İçindekiler
Baraj Temelleri Sunumu
Baraj Yerinin Seçimi
Barajlar, taşıma gücü ve sızma yönünden güvenli veya güvenliği sonradan yapılan iyileştirme ile sağlanabilecek alanlar üzerine inşa edilmelidir. Uygun baraj yerlerinin önemli bir bölümünün kullanılmış olması ve bundan sonra daha karmaşık alanlarda baraj yapma zorunluluğunun ortaya çıkması, baraj yeri ve göl alanlarında daha yoğun geoteknik araştırmaların yapılmasını gerekli kılmaktadır. Bu araştırmalar ile temel kusurları daha iyi tanımlanacak ve uygun baraj yapılarının tasarımı gerçekleştirilebilecektir. Zemin mekaniği biliminde görülen hızlı gelişme, daha önce edinilen deneyimlerin de ışığında, barajların tasarımı ve olası problemlerin tahmininde büyük kolaylık sağlamaktadır.
BARAJ YERİNİN SEÇİMİNDE ZEMİN ETKİSİ
1)Baraj Yerinin Topoğrafyasının Etkisi:
Baraj yapılacak vadinin şekline, dar ve geniş oluşuna göre, ilk araştırmalar yapılır. Vadi en kesitleri çıkarılır; vadi şekilleri ve vadi tipleri bulunur. Vadi şekilleri çok değişik olabilir ve şöyle sınıflandırılır:
1) (U) şekilli vadiler (boğazlar, kanyonlar),
2) Dar (V) şekilli vadiler,
3) Geniş (V) şekilli vadiler,
4) U ve V karışığı şekilde olan vadiler,
5) V ve V karışığı şekilde olan vadiler,
6) Geniş ve düz vadiler
(U) şekilli, dar (V) ile geniş (V) şekilli vadiler genellikle akarsuların menba taraflarında görülür. Bu tip vadilerde baraj yapılması ilk bakışta kolay, emniyetli ve çabuk olacağı düşünülerek ideal bir yer olarak tasarlanır.
2)Baraj Yapılacak Yerin Zemininin Litolojik ve Yapısal Özellikleri:
Baraj yeri seçiminde, topoğrafyadan sonraki diğer önemli faktör, baraj yeri zeminindeki taşların litolojik ve yapısal özellikleridir. Baraj yerindeki kütlelerin taşıma güçleri, su tutma özellikleri ve suya karşı hassasiyet dereceleri araştırılır. Buna göre baraj tipi ve yeri seçilir.
3)Baraj Yapılacak Zeminin Hidrolojik ve Hidrolik Durumu:
Baraj beslenme alanına düşen yağmur miktarı ve yağış süresi, akarsuların taşkın debileri ve dalga etkileri baraj yapılmadan çok evvel, başlayan ölçülerle saptanır. Uzun yıllar boyunca yapılan bu ölçülerden çıkarılan sonuçlara göre de baraj tipi seçilir. Nehrin maksimum taşkın suyunu boşaltacak bir savak (tesis) yapmak ve bunu barajın en uygun bir yerine yerleştirmek baraj projelerinde ve baraj tipi seçiminde düşünülen problemlerin en önemlilerinden ve en başta gelenlerinden biridir. Savak yerinin, şeklinin ve büyüklüğünün iyi seçilmemiş olması, birçok barajın yıkılmasına sebep olduğu bugün çok iyi anlaşılmıştır.
Baraj yeri (aks) seçiminde ayrıntılı ilk çalışmalar (1/5000-1/1000 ölçekli)
topoğrafik haritaların yapılması ile başlar.
Bu topoğrafik haritaların üzerine:
1)Aks yerlerinin litolojisi,
2)Aks yerleri ve civarlarının yapısal özellikleri ve süreksizlikleri,
3)Şevlerin stabilite durumları,
4)Baraj yerinin su tutma derecesi incelenir ve haritaya işaretlenir. Ve baraj yeri ile diğer tesis yerlerinin suya karşı hassasiyeti, su tutma ve stabilite özellikleri, geçirimli ve geçirimsizliği saptanır.
5)Aks yerinden sızmanın olup olmayacağı araştırılır.
Bu çalışmalar sonunda aks civarının jeolojik hususiyetlerini, vadi şeklini, tabaka ve alüvyonların kalınlıklarını, yapısal özelliklerini gösteren detay (1/1000,1/5000 ölçekli) jeolojik haritalar hazırlanır. Jeolojik kesitler çıkarılır; fotoğraflar alınır. Sonuçta elde edilen bütün bu bilgiler bir rapor haline getirilir, ilgililere sunulur. Bu raporda: Baraj yerinin coğrafi durumu, morfolojisi, iklimi, ulaşma şekli kısaca ele alınır, baraj yerinin litolojisi mevcut kütlelerin kalınlıkları ve yayılışları, yapısal özellikleri, suya karşı hassasiyeti, erime ve şişme derecesi rakam ve kesitlerle açıklanır.
Baraj yerinde çıkması muhtemel problemler belirtilir, bilhassa, erime, şişme, faylanma, şev stabilitesi ve bölgenin sismisitesi üzerinde durulur. Baraj akslarıyla muhtelif tesislerinin (savak, çevirme, derivasyon tüneli, santral binası vb.) konulacağı yerler haritaya işaretlenir. Barajda kullanılacak malzeme hakkında ilk bilgiler verilir. Bu bilgilerin sıhhatli olması için gerekli sondaj yerleri verilir ve rapor sonunda bu çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre yapılması gerekli ayrıntılı çalışmalar teker teker belirtilir.
HESAPLARDA GÖZ ÖNÜNE ALINACAK YÜKLER:
Baraj gövdelerinin yıkılmadan, kaymadan, bozulmadan uzun müddet kalabilmeleri için, gövdeye etki yapan statik ve dinamik birçok kuvvetlerin denge halinde olması gerekir. Bu kuvvetlerin bir kısmı yatay bir kısmı düşey yöndedir. Bu kuvvetlerden bir kısmı jeolojik işlemlerle oluşur. Deprem etkisi, tortu(silt) etkisi ve aşınmaların temele etkisi gibi.
Bir baraja, örneğin; bir beton ağırlık barajına etki yapan kuvvetlerin en önemlileri şunlardır: Baraj Ağırlığı (düşey statik kuvvetler);buz basıncı, su basıncı, toprak basıncı, temel reaksiyonudur.
Baraj Ağırlığı; baraj gövdesinde kullanılan malzemenin cins ve miktarına göre değişir. Beton barajlarda bu basınç takriben 2,5kg/cm dir. Diğer taraftan baraj gölünün donması halinde, barajın menba yüzeyinde ek bir basınç olur. Bu basınç 3kg/cm kadardır.
Su Basıncı; baraj gövdesine, dalgaların, üstten akan suların, baraj gölünde bulunan suların, mansap eteğinde (topukta) toplanan dolu savaktan akan ve menba eteğinden temele sızan suların kaldırıcı etkileri vardır. Menba ve mansaptaki su basınçları hidrostatiktir, kaymaya ya da kesme ile ters dönmeye sebep olur. Kayma, sürtünme direncini azaltmamakla ve ayrıca payandalarla, saplamalarla önlenmeye çalışılır. Dönmeye karşı da barajın ağırlığı karşı gelir.
Temelin permabilitesi, boşluk suyu basıncına, kaldırıcı kuvvetin doğuşuna sebep olur. Yalnız temel alanında bulunan bu basınç menba eteğinden mansaba (topuğa) doğru azalır. Bu basınç kaymaya karşı koyan barajın etkili ağırlığını azaltır. Baraj ağırlığını arttırmak ya da daha iyisi temelde iyi bir drenaj yapmak bu kaldırıcı kuvvet etkisini azaltır; ortadan kaldırır. Temelde geçirimli ve geçirimsiz tabakalar birbiri ardı sıra ise, bu kuvvet kemer tiplerde önemli değildir.
