HAKKARİ BARAJI VE HES PROJESİ ZEMİN SIVILAŞMA RİSKİNİN BELİRLENMESİ

HAKKARİ BARAJI VE HES PROJESİ ZEMİN SIVILAŞMA RİSKİNİN BELİRLENMESİ Nihan DERİNÖZ (*) 1. GİRİŞ Zemin sıvılaşması, depremlerde meydana gelen hasarların en önemli nedenlerinden biridir. 1960 lı yıllara kadar deprem esnasında zemin davranışının yapılar üzerindeki etkisine çok fazla önem verilmemiştir. 1964 Niigata ve 1964 Büyük Alaska depreminde, zemin sıvılaşması nedeni ile meydana gelen büyük hasarlar; yapı hasarı ile deprem sırasında zeminin davranışı arasındaki ilişkinin önemini ortaya koymuştur. Ülkemizde ise zemin sıvılaşmasının önemi 17 Ağustos 1999 Kocaeli depreminden sonra daha iyi anlaşılmıştır. Zemin sıvılaşması, özellikle yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu (deniz kenarı, dere kenarı gibi) yerlerde yüzeylenen doygun kohezyonsuz zeminlerde, boşluk suyu drenajının mümkün olamadığı ani yükleme durumlarında, bu tür zeminlerin sıkışmaya meyilli olmaları sebebiyle, boşluk suyu basınçlarındaki ani yükselmeye bağlı olarak efektif gerilmelerin düşmesi sonucunda ortaya çıkmaktadır. Özellikle doğal eğimi çok fazla olmayan nehirler üzerinde yapılan barajların altında kalan alüvyonun kalınlığı çok fazladır. Deprem riski yüksek olan bölgelerde ve/veya fay hattı yakınında yapılan barajların altında kalan alüvyonda, büyük bir deprem sırasında meydana gelecek zemin sıvılaşması, barajın ciddi şekilde hasar görmesine ve çok ciddi maddi ve manevi kayıplara yol açabilir. Diğer taraftan barajın altındaki alüvyonun herhangi bir depremde sıvılaşabileceği varsayımı ile tamamen kaldırılması da çok maliyetli bir iştir ve mühendislik etiğine aykırıdır. Bu nedenle baraj altında bırakılacak alüvyonun sıvılaşma riskinin olası deprem senaryoları için detaylı bir şekilde incelenmesi, barajın hem ekonomik hem de teknik açıdan en iyi şekilde tasarlanması için kaçınılmazdır. Bu çalışmada Washington Inf. Services, Dolsar Mühendislik Ltd. Şti., Kiska İnşaat Taahhüdü İşleri A.Ş ve Alstom Pover, Inc. şirketlerinin oluşturduğu (*) İnş. Yük. Müh., Dolsar Müh. Ltd. Şti., Ankara Hakkari Konsorsiyumu tarafından kati projesi yapılmakta olan Hakkari Barajı ve HES in, I. Aşama Mühendislik Hizmetleri kapsamında çalışılan sıvılaşma riski analizleri ve kullanılan analiz yöntemleri anlatılacaktır. 2. HAKKARİ BARAJI VE HES İLE İLGİLİ GENEL BİLGİ Hakkari Barajı ve HES Projesi, Zap Suyu üzerinde yapılması planlanan üç ardışık barajdan birincisidir. Baraj aksı Hakkari-Van karayolu üzerinde, Hakkari iline 17 km uzakta yer almaktadır. Zonlu kaya dolgu tipinde yapılacak olan barajın talvegden yüksekliği 170 m, temelden yüksekliği ise 220 m, kret uzunluğu 510 m, kret genişliği ise 12 m dir. Kati proje aşamasında barajın kurulu gücü 190 MW olarak belirlenmiş ve barajın tamamlanmasından sonra 484 GWh firm ve 164 GWh sekonder olmak üzere toplam 648 GWh enerji üretileceği planlanmıştır. 