Baraj Hidrolik Tasarım Rehberi
Transkript
Baraj Hidrolik Tasarım Rehberi
T.C. ORMANVESUİŞLERİBAKANLIĞI DEVLETSUİŞLERİGENELMÜDÜRLÜĞÜ BARAJHİDROLİKYAPILAR TASARIMREHBERİ REHBERNO:002 EKİM 2012 ANKARA 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ÖNSÖZ Birçok medeniyetin kesişme noktası olan Anadolu'da yaklaşık 4000 yıldır süren hidrolik mühendisliği çalışmaları, bilhassa Selçuklu ve Osmanlıların yaptıkları muhteşem eserler, Türkiye'yi tarihi su yapıları açısından en zengin ve en dikkat çekici açık hava müzelerinden birisi haline getirmiştir. Bugün ise ülkemiz, inşa halindeki barajların sayısı bakımından Dünya’daki sıralamada üst sıralarda yer almaktadır. Ülkemizde her tipten barajlar inşa edilmiş ve edilmektedir. Ayrıca; bu barajlar dolgu hacmi, yükseklik, rezervuar kapasitesi, kret uzunluğu gibi teknik karakteristikleri ile de dünyadaki inşa edilmiş barajlar arasında ön sıralarda yer almaktadır. Atatürk Barajı 84 milyon m3 dolgu hacmi ile dünya sıralamasında beşinci sırada yer almaktadır. Şubat ayında su tutma merasimine bizzat katılmış olduğum Deriner Barajı 249 m yüksekliği ile ülkemizin en yüksek barajı, kendi sınıfında Dünya’nın 6. yüksek barajıdır. İnşaat ihalesi safhasında bulunan Yusufeli Barajı’nın yüksekliği ise 270 metredir. Yusufeli Barajı tamamlandığında Türkiye’nin en yüksek barajı olma özelliğine sahip olacaktır. Ülkemizin su yapıları sahasında ulaşmış olduğu bu güzel seviye, bu sektörde çalışanların fedakar çalışmaları ve mesleklerine olan saygının neticesinde oluşmuştur. Yıllardan beri ülkemizde ve yurt dışında barajlar ve su yapıları alanından sayısız eserler kazandıran mühendislerimizin ve müteahhitlerimizin çalışmalarını hepimizin malumlarıdır. Ülkemizdeki baraj ve diğer su yapılarının projelendirilmesi ve inşası sürecine olumlu katkısı olacağını düşündüğüm; Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini esas alarak ülkemiz ihtiyaçları ve şartları dikkate alınarak uygulanması konusunda proje ve uygulama kriterleri ile ilgili olarak Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü’nün (DSİ) Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi (TRCOLD) ve Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği (TMMMB) ile başlatmış olduğu çalışmanın neticesinde hazırlanan bu rehber dokümanların bu sektörde çalışanlara büyük fayda sağlayacağı aşikardır. Bu gayeye hizmet etmek için komitelerde görev alan, başta DSİ personeli olmak üzere bütün mühendislik ve müşavirlik firmaları temsilcilerine teşekkür ederim. Su gibi aziz olunuz. Prof. Dr. Veysel EROĞLU Orman ve Su İşleri Bakanı BARAJ HİDROLİK YAPILARI i 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 GİRİŞ Ülkemizin su kaynaklarının yönetiminden ve geliştirilmesinden sorumlu olan Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü geçmişinden günümüze kadar üstlenmiş olduğu görevleri başarı ile tamamlamış ve insanımızın hizmetine sunarak kalkınmamıza ve refah düzeyimizin artmasına büyük katkı sağlamış ve sağlamaya devam etmektedir. Bugün itibari ile, Genel Müdürlüğümüz merkezde 15 Daire Başkanlığı, taşrada 26 Bölge Müdürlüğü ve bünyesinde bulunan takriben 20200 personel ile çalışmalarına devam etmektedir. Muhtelif yüksekliklere ve değişik maksatlara hizmet eden 741 adet baraj bugün için işletmede olup, yenilerinin inşası da devam etmektedir. Genel Müdürlüğümüzün vizyonu: Su kaynaklarımızın geliştirilmesi, korunması ve yönetimi konularında dünya lideri olmaktadır. Bu konuma gelmek için yapacağımız çalışmaları; diğer ilgili kurum ve kuruluşlar, müteahhitlerimiz, mühendislik ve müşavirlik firmalarımız ve de akademisyenlerimizle koordineli bir şekilde gerçekleştirmekteyiz. 1. Barajlar Kongresi’nin hazırlanması ve çıktıları buna çok güzel bir örnek oluşturmuştur. Bu kongremizin maksadı takriben 1 yıla yakın bir süredir yapılan çalışmalar neticesinde ülkemizdeki barajların/su yapılarının projelendirilmesi ve uygulanması sırasında kullanılacak kriterlerin, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu (ICOLD) kriterlerini baz alarak ülkemizin ihtiyaçlarına göre uygulanmasında yol gösterecek rehber dokümanlar ile ilgili ilk çalışmaların neticelerinin sunulmasıdır. Bu rehber dokümanlar 8 ana başlık altında toplanmıştır. Baraj ve su yapıları ile ilgili çalışmalarda büyük fayda sağlayacağına inandığım bu rehber dokümanların hazırlanmasında emeği geçen tüm ilgililere içtenlikle teşekkür eder bu ve benzer çalışmaların devamını dilerim. Akif ÖZKALDI DSİ Genel Müdürü BARAJ HİDROLİK YAPILARI ii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 BU REHBER DOKÜMAN ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI’NIN KATKILARI İLE DEVLET SU İŞLERİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ (DSİ), ULUSLARARASI BÜYÜK BARAJLAR KOMİSYONU TÜRK MİLLİ KOMİTESİ (TRCOLD), TÜRK MÜŞAVİR MÜHENDİSLER VE MİMARLAR BİRLİĞİ’NİN (TMMMB) ORTAK ÇALIŞMASI VE TÜRKİYE MÜTEAHHİTLER BİRLİĞİ (TMB) VE TÜRKİYE İNŞAAT SANAYİCİLERİ İŞVEREN SENDİKASI (İNTES)’NIN DESTEKLERİ SONCUNDA HAZIRLANMIŞTIR. BARAJ HİDROLİK YAPILARI iii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 AÇIKLAMA Bu rehber doküman, barajlar, hidroelektrik santrallar ve hidrolik yapıların planlama, tasarım, proje hizmetlerini ve inşaatını yapan firmaların, bu konuda görev ifa eden kamu kurum ve kuruluşlarının ve özel sektör yatırımcılarının çalışmalarına baz olması gayesi ile Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, Uluslararası Büyük Barajlar Komisyonu Türk Milli Komitesi, Türk Müşavir Mühendisler ve Mimarlar Birliği ile akademisyenlerin bir yıla yakın süre ile çalışmaları sonucunda hazırlanmıştır. Bu doküman ülkemizde bu konuda yapılan ilk çalışmalardan biri olup, ilgili taraflardan gelecek görüş ve öneriler çerçevesinde revize edilecek ve güncelleştirilecektir. Bu doküman bu konuda çalışan, hizmet üreten ve imalat yapan kişi, firma, kurum ve kuruluşlara rehber olması amacı ile hazırlanmış olmakla birlikte, tasarım, imalat, montaj, inşaat, su tutma, işletme ve baraj emniyeti ile ilgili her türlü sorumluluk tasarım, imalat, montaj ve inşaat işlerini yapan yüklenicilere aittir. ©Telif Hakkı Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü’nün önceden izni alınmadan bu yayının hiç bir bölümü mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka yollarla hiç bir surette çoğaltılamaz, muhafaza edilemez, basılamaz. BARAJ HİDROLİK YAPILARI iv 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 1 2 HAVA PAYI HESABI ............................................................................................... 2 2.1 Giriş ......................................................................................................................... 2 2.2 Kabarma Mesafesi................................................................................................... 5 2.2.1 Rezervuar Alanı ....................................................................................................... 5 2.2.2 Etkin Feç Boyu ........................................................................................................ 6 2.3 Etkin Dalgaları Hesabı ............................................................................................. 8 2.3.1 Etki Dalgalarının Oluşumu ....................................................................................... 9 2.3.2 Etki Dalgalarının Tesiri .......................................................................................... 12 2.3.3 Etki Dalgalarının Kret Üzerinden Aşması .............................................................. 12 2.4 Rüzgar Hesabı....................................................................................................... 14 2.4.1 Rasat Kayıtlarında Gruplandırma .......................................................................... 14 2.4.2 Eklenik Frekans Analizi ......................................................................................... 14 2.4.3 Olasılık Dağılımları ................................................................................................ 16 2.4.3.1 Gumbel Olasılık Dağılımı....................................................................................... 16 2.4.3.2 Weibull Olasılık Dağılımı ....................................................................................... 17 2.4.4 Proje Rüzgar Hızları .............................................................................................. 17 2.4.5 Tasarım Rüzgar Hızları ......................................................................................... 18 2.5 Rüzgar Kaynaklı Dalga Hesabı ............................................................................. 19 2.5.1 Dalga Mekaniği ...................................................................................................... 20 2.5.1.1 Derin/Sığ Su Sınıflandırması ................................................................................. 21 2.5.1.2 Dalga Teorilerinin Geçerlilik Sınırları ..................................................................... 22 2.5.1.3 Lineer Dalga Teorisi .............................................................................................. 26 2.5.2 Etkin Dalga Yüksekliği ........................................................................................... 27 2.5.3 Tasarım Dalga Yüksekliği ...................................................................................... 28 2.5.4 Dalga Tırmanması (Ru) .......................................................................................... 28 2.5.4.1 Su Kabarması (HW)................................................................................................ 29 2.6 Hava Payinin Belirlenmesi ..................................................................................... 30 2.7 Normal Hava Payı ................................................................................................. 30 2.7.1 Minimum Hava Payı .............................................................................................. 31 2.8 Kret Kotunun Belirlenmesi ..................................................................................... 31 3 NEHİR YATAĞI SU YÜZÜ .................................................................................... 34 3.1 Genel Bilgi, Tanımlar Ve Hidrolik Teori ................................................................. 34 3.1.1 Tanımlamalar......................................................................................................... 34 3.1.2 Hidrolik Teori ......................................................................................................... 35 BARAJ HİDROLİK YAPILARI v 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 3.1.2.1 Akarsuyun Rejiminin Belirlenmesi ......................................................................... 35 3.1.2.2 Enerji Denklemi ..................................................................................................... 36 3.2 Nehir Yatağı Kapasitesinin Belirlenmesi................................................................ 37 3.3 Nehir Yatağı Pürüzlülüğünün Belirlenmesi ............................................................ 38 3.3.1 Manning Pürüzlülük Katsayısına Etki Eden Faktörler............................................ 38 3.3.1.1 Yüzeyin Pürüzlülüğü .............................................................................................. 38 3.3.1.2 Bitki Örtüsü ............................................................................................................ 39 3.3.1.3 Yatak Düzensizliği ................................................................................................. 39 3.3.1.4 Yatak Eğriliği.......................................................................................................... 39 3.3.1.5 Birikim ve Aşınma .................................................................................................. 39 3.3.1.6 Engeller ................................................................................................................. 39 3.3.1.7 Enkesitin Boyut ve Şekli ........................................................................................ 40 3.3.1.8 Seviye ve Debi....................................................................................................... 40 3.3.1.9 Mevsimsel Değişimler............................................................................................ 40 3.3.2 Pürüzlülük Katsayısının Belirlenmesi .................................................................... 40 3.4 Nehir Yataği Suyüzü Hesabında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar .................... 46 4 DOLUSAVAK......................................................................................................... 47 4.1 Hidrolik Teori ......................................................................................................... 47 4.1.1 Genel ..................................................................................................................... 47 4.1.2 Dolusavak Debisi ................................................................................................... 50 4.1.2.1 Genel ..................................................................................................................... 50 4.1.2.2 Etkili Kret Genişliği................................................................................................. 52 4.1.3 Yaklaşan Akımının Etkisi ....................................................................................... 52 4.1.3.1 Eğimler .................................................................................................................. 53 4.1.3.2 Hidrolik ve Enerji Çizgisi Eğimleri .......................................................................... 54 4.1.3.3 Ortalama Dolusavak Basınç Hesabı...................................................................... 54 4.1.3.4 Dolusavak Enerji Kaybı ......................................................................................... 55 4.1.3.5 Sürtünme Kayıpları ................................................................................................ 55 4.1.3.6 Yersel Yük Kayıpları .............................................................................................. 56 4.1.3.7 Kavitasyon ............................................................................................................. 56 4.2 Tasarım Debilerinin Belirlenmesi ........................................................................... 57 4.3 Dolusavak Tipleri Ve Hidroliği................................................................................ 57 4.3.1 Dolusavak Tipleri ................................................................................................... 57 4.3.1.1 Genel ..................................................................................................................... 57 4.3.1.2 Karşıdan Alışlı Dolusavaklar.................................................................................. 57 4.3.1.3 Yandan Alışlı Dolusavaklar.................................................................................... 58 4.3.1.3.1 Kret Tasarımı ......................................................................................................... 