ÇNDEKLER 1. Giri... 3 2. Kayaçlarn Mühendislik Özellikleri... 3 2.1. Jeolojik Özellikler... 3 2.2. Kimyasal Özellikler... 3 2.3. Fiziksel Özellikler... 4 2.4. Mekanik Özellikler... 4 2.5. Deformasyon Özellikleri... 8 2.6. Teknolojik Özellikler... 8 3. Süreksizlikler ve Mühendislikteki Önemi... 9 3.1. RQD (Kaya kalitesi tan#m#)... 9 4. Kayaçlarn Mühendislik Snflamalar... 10 4.1. Süreksizliklere Göre S#n#fland#rma... 10 4.2. Ayr#-ma (Bozunma) Derecesine Göre S#n#fland#rma... 11 4.3. Mekanik Özelliklerine Göre S#n#fland#rma... 12 5. Kütle Hareketleri ve Yer Kaymalar... 12 5.1. Kütle Hareketleri... 12 5.1.1. Kütle hareketlerinin türleri ve s#n#fland#r#lmalar#... 13 5.1.2. Kütle hareketlerinin nedenleri... 18 5.1.3. Kütle hareketleri ve heyelanlar# önleme yöntemleri... 18 5.1.4. Çökmeler... 19 6. Baraj Jeolojisi... 20 6.1. Barajlar#n S#n#fland#r#lmas#... 21 6.2. Baraj Tipleri... 22 6.2.1. Kagir barajlar... 22 6.2.2. Beton barajlar... 22 6.2.2.1. A8#rl#k barajlar#... 22 6.2.2.2. Payandal# a8#rl#k barajlar#... 23 6.2.2.3. Kemer barajlar... 23 6.2.3. Dolgu barajlar... 25 6.3. Baraj Tipi Seçimine Etki Eden Faktörler... 26 6.3.1. Topo8rafya... 26 6.3.2. Jeolojik özellikler... 27 6.3.3. Hidrolojik ve hidrolik durum... 27 6.3.4. Kullan#lacak malzemenin sa8lanmas#... 27 6.3.5. Ülke ekonomisi ve altyap# durumu... 27 6.3.7. Baraj yüksekli8i ve su gereksinimi... 28 6.3.8. Deprem durumu... 28 6.4. Baraj Yeri Ara-t#rmalar#... 28 6.4.1. Morfolojik ko-ullar... 29 6.4.2. Jeoteknik Ko-ullar... 32 6.4.3. Kemer, a8#rl#k baraj tipinin seçimi... 33 6.5. Barajlarda Su Tutma Yap#lar#... 33 6.5.1. Dolu Savaklar... 33 6.5.2. Dip Savaklar... 33 6.5.3. Batardo... 33 6.5.4. Çevirme Tüneli... 34 6.6. Barajlar#n Genel Karakteristikleri... 34 7. Lugeon Basnçl Su Deneyi (Paker Deneyi)... 35 1
7.1. Özel durumlar... 36 7.2. Lugeon Deneyinin Yorumlar#... 38 8. Tünel Jeolojisi... 39 8.1. Tünellerdeki Yumu-ak Zemin S#n#flamas#... 40 8.2. Yumu-ak Zeminlerde Tünel Aç#lmas#... 40 8.3. Sa8lam Zeminlerde Tünel Aç#lmas#... 40 8.4. Kemerlenme... 41 8.5. A-#r# Sökülme... 43 8.6. Tünellerde Su... 44 8.7. Tünellerde Gaz... 44 8.8. Tünellerde Is#... 45 8.9. Tünellerde Uygulanan Kaya Kütle S#n#flamalar#... 45 8.9.1. Kaya Kütle De8erlendirmesi (RMR, Rock Mass Rating)... 45 8.9.2. Kaya kütlesi kalitesi (Q- Sistemi)... 50 9. Temel Jeolojisi... 55 9.1. Jeolojik Faktörlerin Temel Tipi Seçimine Etkisi... 56 9.2. Temel Tipinin Seçimi... 56 9.3. Bina Temelleri... 57 9.4. Köprü Temelleri... 57 9.5. Yol Temelleri... 58 10. Zeminlerin yiletirilmesi... 60 10.1. Enjeksiyon Çe-itleri... 61 10.1.1. Amaçlar#na göre enjeksiyonlar... 61 10.1.1.1. Perde Enjeksiyonu... 61 10.1.1.2. Konsolidasyon (Sa8lamla-t#rma) Enjeksiyonu... 62 10.1.1.3. Kontak (Dolgu) enjeksiyonu... 63 10.1.2. Kullan#lan kar#-#m maddelerine göre enjeksiyonlar... 63 10.1.3. Pratik uygulamalara göre enjeksiyonlar... 64 10.1.3.1. Alüvyon Enjeksiyonu... 64 10.1.3.2. Bulon Enjeksiyonu... 64 10.1.3.3. Ankraj Enjeksiyonu... 65 10.1.3.4. Jet Enjeksiyonu (Jet grouting)... 65 10.1.3.5. Püskürtme betonu... 65 10.2. Ankraj, Temel Kaz#klar# ve kaya bulonlar#... 66 10.2.1. Ankraj... 66 10.2.2. Temel Kaz#klar#... 67 10.2.2.1. Fore kaz#k ve ankrajl# iksa... 67 10.2.2.3. Palplan- perde... 68 11. Kaya ve Zeminlerdeki Kaz Snflamalar... 68 12. Katk Belirtme... 69 13. Kaynaklar... 69 2
1. Giri Mühendislik jeolojisi, mühendislik ve jeoloji kelimelerinden olu-an bir kavramd#r. Mühendislik jeolojisi, jeolojik verilerin say#sal olarak belirlenmesi ve mühendislik i-lerine uygulanmas#d#r. Mühendislik jeolojisi, maden ve in-aat mühendisli8i konular#n#n jeolojiden yararlanmas#n# sa8layan bir bilim dal#d#r. Kayaçlar, da8#lgan ve dayan#ml# olmak üzere iki gruptur. Da8#lgan kayaçlar, gev-ek çimentosuz; dayan#ml# olanlar da s#k#-m#-, çimentoludur. Da8#lgan olanlarla zemin mekani8i, sert olanlarla kaya mekani8i ilgilenir. Bunlar#n bir arada bulundu8u kayaçlar#n mühendislik, litolojik, yap#sal ve hidrojeolojik özelliklerini mühendislik jeolojisi inceler. Çe-itli mühendislik i-lerinde ve kaz#larda; baraj, tünel, yeralt# santralleri, köprü ayaklar# gibi büyük yap#lar#n projelendirilmesinde ve durayl#l#k hesaplar#n#n yap#lmas#nda, temelin ve kullan#lacak malzemenin saptanmas#nda, çe-itli kuvvetler kar-#s#nda do8acak deformasyonlar#n önceden belirlenmesinde mühendislik jeolojisinden yararlan#l#r. 2. Kayaçlarn Mühendislik Özellikleri Kayaçlar#n mühendislik özellikleri, bunlar#n jeolojik, kimyasal, fiziksel, mekanik, deformasyon ve teknolojik özelliklerini belirtir. 2.1. Jeolojik Özellikler Bu özellikler be- gruptur; a) Kayaçlar#n olu-um zamanlar# b) Kayaçlar#n olu-um ortamlar# c) Kayaçlar#n litolojik özellikleri d) Kayaçlar#n yap#sal özellikleri e) Kayaçlar#n hidrojeolojik özellikleri 2.2. Kimyasal Özellikler Kayaçlar#n bile-imlerine ba8l# olarak, erime, ayr#-ma ve suya kar-# davran#-lar# de8i-iklik gösterir. Bu özellikler, çe-itli mühendislik i-lerini (örne8in temel kaz#lar#, baraj, tünel, yeralt# santral#, köprü, yol, vb. yap#lar) ve bunlar#n projelendirilmesini do8rudan etkiler. 3
2.3. Fiziksel Özellikler Birim hacim a8#rl#8#, yo8unluk, do8al su içeri8i, gözeneklilik ve bo-luk oran#, doygunluk derecesi, geçirimlilik, a8#rl#kça ve hacimce su emme kayaçlar#n fiziksel özellikleridir. a) Birim hacim a=rl= (>): Birim hacim a8#rl#8#, numunenin toplam a8#rl#8#n#n toplam hacmine bölünmesiyle bulunur. Su ve hava taraf#ndan doldurulan hacim bo-luk hacmi olarak tan#mlan#r. Mühendislik hesaplar#nda kullan#lan#lan de8erler, kayaçlar#n do8ada bulunduklar# haldeki do8al birim hacim a8#rl#klar# (F n ), kat# k#s#mlar#n birim hacim a8#rl#klar# (F s ), bütün bo-luklar#n su ile dolu olmas# halindeki doygun birim hacim a8#rl#klar# (F d ), ile bo-luklu k#s#mlar#n (hava ile dolu) da ele al#nmas# halinde de kuru birim hacim a8#rl#8# (F k ) d#r. b) Gözeneklilik (n) ve boluk oran (e): Bir kayac#n gözeneklili8i (n), içinde bulunan bo-luklar#n hacminin (V b ), tüm hacmine (V t ) oran#d#r ve % olarak tan#mlan#r. Kayaçlar#n bo-luk hacmi (V b ) ile kat# k#s#mlar#n hacmi (V k ) oran#na bo-luk oran# (e) denir ve % olarak ifade edilir. Kayaçlar#n gözenekliliklerinin ve bo-luk oranlar#n#n bulunmas# için yukar#da tan#mlanan bütün fiziksel özelliklerin saptanm#- olmas# gereklidir. Gözeneklilik ve bo-luk oran# aras#nda -u ba8#nt# vard#r : 2.4. Mekanik Özellikler n e = 1 n Kayaçlar#n çe-itli gerilmeler alt#nda davran#-lar#n# belirleyen özelliklerdir. Tek ve üç eksenli bas#nç dayan#mlar#, nokta yük ve çekme dayan#m#, schmidt sertli8i ve suda da8#lmaya kar-# dayan#m indeksi kayaçlar#n mekanik özelliklerindendir. a) Tek eksenli basnç dayanm: Belirli boyutlardaki kayaçlar#n, belirli do8rultuda k#r#lmaya kar-# gösterdikleri dayan#kl#l#kt#r. Bas#nç dayan#m#; B d = -eklinde ifade edilir ve birimi kg/cm 2 dir. Gevrek malzemelerde, numune alan#nda (A) de8i-me olmadan k#r#lma meydana gelir. Gevrek özellikte olmayan kayaçlar, tek eksenli bas#nç alt#nda, -ekil de8i-ikli8ine u8rarlar. K#r#lma yükü alt#nda, kayma çatlaklar# meydana geldi8i anda, deney alt#ndaki numunenin kesit alan# büyür. Bundan dolay#, gevrek özellikte P k A 4
