DOLGU BARAJLAR TASARIM REHBERİ

T.C. ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ DOLGU BARAJLAR TASARIM REHBERİ REHBER NO: 003 EKİM 2012 ANKARA

ÖNSÖZ Birçok medeniyetin kesişme noktası olan Anadolu'da yaklaşık 4000 yıldır süren hidrolik mühendisliği çalışmaları, bilhassa Selçuklu ve Osmanlıların yaptıkları muhteşem eserler, Türkiye'yi tarihi su yapıları açısından en zengin ve en dikkat çekici açık hava müzelerinden birisi haline getirmiştir. Bugün ise ülkemiz, inşa halindeki barajların sayısı bakımından Dünya daki sıralamada üst sıralarda yer almaktadır. Ülkemizde her tipten barajlar inşa edilmiş ve edilmektedir. Ayrıca; bu barajlar dolgu hacmi, yükseklik, rezervuar kapasitesi, kret uzunluğu gibi teknik karakteristikleri ile de dünyadaki inşa edilmiş barajlar arasında ön sıralarda yer almaktadır. Atatürk Barajı 84 milyon m 3 dolgu hacmi ile dünya sıralamasında beşinci sırada yer almaktadır. Şubat ayında su tutma merasimine bizzat katılmış olduğum Deriner Barajı 249 m yüksekliği ile ülkemizin en yüksek barajı, kendi sınıfında Dünya nın 6. yüksek barajıdır. İnşaat ihalesi safhasında bulunan Yusufeli Barajı nın yüksekliği ise 270 metredir. Yusufeli Barajı tamamlandığında Türkiye nin en yüksek barajı olma özelliğine sahip olacaktır. Ülkemizin su yapıları sahasında ulaşmış olduğu bu güzel seviye, bu sektörde çalışanların fedakar çalışmaları ve mesleklerine olan saygının neticesinde oluşmuştur. Yıllardan beri ülkemizde ve yurt dışında barajlar ve su yapıları alanından sayısız eserler kazandıran mühendislerimizin ve müteahhitlerimizin çalışmalarını hepimizin malumlarıdır. Ülkemizdeki baraj ve diğer su yapılarının projelendirilmesi ve inşası sürecine olumlu katkısı olacağını düşündüğüm; Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini esas alarak ülkemiz ihtiyaçları ve şartları dikkate alınarak uygulanması konusunda proje ve uygulama kriterleri ile ilgili olarak Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü nün (DSİ) Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi (TRCOLD) ve Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği (TMMMB) ile başlatmış olduğu çalışmanın neticesinde hazırlanan bu rehber dokümanların bu sektörde çalışanlara büyük fayda sağlayacağı aşikardır. Bu gayeye hizmet etmek için komitelerde görev alan, başta DSİ personeli olmak üzere bütün mühendislik ve müşavirlik firmaları temsilcilerine teşekkür ederim. Su gibi aziz olunuz. Prof. Dr. Veysel EROĞLU Orman ve Su İşleri Bakanı DOLGU BARAJLAR i

GİRİŞ Ülkemizin su kaynaklarının yönetiminden ve geliştirilmesinden sorumlu olan Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü geçmişinden günümüze kadar üstlenmiş olduğu görevleri başarı ile tamamlamış ve insanımızın hizmetine sunarak kalkınmamıza ve refah düzeyimizin artmasına büyük katkı sağlamış ve sağlamaya devam etmektedir. Bugün itibari ile, Genel Müdürlüğümüz merkezde 15 Daire Başkanlığı, taşrada 26 Bölge Müdürlüğü ve bünyesinde bulunan takriben 20200 personel ile çalışmalarına devam etmektedir. Muhtelif yüksekliklere ve değişik maksatlara hizmet eden 741 adet baraj bugün için işletmede olup, yenilerinin inşası da devam etmektedir. Genel Müdürlüğümüzün vizyonu: Su kaynaklarımızın geliştirilmesi, korunması ve yönetimi konularında dünya lideri olmaktadır. Bu konuma gelmek için yapacağımız çalışmaları; diğer ilgili kurum ve kuruluşlar, müteahhitlerimiz, mühendislik ve müşavirlik firmalarımız ve de akademisyenlerimizle koordineli bir şekilde gerçekleştirmekteyiz. 1. Barajlar Kongresi nin hazırlanması ve çıktıları buna çok güzel bir örnek oluşturmuştur. Bu kongremizin maksadı takriben 1 yıla yakın bir süredir yapılan çalışmalar neticesinde ülkemizdeki barajların/su yapılarının projelendirilmesi ve uygulanması sırasında kullanılacak kriterlerin, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini baz alarak ülkemizin ihtiyaçlarına göre uygulanmasında yol gösterecek rehber dokümanlar ile ilgili ilk çalışmaların neticelerinin sunulmasıdır. Bu rehber dokümanlar 8 ana başlık altında toplanmıştır. Baraj ve su yapıları ile ilgili çalışmalarda büyük fayda sağlayacağına inandığım bu rehber dokümanların hazırlanmasında emeği geçen tüm ilgililere içtenlikle teşekkür eder bu ve benzer çalışmaların devamını dilerim. Akif ÖZKALDI DSİ Genel Müdürü DOLGU BARAJLAR ii