2.1. Nehir Yatağındaki Alüvyonun Tanımlanması Proje alanında, nehir yatağındaki alüvyon kalınlığının belirlenmesi için, temel olarak baraj aksında, memba ve mansap batardolarının aks yerlerinde dere yatağı içerisinde açılan sondajlarla elde edilen bilgilerden yararlanılmış ve sondajlarla bulunan alüvyon derinlikleri sismik kırılma deneyi sonuçlarına göre belirlenen derinliklerle karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmaların sonucunda dere yatağındaki alüvyonun en derin olduğu yerde, kalınlığının 40 metrenin üzerinde olduğu görülmüştür. Sol sahilde baraj aksında açılan bir sondaj kuyusunda (DHD- 5) anakayanın üzerindeki alüvyon kalınlığı 42 metre olarak ölçülmüştür. Ayrıca memba batardosu aksında, yatakta açılan DHD-22 kuyusunda alüvyon kalınlığı yaklaşık 41 m olarak ölçülmüştür. Yapılan sismik kırılma deneylerinin sonuçlarına göre hesaplanan alüvyon derinlikleri de sondaj kuyularından elde edilmiş, bilinen anakaya derinlikleri ile uyumludur. Zap Suyu yatağı ağırlıklı olarak iri taneli alüvyondan oluşmaktadır. Baraj yerindeki alüvyonun ise çoğun- TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3 33

lukla sıkı ve iri taneli olduğu görülmektedir. Bu yargıya, alüvyonda sondaj açılırken yapılan gözlemlere, karotlu delgi sırasında karşılaşılan şartlara, standart penetrasyon deneyi (SPT) sonuçlarına ve sismik kırılma deneyleri sonucunda alüvyon malzeme için bulunan yüksek ortalama sismik hızlara dayanılarak varılmıştır. Nehir yatağı boyunca yüzeylenen alüvyon birikintileri, nehrin sol sahilinde, mansap batardosu civarında yer alan siltli kumdan oluşan küçük alüvyon taraça hariç, ağırlıklı olarak yuvarlak çakıllar ve taşlardan oluşmaktadır. Baraj yerindeki alüvyonda açılan araştırma çukurları (TPDA-1, 2 3 ve 4) yüzeye yakın alüvyonun kumlu, ince-iri çakıl ve taşlardan oluştuğunu göstermiştir. Çakıl ve taşların litolojik orijini kayraktaşı, metakumtaşı, kireçtaşı, radyolarit (çört) ve serpantinittir. 3. HAKKARİ BARAJI VE HES PROJESİ ZEMİN SIVILAŞMA ANALİZİ Zemin sıvılaşmasına karşı emniyet katsayısı FS, Cyclic Resistance Ratio Döngüsel Dayanım Oranı (CRR) olarak adlandırılan zemin sıvılaşma dayanımının Induced Cyclic Stress Ratio Yaratılmış Döngüsel Dayanım Oranı (CSR) olarak adlandırılan depremin sıvılaşma yaratabilme gücüne bölünmesiyle bulunur. Depreme bağlı büyüklük ölçeklendirme faktörü (Magnitude Scaling Factor, MSF) CRR değerine uygulanır. Emniyet katsayısı aşağıdaki şekilde hesaplanmıştır: (1) CRR değerinin hesaplanmasında arazide zemin özelliklerinin belirlenmesi amacı ile yapılan Standart Penetrasyon Deneyi (SPT), Statik Konik Penetrometre Deneyi (CPT), Becker Penetrasyon Deneyi (BPT) veya kesme dalga hızı verileri kullanılabilir. CSR değerinin hesaplanması CRR değerinin belirlenmesi için kullanılan hesaplama yönteminden bağımsızdır. CSR değerinin hesaplanması için drenajlı durumdaki gerilme ve maksimum yer ivmesi değerleri kullanılır (Youd ve diğerleri 2001). CRR ve CSR değerlerinin hesap detayları aşağıdaki bölümlerde anlatılmıştır. Hakkari Baraj yerinde CRR değerinin hesaplanması için iki değişik yöntem kullanılmıştır. Bunlardan biri SPT verilerine göre, diğeri ise sismik kırılma verilerine göre emniyet katsayısının hesaplanmasıdır. Bu analiz, Hakkari Barajı ve HES projesi için proje alanında yapılan detaylı deprem riski araştırma çalışmaları