olmayan kayaçlarda tek eksenli bas#nç dayan#m#, k#r#lma yükünün, k#r#lma an#ndaki alana oran# olarak tan#mlan#r. B = d P A k k Bekil 1. Tek eksenli bas#nç alt#nda kayaçlarda görülen k#r#lma -ekilleri b) Üç eksenli basnç dayanm: Sondajlarla al#nan karot numuneler üzerinde yap#lan üç eksenli bas#nç deneyleri ile de8i-ik eksenel gerilmelere maruz kalan kayaçlar#n kayma dayan#m# özellikleri bulunur. Numune boyu (L) ve numune çap# (D) olmak üzere, L / D = 2 boyutlu silindirik numunelere, bas#nç hücresi içinde de8i-ik de8erlerde yanal bas#nçlar (N 3 ) uygulan#r. Her de8i-ik yanal bas#nç kademesinde, numune üzerine uygulanan dü-ey gerilmeler (N 1 ), kayaç numunesi k#r#l#ncaya kadar uygulan#r. Belirli yanal gerilme alt#nda (N 3 ) numuneyi k#ran eksenel bas#nç gerilmesi (N 1 ) saptan#r. Di8er numunelerle deney tekrarlan#r ve her deney kademesi için N 1 ve N 3 de8erlerinden bir daire geçirilir. Bunlara Mohr dairesi, dairelere çizilen te8ete de Mohr k#r#lma zarf# denir. Mohr k#r#lma zarf#n#n yatayla yapt#8# aç#, kayac#n içsel sürtünme aç#s#n# (ø) ve dü-ey ekseni (P) kesti8i nokta da, kayac#n kohezyon de8erini (c) verir. Yatay eksen, gerilmeyi (N) temsil etmektedir. 1776 y#l#nda Coulomb taraf#ndan bulunan ba8#nt# ile, = c + tan 5
kayaçlar#n kesme dayan#m# (P) ve dayan#m parametreleri olan (ø) ve (c) birbirleriyle ili-kilendirilmi-tir. Bekil 2. Üç eksenli bas#nç deneyi ile kayma dayan#m# parametrelerinin bulunmas# c) Nokta yük dayanm: Kayalar#n dayan#m özellikleri, nokta yükleme deneyi ile de saptanabilir. Kaya numunelerine, eksen do8rultusuna dik bir düzlem içinde, noktasal bas#nç uygulanarak deney gerçekle-tirilir ve uygulanan noktasal bas#nç nedeniyle, yükleme düzlemine dik do8rultuda olu-an çekme gerilmeleri alt#nda, kaya numunesi k#r#l#r. Kayay# k#ran çekme gerilmeleri de8eri; 6
F T = 0.96 d 2 -eklinde saptanm#-t#r. Burada T, kayan#n nokta yük dayan#m# (kg/cm 2 ), P, uygulanan noktasal yük (kg) ve d, silindirik kaya numunesinin çap# (cm) d#r. Bekil 3. Nokta yükleme deneyi d) Çekme dayanm: Bir kayac#n çekme dayan#m#, çekme gerilmesine kar-# gösterdi8i dayan#kl#l#k olarak tan#mlan#r. Kayalar#n çekme dirençleri direkt ve indirekt olarak saptanabilir. I. Direkt çekme deneyi: Silindirik numuneler üzerinde yap#lan bu deneyde, numune iki ucundan çekilir ve içinde olu-turulan çekme gerilmesiyle k#r#l#r. Numunenin k#r#ld#8# çekme kuvveti F, k#r#lma yüzeyinin alan# A ise kayan#n çekme dayan#m# Ç d ; d#r ve birimi kg/cm 2 dir. Ç d = ç = F A 7
II. ndirekt çekme deneyi (Brazilian deneyi): Silindirik kaya numunesine, paralel iki yükleme plakas# aras#nda bas#nç kuvveti uygulanarak deney gerçekle-tirilir. Uygulanan bu çizgisel bas#nç kuvveti alt#nda, kaya numunesi içinde, yükleme do8rultusundan geçen dü-ey düzlem boyunca çekme gerilmeleri olu-makta ve numune bu düzlem boyunca k#r#lmaktad#r. Numuneyi k#ran kuvvet F, numune çap# D, numune boyu L ise kaya numunesinin çekme direnci (Ç d ) -u -ekilde elde edilir : Ç d = ç 2F = DL (a) (b) Bekil 4. (a) Direkt çekme deneyi (b) Brazilian deneyi 2.5. Deformasyon Özellikleri Mühendislik yap#lar#nda özellikle kemer ve a8#rl#k barajlar#nda, çe-itli yeralt# kaz#lar#nda, tünel ve yeralt# santrallerinin yap#lmas#nda, kayaçlar belirli yükler alt#nda çe-itli -ekillerde deformasyona u8rarlar. Deformasyonun -ekli ve miktarlar#n#n bilinmesi gerekir. Deformasyon özelliklerinden bunlar#n elastiklik özellikleri anla-#l#r. Elastisite modülü ve Poisson oran# kayaçlar#n ba-l#ca deformasyon özellikleridir. 2.6. Teknolojik Özellikler Çe-itli kayaçlar#n üzerinde, mühendislik yap#lar#n#n emniyetli ve ekonomik -ekilde yap#labilmesi, onlar#n teknolojik özelliklerinin bilinmesine ba8l#d#r. Kayaçlar#n, delinebilme, 8
k#r#labilme, kaz#labilme, kesilebilme, parlat#labilme, i-lenebilme, kullan#labilme, tünel aç#labilme özellikleri teknolojik özellikler aras#nda say#labilir. 3. Süreksizlikler ve Mühendislikteki Önemi Süreksizlikler, kayaçlar#n mühendislik özelliklerine etki yapan en önemli etkenlerden biridir. Bunlar çatlak, mikroçatlak, eklem, fay, tabakalanma ve yapraklanma yüzeyleridir. 1 mm ve daha az kal#nl#kta ince olanlara çatlak, bunlardan daha küçük ve ancak mikroskopta görünenlere mikroçatlak denir. Yatay, dü-ey veya verevine mm ölçe8inde çok az hareket etmi- veya hiç hareket etmemi- k#r#klara eklem ad# verilir. Burada ayr#lma az veya yüzeylere dik yöndedir. Çatlak ve eklemler, su veya kil, jips, kalsit, silis, demiroksit gibi maddelerle doldurulmu- olabilir. Fay en az cm boyutunda yer de8i-tirmi- k#r#klard#r. Çatlaklar veya bir anlamda eklemler, bas#nç, çekme, kayma gerilmeleri ile olu-urlar. Killerde kuruma, bazaltlarda so8uma, çatlak olu-umunda ba-l#ca etkenlerdir. Eklemler ço8u zaman birbirine paralel ve gruplar halinde bulunurlar. Bunlara eklem tak#m# ad# verilir. Eklemler enine, boyuna ve verev olmak üzere geometrik olarak üç gruptur. 3.1. RQD (Kaya kalitesi tanm) Boyu 10 cm olan karotlarn toplam uzunluu RQD = 100 % Toplam sondaj uzunlu=u Toplam sondaj uzunluu Kaya kalitesi tan#m# sondajda 10 cm den büyük karotlar#n toplam uzunlu8unun, toplam sondaj uzunlu8una bölünmesi ile bulunan bir % de8erdir. Toplam karot verimi (TCR) ise al#nan tüm karotlar#n uzunlu8unun toplam sondaj derinli8ine bölünmesi ile bulunur. Bekil 5. Kaya kalitesi tan#m# (RQD) 9