BU REHBER DOKÜMAN ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI NIN KATKILARI İLE DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ (DSİ), ULUSLARARASI BÜYÜK BARAJLAR KOMİSYONU TÜRK MİLLİ KOMİTESİ (TRCOLD), TÜRK MÜŞAVİR MÜHENDİSLER VE MİMARLAR BİRLİĞİ NİN (TMMMB) ORTAK ÇALIŞMASI VE TÜRKİYE MÜTEAHHİTLER BİRLİĞİ (TMB) VE TÜRKİYE İNŞAAT SANAYİCİLERİ İŞVEREN SENDİKASI (İNTES) NIN DESTEKLERİ SONCUNDA HAZIRLANMIŞTIR. DOLGU BARAJLAR iii

AÇIKLAMA Bu rehber doküman, barajlar, hidroelektrik santrallar ve hidrolik yapıların planlama, tasarım, proje hizmetlerini ve inşaatını yapan firmaların, bu konuda görev ifa eden kamu kurum ve kuruluşlarının ve özel sektör yatırımcılarının çalışmalarına baz olması gayesi ile Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi, Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği ile akademisyenlerin bir yıla yakın süre ile çalışmaları sonucunda hazırlanmıştır. Bu doküman ülkemizde bu konuda yapılan ilk çalışmalardan biri olup, ilgili taraflardan gelecek görüş ve öneriler çerçevesinde revize edilecek ve güncelleştirilecektir. Bu doküman bu konuda çalışan, hizmet üreten ve imalat yapan kişi, firma, kurum ve kuruluşlara rehber olması amacı ile hazırlanmış olmakla birlikte, tasarım, imalat, montaj, inşaat, su tutma, işletme ve baraj emniyeti ile ilgili her türlü sorumluluk tasarım, imalat, montaj ve inşaat işlerini yapan yüklenicilere aittir. Telif Hakkı Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü nün önceden izni alınmadan bu yayının hiç bir bölümü mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka yollarla hiç bir surette çoğaltılamaz, muhafaza edilemez, basılamaz. DOLGU BARAJLAR iv

İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ... 1 2 TASARIM ANALİZLERİ... 2 2.1 Şev Stabilitesi... 2 2.2 Gerilme - Deformasyon Analizleri... 3 2.3 Sıkıştırılmış Kaya Dolgunun Kesme Dayanımı... 5 2.4 Kret Oturmasının Analitik Yöntemlerle Tahmini... 8 2.5 Sızma Analizi... 10 3 KİL ÇEKİRDEKLİ DOLGU BARAJLAR... 12 3.1 Genel... 12 3.2 Homojen Dolgu Barajlar... 14 3.3 Kum Çakıl (Yarı Geçirimli Veya Geçirimli) Dolgu Barajlar... 15 3.3.1 Merkezi Kil Çekirdekli Kum-Çakil Dolgu Barajlar... 15 3.3.2 Eğik Kil Çekirdekli Kum-Çakil Dolgu Barajlar... 16 3.4 Kil Çekirdekli Kaya Dolgu Barajlar... 16 3.4.1 Merkezi Kil Çekirdekli Kaya Dolgu Barajlar... 16 3.4.2 Eğik Kil Çekirdekli Kaya Dolgu Barajlar... 17 3.5 Karışık Zonlu (Kompozit) Dolgu Barajlar... 17 3.6 Gövde Dolgu Zonlarında Kullanılacak Malzeme Özellikleri... 18 3.6.1 Geçirimsiz Dolgu Malzemesi... 20 3.6.2 Yarı Geçirimli-Geçirimli Kum Çakıl Kabuk Dolgu Malzemesi... 22 3.6.3 Kaya Kabuk Dolgu Malzemesi... 23 3.6.4 Filtre Dolguları... 25 3.6.5 Memba Şev Koruması - Riprap... 27 3.6.6 Mansap Şevi Koruma Örtüsü... 29 3.7 Temel Tasarımı... 29 3.8 Ölçüm Aletleri... 30 3.8.1 Giriş... 30 3.8.2 Harici Çökme Röperleri... 30 3.8.3 Su Basınç Ölçer... 30 3.8.4 Sızınıtı Ölçerler (V Ağızlı)... 30 3.8.5 Su Kotu Ölçer... 30 3.8.6 İvme Ölçer... 30 3.8.7 Piyezometreler... 31 3.8.8 Basınç Ölçerler... 31 DOLGU BARAJLAR v

