i BARAJ PLANLAMA VE TASARIMI CİLT 2 Prof. Dr. Necati Ağıralioğlu
ii Yayın No : 2487 Teknik Dizisi : 148 2. Baskı - Ağustos 2011 - İSTANBUL ISBN 978-605 - 377-509 6 Copyright Bu kitabın bu basısı için Türkiye deki yayın hakları BETA Basım Yayım Dağıtım A.Ş. ye aittir.her hakkı saklıdır. Hiçbir bölümü ve paragrafı kısmen veya tamamen ya da özet halinde, fotokopi, faksimile veya başka herhangi bir şekilde çoğaltılamaz, dağıtılamaz. Normal ölçüyü aşan iktibaslar yapılamaz. Normal ve kanunî iktibaslarda kaynak gösterilmesi zorunludur. Dizgi : B e t a B a s ı m A.Ş. Bask -Cilt : Net Kırtasiye Tan. ve Mabaa San. Tic. Ltd. Şti. Taksim Cad. Yoğurtçu Faik Sok. No: 3 Taksim Beyoğlu/İST. (Sertifika No. 13723) (0-212) 249 40 60 Kapak Tasarım : Gökhan Ayrancı Beta Basım Yayım Dağıtım A.Ş. Narlıbahçe Sok. Damga Binası No: 11 Cağaloğlu -İSTANBUL Tel : (0-212)511 54 32-519 01 77 Fax: (0-212) 511 36 50 www.betayayincilik.com
iii 2. BASKI İÇİN ÖNSÖZ Baraj Planlama ve Tasarımı Cilt 2 adlı bu kitabın 1. Baskısı tükendiği için 2. Baskının yapılması gerekli olmuştur. 4 bölümden oluşan bu kitapta bütün bölümleri düzeltilmiş ve konular güncelleştirilmiştir. 9. Bölüm olan Dolgu Barajlar kısmına son yıllarda giderek yaygınlaşan Beton Yüzlü Kaya Dolgu Barajlar başlığı ile ek bir alt bölüm eklenmiştir. Ayrıca 9. Bölüm sonuna EK-9 Zonlu Toprak ve Kaya Dolgu Barajlar İnşaat Teknik Şartnamesi eklenmiştir. 10. Bölümün sonuna EK-10 Baraj Projesi Yapım Teknik Şartnamesi ilave edilmiştir. 12. Bölümün sonuna EK-12 Silindirle Sıkıştırılmış Beton (SSB) İnşaat Teknik Şartnamesi eklenmiştir. Baraj Planlama ve Tasarımı yazar tarafından 3 cilt halinde yayımlanmıştır. Baraj Planlama ve Tasarımı, Cilt1, PLANLAMA ESASLARI NA, Baraj Planlama ve Tasarımı, Cilt 2, BARAJ GÖVDELERİ NE, Baraj Planlama ve Tasarımı, Cilt 3, ÇIKIŞ YAPILARI NA ayrılmıştır. Bu konu ile ilgili olarak Balık Geçitleri, Gemi Geçitleri, Hidroelektrik Tesisler gibi barajlarla ilgili diğer konuları içeren Baraj Planlama ve Tasarımı, Cilt 4, DİĞER YAPILAR adlı kitabın ise hazırlıkları sürmektedir. Bu arada son yıllarda bütün dünyada güncel bir konu haline gelen BARAJ GÜVENLİĞİ kitabı yazar tarafından hazırlanmış ve Beta Basım Yayım Dağıtım A.Ş. tarafından basılmıştır. Kitabın konu ile ilgilenenlere ve mühendislere faydalı olmasın diliyorum. Necati Ağıralioğlu Ağustos 2011
iv
v İÇİNDEKİLER 9. DOLGU BARAJLAR -----------------------------------------------------------------------1 9.1 GİRİŞ ------------------------------------------------------------------------------------1 9.2 ZEMİNLERİN SINIFLANDIRILMASI VE GERİLMELER --------------------1 9.2.1 Zeminlerin sınıflandırılması --------------------------------------------------1 9.2.2 Zemindeki Gerilmeler ---------------------------------------------------------2 9.2.3 Zeminde Toplam Gerilmeler -------------------------------------------------3 9.2.4 Yeraltı Suyu ve Boşluk Suyu Basıncı ---------------------------------------3 9.2.5 Etkili Gerilmeler ---------------------------------------------------------------6 9.3 ZEMİNLERİN MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ ---------------------------------8 9.3.1 Zeminlerin Yüklemeye Tepkisi ----------------------------------------------8 9.3.2 Kayma Mukavemeti --------------------------------------------------------- 10 9.2.3 Sıkışabilirlik ve Konsolidasyon -------------------------------------------- 12 9.3.4 Zemin Geçirimliliği ---------------------------------------------------------- 13 9.3.5 Sıkıştırma --------------------------------------------------------------------- 13 9.3.6 Zeminlerin Bazı Mühendislik Özellikleri --------------------------------- 16 9.4 DOLGU BARAJ TÜRLERİ VE ÖZELLİKLERİ -------------------------------- 16 9.4.1 Barajlarda Kullanılan Toprak ve Kaya Dolgu Malzemeler ------------- 16 9.4.2 Dolgu Baraj Türleri ve Özellikleri ----------------------------------------- 17 9.4.3 Dolgu Barajların Üstünlükleri ---------------------------------------------- 20 9.5 TASARIM ESASLARI -------------------------------------------------------------- 21 9.5.1 Yıkılma Şekilleri ve Proje Kriterleri --------------------------------------- 21 9.5.2 Yıkılma Sebepleri ve Koruyucu Tedbirler -------------------------------- 22 9.5.3 Dolu Savak Yeri -------------------------------------------------------------- 24 9.5.4 Hava Payı --------------------------------------------------------------------- 24 9.5.5 Temelde Sızma Kontrolü ---------------------------------------------------- 24 9.5.6 Çıkış Yapıları ----------------------------------------------------------------- 26 9.5.7 Şevlerin Korunması ---------------------------------------------------------- 26 9.5.7.1 Memba Yüzünün Korunması -------------------------------------- 26 9.5.7.2 Mansap Yüzünün Korunması -------------------------------------- 28 9.5.8 Dolgunun Tepe Genişliği ----------------------------------------------------- 28
vi 9.6 MALZEME VE İNŞAAT ESASLARI -------------------------------------------- 28 9.6.1 Dolgu Malzemeleri ---------------------------------------------------------- 28 9.6.2 İnşaat Esasları ---------------------------------------------------------------- 31 9.7 SIZMA ANALİZİ -------------------------------------------------------------------- 32 9.7.1 Sızma Denklemleri ----------------------------------------------------------- 32 9.7.2 Sınır Şartları ------------------------------------------------------------------ 33 9.7.3 Sızma Analizi Metotları ----------------------------------------------------- 34 9.7.3.1 Akım Ağı İçin Grafik Metot --------------------------------------- 35 9.7.3.2 Modeller -------------------------------------------------------------- 38 9.7.3.3 Analitik Metotlar ---------------------------------------------------- 38 9.7.3.4 Nümerik Metotlar --------------------------------------------------- 38 9.7.4 Sonlu Farklar Metodu ------------------------------------------------------- 39 9.7.5 Sızma Debisi ve Serbest Su Yüzeyi --------------------------------------- 42 9.7.6 Saplama Verimi -------------------------------------------------------------- 44 9.7.7 Filtre Tasarımı ---------------------------------------------------------------- 45 9.7.8 Baraj Altındaki Basınçlar --------------------------------------------------- 46 9.8 STABİLİTE VE GERİLME ANALİZİ -------------------------------------------- 46 9.8.1 Stabilite ------------------------------------------------------------------------ 46 9.8.2 Gerilme Analizi, Hidrolik Kırılma ----------------------------------------- 50 9.9 OTURMALAR VE DEFORMASYONLAR ------------------------------------- 51 9.9.1 Oturmalar --------------------------------------------------------------------- 51 9.9.2 Deformasyonlar -------------------------------------------------------------- 53 9.9.3 Toprak Dolgu Çekirdeği İçin İşletim Endeksleri ------------------------- 53 9.10 KAYA DOLGU BARAJLAR ------------------------------------------------------- 54 9.11 BETON YÜZLÜ KAYA DOLGU BARAJLAR --------------------------------- 56 9.11.1 Giriş ---------------------------------------------------------------------------- 56 9.11.2 Üstünlükleri ve Zayıflıkları ------------------------------------------------ 57 9.11.3 Baraj Kısımları -------------------------------------------------------------- 58 9.11.4 Gövdenin Tasarımı ---------------------------------------------------------- 59 9.11.5 Sütun Tabanı ----------------------------------------------------------------- 60 9.11.6 Korkuluk Duvarı ------------------------------------------------------------ 61 9.11.7 Bazı