RQD ile kaya kalitesi aras#nda -öyle bir s#n#flama vard#r: RQD Kaya kalitesi 0-25 Çok kötü 25-50 Kötü 50-75 Orta 75-90 Syi 90-100 Çok iyi 4. Kayaçlarn Mühendislik Snflamalar Sn-aat, maden ve jeoloji mühendisli8i yeryuvar#n#n kal#nl#8# 5-35 km oldu8u öngörülen kabuk k#sm# ile ilgilenir. Yerkabu8u element, mineral ve kayaçlardan olu-mu-tur. Kayaçlar olu-lar#na (sedimanter, magmatik, metamorfik), olu- zamanlar#na (stratigrafik, jeokronolojik), paleontolojik, kronolojik veya yap#sal özelliklerine göre gruplara ayr#l#rlar. 4.1. Süreksizliklere Göre Snflandrma Yeryüzünde bulunan kayaçlar süreksizliklerine görea-a8#daki s#n#flara ayr#l#rlar. a. Masif b. Kal#n tabakal# c. Tabakal# d. Laminal# e. Çatlak ve mikroçatlakl# f. Eklemli g. Fayl# h. Tistozite ve Foliasyonlu i. K#vr#ml# Süreksizliklerin durumlar#, s#kl#klar# ve aral#klar#, çe-itli mühendislik yap#lar#nda, özellikle kaz#, temel açma ve malzeme temininde, maliyet, emniyet, ve zamanlama aç#s#ndan önemlidir. Kayaçlar süreksizlik s#kl#8#na göre ; 10
Oldukca geni- aral#kl# Çok geni- aral#kl# Geni- aral#kl# Orta geni- aral#kl# Orta dar aral#kl# Dar aral#kl# Çok dar aral#kl# > 2 m 2 m - 600 mm 600-200 mm 200-60 mm 60-20 mm 20-6 mm < 6 mm 4.2. Ayrma (Bozunma) Derecesine Göre Snflandrma Kayaçlar#n; kaplama malzemesi olarak kullan#lmas# s#ras#nda ve temel olarak üstlerine yap# yap#l#rken sa8lam, ayr#-mam#- ve çatlaks#z olmalar# istenir. Fakat do8ada sa8lam, ayr#-mam#- ve çatlaks#z kaya azd#r. Kayaçlarda ayr#-ma derecesinin belirlenmesinde a-a8#daki özellikler aran#r: a) Su emme miktar# b) Birim hacmin artmas# c) Dalga yay#lma h#z# Ayr#-ma esnas#nda, kayaçlar bünyelerine su al#rlar, hacimleri artar, deformasyona u8rar, fiziksel ve mekanik özellikleri de8i-ir. Emilen su miktar#, artan bo-luk miktar#, de8i-en mekanik ve fiziksel özellikler veya dalga yay#lma h#z# ayr#-mada s#n#flama kriteri olarak al#nmaktad#r. Mermerlerin ayr#-ma derecesi: D w Wn W = W D w : Ayr#-ma derecesi W n : Ayr#-m#- mermerin a8#rl#kça su emme oran# (%) W o : Ayr#-mam#- mermerin a8#rl#kça su emme oran# (%) o o Buradan bulunan ayr#-ma derecesine (D w ) göre mermerler: D w Snf 0 Ayr#-mam#- 0-4 Az ayr#-m#- 4-8 Orta ayr#-m#- 8-12 Ayr#-m#- > 12 Çok ayr#-m#- Granitlerde, ayr#-ma - dalga yay#lma h#z# aras#nda da -u ba8#nt# vard#r: 11
Vt V K = V K : Ayr#-ma derecesi katsay#s# V t : Ayr#-mam#- granitlerde sismik boyuna dalgalar#n yay#l#- h#z# (m/sn) V w : Ayr#-m#- granitlerde sismik boyuna dalgalar#n yay#l#- h#z# (m/sn) t K Dalga hz (m/sn) Snf 0 > 5000 Ayr#-mam#- 0-0.2 5000-4000 Az ayr#-m#- 0.2-0.4 4000 3000 Orta ayr#-m#- 0.4-0.6 3000-2000 Fazla ayr#-m#- 0.6 1 < 2000 Çok fazla ayr#-m#- 4.3. Mekanik Özelliklerine Göre Snflandrma Kayaçlar, fiziko-mekanik özelliklerine göre -öyle s#n#flan#rlar : Kaya dayanm Tek eksenli basnç dayanm (MPa) Nokta yük dayanm (MPa) Çok az dayan#ml# < 25 1 Az dayan#ml# 25-50 1-2 Orta dayan#ml# 50-100 2-4 Çok dayan#ml# 100-200 4-8 Çok fazla dayan#ml# > 200 > 8 5. Kütle Hareketleri ve Yer Kaymalar Depremler, volkanik faaliyetler, kütle hareketleri ve yer kaymalar#, yeryüzünün morfolojisini de8i-tiren ba-l#ca önemli hareketlerdir. 5.1. Kütle Hareketleri Kütle hareketi, rüzgar, su ve buzul etkisi olmaks#z#n malzemenin a-a8# do8ru hareket etmesi, -ekil ve yer de8i-tirmesi olarak tan#mlan#r. Kütle hareketleri, morfolojinin az veya çok e8imli yüzeylerinde ço8unlukla insanlar taraf#ndan gerçekle-tirilen kaz#lar sonucunda olu-ur. Kütle hareketleri genel anlamda, yamaç veya -ev hareketleri olarak tan#mlan#r. Ayr#nt#l# olarak da 12
dü-me, akma, kayma, devrilme ve çökme isimlerini al#r. Bazen bunlar#n ikisi yada üçü bir arada olu-abilir. Bunlara da karma kütle hareketleri denir. 5.1.1. Kütle hareketlerinin türleri ve snflandrlmalar Kütle hareketlerinde -ekil ve hareket eden malzeme temelde baz al#n#p, di8er etkileyici parametreler ile birlikte birçok s#n#flama yap#lm#-t#r. En çok kullan#lan Varnes s#n#flamas#ndaki parametreler -unlard#r : a) Hareketin türü, miktar#, h#z# ve nedenleri b) Malzemenin cinsi, dizili-i, ya-# ve -ekli c) Malzemedeki su miktar# d) Malzeme ile temel aras#ndaki ili-ki e) Malzemenin kohezyon ve içsel sürtünme aç#s# karakteristikleri Tablo 1. Kütle hareketleri çe-itleri - Varnes s#n#flamas# (1978) HAREKET TP ANAKAYA DÜTME Kaya dü-mesi DEVRSLME Kaya devrilmesi KAYMA DÜZLEMSEL Kaya DASRESEL kaymas# YANAL YAYILMA AKMA KARITIK MALZEMENN TP ZEMNLER ri taneli nce taneli Moloz dü-mesi Zemin dü-mesi Moloz devrilmesi Moloz kaymas# Zemin devrilmesi Zemin kaymas# Kaya yay#lmas# Moloz yay#lmas# Zemin yay#lmas# Kaya akmas# Moloz akmas# Zemin akmas# (Derin akma) Ba-l#ca iki veya daha fazla hareket tipinin kar#-#m# a) Kaya dümeleri Bunlar topuk a-#nmas#, eklemlerde olu-an erime ve donma olaylar#, hidrostatik bas#nç sonucu geni-leme ve yerçekiminin kuvvetinin etkisi ile olu-ur (Tekil 6). Deniz, göl kenarlar#, dik falez, yamaçlar, ma8ara tavanlar#ndan veya sivri da8 doruklar#ndan ço8u zamanlar toprak, büyük veya küçük kaya parçalar#n#n dü-tükleri gözlenir. Özellikle deniz kenarlar#ndaki dik 13
falezlerde, dalga ve rüzgarlar#n a-#nd#r#lmas#yla kayaçlar çatlaklardan koparak a-a8#ya do8ru hareket ederler. Dayan ml kaya Dayan ms z kaya (a) (b) Su Dolu K r k (c) (d) Dayan ml kaya Deniz Dayan ms z kaya Akarsu (e) (f) Bekil 6. Kaya dü-mesi çe-itleri: a) Ayr#-ma ve a-#nma, b) Eklemli kayaçlarda don etkisi, c) Eklemli kayaçlarda hidrostatik bas#nç etkisi, d) Patlay#c# kullan#m#, e) Dalga a-#nd#rmas#, f) Akarsu topuk a-#nmas# 14
b) Akma Ta- ve ta--toprak kar#-#m#, ayr#-m#- yüzeysel örtü içinde bulunan su miktar#na göre k#smen s#v# gibi, bazen de çok yava- fakat sürekli olarak akar ve yer de8i-tirir. Bu olay olu-urken, zeminin içinde bir deformasyon olu-ur. Akma hareketi h#zl# oldu8u zaman, akan malzemenin türüne göre kaya-blok akmas#, moloz akmas#, kum akmas# ve çamur akmas# gibi isimler al#r. c) Yer kaymalar (Kayma) Yer kaymalar#; toprak, ta- veya bunlar#n kar#-#m#ndan olu-an malzemenin veya çe-itli kayalar#n bir yüzey üzerinde a-a8#ya ve d#-ar# do8ru belirgin bir -ekilde hareket etmesine denir. Hareketin h#z#, yamac#n e8imi ve su miktar# ile orant#l#d#r. Yer kaymalar#, hareketin h#z#na ve malzemenin türüne göre s#n#fland#r#larak özel isim al#rlar. Yer kaymalar#, ço8unlukla ka-#k -ekilli bir yüzey üzerinde olu-ma -eklinde temsil edilirler. Kayma yüzeyi daire yay#, hiperbol, hiposikloid veya bunlar#n kar#-#m# -eklinde olu-maktad#r. Tekil 7 de tipik bir yer kaymas#n#n üç boyutlu görünümü ve kesiti yer almaktad#r. A-#r# ya8#-, yamaç e8imi ve farkl# kayaç birimleri, yer kaymas#n#n olu-mas#ndaki temel faktörlerdir. Bu tür durays#zl#klar yerle-im alanlar#na büyük zarar verirler (Tekil 8 ve Tekil 9). Is#, farkl# gerilmeler, atmosferik etkiler vb. ile çatlaklar olu-ur. Ya8#-#n etkisiyle çatlaklardan giren su, malzemeyi a-a8# do8ru sürükler. Ski tür yer kaymas# vard#r. Bunlar pasif ve aktif olarak adland#r#l#rlar. Pasif olanda, yer kaymas# daha önce olu-mu- ve zemin stabil (durayl#) hale gelmi-tir. Aktif olanda ise zemin durayl# olmad#8#ndan sürekli kaymalar olu-maktad#r. Yer kaymalar#n#n orta k#s#mlar#nda çökme, alt k#s#mlar#nda kabarma; topuk veya uç k#sm#nda toprak akmalar# görülür. 15