sonucunda belirlenen deprem büyüklüğü ve maksimum deprem ivmesi değerlerine göre yapılmıştır. Baraj yeri için olası en büyük deprem (MCE) büyüklüğü 7.5 ve maksimum yer ivmesi 0.5g dir. 3.1. Depremle Yaratılmış Döngüsel Dayanım Oranı (CSR) Yaratılmış Döngüsel Dayanım Oranı CSR şu şekilde hesaplanmıştır: a maks maksimum yer ivmesi (0.5 g) r d gerilim azaltma katsayısı σ 0 örtü malzemesi toplam gerilimi (γ.z) σ 0 örtü malzemesi efektif gerilimi (γ.z) Gerilim azaltma katsayısı r d, tabii zemin kotunun altındaki derinliğe bağlı olarak aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanmıştır (Youd ve Idriss, 2001). z tabi zemin kotunun altındaki derinlik (m) (2) (3) 3.2. Döngüsel Dayanım Oranı (CRR) 3.2.1. SPT Deneyi Sonuçları Kullanılarak CRR Hesaplanması CRR, SPT deneyi ile elde edilen darbe sayısının (N) bir fonksiyonu olarak hesaplanabilir. SPT sonucunda araziden elde edilen darbe sayılarının (N), SPT değerlerine göre zemin sıvılaşma riskinin belirlenmesinde kullanılan formüllerdeki (N 1 ) 60 değerleri ile aynı baza getirilmesi için; örtü malzemesi gerilimi, yeraltısuyu, tij enerji oranı, kullanılan ekipman ve yönteme göre çeşitli düzeltmelere tabi tutulması gereklidir. Araziden toplanan veriler kullanılarak bu düzeltmeler yapılmıştır. Düzeltmelerin yapılması için gerekli veriler enerji oranı, sondaj çapı, örnekleme yöntemi ve tij uzunluğudur. CRR ın belirlenmesinde kullanılan yöntem aşağıda açıklanmaktadır. (N 1 ) 60 =N*C N *C R *C E *C B *C S Burada C N, C R, C E, C B, ve C S sırasıyla; örtü malzemesinden kaynaklanan gerilim, sondaj tiji, tij enerji oranı, numune alıcı tipi ve boyutları için uygulanan düzeltme faktörleridir. Bu faktörlerin belirlenmesine ait özet bilgi Tablo-1 de verilmiştir. Bu düzeltme faktörleri ile ilgili detaylı bilgi Youd ve Idriss (2000) de bulunabilir. Hakkari Barajı ve HES projesi için açılan sondaj kuyularında Türkiye de yaygın olarak kullanılan donut tipi şahmerdan ve standart örnekleyici kullanılmıştır. Sondaj çapı 115 mm dir Türkiye de kullanılan donut tipi şahmerdan için enerji oranı 45 dir (Ulusay, 2001). Bu değerler kullanılarak sahadan elde edilen SPT darbe sayıları düzeltilmiş ve (N 1 ) 60 değerleri elde edilmiştir. Elde edilen (N 1 ) 60 değerleri ve Şekil 1 de verilen grafik yardımı ile CRR değerleri hesaplanmıştır. Hesaplara ait detaylar Tablo 2 de verilmiştir. Şekil 1 deki grafikler 7.5 büyüklü- 34 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3

ğünde bir deprem için geçerlidir ve diğer büyüklükteki depremler için bu grafikten elde edilen değerlerin deprem büyüklüğüne göre belirlenecek bir düzeltme faktörü kullanılarak düzeltilmesi gerekir (Youd ve Idriss, 2001). Yukarıda detayları verilen SPT sonuçlarına dayanan sıvılaşma risk analizi yöntemi, daha önce meydana Tablo 1 - SPT Düzeltme Faktörleri (1997 NCEER Atölye Çalışması) Kısaltma Faktör İlgili Ekipman Özelliği Düzeltme C N C E C B C R C S Örtü gerilimi Tij enerji oranı Sondaj çapı Tij uzunluğu Örnekleme yöntemi - (100/σ v ) CN 2 Safety tipi şahmerdan Donut tipi şahmerdan 65-115 mm 150 mm 200 mm 3-4 m 4-6 m 6-10 m 10-30 m >30 m Standart (iç tüpü olan) örnekleyici İç tüpü olmayan örnekleyici 0.60-1.17 0.45-1.00 1.00 1.05 1.15 0.75 0.85 0.95 1.0 <1.0 1.0 1.15-1.30 Şekil 1-7.5 Büyüklüğündeki Depremler için SPT temiz kum eğrileri (Seed ve diğerleri 1985 den uyarlanmıştır) gelen depremlerde sıvılaşmaya maruz kalan ve kalmayan alanlardan elde edilen verilerin dikkatli bir şekilde incelenmesi ile oluşturulmuştur. Bu yöntem, 23 metrenin altındaki derinlikler için henüz tescil edilmemiştir; bu nedenle bu yöntemin 23 m den daha derin yerlerde kullanılması sonucunda elde edilecek sonuçlar güvenilir olmayabilir. Hakkari Baraj yeri gibi alüvyon derinliğinin 15 m nin üzerinde olduğu durumlarda, yukarıda verilen derinliğin ve örtü zemini yükünün bir fonksiyonu olan katsayılar bu değerlerin artması ile artmaktadır. Bu da bulunan güvenlik katsayılarını ciddi anlamda etkilemektedir. Her ne kadar hesaplarda 15 m nin altındaki derinlikler için emniyet katsayıları hesaplanmış olsa da henüz dünya literatüründe doğruluğu kanıtlanmamıştır. Bugüne kadar 15 m nin altındaki derinliklerde kaydedilmiş bir sıvılaşma olayı meydana gelmemiştir. Bunun iki nedeni olabilir; ya bu derinlikte meydana gelen sıvılaşma olaylarının etkileri yüzeye ulaşmadığı için gözlemlenememiştir ya da belli bir derinliğin altında sıvılaşma meydana gelmemektedir. 3.2.2. Hakkari Projesi Kapsamında Yapılan SPT lerde Karşılaşılan Sorunlar Bloklu alüvyon zeminler içerdikleri iri çakıl ve taşlar sebebiyle SPT yapılması için zor yerlerdir. Hakkari Baraj yerindeki Zap Suyu alüvyonu, sondaj yapılması ve numune alınmasında zorluk yaratan önemli miktarda sert çakıl ve taş içermektedir. Hakkari Barajı ve HES proje sahasında yapılan birçok SPT deneyi, numune alıcının ilerleyememesi (refusal) veya 50 den büyük N değerleriyle sonuçlanmıştır. Çakıl (tane çapı 7.6 cm ye kadar) ve blok (tane çapı 30 cm ye kadar) malzeme varlığının bilinmesine rağmen, ilerleme olmayan kısımların her noktada çok sıkı, çok kumlu malzemeden oluşmasından mı yoksa numune alıcının açıklığından daha büyük çapta çakıl ve taşlarla karşılaşılmasından mı kaynaklandığı tam olarak bilinmemekte ve belirlenememektedir. Bu nedenle ilerleme olmayan (refusal) N değerleri kullanılarak bulunan emniyet faktörleri güvenilir olmayabilir. Diğer taraftan, alüvyondan sondajla numune almak ve çıkarmak için, kaya karot sondaj cihazı kullanılmıştır. Sondajla numune alınması işleminde parçaların yıkanması ve karot alıcı matkabın soğutulması için su sirkülasyonu kullanılmıştır. SPT örnekleri ise ilerleme boyları arasından alınmıştır. Arazide kullanılan SPT ekipmanının standartlara uygunluğu tam olarak bilinmemektedir. Sondaj logları TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3 35