3.8.9 Manyetik Ekstansometreler... 31 4 ÖN YÜZÜ BETON KAPLI BARAJLAR... 32 4.1 Analizler... 32 4.1.1 ÖBKB Tasarım Prensipleri... 33 4.1.2 ÖBKB Tasarım Analizleri... 33 4.1.3 Basitleştirilmiş Elastisite Modülü Tahmini... 34 4.1.4 Koruyucu Tasarım Kavramları... 35 4.1.5 El Hesapları İle Davranış Tahminleri... 37 4.2 Temel Kazıları ve İyileştirmeler... 45 4.2.1 Topuk Plağının Temel İyileştirmeleri... 46 4.2.2 Dolgu Temeli İyileştirmesi... 47 4.2.3 Kapak ve Perde Enjeksiyonu... 48 4.3 Topuk Plağı... 48 4.3.1 Genel... 48 4.3.2 Topuk Plağı Boyutlandırılması... 49 4.3.3 Topuk Plağı Genişliğinin Belirlenmesi... 49 4.3.4 Topuk Plağı Mansabının Geometrisi... 52 4.3.5 Topuk Plağı Geometrisi... 53 4.3.6 Topuk Plağı Stabilitesi... 55 4.3.7 Topuk Plağında Donatı, Su Tutucu Ve Ankrajlar... 57 4.4 Çevresel Derz Ve Su Tutucular... 58 4.4.1 Genel... 58 4.4.2 Tabandaki Metal Su Tutucular... 59 4.4.3 Kesit Ortasındaki PVC Su Tutucular... 61 4.4.4 Üst Su Tutucuların Projelendirilmesi... 61 4.5 Ön Yüz Betonu... 62 4.5.1 Ön Yüz Betonunun Davranışı... 62 4.5.2 Ön Yüz Betonunun Boyutları... 63 4.5.3 Derzler Ve Genleşme Derzlerinde Kullanılacak Malzemeler... 65 4.5.4 İnşaat Aşamasında Ön Yüz Beton Kaplama Arkasının Drenajı... 67 4.5.5 Ön Yüz Betonunun Çatlak Davranışı... 68 4.5.6 Çatlakların Kontrolü... 68 4.5.7 Beton Özellikleri... 69 4.5.8 Donatı... 69 4.5.9 Ön Yüz Kaplama İle Yerinde Dökme Beton Bordür Arası Bağlantı Detayı... 71 4.6 Parapet Duvarı... 71 DOLGU BARAJLAR vi

4.6.1 Giriş... 71 4.6.2 Duvarın Yüksekliği... 72 4.6.3 Parapet Duvar İle Ön Yüz Beton Arasındaki Derz... 72 4.6.4 Enine Derzler... 73 4.6.5 Yamaç Detayları... 74 4.6.6 Kret Genişliği... 74 4.7 Ön Yüzü Beton Kaplı Kaya Dolgu Baraj Zonları... 74 4.7.1 Zonlar... 74 4.8 1A Zonu (Kohezyonsuz Silt, İnce Kum Zonu)... 74 4.8.1 Filtre (2A Bölgesi)... 79 4.8.2 Ön Yüz Betonu Destek Malzemesi (2B Bölgesi)... 84 4.8.3 İnşaat Aşamasında Yüzey Koruması... 91 4.8.4 Gövde İçerisinde Batardo Kullanımı... 94 4.9 Baraj Ölçüm Aletleri... 94 4.9.1 Ölçüm Sistemleri... 94 4.9.2 Geçmiş Örnekler... 101 4.10 Yardımcı Yapılar... 102 4.10.1 Dipsavak... 102 4.10.2 Dolusavağa ve Su Alma Duvarlarına Bağlantı... 104 5 ASFALT ÇEKİRDEKLİ BARAJLAR... 105 5.1 Giriş... 105 5.1.1 Tasarıma Yönelik Analizler... 106 5.1.2 Kaya Dolgu Davranışı... 106 5.1.3 Sonlu Eleman Yöntemleri ile Deformasyon/Gerilme Analizleri... 109 5.2 Temel Tasarımı... 111 5.2.1 Temel Kazıları ve Dolgu Temeli Özellikleri... 111 5.2.2 Topuk Plağı Temel Kayası Kontağı... 112 5.2.3 Enjeksiyonlar... 114 5.3 Asfalt Çekirdek... 115 5.3.1 Asfalt Çekirdek Bileşenleri ve Özellikleri... 115 5.3.2 Asfalt Çekirdek Deformasyonları... 117 5.3.3 Asfalt Çekirdeğin Sahip Olması Gereken Optimum Birleşim... 118 5.4 Gövde Bölgeleri Ve Özellikleri... 120 5.4.1 Baraj Bölgeleri... 120 5.4.2 Asfalt Çekirdek Filtre ve Destek Zonları... 121 5.5 Ölçüm Aletleri... 122 DOLGU BARAJLAR vii

5.5.1 Giriş... 122 5.5.2 Harici Çökme Röperleri... 122 5.5.3 Su Basınç Ölçer... 123 5.5.4 Sızınıtı Ölçerler (V Ağızlı)... 123 5.5.5 Su Kotu Ölçer... 123 5.5.6 İvme Ölçer... 123 5.5.7 Piyezometreler... 123 5.5.8 Basınç Ölçerler... 123 5.5.9 Manyetik Ekstansometreler... 123 5.6 Tamamlanmış Ve İnşaatı Devam Eden Asfalt Çekirdekli Barajlar, Tipleri Ve Özellikleri... 123 6 YARARLANILAN YAYINLAR... 130 DOLGU BARAJLAR viii

1 GİRİŞ Bu rehber, dolgu barajların tasarımında kullanılacak yöntemleri sunmaktadır. Rehberde dolgu barajlar dört kategoriye ayrılmış olup bunlar kil dolgu barajlar, ön yüzü beton kaplı barajlar, geomembran uygulamalı dolgu barajlar ve asfalt çekirdekli barajlardır. Birinci bölümde genel olarak tüm dolgu barajların tasarım analizlerine ait esaslar verilmektedir. İkinci bölümde kil dolgu barajlar, üçüncü bölümde ön yüzü beton kaplı barajlar, dördüncü bölümde geomembran uygulamalı dolgu barajlar beşinci ve son bölümde ise asfalt çekirdekli barajlarla ilgili esaslar verilmektedir. DOLGU BARAJLAR 1

