kritik durum olarak.25g lik bir deprem ivmesinin irdelenmesinin daha uygun olacağı düşünülmüştür. Dinamik analizlerde kullanılmak üzere C grubu sıkı yada orta sıkı kum çakıl veya sert kil benzeri formasyonlar üzerinde kayıt yapılmış üç adet ivme kaydı elde edilmiş ve bu kayıtlar maksimum tasarım depremi 5 yılda %1 aşılma olasılığı olan deprem MDE=,25g olacak şekilde sahaya özgü hedef spektrum kullanılarak ölçeklenmiştir. MDE-1 kaydı için LomaPrieta depremi, MDE-2 kaydı için Kocaeli depremi, MDE-3 kaydı için İmparialValley depremlerinin ivme kayıtları kullanılmıştır İvme ( g ) İvme ( g ) İvme ( g ) Zaman (sec) 4. ANALİZ SONUÇLARI (a) LomaPrieta (b) Kocaeli (c)imparialvalley 4.1. Sonlu Eleman Analizi Sonuçları Zaman (sec) Şekil 5. Ölçeklenmiş İvme Kayıtları Eşdeğer lineer dinamik analiz ile elde edilen sonuçlar kullanılarak dolgunun Elasto-Plastik davranışı kabulü ile yapılan sonlu eleman analizi neticesinde max. değerler MD2 Kocaeli depremi için elde edilmiştir. Şekil 6 ve Şekil 7 de Baraj gövdesinde ki düşey deformasyon dağılımları ve kayma birim şekil değişimi dağılımları görülmektedir. Ölçeklenmiş MD2 Kocaeli depremi ile Baraj kretinde,3 m düşey deformasyon değeri hesaplanmıştır Newmark Metodu ile Krette Kalıcı Deplesmanların Hesabı Eşdeğer Lineer Dinamik Analiz metodu ile yapılan analiz sonuçları kullanılarak kalıcı deformasyonların elde edilebilmesi için Newmark kayan blok analizi yapılmıştır. Depremin oluşturduğu ivmeler zaman içinde değiştiğinden, psödo statik emniyet katsayısıda depremin başından sonuna sürekli değişecektir. Potansiyel yenilme kütlesi üzerine etkiyen atalet kuvvetlerinin, statik ve dinamik toplam kaydırıcı kuvvetler, mevcut tutucu kuvvetleri aşacak kadar büyük olması halinde emniyet katsayısı 1 in altına düşecektir.newmark yöntemine göre emniyet katsayısının 1 den küçük olduğunda potansiyel yenilme kütlesi artık denge durumunda değildir. Sonuçta dengesiz bir kuvvetle ivmelendirilecektir. Bu durum eğimli bir düzlem üzerinde duran katı bir blokla özdeştir. Zaman (s)

6 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR Newmark bu benzerliği kullanarak herhangi bir yer hareketine maruz kalan bir şevdeki kalıcı yerdeğiştirmeyi hesaplamaya yönelik yöntem geliştirmiştir. Şekil 8 detahtaköprübarajının rezervuarı dolu olduğu durumda krette kalıcı şekil değiştirmeyi bulabilmek amacıyla Newmark metodu ile hesaplanan kayma yüzeyi ve şekil 9 da ise söz konusu kayma yüzeyinin deprem süresince güvenlik faktörü değişimi, kret kalıcı deformasyonu ve baraj kretinde hesaplanan ivme görülmektedir Şekil 6.Baraj Gövdesinde düşey deformasyon dağılımı ve deplesman vektörleri Şekil 7.Baraj Gövdesinde Kayma Birim Şekil Değişimi Dağılımı Şekil 8. Newmark Metodu ile elde edilen max. Kret Deformasyonlu kayma yüzeyi