Gerilme çatlaklar Taç Topuk Esas ayna Tepe (a) A Yer kaymas gölü Tali ayna Taç Enine Çatlaklar Kabarma Bölgesi Uç Topuk Çökme Bölgesi Gerilme çatlaklar Tepe Esas ayna Akma Kayma kamas Ayak (b) B Kayma yüzeyi Bekil 7. Yer kaymas#n#n üç boyutlu görünümü (a) ve kesiti (b) 16
Bekil 8. La Conchita Yer Kaymas#, California-USA (R.L.Schuster,1995) Bekil 9. Yer kaymas#n#n yerle-im yap#lar#na olan etkisi 17
5.1.2. Kütle hareketlerinin nedenleri Kütle hareketleri ve yer kaymalar#n#n temel nedeni yerçekimidir. Bu hareketleri kolayla-t#ran ve çabukla-t#ran çe-itli nedenler vard#r. Bunlar d#- ve iç olmak üzere iki ana grupta toplan#r: a) D nedenler - Tev ve yamaç eteklerinde yap#lan kaz#lar - Tev ve yamaç topuklar#n#n sular taraf#ndan oyulmas# - A-#nma ile -ev e8iminin artmas# - Do8al veya yapay ek yük konulmas# - Tevin veya -ev üst örtüsünün kald#r#lmas# sonucu yüzey sular#n#n s#zmas# - Çatlak ve eklemlerde suyun donmas# - Depremler - Yapay patlatmalar ve sars#nt#lar b) ç nedenler - Bo-luk suyu bas#nc#n#n artmas# - Tev malzemesi kohezyonun azalmas# Kar ve ya8mur, yeralt#suyu seviyesinin de8i-mesine, -ev malzemesinin k#smen veya tamamen doygun veya süspansiyon haline gelmesine ve dolay#s#yla bo-luk suyu bas#nc#n#n artmas#na, içsel sürtünmesinin azalmas#na neden olur. Bundan dolay# büyük ölçekli yer kaymalar# -iddetli ya8murlardan sonra olu-ur. Ya8#-s#z ve kurak aylarda heyelan olma riski azal#r. Ayr#ca su, zeminin birim hacim a8#rl#8#n# art#r#r ve ince taneli, kumlu zeminlerde kohezyonu sa8layan yüzeysel gerilimi azalt#r. Baz# durumlarda da su, kaygan bir etki yapar ve ortam#n kayma direncini azalt#r. Su ile zeminin içsel sürtünme aç#s# yakla-#k 2º-3º dü-er. Su, kayaçlar#n kimyas#n# etkiler, onlar# ayr#-t#r#r ve kütlenin direncini azalt#r. Yeralt#sular# kütle hareketlerine çe-itli yollardan etki yapar. Önce bo-luklar# doldurur, bo-luk suyu bas#nc# olu-ur ve bu da yer kaymas#n#n olu-mas#na neden olabilir. 5.1.3. Kütle hareketleri ve heyelanlar önleme yöntemleri Kütle hareketlerine kar-# al#nacak ilk önlemler, bu hareketi olu-turan sebepleri ortadan kald#rmak, kayd#r#c# kuvvetleri azaltmak ve hareketi önleyici kuvvetleri ço8altmakla mümkündür. Topuk ve yamaç a-#nmas#, topuk ve civar#nda kaz# yap#lmas#, yamaç a-#nmalar#, ek yükleme, yamaç örtüsünü kald#rma gibi durumlar dengeyi bozmaktad#r.ba-l#ca dört çe-it önleme yöntemi vard#r. 18
a) Topu=a yük koyma (a=rlk yaplar): Kayd#r#c# kuvvetlerin önüne geçmek, etkilerini azaltmak için yap#lan ilk i-; topu8a ek bir yük koyarak hareketi durdurmakt#r. Bundan sonra hareket eden kütlenin k#smen veya tamamen al#n#p ba-ka yere ta-#nmas#na çal#-#l#r. Yer kaymalar#n# önlemede en çok kullan#lan yöntem budur. Bunun en basit -ekli, topu8a kuru taduvar örmektir. Bundan daha etkili olabilecek uygulamalar beton dökme, betonarme istinat duvar# yapma, beton ayaklar, çelik kaz#k veya palplan-lar çakmakt#r. b) Bevlerin korunmas: Tevlerin d#- etkilerden ve özellikle yüzey sular#ndan korunmas# gerekmektedir. Bunun için de birkaç farkl# yöntem vard#r. Tevlerin a-#nmas#n# önlemek amac#yla -ev yüzeyleri çimlenir, ta- ve betonla örtülür, püskürtme betonu ile s#van#r, çelik levha veya kaya civatalar# ile kaplan#r. Basamakland#rma veya teraslama, ayr#ca a8açland#rma da yap#labilir. c) Bevlerin düzenlenmesi: Dengeyi bozacak ek yük ve kaz#lar#n etkisini yok etmek için -evin e8im aç#s# azalt#l#r. Bunun için -ev yüzü tra-lan#r ve bunu izleyen kademelendirme i-lemi yap#l#r. Yüzey sular# drenajla uzakla-t#r#l#r. Tevlerin üstünde, ba-lang#ç noktas# gerisinde boydan boya uzanan çevirme hendekleri yap#l#r. Ya8#-#n -eve girmesi engellenir. d) Boluk suyu basncnn azaltlmas ve kohezyonun artrlmas: Yüzey ve yeralt# sular#, -ev içinden ve d#-#ndan uzakla-t#r#ld#kça bo-luk suyu bas#nc# azalacak, kohezyon artacak, kayd#r#c# etki önlenecektir. Bundan dolay#d#r ki bütün heyelanlarda drenaj birinci önleyici faktördür. Yukar#da aç#klanan önlemlerden ba-ka, zemini sertle-tirerek yer kaymalar# önlenir. Zeminin sertle-tirilmesi enjeksiyon, kimyasal maddeler, dondurma ve pi-irme yöntemleri ile olmaktad#r. 5.1.4. Çökmeler Serbest yüzeyi olmayan do8al zeminin dü-ey veya dü-eye yak#n bir -ekilde hareket etmesine çökme denir ve yap#lara önemli hasarlar verir (Tekil 10). Yük ve çe-itli kuvvetler etkisi ile zeminin ve dolay#s#yla üstündeki yap#n#n a-a8#ya do8ru hareket etmesine de oturma ad# verilir. Bu olaylarda yatay do8rultulu hareket ya pek azd#r veya hiç yoktur. Çökmenin, do8al ve yapay olmak üzere iki nedeni vard#r: 19
a) Do=al nedenler: Yeralt#nda bulunan tuz, jips, kalker gibi kayaçlar#n sular taraf#ndan eritilmesi ile çökmeler ve oturmalar olu-ur. Bir nedeni de depremlerdir. b) Yapay nedenler: Bunlar insanlar#n çe-itli faaliyetleri sonucunda olu-urlar. Bu faaliyetlerin en önemlileri yeralt#ndan fazla su alma, fazla yükleme, kaz#lar, tünel açma, maden ç#karma, dinamit atma, vb. gibi faktörlerdir. Bekil 10. 1964 depremi sonras# Anchorage daki( USA ) Government Hill okulundaki çökme 6. Baraj Jeolojisi Jeolojinin, mühendislik i-lerine uyguland#8#, in-aat, maden ve jeofizik mühendislikleri ile geni- i-birli8i içinde oldu8u alanlardan biridir. Baraj; farkl# mühendislik yap#lar# için olu-turulan bir arada bulundurma veya tutma yap#s# olarak tan#mlan#r. Günümüzde barajlar#n yap#m amaçlar#na göre çe-itli tipleri vard#r. Bunlar; içmesuyu, enerji, ta-k#n önleme, sulama, ula-#m, bal#kç#l#k, kül ve maden art#klar#n#n depolanmas# ve spor tesisleri dinlenme yerleri -eklindedir. Boyutlar# ve rezervuar kapasiteleri h#zla artan barajlarda, elektrik üretimi gitgide di8er amaçlar#n üstüne ç#kmaktad#r. Asl#nda ço8u barajlar birden fazla amaçla yap#lmaktad#r. 20