Tasarım İlkeleri ------------------------------------------------------- 61 9.12 SENTETİK MADDELER ----------------------------------------------------------- 63 9.13 DOLGU BARAJLARDA PRATİK HESAPLAMALAR ----------------------- 64 9.13.1 Oturmalar --------------------------------------------------------------------- 64 9.13.1.1 Genel İlke ----------------------------------------------------------- 64 9.13.1.2 Silo Kuvveti -------------------------------------------------------- 65 9.13.1.3 Deformasyon Modülleri ------------------------------------------ 66 9.13.2 İç Gerilmeler ve Yatay Deplasmanlar ------------------------------------- 66 9.13.2.1 Yaklaşık Analiz ---------------------------------------------------- 66 9.13.2.2 Kayma Kirişi Metodu --------------------------------------------- 68
vii 9.13.2.3 Boşluk Suyu Basıncı ---------------------------------------------- 70 9.13.3 Kayma Emniyeti ------------------------------------------------------------- 70 9.13.3.1 Baraj Gövdesinin Kayma Emniyeti ----------------------------- 70 9.13.3.2 Dolgu Şevlerinin Kayma Emniyeti ------------------------------ 70 9.14 ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER ----------------------------------------------------- 71 9.15 KAYNAKLAR ----------------------------------------------------------------------- 90 EK-9 ZONLU TOPRAK VE KAYA DOLGU BARAJLAR İNŞAAT TEKNİK ŞARTNAMESİ ------------------------------------------------------------------------- 93 10. BETON AĞIRLIK BARAJLARI ----------------------------------------------------- 115 10.1 GENEL ------------------------------------------------------------------------------- 115 10.2 ETKİ EDEN KUVVETLERİN SINIFLANDIRILMASI --------------------- 115 10.3 KUVVETLERİN BELİRLENMESİ --------------------------------------------- 116 10.3.1 Ana Kuvvetler --------------------------------------------------------------- 116 10.3.2 İkincil Kuvvetler------------------------------------------------------------- 120 10.3.3 Diğer Kuvvetler-------------------------------------------------------------- 122 10.4 YÜKLEME DURUMLARI ------------------------------------------------------- 125 10.5 KUVVETLER, MOMENTLER VE YAPI DENGESİ ------------------------ 125 10.6 AĞIRLIK BARAJI ÇÖZÜMLEMESİ ------------------------------------------- 126 10.6.1 Kriterler ve İlkeler -------------------------------------------------------- 126 10.6.2 Devrilme Dengesi --------------------------------------------------------- 126 10.6.3 Kayma Dengesi ----------------------------------------------------------- 127 10.6.4 Gerilme Çözümlemesi ---------------------------------------------------- 134 10.6.5 İzin Verilebilir Gerilmeler ve Kırılma ---------------------------------- 138 10.6.6 Memba Yüzü Çıkıntısı --------------------------------------------------- 138 10.6.7 Ağırlık Barajı Kesiti ------------------------------------------------------ 139 10.6.8 İleri Çözümleme Metotları ----------------------------------------------- 140 10.6.9 Sağlamlaştırma ve Yükseltme ------------------------------------------- 141 10.7 PRATİK HESAPLAMA METOTLARI --------------------------------------- 144 10.7.1 Masif Ağırlık Barajı ------------------------------------------------------ 144 10.7.2 Çatlaklı Temellerde Ağırlık Barajı ------------------------------------- 149 10.8 ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER --------------------------------------------------- 150 10.9 KAYNAKLAR -------------------------------------------------------------- 163 EK-10 BARAJ PROJESİ YAPIM TEKNİK ŞARTNAMESİ ----------------------- 166 11. KEMER BARAJLAR ------------------------------------------------------------------- 193 11.1 GİRİŞ --------------------------------------------------------------------------------- 193 11.2 KEMER BARAJLARIN GELİŞİMİ ---------------------------------------------- 194 11.3 KEMER BARAJLARIN UYGULAMA YERLERİ ---------------------------- 196 11.3.1 Kemer Baraj Terimleri ----------------------------------------------------- 196