Baraj temelleri, baraj kitlesinin ağırlığına ve rezervuardaki suyun basıncına karşı bir reaksiyon gösterir. Düşey statik kuvvete karşı, sıkışma direnci; yatay hidrostatik basınca da kayma mukavemeti karşı koyar. Yapılan tesislerle temelde ortaya çıkacak elastik deformasyon model deneylerle bulunur. Gövdede kurulan denge, baraj gövdesinde ya da temelde bir değişme, bir parçalanma olmadıkça bozulmaz.
Baraj Mühendisliğinde Temel ve Tasarımı
Temel; yapının üzerinde bulunduğu zeminle temasını sağlayan ve yapıdan gelen yükleri zemine aktaran yapının önemli bir birimidir.
Temellerin analizinde iki ayrı kriter dikkate alınır:
1)Temel zemininde oluşacak oturma değerleridir. Bu değerler; yapı cinsine göre verilen sınırlar dâhilinde kalmalı veya genel bir ifade ile yapıya zarar vermeyecek ölçüde olmalıdır.
2)Temel altındaki zeminin kayma göçmesine karşı yeterli bir güvenliğe sahip bulunmasıdır. Yani, taşıma gücü şartının sağlanması gerekmektedir.
Eğer ilk kıstas sağlanıyorsa, genellikle ikinci kıstas de sağlanmış olacaktır. Kural olarak tasarım, ikinci kıstas dikkate alınarak yapılır ve birinci kıstasların kontrolü şeklinde devam eder.
Ancak önemli yapılarda veya karmaşık zeminlerde, ayrıca hassas oturma analizinin yapılması gerektiği belirtilmelidir.
Baraj mühendisliği uygulamalarında temel tasarımı, rutin uygulamadan farklılık arz etmektedir. Özellikle dolgu barajlarda, rijit yapılarda öngörülen temel birimi oluşturulmamaktadır. Bu tip yapılarda temel olarak, nehir tabanı ile yamaçlar dikkate alınır ve bu birimler iyileştirilerek dolgu stabilitesi için uygun hale getirilir.
Ayrıca barajın suya istinat eden bir yapı olması nedeniyle, temel zemini yalnızca taşıma gücü ve oluşacak oturmalar yönünden değil, sızma akımı yönünden de detaylı incelenmelidir.
Baraj Mühendisliğinde Temel Tipleri
Baraj mühendisliğinde değişik zemin koşulları için değişik işlemlerin uygun olması nedeniyle, temel birimleri;“iri taneli malzemeden (kum ve çakıl) oluşan temeller”,“ince taneli malzemeden (kil ve silt) oluşan temeller” ve “kaya temeller” olmak üzere üç ayrı şekilde değerlendirilir.
Ayrıca “karışık temel” olarak bilinen bir dördüncü grup temel zemin birimi vardır ki; bu birimle uygulamada çok karşılaşılır ve bu oluşum, çoğunlukla özel problemlerin oluşmasına neden olur.
Kayaç temeller; barajlar için taşıma gücü yönünden uygun tipte birimler olarak dikkate alınır.
Baraj Temellerinde Karşılaşılan Problemler
Baraj temelleri; çoğunlukla nispi olarak geçirimsiz birimler ihtiva eden geçirgen kum ve çakıldan oluşmaktadır. Bu malzemeler, “alüvyon” olarak bilinir. Alüvyonal zeminler, ince kumdan iri çakıla kadar geniş bir tane aralığında değişebilir, tabakalıdır ve heterojen bir yapıya sahiptir. Kum ve çakıl temeller, genellikle dolgu ve rezervuardan kaynaklanan yükleri taşıyabilecek yeterlilikte dayanıma sahiptir. Ancak bu durum; uygun araştırma, deney ve analizler ile ortaya konulmalıdır.
Jeolojik oluşum ile ilgili detaylı bilgiler, düşük dayanımlı zonların belirlenmesine yardımcı olabilmektedir. Geçirimli temellerde iki ana problem tanımlanır. Bunlardan birincisi oluşan sızmanın miktarıdır. Diğeri ise sızmaya neden olan kuvvetlerle ilgilidir. Sızma miktarının azaltılması için yapılacak çalışmaların tipi ve kapsamı; barajın amacı, rezervuar kapasitesi ile ilgili dere akış rejimi ve canlı yaşamı ile ilgili su ihtiyacı gibi etkilere bağlı olarak belirlenir. Yeraltındaki sızmadan kaynaklanan su kaybı, bir depolama barajı için işin ekonomisi dikkate alınarak değerlendirilir.
Oysaki aynı durum, tıkama barajı için geçerli değildir. Ancak benimsenen çözümler; sızma suyunun ekonomik değerine bağlı kalmaksızın, borulanmanın neden olacağı hasar ve göçmelere karşı barajın güvenliğini sağlayacak önlemleri kapsamalıdır. Düşük yoğunluktaki kum ve çakıldan oluşan temellerde özel bazı problemlerle karşılaşılabilir. Gevşek yapılı kum ve çakıllar, dinamik yüklerin hareketi altında çökmeye maruz kalır. Bu tip zeminler, statik yüklere destek sağlayabilir, ancak bir vibrasyon veya şok etki altında, tanelerin daha sıkı bir yapıya dönüşmesinden dolayı önemli boyutta oturmalara maruz kalır.
Düşük yoğunluklu kohezyonsuz kumlardan oluşan temel zemini, yapı stabilitesi açısından şüphe arz eder. Bu amaçla, uygun çözümleri belirlemek için özel araştırmalar yapılmalıdır. Gevşek ve kohezyonsuz kum temellerin nispi yoğunluğunun yaklaşık değeri, Standart Penetrasyon Deneyi sonuçlarından belirlenebilir. 30 cm’lik batma derinliği için gereken darbe sayısı, nispi sıkılık ile ilişkilendirilmiştir. Ancak bu ilişki, deney derinliği ve yeraltı suyu seviyesi tarafından etkilenir. Nispi sıkılığı % 50’nin altında bulunan kohezyonsuz kum temeller için, bozulmuş numuneler üzerinde yapılacak üç eksenli basınç deneylerine ihtiyaç vardır. Bu tip zemin numuneleri üzerinde yapılacak çalışmalar, zeminin doğasından kaynaklanan nedenlerden dolayı özenle planlanmalı ve yürütülmelidir (Tosun, 2002).
Temel biriminde oluşacak sızma miktarını tahmin edebilmek için, geçirimli temel zemininin permeabilite katsayısının bilinmesi gereklidir. Bu katsayı; zeminin tane dağılımına, sahip olduğu ince malzeme miktarına ve karışımın sıkılığına bağlıdır. Bu tip zeminlerin permeabilite katsayısının belirlenmesi doğrultusunda genellikle üç ayrı arazi deneyi yapılır.
Arazi Deneyleri
Bunlar; kuyu pompaj, boya izleme ve basınçlı su deneyleridir. Kuyu pompaj deneyinde su, kuyudan sabit bir hızla pompalanır. Pompaj yapılan kuyudan farklı uzaklıklarda ve ışınsal dağılımı bulunan kuyulardan seviye ölçümü yapılarak, yeraltısuyu seviyesindeki gözlemler gerçekleştirilir. Boya izleme deneyinde, bir noktadan enjekte edilen boya veya elektrolit, bir başka kuyudan gözlenir ve gözlem kuyusuna ulaşım hızı belirlenerek permeabilite katsayısı tahmin edilir. Basınçlı su deneyinde, açılmış bir kuyuya dışardan su pompalanır. Aynı deney, bir deneme çukurunda da yapılabilir. Sabit yük altında sızma hızı gözlenir. Arazi deneyleri nispi olarak yüksek maliyete sahiptir.
