ANKARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GEO 320 MESLEKİ SAHA UYGULAMALARI DERS NOTU "HİDROLİK YAPILAR VE MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ" Prof. Dr. Recep KILIÇ Jeoteknik Araştırma Grubu 14 Mart 2015 1
HİDROLİK YAPILAR VE MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ Prof. Dr. Recep KILIÇ 1. GİRİŞ Hidrolik Yapılar (Su yapıları) suyun doğal akışını çevirmek, sınırlamak, durdurmak yada kullanmak için inşa edilen yapılardır. Hidrolik yapıların amacı, sudan içme, kullanma, elektrik üretme, sulama, kalitesinin korunması amacı ile yararlanmadır. Hidrolik yapılar; - Baraj, - Gölet - Yeraltı barajı - Hidro elektrik santrali, - Derivasyon (çevirme) tüneli, - Dolusavak, - Batardo, - Set, - Su kanalı, - Derivasyon kanalı - Su boru hatları, - Drenaj çalışmaları v.b. gibi 2. JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ İLE DİĞER DİSİPLİNLER ARASINDAKİ İLİŞKİLER Jeoloji-İnşaat-Maden-Jeofizik-Çevre Mühendisliği Jeoloji Mühendisliğinde Anabilim dalları: Genel Jeoloji Mineraloji ve Petrografi Maden Yatakları ve Petrol Uygulamalı Jeoloji Statik, Dinamik Mukavemet Malzeme Zemin Mekaniği Kaya Mekaniği Hidrojeoloji Kuyu hidroliği Çevre Mühendisliği Jeoteknik Bilgisi Mühendislik Jeolojisi 2
3. MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ İNCELEME KONULARI Mühendislikte esaslar; - Emniyet - Ekonomi - Zaman - Çevre Bunların gerçekleşmesi için baraj, hidroelektrik santrali (HES), tünel, bina, karayolu, demiryolu, havaalanı, yeraltı santralleri, askeri depo ve sığınaklar, saat kuleleri, su deposu, havuz, gökdelen, köprü, viyadük, iş merkezleri, limanlar, denizaltı geçit ve yapıları, asma köprüler v.b. gibi yapıların oturacağı veya içerisinde bulunacağı zemin ve/veya kayanın jeolojik, jeoteknik ve/veya jeomekanik özelliklerinin önceden belirlenmesi gerekir. Aynı zamanda zemin ve kaya türü jeolojik malzemelerin malzeme olarak kullanılabilirliğinin araştırılması gerekir. Mühendislik projelerinin uygulanabilirliği inşaat alanlarının jeolojik ve mekanik özelliklerinin ve yeraltı suyu durumunun bilinmesi inşaat sırasında ve sonrasında karşılaşılabilecek problemlerin önceden bilinmesini sağlar ve inşaat için gerekli hazırlık çalışmalarının yapılmasını kolaylaştırır. Ayrıca projenin ekonomik yönünü ortaya çıkarır. Bu incelemeler proje maliyetinin %2 sini geçmez. Mühendislik jeolojisi çalışmaları; 1. İlk (ön) çalışmalar 2. Ayrıntılı arazi çalışmaları - Yüzey çalışmaları - Yeraltı çalışmaları 3. Laboratuvar çalışmaları 4. İnşaat sırasında çalışmalar 5. İnşaat sonrası çalışmalar 4. BARAJ JEOLOJİSİ Enerji üretmek, yerleşim merkezlerine içme, kullanma, sulama suyu sağlamak ve taşkın önlemek amacıyla inşa edilen yapılardır. Barajlar, jeoloji ve inşaat mühendislerinin işbirliği yaptığı önemli mühendislik projelerinden biridir. Barajların sınıflaması: Barajlar, Amaca göre; Baraj gövdesinin yapımında kullanılan malzemeye göre, Yüksekliklerine göre, Topladıkları su hacmine göre sınıflandırılabilir. A. Amacına göre; 1. Sulama 2. İçme ve kullanma suyu temini 3. Enerji üretmek 3