2 TASARIM ANALİZLERİ 2.1 Şev Stabilitesi Dolgu barajların şevleri, statik şev stabilite analizi yapılarak projelendirilir. Analiz, aşağıdaki yükleme durumları dikkate alınarak gerçekleştirilir: Tablo 1.1: Analizlerde Yükleme Durumları ve Emniyet Katsayıları Hal Emniyet Katsayısı Yükleme Durumu İnşaat Sonu 1, 3 Olağan dışı İnşaat Sonu Depremli (İED) > 1, 0 Ekstrem İşletme 1, 5 Olağan İşletme Depremli (İED) 1, 2 Olağan dışı İşletme Depremli (EED) > 1, 0 Ekstrem Ani Boşalma* 1, 2 Olağan dışı Ani Boşalma Depremli (İED)** > 1, 0 Ekstrem Bu tablo tasarım mühendislerine yol gösterici mahiyettedir. * Ön yüzü kaplamalı barajlarda dikkate alınmayacaktır. ** Sadece pompajlı depolamalar için uygulanacaktır. Tüm incelenecek durumlar için şev stabilitesi analizleri kayma daireleri yöntemi ile yapılacaktır ve istenen emniyet katsayılarının sağlanması aranacaktır. Kullanılacak yazılıma deprem durumu sabit ivme olarak girilecekse K katsayısı kullanılmalıdır. Yatay eşdeğer deprem katsayısı (K) seçilirken aşağıdaki eşitliklerden faydalanılabilir. K=(0, 40~0, 60)a max a max : Seçilen depremin pik ivmesi DOLGU BARAJLAR 2

Towhata (2008) da ise Noda ve diğerlerinin topladığı datalar kullanılarak 0.2 den küçük ivmeler için PGA, 0, 2g den büyük yer ivmeleri için ise ((PGA) 0, 333 )/3 değerini önermektedir Bu değişken katsayı olası depremin frekans özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. Deprem dalgalarının uzun periyot bileşenleri hakimse büyük değer, küçük periyot bileşenleri hakim ise küçük değer dikkate alınabilir. Ancak yarı-statik analizlerde kayan bir kütleye sabit bir ivme uygulanarak sistem çözüldüğünden şev stabilitesi ile ilgili bilgi vermekle birlikte kretteki oturmalar ile ilgili bilgi vermemektedir. Bu sebeple her koşulda dinamik analizler ile krette oluşacak kalıcı oturmalar hesaplanmalıdır. 2.2 Gerilme - Deformasyon Analizleri Baraj Adı Tablo 1.2, kaya dolgu barajların, ölçülen depremlerin neden olduğu deformasyonlarını göstermektedir. Veriler, Swaisgood tarafından derlenmiş ve Mayıs 1995 de Devlet Baraj Güvenliği Çalışanları Birliği Batı Bölgesi Konferansında sunulmuştur. Rölatif oturma, ölçülen kret oturmasının baraj ile onun altındaki alüvyonun toplam yüksekliğine bölümünün yüzde cinsinden tanımlanmasıdır. Deprem Şiddet Endeksi, baraj yerinde meydana gelen kaydedilmiş ve tahmin edilen pik zemin ivmeleri esas alınarak Swaisgood un tablosuna eklenmiştir. Tablo 1.2: Kaya Dolgu Barajlarda Deprem Nedeniyle Oluşan Deformasyonlar Yer Baraj Tipi DH, m AT, m Deprem Adı Yıl Büyüklük DOLGU BARAJLAR 3 PGA, g Kret Oturması cm Röl. Oturm. % Cogoti Şili ÖBKB 85.4 0.0 Illapei 1943 7.9 0.20 37.8 0.44 7.86 La Villita Meksika GÇKB 60.1 75.3 Mich.-Guerro 1985 8.1 0.13 32.9 0.24 6.07 Pantabangan Filipinler GÇKB 114.3 0.0 Filipinler 1990 7.7 0.58 27.7 0.24 19.01 Aya Filipinler GÇKB 102.1 0.0 Filipinler 1990 7.7 0.58 20.1 0.20 19.01 Los Angeles Kaliforniya GÇKB 47.3 0.0 Northridge 1994 6.7 0.43 8.8 0.19 4.58 Makio Japonya GÇKB 95.0 0.0 Naganoken 1984 6.8 0.57 15.0 0.16 6.94 Matahina Yeni Zellanda GÇKB 86.0? Edgecumbe 1987 6.3 0.33 11.9 0.14 1.92 Diayo Filipinler GÇKB 60.1 0.0 Filipinler 1990 7.7 0.38 6.7 0.11 12.45 Namioka Japonya GÇKB 52.1 0.0 Nihonkai-Chubu 1983 7.7 0.08 5.8 0.11 2.62 La Villita Meksika GÇKB 60.1 75.3 Playa Azul 1981 7.3 0.09 14.3 0.11 1.98 Minase Japonya ÖBKB 67.1? Nigata 1964 7.5 0.08 6.1 0.09 2.16 La Villita Meksika GÇKB 60.1 75.3 n/a 1985 7.5 0.04 12.2 0.09 1.08 El Infiemillo Meksika GÇKB 146.0 0.0 n/a 1979 7.6 0.12 13.1 0.09 3.57 North Dike (LA) Kaliforniya GÇKB 35.7 0.0 Northridge 1994 6.7 0.42 3.0 0.09 4.47 El Infiemillo Meksika GÇKB 146.0 0.0 Mich-Guerro 1985 8.1 0.13 11.0 0.08 6.07 San Justo Kaliforniya GÇKB 39.9 14.0 Loma Prieta 1989 7.1 0.26 3.7 0.07 4.57 Canili Filipinler GÇKB 70.1 0.0 Filipinler 1990 7.7 0.38 4.3 0.06 12.45 Leroy Anderson Kaliforniya GÇKB 71.6 0.0 Loma Prieta 1989 7.1 0.26 4.3 0.06 4.57 Cogswell Kaliforniya ÖBKB 81.1 0.0 Sierra Madre 1991 5.8 0.46 4.3 0.05 1.01 El Infiemillo Meksika GÇKB 146.0 0.0 Playa Azul 1981 7.3 0.05 6.4 0.04 1.10 Nagara Japonya GÇKB 52.1? Chiba-Toh 1987 6.9 0.27 2.1 0.04 3.73 La Villita Meksika GÇKB 60.1 75.3 n/a 1979 7.6 0.02 4.6 0.03 0.60 Tsengwen Tayvan GÇKB 131.4? n/a 1976 5.3 0.16 4.0 0.03 0.08 Cogswell Kaliforniya ÖBKB 81.1 0.0 Northridge 1994 6.7 0.10 2.1 0.03 1.06 El Infiemillo Meksika GÇKB 146.0 0.0 n/a 1975 5.9 0.08 3.7 0.03 0.22 Leroy Anderson Kaliforniya GÇKB 71.6 0.0 Morgan Hill 1984 6.2 0.41 1.5 0.02 2.01 Miboro Japonya GÇKB 129.9 0.0 Kitamino 1961 7.0 0.15 2.7 0.02 2.34 La Villita Meksika GÇKB 60.1 75.3 n/a 1975 7.2 0.04 2.4 0.02 0.79 El Infiemillo Meksika GÇKB 146.0 0.0 n/a 1975 7.2 0.09 2.4 0.02 1.77 Magat Filipinler GÇKB 100.0 0.0 Filipinler 1990 7.7 0.05 0.6 0.01 1.64 Oroville Kaliforniya GÇKB 234.8 0.0 Oroville 1975 5.9 0.10 0.9 0.00 0.27 Burada: ESI