Ancak bu deneyler daha gerçekçi sonuçlar vermektedir. Boya izleme deneyleri pahalı deneylerdir ve deney sonuçlarını yorumlamak uzmanlık ister. Basınçlı su deneyi ise, küçük barajlar için ekonomiktir. Çünkü bu deneyler araştırma sondajları ile uyum içinde yapılabilir. Ancak sonuçlar, yaklaşık olarak değerlendirilir. Bu deneyin bir başka avantajı ise, değişik tabakalara ait permeabilite katsayılarının kolayca belirlenebilmesidir. Bu arazi deneylerinden başka birçok laboratuvar deneyi yapılarak temel malzemesinin permeabilite katsayısı belirlenir. Bunlar arasında tek eksenli konsolidasyon deneyi, düşen seviyeli permeabilite deneyi ve sabit seviyeli permeabilite deneyi yaygın olarak kullanılmaktadır (USBR,1990).
Temellerin permeabilite katsayılarının belirlenmesine bağlı olarak temel birimde oluşacak sızmanın miktarı, Darcy kanunu kullanılarak hesaplanabilir. Darcy eşitliği ile temel birimindeki sızma miktarının belirlenme hassasiyeti, büyük oranda temel biriminin homojenliğine ve permeabilite katsayısı belirleme yönteminin hassasiyetine bağlıdır. Eğer temel tabakalı ise düşey permeabilite, yatay permeabiliteden oldukça düşük olacaktır ve derin seviyelerdeki geçirgen tabakalar, yeraltındaki sızmanın oluşmasında bütünü ile etkili olmayacaktır. Darcy formülü ile bulunan sızma miktarı, eğer değişik tabakalara ait bir ortalama permeabilite katsayısı değeri kullanılarak bulunmuşsa, daha yararlı sonuçlar vermektedir (USBR,1980).
Eğer temel malzemesi bütünü ile aynı ise rezervuardan bir borulanma veya barajda bir göçme oluşuncaya kadar, akım çizgisi boyunca erozyon gelişebilir. Bu aksiyon çok hızlı olabileceği gibi çok yavaş da gelişebilir. Bazen bu işlem için aylar hatta yıllar gerekebilir. Bu durum, başlangıçtaki borulanmanın daima göçme ile sonuçlanacağını ifade etmemektedir.
Eğer temel üniform değilse, iri taneli malzeme yerinde kalırken ince malzeme uzaklara taşınabilir. Bu durumda stabilite bozulmaz ancak temel daha geçirgen hale gelir. Göçmenin olup olmayacağı veya son stabilitenin sağlanıp sağlanamayacağını belirlemek daima güç bir iştir. Sonuç olarak, borulanmanın oluşmayacağı bir yapının projelendirilmesi tavsiye edilmektedir. Bir başka ifade ile temel zemini içinde borulanma mekanizmasının gelişmeyeceği tasarım ve inşaat önlemlerinin alınması gerekmektedir.
Bütün temel içindeki ve borulanmanın başladığı barajın mansap topuğundaki sızma kuvvetlerinin büyüklüğü, sızma suyuna hareket veren basıncın hidrolik eğimine bağlıdır. Nispi olarak geçirimsiz temeller, genellikle borulanma açısından şüpheli değildir. Çünkü geçirimsiz zemin, sızma kuvvetlerine ve nihayetinde oluşacak deplasmanlara büyük bir direnç gösterir. Bu durum, tane kohezyonundan ve düşük akım hızından kaynaklanmaktadır.
Bir başka ifade ile geçirimli temeller, daha yüksek akım hızına müsaade eden ve sızma kuvvetlerine karşı az direnç gösteren kohezyonsuz malzemelerdir. Borulanma göçmesinin diğer tipi ise içsel erozyondan kaynaklanmaktadır. Bu erozyon, mansap topuğunda başlar ve barajın tabanı boyunca membaya kadar ulaşır. Konduvi duvarları, temeldeki bir tabakalanma düzlemi, bir geçirimli tabaka veya diğer zayıflıklar, yüksek sürtünme kayıpları olmadan sızma konsantrasyonuna müsaade eder ve sızmanın membaya ulaşmasını sağlar. İçsel erozyonun, dispersif yapıya sahip zeminlerde oluşma olasılığı çok daha yüksektir. (Tosun, 1994, 1995 ve 1997)
Kaynama Olayı
“Kaynama” olarak bilinen olay, tipik bir göçme biçimidir. Çıkış hidrolik eğiminin kritik hidrolik eğimden daha büyük olduğu halde oluşur. Bu göçme, genellikle mansap yüzeyindeki örtü tabakası ile ilişkilidir. Bu tabaka, oluşan sızmadan ötürü kaldırma kuvvetlerine maruz kalır. Bu kuvvetler, örtü tabakasını çatlatır ve temel zemininin patlamasına neden olur. Eğer hızdaki nihai artış tabandaki zemini erozyona uğratacak kadar büyük ise bu ilk patlama göçmeye dönüşür.
Temeldeki sızma kuvvetlerinin dağılımı ve büyüklüğü, bir akım ağından elde edilebilir. Akım ağı, akım kanalları ve eşpotansiyel çizgileri ihtiva eden bir grafiksel çözümdür. Matematiksel olarak bazı zorluklar olmasına rağmen bu grafiksel çözümler yaygın olarak kullanılmaktadır. Akım ağı ile sızma basınçlarının ve borulanmaya karşı temel emniyetinin analizi, bazı ciddi sınırlamalara sahiptir. Özellikle temelin tabakalı olduğu ve dren veya kısmi katofların yerleştirildiği temellerde, hassas bir akım ağını oluşturmak üst düzeyde deneyimi gerekli kılmaktadır. Her tabaka ve merceksi yapı için değişik yönlerdeki permeabilite katsayısının bilinmesi gerekmektedir.
Deneyimler göstermiştir ki; temel malzemesinin tane dağılımı ve tane büyüklüğü, borulanma göçmesinin oluşmasında etkilidir ve bu tip göçme, baraj hizmete alındıktan uzun zaman sonra meydana gelmektedir. Borulanmanın neden olduğu çoğu göçmeler, küçük jeolojik süreksizleri takip eden sızma sonucunda oluşmaktadır (USBR,1987 ve Tosun vd. 1999).
Baraj Temellerinde İyileştirme Esasları
Barajlar; alüvyonal kum ve çakıllar, moloz kum ve çakıllar ve hidro-termal yöntemle ayrışarak oluşmuş yüksek geçirimli kayaçlar üzerine inşa edilecekse, temel zemininden oluşacak sızma ve erozyonu kontrol etmek için bazı tasarım önlemlerinin alınması gerekecektir. Yüksek geçirimli temel zemin olarak nitelendirilen alüvyonal zeminler; değişik oluşum biçimlerine sahiptir (Fell vd. 1992).
Genelde bu oluşumlar; temel zemininin düşey permeabiliteye göre daha yüksek yatay permeabiliteye sahip olmasını sağlar. Ülkemizde intrusif magmatik kayaçlarda hidro-termal işlemlerin etkisi, benzer tabakalanma durumlarını ortaya çıkartabilir. Laterittik zemin profillerinde de aynı durumla karşılaşılmaktadır.
Yüksek geçirimli zeminlerin üzerine inşa edilecek barajlarda çözüm; Şekil 1’de ifade edilen tasarım önlemlerinden biri veya birkaçını tatbik etmek suretiyle sağlanabilir. Sızma miktarının azaltılması doğrultusunda memba geçirimsizlik blanketi, bulamaç hendeği ve enjeksiyon perdesi kullanılır.
Baraj ve temel sistemi içindeki drenajın sağlanması doğrultusunda, yatay drenler ve basınç düşürme kuyularının kullanılması önerilmektedir. Stabiliteyi artıcı tasarım önlemleri olarak mansap topuğunda ağırlık palyesi ve dolgu içinde baca dreni kullanımı yaygın olarak dikkate alınır.
Erozyon Kontrolünün Sağlanması
Geçirimli zemin veya geçirimli ayrışmış kayaç üzerinde yer alan bir barajın altındaki sızma, yatay dren ile kontrol edilmektedir. Yatay dren; zon filtresinin bir tek tabakası veya iki ayrı zon filtresinin üç tabakasından oluşabilir. Her iki durumda da ince filtre zonu, temelden dren içine zemin erozyonunu önleyecek şekilde tasarlanmalı ve filtre tasarım kriterleri sağlanmalıdır (Tosun, 1993).