4. Nakliye 5. Taşkından koruma 6. Balıkçılık 7. Turizm 8. Atık toplama B. Kullanılan malzemeye göre; 1. Beton 1a. Ağırlık - Ağırlık - Payanda 1b. Kemer - İnce - Kalın - Kupolo 2. Dolgu 2a. Toprak - Homojen - Zonlu 2b. Kaya 2c. Toprak+kaya 3. Taş örme 4. Ahşap ve çelik C. Yükseklik ve su hacmine göre Yüksekliğe göre (m) Tipi Su hacmine göre (m 3 ) H<10 Gölet V<5x10 4 10<H<15 Küçük 5x10 4 <V<10 6 H>15 Büyük V>10 6 Barajlarda kullanılan terimler: Barajların bazı kısımlarının tariflenmesinde ortak terimler kullanılır (Şekil 4). 1. Abatman (Abutment): Barajın üzerine inşa edildiği vadinin her iki tarafındaki eğimli yüzeylerdir. 2. Vadi kesiti (river-channel section): Baraj gövdesinin akarsu yatağında oturduğu kesimin enine kesitidir. 3. Baraj menba eteği (Reel of the Dam): Barajın menba yüzünün temel kayasına oturduğu kısım. 4
Şekil 4. Baraj kesitleri ve terimleri (A. Beton baraj ve B. Dolgu baraj) 4. Baraj topuğu (Toe of the Dam): Barajın mansap yüzünün temel kayasına oturduğu kısım. 5. Baraj tepesi (Crest): Barajın en üst kısmı. 6. Kenar duvarı (Parapet): Baraj tepesinin her iki kısmında görülen duvarlar. Baraj tepesinin yol olarak kullanılması halinde emniyetli trafiği sağlar. 7. Serbest kısım (Freeboard): Baraj tepesi ile maksimum su seviyesi arasında kalan kısım. Bu kısma dalga payı ya da emniyet payı da denir. 8. Baraj ekseni (Axis of the Dam): Baraj tepesinin tam ortasından veya barajın menba yüzü tarafında tepenin kenarından geçen hayali çizgi. 9. Baraj kesiti (Dam Cross Section): Barajın eksenine dik kesiti. 10. Galeriler (Galleries): Baraj gövdesi içinde, baraj eksenine paralel, dik ve eğik olarak yapılmış boşluklar. Yapılma amaçları, gövdede olası sızmaları kontrol ve drene etmek ve sızıntıları önlemek için gerekli hallerde enjeksiyon yapmak. 11. Dip savak (Outlet Conduit): Ölü hacminin üstündeki suyu boşaltmaya yarayan tünel. Gerekli hallerde silt boşaltmada da kullanılabilir. 12. Ölü hacim yüzeyi (Dead-Storage Water Surface): Barajın içinde kalan, boşaltılamayan su yüzeyi. Bu hacim barajlarda siltin depolanmasına yarar. 13. Baraj yüksekliği: Talvekten (Hı) ya da Temelden (H2) baraj tepesine kadar olan mesafe (yükseklik). 14. Kuyruk suyu yüzeyi (Tailwater surface): Barajın dolu savak, dip savak ya da türbinlerden çıkan suyun mansaptaki yüzeyidir. 15. Maksimum su seviyesi (Maximum water surface): Baraj gölünde su seviyesinin en yüksek olduğu (dolu sayaktan akmadan) seviye. 16. Minimum su seviyesi (Minimum water surface): Baraj gölünde faydalı şekilde kullanılabilecek en düşük su yüzeyi. 17. Dolu savak (Spillway): Baraja maksimum su seviyesinin üstünde gelen suyu boşaltmaya yarayan kanal. 18. Çevirme tüneli (Diversion Tunnel): Barajın gövde inşaatı sırasında akarsuyun yönünü değiştirmeye yarayan tünel. 19. Batardo (Cofferdam): İnşaat esnasında akarsuyun çevirme tüneline akmasına yardımcı olan ve suyun inşaat sahasını basmasını engelleyen küçük barajdır. 5