58 BARAJ HİDROLİK YAPILARI vi 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.3.2 Kanal Tasarımı ...................................................................................................... 58 4.3.1.4 Labirent Dolusavaklar ............................................................................................ 62 4.3.1.4.1 Giriş 62 4.3.1.4.2 Labirent Savakların Sağladığı Avantajlar .............................................................. 65 4.3.1.4.3 Savak Eşitliği ......................................................................................................... 68 4.3.1.4.4 Labirent Dolusavağın Deşarj Katsayısını Etkileyen Değişkenler ........................... 69 4.3.1.4.5 Projelendirme Yöntemi .......................................................................................... 73 4.3.1.4.6 Örnek Bir Baraja ait Labirent Dolusavağı Model Çalışmaları Sonuçları ................ 77 4.3.1.5 Şaft Dolusavaklar .................................................................................................. 84 4.3.1.5.1 Çalışma Prensipleri ............................................................................................... 85 4.3.1.5.2 Akım Tipleri............................................................................................................ 87 4.3.1.5.3 Kret Profilinin, Kretle Şaft Arası Geçiş Bölgesinin, Şaft İle Galeri Bağlantı Dirseğinin Ve Galerinin (Tünelin) Tasarımı ........................................................... 89 4.3.1.5.4 Hava girişi ve taşınması ........................................................................................ 89 4.3.1.6 Tünel ve Menfez Dolusavaklar .............................................................................. 89 4.3.1.7 Sifonlu Dolusavaklar .............................................................................................. 90 4.3.1.7.1 Hidrolik Çalışma Prensipleri .................................................................................. 90 4.3.1.7.2 Akım Koşulları (Açık Savak, Geçiş Ve Sifon Akımı) .............................................. 91 4.3.1.7.3 Savak debi katsayısının belirlenmesi .................................................................... 91 4.3.1.8 Basamaklı Dolusavaklar ........................................................................................ 92 4.3.1.8.1 Eşik Genişliğinini Seçimi........................................................................................ 92 4.3.1.8.2 Akım Koşullarının İncelenmesi .............................................................................. 92 4.3.1.8.3 Enerji Kırılması ...................................................................................................... 95 4.3.1.8.4 Nap Akımında Enerjinin Kırılması.......................................................................... 95 4.3.1.8.5 Geçiş Akımında Enerjinin Kırılması ....................................................................... 96 4.3.1.8.6 Kayan Akımda Enerjinin Kırılması ......................................................................... 97 4.3.1.9 Serbest Jet Savaklar ............................................................................................. 99 4.3.1.10 Devrilebilen Taşkın Savakları (Fusegates) ............................................................ 99 4.3.2 Kontrolsüz Dolusavakların Hidroliği ..................................................................... 100 4.3.2.1 Kontrolsüz Dolusavak Profili ................................................................................ 101 4.3.2.2 USBR Ogee Kret Profili ....................................................................................... 102 4.3.2.3 WES Ogee Kret Profili ......................................................................................... 102 4.3.2.4 Dolusavak Tepe Basınçları.................................................................................. 103 4.3.2.5 Kontrollü ve Kontrolsüz Kretler ............................................................................ 103 4.3.2.6 Dolusavak Nap Üst Profili .................................................................................... 104 4.3.2.7 Debi Karakteristikleri............................................................................................ 104 4.3.2.8.1 Dolusavak Ayakları ve Yaklaşım ......................................................................... 104 BARAJ HİDROLİK YAPILARI vii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.2.9 Kontrolsüz Ogee Kreti İçin Debi Katsayıları ........................................................ 107 4.3.2.10 Yaklaşım Derinliği Etkisi ...................................................................................... 108 4.3.2.11 Tasarım Yükünden Farklı Yüklerin Etkisi............................................................. 108 4.3.2.12 Memba Yüzü Eğiminin Etkisi ............................................................................... 108 4.3.2.13 Mansap Etkisi ...................................................................................................... 109 4.3.2.14 Mansap Eğimi ...................................................................................................... 110 4.3.2.15 Dolusavak Topuğu............................................................................................... 110 4.3.3 Kontrollu Dolusavakların Hidroliği........................................................................ 110 4.4 Dolusavak Optimizasyonu ................................................................................... 120 4.5 Yaklaşım Kanalı Tasarımı ................................................................................... 121 4.5.1 Baraj Gölünden Kanala Giriş ............................................................................... 122 4.5.2 Yaklaşım kanalının güzergâhı ............................................................................. 122 4.5.3 Yaklaşım kanalındaki akımın maksimum hızı...................................................... 122 4.6 Taşkın Öteleme ................................................................................................... 123 4.7 Deşarj Kanalı Tasarımı ........................................................................................ 124 4.7.1 Genel ................................................................................................................... 124 4.7.2 Prizmatik kanallar ................................................................................................ 125 4.7.3 Daralma ve Genişleme Tahkiki............................................................................ 125 4.7.4 Suyüzü Hesabı .................................................................................................... 125 4.7.5 Hava Payı Hesabı................................................................................................ 127 4.7.6 Düşey Kurp Uygulaması ...................................................................................... 129 4.7.7 Dolusavak Boşaltım Kanallarında Kavitasyon Olayı ve Havalandırıcılarının Hidrolik Tasarımı .............................................................................................................. 129 4.7.7.1 Boşaltım Kanallarında Kavitasyon ....................................................................... 129 4.7.7.2 Dolusavak Havalandırıcılarının Hidrolik Tasarımı ............................................... 135 4.7.8 Basamaklı Kanallar.............................................................................................. 141 4.7.9 Kondüvi veya Tüneller ......................................................................................... 142 4.8 Enerji Kırıcılar ...................................................................................................... 142 4.8.1 Temel hususlar .................................................................................................... 142 4.8.2 Enerji Kırıcı Havuzlar ........................................................................................... 143 4.8.2.1 Düşü havuzu (Tip I) ............................................................................................. 146 4.8.2.2 Tip II havuz .......................................................................................................... 146 4.8.2.3 Tip III havuz ......................................................................................................... 146 4.8.2.4 Tip IV havuz......................................................................................................... 146 4.8.2.5 Hava Payı ............................................................................................................ 146 4.8.3 Yuvarlak Uçlu Kırıcılar ......................................................................................... 146 4.8.3.1 Yuvarlatılmış etek tipinde kırıcı (Solid bucket)..................................................... 147 BARAJ HİDROLİK YAPILARI viii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.8.3.2 Dişli yuvarlatılmış etek (Slotted bucket)............................................................... 147 4.8.3.3 Fırlatma uçlu enerji kırıcı (Flip buckets)............................................................... 147 4.8.3.4 Sıçratma Uçlarının Yararları ................................................................................ 148 4.8.3.5 Sıçratma Uçlarının Dezavantajları ....................................................................... 148 4.8.3.6 Sıçratma Uçlarının Hidrolik Hesapları ................................................................. 149 4.8.3.7 Sıçratma Uçlarının Teskin Havuzu Hesapları...................................................... 151 4.8.4 Özel kırıcılar ........................................................................................................ 151 4.8.4.1 Çarpma kirişi tipinde kırıcılar ............................................................................... 151 4.8.4.2 Dişli (bloklu) kırıcılar (şütlü dolusavak ya da kanal)............................................. 152 5 DERİVASYON - DİPSAVAK ................................................................................ 171 5.1 HİDROLİK TEORİ................................................................................................ 171 5.1.1 Genel ................................................................................................................... 171 5.1.2 Derivasyon Tipleri ................................................................................................ 172 5.1.2.1 Genel ................................................................................................................... 172 5.1.2.2 Tünel ................................................................................................................... 172 5.1.2.3 Kondüvi................................................................................................................ 173 5.1.2.4 Açık Kanal ........................................................................................................... 174 5.2 Derivasyon Tesislerinde Kullanılacak Tasarım Debisinin Seçimi ........................ 174 5.3 Derivasyon İletim Yapısı Sayı Ve Çapının Belirlenmesi ...................................... 174 5.4 Taşkın Öteleme (Flood Routıng) ......................................................................... 175 5.5 Derivasyon Yapısı Ve Memba Batardosu Optimizasyonu ................................... 178 5.5.1 Genel ................................................................................................................... 178 5.5.2 Memba Batardosunun Gövde İçerisinde Kaldığı Durum ; ................................... 178 5.5.3 Mansap Batardosu .............................................................................................. 179 5.6 Derivasyon Hidroliği............................................................................................. 179 5.6.1 Serbest Yüzlü Akım ............................................................................................. 180 5.6.2 Basınçlı akım ....................................................................................................... 182 5.7 Su Alma Yapısı Ve Dipsavak Hidroliği................................................................. 189 5.7.1 Dipsavak .............................................................................................................. 189 5.7.2 Su Alma Yapıları.................................................................................................. 193 5.7.3 Hidrolik Teori ....................................................................................................... 193 5.7.4 Hidrolik Koşulları Sağlayan Geometrik Boyutlandırma ........................................ 194 5.7.4.1 Kapak Boyutlarının Belirlenmesi.......................................................................... 194 5.7.5 Su Alma Giriş Kotunun Belirlenmesi.................................................................... 194 5.7.5.1 Rusubat Hesabı (Ölü Hacim Üst Kotunun Belirlenmesi) ..................................... 194 5.7.5.2 Vorteks Koşullarının Belirlenmesi ........................................................................ 194 5.7.6 Giriş Ağzı ve Izgara Geometrisinin Belirlenmesi ................................................. 199 BARAJ HİDROLİK YAPILARI ix 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.7.6.1 Su Alma Ağzı ....................................................................................................... 199 5.7.6.2 Izgara .................................................................................................................. 201 5.7.7 Su Alma Yapısı Tip Seçimi .................................................................................. 202 5.7.7.1 Kule Tipi Su Alma Yapısı ..................................................................................... 202 5.7.7.2 Şaftlı Su Alma Yapısı........................................................................................... 204 5.7.7.3 Yamaca Dayalı, Düşey veya Eğik Kapaklı Su Alma Yapısı................................. 205 5.7.7.4 Beton Baraj İçine Yapılan Su Alma Yapısı .......................................................... 206 5.7.7.5 Dipten Alışlı Düşey Şaft Tipi Su Alma Yapısı ...................................................... 207 5.7.7.6 Kademeli Su Alma Yapılarının Hidroliği............................................................... 207 5.8 Dipsavak Yapılarının Boyutlandırılması, Baraj Gölünün Boşaltılması ve Su Tutmaya İlişkin Kriterler Ve Kurallar .................................................................... 211 5.8.1 Dipsavak Projelendirme Gerekleri ....................................................................... 211 5.8.1.1 Genel Kriterler ..................................................................................................... 211 5.8.1.2 Genel Kriterlerden Sapma ................................................................................... 212 5.8.2 Baraj Göllerinin Boşaltılmasına İlişkin Kriterler ve Kurallar.................................. 