Üç Tabakalı Dren
Üç tabakalı dren; yüksek permeabiliteli zonu içine almalıdır. Ancak bu şekilde dren yeterli boşaltma kapasitesine sahip olabilecektir. Bu konumda en iyi uygulama; baraj temelinden ve düşey drenden gelen akımı boşaltacak yeterli kapasitede yatay dren projelendirmektir. Yatay dren ile boşaltılan suyun, dren üzerindeki düşük permeabiliteli dolgu içinde yükselmesine müsaade edilmemelidir.
Bir başka ifade ile akım üst çizgisi yatay dren içinde kalmalıdır. Eğer yatay dren yeterli kapasiteye sahip değilse, akım üst çizgisi mansaptaki düşük permeabiliteli dolguya ulaşarak mansap şevinin stabilitesini azaltacak ve aynı zamanda potansiyel olarak mansap dolgusunda borulanma göçmesi oluşmasına neden olabilecektir. Benzer dren kapasite eksikliği; barajların geçirimli kayaç temeller üzerine inşa edilmesi durumunda da görülebilir. Aynı durum aşırı ince ihtiva eden dolgu malzemesinin, mansap zon malzemesi olarak kullanıldığında da meydana gelmektedir.
Cedergren (1972); basınçsız çalışan bir yatay drenin boşaltma kapasitesinin tahmini için bir tasarım yöntemi önermiştir. Düşey drenin kapasitesi, nadir olarak kritik durumda bulunmaktadır. Çünkü toprak dolgu baraj içinden oluşan sızmanın miktarı oldukça düşüktür. Bu nedenle, düşey drenin genişliği, inşaat yöntemi dikkate alınarak değerlendirilir. Ancak yine de kapasitelerin hesaplanması uygun olur (Fell vd. 1992).
Dikkate alınması gerekli diğer bir husus; toprak çekirdeğin, katof çukuru mansabındaki geçirimli zemin içine oluşacak muhtemel erozyonudur. Bu durum, alüvyon zeminler içinde kum ve çakıl tabakaların olması veya açık fisürlerin ve boşlukların bulunması durumunda oluşacaktır. Aynı durum soğuma çatlaklı volkanik kayaçlar, pyroklastik zeminler veya açık çatlaklı kayada kazılmış katof çukurları içinde de gelişebilir. Bu durumda oluşacak erozyon; genellikle toprak dolgu ve temel arasında bir filtre zonunun yerleştirilmesi ile önlenebilir.
Açık süreksizliklerin yer aldığı temellerde, bu zonlara beton dökülmesi de gerekebilir. Geçirimli temel zemini üzerine yerleştirilmiş yatay dren, alttaki sızmanın kontrolü için de kullanılabilir. Bunun için Şekil 2’de gösterildiği gibi geçirimli zemin üzerinde yer alan geçirimsiz zemin kaldırılmalı ve daha sonra yatay dren yerleştirilmelidir.
Stabiliteyi Artırıcı Önlemler
Eğer alüvyon üzerindeki barajların mansap topuğunda oldukça yüksek hidrolik eğimde sızma oluşacaksa, temel patlaması, kaynaması veya sıvılaşması oluşur ve bu oluşumlara bağlı olarak temel zemin göçmesi, kayma dayanımı kaybı ve borulanma göçmesi gibi sonuçlar ortaya çıkar.
Temeldeki yüksek boşluk suyu basıncı; efektif gerilmenin sıfır olduğu durumda kaynama yaratır. Bu esasta hesaplanan temel kaynamasına karşı güvenlik sayısının; göçme işlemi sırasına ve tahmin edilen basınçların belirsizlik derecesine uyumlu olması beklenir. Ancak boşluk suyu basınçları dikkate alınarak yapılan hesaplarda güvenlik sayısı en az 1.5 olmalıdır. Güvenlik sayısını tahmin etmenin alternatif bir yöntemi, akım ağından çıkış hidrolik eğiminin belirlenmesidir. Gereken güvenlik sayısı, kritik hidrolik eğimin gerçek hidrolik eğime bölünmesi ile bulunur. Fell vd.(1992) bu güvenlik sayısının en az 3 olması gerektiğini ifade etmişlerdir.
Hesaplanan veya piezometreden bulunan boşluk suyu basıncı değerinin oldukça yüksek olduğu durumda, güvenlik sayısı; bir ağırlık palyesi inşa edilmesi veya bir basınç düşürme kuyusu açılması suretiyle artırılabilir. Ağırlık palyesi düşey gerilme artırılması ve basınç düşürme kuyusu da boşluk suyu basıncının azaltılması suretiyle etkili olur. Önemi projelerde her iki çözümde birlikte kullanılabilir.
Bir barajın topuğuna yakın oluşan boşluk suyu basınçlarının tahmin edilmesi oldukça zordur. Çünkü boşluk suyu basınçlarının oluşmasında permeabilitedeki yerel değişimler de büyük oranda etkili olmaktadır. Bu nedenle daha emniyetli davranmak ve varsayılan değerleri piezometrik ölçümlerle kontrol etmek uygun olur. Bu nedenle, serbest drenajlı palye çok etkili bir çözümdür. Basınç düşürme kuyuları, en büyük yararı sağlamaktadır. En az etki ise kuyu ara yerlerinden elde edilecektir. Tasarımda kuyu orta yerindeki boşluk basınçlarının dikkate alınması uygundur. Kuyu verimliliğinin kontrolü için piezometrelerin gerekli olduğu unutulmamalıdır.
YAPIM AŞAMASINDA İNŞAAT ÖNLEMLERİ
Bir dolgu baraj altından oluşacak sızmanın kontrolü için, katof hendekleri, paplanj perdeler, yerinde dökülen beton kazık perdeler, bulamaç hendekleri, enjeksiyon perdeleri ve geçirimsiz malzeme blanketi gibi değişik yöntemler dikkate alınabilir. Sızma kuvvetlerinin kontrol edilmesi ve akımın azaltılması doğrultusunda yukarıda bahsedilen yöntemler, tek başına veya birkaçı bir arada kullanılabilir. Powell ve Morgenstern (1985) farklı katof elemanları için sağlanabilen permeabilite katsayısı aralıklarını tanımlamıştır (Şekil 3).
Bu yöntemler, farklı zeminler için farklı etkinlik derecesinde kullanılır. Geçirimsiz malzeme blanketi; baraj memba topuğundan rezervuara doğru genişlemekte, muhtemelen yamaçların tamamını veya bir parçasını kaplamakta ve çoğunlukla aynı amaç için kullanılmaktadır. Yatay drenaj blanketleri, bir barajın mansap topuğunda yer alır.
Bu blanketlerin temel kullanım amacı, serbest akımı sağlayarak temel yapısında hasara ve ince zemin tanelerinin kaybına neden olmadan basınç sönümlenmesine izin vermektir. Drenaj amaçlı olarak kullanılan basınç düşürme kuyuları, su basınçlarının, memba topuğuna intikal etmesinden önce geçirimli tabakalarda veya temeldeki daha derin zonlarda sönümlenmesi için kullanılır.
Permeabiliteye ve Derinliğe Bağlı Değişim
Yukarıda belirtilen farklı önlemlerin etkinlik dereceleri; permeabiliteye ve derinliğe bağlı olarak değişmektedir. Fell vd. (1992), katof derinliğinin geçirimli tabakanın % 90’ı oranında olması durumunda dahi önemli bir iyileştirmenin olmadığını ifade etmiştir. Yalnızca katofun bütünüyle pozitif olarak oluşturulduğu ve düşük permeabilitedeki zona uygun olarak bağlandığı durumda sızma basıncı kontrol edilebilmektedir. Kısmi katof yapıların verimliliği, temelde yer alan düşük ve yüksek permeabiliteli zeminlerin tabakalanmasına bağlıdır.