Son y#llarda madencilikte üretim s#ras#nda su ile ak#p giden cevheri tutmak; aç#k i-letmelerde örtü malzemesini depolamak için de barajlar yap#lmaktad#r. Sulama ve enerji amaçl# tasarlanan barajlar#n, menba k#s#mlar#nda biriken sular ve buna ek di8er birçok yükün (buzlanma, rüzgar, alüvyon vb.) olu-turdu8u toplam bas#nc# temele ve yanlara do8ru düzenli bir -ekilde da8#tmadaki etkinlikleri önemlidir. Basit bir su tutma yap#s#n#n yan#nda, özellikle kurak ülkelerdeki gereksinimlerin zorunlu k#lmas# ve tekni8in ilerlemesi giderek daha çok ve daha büyük dolgu ve beton barajlar#n yap#m#n# gerektirmi-tir. En eski baraj#n Dicle Nehri üzerine yap#lm#- toprak baraj oldu8u bilinmektedir. Anadolu da baraj yap#m# ise Urartular döneminden günümüze uzanan geni- bir tarihe sahiptir. En eski kemer baraj#n, XIII. yüzy#lda Mo8ollar taraf#ndan Sran da Qoum (Kum) kenti yak#n#nda Kebar Nehri üzerinde yap#lan 26 m yükseklik ve 5 m kal#nl#ktaki baraj oldu8u kabul edilir. Osmanl# Smparatorlu8u ndan günümüze kadar gelmi- ve Sstanbul un içmesuyunun sa8lanmas# için yap#lm#- 8 tane bentten halen yararlan#lmaktad#r. Farkl# boyutta in-a edilecek barajlarda arazideki jeolojik ve jeoteknik verilerin bilinmesi gerekir. Topo8rafik ve bölgesel jeolojik ara-t#rmalarla, uygun baraj yerleri ve beslenme alanlar#n#n hidrolojik incelemesi yap#lmas# gerekir. Baraj yerlerinin morfolojisi ve bunlar#n jeoteknik nitelikleri kar-#la-t#r#larak kesin baraj yerlerinin saptanmas#, yap#lar#n oturaca8# yerlerin temel ko-ullar# ve iyile-tirme önlemleri ile baraj yeri ve göl alan#n geçirimsizli8i ve durayl#l#8#n#n ara-t#r#lmas# da jeoloji mühendislerinin önemli görevlerindendir. 6.1. Barajlarn Snflandrlmas Yükseklik (H) ve göl hacimlerine (V) göre: a) Gölet: H < 10 m ve V < 5x10 4 m 3 b) Ufak baraj: 10 m < H < 15 m ve 5x10 4 < V < 1x10 6 m 3 c) Büyük baraj: H > 15 m ve V > 1x10 6 m 3 Amaçlarna göre: a) Cevher tutma b) At#k c) Sçmesuyu d) Enerji (HES) e) Ta-k#ndan koruma f) Sulama 21
6.2. Baraj Tipleri Üç çe-it baraj vard#r 6.2.1. Kagir barajlar Baraj#n menba (ak#- yukar#), mansap (ak#- a-a8#) yüzleri kesme ta-larla yap#lm#- olan, aralar# ba8lay#c# ve geçirimsizli8i sa8lay#c# maddeler ve ta-larla doldurulmu- barajlard#r. 6.2.2. Beton barajlar A8#rl#k, payandal# a8#rl#k ve kemer -eklinde üç çe-ittir. 6.2.2.1. A=rlk barajlar Bunlar suyun kald#rma ve döndürme kuvvetine kar-# kendi a8#rl#klar#yla duran su yap#lar#d#r. A8#rl#k barajlar# geçmi- dönemlerde ta-la, günümüzde ise betonla yap#lmaktad#r. Eksenleri do8ru veya menba taraf#na do8ru hafifçe kavislidir. Yap#m# için temelinin sa8lam olmas# gerekir. Vadi yamaçlar# hafif e8imli, vadi -ekli geni- bir kanyon veya V biçiminde ise bu tip baraj en ekonomik olan barajd#r (Tekil 11 ve Tekil 12). Bekil 11. A8#rl#k baraj# kesiti 22
Bekil 12. A8#rl#k barajlar#na örnekler 6.2.2.2. Payandal a=rlk barajlar Bu baraj#n menba taraf# su bas#nc#na kar-# duran düz veya az e8imli betonarme bir perde -eklindedir. Su bas#nc#n# temele ileten payandalar vard#r. Payandalar bo-, tek veya iki duvar halinde olur. A8#rl#k barajlar#na oranla bu tür barajlarda daha az beton gider. Yamaçlar# az e8imli geni- kanyon veya V -eklindeki vadilerde dip savak baraj içinde olmak ko-uluyla yap#lan bu baraj en ekonomik barajd#r (Tekil 13). Bekil 13. Payandal# a8#rl#k baraj# 6.2.2.3. Kemer barajlar Kavisli tek bir beton duvardan ibaret su tutma yap#s#d#r. Suyun bas#nc#n# yamaçlara kemer etkisiyle vermek için beton duvar menba taraf#na do8ru kavisli olarak yap#l#r. E8er bu su bas#nc#n#n da8#l#-# a-a8# yukar# e-itse baraj, a8#rl#k-kemer veya kemer-a8#rl#k baraj# olarak tan#mlan#r. Yükün büyük bir k#sm# kemer etkisiyle yamaçlara aktar#l#yorsa bu takdirde baraja Snce Kemer Baraj denir. Kemer etkisinin tam verimli olmas# için yamaçlar#n mümkün oldu8u oranda sabit ve sa8lam olmas# gerekmektedir. Kemer, yamaç içine iyice 23
kenetlenmelidir. Kemerin yamaçlara iyi bir -ekilde kenetlenmesi için kemer ile vadinin birle-ti8i noktadaki aç#n#n en az 45 olmas# gerekir. Ayr#ca kemere mümkün oldu8u kadar büyük merkez aç#s# (133 den fazla) verilmelidir (Tekil 14.). Kemer barajlarda en önemli nokta, kemerin kenetlenece8i iki yamaçtaki kayaçlar#n yap#sal özellikleridir. Burada süreksizlik yüzleri, kemer etkisi ile gelecek kuvvete dik olmal# ve bu kuvvetten zamanla zarar görmeyecek durumda bulunmal#d#r. Kemer barajlarda kuvvet, temelden çok yanlara iletildi8inden yamaçlar#n durayl#l#8# ayr#ca incelenmelidir. Kemer barajlar, ince, kal#n, çok kal#n -eklinde yap#labilmektedir (Tekil 15). E, yükselti erileri Akarsu yata Anahtar su taraf Anahtar hava taraf Merkezler çizgisi Tepe merkez açs Tepe kemeri merkezi Tepe Bekil 14. Kemer baraj# Bekil 15. Kemer barajlara örnekler 24
6.2.3. Dolgu barajlar Toprak ve kayan#n belli bir oranda kar#-t#r#lmas# ile yap#lan su tutma yap#lar#d#r (Tekil 16 ve Tekil 17). Bu barajlar ço8unlukla geni- vadilerde yap#l#r. Toprak barajlar genellikle geçirimsiz olan ve sa8lam olarak kabul edilmeyen ayr#-m#- veya çimentolanm#- kayaçlar, heterojen zeminler, geni- vadiler üzerinde yap#lmaktad#r. Bunlar sulama amaçl# ve k#smen elektrik enerjisi üretmek için in-a edilirler. Toprak barajlar; kaya parçalar#, çak#l, kum, silt ve killer veya bunlar#n çe-itli kar#-#mlar#yla yap#l#r. Bundan dolay# fazla miktarda kullan#lacak olan bu malzemenin baraj yerine yak#n yerlerden sa8lanmas# gerekir. Riprap Riprap Kil Çekirde Filtre Filtre Bekil 16. Bir zonlu dolgu baraj kesiti Bekil 17. Dolgu barajlara örnekler 25
Toprak barajlar; baraj gövdesinde kullan#lan malzemeye göre: - Homojen gövdeli - Bölgeli (zonlu) gövdeli - Kaya dolgu gövdeli - Toprak dolgu gövdeli - Kaya-toprak dolgu gövdeli olarak yap#labilir. 6.3. Baraj Tipi Seçimine Etki Eden Faktörler Baraj tipi seçimine etki yapan bütün faktörleri içine alan ve bunlar# göz önünde tutarak baraj tipini gösteren bir formül bugüne kadar ortaya konmu- de8ildir. Emniyet ve maliyet göz önünde tutularak çe-itli faktörler ayr#nt#l# -ekilde incelenir ve en uygun baraj yeri ve tipine karar verilir. Bu faktörlerin ba-l#calar#: a) Topo8rafya b) Jeolojik özellikler c) Hidrolojik ve hidrolik durum d) Kullan#lacak malzemenin sa8lanmas# e) Ülke ekonomisi ve alt yap# durumu f) Sklim ve in-aat mevsimi süresi g) Baraj yüksekli8i ve su gereksinimi h) Deprem durumu 6.3.1. Topo=rafya Baraj yeri ve tipinin seçiminde ilk akla gelen faktör, topo8rafya faktörüdür. Vadi -ekli ve geni-li8ine göre baz# tipler hiç dü-ünülmez. Örne8in, çok geni- bir vadiye beton kemer baraj yap#lmaz. Vadi -ekilleriyle ilgili -öyle bir s#n#flama yap#labilir: a) U -ekilli vadiler b) V -ekilli vadiler c) U ile V kar#-#8# vadiler d) Geni- ve düz vadiler Dar U ve V -ekilli vadilerde di8er faktörler elveri-li ise öncelikle kemer (Tekil 14 ve Tekil 15) ya da a8#rl#k tipi (Tekil 11 ve Tekil 12) dü-ünülür. Geni- vadilerde kaya veya toprak dolgu barajlar yap#lmaktad#r (Tekil 16 ve Tekil 17). Yükseklik fazla ise beton a8#rl#k tipi uygundur. Vadi -ekli faktörü (K), tepe uzunlu8unun, maksimum baraj yüksekli8ine oran#d#r (Tekil 18). Beton baraj için ekonomik limit Amerika da 5; Stalya da 7; Fransa da 11 olarak kabul edilir. Bundan büyük de8erler, beton baraj yap#lmamas#n# gerektirir. 26