212 5.8.2.1 Genel Kriterler ..................................................................................................... 212 5.8.2.2 Proje Koşullarına Dayalı Boşaltma Debileri ......................................................... 213 5.8.2.3 Boşaltma Çalışmaları için Ortalama Giriş Akımlarının Hesaplanması................. 218 5.8.3 Baraj Gövdesi Su Tutma Kriterleri Ve Kuralları ................................................... 220 5.8.3.1 Kontrol ve İzleme ................................................................................................. 221 5.8.3.2 Su Tutma Hızı...................................................................................................... 222 5.9 Enerji Kırıcı Yapılar.............................................................................................. 227 5.9.1 Çarpma kirişi tipinde kırıcılar ............................................................................... 227 5.9.2 Konik Vanalı Enerji Kırıcı ..................................................................................... 227 5.9.3 Sakinleştirme (Dinlendirme) Kuyuları .................................................................. 228 5.9.4 Enerji Kırıcı Havuzlar ........................................................................................... 229 6 YARARLANILAN YAYINLAR .............................................................................. 235 7 REFERANSLAR .................................................................................................. 239 BARAJ HİDROLİK YAPILARI x 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 TABLO LİSTESİ Tablo 1 - Feç Uzunluklarına Göre Önerilen Rüzgar Hızı Artırım Katsayıları.....................18 Tablo 2 - Lineer dalga teorisinde karakteristik dalga parametreleri (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) ..............................................................................26 Tablo 3 - Kret Kotu Tablosu ..............................................................................................32 Tablo 4 – Manning Pürüzlülük Katsayısı............................................................................42 Tablo 5 – Düzenlenmiş Kanallar için Mannig Pürüzlülük Katsayısı ...................................44 Tablo 6 – Doğal Nehir Yataklarında Manning Pürüzlülük Katsayısı ..................................45 Tablo 7 – Tasarım Debisi Seçimi ile İlgili DSİ Genelgesi ...................................................57 Tablo 8 - Labirent Dolusavakların Projelendirme Çizelgesi [1] .........................................74 Tablo 9 - Labirent Yan Duvar Açısının () Dolusavak Genişliğine (W) Etkisi [1]. .............76 Tablo 10 - Önerilen Projelendirme Yöntemi ile Elde Edilen Sonuçların Çeşitli Projelerle Karşılaştırılması, 1...........................................................................82 Tablo 11 - Mansap Tehlike Sınıflandırma Sistemi ............................................................214 Tablo 12 - Acil Boşaltma Süresinin Belirlenmesine İlişkin Genel Kılavuz (Gün) ...............217 Tablo 14 – Giriş Akımları ...................................................................................................219 Tablo 15 - Baraj Tiplerine Göre Su Tutma Hızlar ..............................................................225 BARAJ HİDROLİK YAPILARI xi 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 1 - Baraj Rezervuar Alanı Haritası (Örnek) 5 Şekil 2- Efektif Feç Mesafesi Taraması (Örnek) 7 Şekil 3 - Şematik Dalga Yayılması (Dam Hydraulics, 1998) 8 Şekil 4 - Etki Dalgaları Mekanizması (Dam Hydraulics, 1998) 9 Şekil 5 - Etki Dalgaları oluşumu ve yayılımı (Dam Hydraulics, 1998) 9 Şekil 6 - Kenar Kayması (Dam Hydraulics, 1998) 10 Şekil 7 - Kenar kayması ile oluşan dalgalar için ölçek parametreleri (Dam Hydraulics, 1998) 10 Şekil 9 - Rezervuarda Dalga Oluşumu (Plan ve Kesit) (Dam Hydraulics, 1998) 11 Şekil 8 - Maksimum dalga boyu ve buna ilişkin dalga uzunluğu (Dam Hydraulics, 1998) 12 Şekil 10 - DalgaYayılması ve Tırmanması (Dam Hydraulics, 1998) 12 Şekil 11 - Tepeden Aşma (Dam Hydraulics, 1998) 13 Şekil 12 - Eklenik Frekans Dağılımı (Örnek) 15 Şekil 13 - Gumbel dağılımına bir örnek 16 Şekil 14 - Weibull dağılımına bir örnek 17 Şekil 15 – 1000 Yıl Tekerrürlü Rüzgar Hızları Kullanılarak Oluşturulan Rüzgar Gülü 19 Şekil 16 - Sinüsoidal Lineer Dalga Teorisinde Dalga Parametreleri, (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) 20 Şekil 17 - Çeşitli Dalga Profilleri, (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) 21 Şekil 18 - Dalga Dikliğine Göre Lineer Dalga Için Sığlaşma Engineering Manual, Part II) (USACE Coastal 22 Dalga Teorilerindeki Uygulanabilir Aralık Bantları Engineering Manual, Part II) (USACE Coastal Şekil 19 Şekil 20 - 24 Derin Ve Derin Olmayan Suda Dalga Hareketi (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) 25 Dalga Hareketi Ve Taban Etkileşimi (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) 25 Şekil 22 – Parametrelerin Şematik Görünüşü 37 Şekil 23 – Örnek Anahtar Eğrisi 38 Şekil 24 - Dolusavak Yapısının Ana Bölümlerinin Şematik Görünüşü 49 Şekil 25 – Dolusavak Akım Koşulları 50 Şekil 26 - Yandan Alışlı Dolusavak Akım Karakteristikleri 60 Şekil 27 - Kanal Hendeği Kesitleri 61 Şekil 28 - Labirent Dolusavağın Genel Yerleşimi ve Detayları 64 Şekil 29 - Bir Labirent Dolusavak ve Kontrolsuz Dolusavağın Şematik Görünüşü 66 Şekil 30 - Sarıoğlan Barajı Hacim-Satıh Grafiği 67 Şekil 21 - BARAJ HİDROLİK YAPILARI xii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 31 - Doğrusal Savaklarda Debi Deşarj Katsayısı [1] 70 Şekil 32 - Labirent Dolusavaklarda Deşarj Katsayıları [1] 72 Şekil 33 - Örnek Barajın Labirent Dolusavağının Genel Yerleşim Planı 79 Şekil 34 - Örnek Barajın Labirent Dolusavağı Detayları. 81 Şekil 35 - Örnek Barajın Yandan Alışlı Ve Labirent Dolusavaklarının Modelden Elde Edilen Debi-Göl Su Seviyesi Eğrileri. 82 Şekil 36 - Şaft Dolusavak Enkesitleri 84 Şekil 37 - Şaft Dolusavak Dairesel Giriş Ağzı Üzerinde Kritik Akım Koşullarının Oluşması 86 Şekil 38 - Şaft Savaklarda Debi-Gidiş Eğrileri 87 Şekil 39 - Huni Şekilli Dairesel Giriş Ağzı Üzerinde Kritik Şartların Oluşması 88 Şekil 40 - i) Sifonlu Savak ii) Sifonlu Savak Kreti 90 Şekil 41 - Basamaklı Bir Boşaltım Kanalındaki Akım Rejimleri 94 Şekil 42 - Basamaklı Dolusavaklarda Akıma Hava Karışımı 95 Şekil 43 – Dolusavak Profili 101 Şekil 44 - Kret Mansap Profilinin Belirlenmesi 112 Şekil 45 - Kret Memba Şeklinin Belirlenmesi 113 Şekil 46 - için kret profilinin belirlenmesi 114 Şekil 47 - Tipik WES Memba ve Mansap Profilleri 115 Şekil 48 - Memba Eliptik Profilinin Belirlenmesi (Değiştirilmiş WES) 116 Şekil 49 - Memba Yüzü Dik Ogee Savaklarda Deşarj Katsayısı 117 Şekil 50 - Tasarım Yükünden Farklı Su Yükleri İçin Deşarj Katsayısı 117 Şekil 51 - Memba Yüzü Eğimli Ogee Savaklar İçin Deşarj Katsayısı 118 Şekil 52 - Savak Kretlerindeki Akımlarda Mansap Etkisi 118 Şekil 53 - Mansap Apronunun Deşarj Katsayısına Etkisi 119 Şekil 54 - Mansap Batıklığının Deşarj Katsayısına Etkisi 119 Şekil 55 - Kapak Açıklığına Göre Deşarj Katsayısı 120 Şekil 56 – Havalandırıcılı Dolusavaklarda Su Derinliği 128 Şekil 57 - Basamak-Saptırıcı Tipli Bir Dolusavak Havalandırıcı Yapısının Profilden Görünüşü 131 Şekil 58 - Simetrik ve Asimetrik Havalandırıcılar 132 Şekil 59 - Dolusavak havalandırıcı yapılarının uygulamada kullanılan bazı tipleri 134 Şekil 60 - Atatürk Barajı Dolusavak Boşaltım Kanalındaki Havalandırıcı Yapıları 134 Şekil 61 - Ön Tasarımda Kullanılacak Basamak-Saptırıcı Tipli Bir Havalandırıcı 136 Şekil 62 - Froude Sayısına Bağlı Olarak Sıçrama Çeşitleri 153 Şekil 63 - Froude Sayısına Göre Hidrolik Sıçrama Özellikleri (Şüt Blokları, Enerji Kırıcı Bloklar Ve Eşik Ucu Olmayan Havuzlar Için) 154 BARAJ HİDROLİK YAPILARI xiii 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 64 - Froude Sayısına Göre Hidrolik Sıçrama Özellikleri (Şüt Blokları, Enerji Kırıcı Bloklar Ve Eşik Ucu Olmayan Havuzlar Için) 155 Şekil 65 - Tip II Havuz Özellikleri (Froude Sayısı Fr > 4.5 ve V1 > 18.3 m/s) 156 Şekil 66 - Tip III Havuz Özellikleri (Froude Sayısı Fr > 4.5 ve V1 < 18.3 m/s) 157 Şekil 67 - Tip Iv Havuz Özellikleri ( Froude Sayısı 2.5 < Fr < 4.5 ) 159 Şekil 68 - Tek Parçalı Tip Enerji Kırıcı (Solid Bucket) (Yekpare Yuvarlatılmış Etek) 160 Şekil 69 - Tek Parçalı Tip Enerji Kırıcıda Hidrolik Hareket 160 Şekil 70 - Dişli Yuvarlatılmış Etek Tipinde Enerji Kırıcı 161 Şekil 71 - Dişli Yuvarlatılmış Etek Tipinde Kırıcıda Hidrolik Hareket 161 Şekil 72 - Yuvarlak Uçlu Kırıcılarda Boyutlandırmaya Esas Tanımlar 162 Şekil 73 - Yuvarlak Uçlu Kırıcılar İçin Limit Kriterler 164 Şekil 74 - Yuvarlak Uçlu Kırıcı Tipleri 165 Şekil 75 - Sıçratmalı Enerji Kırıcıda Akış Koşulları 166 Şekil 76 - Teskin Havuzu Özellikleri 167 Şekil 77 - Çarpma Kirişli Enerji Kırıcı 168 Şekil 78 - Bloklu Kırıcı Birim Debi ile Hız ve Blok Yüksekliği Tayini Abağı 169 Şekil 79 - Bloklu Kırıcı Genel Özellikleri 169 Şekil 80 - Bloklu Kırıcılara Ait Değişik Tip Blok Düzenlemeleri 170 Şekil 81 – Şematik Derivasyon Yapısı 171 Şekil 82 - Senelere Göre Grafik Olarak Gösterilmiş Taşkın Tekerrür Hidrografları (Giren Su Miktarı) 175 Şekil 83 - Barajın Hacim Ve Satıh Eğrisi 176 Şekil 84 - Derivasyon Yapısı Deşarj Eğrileri (Basınçlı ve Basınçsız) 176 Şekil 85 – Birleşik Deşarj Eğrisi 177 Şekil 86 - Örnek Taşkın Öteleme Tablosu 177 Şekil 87 – Optimizasyon için Oluşturulan Ters Çan Eğrisi 178 Şekil 88 – Gövde İçinde Memba Batardosu 179 Şekil 89 - Kritik Akımın Yeri ve Yüzdesi (Daire ve Atnalı Tüneller İçin) 180 Şekil 90 - Kurb Kayıp Katsayıları 184 Şekil 91 - Dairesel Kesitli Borularda Ani Geçiş Durumunda Tranzisyon Kaybı İçin 186 Şekil 92 - Dairesel Olmayan Borularda Ani Geçiş Durumunda Tranzisyon Kaybı İçin 187 Şekil 93 - Tedrici Daralmalarda Kayıp Katsayıları 190 Şekil 94 - Tedrici genişlemelerde kayıp katsayıları 190 Şekil 95 - Ana Borudaki Branşman Kayıp Katsayısı (Kb) 191 Şekil 96 - Branşman Kayıp Katsayısı (K1 Ve K2) 192 Şekil 97 – Sualma Ağzı Giriş Bölgesindeki Etkili Büyüklüklerin Şematik Görünüşü 195 Şekil 98 – Hava Emmeyen Vorteks Değerlerinin, Sualma Yapısındaki Akımın Froude Sayısının S/D Oranına Değişimini Gösteren Eğriler 197 BARAJ HİDROLİK YAPILARI xiv 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 99 – Değişik Alış Geometrileri 199 Şekil 100 – Batık Akımlarda Giriş Ağzı Formları 200 Şekil 101 – Kule Tipi Sualma Yapısı 203 Şekil 102 – Şaftlı Sualma Yapısı 204 Şekil 103 – Yamaca Dayalı Düşey Sualma Yapısı 206 Şekil 104 - Tipik Yaz Tabakalaşması 208 Şekil 105 - Kademeli Sualma Yapısı 210 Şekil 106 - Tabakalaşmış Depolamada Tercihli Çekim Paterni Şeması 210 Şekil 107 – Tipik Su Tutma Aşamaları 226 Şekil 108 - Çarpma Kirişli Enerji Kırıcı 230 Şekil 109 - Atmosfere Deşarj Olan Konik Vana 231 Şekil 110 - Çelik Kaplamalı Oda İçerisine Deşarj Olan Konik Vana 231 Şekil 111a - Konik Vananın Batık Şekil 111b. Konik Vananın Enerji Kırıcı Çalışma Hali Havuza Deşarjı 232 Şekil 112 - Standart Konik Vana Görünüş ve Ebatları 233 Şekil 113 - Sakinleştirme Kuyu Tipi - İvriz Barajı 234 BARAJ HİDROLİK YAPILARI xv 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 1 GİRİŞ Bu rehber, baraj tesislerinin hidrolik tasarımında kullanılacak yöntemleri sunmaktadır. Rehberde konular dört kategoriye ayrılmış olup bunlar hava payı hesabı, su yüzü hesabı, dolusavak hidroliği ve derivasyon-dipsavak hidroliğidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 1 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2 HAVA PAYI HESABI 2.1 Giriş Proje kapsamında rezervuar alanının ve bölgesinin kısa bir özeti ve projenin amacından bahsedilebilir. Bununla birlikte hesaplarda kullanılan temel rezervuar karakteristikleri ve simgeler aşağıda özetlenir. Dd : En büyük kabarma mesafesi boyunca ortalama su derinliği (m) Fef : Efektif etkin kabarma mesafesi (m) Fd : Baraj gövdesine dik etkin kabarma mesafesi (m) g : Yerçekimi ivmesi (m/s2) (g = 9,81 m/s2) hhava : Hava payı Hs : Belirgin dalga yüksekliği (m) Hd : Tasarım dalga yüksekliği (m) Hw : Su kabarma yüksekliği Hd / L : Dalga dikliği kw : Rüzgar hızı katsayısı L : Dalga boyu (m) m : Şev eğimi (D/Y) Ru : Dalga tırmanma yüksekliği (m) Ru’ : cos ile düzeltilmiş dalga tırmanma yüksekliği (m) T : Dalga periyodu (sn) ur : Rüzgar hızı (m/s) u : Proje rüzgar hızı (m/s) v : Proje rüzgar hızı (km/sa) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 2 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 znss : Normal su seviyesi kotu (m) zmss : Taşkın su seviyesi kotu (m) zkret : Baraj kret kotu (m) zparapet : Baraj parapet kotu (m) xi : Efektif feç hesabında, i’inci kabarma mesafesi : Dalga geliş yönü ile kabarma mesafesi arasındaki açı : Dalga geliş yönü ile baraj aksı normali arasındaki açı : Memba şevinin yatay ile yaptığı açı 1- Normal hava payı: Normal rezervuar su seviyesi ile baraj kreti arasındaki kamber payı dışında bırakılan dik mesafedir. Hesapta aşağıdaki etkenler dikkate alınır. 1000 yıl tekerrürlü rüzgar hızı (u) Tasarım Dalga yüksekliği (Hd) Baraj eksenine doğru esen rüzgar dolayısıyla hareket eden su dalgasının, rezervuar alanı taban yüzeyinden etkilenerek kabarması (Hw) Dalganın memba şevi boyunca yükselmesi (tırmanması) (Ru) Normal hava payı, hesapları ayrı ayrı yapılan su kabarma yüksekliği ve dalga tırmanma yüksekliklerinin toplamından ibarettir. 2- Minimum hava payı: Baraj tipine göre esas alınacak taşkın ötelemesi sonucunda tespit edilen maksimum su seviyesi ile baraj kreti arasındaki kamber payı dışında kalan düşey mesafedir. Ancak burada, dalga yüksekliği hesabı için 10 yıl tekerrürlü rüzgar hızı değeri kullanılır. Büyük barajlarda gövde kret kotu iki şekilde hesaplanır ve büyük olan değer dikkate alınır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 3 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 1- Dalga hesabı ile kret kotu hesabı: Normal su seviyesi (maksimum işletme seviyesi) ile normal hava payının toplamından ibarettir. Bu toplam, 0.5’in katları olacak şekilde yuvarlatılır. Normal Su Seviyesi : NSS Normal Hava Payı : Hnormal hava = Hw + Ru Kret Kotu : zkret = NSS + Hnormal hava + (0 0.5 m) 2- Taşkın ötelemesi ile kret kotu hesabı: Buradaki hesapta, feyezanın ötelenmesi sırasında rezervuarın erişeceği maksimum seviyesi ile minimum hava payının toplamından ibarettir. Bu toplam, 0.5’in katları olacak şekilde yuvarlatılır. Maksimum su Seviyesi : MSS Minimum Hava Payı : Hmin hava = Hw + Ru Kret Kotu : zkret = MSS + Hmin hava + (0. 