Eğer temel birimleri içinde süreksizlik arz eden düşük permeabiliteli tabakalar mevcut ise kısmi katofların verimli olduğu belirtilmektedir. Ancak pozitif katof yapısının olmadığı durumda düşük permeabiliteli ortam (temelin geçirimliliğinden 10 ile 100 kat daha az geçirimsiz) sağlanmaya çalışılırsa, bu uygulama sızma miktarının azaltılmasında ve çıkış hidrolik eğiminin düşürülmesinde çok az fayda sağlamaktadır (Fell vd. 1992).
Katof Hendekleri
Baraj altındaki geçirimli zeminin derinliği nispi olarak az ise etkili bir katofun oluşturulması, geçirimli tabaka içinde bir hendeğin kazılması ve geçirimsiz zon malzemesi ile geri doldurulması şeklinde sağlanır. Eğer zemin içinde nispi olarak düşük permeabiliteli tabakalar mevcut ise katof hendeği ana kayaya ulaşmadan bu tabakada bırakılabilir. USBR (1987), katof inşasının uygulanabilirliği ve ekonomisini, katof inşası için yeraltısuyu seviyesini düşürmenin gerekli olup olmadığına, diğer yöntemlerle katof inşa etmek için gerekli ekipmanın mevcudiyetine ve inşaat esnasında hendek şevlerinin stabilitesine bağlı olduğunu ifade etmiştir.
Bir geçirimli temelde oluşan sızma; ekonomik olarak mümkün ise anakayaya veya diğer geçirimsiz tabakaya kadar ulaşan bir hendek ile kesilmelidir. Sızma miktarının kontrolü bu şekilde etkili olarak sağlanabilecektir. Ayrıca temel zemininde, özellikle mansap topuğunda oluşacak kaldırma basınçlarından kaynaklanacak bir borulanma göçmesinin oluşma olasılığı önlenmiş olacaktır. Çoğu durumda katof hendeği için 10 m’den küçük derinlik ekonomik gözükmektedir. Bu derinliğin ilerisinde balçık hendeği ve diğer duvar katofları, daha ekonomik olmaktadır. Eğer geçirimli zemindeki yeraltısuyu seviyesinin düşürülmesi gerekli ise bu işleme hendek dolgusu yapılırken de devam edilmelidir. Klasik Darcy denklemine göre sızma miktarı, temelin kesit alanı ile doğru orantılıdır. Kısmi katofun davranışı, bir borudaki tıkanma işlemi ile aynıdır.
Tıkamanın neden olduğu yük kaybından dolayı akım azalacaktır, ancak akımdaki azalma, boru alanındaki azalma ile doğru orantılı değildir. Katofun geçirimsiz tabakaya % 50 yaklaşması ile sızma yalnızca % 25 oranında azaltılmaktadır. Katof derinliğinin % 80 oranında sağlanması halinde ise, sızmanın % 50 oranında azaldığı yapılan deneysel çalışmalar ile görülmüştür (USBR, 1987).
Kısmi Katof Hendekleri
Bu hendekler tabakalı temeldeki daha geçirimli biriminin kesilmesi ile etkili olabilir. Yoğun yeraltı araştırmaları yapılmadan ve geçirimsiz tabakaların sürekli olduğundan emin olmadan, kısmi katof hendeklerinin yapılmasına karar verilmemelidir. Geçirimli temeller; aynı zamanda alttaki ve üstteki geçirimsiz tabakalar arasında bir sandviç gibi sıkışmış olabilir ve dikkate değer kalınlığa sahip geçirimsiz temel tabakasını ihtiva edebilir.
Bu durumda kısmi katof uygulaması, yalnızca üstteki geçirimli tabakayı tıkayacaktır. Eğer geçirimsiz tabakanın ve üstteki geçirimli tabakaların toplam kalınlığı; mansap topuğuna yakın bölgede alttaki geçirimli tabakalarda oluşan sızma basınçlarına karşı yeterli dirence sahip ise problem oluşmadan mansap topuğunda stabilite sağlanacaktır.
Düşük permeabiliteye sahip bir malzeme ile oluşturulan katof hendeği çok iyi sonuçlar verebilir. Dolgu malzemesi olarak düşük plastisiteli killi silttin kullanılmamasına özen gösterilmelidir. Bu hendekte sıkıştırılmış bir killi dolgu için permeabilite katsayısının 10-6 – 10-7 cm/s’lik bir değere sahip olması beklenir. Ayrıca temel zemini ile katof kontağın uygun şekilde oluşturulması gerekmektedir. Kayaç temellerde, eğer gerekiyorsa hendek tabanından enjeksiyon yapılabilir.
Palplanş Katoflar
Baraj altındaki geçirimli zemin içinde ince çelik elemanlarla bir geçirimsizlik perdesi oluşturulabilir. Paplanş katofu olarak bilinen bu uygulama; nispeten olarak yüksek maliyet arz etmekte olup bağımsız panelleri arasından kaçak oluşması gibi dezavantajlara sahiptir. Buna rağmen, bu yöntem katof derinliğini artırmak için kısmi katof hendekleri ile birlikte kullanılmaktadır.
Palplanş, çakma işlemi esnasında büyük gerilmelere maruz kaldığından çelik malzemeden oluşturulur. Bu tip katofların uygulaması, pratik olarak silt, kum ve ince çakıl tipi temel zeminleri ile sınırlandırılmalıdır. İri çakıl ve bloğun bulunduğu, malzemenin oldukça sıkı olduğu koşullarda, kesme ve çakma işlemi zor olabilir ve maliyet oldukça yükselir. Bu şekilde etkili bir katofun elde edilebileceği hususunda hala şüpheler bulunmaktadır. Çünkü çakma esnasında birleşim yerlerinde kopma oluşması ve çeliğin yorulması ihtimal dahilindedir. Eğer temel çakıl ihtiva ediyorsa, kuvvetli bağlantıları yapılmış ağır yapısal kesitlerin kullanılmasına özen gösterilmelidir.
Palplanş Perdeyi Çakma İşlemi
Palplanş perdeyi çakmak pratik değildir. İyi zemin koşulları altında, birleşim yerlerindeki tıkamalar için özel madde kullanıldığında ve geçirimsiz temel ile plakanın çok iyi temasının sağlandığı durumda palplanş, sızmayı önlemek doğrultusunda ancak % 80-90 oranında etkili olmaktadır. Kötü işçilikte veya palplanş geçirimsiz tabaka içine yerleştirilmemişse, bu yöntem % 50’den daha fazla etkili olmayacaktır ve belki de çok daha düşük oranda verim sağlayabilecektir (USBR,1987).
Yerinde Dökülen Beton Kazık Perdeler
Geçirimli temellerde katof oluşturmanın bir başka yolu ise çimento enjeksiyonlu kazık perde uygulamasıdır. Perde, birbiri üzerine yeterince bindirilmiş yerinde dökülen kazıklar şeklinde inşa edilir. Her kazık, zemin ile karışmış halde çimento harcından (zemin-çimento karışımı) oluşur. Bu tip kazıklar bir düşey dönen delikli şaft içinden harç enjeksiyonu basılması ile gerçekleştirilir.
Uygulamada önce çalışma başlığı ile zemin gevşetilir sonra harç enjekte edilir. Yapılan çalışmalar bu uygulamanın en düşük 40 cm en fazla 20 m derinlikte yapılabildiğini göstermiştir. Bu yöntemle katof oluşturulması silt, kum ve çakıl ihtiva eden zemin tipleri için önerilmiştir. Ancak bu yöntem, killi malzemeler için önerilmemektedir ve çakıl, blok gibi iri temel malzeme için yeterli değildir (USBR, 1987).
Jet-grout Yöntem
Yerinde dökülen kesişen kazık şeklinde inşa edilen perdeler, jet-grout yöntemi ile de yapılabilmektedir. Bu yöntemle oluşturulan perdelerin sürekliliğinin sağlanmasında problem vardır ve perdede cep oluşma ihtimali oldukça yüksektir. Bu nedenle, bu yöntemin bir baraj için güvenirliği noktasına hala tereddütler mevcuttur.