Baraj tipi ve yer seçimine etki eden faktörler 1. Topoğrafyası (vadi şekli) 2. Litolojik özellikleri 3. Yapısal özellikleri 4. Hidrolojik ve hidrolik durumu 5. Baraj yapımında kullanılacak malzeme temini 6. İklim koşulları Jeolojik yapının baraj yeri seçimine etkisi (Şekil 5, 6 ve 7): Şekil 5. Tortul kayaçlarda süreksizlik yüzeyleri doğrultusunun baraj eksenine dik olması durumu (Zaruba ve Mencl 1976, 1. Yarı geçirimli, 2. Geçirimli ve 3. Geçirimsiz kayaç) Şekil 6. Jeolojik yapının baraj yeri seçimine etkisi (baraj eksenine paralel) 6
Şekil 7. Tortul kayaçların doğrultusunun baraj eksenine paralel ve farklı yönde eğimli olması (Zaruba ve Mencl, 1976) 7
5. TÜNEL JEOLOJİSİ Türlü kayaçlar içinde yapılan iki tarafı açık kazılara tünel denir. Tek giriş ve çıkışı olan tünele ise galeri ismi verilir. Genel anlamda tünel yeraltı geçidi demektir. Tünellerin kullanım amaçları Günümüzde ilerleyen teknolojiye ve geliştirilmiş kazı makinalarının kullanılmasıyla tünel açma kolaylaşmış ve sık kullanılan kullanılan yapılar olmuştur. Tüneller; 1. Yeraltından maden ve kıymetli mineralleri 2. Yeraltı suyunu drene etmek, 3. Yeraltı yapılarını havalandırmak, 4. Demir ve karayollarını kısaltmak, 5. İçme ve sulama suyu getirmek, 6. Akarsuların yatağını değiştirmek (baraj, hidroelektrik santrallerde), 7. Şehirlerde yerüstü trafiğini hafifletmek (Metro,tüp geçitler), 8. Atık maddeleri ve pis suları toplamak (kanalizasyon). 9. Askeri amaçlar (sığınaklar, patlayıcı ve sıvı yakıt depoları, fabrika ve otoparklar), Tünel en kesiti ve çeşitli kısımlara verilen isimler (Şekil 3) 8
Şekil 3. Tünelin en kesiti ve isimlendirilmesi 1. Kilit (anahtar) taşı, 6- Üzengi çizgisi (düzeyi), 2- Kemer, 7- Kalot, 3- Ayak (Duvar), 8- Stros, 4- Taban, 9- Ano. 5- Üzengi, Jeolojik yapının tünel seçimine etkisi Şekil 6.11: Açılmış bir tünelde A, B çizgileri ve aşırı sökülme. Kayaçlarda aşırı sökülme oranları: Tortul kayaçlarda % 9-11 Granitlerde % 10-12 Bazaltlarda % 8-15 Gnayslarda % 8-11 Diğer metamorfiklerde % 11 9
Şekil 6.12: Tabaka ile tünel doğrultusu ilişkisi. Şekil 6.13: Yatay tabakalı ortamda açılan tünellerde aşırı sökülme A- Masif (az çatlaklı), kalın tabakalı kaya, B- İnce tabakalı, sık çatlaklı kaya, L: Tünel açıklığı, B: Çatlak ara uzaklığı, h: Aşırı sökülme (Erguvanlı, 1982). 10
Şekil 6.14: Tabakaların eğimli olması durumu. Şekil 6.15:tabakaların düşey olması durumu. 11
Bolu Köprübaşı Barajı yer belirleme haritası Bolu Köprübaşı Barajı (DSİ) 12
Bolu Köprübaşı Barajı eksen yeri, dolu savak ve çevirme tüneli kesitleri 13
Baraj yerinde geçirimlilik haritası 14