0.5 m) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 4 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.2 Kabarma Mesafesi 2.2.1 Rezervuar Alanı Şekil 1 - Baraj Rezervuar Alanı Haritası (Örnek) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 5 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.2.2 Etkin Feç Boyu Baraj gövdesine doğru esen rüzgarın, kıyıdan baraj gövdesine kadar katettiği mesafe olarak ifade edilen feç boyu, kabarma mesafesi olarak da bilinir. Muhtemel en uzun feç boyu, aynı zamanda en büyük dalga yüksekliğini verir. Ancak, normal su seviyesinde baraj gölünün, kıyı şeridi tarafından dar ve uzun bir hat boyunca çevrelendiği bilinmektedir. Bu durumda su yüzeyindeki dalga hareketinin kıyıdan etkilenmesi göz ardı edilemeyeceğinden; yapılacak hesaplarda feç boyu yerine efektif feç boyu esas alınmaktadır. Etkin feç boyunu hesaplamak için ilk olarak maksimum feç boyu tespit edilir. Daha sonra maksimum feç boyunun her iki tarafına 6º ‘lik açı ile baraj gövdesi üzerindeki aynı noktadan kıyıya yeni feç boyları çizilir. Bu işlem ardışık olarak tekrarlanarak 90º ‘lik dar alan taranacak şekilde oluşturulur. Çizilen feç boylarının herbirinin en büyük (maksimum) feç boyu üzerinde izdüşümleri alınır ve bu izdüşümlerin boylarının toplamının, feç boylarının maksimum feç boyu ile yaptığı açıların cosinüslerinin toplamına oranı, efektif feç boyu olarak ifade edilir. Bu değer aşağıdaki eşitlik ile belirlenmektedir. (1) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 6 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 2- Efektif Feç Mesafesi Taraması (Örnek) Error! Reference source not found.’de verilen baraj gölünde etkin feç mesafesinin hesaplanmasında kullanılan fiktif parçaların sayısal değerleri şekile ekli tabloda verilmiştir. Ortalama baraj gölü derinliği : Ortalama baraj gölü derinliği de yine benzer biçimde aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir. (2) Burada, xi; i. numaralı dilimin feç mesafesi, z i; i. numaralı dilimde ortalama arazi kotu, d i; i. numaralı dilimde ortalama su derinliğini ifade etmek üzere ; BARAJ HİDROLİK YAPILARI 7 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.3 Etkin Dalgaları Hesabı Etki dalgaları çesitli durumlardan dolayı meydana gelirler. Bu durumlardan bazıları aşağıda verilmiştir. Kaya düşmesi Toprak kayması Buz düşmesi Buzul erimesi Çığ Bu tip dalgaların oluşumu baraj ve rezervuar açısından tehlikelidir. Çünkü bu etki, baraj gövdesi üzerinde tırmanmaya ya da baraj gövdesi üzerinden suyun aşmasına neden olabilir. Ayrıca kıyıda da erozyon tehlikesi yaratabilir. Etki dalgalarının çözümü konusunda Froude benzerlik kuralları ve hidrolik modelleme yaklaşımları kullanılır. Su dalgaları konusunu incelerken, 3 önemli parametre karşımıza çıkmaktadır. Dalga Boyu (aM) Dalga Uzunluğu (LW) Su derinliği (h0) Şekil 3 - Şematik Dalga Yayılması (Dam Hydraulics, 1998) Rezervuarda oluşan etki dalgalarının mekanizması aşağıda verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 8 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 1- Rezervuarda meydana gelen kayma ya da herhangi bir kütle hareketinden dolayı dalga oluşur. 2- Dalga rezervuarda yayılır. 3- Yayılan dalganın kıyıda ya da baraj gövdesi üzerinde bir etkisi oluşur. Şekil 4 - Etki Dalgaları Mekanizması (Dam Hydraulics, 1998) Şekil 5 - Etki Dalgaları oluşumu ve yayılımı (Dam Hydraulics, 1998) 2.3.1 Etki Dalgalarının Oluşumu Kenar Kayması ile oluşan dalgalar Sandler ve Hutter’ e göre (1992), Froude sayısı 0.1 < Frw < 1.1 aralığında olan kayma durumlarında, dalgalar genellikle benzer özellikler taşır. En büyük dalga ilk önce oluşur ve arkasından oluşan dalgalar giderek sönümleneceğinden daha küçüktür yani ilk dalga kritik durumdur. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 9 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 6 - Kenar Kayması (Dam Hydraulics, 1998) Dalga parametrelerini hesaplamak için aşagıdaki grafikler kullanılır. Şekil 7 - Kenar kayması ile oluşan dalgalar için ölçek parametreleri (Dam Hydraulics, 1998) Düşen Kütlelerin oluşturduğu dalgalar Heyalan ya da şev kayması sonucu kütlelerin düşmesi, rezervuarda çeşitli dengesizliklerin oluşumuna yol açar. Fazladan bir kütlenin rezervuarda yaratacağı etkiyle bu tip dalgalar oluşur. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 10 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 8 - Rezervuarda Dalga Oluşumu (Plan ve Kesit) (Dam Hydraulics, 1998) Huber ve Hager (1997), direkt dalgalar için aşağıdaki formülü öngörmüştür. (=0) Sonuçlar %15 hata payı içerebilir. (aM / h0 ) = 0.88*sin* (s / w )1/4 * ((Vs / (b* h02 ))1/2 * (h0 / x) 1/4 (3) Vs : kayan kütle hacmi : şevin yatayla yaptığı açı s: kayan kütle yoğunluğu w: su yoğunluğu x : dalga başlangıç noktasından gövdeye kadar olan mesafe r: açısal uzunluk (etki noktasından) Bölgesel Etki Dalgaları Bölgesel etki dalgaları, kayma yönündedir ve yayılması yarı dairesel biçimdedir. Huber and Hager’göre (1997) sonuçlar %20 hata payı içerebilir. (aM/h0) = 2* 0.88*sin*cos2 * (2*/ 3)*(s/w)1/4 * ((Vs/(b* h02))1/2 *(r/h0)–2/3........(4) r: açısal uzunluk (etki noktasından) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 11 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 9 - Maksimum dalga boyu ve buna ilişkin dalga uzunluğu (Dam Hydraulics, 1998) 2.3.2 Etki Dalgalarının Tesiri Şekil 10 - DalgaYayılması ve Tırmanması (Dam Hydraulics, 1998) Etki dalgaları genellikle geçiş rejimlerinde gözlemlenen dalgalar olarak düşünülür. Sığlık oranı (h0 / Lw ) 0.2 ile 2 arasındadır.Ayrıca dalga parametreleri zamana ve yere göre değişmektedir. Tırmanma Yüksekliği(R) = 1.25* ( / 2) 0.2 (hM / h0 ) 1.25 (hM / Lw ) –0.15 2.3.3 (5) Etki Dalgalarının Kret Üzerinden Aşması Düşen kütlelerden oluşan etki dalgalarının yüksekliği birkaç metreyi, uzunlukları birkaç yüz metreyi ve hızları da 30 m/s’yi bulabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 12 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 11 - Tepeden Aşma (Dam Hydraulics, 1998) Yayılan dalganın özellikleri, baraj geometrisi ve rezervuar topografyası bilinerek; tepeden aşma durumunun ana özellikleri hesaplanabilir. Muller (1995), aşağıdaki formülleri öngörmüştür. Vd / V0 = (1-f/r)2 (6) Vd = tepeden aşma hacmi V0 = referans hacmi (hava payı sıfırken) %10 hata payı ile V0 = 20.5 c0 (g*hM6 *h02 *tw2 ) 2/9 (7) t0 (g / h0 ) 0.5 = 4* (tw(g / h0 ) 0.5)4/9 (8) t0 = tepeden aşma süresi tw = dalga periyodu c0 = c * c (9) c = c90 + 0.05sin(2/3 (90o- )) (10) c = 0.60 + 0.19 c = 1 0.2 < <2.1 > 2.1 = hd / Ld (11) (12) (13) c0 : kret şekil faktörü : kret genişlik oranı ( = 90o için) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 13 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.4 Rüzgar Hesabı Hava payı ve kret kotu hesaplarında, dalga hesabı için tekerrür aralığı 1000 yıl olan proje rüzgar hızı, taşkın öteleme için ise tekerrür aralığı 10 yıl olan proje rüzgar hızı değerleri kullanılmaktadır. Bu proje rüzgar hızlarının tespiti için rezervuara en uygun meteoroloji istasyonundan alınan rüzgar kayıtları üzerinde uygun birkaç dağılım fonksiyonu kullanılarak olasılık hesabı yapılır. Standart sapması en küçük dağılım fonksiyonuna uygun tekerrür doğrusu (lineer) çizilerek, istenen tekerrür aralığında esen proje rüzgar hızları tespit edilir. 2.4.1 Rasat Kayıtlarında Gruplandırma Çalışmada kullanılacak meteoroloji istasyonunun rasat kayıtları bütün ana ve ara yönlerde değerlendirilerek her bir yöne ait veri sayısı, ortalama ve maksimum ölçüm değerleri tabloda sunulur. Baraj gövdesine doğru esen en elverişsiz rüzgar yönüne ait rüzgar hızı değerleri ve eklenik frekansları bir tabloda sunulur. Diğer rüzgar yönleri baraj gövdesine ters yönde ve/veya elverişsiz açıda estiğinden dikkate alınmayabilir. 2.4.2 Eklenik Frekans Analizi Burada tasarım rüzgar yönü dikkate alınarak gruplandırılmış kayıtlar, rüzgar hızı ölçümlerine göre küçükten büyüğe sıralanır ve kayıt aralığı boyunca her bir rüzgar hızının esme sayıları eklenik olarak toplanır. Sıralanan rüzgar hızlarına ait eklenik esme sayısı değerleri, toplam veri sayısına bölünerek ilgili rüzgar hızına ait eklenik frekans değerleri (fa) elde edilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 14 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 12 - Eklenik Frekans Dağılımı (Örnek) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 15 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.4.3 Olasılık Dağılımları 2.4.3.1 Gumbel Olasılık Dağılımı Olasılık dağılımı Frekans (14) : : (15) Regresyon doğrusu : (16) T=1000 yıl ve T=10 yıl için ayrı ayrı rüzgar hızı (v) değerleri yukarıdaki Gumbel olasılık dağılımı ile bulunan tekerrür doğrusundan hesaplanır. Şekil 13 - Gumbel dağılımına bir örnek BARAJ HİDROLİK YAPILARI 16 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.4.3.2 Weibull Olasılık Dağılımı Olasılık dağılımı : (17) Regresyon doğrusu : (18) T=1000 yıl ve T=10 yıl için ayrı ayrı rüzgar hızı (v) değerleri yukarıdaki weibull olasılık dağılımına göre bulunan tekerrür doğrusundan hesaplanır. Şekil 14 - Weibull dağılımına bir örnek 2.4.4 Proje Rüzgar Hızları Gruplandırılmış bu veriler üzerinde eklenik frekans analizi yapılır ve Gumbel ile Weibull olasılık dağılımlarının uygunluğu grafik üzerinde gösterilir. Bu olasılık dağılım fonksiyonları yardımıyla 10 ve 1000 yıl tekerrürlü rüzgar hızı değerleri okunur. Proje rüzgar hızı değerleri için standart sapması daha düşük olan Gumbel veya Weibull dağılımının kullanılması uygun görülür. Buna göre çeşitli tekerrür aralıklarına göre proje rüzgar hızı değerleri hesaplanır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 17 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.4.5 Tasarım Rüzgar Hızları Meteroloji istasyonlarında ölçülen değerler karada ölçülen rüzgar hızı olup, göl yüzeyi üzerinde herhangi bir engel bulunmaması nedeniyle, rüzgar katsayısı ile çarpılarak artırılır. Bu artırım ön tasarımlarda %20 olarak alınabileceği gibi bu hesapda, bazı yapılan çalışmalarda çeşitli feç boylarına göre önerilen değerler kullanılabilir. USBR tarafından 1981 yılında yayınlanan “Freeboard Criteria and Guidelines for Computing Freeboard Allowances for Storage Dams”(Barajlarda Hava Payının Hesaplanabilmesi için Hava Payı Kriterleri ve Yönergeleri) kitapçığında da bulunabilir. Tablo 1 - Feç Uzunluklarına Göre Önerilen Rüzgar Hızı Artırım Katsayıları Feç boyu 0.80 1.60 3.20 4.80 6.40 8≤ 1.08 1.13 1.21 1.26 1.28 1.31 (km) Rüzgar hızı artırım katsayısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 18 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 15 – 1000 Yıl Tekerrürlü Rüzgar Hızları Kullanılarak Oluşturulan Rüzgar Gülü 2.5 Rüzgar Kaynaklı Dalga Hesabı Barajların kret kotlarının tayin edilmesinde çok önemli bir paya sahip olan dalga yüksekliğinin hesabı, kıyı mühendisliğinin bir konusudur. Ülkemizde bir dönem pek çok barajın kret kotunun tayininde hava payı genellikle ampirik bazı formüllerle hesaplanmış veya kabaca örneği dolgu barajlar için üç metre olarak kabul edilmiştir. Ancak rıhtım, dalga kıran, iskele gibi kıyı yapılarından hatırlanacağı üzere dalga yüksekliği hesaplarının rüzgar hızı verilerine göre yürütülmesi daha ekonomik çözümler ve gövde hacimleri vermektedir. Bu noktada, rezervuara en yakın meteoroloji istasyonu rasat kayıtlarını kullanılması çok önemlidir. Temin edilen kayıtlar esme yönlerine göre tasniflenerek gövde aksına doğru esen rüzgar yönleri değerlendirilir. Rezervuar yüzeyindeki su hareketini doğuran en önemli unsurun rüzgar hızı ve esme yönü olduğu aşikardır. Ancak bununla birlikte heyelan sebebiyle oluşan BARAJ HİDROLİK YAPILARI 19 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 hareketler de özellikle dolgu barajlarda büyük sıkıntılar doğurabilmektedir. Bu bakımdan rezervuar alanı içerisinde kalan sahadaki şev kaymalarının ayrıca irdelenmesi gerekir. Bu konuda önerilen hesap yöntemi, Bölüm 1.3’te anlatılmıştır. 2.5.1 Dalga Mekaniği Barajlar gibi büyük su yapıları, sürekli olarak su hareketine maruz kalan yapı olma özellikleri ile ön plana çıkar. Bu hareketin salınım yapan bir karaktere sahip olması sebebiyle yapılan hesapların teorilere uygun biçimde yürütülmesi gerekir. Hareketin periyodik olması sebebiyle dalgaların matematiksel olarak ifadesi oldukça zordur. Ancak deniz ve okyanuslara göre baraj rezervuar alanları daha sınırlı yüzey alanına sahiptirler. Bu sebeple rezervuar yüzeyinde oluşan dalga yükseklikleri; dalga boyu ve rezervuar derinliği yanında oldukça küçük kalmaktadır. Bu da mühendise lineer formda matematiksel kabul yapmasına olanak tanır. Lineer dalga teorisi çözümleri kolaylaştırmakla birlikte yalnızca küçük genlikli dalgalar (small amplitude waves) için geçerli olduğu unutulmamalıdır. Burada dalga, 2 boyutlu olarak sinüzoidal fonksiyon ile tariflenir. Hesaplar, lineer dalga teorisine göre yürütülecektir. Diğer dalga teorileri için kıyı mühendisliği kaynaklarından yararlanılabilir. Yayılma Yönü Şekil 16 - Sinüsoidal Lineer Dalga Teorisinde Dalga Parametreleri, (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 20 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Büyük genlikli dalgalarda (stokes, cnoidal, solitary waves) ise dalga tepesi ile çukuru arasındaki antisimetrik hareket, lineer olmayan dalga teorileri ile açıklanabilmektedir. Airy Stokes Cnoidal Solitary Şekil 17 - Çeşitli Dalga Profilleri, (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) Baraj su derinliği, dalga yüksekliği ve genliği dikkate alındığında pek çok rezervuar alanında lineer dalga teorisi (linear/airy wave teory) kullanılmaktadır. Bu sebeple burada rüzgar kaynaklı dalga hareketi (wind-generated waves), küçük genlikli dalgalar (small amplitude wave) için kullanılan lineer dalga teorisine göre incelenmiştir. 2.5.1.1 Derin/Sığ Su Sınıflandırması Uygun dalga teorisi seçmeden önce rezervuarın hangi su sınıflandırmasına girdiği tespit edilmelidir. Rüzgar kaynaklı dalga hesapları belli bir feç uzunluğu boyunca rezervuarda yapıldığından derin su koşulları hakimdir. Sığ su koşulları daha çok küçük göletlerde oluşmakla birlikte, dolgu tipi barajlarda şev yüzeyinde belli bir derinlik içine girildikten sonra gerçekleşmektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 21 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 18 - Dalga Dikliğine Göre Lineer Dalga Için Sığlaşma (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) Yukarıdaki abakta düşey skala, c/co, L/Lo, cG/co oranlarını göstermektedir. Mühendis, kret bölgesindeki sığlaşma sebebiyle hesaplarında belirgin dalga yüksekliğini (Hs) belli bir katsayı ile çarparak tasarım dalga yüksekliğine (Hd) çevirir. Bu konu, Bölüm Error! Reference source not found.’te anlatılmıştır. 2.5.1.2 Dalga Teorilerinin Geçerlilik Sınırları Benzer biçimde Kumar (1976) tarafından H/d ve d/L oranlarına gore yapılan bir grafik çalışmasında da, rezervuar alanındaki dalga hareketinin hangi dalga teorisi bölgesi içerisinde kaldığı tespit edilebilir. Bu çalışmada dalga dikliğine göre aşağıdaki dalga sınıflandırması yapılmıştır. Derin suda (deep water); 0< BARAJ HİDROLİK YAPILARI H/L ≤ 1/16 Küçük genlikli tanh(kd) dalga (lineer/airy 22 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 waves) 1/16 H/L tanh(kd) ≤ 0.142 Stokes dalga (stokes tanh(kd) waves) < Sığ suda (shallow water) ; 322/3 HL2/d3 Küçük genlikli dalga (lineer ) < HL2/d3 ≤ Büyük genlikli dalga 322/3 (solitary waves) Yine 1976 yılında H/gT2 ve d/gT2 oranlarına bağlı aşağıdaki çalışma ise Le Mehaute tarafından hazırlanmıştır. Burada H, dalga yüksekliği; d ise su derinliğidir. Mühendis, kullandığı lineer dalga teorisinin uygunluğunu aşağıdaki abaktan sınayabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 23 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 19 - Dalga Teorilerindeki Uygulanabilir Aralık Bantları (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 24 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 20 - Derin Ve Derin Olmayan Suda Dalga Hareketi (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) Şekil 21 - Dalga Hareketi Ve Taban Etkileşimi (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 25 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.5.1.3 Lineer Dalga Teorisi Küçük genlikli dalgalar için kullanılan lineer dalga teorisinde dalga karakteristikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Tablo 2 - Lineer dalga teorisinde karakteristik dalga parametreleri (USACE Coastal Engineering Manual, Part II) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 26 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 2.5.2 Etkin Dalga Yüksekliği Kıyı hidroliğinde su yüzeyindeki dalga boyu, (L) küçük genlikli dalga teorisine göre aşağıdaki gibi dalga periyodu ve su derinliğinin bir fonksiyonu olarak ifade edilir. (19) Yukarıdaki eşitlik, rölatif derinlik ile ifade edilen d/L oranına göre aşağıdaki şekilde basitleştirilebilir. Bu eşitlik, d/L oranına bağlı olarak 3 bölümde değerlendirilmektedir. a) Derin sularda ; d/L ≥ 0.5 ......................................................................................................... için, .................................................................................kabul edilirse; olur b) (20) Geçiş aralığındaki sularda ; 0.0157 < d/L < 0.5 ........................................................................................ için, (21) b) Sığ sularda ; d/L ≤ 0.0157 .................................................................................................... için, ..............................................................................kabul edilirse ; olur BARAJ HİDROLİK YAPILARI (22) 27 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Rüzgar hızı ve etkin feç boyu için dalga periyodu (T), derin su şartları için hazırlanmış abaktan okunur. Baraj gölündeki sular genellikle derin su tanımına uygun olduğundan bu kabul ile dalga boyu aşağıdaki eşitlik ile hesaplanabilir. L = 1.56 T2 Bu dalga boyuna göre derin su kontrölü yapılabilir. d / L > 0.5 ise derin su kabulü uygundur. Değilse sığ su şartları söz konusudur ve hesaplar sığ su dalga teorisine göre yürütülür. Etkin dalga yüksekliği aşağıdaki Osean formülü hesaplanabilir. (23) Yukarıdaki işlemler hem T=1000 hem de T=10 yıl için ayrı ayrı hesaplanır. 2.5.3 Tasarım Dalga Yüksekliği belli bir katsayı ile çarparak tasarım dalga yüksekliğine (Hd) çevirir. Bu faktör, ön yüzü beton kaplı barajlarda 1.10, pürüzlü şev kaplaması olan dolgu barajlarda 1.25 alınabilir. Tasarım dalga yüksekliği hesabı için Christian Kutzner’in yazdığı “Earth and Rockfill Dams (Toprak ve Kaya Dolgu Barajlar)” adlı kaynağı (Chapter 7, pg 108, 1997) kullanılabilir. Memba yüzeyi toprak dolgu barajlar için aşağıdaki bağıntı önerilmektedir. (Poweleit, 1985) Hd = 1.25 Hs (24) Memba yüzeyi beton kaplı barajlarda ise ; Hd = 1.10 Hs (25) Yukarıdaki işlemler hem T=1000 hem de T=10 yıl için ayrı ayrı hesaplanır. 2.5.4 Dalga Tırmanması (Ru) Memba yüzeyi ve eğimine göre D/Y oranı belirlenerek tırmanma katsayısı, dalga periyodu, dalga yüksekliği ve kabarma mesafesi yardımıyla abakdan okunur. iv tan = m = D/Y BARAJ HİDROLİK YAPILARI 28 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 cot = Y/D Girdiler : Hd / L veya Hd / T2 Abaklardan tespit edilen Cu = Ru / Hd oranından Ru tırmanma yüksekliği hesaplanır. Ru = Cu × Hd (26) Bu tırmanma yüksekliği, referans iv’deki laboratuvar sonuçlarından hazırlanan abaktan hesaplandı ise, ölçek düzeltme katsayısı ile artırılır. v Tırmanma yüksekliği, dalganın geliş yönü ile baraj aksı normali arasındaki açı kadar (cos) azaltılarak batımetri düzeltmesi yapılır. Memba yüzeyi riprap ile kaplanmış toprak dolgu barajlarda dalga tırmanması aşağıdaki formülle hesaplanabilir. vi Ru = Hs / [ 0.4 + cot (Hs / L)1/2 ] (27) Burada , memba şevinin yatay ile yaptığı açıdır. Riprap yerine daha pürüzsüz bir yüzey ile kaplı ise memba yüzeyi, bu durumda üstteki formülden hesaplanan tırmanma yüksekliği 1.5 ile çarpılır. Memba yüzeyi kayadolgu ise üstteki formül yerine referans vii ‘deki abak kullanılabilir. 2.5.4.1 Su Kabarması (HW) Rüzgardan su kabarması hesaplanırken maksimum kabarma mesafesi kullanılır. Burada , dalga geliş yönü ile rüzgar esme yönü arasındaki açıdır. Rüzgar hızı (v), feç boyu (Fd), ortalama derinlik (Dd) olmak üzere su kabarması değeri Zuider Zee formülü kullanılarak hesaplanabilir. viii (28) Burada; biriminde alınırsa; k = 62000 v : km/h Fd : km Dd : m Fd : m Dd : m biriminde alınırsa; k = 4.83×106 4.9×106 63000 v : m/s Hesaplarda dalga geliş yönü ile rüzgar esme yönü arasındaki açı =0 kabul edilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 29 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ( ) Yukarıdaki işlemler hem T=1000 hem de T=10 yıl için ayrı ayrı hesaplanır. 2.6 Hava Payinin Belirlenmesi Bölüm-1’de açıklandığı gibi hava payı değeri iki ayrı koşul için hesaplanarak her iki koşulda en olumsuz değer, hava payı değeri olarak belirlenir. 2.7 Normal Hava Payı Normal hava payı için, T=1000 yıl tekrerrürlü rüzgar hızı değerleri kullanılır. Buna göre bulunan dalga yüksekliği değerine göre aşağıdaki iki parametre toplanarak normal hava payı değeri elde edilir. Dalga tırmanma yüksekliği : Ru Su kabarma yüksekliği Hnormal hava payı = Ru + Hw : Hw ile normal hava payı değeri hesaplanır. Yukarıda hesaplanan değer aşağıdaki ampirik metodlara göre hesaplanan hava payları ile de değerlendirilerek projenin özelliklerine göre mühendis tarafından normal hava payı olarak kabul edilir. Ampirik hesaba göre ; Bu konuda değişik araştırmaların çalışmaları olup bunlardan en yaygın olarak kullanılanlar aşağıda verilmiştir. Falvey, Molitor ve Stefenson’a göre aşağıdaki ampirik formül sonucu hava payı değerlerinden büyük olanı normal hava payı olarak seçilebilir. Falvey’ e göre dalga yüksekliği H = (3.1x10-4xU2+1.6x10-2xU)F1/2 (6.1) Stefenson’a göre dalga yüksekliği; H = 0.75 + 0.34×L1/2 - 0.26×L1/4 (29) Molitor’a göre dalga yüksekliği; H = 0.75 + 0.032×(U×L)1/2 - 0.24×L1/4 BARAJ HİDROLİK YAPILARI (30) 30 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 c = 1.5 + 2H (Dalga yayılım hızı ) hhp,min = 0.75 H + c2/2g (minimum hava payı) (31) (32) Normal hava payı için minimum değer, minimum hava payının belli bir emniyet katsayısı ile çarpılması suretiyle bulunabilir. Bu hesapta bu değer 1.50 olarak alınır. Normal Hava payı = k × hhp,min 2.7.1 Minimum Hava Payı Minimum hava payı için, T=10 yıl tekrerrürlü rüzgar hızı değerleri kullanılır. Buna göre bulunan dalga yüksekliği değerine göre aşağıdaki iki parametre toplanarak minimum hava payı değeri elde edilir. Dalga tırmanma yüksekliği : Ru Su kabarma yüksekliği : Hw Hmin hava payı = Ru + Hw Ampirik hesaba göre; Moliter ve Stevenson’a göre aşağıdaki ampirik formül sonucu hava payı değerlerinden büyük olanı, minimum normal hava payı olarak seçilebilir. 2.8 Kret Kotunun Belirlenmesi Normal su seviyesi ve taşkın ötelemesi sonucu bulunan taşkın su seviyesi dikkate alınarak hesabı yapılan normal ve minimum hava paylarına göre kret veya parapet üst kotu aşağıdaki işletme koşulları esas alınarak tespit edilir. Bu kot, 0.50 m’nin katları olacak şekilde yuvarlatılır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 31 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tablo 3 - Kret Kotu Tablosu Hava Payı (m) Su Seviyesi + Su Seviyesi (m) Ampirik Dalga * Hesaba Hesabına Göre Göre Hava Payı + 0 ~ 0,50 m NSS + Normal Su Seviyesi NSS A B Normal Hava Payı ( max [A,B] ) + 0 ~ 0,50 m MSS + Taşkın Su Seviyesi MSS C (Qtasarım) D Minimum Hava Payı ( max [C,D] )** + 0 ~ 0,50 m * Dalga yüksekliği, etki dalgası riski olan rezervuarlarda, etki dalgaları ve rüzgara göre hesaplanarak, büyük değer seçilir. ** Beton barajlarda, 10 000 Yıllık feyezan, MMF veya etki dalgalarının vukuunda, mansap şartlarının uygun olduğu ve baraj kreti üzerinden suyun aşmasının beton barajın emniyetini tehdit etmediği durumlarda (temel zemin şartlarının, feyezan süresinin, kret üzerinden aşan su yüksekliğinin (H0), baraj ve yamaç stabilitesinin BARAJ HİDROLİK YAPILARI 32 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 risk oluşturmaması halinde) baraj kreti üzerinden suyun aşmasına müsaade edilebilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 33 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 3 NEHİR YATAĞI SU YÜZÜ 3.1 Genel Bilgi, Tanımlar Ve Hidrolik Teori 3.1.1 Tanımlamalar Akarsu; yeryüzünde, yer altında belirli bir yatak içinde, eğim boyunca sürekli veya zaman zaman akan su olarak tanımlanmaktadır. Akarsular, aşındırma, taşıma ve yığılma ile yeryüzünün şekillenmesini etkileyen dış etkenlerden biridir. Bir akarsuyun sularını toplayan alan akarsu havzası, drenaj havzası, su toplama havzasını oluşturur ve iki komşu akarsu havzasını ayıran hatta ise su ayırım çizgisi denilmektedir. Bir akarsuyun başlangıç noktası genel olarak bir veya birden fazla kaynaktır. Akarsuyun çıktığı yere “kaynak” , çıktığı yerden ilk dereye kadar olan kesimi “kaynak deresi” dir. Daha geniş bir akarsudan veya gölgen ayrılan akarsu kesimi ise “akarsu ayağı” olarak tanımlanır. Akarsuyun deniz veya göl ile birleştiği yer ise “akarsu ağızı” olarak tanımlanır. Bir akarsu ana akarsu kolu ve ana kola bağlanan yan derelerden oluşur. Akarsu kollarından debisi daha büyük olan veya boyu daha uzun veya kaynağı daha yüksekte olanı genellikle “ana akarsu kolu” olarak isimlendirilir. Akarsuya ait ana akarsu kolu ve yan derenin birleşim yeri olan “akarsu kavşutu” olarak tanımlanır. Akarsuya ait ana kol ve yan kolların tamamının meydana getirdiği şebekeye “akarsu ağı” , “ drenaj ağı” denir. Akarsuyun taşıdığı ortalama su seviyesindeki kısmına “ akarsu yatağı” ve akarsu yatağının her iki taraftan araziye bağlayan şevli kenar şeridine “kıyı” olarak tanımlanır. Akarsuda yön kavramı suyun akış yönüne göre belirlenir, akışa göre sağ taraf “sağ kıyı” veya sağ sahil, sol taraf “sol kıyı” veya sol sahil”dir. Akarsularda ortalama su seviyesi üzerindeki debilerde su altında kalan, kıyı şeridine “taşkın (sel) yatağı denir. Tekerrür aralığı aynı olan taşkınlarda su altında kalan arazi bölümü ise “taşkın bölgesi” denir. Akarsu kesitinin incelenen en kesitinden kaynak tarafında kalan bölümüne “memba bölgesi” , ağız tarafında kalan bölümüne ise “mansap bölgesi” denir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 34 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Akarsu akımları bir tür açık kanal akımlarıdır ve açık kanal akımları su yüzeyi atmosfer ile temasta olduğu akımlardır. Bir akımda herhangi bir noktadaki hızın yönü ve değeri değişmezse, bu tip hareketlere ve rejimlere kararlı hareket veya kararlı rejim denir ve En kesite ait hidrolik parametreler; derinlik, ıslak kesit, debi gibi; sabit bir değerde olur. Eğer derinlik zamanla değişiyorsa bu kararlı olmayan akımdır. Örneğin taşkınlar kararlı olmayan akımlara örnektir. Taşkın sırasında akım derinliği taşkın dalgasının geçmesi nedeniyle ani olarak değişmektedir. 3.1.2 Hidrolik Teori 3.1.2.1 Akarsuyun Rejiminin Belirlenmesi Nehir rejimi akarsularda karşılaşılan akım durumlarından biridir. Büyük akım derinliği, küçük hız ve küçük eğim bu rejimin karakteristik özellikleridir. Nehir rejiminde akışa sahip bir akarsu üzerindeki kesit değişikliği, akımda bir düzensizlik kendini membada hissettirir. Nehir rejimi akımlar mansap kontrollü olup, yavaş değişen akılmadaki (YDA) bilinmeyen derinliği bulunmasında hesap yönü akım yönünün tersi olacak şekilde mansaptan membaya doğrudur. Vahşi dereler, dolu savakların boşaltım kanallarında sel rejimi oluşmaktadır. Küçük akım derinliği, büyük hız, büyük eğim sel rejiminin karakteristik özellikleridir. Akımdaki herhangi bir düzensizlik kendini sadece mansapta hissettirdiği için, hesap yönü mansaba doğrudur. Bu nedenle sel rejimi akımlar memba kontrollüdür. Nehir rejimi ile sel rejimini birbirinden ayıran sınıf durum kritik rejim olarak adlandırılır (33). Akarsu kesitinde su yüzeyi genişliği T ise, akımın minimum enerjise sahip olduğu durumundaki su yüzü üst genişliği de Tkr olur. Kritik akım derinliği, dkr (34) den elde edilebilir. (33) , Akımın rejim , veya davranışlarının (34) sınıflandırılmasında kullanılan boyutsuz parametreler ise “Froude (Fr)” sayısıdır. Fr atalet kuvvetinin yerçekimi kuvvetine oranıdır (35). (35) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 35 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Burada “ ” ortalama akım hızı, “D” hidrolik derinlik (36) ve “g” yerçekimi ivmesidir. (36) Nehir rejiminde; d > dkr ; su derinliği kritik derinlikten büyüktür, V < Vkr ; akım hızı kritik hızdan küçüktür, Fr < 1 ; froude sayısı birden küçüktür. Sel rejiminde; d < dkr ; su derinliği kritik derinlikten küçüktür, V > Vkr ; akım hızı kritik hızdan büyüktür, Fr > 1 ; froude sayısı birden büyüktür. 3.1.2.2 Enerji Denklemi Newton’un ikinci hareket kanununa göre kütlesi belli bir cisme veya sisteme etkiyen kuvvet, söz konusu cismin veya sistemin kuvvet doğrultusundaki momentum değişimine eşittir. , bu denklemden yola çıkılarak Bernoulli eşitliği bulunur. Bernoulli eşitliği kararlı, sürtünmesiz ortamda sıkışmaz sıvılar; ideal akışkan; için geçerlidir. Gerçekte incelenen iki kesit arasında hidrolik kayıplar oluşmaktadır. (37) ; Bernoulli eşitliği BARAJ HİDROLİK YAPILARI (37) 36 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 22 – Parametrelerin Şematik Görünüşü ; hidrolik kesite ait akım hızı (38) Bernoulli eşitliği (37) düzenlenirse; ; Hidrolik kesite ait enerji denklemi 3.2 (39) Nehir Yatağı Kapasitesinin Belirlenmesi Akarsuya ait doğal dere yatağı kesitine veya düzenlenmiş dere yatağı kesitine bağlı olarak, ıslak çevrede aynı veya farklı pürüzlülükteki akımlara ait kapasitenin belirlenmesini kapsamaktadır. Akarsu kapasitesinin belirlenmesinde Manning formülü kullanılabilir. (40) , (41) (42) R : Hidrolik yarıçap I : taban eğimi n : manning pürüzlülük katsayısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 37 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Akarsu yatağına ait bir en kesitte manning formülü kullanılarak farklı su yüksekliklerinde kesitten geçecek olan debi değerleri hesaplanabilir. Sonuçta akarsu kesitine ait anahtar eğrisi elde edilmiş olmaktadır. Şekil 23 – Örnek Anahtar Eğrisi 3.3 Nehir Yatağı Pürüzlülüğünün Belirlenmesi 3.3.1 Manning Pürüzlülük Katsayısına Etki Eden Faktörler Akarsuyun hızını (40) ve debisini bulurken kanal en kesitinin R (41) hidrolik yarıçapı ve kanal eğimi bulunduktan sonra n Manning katsayısı seçilerek hesaplar yapılır. n katsayısının seçiminde aşağıdaki etkenlerin etkisini de göz önünde tutmak gerekir. 3.3.1.1 Yüzeyin Pürüzlülüğü Yüzey pürüzlülüğü ıslak çevreyi oluşturan malzeme danelerinin boyut ve şeklini ifade eder ve akımı yavaşlatıcı etki oluşturur. Genellikle pürüzlülük katsayısının seçiminde tek etken olarak düşünülse de belli başlı etkenlerden sadece birisidir. Genellikle ince daneli malzemelerde n katsayısı düşük, iri daneli çeper malzemesinde n katsayısı yüksek bir değerdedir. Eğer çeper malzemesi ince daneli BARAJ HİDROLİK YAPILARI 38 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ise, su seviyesindeki değişimlerde n katsayısı değişmez. Çeper malzemesi çakıl ve kayalardan oluşuyorsa, düşük su seviyelerinde n pürüzlülük katsayısı aynı kesit için daha büyük, yüksek su seviyelerinde bu kesit için daha ufak bir değerdedir. Genel olarak doğal kanallarda n seçiminde bu durum göz önünde tutulmaz. 