Zap Suyu alüvyonunun arasıra kum katmanlarından ve fakat ağırlıklı olarak çakıldan oluştuğunu göstermektedir. SPT yapılan yerler çoğunlukla siltli kum olarak belirlenmiş ve örnek alınan tabakalar arası çakıl olarak kaydedilmiştir. Alüvyon karotlarının fotoğrafları, çakıl boyutundaki (minimum) parçaların ve bazı siltli kum malzemelerin varlığını teyit etmektedir. Loglar ve fotoğraflar aynı zamanda karot yüzdesinin tipik olarak yüzde 40 ile 60 arasında olduğunu göstermektedir. Siltli kum tabakalarının sadece SPT yapılan yerlerde bulunması mümkün olmadığından, siltli kum içeren SPT numuneleri ile çoğunlukla çakıl içeren karot numuneleri arasında tutarsızlık vardır. Malzemelerin tanımlarındaki bu tutarsızlık dolayısıyla alüvyonda elde edilen SPT verileri ile yapılan sıvılaşma analizinin sonuçlarının değerlendirilmesi zordur. Bu tutarsızlığı çözmek için geliştirilen iki muhtemel senaryo aşağıda açıklanmıştır. 1 numaralı senaryo kum tabakalarının kayıtlı derinliklerinin neden SPT örnekleme aralıklarına karşılık geldiğinin muhtemel açıklamasıdır. 2 numaralı senaryo ise karot numunelerinde neden ciddi miktarda kum bulunamadığının muhtemel açıklamasıdır. Senaryo 1: Karot alınması esnasında ince-zemin parçalarının sondaj kuyusu dışına çıkarılması için karotiyerin içinden su devridaimi yapılır. Bazı kum parçaları sondaj kuyusunun dışına atılsa da, bu işlem kumun yıkanması için tasarlanmamıştır ve dışarı atılan kum miktarı bilinemez. Neticede, suyun devridaimi kesildiğinde, askıdaki kum SPT numune alıcısı çakılmadan önce kuyunun dibine çöker. SPT numunelerinde gözlemlenen siltli kum, karot alma aletinin kullanılmasının ardından deliğin dibinde meydana gelen çökelmeden kaynaklanmış olabilir. Bu, kum tabakalarının kayıtlı derinliklerinin neden SPT örnekleme aralıklarına karşılık geldiğini açıklayabilir. 3.2.3. Kesme Dalgası Hızları Kullanılarak CRR Hesaplanması Kesme dalgası hızını kullanan sıvılaşma analizleri için, sıvılaşma direnci, yani CRR değeri kesme dalgası hızının (Vs) bir fonksiyonu olarak belirlenmiştir. Hakkari Baraj yerindeki kesme dalgası hızları sismik kırılma deneyleri yapılarak bulunmuştur. Sismik kırılmalar tarafından yaratılan P dalgaları, poisson oranının 0.42 olduğu kabülü ile S dalgalarına veya kesme dalgalarına çevrilmiştir. Kesme dalgası hızının, V s1 olarak ifade edilen 1 tsf ye normalize edilmiş halinin hesaplanabilmesi için örtü zemini efektif gerilmesine bağlı bir düzeltme katsayısı uygulanmıştır. CRR değeri (4) ve (5) numaralı formüller ve Şekil 2 de verilen grafik kullanılarak belirlenmiştir. Şekil 3 deki grafik 5.9 ila 8.3 büyüklüğündeki depremlerden gelen sıvılaşma verilerine dayanarak oluşturulmuştur. Şekil 2 de, 0.35 in üzerindeki CRR değerleri kesik çizgilerle gösterilmiştir, çünkü bu veriler araziden alınan verilerle doğrulanamamıştır (Youd ve Idriss, 2001). (100 m/s<v s1 <215 m/s) Yapılan hesapların detayları Tablo 3 te verilmiştir. (4) (5) Senaryo 2: Karot alma aleti kullanılarak yapılan sondajlar kaya karotlarını örneklemek amaçlıdır. Alüvyonda iri çakıllar, taşlar ve bazı çakıllar karotlanmıştır; fakat silt, kum ve matris malzemesi her zaman karot numune alıcı ile tamamen yakalanmamıştır. Çakılların ve iri taşların arasındaki kum ve silt matris malzemenin büyük bir kısmı karot numune alıcıdan dışarı yıkanarak atılmıştır. Yıkanan kumun miktarı ölçülemez ve alüvyonun yoğunluğu belirlenemez. Zap Suyu alüvyonunda belirlenmemiş veya kaydedilmemiş ilave kumlu matris malzemesi bulunması olasılığı vardır. Şekil 2 - Temiz, çimentolanmamış zeminler için tavsiye edilen sıvılaşma bağıntısı, gerçekleşmiş olaylardan toplanan veriler kullanılarak hesaplanmıştır. (Andrus ve Stokoe 2000) 36 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3