L H K= L / H Sekil 18. Vadi -ekli faktörü 6.3.2. Jeolojik özellikler Baraj yerindeki kayaçlar#n ta-#ma güçleri, su tutma özellikleri ve suya kar-# hassasiyet dereceleri ara-t#r#l#r. 6.3.3. Hidrolojik ve hidrolik durum Baraj#n beslenme alan#na dü-en ya8mur miktar# ve ya8#- süresi, akarsular#n ta-k#n debileri, baraj yap#lmadan önce dikkate al#nacak hususlard#r Baraj beslenme alan#na dü-en ya8#- miktar# ve süresi, akarsular#n ta-k#n debileri ve dalga etkileri önceden saptan#r. Uzun y#llar boyunca yap#lan ölçümlerden ç#kan sonuçlara göre baraj tipi önerilir. 6.3.4. Kullanlacak malzemenin sa=lanmas Baraj yap#m#nda kullan#lacak malzemenin yak#nda ve yeterli ölçüde bulunmas#, baraj tipinin seçimini etkiler. Yeterli çimento veya agrega malzemesi yoksa beton barajdan vazgeçilip dolgu baraj yap#labilir. Malzeme sahas#n#n baraj yerinden uzakl#8# en çok 8 km olmal#d#r. 6.3.5. Ülke ekonomisi ve altyap durumu Baraj yap#lacak ülkenin ve bölgenin ekonomik durumu, endüstriyel geli-imi, çimento, demir, vb. yap# malzemesinin fazla veya az bulunmas#, baraj tipi seçiminde önemlidir. 6.3.6. klim ve inaat mevsimi süresi Bir bölgede in-aat süresinin uzun veya k#sa olmas# baraj tipi seçimini etkiler. Ya8#-# fazla olan veya don olaylar# olan bölgelerde toprak baraj gövdesine geçirimsiz veya yar# geçirimli 27
malzemenin konulmas# zor olur. Bundan dolay# ya8#-l# bölgelerde çekirdek k#sm# çok ince olan baraj tipleri önerilmelidir. 6.3.7. Baraj yüksekli=i ve su gereksinimi Baraj yerinin belirli bir yükseklikte olmas#, baraj yeri seçimi için oldukça önemlidir. Beton barajlarda yükseklik minimum 100 m den ba-lamaktad#r. Ayr#ca baraja gelen su miktar#n#n (debinin) fazla olmas# beklenir. 6.3.8. Deprem durumu Deprem s#ras#na olu-an sismik dalgalar baraj#n gövdesini etkiler. Baraj yeri incelemelerinde önceden olu-mu- sismik kay#tlar ara-t#r#l#r. Deprem riski olan bölgelerde, toprak, kaya dolgu baraj yap#lmas#, geni- tabanl# geçirimsiz çekirdek konmas#, temelde en kesit boyunca devaml# beton duvar yap#m#, yüksek (3-4 m) dalga pay# b#rak#lmas#, geni- tepe ve az e8imli baraj -evi istenir. 6.4. Baraj Yeri Aratrmalar Sçmesuyu sa8lanmas#, sulama, elektrik elde etme durumlar#nda önceden doldurulan rezervuarlar, gereksinim duyulan zamanlarda, amaca göre kullan#l#r. Ama bu i-lev, düzensiz gereksinimlerin kar-#lanmas# (mevsimlere göre de8i-en sulama ihtiyac#, k#- aylar#nda veya günün belli saatlerde çok elektrik kullan#m#) oldu8u kadar, mevsimlere ve hatta y#llara göre farkl# miktarda gelen suyun düzenlenmesini de kapsamal#d#r. Özellikle depolanan miktarla y#ll#k ak#m de8erleri aras#ndaki ba8#nt#ya göre çe-itli düzenlemeler yap#labilir. Örne8in elektrik sa8lanmas#nda kullan#lan baz# barajlar, sabit ak#ml# bir suyu sadece çevirme ve bir miktar yükseltme görevi yapar (derivasyon baraj#). Bu türde su depolamas# yoktur, sabit tutulan su düzeyi ile santral aras#ndaki dü-ü- fark#ndan yararlan#larak elektrik enerjisi elde edilir. Düzenli rejimli büyük sular üzerindeki baz# barajlarda, y#ll#k ak#m#n çok küçük bir k#sm#, günün baz# saatlerindeki fazla elektrik kullan#m#n# kar-#lamak üzere depolan#r. Suyun hangi yüksekli8e kadar depolanaca8# önemlidir. Burada suyun yerçekimi ile da8#t#m#na olanak verecek minimum kot ya da santrale uygulanacak su bas#nc#n#n (dü-ülerin) yüksek veya alçak olaca8# önceden kararla-t#r#larak, baraj yüksekli8i saptanabilir. En uygun baraj yeri ara-t#rmas#nda bu ko-ul da göz önünde bulundurulur. Ama ço8u zaman baraj yeri, do8rudan 28
do8ruya jeolojik olu-um veya tarihçeye ba8l# olan morfolojik özellikleriyle kendini gösterir. Beslenme alan#n#n, rezervuar doldurmaya yeterli olmayaca8# durumlar da söz konusu olabilir. Bu durumlarda maliyetin artacak olmas#na ra8men tünellerden yararlan#larak, uygun kotlardaki kom-u havzalardan rezervuar beslenebilir. 6.4.1. Morfolojik koullar Bir akarsuyun boyuna profili, durumlara göre az veya çok e8imli ve düzenli yada düzensiz olabilir. Ayn# yükseklikteki barajlarda yatak e8imi dü-ükse baraj gölü (ak#- yukar#ya do8ru) uzun, yüksekse k#sa olur. Yani, baraj gölünün ak#- yukar# do8ru uzunlu8u, yatak e8imiyle ters orant#l# olarak de8i-ir. Nehir yata8#n#n yüksek e8imli oldu8u vadilerde büyük kapasiteli rezervuarlar olu-turulamaz (Tekil 19 a ve b). Ama buralarda merdiven -eklinde birbirini izleyen barajlar yap#larak dü-üden yararlan#p, büyük miktarda enerji sa8lanabilir (Tekil 19 c). (a) (b) (c) Bekil 19. (a) ve (b), Rezervuar kapasitesi az yüksek e8imli barajlar ve (c), kapasitesi fazla olan ve merdiven -eklinde birbirini izleyen barajlar Yatak e8imi çok yüksek olan bir akarsuda, küçük rezervuarl# ve çok yüksek bir baraj yapmak yerine, kuvvet (veya ta-#ma) tüneli yaparak, suyu a-a8#da uygun bir yere yap#lacak santrale dü-ürmek, daha ekonomik olabilir (Tekil 20). 29
Kuvvet tüneli Denge Bacas# Santral Bekil 20. Yatak e8imi yüksek akarsularda ekonomik olan baraj türleri Benzer çözüm, yer kaymas# olan arazilerde de dü-ünülebilir. Yer kaymas# olan bir arazide en iyi çözüm, baraj# kayman#n ak#- yukar#s#na yapmak; santrali ise kayman#n ak#- a-a8#s#na yerle-tirmektir. Bu ikisi aras#nda, sa8lam yamaçtan kuvvet veya ta-#ma tüneli yap#lmal#d#r. Böylece heyelanlardan kaç#ld#8# gibi, barajla santral aras#ndaki dü-üden de yararlan#lm#- olur. Bununla ilgili tipik bir örnek, Çoruh Nehri üzerinde tasarlanan Norgah Baraj yeridir. Burada santral, baraj#n hemen a-a8#s#na yap#lsa, ak#- a-a8#da sa8 yamaçtaki yer kaymas#n#n geçici süre de olsa nehri kapatmas# halinde, santrali su basabilecekti. Bunun yerine, sol yamaçtan kuvvet tüneli ile, yer kaymalar#n#n ak#- a-a8#s#nda bir santral yap#m# tasarlanm#-t#r (Tekil 21). Kuvvet Tüneli Santral Çoruh Nehiri Santral buraya kurulursa su basabilir Yer kaymalar# Bekil 21. Çoruh Nehri üzerindeki Norgah Baraj# n#n yer kaymalar#ndan etkilenmesini önlemek için haz#rlanan tasar#m Yatak e8iminin dü-ük oldu8u vadilerde büyük miktarda su depolan#p, gere8inde kullan#labilir; ayn# zamanda suyun ak#m#n#n düzenlenmesi de sa8lanm#- olur. Bir vadi içinde boyuna profil düzensizse, enerji amaçl# barajlarda, yukar#da belirtilen iki avantaj# birle-tiren baraj yerleri ara-t#r#lmal#d#r. Bunlardan ak#- yukar#daki dü-ük yatak e8imli ve yüksek su 30