Ülkemizde toprak dolgu baraj için yerinde dökülen kesişen kazıklarla oluşturulmuş perde uygulamasından biri, DSİ XVII. Bölge Müdürlüğü sınırları içinde yer alan ve Zilan çayı üzerinde inşa edilen 73.5 m yükseklikte ve zonlu toprak dolgu tipindeki Koçköprü Barajı’nda yapılmıştır. Baraj temel zemininin çok değişken özelikler göstermesi ve inşaat aşamasında özellikle derivasyon tünelinde yaşanan problemler, sonradan proje revizyonlarının yapılmasına neden olmuştur.
Baraj Temel Zemini ve Alüvyon
Baraj temel zemini, gençten yaşlıya doğru alüvyon, volkanik kayaçlar (bazalt ve pillov lav) ve kiltaşından oluşmaktadır. Alüvyon ve volkanik kayaçların geçirimli olması ve alttaki kiltaşının yer yer geçirimli kum ve silt bantlarını ihtiva etmesi; temel zemininde etkili bir katofun oluşturulması kararında etkili olmuştur.
Bu amaçla, derivasyon tüneli göçmesinden sonra pillov lav içinde baraj kret eksenine paralel bir onarım tüneli açılmış ve bu tünel içinden kiltaşını kesecek ve alttaki bazalt tabakasına ulaşacak şekilde kesişen beton kazıklardan oluşan bir perde imal edilmiştir (Taşkın vd. 1992 ve Yıldız, 1993). Bu uygulama, aynı zamanda diyafram duvar şekilde de değerlendirilmektedir.
Enjeksiyon Perdesi
Stabiliteyi geliştirmek ve geçirimli temelin geçirimsizliğini sağlamak amacı ile değişik malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzeme, boşlukların doldurulması ve taneler arasında bağlayıcılığının sağlanması için derin seviyelere enjekte edilir. Enjekte edilen bu malzemeler arasında; çimento, asfalt, kil ve değişik kimyasal maddeler bulunmaktadır.
Çimento enjeksiyonu, çimento tanesinden daha büyük tane çapına sahip olan malzemede başarı ile kullanılabilmektedir. Ancak çimento veya çimentokil enjeksiyonu, iri alüvyonal malzemede birkaç kez uygulanması halinde başarılı olabilmektedir. Asfalt enjeksiyonu tane çapı ile sınırlıdır. Kil enjeksiyonunun başarısına şüphe ile bakılmaktadır. Çünkü kil taneleri sızım kuvvetleri tarafından kolayca uzaklara taşınabilmektedir.
Kimyasal enjeksiyon su ile aynı viskoziteye sahiptir ve geçirimli zeminlere enjekte edilebilir. Ancak kimyasal enjeksiyon yönteminin geçirimli örtü temellerinin enjeksiyonunda kullanımı, oldukça yüksek maliyet arz etmektedir. Enjeksiyon perdesi uygulaması ülkemizde yaygın olarak benimsenmiş olup bu yöntemin kendine has bir pratiği oluşmuştur (Tosun, 2000).
Bulamaç Hendeği
Alüvyonal vadilerde, su tablası altında veya derin katofun kazılacağı baraj temellerinde en etkili yöntem, bulamaç hendeğinin oluşturulmasıdır. Bu teknik, petrol sanayinde kullanılan sondaj açım yöntemlerinden dönüştürülmüştür. Bulamaç hendeği yöntemi, kazı işlemi esnasında hendek duvarlarını tutmak ve desteklemek için su-bentonit bulamacını kullanır. Bir bulamaç hendeği için inşaat işlemleri, Şekil 4’de verilmektedir.
Düşey Kenarlı Hendekler
Bu hendekler, genellikle bir kovalı ekskavatör, çeneli ekskavatör, kepçe ekskavatör ve hendek kazma makinası ile oluşturulabilmekte ve kazı genişliği genellikle 1-3 m arasında yer almaktadır. Ancak en büyük kazı derinliği kullanılan makine cinsine göre değişmektedir. Uluslararası Büyük Barajlar Komitesi, farklı ekipmanlar için pratik olan en büyük kazı derinliklerini önermiştir (ICOLD,1985).
Malzemenin kazılması ile birlikte, bentonit karışımı hendek içine pompalanır. Bu işlemlerde bentonit bulamacının, sabit bir seviyede yapılması ve yeraltısuyu seviyesinin üstünde olması, önemle dikkate alınması gerekli hususları oluşturmaktadır. Balçık hendeği kazıldıktan, bulamaçla hendek duvarlarının stabilitesi sağlandıktan ve gerekli temizlik işlemleri yapıldıktan sonra, hendeğin esas fonksiyonunu sağlamak için geri dolgu uygulamasına geçilir. Bulamaç hendeği geri dolgusu için, zeminbentonit ve çimento-bentonit olmak üzere iki ayrı karışım kullanılabilir. Hendek kazısı için hazırlanacak bentonit-su bulamacı birkaç işlevi yerine getirmek için projelendirilir.
Bu yöntemle, bir filtre pastasının oluşumu sağlanarak temeldeki sızma önlenir, kazı esnasında kil, silt ve ince-orta büyüklükteki kum parçacıkları taşınır veya askıda tutulur ve kazı aynalarına hidrostatik basınç uygulanır. Bu işlevler projede dikkate alınmaktadır. Uygulanan karışımın yoğunluk, viskozite, kayma dayanımı, filtrasyon kaybı, kum muhtevası ve pH derecesi gibi özelikleri ölçülerek kontrol edilir.
ICOLD (1985)’e göre, geri dolgu normal olarak ağırlıkça % 5 ile 15 arasında bentonit ihtiva etmeli ve Marsh hunisi yöntemiyle bulunan viskozitesi 40 saniyeden büyük olmalıdır. Karışımda boyutları 0.02 mm ile 30 mm arasında yer alan iyi derecelenmiş kum ullanılmalıdır. Karışımın standart koni çökme değeri, 100-200 mm arasında bulunmalıdır.
Deneysel çalışmalar, arazideki doğal killerin de bentonit yerine kullanılabileceğini göstermiştir. Düşük permeabiliteyi sağlamak için 0.05 mm’den küçük silt ve kil boyutundaki malzemenin oranı, en az % 10 olmalıdır (Fell vd.1992). Geri dolgu, kazılmış dolgu içinde kil ve silt topakları ile çakıl cepleri oluşmasının engellenebilmesi doğrultusunda uygun işleme tabi tutulduktan sonra, bentonit şerbeti ile karıştırılır. Karıştırma işlemi aynı ekipman içinde yapılabileceği gibi bu amaçla tercihen bir beton mikseri de kullanılabilir. Geri dolgu, bir buldozer ile yavaş yavaş yerleştirilir. Bu dolgu şevinin, 6:1 ve 8:1 (yatay: düşey) arasında olmasına dikkat edilir. Geri dolguya başlamak için ilk şev, bir çeneli kepçe kullanılarak oluşturulur. Bu şekilde yapılacak bir uygulama tane ayrışmasını da önleyecektir.
Hendek tabanında uygun temizlemenin yapılabilmesi için kazı aynası ile geri dolgu arasında 15-45 m arasında bir mesafe gereklidir. Dolguyu sıkıştırmak veya yoğunluğunu artırmak için herhangi bir işlemin yapılması gerekli değildir. Bazı durumlarda, sızma akımı altında tabanda oluşacak erozyonu önlemek için hendek tabanına 0.6- 0.9 m kalınlığında beton dökülebilir. Hendek üst bölümünün kuruması, toprak dolgu yerleştirilmesi ile önlenebilir. Katof hendeklerinde oluşan oturmaların, derinliği 15-25 m arasında olan hendekler için 25-150 mm arasında değiştiği gözlenmiştir. En az oturma, dar hendeklerde gözlenmiş ve oturmalar ağırlıklı olarak ilk altı ay içinde meydana gelmiştir(Fell vd.1992).