DH: Baraj yüksekliği, m AT: Barajın altındaki alüvyon kalınlığı, m GÇKB: Geçirimsiz çekirdekli kaya dolgu baraj ÖBKB: Ön yüzü beton kaplı kaya dolgu baraj PGA: Pik zemin ivmesi Rölatif Oturma: Kret oturmasının baraj yüksekliği ve alüvyon yüksekliğinin toplamına oranı, % ESI: Earthquake Severity Index: Deprem şiddet endeksi: PGA*(Deprem Büyüklüğü- 4.5) 3 dir. Dolgu barajlarda sonlu elemanlar yöntemi ile çözümleme yapan bir yazılım yardımı ile inşaat sonu ve işletme durumlarında depremsiz ve depremli (inşaat sonu için İED veya daha küçük bir deprem seviyesi, işletmede EED) gerilme - deformasyon analizleri yapılmalıdır. Bu analizler oturma payının belirlenmesi ve baraja tasarım depreminin etkilerinin irdelenmesi amacı ile yapılacaktır. Baraj İnşaatının Kademeli Olarak Modellenmesi: Baraj gövdesindeki gerilme dağılımının doğru olarak alınabilmesi için yazılımda kurulacak modelin, inşaat koşullarını da yansıtması gerekmektedir. Baraj gövdesi inşaatını da modele ilave edebilmek için gövde geometrisi kademeli olarak oluşturulmalıdır. Modelin kaç kademeden oluşacağına mühendis karar vermelidir. Eğer sonuçlar beklenenden farklı çıkıyorsa, mühendis kademe yüksekliklerini azaltarak, kademe sayısını artırabilir. Gerilme - Deformasyon Analizleri İçin Temel Prensipler: Gerilme - deformasyon analizleri inşaat sonu hali için baraj inşaatının kademeli olarak modellenmesi ve yer çekimi ivmesi ile yüklenmesi, inşaat bittikten sonra inşaat sırasındaki oturmaların sıfırlanarak barajın kret kotuna getirilmesini kapsar. Daha sonra aynı modelde dinamik analizler de yapılabilir. İşletme hali için inşaattan sonra depreme maruz kalmamış olan modelde gölalanı kademeli olarak doldurulmalıdır ve gerekli görülen işletme koşulları için dinamik analizler yapılmalıdır. DOLGU BARAJLAR 4