viii 11.3.2 Kemer Barajlar İçin Vadi Şekilleri---------------------------------------- 198 11.3.3 Kemer Baraj Geometrisi --------------------------------------------------- 201 11.3.4 Kemer Baraj Uygulamalarındaki Gelişmeler ---------------------------- 202 11.3.5 Kemer Barajların Uygulama Yerleri ve Tercih Sebepleri -------------- 202 11.4 KEMER BARAJLARIN PROJELENDİRME İLKELERİ -------------------- 203 11.4.1 Genel Bilgiler ---------------------------------------------------------------- 203 11.4.2 Tasarımda Göz Önüne Alınacak Hususlar ------------------------------- 204 11.4.3 Projelendirme İlkeleri ------------------------------------------------------- 207 11.4.3.1 Proje Aşamaları --------------------------------------------------- 207 11.4.3.2 Baraj Geometrisi Oluşturma İşlemler -------------------------- 207 11.4.3.3 Gerilme Ön Analizleri ------------------------------------------- 215 11.4.3.4 Analiz Sonuçlarının Değerlendirilişi --------------------------- 216 11.4.3.5 Tasarımın İyileştirilmesi ----------------------------------------- 216 11.4.3.6 Tasarım Planının Sunumu -------------------------------------- 216 11.5 KEMER BARAJ TÜRLERİ ------------------------------------------------------- 218 11.5.1 Sabit Yarıçaplı Kemer Barajlar -------------------------------------------- 218 11.5.2 Sabit Merkez Açılı Kemer Barajlar --------------------------------------- 219 11.5.3 Değişken Yarıçaplı ve Merkez Açılı Kemer Barajlar ------------------- 220 11.5.4 Kamburluk Derecesi ve Gerilmeler --------------------------------------- 221 11.5.5 Özel Türler ------------------------------------------------------------------- 222 11.6 KEMER BARAJLARIN HESAP ESASLARI ----------------------------------- 222 11.6.1 Kemer Barajlara Etkiyen Yükler ------------------------------------------ 222 11.6.2 Yükleme Grupları ----------------------------------------------------------- 224 11.6.3 Tasarımda Yük Durumunun Seçimi -------------------------------------- 226 11.6.4 Kemer Baraj Hesap Yöntemleri ------------------------------------------ 226 11.6.4.1 İnce Kemer Teorisi -------------------------------------------- 227 11.6.4.2 Kalın Kemer Teorisi-------------------------------------------- 231 11.6.4.3 Elastik Kemer Teorisi ------------------------------------------ 232 11.6.4.4 Ön Tasarım İçin Kriterler -------------------------------------- 233 11.6.4.5 Deneme ve Yanılma Yöntemi -------------------------------- 233 11.6.4.6 Sonlu Elemanlar Yöntemi ------------------------------------- 234 11.6.4.6.1 Proje İçin Gerekli Veriler ------------------------ 234 11.6.4.6.2 Analiz Metodu ------------------------------------- 235 11.6.4.6.3 Yapısal Modelleme ------------------------------- 235 11.6.4.6.4 Analiz Sonuçlarının Sunumu -------------------- 236 11.6.4.5 Gerilme Sonuçlarının Değerlendirilişi ----------------------- 236 11.7 KEMER BARAJ İNŞAATI ----------------------------------------------------- 236 11.8 TÜRKİYE DE KEMER BARAJLAR ----------------------------------------- 237 11.9 ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER ------------------------------------------------- 239 11.10 KAYNAKLAR ------------------------------------------------------------------- 246