4. SIVILAŞMA RİSK ANALİZİ SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Detayları Tablo 2 de verilen SPT bazlı sıvılaşma analizlerine göre, 7.5 büyüklüğünde (MCE) bir deprem olması durumunda, her kuyuda belirli bir derinlikte sıvılaşmanın meydana gelebileceği görülmektedir. Bununla birlikte SPT verileri ile ilgili olarak Bölüm 3.2.2 de açıklanan belirsizlikler vardır. SPT verilerine dayanılarak yapılan analizlerde elde edilen sonuçlara bakıldığında analiz edilen 29 adet veriden 15 inde emniyet katsayısının 1 den küçük olduğu görülmüştür. Ancak emniyet katsayısı 1 in altında çıkan 15 yerin 14 ünün derinliği 15 m nin altındadır. Daha önce bahsedildiği üzere 15 m nin altındaki derinliklerde SPT ye dayanan sıvılaşma analizi formüllerinin geçerliliği gerçek arazi verileri ile desteklenmemiştir. Bundan dolayı, derinliği 15 m den fazla olan yerlerde SPT verilerine dayanan hesaplamalara göre değerlendirme yapılması uygun değildir. Bu nedenle araştırma sonuçları ve kesme dalgası hızlarına dayanan veriler SPT sonuçları ile birlikte değerlendirilmelidir. Genel bir değerlendirme olarak, araştırma verileri ve sıvılaşma analizleri Zap Suyu alüvyonunda bir sıvılaşma tehlikesinin olmadığını göstermektedir. Mühendislik değerlendirmesi sonucunda ortaya çıkan yargılar şöyledir: 1. Jeoteknik araştırma verileri, alüvyonun ağırlıklı olarak kumla karışık iri çakıl ve taş parçalarından oluştuğunu ve süreklilik gösteren, gevşek siltli kum zonları veya tabakaları bulunmadığını belirtmektedir. Araştırma sonuçları aynı zamanda alüvyonda kaya parçacıkları da olduğunu ve böylelikle bir deprem tarafından TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3 37

yaratılabilecek boşluk basınçlarının sönümlenmesi için gerekli geçirimliliğin sağlanabileceğini göstermektedir. 2. SPT verileri ve SPT bazlı sıvılaşma analizlerinin güvenilirlikleri sorgulanabilir ve sıvılaşma ihtimalinin belirlenebilmesi için bu verilerin kullanılması tam olarak doğru değildir. 3. Sismik kırılma deneyleri sonucunda alüvyonda elde edilen kesme dalgası hızları oldukça yüksektir. Bu hızlara sahip zeminlerde sıvılaşma olma riski çok düşüktür. KAYNAKLAR 1. Youd, T.L. and Idriss, I.M. 2001. Liquefaction Resistance of Soils: Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils. ASCE, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Sayı. 127. No. 10. Ekim 2001. 2. Seed, R.B., Çetin, K.O., Moss, R.E.S et. al. 2001. Recent Advances in Soil Liquefaction Engineering and Seismic Site Response Evaluation. 3. Hakkari Konsorsiyumu, Hakkari Barajı ve HES Mühendislik Hizmetleri Sözleşmesi, Baraj Temeli Sıvılaşma Analizi Raporu, Mayıs 2002. 4. Kramer, S.L., Geotechnical Earthquake Engineering, Prantice Hall, 1996. 5. Ulusay R., Uygulamalı Jeoteknik Bilgiler, TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası Yayınları, 2001 38 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 431-2004/3