Dinamik Analizler İçin Temel Prensipler: Sonlu elemanlar metodu ile kurulan sayısal modelde, zaman düzleminde dinamik analizler yapılmalıdır. Sismik risk değerlendirme raporlarına dayanacak zaman-ivme grafiklerinin yazılıma fonksiyon olarak tanımlanması ve baraj modelinin bu fonksiyona dayanan deprem yüklemesine hem inşaat sonu hem de işletme hallerinde maruz bırakılması gerekmektedir. İnşaat sonu ve işletme halleri ayrı modellerde incelenmeli ve deprem kaydı bittikten sonraki kalıcı deplasmanlar esas alınmalıdır. Malzemenin depremi sönümleme özelliklerini de dikkate alacak malzeme yenilme kriterleri kullanılmalıdır. Sonuçların Yorumlanması: Bulunan oturma payları ve yatay deplasmanların barajın İED depreminde işlevini sürdürebilmesi ve EED depreminde işlevini yitirse bile stabilitesini kaybetmemesi koşullarını sağlayıp sağlamadığı yorumlanmalıdır. Merkezi kil çekirdekli barajlarda toplam kalıcı deplasman filtre genişliğinin yarısını aşmamalıdır. Kalıcı düşey deplasman ise baraj kret kotu ile normal su seviyesi arasındaki farktan düşük olmalı, deprem sonrası baraj su tutma kapasitesini devam ettirebilmelidir. Oturma payına göre baraj kretinde yapılacak kamber düzenlemesine karar verirken deprem oturmaları da dikkate alınmalıdır. Ancak oturma değerleri baraj yüksekliğinin %2 sini aşıyorsa, hava payı da dikkate alınmalıdır. Sonuç olarak, inşaat sonrası ve su tutma tamamlandıktan sonra EED sonrası normal su seviyesinin üzerinde 100 yıllık taşkın hacmini depolayabilecek yüksekliğin sağlanması gerekmektedir. Dinamik analizden çıkan sonuçların mertebeleri Makdisi ve Seed Metodu ve Bureau Metodu ile kontrol edilebilir. 2.3 Sıkıştırılmış Kaya Dolgunun Kesme Dayanımı Basit stabilite analizlerinde karmaşık malzeme modelleri yerine kohezyon ve kesme dayanımı içeren Mohr-Coulomb modelleri kullanılmaktadır. Leps (1970), sıkıştırılmış kaya dolgunun ve çakıl dolgunun kesme dayanımını büyük çaplı malzemenin laboratuarda üç eksenli testlerinden faydalanıp ölçmek suretiyle yeniden incelemiştir. İçsel sürtünme açısıyla ölçülen kesme dayanımı, kırılma düzlemi üzerinde normal gerilmeye karşı çizilmektedir. Kesme dayanımının belli bir kohezyonu içermediğine dikkat edilmelidir. Veriler açık bir şekilde normal basınçlı kesme dayanımının değişimini göstermektedir. Genel olarak Leps aşağıdakileri bulmuştur: DOLGU BARAJLAR 5

Yaklaşık 70 kpa ın (10 psi) altındaki normal gerilmelerde, içsel sürtünme açısı düşük yoğunluklu, kötü derecelendirilmiş zayıf parçacıklarda 45 civarında, yüksek yoğunluklu iyi derecelendirilmiş sağlam parçacıklarda ise 60 kadar yüksek bir aralıkta değişmektedir. Sürtünme açıları, kırılma düzlemindeki normal basıncın her 10 kat artışında 6-7 kadar düşmektedir. İyi derecelendirilmiş malzeme kötü derecelendirilmiş malzemeye göre daha yüksek kesme dayanımı göstermektedir. Yüksek yoğunluklu malzemeler düşük yoğunluklu malzemelere göre daha yüksek kesme dayanımı göstermektedir. Köşeli malzemeler yuvarlak malzemelere göre daha yüksek kesme dayanımı göstermektedir (diğer faktörler eşit olduğunda). Kuru malzemeler doymuş malzemelere göre daha yüksek kesme dayanımı göstermektedir. Diğer kaya dolgu ve çakıl dolgu barajlardan elde edilen veriler, ICOLD Bülten 92, Kaya dolgu Barajların Kaya Malzemeleri nde sunulduğu gibi, genel olarak Leps in raporladığı bulguları desteklemektedir. DOLGU BARAJLAR 6

Friction angle, in degrees 70 65 60 55 50 45 Isabella granite 4 in. USED 1948 Cachuma gravel 3/4 in. USBR 1953 Cachuma gravel 3 in. USBR 1953 Cachuma quarry 3 in. USBR 1955 Oroville tailings 3 in. USED 1963 Soledad gravel 4 in. CFE 1965 Infiernillo diorite 8 in. CFE 1965 Infiernillo conglom 8 in. CFE 1965 Malpaso conglom 8 in. CFE 1965 Pinzandaran gravel 8 in CFE 1965 Infiernillo basalt 7 in. CFE 1966 Infiernillo gness X 7 in. CFE 1966 Infiernillo gneiss Y 7 in. CFE 1966 Contreras gravel 7 in. CFE 1965 Santa Fe rock 7 in CFE 1965 Fort Peck sand No. 20 TML 1939 Scituate sand No. 8 TML 1941 Ottawa std. sand TML 1938 40 35 30 1 2 5 10 20 50 100 200 500 Normal pressure N, in pounds per square inch Şekil 1.1: Büyük Üç Eksenli Testlerden Çıkan Kaya Dolgu Kesme Dayanımı (Leps, 1970) Kaya dolgu kesme dayanımıyla ilgili çeşitli çalışmalar (Marsal 1973, Barton ve Kjaernlsi 1981, Charles ve Watts 1980, ICOLD 1993, vd.) kaya dolgunun gerçek davranışının lineer olmadığını doğrulamaktadır. Kayma gerilmesi ile normal gerilme arasındaki ilişki: τ =A*(σ ) b dir. Burada, τ kayma dayanımı, σ efektif normal gerilme A ve b de kaya tipine bağlı olan ampirik katsayılar olarak basitleştirilerek verilebilir. Görüldüğü üzere barajın değişik yerlerinde sargılama basıncına göre kaya dolgunun davranışı değişmekte, alt bölgelerde daha rijit, üst bölgelerde daha yumuşak bir davranışa rastlanmaktadır. Dolayısı ile kaya dolgunun statik modellenmesinde iki teknik önerilir. Şekil 1 kullanılarak sargılama basıncının değerlendirilmesi ile güvenli sürtünme açıları seçilmesi ve basit Mohr-Coulomb plastisite modeli kullanılması (bu malzeme modeli ile sadece şev stabilitesi analizleri gerçekleştirilebilir, deformasyon tahmini mümkün değildir). DOLGU BARAJLAR 7