ix 12. BÖLÜM SİLİNDİRLE SIKIŞTIRMA BETON BARAJLAR -------------- 251 12.1 GİRİŞ ----------------------------------------------------------------------------- 251 12.2 KULLANILAN MALZEMELER --------------------------------------------- 253 12.2.1 Agrega ------------------------------------------------------------------------ 253 12.2.2 Çimento ----------------------------------------------------------------------- 254 12.2.3 Puzolanlar -------------------------------------------------------------------- 254 12.2.4 Kimyasal Ek Katkılar ------------------------------------------------------- 256 12.3 BARAJ TÜRLERİ -------------------------------------------------------------- 256 12.3.1 Genel -------------------------------------------------------------------------- 256 12.3.2 Düşük Bağlayıcılı Baraj ---------------------------------------------------- 260 12.3.3 Yüksek Bağlayıcılı Baraj -------------------------------------------------- 260 12.3.4 Silindirle Sıkıştırma Baraj ------------------------------------------------- 261 12.3.5 Katı Dolgu Beton Baraj ----------------------------------------------------- 262 12.3.6 Enjeksiyonla Zenginleştirilen Baraj --------------------------------------- 263 12.4. SSB BETONUN GENEL ÖZELLİKLERİ ------------------------------------- 264 12.4.1 Genel ------------------------------------------------------------------------- 264 12.4.2 Mukavemet ----------------------------------------------------------------- 264 12.4.2.1 Basınç Mukavemeti -------------------------------------------- 265 12.4.2.2 Çekme Mukavemeti -------------------------------------------- 266 12.4.2.2.1 Doğrudan Çekme Mukavemeti ------------------ 266 12.4.2.2.2 Büzülme Derzi Doğrudan Çekme Mukavemeti ---------------------------------------- 267 12.4.2.2.3 Bölme Çekme Mukavemeti ---------------------- 267 12.4.2.2.4 Eğilme Mukavemeti ------------------------------- 268 12.4.2.2.5 Dinamik Çekme Mukavemeti -------------------- 269 12.4.2.3 Kesme Mukavemeti -------------------------------------------- 269 12.4.2.3.1 Ana Beton Kesme Mukavemeti ------------------ 270 12.4.2.3.2 Büzülme Derzi Kesme Mukavemeti ------------ 270 12.4.3 Poisson Oranı --------------------------------------------------------------- 271 12.4.4 Elastisite Modülü ---------------------------------------------------------- 271 12.4.5 Birim Hacim Ağırlığı ------------------------------------------------------ 272 12.4.6 Sünme ----------------------------------------------------------------------- 272 12.4.7 Geçirimlilik ----------------------------------------------------------------- 274 12.4.8 Sıcaklık Özellikleri -------------------------------------------------------- 275 12.4.9 Donma ve Çözülme -------------------------------------------------------- 277 12.4.10 Hacim Değişimi ------------------------------------------------------------ 279 12.4.10.1 Kuruyarak Büzülme ------------------------------------------ 279 12.4.10.2 Kendiliğinden Hacim Değişimi ----------------------------- 279 12.4.11 Aşınma ve Yıpranmaya Karşı Direnç ---------------------------------- 279 12.4.12 SSB Maliyeti --------------------------------------------------------------- 279 12.4.13 SSB İnşaat Hızı ------------------------------------------------------------ 280
x 12.5 KARIŞIMIN TASARLANMASI -------------------------------------------------- 281 12.5.1 Genel -------------------------------------------------------------------------- 281 12.5.2 Özgül Kıvam Limitlerine Göre Tasarım --------------------------------- 281 12.5.2.1 Agrega Oranı ------------------------------------------------------ 282 12.5.2.2 Çimento ve Puzolan ---------------------------------------------- 285 12.5.2.3 Karma Suyu ------------------------------------------------------- 286 12.5.2.4 SSB Karışım Hesabı ---------------------------------------------- 288 12.5.3 Deneme Karışım Testlerine Göre Tasarım ------------------------------- 290 12.5.4 Zemin Sıkıştırma Kabullerine Göre Tasarım ---------------------------- 291 12.6 SSB BARAJ TASARIM VE İNŞAAT İLKELERİ ----------------------------- 291 12.6.1 