3.3.1.2 Bitki Örtüsü Akarsu yatağı içindeki bitki örtüsü de pürüzlülük katsayısı seçiminde önemli bir etkendir. Zamanla çeperde oluşan çeşitli bitki gelişimi akımın hareketine engel oluşturur, yani n pürüzlülük katsayısını arttırır. Doğal akım yataklarında bu durum çok daha belirgindir. Bir kesitten akan bir debi yaz ve kış aylarında farklı oluşan bitki örtüsünden dolayı farklı derinlik ve hızlarda geçer. Yani n pürüzlülük katsayısı aynı kesit için yaz ve kış aylarında çok farklı değerler almaktadır. 3.3.1.3 Yatak Düzensizliği Akarsularda bu tip düzensizlikler kanal yatağında oluşmuş kum yığınları, tümsekler, çukurlar ve boşluklardır. Bu düzensizlikler yüzey pürüzlülüğünü arttırır. 3.3.1.4 Yatak Eğriliği Yatak ekseninin akım boyunca eğriliği n pürüzlülük katsayısına etki eder. Eksendeki bu kıvrımlar sürüntü malzemesi birikimine neden olarak n pürüzlülük katsayısını da arttırır. Eğer akım hızı az ise, n katsayısının kıvrımlı kanallarda çok değişmediği kabul edilebilir. 3.3.1.5 Birikim ve Aşınma Akarsu yatağında biriken alüvyonlar düzensiz bir kanalı pürüzlülüğü azaltarak, n katsayısını düşürerek, düzenli bir duruma getirebilir. Aşınma durumunda ise n katsayısı artar. Yatakta oluşan birikimin nasıl oluştuğu da önemlidir. Eğer birikimler kum tepecikleri şeklindeyse bu durumda pürüzlülük artar. Kanal yatak malzemesi birikim ve aşınmada önemli bir etkendir. 3.3.1.6 Engeller Yatakta biriken kütükler, köprü ayakları ve benzeri engeller n pürüzlülük katsayısını arttırır. Artışın miktarı engelin cinsine, şekline, sayısına ve dağılımına bağlıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 39 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 3.3.1.7 Enkesitin Boyut ve Şekli Yatağın boyut ve şeklinin n katsayısına etkisinin olmadığı kabul edilebilir. Yalnız, hidrolik yarıçaptaki değişim kanalın şekline bağlı olarak n katsayısını arttırabilir veya azaltabilir. 3.3.1.8 Seviye ve Debi Genel olarak n katsayısının değeri seviye ve debi arttıkça düşer. Yatakta ki su sığ ise, kanal tabanındaki düzensizlikler açığa çıkar ve pürüzlülük etkisi artar. Fakat yüksek su seviyelerinde kanal şevlerindeki düzensizlikler ve bitki örtüsü pürüzlülüğü arttırır. Bu durum doğal kanallarda ortaya çıkar. Yapay sel yataklı kanallarda ise ana yatak ve sel yatağı aynı kaplama malzemesiyle kaplı ise n katsayısını sabit kabul edebiliriz. 3.3.1.9 Mevsimsel Değişimler Akarsu yatağında oluşan ağaç, ot ve bitki örtüsünün mevsimsel değişimlerine göre n katsayısının değeri de önemli değişiklik gösterir. Bütün bu etkenler göz önünde tutularak n pürüzlülük katsayısı tahmin edilir. Aynı zamanda kanal tipi, akım durumu ve özellikle yapay kanalların bakım sıklığı n pürüzlülük katsayısının tespitinde dikkate alınmalıdır. 3.3.2 Pürüzlülük Katsayısının Belirlenmesi Düzenlenmiş kesitlerde ve açık kanallarda manning pürüzlülük katsayısının tahmini için geliştirilen Cowan Formülü (43) kullanılır. (43) n: manning pürüzlülük katsayısı n0: kanalın içerdiği malzeme, seçiminde toprak kanallarda n0 = 0.020, kaya zeminde açılan kanallarda n0 = 0.025, çakıl zeminler için n0 = 0.024 ve kumda açılan kanallar için n0 = 0.028 değerleri alınabilir. n1: düzensizlik derecesi, bu katsayı kanal düzensizliğini içeren düzeltme katsayısıdır. Kanalı kaplayan malzeme için elde edebilecek en iyi yüzey pürüzsüz; iyi düzlenmiş kanallar, kenar şevleri biraz aşınmış ise önemsiz; kenar şevleri orta derecede düzeltilmiş kanallar için orta; şev göçmeleri oluşmuş, aşınmış, şekli BARAJ HİDROLİK YAPILARI 40 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 bozulmuş ve düzensiz kazılmış kaya kanallar için şiddetli sütunundaki değerler kullanılabilir. n2: kanal yarıçapındaki değişimler, kanal kesitinin şekil ve boyutundaki değişmeyi içeren düzeltme faktörüdür. Kanal boyutu ve şeklindeki değişim aşamalı olarak oluşmuş ise aşamalı; geniş ve dar kesitler birbirini takip ediyorsa veya şekil değişimi akımın yönünü değiştiriyorsa ara sıra değişen; geniş ve dar kesitler çok sık oluşuyorsa veya şekil değişimi akımın yönünü ani değiştiriyorsa sık değişen terimlerindeki değerler kullanılır. n3: engellerin benzer etkileri, kanalda mevcut engelleri içeren düzeltme faktörüdür. Bu katsayının seçiminde kanalda var olan birikintiler, tümsekler, kütükler, kayalar ve köprü ayakları gibi engeller göz önünde tutulur. Engellerin kapladığı alan, engellerin özellikleri ve engellerin enine ve boyuna kapladıkları alan göz önünde tutularak bu katsayısı seçilir. n4: bitki örtüsü, Bu katsayının seçiminde kanal içindeki bitki örtüsünün etkisi dikkate alınır. a) Düşük şu durumlarda geçerlidir. Ortalama akım derinliği yosun ve yabani otların derinliğinin 2-3 katı iken veya ortalama akım derinliği esnek fide ve söğüt fidelerinin 3-4 katı olduğu durumlarda, b) Orta şu durumlarda geçerlidir. Ortalama su derinliği mevcut yosun ve yabani ot tabakasının 1-2 katı olduğu, ortalama su derinliğinin köklü otlar ve ağaç fidelerinin 2-3 katı olduğu ve hidrolik yarıçapın 0.60 m’ yi geçmediği hafif çalı toplulukları ve 1-2 yaşındaki söğütlerin bulunduğu durumlarda, c) Yüksek şu durumlarda geçerlidir. Bitki örtüsü yüksekliğinin ortalama su derinliğine eşit olduğu, hidrolik yarıçapın 0.60 m’ yi aştığı söğüt ve yapraksız fidanlar varken ve hidrolik yarıçapın 0.60 m’ yi aştığı bol 1 yaşına kadarki bol yapraklı söğütlerin bulunduğu durumlarda, d) Çok yüksek şu durumlarda geçerlidir. Ortalama su derinliğinin bitki örtüsünden az olduğu, hidrolik yarıçapın 3-4 m olduğu gür söğütler ve bol yapraklı çalı örtüsü ve hidrolik yarıçapın 2-4 m olduğu büyüme sezonundaki bol yapraklı ağaçlar. m: kıvrım derecesi, bu katsayı kanaldaki mendereslenme (kıvrım) düzeyini içerir. Mendereslenme (kıvrımlılık) düzeyi kanal boyunca kıvrımlı uzunluğun düz uzunluğa oranına bağlıdır. Kıvrımlılık 1.0 den 1.2’ye kadar önemsiz, 1.2 den 1.50 değerine kadar önemli ve 1.5’dan fazla ise şiddetli olarak kabul edilir. Bu yöntemle n katsayısı bulunurken bir çok etken göz önünde tutulmalıdır. Yöntem yataktaki sürüntü malzemesi birikimini ve askı maddesi etkisini göz önünde tutmamaktadır. Genelde orta büyüklükte kanallar için geçerlidir. Hidrolik yarıçapın 4.5 m’yi geçtiği durumlarda BARAJ HİDROLİK YAPILARI 41 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 dikkatle kullanılmalıdır. Bu yöntem kaplamasız doğal kanallar, taşkın yatakları ve drenaj kanallarında uygulanabilir ve bu tip kanallarda n için minimum 0.02 değeri elde edilir. Tablo 4 – Manning Pürüzlülük Katsayısı Pürüzlülük Katsayısının Belirlenmesi KANALIN İÇERDİĞİ MALZEME DÜZENSİZLİK DERECESİ TOPRAK 0.02 KAYA 0.025 KUM 0.024 ÇAKIL 0.028 n0 PÜRÜZSÜZ 0 ÖNEMSİZ 0.005 ORTA 0.01 ŞİDDETLİ 0.02 AŞAMALI 0 n1 ARA SIRA DEĞİŞEN KANAL YARIÇAPINDAKİ DEĞİŞİMLER n2 SIK DEĞİŞEN ÇOK AŞIRI DEĞİŞKEN BARAJ HİDROLİK YAPILARI 0.005 0.01 0.015 42 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ENGELLERİN BENZER ETKİLERİ BİTKİ ÖRTÜSÜ KIVRIM DERECESİ n4 m 0 ÖNEMSİZ 1 0.01 ÖNEMSİZ 2 0.015 n3 KAYDA DEĞER 1 0.02 KAYDA DEĞER 2 0.03 ŞİDDETLİ 1 0.04 ŞİDDETLİ 2 0.06 DÜŞÜK 0.005 DÜŞÜK-ORTA 0.010 ORTA 0.025 ORTA-YÜKSEK 0.025 YÜKSEK 0.050 YÜKSEK-ÇOKYÜKSEK 0.050 ÇOKYÜKSEK 0.100 ÖNEMSİZ 1.00 KAYDA DEĞER ŞİDDETLİ BARAJ HİDROLİK YAPILARI İHMAL EDİLEBİLİR 1.15 1.30 43 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Nehir yatağına ait bazı tanımlamalara göre olması gereken n manning pürüzlülük değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tablo 5 – Düzenlenmiş Kanallar için Mannig Pürüzlülük Katsayısı Kanallar İçin Manning Pürüzlülük Katsayısı - Kanal Cidarının Cinsi n Madeni veya rendelenmiş ahşaptan yapılmış kanallar 0.011 Yağlanmış madeni kalıp ile gökülen perdahlanmış beton kaplamalı kanallar 0.011 Kalıp çıkarıldıktan sonra pürüzleri düzeltilmiş beton kaplamalı kanallar 0.013 Kalıp çıkarıldıktan sonra olduğu gibi bırakılan beton kaplamalı kanallar 0.016 Kısmen hasar görmüş eski beton 0.019 İyi işlenmiş tuğla veya taştan yapılmış kanallar 0.014 İyi yapılmış moloz taş duvar veya harçlı pere 0.018 Kuru duvar veya kuru kanallar 0.031 Çok muntazam toprak kesitli kanallar 0.019 Çakıllı kanallar 0.023 Otlanmış kanallar 0.028 Aşırı Pürüzlü kanallar (tabanda kamış, nebat kökleri, kum ve çakıl bankları) 0.040~0.048 Kaya içinde dinamitle açılarak sonradan hiçbir tashih görmemiş kanallar 0.038~0.053 Geniş ve kıvrıntılı toprak kanallar 0.023~0.030 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 44 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tablo 6 – Doğal Nehir Yataklarında Manning Pürüzlülük Katsayısı Nehir ve Tabii dereler için Manning Pürüzlülük Katsayısı - Nehir Yatağı Durumu Taban oldukça düzenli, sahilleri düz ve sağlam, hiç bitki örtüsü olmayan yataklar En kesit ve taban oldukça düzenli fakat sahiller bitki örtüsü ile kaplı En kesitlerde düzensiz, birkaç sahil kayması, kum bankları oluşmuş En kesitler düzensiz, sahillerde çok fazla kaymalar olan, oyulmalar ve kum bankları oluşmuş. En kesitler düzensiz, oyulmalar ve kum bankları oluşmuş ve nehir tabanı bitki örtüsü ile kaplı Vahşi dereler, kuvvetli bitki örtüsü, derin oyulmalar, büyük taşlar ve sahil kaymaları n 0.028~0.032 0.033~0.035 0.034~0.037 0.040~0.045 0.045~0.050 0.06 Vahşi yan dereler, düzensiz ve iri çakıllı kayalık yataklar 0.050~0.070 Feyezan yatakları ve vadi tabanları 0.038~0.048 Suyu yavaş akım, otlu veya çok derin havuzlanmalar olan bölgeler Kıvrıntılı, bazı havuzlanmalar ve ez derin kısımları bulunan otlu ve taşlı yataklar BARAJ HİDROLİK YAPILARI 0.050~0.080 0.040~0.055 45 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 3.4 Nehir Yataği Suyüzü Hesabında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Nehir yatağı su yüzü hesapları dolusavak enerji kırıcı yapı hidrolik hesaplarını, derivasyon hidrolik hesaplarını ve dipsavak dereye deşarj durumu hidrolik hesaplarını doğrudan etkilemektedir. Ayrıca barajdan dolusavak, derivasyon ve dipsavaktan bırakılan debilere ait mansap su yüzünün tam olarak belirlenmesi, mansapta yapılacak olan yeni yapıların tasarımı açısından da oldukça önem arzetmektedir. Mansap su yüzü hesaplarında kullanılan haritalar nehir yatağını tam olarak temsil etmelidir. Nehir yatağına ait en kesitlerde yatak tabanına ait topografya gerçeği yansıtmalıdır ve kesitlerde talveg tam olarak belirlenmelidir. Bu durum göz ardı edildiğinde olması gerekenden daha fazla bir nehir su yüzü seviyesi hesaplanacağı unutulmamalıdır. Nehir yatağı su yüzü hesaplarının yapılabilmesi için yeteri kadar enkesit alınmalıdır. Anahtar eğrisi belirlenecek olan baraj mansap kesitinden itibaren mansaba doğru en az 500 m’lik bir uzunluğunda ve nehir yatağını kapsayacak genişlikte topografik veri alınması yararlı olacaktır. Nehir su yüzü hesabında azami 7 kesit kullanılması önerilmektedir. Yapılan hesaplmalarda nehir üzerinde yer alan sanat yapılarının, nehir yatağına ait ani kesit daralmaları ve genişlemelerinin olduğu kesitler de su yüzü hesaplarına dahil edilmelidir. Bu gibi kesit değişimleri membada su yüzünün kabarmasına yolaçacaktır. Nehir su yüzü hesaplarında kullanılan manning pürüzlülük katsayısı nehir boyunca bazı bölümlerde farklılık gösterebilir. Belirtilen formüller ve tablolar manning pürüzlülük katsayısının belirlenmesinde yol göstericidir. Nehir yatağının eğimi belirlenirken kısa mesafelerde değişen eğimler dikkate alınmamalıdır. Nehir yatağının genişlemesi ve daralmasına veya bölgesel olarak değişen nehir yatağı yapısı nedeniyle yersel olarak yüksek eğimler ve düzlükler oluşması muhtemeldir. Fakat hidrolik hesaplarda mansap kesiti taban kotu ile yeteri kadar uzaklıktaki kesite ait taban kotu arasındaki eğim alınmalıdır. Su yüzü hesaplarında dikkat edilmesi gereken bu konular, su yüzü hesapları için geliştirilen sayısal programlar için de geçerlidir. Su yüzü hesaplarında kullanılan programlara ait girdi değerleri ve programa ait çıktı değerleri mühendis tarafından iyi değerlendirilmelidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 46 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4 DOLUSAVAK 4.1 Hidrolik Teori 4.1.1 Genel Baraj yapıları enerji, sulama ve içme suyu temini, taşkın koruma ve diğer amaçlara yönelik olarak yüzeysel suların faydasını artırmak için vadilerin kapatılması suretiyle yapılan su yapılarıdır. Yapıldığı malzeme özelliklerine ve geometrilerine göre değişik uygulama ve inşa şekilleri olan barajların en önemli yapılarından birisi de dolusavaklardır. Ana görevleri, yüzeysel akışlarla baraj ya da gölet rezervuarına gelen akımların rezervuardan ötelenmesi esnasında baraj mansabına emniyetle aktarılmasını sağlayan yapılardır. Baraj gölüne gelen bir taşkın hidrografının veya düzenli olarak gelip de yapılan işletmeler sonrasında depolama kapasitesinden fazla olan suların baraj ve tesislerine zarar vermeden mansapta nehir yatağına aktarılması, yeterli kapasitede, hidrolik ve statik bakımdan emniyetli bir savak yardımı ile mümkün olmaktadır. Dolusavak yapılarının konumu projelendirilen yapının tipine göre belirlenmektedir. Örneğin dolgu barajlarda (toprak, kaya dolgu) dolusavak yapıları zorunluluk olmadığı sürece yamaçlarda teşkil edilirler. Beton ağırlık ve kemer barajlarda ise dolusavak yapısı baraj gövdesi üzerine yerleştirilirler. Dolusavak yapıları değişik özelliklerinin değerlendirilme şekillerine göre sınıflandırılırlar. Bu özellikleri suyu alış şekilleri, geometrik özellikleri, kullanıldığı malzemeler, denetim şekilleri vb. olmaktadır. Genel anlamda çoğu yayında ortaklaşılan sınıflama şekilleri aşağıdaki gibi olmaktadır. Denetim durumlarına göre genelde iki gruba ayrılırlar; Serbest Akışlı Dolusavaklar Kapaklı Dolusavaklar Su Alış Konumlarına Göre; Karşıdan alışlı dolusavaklar: Boşaltım kanalına dik veya dike yakın bir açı oluşturan dolusavak yapıları; Doğrusal eşikli Dairesel eşikli (Radyal) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 47 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kademeli eşikli Orifis eşikli Labirent Basamaklı Özel şekilli (yelpaze, ördek gagası papatya, T tipi) Yandan alışlı dolusavaklar: Dolusavak eşik yapına paralel bir boşaltım kanalı olan dolusavaklar; Tek yandan alışlı İki yandan alışlı Üstten alışlı dolusavaklar: Eşik yapısı düşey veya eğik bir boşaltım kuyusu üzerine oturan dolusavaklar (Kuyulu savaklar); Dairesel kuyulu Sifonlu kuyulu Dolusavak yapılarını görevlerini yerine getirme özelliklerine ve oluşan akın koşulları göz önüne bulundurularak bir değerlendirme yaptığımızda 4 ana bölüm altında sınıflanabilir. Genel görünüşü Şekil 24 - Dolusavak Yapısının Ana Bölümlerinin Şematik Görünüşü’de verilen olağan özellikli bir dolusavak yapısının bölümleri; Yaklaşım kanalı Dolusavak Eşik yapısı Boşaltım kanalı Enerji kırıcı yapılarıdır BARAJ HİDROLİK YAPILARI 48 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 24 - Dolusavak Yapısının Ana Bölümlerinin Şematik Görünüşü Dolusavak üzerindeki akımın teorisi çoğunlukla deneysel katsayılara dayanmaktadır. Bu nedenle tasarımcı, tasarım amacına bağlı olarak bu katsayıların alt ve üst sınırlarıyla olduğu kadar ortalamalarıyla da ilgilenmelidir. Tasarımcı dolusavak debi kapasitesini hesaplarken maksimum kayıp katsayılarını ve enerji kırıcı tasarımında ise hızları hesaplarken minimum kayıp katsayılarını kullanabilir. Planlama aşamasında, dolusavak hidrolik modeli ve prototipi hakkındaki bilgiler çoğaldıkça, tasarımda kullanılan minimum ve maksimum katsayılar arasındaki fark da azalır. Dolusavak boyutu genellikle, belirli bir rezervuar kotunda, tasarım (taşkın) debisinin tümünü taşıyabilecek kapasiteye göre belirlenir. Ancak savaktan geçecek her debi için hidrolik hesapların tekrar edilmesi gereklidir. Rezervuar kotu çoğunlukla ya maksimum işletme seviyesidir ya da bu seviyeden daha büyük bir sürşarj (ek yük) kotudur. Dolusavağın hidrolik hesaplamaları, çoğunlukla aşağıdaki dört farklı akım rejimi ile ilgilidir; Dolusavak yaklaşımında akımın nehir rejiminde olduğu durum; başlangıçta akım membada yavaşken, krete yaklaştıkça hızlanır. Su dolusavağın kretinden geçerken oluşan kritik akım durumu. Savak boşaltım kanalında oluşan sel rejimindeki akım durumu. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 49 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Savak boşaltım kanalı sonundaki akımın, eğre enerji sıçratma eşiği ile kırılmıyorsa, sel rejiminden nehir rejimine geçtiği geçiş akımı. Bu dört farklı akım durumu Şekil 25 – Dolusavak Akım Koşulları’de verilen tipik dolusavak boy Şekil 25 – Dolusavak Akım Koşulları kesitinde gösterilmiştir. Akımın, düşüm yatağında, sel rejiminden nehir rejimine geçişi çoğunlukla önemli bir enerji kırılması sağlar. Hidrolik enerjinin kırılması, hidrolik sıçrama, çarpma ve dağılma gibi çeşitli yöntemlerle sağlanır. Kullanılan enerji kırıcının tipi, arazinin topoğrafyası, jeolojisi, baraj tipi ve kırılacak enerjinin büyüklüğü gibi faktörlere bağlıdır. Baraj yüksekliği arttırılarak maksimum işletme seviyesi üstünde nispeten büyük bir biriktirme kapasitesi sağlanabilir. Böylece, taşkın hacminin bir kısmı rezervuar taşkın depolama alanında depolanarak sağlanan ötelenmenin etkisiyle dolusavak boyutu küçültülebilir. Taşkın depolama hacminin kullanımı, daha geniş ve/veya daha derin bir dolusavağın maliyeti ile baraja eklenecek yüksekliğin maliyetinin karşılaştırılmasını kapsayan ekonomik analizi gerektirir. Ayrıca kapaklı dolusavak tasarımlarında maliyetler hesaplanırken, kapak yüksekliği ve kapak sayısı ile ayakların maliyetleri de gözönüne alınmalıdır. 4.1.2 Dolusavak Debisi 4.1.2.1 Genel Ogee kretli dolusavak, esas olarak, ince (keskin) kenarlı savak üzerindeki akımın alt napı aşağısında kalan kısmın beton ile doldurulmasıyla sağlanır. Dolusavak kreti üzerindeki debi, ince kenarlı savak için geçerli kısıtlar gözönüne alınarak aşağıdaki bağıntıyla belirlenebilir: BARAJ HİDROLİK YAPILARI 50 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 (44) Bu bağıntıda: debi, debi katsayısı, etkili kret genişliği, ve = yaklaşım hız yükü, 'yı içeren, kret üzerindeki toplam yüktür. Kret üzerindeki toplam yük, ; yaklaşım kanalı sürtünme kayıplarını, memba kanalının eğriselliğinden kaynaklanan kayıpları, giriş kesitindeki kaybı ve geçiş kayıplarını içermemektedir. Bu nedenle, eğer yaklaşım kanalında kayda değer kayıplar hesaplanıyorsa, bu kayıplar rezervuar su seviyelerinin belirlenmesinde gözönüne alınmalıdır. Dolusavak kret şeklini, basınçlarını, debi katsayılarını belirlemek için yapılan araştırmalar ve deneysel çalışmalar, dolusavakların çeşitli tasarım debilerinde, yapısal boyutlarının en aza indirgenerek tasarlanmasına izin vermektedir. Dolusavak kret tasarımında tasarım dolusavak yükü, kret üstündeki toplam enerjiden küçük seçilebilir. Tasarım-altı bu durum için aşağıdaki eşitsizlik geçerlidir; (45) Bu eşitsizlikte, , kret tasarım yükünü göstermektedir. Tasarım yükü, ogee kret şekli bağıntısının en önemli parametresidir. Tasarım-altı belirlenen kret, ince kenarlı savak üzerindeki debi katsayısında önemli bir artış sağlamakla birlikte kret yüzeyinde de hidrodinamik basıncın düşmesine neden olur. Bu tür bir tasarımda, oranına bağlı olarak, tepe basıncı atmosfer basıncının oldukça altına düşebilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 51 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.1.2.2 Etkili Kret Genişliği Orta ve kenar ayaklar dolusavak debisini etkili bir biçimde düşürür. Orta ve kenar ayaklarının bulunduğu dolusavak tasarımlarında, efektif kret genişliği , dolusavak net genişliğinden göre daha küçük olur. Bu daralmanın etkisi, kret genişliği aşağıdaki verilen bağıntıyla azaltılarak gözönüne alınabilir; (46) Bu bağıntıda: etkili kret genişliği, net kret genişliği, orta ayak sayısı, orta ayak büzülme katsayısı ve kenar ayak büzülme katsayısıdır. 4.1.3 Yaklaşan Akımının Etkisi Dolusavak debi katsayısını etkileyen diğer bir etken de yaklaşım kanalındaki akım koşullarıdır. Bu etki, oranıyla belirlenir. , dolusavak kret ile yaklaşım kanalı tabanı arasındaki düşey mesafedir. Yaklaşım kanalı derinliği P, tasarım dolusavak yükü ’a göre daha küçük ise ( daha önemli olmaya başlar. Bu nedenle ), yaklaşım hızının debi katsayısına etkisi olması durumunda, yaklaşım kanalı derinliğinin debi katsayısına etkisi ihmal edilmemelidir. Ayrıca debi katsayısını BARAJ HİDROLİK YAPILARI 52 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 etkileyen diğer bir etken ise dolusavak memba yüzünün eğimidir. Örneğin, olduğu durumlarda daha dik memba yüzü eğimlerinin debi katsayısını arttırdığı söylenebilir. Tüm bunlara ek olarak, yaklaşım kanalının plandaki şeklinin de dolusavak debi karakteristiklerini etkilediğini unutmamak gerekir. Ancak plan şeklinin etkileri topografyaya özgü fiziksel hidrolik modellerin uygulanmasıyla çözülebilir. Bazı hallerde ise, iki boyutlu sayısal modeller yeterli olabilir. Basit bir yaklaşım kanalında ise standart adım yöntemiyle su yüzü profilini hesaplamak yeterli olacaktır. 4.1.3.1 Eğimler Bir dolusavaktan geçen kararlı akımın incelenmesinde göz önüne alınan temel ilke, Bernoulli bağıntısıyla ifade edilen enerjinin korunumu kanunudur. Enerji denklemi, bir kesit üzerinde herhangi bir noktadaki suyun enerji yüksekliğini gösterir ve şu şekilde ifade edilir; (47) Burada, karşılaştırma düzlemine göre toplam enerji yüksekliği (m) geometrik yükseklik (m), o noktadaki basınç (kg/m2), suyun özgül ağırlığı (kg/m3), enerji düzeltme katsayısı, ortalama akım hızı (m/s) ve BARAJ HİDROLİK YAPILARI 53 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 yerçekimi ivmesidir (m/s2). Bu bağıntıdan da görüldüğü gibi, enerji yüksekliği geometrik yükseklik, basınç yüksekliği ve hız yüksekliğinin toplamına eşittir. Düzgün biçimli kanallar için yapılan hesaplamalarda, enerji düzeltme katsayısı 1.00 alınabilir. 4.1.3.2 Hidrolik ve Enerji Çizgisi Eğimleri Ortalama basınç eğimi olarak da bilinen hidrolik eğim çizgisi serbest su yüzeyinde, serbest su yüzünün altında ya da üstünde olabilir. tanımlanırsa, dolusavak tabanına göre o noktadaki piezometrik eğim seviyesini gösterir. Dolusavak boyunca herhangi bir noktada ortalama basınç eğimi, her zaman enerji eğim çizgisinin o noktadaki hız yüksekliği kadar aşağısındadır. Ortalama basınç eğimi, dolusavak yüzeyine etkiyen basıncı ve kavitasyon potansiyelini belirlerken gerekli ve yararlıdır. Çoğu serbest yüzeyli akım için derinliğidir ve kanal tabanına diktir. nedenle, terimi ile değiştirilebilir. Akım ise kanal tabanının yatayla yaptığı açıdır. Bu toplamı su yüzeyinin yüksekliğine eşittir ve serbest yüzey en kesitte her nokta için hidrolik eğim çizgisidir. Bu kabule göre bir noktadaki basınç dağılımı hidrostatik olmalıdır. Bu şart akımın düşey ivmesinin ve yatay eğiminin önemsiz olduğu durumlarda meydana gelir. Hidrostatik olmayan basınç dağılımı, 'nın birden farklı olduğu durumlarda meydana gelir. Dik yatak eğimlerine bağlı olarak basınç dağılımının değişmesi, dik dolusavak düşüm yataklarında enerji denkleminin kullanılamayacak olduğu anlamına gelmez. Sadece tasarım mühendisinin hesaplanan değerlerin gittikçe hatalı olacağının farkında olması gerektiği anlamına gelir. Bu durum dolusavak tasarlarken fiziksel model çalışmalarının gerekli olabileceğini gösteren temel sebeplerden biridir. 4.1.3.3 Ortalama Dolusavak Basınç Hesabı Dolusavak boşaltım kanalı boyunca herhangi bir noktadaki ortalama basınç, enerji denkleminde ifade edilen enerjinin korunumu kanununun kullanılması ile belirlenir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 54 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Enerjinin korunumu kanunu; dolusavağın herhangi bir noktasındaki enerjinin, mansap kısmındaki herhangi bir noktasındaki enerji ile her iki nokta arasında kaybolan enerjinin toplamına eşit olduğunu ifade eder. Bu ise su yüksekliği cinsinden (48) şeklinde ya da hidrolik varsayıma göre de aşağıdaki gibi yazılabilir. (49) Bu bağıntıda, 4.1.3.4 iki kesit arasındaki toplam enerji kaybıdır. Dolusavak Enerji Kaybı Dolusavaktan geçen akımda hidrolik enerji kayıplarının belirlenmesi, kenar duvarların, orta ayakların ve çıkış yapılarının hesabında çok önemlidir. 4.1.3.5 Sürtünme Kayıpları Sürtünme kayıplarının hesabında Darcy-Weisbach, Chezy ya da Manning bağıntılarından herhangi biri kullanılabilir. Manning sürtünme katsayısı, deneysel olarak elde edilmiş olduğundan elde edildiği koşullardan farklı bir ortamda uygulandığında doğruluğu kısıtlanmaktadır. Ancak kolay uygulanabilirliği ve uygulamalardan genellikle iyi sonuçlar elde edilmesi nedeniyle çoğunlukla Manning yöntemi kullanılmaktadır. Manning sürtünme kaybı aşağıdaki gibi elde edilir: (50) Bu bağıntıda; kanal uzunluğu boyunca sürtünme nedeniyle oluşan enerji kaybı, kanal uzunluğu, manning sürtünme katsayısı, BARAJ HİDROLİK YAPILARI 55 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 hidrolik yarıçap de hızdır. Manning sürtünme katsayısı, eğer Chezy sürtünme katsayısı ya da Darcy- Weisbach sürtünme katsayısı biliniyorsa aşağıda verilen bağıntılarla hesaplanabilir; (51) (52) 4.1.3.6 Yersel Yük Kayıpları Yersel yük kayıpları çoğu dolusavak için çok küçük olduğundan ihmal edilebilir. Yersel yük kayıpları deneyimle belirlenmiş aralıkların dışına çıkarsa, model çalışması gerekebilir. 4.1.3.7 Kavitasyon Dolusavaklarda kavitasyon akım içinde basınç azalması sonucu oluşan buhar boşlukları ve kabarcıkların betona verdikleri hasara denir. Dolusavak deşarj kanalı tasarımı yapılırken kavitasyon riski araştırılmalı ve gerekiyorsa önlem alınmalıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 56 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.2 Tasarım Debilerinin Belirlenmesi Tablo 7 – Tasarım Debisi Seçimi ile İlgili DSİ Genelgesi Baraj Tipi Tasarım Debisi Açıklama Dolgu Barajlar Muhtemel Maksimum Feyezan (MMF) Kapaklı veya Kapaksız bütün dolusavaklar için taşkın ötelemesi yapılarak tespit edilecektir. Beton Barajlar (Silindirle Sıkıştırılmış Beton Barajlar dahil) 10 000 Yıllık feyezan veya MMF Dolusavak vukuunda, mansap şartlarının Kapasitesi 1000 uygun olması halinde ve baraj kreti yıl tekerrürlü üzerinden suyun aşmasının beton feyezanlar Taşkın ötelemesi barajın emniyetini tehdit etmeyeceği durumunda baraj kreti üzerinden 10 000 yıl suyun aşmasına müsaade tekerrürlü edilebilecektir. feyezanlar Bu tablo baraj kategorisine giren (Yüksekliği 25 m’den büyük veya depolaması 1 hm3’den büyük yapılar) yapılar için kullanılacaktır. 4.3 Dolusavak Tipleri Ve Hidroliği 4.3.1 Dolusavak Tipleri 4.3.1.1 Genel Temel olarak dolusavaklar kontrollü ve kontrolsüz olarak calışma şekillerine göre ayrılsalar da, teknik olarak en belirgin özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır. Buna gore dolusavaklar; “karşıdan alışlı”, “yandan alışlı”, “labirent”, “şaft”, “menfez ve tünel”, “sifonlu”, “basamaklı” ve “serbest jet düşümlü” olarak adlandırılarak ayrılırlar. Her tür dolusavak kendi karakteristik özelliğine gore değerledirilip hesaplanmaktadır. 4.3.1.2 Karşıdan Alışlı Dolusavaklar Suyun kretin üzerinden serbestçe savaklandığı dolusavak tipidir. Burada akım dolusavak kretine dik girer yön değiştirmeden yoluna devam eder. Hidrolik hesaplamaları “Kontrollü ve kontrolsüz dolusavaklar için hidrolik teori” alt başlığında verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 57 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.3 Yandan Alışlı Dolusavaklar Yandan alışlı savakların, topografyaya kolayca uyum sağlayan ve taşkını en ekonomik şekilde ya derin ve dar bir kanal yardımıyla ya da bir tünel boyunca açık kanal akımıyla ana akarsu yatağına döndüren belirli bir üstünlükleri vardır. Geleneksel yan savak, suyun dar bir kanala boşaldığı bir taşkın savağından oluşur. Dar kanalın içindeki akımın yönü yaklaşık olarak savak kretine paraleldir. Geleneksel yan savaklı dolusavak, kretine memba kısmında kanala dik kısa bir kret uzunluğu eklenirse L şekilli dolusavak olarak adlandırılır. Akımın karışık doğası nedeniyle, uygunluğu sağlamak ve son tasarımın ekonomik detaylarını belirlemek için normal koşullarda hidrolik model çalışmaları gerekebilirii. Barajlarda kontrol yapısı olarak yandan alışlı dolusavak karşıdan alışlı savak düzenlemesi için yeterince genişliğin bulunmadığı durumlarda, kemer baraj düzenlemesinde savağı baraj kreti üzerinde düzenlemenin mansapta oyulma yaratacağı durumlar ile topografyanın karşıdan alışlı bir savak ile yerleştirilmesine imkân vermediği durumlarda yapılır. Bu tip seçiminde büyük debilerde tekne kısmı beton kaplamasının zemine ankrajı gözönünde bulundurulması öneriliriii. 4.3.1.3.1 Kret Tasarımı Yan savaklarda kret şekli tasarımı ve debiyi belirlemek için karşıdan alışlı dolusavaklardaki prensipler kullanılabilir. 4.3.1.3.2 Kanal Tasarımı Yan savak kanalındaki akımın hidroliği lineer momentumun korunumu kanununa dayanmaktadır. Kret üzerindeki akımın enerjisinin türbülans tarafından kırıldığı, akımın daha sonra dönerek yan savak kanalındaki akım ile karıştığı ve kanaldaki boyuna hareketi oluşturan kuvvetin ise yerçekiminden kaynaklandığı kabul edilir. Diğer bir kabul ise kanaldaki sürtünme direncinin hesapların doğruluğunu etkilemeyecek kadar küçük olduğudur. Bu kabullerin doğruluğu model araştırmaları ve prototip deneyimleri ile gösterilmiştir. Yan savak kanalının herhangi bir kısa diliminde, dilimin başlangıcındaki momentum ile dış kuvvetlerden kaynaklanan momentumun toplamı dilimin sonundaki momentuma eşit olmalıdır. Aşağıdaki bağıntıda, BARAJ HİDROLİK YAPILARI dilimin membasındaki hız ile 58 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 debiyi, ise dilimin mansabındaki hız ile debiyi göstermektedir. kret üzerindeki birim debidir. (53) Bu eşitlik yardımıyla yan savak kanalında kısa bir yüzündeki yükseklik değişimi olan uzunluğundaki dilim için su aşağıdaki bağıntılardan biri kullanılarak hesaplanılabilir. (54) Ya da benzer şekilde, (55) Yukarıdaki bağıntılarda dilimin başlangıcındaki değerleri, ise dilimin sonundaki değerleri göstermektedir. Seçilen bir kontrol noktasından başlayarak, yeterince kısa ardışık dilimler için yan savak kanalının su yüzü profili, bu denklemlerin deneme-yanılma yoluyla çözülmesiyle elde edilebilir. Uzunluğundaki herhangi bir kanal dilimi için başlangıç ve bitiş debileri bilindiğinden, dilimin bir ucundaki su derinliği biliniyorsa diğer ucundaki su derinliği hesaplanabilir. Akımın derinliği ve akımın hidrolik karakteristikleri, incelenen kanal dilimi boyunca kritik akım şartlarından ve belirli bir kontrol noktasındaki kabarmadan etkilenebilir. Eğer kanaldaki su derinliği, minimum özgül enerji derinliğinden büyük ise, taban eğiminin kritik eğime göre durumuna ya da mansap kontrol kesitinin etkisine bağlı olarak akım sel rejiminde ya da nehir rejiminde olabilir. Taban eğimi, kritik eğimden büyükse ve yan kanal hendeği aşağısında bir kontrol kesiti oluşturulmamışsa, kanal boyunca sel rejimli bir akım oluşur. Hızlar yüksek ve akım derinliği sığ olduğu bu durumda hazne ile hendekteki su seviyeleri farkı Şekil 26’de gösterilen B profilinde olduğu gibi fazladır. Tersine, eğer hendeğin mansabında bir