biriktirme kapasiteli; ak#- a-a8#daki yüksek yatak e8imli ve dü-ü-ü fazla olacak -ekilde düzenlenirse en uygun çözüm olur. Vadinin enine kesitinde en uygun baraj yerinin seçiminde L/H oran#ndan yararlanmak uygun olur. Böylece en yap# hacmiyle, e-it bir rezervuar kapasitesi sa8lanm#- olur. Burada L, kret uzunlu8u; H, baraj yüksekli8idir. Vadi geni-li8i, bir kesitten di8erine de8i-ir. Burada ba-l#ca etkenler formasyonlar#n yumu-ak veya sert olu-u, buzullar#n etkileri, süreksizlikler vs. olabilir. Bu verilerin önceliklerle birle-tirilmesiyle -u sonuca var#lmaktad#r; enine ve boyuna profilleri bir yerden di8erine çok de8i-en vadilerde, rezervuar# geni-, baraj yeri de dar bir bo8az#n giri-inde olan barajlar en uygunudur. Ama baraj yerine sadece geometrik yönden bakmamak gerekir. Jeolojik ko-ullar çok iyi ara-t#r#lmal#d#r. Baz# dar vadiler yer kaymalar# sonucu olu-mu-lard#r. Baz#lar# buzulta-lar# içinde aç#lm#-lard#r. Bunlarda durayl#l#k ve s#zd#rmazl#k yönünden sorunlar vard#r. Vadiler L / H oran#na göre -öyle s#n#fland#r#labilir : a. Bo8az -eklinde vadiler (L / H < 3), b. Dar vadiler (3 < L / H < 6) c. Geni- vadiler (L/H > 6). Bo8az -eklinde vadiler, ince veya kal#n beton kemer baraj yap#m#na olanak verir. Baz#lar# sadece silindiriktir, ama ço8u çift kavislidir. Dü-ey kavis bazen çok fazla olabilir (Kupola veya dom). Kal#n kemer ve a8#rl#k barajlarda kesit kal#nd#r ve bu tipler birbirinden kesin bir s#n#rla ayr#lmam#-t#r. Dar vadiler, a8#rl#k barajlar için uygundur. Gövde kal#nl#8# biraz azalt#l#p, buna kar-#l#k bir miktar kavis verilebilir (Örn : Karakaya Baraj#). Geni- vadilerde, kemer d#-#nda bütün tipler yap#labilir; a8#rl#k barajlar, payandal# a8#rl#k barajlar, çok kemerli barajlar. Son iki tipte, memba yüzü dü-ey yada hidrostatik etkiyi dengelemek amac#yla e8imli olabilir. Toprak veya kaya dolgu barajlar, temel ko-ullar# bir yerden di8erine çok de8i-ik baraj yerlerinde uygundur. Düzensiz bir morfoloji oldu8unda, buna uygun olarak kar#-#k bir baraj yap#labilir; temelde a8#rl#k, üste do8ru kemer baraj veya ortada kemer, yanlara do8ru payandal# a8#rl#k veya hatta ortada a8#rl#k, yanlarda toprak dolgu baraj. 31
6.4.2. Jeoteknik Koullar Yap#n#n seçimine egemen olan kriterler, temel kayas#n#n mekanik özelliklerine, özellikle ta-#ma gücüne ve baraj taraf#ndan uygulanan gerilmelere kar-#l#k gelen elastik veya plastik deformasyonlar#n genli8ine ba8l#d#r. Bir fikir vermek üzere a-a8#da geçecek rakamlar, ancak 50 m ye kadar yükseklikteki yap#larda geçerlidir. Uygun bir güvenlik katsay#s# uygulanmas#yla, temelin gerçek direnci belirgin olarak çok yüksek bir de8ere ula-abilmelidir. 50 m den daha yüksek yap#lar ise çok daha yüksek de8erler gerektirir. Bir a8#rl#k baraj#n#n temele bindirdi8i yük en az 8-10 bar dolay#ndad#r. Bu yük alt#nda temelde önemli hiçbir deformasyon olmamal#d#r. Zaten kayalar#n büyük bir ço8unlu8unda bu nitelik vard#r. Ama kayan#n üzerinde kal#n bir örtü (örne8in eski alüvyon veya ayr#-m#- malzeme) varsa ve baraj bunun üstüne oturtulmak istenirse sorun ç#kabilir. Payandal# a8#rl#k baraj#n#n temele bindirdi8i yük 20-30 bard#r. Bu tip baraj, alttan kald#rma bas#nc#ndan do8abilecek riskleri hemen hemen tümüyle yokeder. Birçok hallerde payandal# a8#rl#k baraj#n#n, a8#rl#k baraja göre daha ekonomik oldu8u görülmü-tür. Çok kemerli bir baraj#n temele uygulad#8# yük de 20-30 bard#r, ama bu tür barajda temelin yük alt#ndaki oturmas#n#n kabul edilebilir s#n#rlar içinde (su dolduktan sonra en çok 1 cm deformasyon) olmas# gerekir. Bu nedenle, bu tip bir baraj kaya kalitesine son derece hassas bir -ekilde ba8l#d#r. Bir kemer, iki kanattan e-itsiz olarak gelen gerilmelere uyum gösteremez. Kal#n bir kemer baraj, temele en az 30 bar yük uygular. Bu tip baraj L / H oran#n#n 3 ile 5 de8erleri aras#nda olmas# halinde uygundur. Snce kemer barajda minimum kuvvet 70 bara kadar yükselebilir. Bunlarda L / H oran#n#n 3 ten az olmas# istenirse de, bu kural çok kat# olarak uygulanmaz. Temel kayas#na güvenilmedi8i yada kayan#n mekanik özelliklerinin bir yerden di8erine çok s#k de8i-ti8i (farkl# oturma riski) hallerde, toprak ve kaya dolgu barajlar en uygun çözümlerdir. 32
6.4.3. Kemer, a=rlk baraj tipinin seçimi Sncelenen baraj yerlerinin morfolojik ve mekanik özelliklerine göre, bu alternatifle s#kça kar-#la-#l#r. Örne8in, Fransa da Massif Central daki derin kaz#lm#- plato olu-turan eski kristalen kayalarda, yak#n geçmi-teki kaz#lmalar nedeniyle temeldeki ayr#-ma çoktur ve buradaki yamaçlar çok diktir. Bo8az -eklindeki bu vadilere ancak kemer baraj yerle-tirilebilir. Yak#n geçmi-teki erozyonla tekrar gençle-memi- ve ayr#-man#n çok derine indi8i baz# vadi -ekillerinde a8#rl#k ve hatta dolgu tipi baraj yapmak zorunlu olabilir. Bu kriterlerden ba-ka, i-in içine ekonomik ko-ullar da girer. Kemer baraj#n gövde hacmi, a8#rl#k baraj#ndan birkaç kat az olabilir. Ama bunun yan#nda kemer baraj yap#m# -u ko-ullar# gerektirir: Snce beton i-çili8i, beton dökümünün sürekli izlenerek her 0.5 m de yeni durumlara göre hesap ve çizimler yap#lmas#, temel ve yamaçlar#n en iyi kalitede kaya bulununcaya kadar kaz#lmas#, gövdenin temele kusursuz bir enjeksiyonla ba8lanmas#. Amerikan mühendisleri a8#rl#k baraja daha yatk#nd#r. Çünkü bu ülkede i-çilik pahal#d#r, daha çok beton kullanmak daha ucuza gelmektedir. 6.5. Barajlarda Su Tutma Yaplar 6.5.1. Dolu Savaklar Bir baraj#n üstünden veya yanlar#ndan ta-an suyun geçmesini sa8layan kanallara dolu savak denir. Dolu savak, suyu ak#tan bir kanal veya yoldur. Baraj göllerinde su seviyesi maksimum su seviyesini a-#nca dolu savak çal#-maya ba-lar. 6.5.2. Dip Savaklar Fazla ya8#-l# ortamlarda biriken istenmeyen malzemelerin (a8aç, kütük,vs.) baraj gövdesine etki ederler. Bunu önlemek için baraj gövdesinin dibine aç#lan savaklara dip savak denir. 6.5.3. Batardo Memba ve mansap batardosu olarak iki türlüdür. Memba batardosu çevirme tünelinin giria8z#n#n önünde olur. Baraj in-aat#n etkilenmemesi için yap#lan yüksekliktir. Mansap 33