Genel -------------------------------------------------------------------------- 291 12.6.2 Tasarım Yaklaşımı ---------------------------------------------------------- 293 12.6.3 Temel Özellikleri ------------------------------------------------------------ 295 12.6.4 Yapısal Tasarım ------------------------------------------------------------- 297 12.6.4.1 Tasarım Yükleri --------------------------------------------------- 298 12.6.4.2 Yükleme Durumları ---------------------------------------------- 299 12.6.4.3 Kuvvet ve Moment Eşitliği -------------------------------------- 299 12.6.4.4 Emniyet Durumu ------------------------------------------------- 300 12.6.4.5 Kayma Stabilitesi ------------------------------------------------- 301 12.6.4.6 Devrilme Stabilitesi ---------------------------------------------- 302 12.6.4.7 Ağırlık Metodu ---------------------------------------------------- 303 12.6.5 Çatlama Kontrolü------------------------------------------------------------ 303 12.6.5.1 SSB Yapılarımda Görülen Çatlamalar ------------------------- 303 12.6.5.2 Sıcaklığa Bağlı Olan Çatlama ----------------------------------- 303 12.6.5.3 Temel Sebebiyle Çatlama ---------------------------------------- 304 12.6.5.4 Girintili Köşe Çatlaması ----------------------------------------- 304 12.6.5.5 Su Tutucular ------------------------------------------------------- 304 12.6.6 Geçirimlilik ------------------------------------------------------------------ 305 12.6.6.1 Kaplamalar -------------------------------------------------------- 306 12.6.6.1.1 Kaplama Maddeli Prekast Paneller ---------------- 307 12.6.6.1.2 Betonarme Kaplama --------------------------------- 308 12.6.6.1.3 Beton Kaplama --------------------------------------- 308 12.6.6.1.4 Çekilmiş Beton Bordür ------------------------------ 309 12.6.6.1.5 Sıkıştırılmamış Şev ---------------------------------- 310 12.6.6.1.6 Kalıplı SSB Yüzeyler-------------------------------- 310 12.6.6.1.7 Joemanbranla Kaplama ----------------------------- 311 12.6.7 Tabaka Yüzeyleri ---------------------------------------------------------- 311 12.6.8 Galeriler --------------------------------------------------------------------- 311 12.6.9 Dolu Savaklar -------------------------------------------------------------- 312 12.6.10 Çıkış Yapıları ve Diğer Yapılar ------------------------------------------ 313 12.6.11 Üstten Su Aşmasına Karşı Dolgu Barajların SSB ile Korunması ---- 313
xi 12.7. SBB BARAJ YAPIMINDA DÜNYADAKİ ÖNEMLİ GELİŞMELER --- 314 12.7.1 Dünyadaki Gelişmeler ---------------------------------------------------- 314 12.7.2 Türkiye'deki Gelişmeler -------------------------------------------------- 316 12.7.2.1 Karakaya Barajında SSB Kullanımı -------------------------- 316 12.7.2.2 Atatürk Barajında SSB Kullanımı ---------------------------- 316 12.7.3 Berke Barajı Memba Batardosunda SSB Kullanımı ----------------- 317 12.7.4 Kürtün Barajında SSB Kullanımı --------------------------------------- 319 12.7.5 Sır Barajı'nda SSB Kullanımı -------------------------------------------- 319 12.7.6 Diğer Bazı Uygulamalar-------------------------------------------------- 321 12.8. SSB BARAJLARIN ÜSTÜNLÜKLERİ --------------------------------------- 322 12.9. ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER -------------------------------------------------- 323 12.10 KAYNAKLAR -------------------------------------------------------------------- 339 EK-12 SİLİNDİRLE SIKIŞTILILMIŞ BETON (SSB) İNŞAAT TEKNİK ŞARTNAMESİ ---------------------------------------------------------------------- 341 GENEL KAYNAKLAR ---------------------------------------------------------------------- 415 KONU İNDEKSİ ------------------------------------------------------------------------------ 421