7 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR Güvenlik Faktörü 3 2 Deformasyon.15.1 Yatay İvme (g) zaman zaman zaman (sn) (a) Güvenlik Faktörü Değişimi (b) Kalıcı Kret deformasyonu (c) Krette Hesaplanan İvme Şekil 9. Newmark Metodu ile elde edilen kayma yüzeyine ait 4.3. Amprik Yöntemlerle Kalıcı Deplesmanların Hesabı Makdisi ve Seed (1977) Newmark ın yaklaşımını bir dolgu barajın esnek bir yapı olarak tepki gösterdiğini kabul ederek ve yer hareketinin şiddetinin baraj kretine olan etkisini tahmini için bir metod önermişlerdir. Bu yöntemde kayan kütleyi harekete geçiren ivme olan Umax elde edilir. Bu değer elde edildikten sonra grafikler yardımı ile kretteki kalıcı yer değiştirme hesaplanır. Bu yöntemle yapılan analizde şekil 8 de gösterilen kayma kütlesine etki eden ivme,48g olarak bulunmuş ve bu kütlenin kalıcı yer değiştirmesi 6,5 büyüklüğündeki bir deprem için 1 cm 7,5 büyüklüğündeki bir deprem için ise,3 m olarak hesaplanmıştır. Bureau (1997), dolgu malzemesi sürtünme açısının bazı değerleri için Rölatif Kret Oturması ile Deprem Şiddeti Endeksi (ESI) arasındaki ilişkiyi bir grafikte sunmuştur. Bu yaklaşımda ESI=PGA.(M-4,5)3 bağıntısı ile verilmiştir. Burada PGA, baraj yerindeki pik yatay zemin ivmesini, M ise deprem büyüklüğünü göstermektedir. Bu metod ile yapılan tahminde ESI=6,75 ve 3 derece içsel sürtünme açısı durumunda relatif kret oturması yüksekliğin %,6 değerinde olacağı okunmuştur. Bu durumda kalıcı kret oturması 55,5 x %,6 dan,33 m olarak hesaplanmıştır. Swaisgood (23) tarafından deprem itkilerinin baraj dolguları üzerindeki etkileri incelenmiş ve ortaya konan amprik metod ile kret oturması dolgu yüksekliği ve temel kalınlığının yüzdesi olarak ifade edilmiştir. Bu yöntemde baraj yerindeki pik yatay zemin ivmesi (PGA) ve deprem büyüklüğü kullanılarak kret oturmasını veren grafik kullanılmaktadır. Sıvılaşma olmayan durumlar için elde edilmiş bu grafikler pik yer ivmesinin (PGA),7g yi aştığı ve %5 ten fazla oturma olan durumları içermemektedir. Bu yöntem le Tahtaköprü baraj yerinde olacak 7,5 büyüklüğünde bir depremde rölatif kret oturması grafiklerden %,15 olarak okunmuş ve kret deformasyonuda 55,5 x %,15 dan,6 m olarak hesaplanmıştır. Pells ve Fell (23) 95 i hasarlı olmak üzere toplam 35 dolgu baraj üzerinde yaptıkları incelemeler sonucunda bir abak oluşturmuş ve hasar sınıflandırmasını önermişlerdir. Bu yöntemde Tahtaköprü barajı 7,5 büyüklüğünde bir depremde 2 numaralı hasar bölgesine düşmekte bu bölgede max. relatif kret oturmasının yüksekliğin %,5 i olacağı belirtilmektedir. Bu durumda Tahtaköprü barajında kalıcı kret oturması 55,5 x %,5 den,28 m olarak hesaplanmıştır.

8 14-16 Ekim 215 DEÜ İZMİR 5. SONUÇ ve ÖNERİLER Dolgu barajların dinamik analizlerinde psödo statik analizler deformasyonlar hakkında bilgi verememektedir. Deprem sırasında yarı statik analizler kapsamında güvenlik sayısının 1 in altında bulunması katastrofik bir yenilmeye işaret etmeyebilmekte, güvenlik sayısının 1 in altına düştüğü bu durumlarda kalıcı deplesmanların belirlenmesi ve baraj güvenliğinin bu deplesmanlar paralelinde irdelenmesi ekonomik çözümler üretebilmektedir. Hatay Tahtaköprü barajında MDE,25g tasarım ivme değerindeki Dinamik analizleri sonucunda krette hesaplanan ivme değeri şekil 9 (c) de görüldüğü gibi,6g değerlerine kadar çıkmaktadır. Bu değer literatür ile uyum içerisindedir. Aynı şekilde elasto-plastik analizde elde edilen,3 m düşey kret deformasyonu kabul edilebilir deformasyon mertebelerinde olup Newmark metodu ile hesaplanan değerle ve kullanılan yaklaşık metodlar içerisinden Makdisi-Seed, Bureau ve Pells-Fell yöntemlerinin analizlere yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. KAYNAKLAR Fell, R., MacGregor, P., Stapledon, D. & Bell, G. 25. Geotechnical engineering of dams. Leiden: Balkema. Pells, S. & Fell, R. 23. Damage and cracking of embankment dams by earthquake and the implications for internal erosion and piping. Proceedings 21st International Congress on Large Dams, Montreal, ICOLD, Paris Q83-R17. International Commission on Large Dams, Paris. Swaisgood, J.R. 23. Embankment dam deformations caused by earthquakes. Proceedings of the 23 Pacific Conference on Earthquake Engineering, Feb. 23. Makdisi,F.I. and,seed,h.b.,(1978) Simplified procedure for estimating dam and embankment earthquakeinduced deformations J.Geotech.Eng.Div.,ASCE 14(7), Hudson, M., Idriss, I.M. & Beikae, M QUAD4M - A computer program to evaluate the seismic response of soil structures using finite element procedures and incorporating a compliant base. Center for Geotechnical Modeling, Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Davis, CA. Seed, H. B., Wong, R. T., Idriss, I. M., Tokimatsu, K., Moduli and Damping Factors for Dynamic Analyses of Cohesionless Soils, ASCE Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 112, No. 11, November, 1986, pp