batardosu ise çevirme tüneli ç#k#- a8z#ndan sonra yap#lan yüksekliktir. Gövde arkas# in-aat#n#n etkilenmemesini sa8lar (Tekil 22). 6.5.4. Çevirme Tüneli Baraj#n yap#m# esnas#nda gövdeye gelen suyun yönünü sapt#rmak için aç#lan tünellere denir. Menba batardosu Mansap batardosu Baraj Bekil 22. Menba ve mansap batardolar# 6.6. Barajlarn Genel Karakteristikleri Bu bölümde barajlar hakk#ndaki genel bilgiler yer almaktad#r. Baraj tipleri : Kagir, beton, kemer, toprak, kaya dolgu vb. Barajlar n amaçlar : Cevher tutma, içmesuyu, enerji, ta-k#ndan koruma, sulama Baraj n kret uzunluu : Baraj#n sa8 ile sol sahilleri aras#ndaki uzakl#k (m) Baraj n kret yükseklii : Kret uzunlu8unun deniz seviyesinden yüksekli8i (m) Kret geni lii : Baraj#n gövdesinin bitti8i yerdeki geni-li8i (m) Baraj n temel yükseklii: Baraj#n temelinin denizden yüksekli8i (m) Baraj yükseklii: Baraj#n temelden yüksekli8i (m) Baraj n gövde hacmi : Baraj gövdesi yap#m#nda kullan#lan malzemenin hacmi (m 3 ) Maksimum su seviyesi: Baraja su tutturuldu8undaki su seviyesinin denizden yüksekli8i (m) Göl alan : Baraj#n tutu8u toplam su hacmi (m 3 ) 34
7. Lugeon Basnçl Su Deneyi (Paker Deneyi) Özellikle baraj sahalar#nda, kayalar#n geçirimlili8i hakk#nda bilgi edinmek amac#yla, ara-t#rma ve enjeksiyon kuyular#nda bas#nçl# su deneyleri yap#l#r. Çe-itli bas#nçlar alt#nda deney zonunda kayaya s#zan suyun debileri ölçülür. Bir Lugeon birimi, 10 atmosfer gerçek bas#nç alt#nda, 1 dakikada, 1 metre uzunluktaki zonda 1 litre olarak s#zan su miktar#d#r (Tekil 23). 1 Lugeon = 10-5 cm/sn H Pompa Su sayac# Manometre Bas#nç (atm)=pm Peff= Pm+H/10-Pc P eff = Deney zonundaki gerçek (hakiki) bas#nç. Pm= Manometrede okunan bas#nç (Atm) YAS H= Yeralt#suyunun manometreye kadar olan uzakl#k (metre) H I Deney lasti8i H I =Yeralt#suyu olmad#8# takdirde deney zonunun ortas#ndan manometreye kadar olan uzakl#k (metre) Deney zonu Pc= Manometre ile deney zonu aras#ndaki lastikte, tijlerde, ba8lant# yerlerinde, vanalarda, manometreden sonraki borularda meydana gelen yük kayb#. Bekil 23. Lugeon bas#nçl# su deneyi (tek lastik) Lugeon deneyleri 1, 2, 3, 5, 10 metrelik zonlarda yap#labilir. 10 ar dakika süreyle artan ve azalan bas#nçlar uygulan#r. 3-6-10-6-3 veya 2-4-6-8-10-8-6-4-2 gibi. Deneye ba-lamadan önce pompa kapasitesi, yeralt# su seviyesi ölçülür. Her bas#nç kademesinde 10 dakikadaki kaçak miktarlar# kaydedilir. Daha önemlisi kaçak miktarlar#n# her 5 dakikada bir kaydetmektir. Yamaç molozunda ve alüvyonda bas#nçl# su deneyi yap#lmaz. Karotlar#n sa8lam oldu8u zonlarda kaçak fazla ise lastik tutmam#- olabilir. Bu durumda deney tekrarlanmal#d#r. Bazen 35
kuyunun tümü delinir, her deney zonunun alt ve üst kademesine deney lasti8i tutturulur ve çift lastikle bas#nçl# su deneyi yap#l#r. 7.1. Özel durumlar a. E=ik kuyu Manometre Manometre H h YAS H h YAS P eff = P m h. cos + 10 P c b. Yatay kuyu Manometre P eff = P m P c YAS 36
c. Nehir içi kuyusu Manometre P eff = P m P c Hesaplanan Lugeon deneylerine göre kayan#n geçirimlili8i : Lugeon de=eri Kaya geçirimlili=i 1 Lugeon dan az Geçirimsiz 1-5 Lugeon Az geçirimli 5-25 Lugeon Geçirimli 25 Lugeon dan fazla Çok geçirimli Bas#nçl# su deneyi s#ras#nda suyun tümü kaçm#- ve bas#nç yükselmemi-se Lugeon de8eri sonsuz kabul edilir. Genel kural olarak 30 m den yüksek barajlar için 1 Lugeon biriminden daha az olan kaya geçirimsiz kabul edilir ve enjeksiyon gerekmez. Bu s#n#r 30 m den alçak barajlar için 3 Lugeon birimidir fakat, 1 Lugeon tercih edilmelidir. 37
7.2. Lugeon Deneyinin Yorumlar D (Debi) D (Debi) P (Bas#nç) Düzenli ak#m, çatlaklarda t#kanma ve y#kanma yok. De8i-ken rejim. büyük çatlak P (Bas#nç) D (Debi) D (Debi) Bas#nçla dolgunun y#kanmas# (Deney lasti8inden su kaçmas#) P (Bas#nç) Kuvvetli bas#nçla t#kanma P (Bas#nç) D (Debi) D (Debi) P (Bas#nç) Zay#f bas#nçla t#kanma, kuvvetli bas#nçla y#kanma P (Bas#nç) Zeminin dönü-ümlü tepkisi. Bir çatlak yüksek bas#nç alt#nda aç#l#r, yeni çatlaklar olu-abilir ve bas#nç azald#8#nda kapan#r. 38
8. Tünel Jeolojisi Çe-itli kayaçlar ve zeminlerin içinde farkl# amaçlarla aç#lan iki taraf# aç#k kaz#lara tünel ad# verilir. Tüneller, karalarda veya su içinde demiryolu ve karayollar#n# k#saltmak, su getirmek, baraj yap#m#nda nehir suyunu çevirmek, içme ve sulama için su getirmek, kent at#k suyunu götürmek, kent trafi8ini hafifletmek, yeralt#ndan geçit sa8lamak, hidroelektrik santrallerine su iletmek, yeralt#ndan ta-, toprak ve maden ç#karmak gibi amaçlarla yap#lamaktad#r. Tekil 24 de tünel deyimleri, tünel kesitleri üzerinde görülmektedir. Ba,yukar Kuyu Galeri Oda Örtü kalnl Örtü Örtü kalnl Pasa Tünel Ba,a,a Pasa Anahtar Ta, Kemer Üzengi Çizgisi Eksrados Intrados Kalot Üzengi Ayak Stros Ano Taban (Ters Kemer) Bekil 24. Tünel kesitleri 39
Tünel, içinde aç#lacak zeminin litolojisi ve su miktar#na göre yumu-ak ve sert zemin olmak üzere iki çe-ittir. Yumu-ak zeminler malzemenin türüne göre -u -ekilde s#n#fland#r#l#r. 8.1. Tünellerdeki Yumuak Zemin Snflamas a. Akc zemin : Toprak ve molozdan olu-an ve kaz# ile akmaya ba-layan zemindir. Akma h#z# su içeri8i ile orant#l#d#r. b. Çok hzl akc zemin : Çimentosuz kum ve çak#llardan olu-an zeminlerdir. Bu zeminlerde kuru iken akma görülebilir. Su ile akman#n h#z# artar. c. Akan zemin : Killi ve siltli zeminlerdir. Tane çaplar# küçük ve plastik oldu8undan çamur akmalar# görülür. d. Skan zemin : Kil ve siltler daha az su içerirse, s#k#-an zemin ad# verilir. Bunlar plastik s#n#rdad#r. Bas#nç alt#nda k#r#lmazlar, fakat kabar#r ve dalgalan#rlar. e. Bien zemin : Bunlar ço8unlukla bentonit grubundaki kil mineralleri içeren zeminlerdir. Bu tür zeminler bünyesine su al#nca hacimleri artar, -i-er ve hareketli hale geçerler. 8.2. Yumuak Zeminlerde Tünel Açlmas Tünel açma i-lemi ba-lay#nca tavan ve yan duvarlar baz# durumlarda kendi kendilerini tutamazlar. Tabanda kabarma, çukurla-ma ve ondülasyon olu-ur. Yumu-ak zeminlerde tünel açarken kar-#la-#lacak en büyük engel yeralt# suyudur. Burada çözüm, suyun drene edilmesi ve aç#lan sondaj kuyular# ile su seviyesinin dü-ürülmesidir. Killi zeminlerde ise durum daha farkl#d#r. Kil, su ile temas#nda -i-er, hacmi artar ve çevresine bas#nç uygular. Bu tür bentonitkil mineralli kütlelere -i-en -eyller denir. 8.3. Sa=lam Zeminlerde Tünel Açlmas Tünel yap#m#nda sa8laml#k, tünel açma ile e-anlaml#d#r. E8er bir tünel aç#l#rken tavan desteklenmeye gereksinim göstermezse bu tür zeminler sa8lam zeminler olarak adland#r#l#r. Sa8lam zeminler az fayl# ve eklemli olabilir. Tünel jeolojisi haritalar# yap#l#rken bunlar ayr# ayr# s#n#fland#r#l#r. Özellikle fayl# ve eklemli k#s#mlar, bo-luklar# -i-en killerle dolu ve sulu olan k#s#mlar belirtilir. 40