2.4 Kret Oturmasının Analitik Yöntemlerle Tahmini Barajın EED ye gösterdiği tepki, deprem esnasında barajların gerçek performansına dayanan ampirik analiz metotlarının kullanılmasıyla ve Makdisi ve Seed (1977) ile Bureau (1997) nin önermiş olduğu prosedürlerin kullanıldığı basitleştirilmiş analitik metotlarla belirlenebilir. Makdisi ve Seed Metodu: 1965 de Rankine konferansında, Newmark, şev hareketlerinin potansiyel bir kayma kütlesindeki atalet kuvvetlerinin kırılma yüzeyi sınırı boyunca mevcut verilen direnci aşması durumunda başlayacağını esas alarak, dolgu barajlarda deprem kaynaklı yer değiştirmelerin tahmini için bir metot önermiştir. Newmark, kayan kütleye rijit bir madde olarak davranmıştır. Makdisi ve Seed (1977), Newmark ın yaklaşımını bir dolgu barajın esnek bir yapı olarak tepki gösterdiğini kabul ederek geliştirmişler ve yer hareketinin şiddetinin baraj kretine olan etkisini tahmini için bir metot önermişlerdir. Analiz, o zaman verilmiş bir yer hareketi için maksimum pik kret ivmesinin (ü max ) tahminine göre temellendirilir ve potansiyel kayan kütlenin maksimum ivmesi belirlenir (k max ). Bu ivme istem olarak değerlendirilir ve genellikle kret ya da yer ivmesinin bir fraksiyonu olarak kullanılır. Şevin kaymasını sağlayan ivme olan k y ise emniyet katsayısının 1.0 alındığı geleneksel şev analizlerinde ortalama yatay ivmenin bulunması ile tahmin edilir. Bu katsayı, durağan olmayan bir yatay kuvvetin (bir deprem nedeniyle oluşabilir) kayan kütlenin ağırlığına oranı olarak tanımlanmaktadır. K y nin k max a oranı baraj kretindeki yer değiştirmesinin tahmin edilmesinde kullanılabilmektedir. Tahmin edilen bu yer değiştirmenin hem yatay hem de düşey bir bileşeni olabilir. Bu deformasyonlar sadece olası bir davranış indeksi olarak değerlendirilmelidir. Bureau (1997) den alınmış Makdisi ve Seed tabloları Şekil 1.2 de gösterilmektedir. Uygulamada önce kayan kütlenin üzerindeki atalet yükünü gösteren k max Şekil 1.2 den kayan kütlenin derinliğine ve pik yer ivmesine göre seçilir. Ardından bu ivmenin kayma ivmesi ile oranı bulunarak K y /k max a deplasman tahmini yapılır. DOLGU BARAJLAR 8

0.0 10.0000 Sliding Mass Depth Ratio (-y/h) -0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7 M = 6.50 M = 7.50 M = 8.25 Normalized Displacement (u/kmaxgto) 1.0000 0.1000 0.0100 M = 6.50 M = 7.50 M = 8.25-0.8 0.0010-0.9-1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2 Maximum Acceleration Ratio (kmax/u max) 0.0001 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Average Acceleration Ratio (ky/kmax) Şekil 1.2: Makdisi/Seed Uygulaması (Bureau, 1997) Bureau Metodu: Bureau (1997), dolgu malzemesi sürtünme açısının bazı değerleri için Rölatif Kret Oturması ile Deprem Şiddet Endeksi (ESI) arasındaki ilişkiyi bir tabloda sunmuştur (Şekil 1.3). Tablo, tipik kaya dolgu barajların sonlu eleman analizleri esas alınarak yapılmaktadır. Unutulmamalıdır ki; oturma, tablodan okunan değerle baraj yüksekliğinin çarpılması ile elde edilmeli sonra 100 e bölünmelidir. Bu metodun kullanılması EED esnasında, 40 lik bir sürtünme açısı kullanıldığında, yaklaşık 2 m lik bir oturmayı işaret etmektedir. 50 lik bir sürtünme açısının kullanılması, 1 m lik bir kret oturmasını işaret edebilmektedir. 100.00 10.00 Rel. Crest Settlement (DeltaH/H) % 1.00 0.10 0.01 0.001 0.1 1.0 10.0 100.0 Earthquake Severity Index (ESI) *Friction angle of the fill material Şekil 1.3: Bureau (1997) DOLGU BARAJLAR 9