Türkiye’de bulamaç hendeği uygulaması, ilk defa DSİ VI. Bölge Müdürlüğü sınırları içinde kalan Aslantaş Barajı ve HES tesisleri inşaatında yapılmıştır. Zonlu toprak dolgu tipinde inşa edilen baraj, temelden 95 m yüksekliğe sahiptir. Baraj temel zemini değişik karakteristiklere sahip alüvyondan oluşmaktadır. Alüvyon; derin seviyelerde kum ve çakıl birikintilerini, yüzeye yakın seviyelerde ise kalınlığı yer yer 4 m’ye ulaşabilen silt ve ince kum merceklerini ihtiva etmektedir.
Bu baraj yerinde bulamaç hendeği yöntemi, nehir suyunun sürekli etkisinde kalan memba ve mansap batardolarında, dolusavak düşüm havuzu çevresinde, çevirme tünelleri çıkışında ve santral binası çevresinde uygulanmıştır. Bu yöntem ile baraj yerinde derinliği 18.5 m’yi bulan 18807 m² perde inşa edilmiştir (Karaoğullarından,1982). Panel boyları, perde inşaatı sırasında kazılan alüvyon zeminin özeliklerine göre belirlenmiştir. Derinliği 15-20 m arasında olan homojen alüvyon zemin için panel boyları 5.30 m seçilmiştir.
Kazılan hendeklerin stabilitesini sağlamak amacıyla bentonit çamuru (1000 lt su ve 60 bentonit) ve perdenin geçirimsizliğini sağlamak amacıyla da bentonit çamurundan daha yoğun bulamaç (1 m³ için 900 lt su, 240 kg çimento ve 55 kg bentonit) kullanılmıştır. DSİ XXI.Bölge sınırları içinde yer alan ve halen inşaatı devam eden 162 m yükseklikte ve kaya dolgu tipinde tasarlanan Akköprü Barajı memba ve mansap batardoları altında bu tip uygulama gerçekleştirilmiştir. Uygulamada perde derinliği en fazla 43 m olmuş ve toplam 240 m perde inşa edilmiştir (Ünal, 2001).
Diyafram Duvarlar
Diyafram duvarlar, sürekli paneller halinde ve çimento-bentonit balçığı desteği sağlanarak inşa edilir. Kullanılan balçık, hendek içinde bırakılır ve düşük bir dayanım alacak şekilde kürü sağlanır. Bu şekilde oluşturulacak yapı, düşük permeabiliteli ve sıkışabilir özelliklere sahiptir. Paneller, belli bir sıra ile kazılır. İkinci panel, birinci panellerdeki balçık aşırı sertleşmeden önce, ancak yeterince kendini tutabilecek konuma ulaştıktan sonra kazılmalıdır.
Bu yöntemde hendek genişliği 0.5-1.5 m arasında yer alır. Ancak ekonomik çözüm için dar hendek genişlikleri tercih edilir. Kazı, kapanan kepçelerle veya çeneli ekskavatörlerle gerçekleştirilir. Diyafram duvar derinliği ile ilgili herhangi bir sınırlama olmamasına rağmen, bu duvarların en az 50 m derinliğe kadar inşa edilebileceği vurgulanmıştır. Uluslar arası Büyük Barajlar Komitesi (ICOLD,1985); diyafram duvar inşasında kullanılacak çimento-bentonit karışımında birim hacim için (1 m³) 80-350 kg çimento ve 30-50 kg bentonitin kullanılabileceğini belirtmiş ve karışımda % 15-20 çimento, % 2-4 bentonit ve % 5-10 kum-çakıl kullanılmasını önermiştir. Karışımlarda ağırlıkça su/çimento oranının cüruf katkılı çimento için 4:1 – 10:1 ve Portland çimentosu için 3.3:1 – 5:1 aralıklarının seçilmesinin uygun olacağı belirtilmiştir.
Cüruf katkılı çimento, boşluk suyunda yer alan aşındırma etkisine karşı büyük bir dirence sahip olduğundan özel durumlarda tercih edilmektedir. Alternatif olarak çimento ağırlığının yüzdesi olarak (% 10’dan başlayan oranda) uçucu kül ilavesi de bu direnci artırmaktadır. Betonla mukayese edildiği zaman çimento-bentonit karışımlarının, genel olarak daha düşük dayanıma sahip olduğu görülür. ICOLD (1985)’e göre, bu karışımların tek eksenli basınç dayanımı 28 gün için 100 kPa ve 90 gün için 150 kPa civarındadır.
Karışım dayanımlarının, su-çimento oranı ve çimento tipi ile etkilendiği belirtilmelidir. Bu karışım dolgu inşasından kaynaklanan oturmalara uyum sağlayabilecek ölçüde plastik deformasyonu da karşılayabilmelidir.
Şekil 5’de, bir diyafram duvar inşasında takip edilen aşamalar gösterilmektedir. Panel duvarları bentonit balçığı ile desteklenir. Duvar betonunun veya çimento-bentonit karışımının hendek içine yerleştirilmesinde, tremi borusu kullanılır. Panelin kalıcı malzemesi, çimento-bentonit karışımından (plastik betondan) oluşmaktadır.
Her panelin sonu, bir çelik tüp ile desteklenir. Bu boru, kazı makinası için klavuz vazifesi görür. Bir başka ifade ile duvar düzleminde oluşacak muhtemel bir kaymanın oluşmasını önler. Boru, betonun başlangıç prizi sağlandıktan sonra çekilir. Çelik boru, hendek ile aynı çapa sahip olmalıdır. Hendek genişliği, duvar derinliğine bağlı olarak değişmektedir. Genellikle 30 m derinliğe kadar, hendek genişliği 0.6 m alınmaktadır.
Bu genişlik, 50 m civarında derinliğe sahip duvarlar için 1.2 m’ye kadar ulaşabilmektedir. Bu tipteki duvarların düşey yöndeki toleransının 1/100 ile 1/200 arasında olabileceği, hatta bazı örnekler için bu oranın 1/500 alınması gerektiği belirtilmiştir (Xanthakos, 1979).
Duvarlar ve Su Yükünün Etkisi
Duvarlar, yapı inşaatında kullandığımız klasik beton ile inşa edilebilir. Ancak bu beton, baraj uygulamaları için oldukça rijittir. Duvar etrafındaki zemin kütlesinin, inşaat esnasında sıkışmasıyla ki baraj dolduktan sonra oluşan su yükünün de bu oluşumda etkisi vardır- ilave yükleme olacak ve duvar yüzeyinde negatif sürtünme kuvvetleri ortaya çıkacaktır. Bu durum, duvarda kırılmalara ve duvarın dolgu içine batmasına neden olmaktadır. Çoğu baraj uygulamalarında, bentonit ilave edilmesiyle oluşan plastik beton geri dolgusunun kullanılması tercih edilmiştir.
ICOLD (1985), duvarın elastisite modülünün zeminin aynı değeri ile ilişkilendirilmesinin ve (Eduvar≤5 Ezemin) şartının sağlanmasının uygun olacağını önermiştir. Ayrıca oluşacak malzemenin göçme birim deformasyonu oldukça yüksek olmalıdır. Tek eksenli basınç dayanımının yüksek olması arzu edilmemektedir.
Plastik betonun tek eksenli basınç dayanımı değerinin 1-2 MPa arasında olmasının uygun olacağı ifade edilmiştir. Ülkemizde dolgu baraj temel zemininde inşa edilen diyafram duvarların tipik bir uygulaması, DSİ II.Bölge Müdürlüğü sınırları içinde yer alan Tahtalı Barajı’nda yapılmıştır. Baraj, İzmir şehrinin içmesuyu ihtiyacını karşılamak amacıyla 54.5 m yükseklikte ve merkez kil çekirdekli kaya dolgu tipinde inşa edilmiştir. Baraj temelinde yaklaşık 50 m kalınlığında yüksek geçirimli alüvyon zemin ile geçirimsiz metamorfik şist kayaç yer almaktadır.