ESI = PGA*(M 4.5) 3 (1.1) Burada: ESI = PGA = M = Deprem şiddet endeksi Baraj yerindeki pik yatay zemin ivmesi Depremin büyüklüğü Şekil 1.4 te gösterildiği gibi, rölatif oturma ile deprem şiddet endeksi arasında kabaca bir ilişki vardır: 1 in Rölatif Oturması (%) 0,1 0,01 0,001 Şekil 1.4: Deprem Sırasında Kaya Dolgunun Performansı 2.5 Sızma Analizi Barajlarda sızma analizleri aşağıdaki sebeplerle yapılır: Dolguda Sızma Kontrolü: Şev Stabilitesi analizleri öncesinde işletme ve ani boşalma durumları için freatik hattın belirlenmesi, Temelde Sızma Kontrolü: Baraj temelinin sızma durumunu incelenmesi, Sızma Tedbirlerinin Performansının Değerlendirilmesi: Geçirimsizlik perdeli ve perdesiz model sonuçlarının karşılaştırılarak perdenin performansının değerlendirilmesi. Sızma analizleri genellikle sonlu elemanlar metodunu kullanan ve suyun akışı modellenebilen yazılımlar ile yapılır. Bu analizlerde Darcy formülü temel alınır. DOLGU BARAJLAR 10

Q=A x k x i (Darcy fomülü) (1.2) Burada: Q: Sızma Miktarı A: Sızma Alanı i: Hidrolik eğim Analizde kullanılacak model üç safhada oluşturulur; Sayısal ağ modelinin oluşturulması: Bazı özel koşullarda fiziksel model deneyleri önerilebilir ama mühendis sayısal modellerle sonuçlara daha hızlı ulaşır ve fiziksel modellerin aksine pek çok farklı koşulu kuracağı sayısal modelde yapacağı birkaç değişiklik ile kolayca inceleyebilir. Sayısal modelin hazırlanması sadece birkaç geometrik şeklin çizilmesinden ibaret değildir. Modeli hazırlayan mühendisin proje sahası ile ilgili yeterli bilgiye sahip olması beklenmektedir. Sonuçların irdelenebilmesi için Darcy Kanunu ile elle yapılacak bir hesap faydalı olacaktır. Eğer sonuçlar beklenenden çok farklı çıkarsa sayısal modelde, sınır koşullarının kabulünde hatalar olabilir. Malzeme parametrelerinin seçimi: Mazleme parametreleri mühendis tarafından, malzeme deneylerine uygun olarak seçilmelidir. Eğer malzeme deneyleri yeterli değilse kabul edilebilir uluslarası kaynaklar incelenmelidir. Sınır koşullarının belirlenmesi: Sızma akımının oluşma sebebi iki nokta arasındaki su kotu farkı ve sisteme giren ve sistemden çıkan akışlardır. Sınır koşulları bu iki parametreden biri veya her ikisine göre belirlenir. Model kurulurken tanımlanan su kotları ve debiler sınır koşullarıdır. Çözüme ulaşmak için en az bir noktada su kotu sınır koşulu tanımlamak gerekir. DOLGU BARAJLAR 11

3 KİL ÇEKİRDEKLİ DOLGU BARAJLAR 3.1 Genel Dolgu Barajlar, gövdelerini kaya, kum-çakıl ve kil gibi doğal malzemelerin oluşturduğu barajlardır. Geçirimsizliğin baraj gövdesinin merkezinde bulunan geçirimsiz kil dolgu zonu ile sağlandığı dolgu barajlar Merkezi Kil Çekirdekli Dolgu Barajlar olarak adlandırılır. Gövde mansap eteğini toparlamak için dolgu şevini dikleştirmek, baraj aksındaki jeolojik olumsuzluklardan kil çekirdek temelini kaçırmak veya kil malzemenin miktarını azaltmak için kil çekirdeğin temelini membaya kaydırmak gerekebilir. Kil çekirdeği bu şekilde tasarlanan Barajlar Eğik Kil Çekirdekli Dolgu Barajlar olarak adlandırılırlar. Baraj yerinin topografyası, jeolojisi ve temel şartları (temeldeki alüvyonun granülometresi, kalınlığı ve taşıma gücü vb.), baraj yüksekliği, baraj dolgusunda kullanılacak malzemenin fiziksel özellikleri, miktarı, taşım mesafesi, deprem durumu vb. göz önüne alınarak baraj kabuk dolgusunda kullanılmak üzere seçilen malzemeye göre Kil Çekirdekli Dolgu Barajlar aşağıdaki şekilde sınıflandırılır: a) Homojen gövdeli barajlar b) Zonlu barajlar Kum çakıl dolgu (Yarı geçirimli veya geçirimli) Kaya dolgu Karışık zonlu dolgu Kil Çekirdekli Barajlarda gövde dolgusunda kullanılan malzemenin granülometresine göre filtre tahkiki yapılarak filtre zonları tasarlanmaktadır. Rezervuarın ani boşalma durumunda kilin memba kabuk dolgusuna yıkanmasını önlemek için kil ve kabuk dolgu arasında düşey filtre tabakası tasarlanır. Kil çekirdek dolgusundan sızan suların mansap şevinden çıkmasını ve buna bağlı olarak da borulanma riskini yok etmek ve sızan suların dolguya zarar vermeden tahliye edilmesini sağlamak amacıyla kil çekirdek mansabına düşey filtre ve buna bağlı olarak da mansap dolgu tabanında yatay filtre tasarlanır. Gövde dolgusunun memba ve mansap dolgu şevlerini korumak için çeşitli önlemler alınır. Gövdenin memba şevindeki baraj dolgusunda rezervuardaki su dalgalarının DOLGU BARAJLAR 12