Temel zemininde geçirimsizliğinin sağlanması amacıyla, çekirdek altında 10 m aralıkta iki adet diyafram perde duvar oluşturulmuştur. Tahtalı Barajı katof yapısını oluşturan panel duvarların sta bilitesini sağlamak amacıyla kullanılan balçık, 1 m³ su ile 60-80 kg ağırlığında bentonit karışımından oluşturulmuştur. Perde duvarı betonunda, 1 m³ için 45.1 kg bentonit, 563.3 kg su, 187.8 kg çimento ve 985.7 kg mineral katkı kullanılmıştır. Bir panel kazısı yapıldıktan sonra en geç 12 saat içinde beton dökülmüştür. Bu uygulama, daha sonraki yıllarda “düşük dayanımlı perde” olarak da adlandırılmıştır (Turfan ve Tatlıdil, 1992).
SONUÇ VE ÖNERİLER
Bir baraj için arazi çalışmaları, yerel ve bölgesel jeolojik ortamın iyi bilinmesi yönünde olmalı ve bu bölgede inşa edilecek baraj ve göl alanı temel birimi ile ilgili tüm soruları cevaplayabilecek kapsamda yapılmalıdır. Baraj yeri ve rezervuar alanında yapılacak bu tip çalışmalar, görevli geoteknik mühendisi tarafından tüm bilinmeyenleri ortaya koyacak ve açıklayacak şekilde yönlendirilmelidir.
Bu amaçla, çalışma alanında karşılaşılan her tip malzeme için olası problemler sıralanmalı ve bu problemler soru şeklinde ifade edilerek sistematik bir sorgulama yapılmalıdır. Planlamacılar ve özellikle projeciler, bu geoteknik sorgulamanın mutlaka yapıldığını gördükten ve tatmin olduktan sonra çalışmalarını sürdürmelidirler. Taneli zeminlerden numune alma zorluğu bulunmaktadır. Bu tip zeminlerde, ancak özel bazı teknikler ile işlem yapılabilmektedir. Ülkemizde bu teknikler henüz kullanılmamaktadır. Gevşek taneli zeminlerin kayma dayanımının projelendirme öncesinde bilinmesinde fayda vardır.
Bunun için gevşek konumdaki bu tip zeminler için öncelikle izafi sıkılık değerleri belirlenmeli ve bu belirlenen değerler esasında hazırlanan numuneler üzerinde kayma dayanımı deneyleri, özellikle üç eksenli basınç deneyleri yapılmalıdır. Bu husus, bağlayıcı bir hüküm olarak mutlak suretle genel teknik şartnamede yer almaktadır.
Geçirimli Temel Zemini
Baraj mühendisliğinde geçirimli temel zemini, genellikle alüvyon olarak tanımlanmaktadır. Halbuki bu malzemenin taşkın ovası depoziti, delta, lakustrin, sebka gibi değişik oluşum biçimleri vardır. Temel zeminde yer alan alüvyonal malzeme, son projelendirme öncesi yapılacak geoteknik çalışmalarda ayırt edilmeli ve bu zeminler için olası problemler ortaya konularak çözümler önerilmelidir. Sonradan çözümü oldukça zor sorunlar yaratan rüzgar depoziti için de aynı çalışmalar yapılmalıdır.
KAYNAKLAR
Cedergren, H.R. (1972) “Seepage Control in Earth Dams”
in Embankment Dam Engineering, Casagrande
Volume (edited by R.C. Hiscshfeld and S.J. Poulos),
Wiley.
Fell, R., Macgregor, P. and Staplan, D. (1992) “Geotechnical
Engineering of Embakment Dams” Balkema, 675 p.
ICOLD, (1985) “Filling Materials for Watertight Cutoff
Walls” International Commission on Large dams,
Bulletin 51.
Karaoğullarından,T. (1982) “Aslantaş Baraj ve HES İnşaatı
Alüvyonunlarında Slurry-Trech Uygulaması” Devlet
Su İşleri Genel Müdürlüğü, Barajlar ve HES Dairesi
Başkanlığı, Ankara, 44s.
Powell, J.J.M and Morgenstren, N.R. (1985), “The Use
and Performance of Seepage Prediction Measures” in
Seepage and Leakage from Dams and Impoundments
(edited by R.L. Volpe and W.E. Kelly) ASCE.
Shroff, A.V. and Shah, D.L. (1993) “Grouting Technology
in Tunneling and Dam Construction” Balkema, 604 p.
Taşkın,İ., Bilgi,V., Varol,T. and Orhon, M. (1992)
“Intersecting Pile System for Difficult Foundations at
Koçköprü Dam” Water Power and Dam Construction,
V.44.No.1, 18-20.
Tosun, H. (1993) “Dolgu Barajlar için Filtre Kriterleri
ve Yeni Bir Filtre Deneyi” Dolgu Barajlar Yönünden
Zemin Mekaniği Problemleri Sempozyumu, DSİ Genel
Müdürlüğü, 20-25 Eylül, Gümüldür-İzmir, 521-535.
Tosun, H. (1994) “Dispersif Killer ve Toprak Dolgu Barajlar
Açısından Önemi” DSİ Teknik Bülteni, sayı:80, 51-60.
Tosun, H. (1995) “Importance of Dispersive Soils for
Earthfill Dams and a Research on Control Tests
Adopted in Turkey” Symposium on Research and
Development in the Field of Dams, 7-9 September,
Crass-Montana, Switzerland, 133-144.
Tosun, H. (1997) “Comparative Study on Physical Tests of
Dispersibility of Soils Used for Earthfill Dams in Turkey”
ASTM Geotechnical Testing Journal, GTSODS, Vol.20,
No.2, 242-251.
Tosun, H., Zorluer,I., Savaş,H., Taşkıran,Ö., Demirkol,H.
ve Kar, A. (1999) “Temel Sorunlarından Oluşan Baraj
Göçmeleri” Osmangazi Üniversitesi, Geoteknik
Yayınları Serisi:99/1, Eskişehir, 95 s.
Tosun, H. (2000) “Dolgu Barajlarda Enjeksiyon Perdesi
Tasarım Esasları ve Türkiye Pratiği” Zemin Mekaniği
ve Temel Mühendisliği Sekizinci Ulusal Kongresi, 26-
27 ekim, İTÜ, İstanbul.
Tosun, H. (2002) “Dolgu Baraj Depremselliği ve Tasarım
Esasları” DSİ Genel Müdürlüğü, Ankara, 208 s.
Turfan, M. and Tatlıdil, A. (1991) “Low Strength Concrete
Curtain Application at Tahtalı Dam” International 17th
Congress on Large Dams: V.3 .Q66, Vienne, 1017-
1033.
USBR, (1980) “Earth Manual” Second Edition, United
States Bureau of Reclamation, Reprint, 810p.
USBR, (1987) “Design of Small Dams” Third Edition,
U.S. Department of Interior Bureau of Reclamation,
Denver, 860p.
USBR, (1990) “Earth Manual-Part 2” U.S. Department of
the Interior Bureau of Reclamation, Denver, 1270 p.
Ünal, M.S. (2001) “Dolgu Barajlarda Geçirimsizlik
Perdeleri ve Dalaman-Akköprü Barajında Yapılan
Uygulamalar” Yüksek Lisans Tezi, OGÜ Fen Bilimleri
Enstitüsü, Eskişehir.
Xanthakos, P.P. (1979) “Slurry Walls” McGraw-Hill.
Yıldız, G. (1993) “Dolgu Barajların Projelendirilmesinde
Karşılaşılan Temel Zemin Projelendirilmesi” Dolgu
Barajlar Yönünden Zemin Mekaniği Problemleri
Sempozyumu, DSİ Genel Müdürlüğü 20-25 Eylül,
Gümüldür-İzmir, 177-189.