kontrol kesiti yerleştirilirse kanalda nehir rejimi oluşur. Bu durumda ise hızlar kritik hızdan az BARAJ HİDROLİK YAPILARI 59 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 olduğu ve daha büyük bir su derinliği oluştuğu için Şekil 26’de gösterilen A’ profilinde olduğu gibi rezervuar ve kanal su seviyeleri arasındaki fark azdır. Şekil 26 - Yandan Alışlı Dolusavak Akım Karakteristikleriiv Şekil 26b’de verilen yan savak kanalı kesitinden anlaşılabileceği gibi kanalda nehir rejiminin oluştuğu durumlarda, gelen akımın düşme yüksekliğinin azlığı enine yüksek hızların oluşmasını engelleyecektir. Böylece gelen hızlar ve kanaldaki akım hızları nispeten düşük olduğundan, akım ile hendekteki su kütlesinin iyi bir biçimde karışması (difüzyonunu) sağlanır. Bu ise yan kanalda nispeten daha düzgün bir akım demektir. Eğer kanalda sel rejimi varsa, kanaldaki hızlar yüksek olacak ve yüksek enerjili enine akımın kanal akımı ile birleşimi daha şiddetli ve türbülanslı olacaktır. Enine akımlar, kanal akımını aşağı süpürerek şiddetli dalga hareketleri ve buna bağlı olarak titreşimler doğuracaktır. Bu yüzden iyi bir hidrolik işleyiş için BARAJ HİDROLİK YAPILARI 60 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 kanalda akımın nehir rejiminde tutulmalıdır. Bu ise yan kanalın mansabında bir kontrol kesiti planlanarak sağlanabilir. Yan kanal hendeğinin en kesit şekli, bir taraftan akımın üzerinden aştığı kretten diğer yandan ise yamaç şartlarından etkilenir. Yan kanal akımındaki türbülans ve titreşimler nedeniyle yan kanal sağlam bir temel ya da ana kaya üzerinde düşünmelidir. Bu yüzden yan kanalın şevleri genellikle betonla kaplanır ve ankrajlarla ana kayaya bağlanır. Yan kanal hendeğinden yaygın olarak kullanılan kesit yamuktur. Böyle bir kanalın genişliği derinliği ile karşılaştırılarak belirlenebilir. Eğer genişliğin derinliğine oranı fazlaysa, Şekil 27’teki abfg kesitinde gösterildiği gibi su derinliği sığ ve gelen akım ile kanal akımı arasındaki karışım zayıf olur. En iyi hidrolik performansı sağlayan kesit, genişliğin derinliğe oranını en küçük yapan Şekil 27’teki adj kesitidir. Bununla birlikte inşaat aşamasındaki zorluklar göz önüne alındığında tabanda belirli bir genişliği ihtiyaç vardır. Ayrıca yamaçlar ve yapının stabilitesi de göz ardı edilmemelidir. Çünkü yamaçta çok derin kazılar tehlikeli olabilir. Bu sebeplerle, kanal tabanı için minimum bir genişlik seçilirken hem yapısal hem de uygulama koşullarına dikkat edilmelidir. Şekil 27 - Kanal Hendeği Kesitleriv Yan kanal hendeği mansabında bir kontrol kesiti, kanal daraltılarak ya da taban seviyesi değiştirilerek oluşturulan bir kritik akım noktasıyla elde edilebilir. Kontrol kesiti membasındaki akımlar nehir rejiminde olmalı ve yan kanal hendeğinde maksimum derinlik sağlanmalıdır. Yan kanal tabanı ve kontrol kesiti boyutları ise, BARAJ HİDROLİK YAPILARI 61 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 kret üzerinde batmış akıma izin vermeyen mümkün en büyük derinliği sağlayacak biçimde seçilmelidir. 4.3.1.4 Labirent Dolusavaklar 4.3.1.4.1 Giriş Labirent dolusavakların deşarj kapasiteleri toplam yükün, etkili kret uzunluğunun ve deşarj katsayısının bir fonksiyonudur. Deşarj katsayısı ise toplam yüke, savak duvarı yüksekliğine, kret şekline, labirent dilimi uç noktası şekline ve yan duvarların açısına bağlı bir katsayıdır. Yan duvarları 6o ve 35o arasındaki açılara sahip labirent dolusavakların projelendirme yöntemi verilmiştir. Bu projelendirme yöntemi, yan duvar açıları ve labirent göz sayısının istenen genel yerleşim ve deşarj kapasitesi elde edilene değin değiştirilebilmesine olanak tanır. Labirent dolusavakların projelendirilmesinde detaylı kriterler bulunmasına rağmen bu tip dolusavakların kapasiteleri ve performanslarının hidrolik model çalışmaları ile de test edilmesi önerilir. Hidrolik model çalışmaları projelendirme metodlarında yer almayan yaklaşım kanalındaki olağan dışı akım koşulları ve deşarj kanalındaki akım koşulları gibi etkilerin gözönüne alınması olanağını sağlar. Labirent dolusavaklar Şekil 28'de de görüldüğü gibi belirli bir dolusavak genişliğinde doğrusal dolusavaklara nazaran planda çok daha uzun bir kret uzunluğu sağlayan serbest yüzeyli akımın yer aldığı bir dolusavak tipidir. Bu dolusavaklar standart Ogee profillerine veya doğrusal tipteki dolusavaklara göre bazı avantajlara sahip olup toplam kret uzunlukları genellikle standart bir dolusavağın kret uzunluğunun 3 veya 5 katı olmaktadır. Deşarj kapasitesi ise su yükü ile değişmekte olup aynı genişlikteki doğrusal veya standart bir dolusavak deşarj kapasitesinin yaklaşık iki katı olmaktadır. Labirent dolusavaklar belirli bir kret kotu ve dolusavağın yerleştirileceği genişlik değiştirilmeden dolusavak deşarj kapasitesini arttırmak veya kret kotunu yükselterek deşarj kapasitesini düşürmeden rezervuarın depolama kapasitesini arttırmak amaçları ile kullanılabilir. Labirent dolusavakların projelendirilmesinde gözönüne alınan değişkenler kret uzunluğu, dolusavak genişliği, kret yüksekliği, labirent savak yan duvar açısı, labirent göz sayısının yanı sıra duvar kalınlığı, kret şekli, labirent uç formu gibi daha az etkili değişkenlerdir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 62 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Labirent dolusavaklarının davranışı ve performansı ile ilgili olarak Taylor (1968) tarafından çok detaylı çalışmalar yapılmıştır. Hay ve Taylor 5 tarafından yapılan çalışmalarda ise üçgen ve trapezoidal forma sahip labirent dolusavakların projelendirme metodu ve deşarj kapasiteleri ele alınmıştır. Darvas 4 ve Mayer 11 tarafından yapılan bir çok model çalışması ile bazı barajlara uygulanan labirent dolusavaklar incelenmiştir. Lux 10 ise laboratuvar test kanallarında ve uygulanacak projeler üzerinde yaptığı çalışmalarda labirent dolusavakların hidrolik performansını incelemiş ve deşarj kapasitesi ile ilgili bir eşitlik geliştirmiştir. USBR tarafından bu konuda yapılan çalışmalarda Ute ve Hyrum Barajının labirent dolusavakları test edilmiştir, 7, 8. Ute Barajının 10 gözlü olan ve Hay ve Taylor proje eğrisine göre 5 projelendirilen labirent dolusavak model çalışmalarında dolusavağın maksimum göl kotunda proje debisini geçiremediği tespit edilmiştir. Modelden elde edilen sonuçlarla Hay ve Taylor proje kriterleri arasındaki farkın su yükü tanımındaki farklılıktan oluştuğu belirlenmiştir. Houston 7,8 ve Lux 10 projelendirme eğrilerinde kret üzerindeki piyezometrik yük yerine toplam yükü gözönüne almıştır. Toplam su yükü yerine piyezometrik yükün kullanılması yaklaşım kanalı hızları arasındaki farklılıkları gözönüne almaması nedeniyle sonuçta önemli oranda farklılıklara neden olmuştur. USBR da Ritschard Barajı labirent dolusavağı model çalışmaları tamamlanmıştır, 15. Bu model çalışmasından elde edilen sonuçlar Standley Lake labirent dolusavağının projelendirilmesinde de kullanılmıştır, 14. Bu güne değin birçok araştırmacı labirent dolusavaklar ile ilgili bilgilerin arttırılması ve projelendirmenin basitleştirilmesi için birçok çalışma yapmıştır. Utah su kaynakları laboratuvarında (UWRL) çeşitli kret formlarına sahip labirent dolusavakların deşarj katsayılarını elde etmek için birçok araştırma yapılmıştır, 2, 16. Bir metre genişliğindeki bir laboratuvar kanalında yapılan model çalışmalarında plan görünüşü ve formları Şekil 28'de verilen bir labirent dolusavak kullanılmıştır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 63 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 28 - Labirent Dolusavağın Genel Yerleşimi ve Detayları Bu çalışmada kullanılan savak yüksekliği 152 ve 229 mm arasında, Ht / P oranı 0,05-1 arasında değişmiştir. Bu çalışmalardaki labirent yan duvar açısı 6o ile 35o arasında değiştirilmiştir. Modelde daha fazla kullanılan savak 152 mm yüksekliğinde ve 25,4 mm kalınlığında, çeyrek ve yarım dairelik kret formlarına sahip savak olmuştur. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar bir veri tabanı ve projelendirme yönteminin geliştirilmesine yardımcı olmuştur, [1]. Özel kret geometrilerine dayanan bu yöntem yan duvar açıları ve göz sayısı konusunda tam bir esnekliğe sahiptir. Ancak labirent yüksekliği ve genişlik/uzunluk oranı değerlerinde bazı sınırlamalar koymuştur. Bu yöntem ile hazırlanan projelendirme tablosuna seçilen başlangıç verilerinin girilmesi ile bu verilere en uygun labirent dolusavak boyutlarını elde etmek mümkündür. Bu yöntem ile başlangıç değerleri değiştirilerek proje debisini aynı su yükünde geçirebilen birçok labirent savak boyutları ve yerleşimleri elde edilebilir. Ancak nihai seçim projenin genel yerleşimi, maliyet ve uygun bir çıkış hidrografı gibi konular da gözönüne alınarak yapılır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 64 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.4.2 Labirent Savakların Sağladığı Avantajlar Son yıllarda dolusavak deşarj kapasitesinin arttırılması için uygulanan etkili bir yöntem de labirent dolusavaklardır, (Şekil 29). Labirent dolusavakların başlıca avatajları aşağıdaki gibi sıralanabilir. Genellikle trapezodial plan formları tercih edildiği için labirent dolusavaklarda kret uzunluğu oldukça artmaktadır. Bu da sabit bir su yükünde dolusavaktan deşarj edilen debiyi arttırmaktadır. Büyük debileri daha küçük su yüklerinde geçirebilme özellikleri bu tip yapıların daha çok uygulama bulmasına olanak tanımaktadır. Arazide dolusavağın yerleştirileceği bölgenin genişliğinin kısıtlı olduğu veya rezervuardaki taşkın öteleme hacminin kısıtlı olduğu durumlarda membaya yönelik geometrisinden dolayı savak kret uzunluğunu arttırarak avantaj sağlamaktadır. Kapaklı dolusavaklara nazaran daha düşük maliyettedirler. Aynı savak kret kotunda labirent dolusavaklar kontrolsuz sabit savaklara nazaran daha aynı debiyi düşük bir su yükünde geçridikleirnden dolayı baraj gövdesi kret kotunun düşürülmesine de olanak tanırlar. Bunun yanında gövde kret kotunun diğer kontrolsuz dolusavaklardakiler ile eşit tutulması durumunda, klasik kontrolsüz dolusavaklara oranla rezervuarın aktif depolama kapasitesini arttırır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 65 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 29 - Bir Labirent Dolusavak ve Kontrolsuz Dolusavağın Şematik Görünüşü DSİ TAKK Daire Başkanlığı Hidrolik Model Laboratuvarı Şube Müdürlüğü’nde labirent dolusavakların diğer klasik dolusavaklara göre avantajlarını belirlemek amacıyla Kızılcapınar Barajı ve HES, Sarıoğlan Barajı dolusavak ve Belkaya Barajı Yan Dolusavak modellerinde çalışmalar yapılmşıtır. Bunlardan Kızılcapınar Barajı ve HES ve Sarıoğlan Barajı dolusavaklarının kret formları radyal doğrultuda karşıdan alışlı Belkeye Barajı Dolusavağı ise yandan alışlıdır. 1/40 Ölçekli olarak yapılan Kızılcapınar Barajı ve HES dolusavak model çalışmaları sunucunda orijinal proje durumunda projelendirilen radyal dolusavağın 74,50 m olan kret uzunluğu labirent savak ile aynı genişlikte 240 m’ye çıkarılmıştır. Yapılan model çalışmalarında radyal dolusavak yerine labirent dolusavak uygulanması durumunda radyal savakta 114,88 m göl su seviyesinde geçirilen Qmax = 2270 m3/s’lik maksimum debi, labirent savakta (P= 4 m, D1 = 6 m) 1,88 m daha düşük seviyede deşarj edilebilmektedir. Bu durumda baraj gövdesi kret kotunun 2 m düşürülebilmesi mümkün olacaktır. Bunun yanısıra labirent savağın uygulanması durumunda orijinal proje durumundaki yaklaşım kanalı kotuna nazaran 2,50 m derinliğinde ilave bir kazı gereksinimi ortaya çıkmıştır. 1/40 Ölçekli olarak yapılan Sarıoğlan Barajı dolusavak modelinde ise genişliğ sabit tututlmak koşuluyla 80 m olan savak kret uzunluğu labirent savakla 358,40 m’ye çıkarılmıştır. Yapılan birinci kısım model çalışmalarında dolusavak kret kotu sabit BARAJ HİDROLİK YAPILARI 66 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 tutularak Qmax = 490,70 m3/s debi savaklanırken labirent dolusavakta, radyal dolusavağa göre göl su seviyesi 1,02 m daha da düşürülmüştür. Bu da baraj gövdesi kret kotunun 1,50 m daha düşürülmesine olanak tanımaktadır. Yapılan incelemeler sonucunda radyal savak durumundaki 2,88 x 10 6 m3 olan gövde hacmi labirent savak yapılması durumunda (baraj kret kotu 1,5 m düşürüldüğünde) Şekil 30’de de görüleceği gibi 272 000 m3 daha azalmaktadır. Bu azalma oran olarak baraj gövde hacminin % 9,4’üne karşılık gelmektedir. Buna karşın yaklaşım kanalı taban kotu 2,40 m daha derinleştirilerek 20 000 m3’lük ek bir kazı yapılması gerekmektedir. Sarıoğlan Barajı labirent dolusavak alternatifinin ikinci kısım model çalışmalarında ise baraj gövdesi üst kotu sabit tutularak aktif depolama hacmindeki değişim incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda labirent dolusavak kret kotu orijinal proje durumuna nazaran 1,20 m arttırılmış ve bu durumda Qmax = 490,70 m3/s’lük debi labirent savakta göl su seviyesi orijinal proje durumuna nazaran sadece 18 cm daha yüksek geçmiştir. Ancak bu durumda rezervuarda 1,4 x 106 m3’lük ilave bir depolama hacmi kazanılmıştır. Bunun yanında yaklaşım kanalı kotu da radyal savağa nazaran 1,20 m daha derinleşerek yaklaşık 10 000 m3’lük ilave bir kazı maliyeti getirmektedir. Şekil 30 - Sarıoğlan Barajı Hacim-Satıh Grafiği BARAJ HİDROLİK YAPILARI 67 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.4.3 Savak Eşitliği Bir labirent savağın projelendirilmesi için önerilen bu metodda lineer bir savağın temel eşitliği kullanılmıştır. 2 1, 5 Q .C d .Lef . 2 g .H t 3 (56) Burada; Cd = Boyutsuz deşarj katsayısı g = Yerçekimi ivmesi L = Savağın etkili uzunluğu Ht = Kret üzerindeki toplam yük Toplam yük savağın kısa bir mesafe membasında ölçülen akım derinliğine ölçüm noktasındaki yaklaşım hızı yüksekliğinin de eklenmesi ile elde edilir. Yaklaşımı kısa olan ve giriş kayıplarının ihmal edilebileceği durumlar için toplam yük (Ht) rezervuar su seviyesi ile kret seviyesi arasındaki fark olarak alınır. Yan büzülmelerin ve ayrılmaların olmadığı, yaklaşım akım koşullarının uygun olduğu bir doğrusal savak için savağın etkili uzunluğu bu savağın ölçülen gerçek uzunluğu olarak alınır. Kret katsayısı ise Ht / P oranına, duvar kalınlığına (t), kret formu ve napın havalanmasına bağlı bir katsayıdır. Şekil 31'de t/P = 1/6, memba yüzü P/12'lik bir yarıçapı olan dairesel forma sahip, napı havalandırılmış doğrusal bir savaktan 3 ayrı araştırmacı tarafından elde edilen savak katsayılarının Ht / P oranı ile değişimi verilmiştir. Labirent dolusavakların deşarj katsayılarının analizinde doğrusal savakların deşarj katsayıları ile ilgili güvenilir verilerin elde edilmesi çok önemlidir. Çünkü bu değerler Cd değerinin üst sınırına karşılık gelirler. (56) nolu eşitlikte yer alan ve bir labirent savağın etkili kret uzunluğuna karşılık gelen uzunluk Şekil 28'de görülmektedir. Bir labirent dolusavağın deşarj katsayısı, doğrusal bir dolusavağın deşarj katsayısını etkileyen değişkenlerin yanısıra labirentin genel yerleşimine, labirent uç bölgeleri şekillerine ve yan duvar açılarına da bağlıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 68 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.4.4 Labirent Dolusavağın Deşarj Katsayısını Etkileyen Değişkenler Labirent savak duvarının yüksekliği, kalınlığı ve kret şekli deşarj katsayısı üzerinde önemli etkiye sahiptir, 2. Labirent savak kret şekli için ana alternatifler Şekil 5'de verilmiştir. Labirent dolusavağın duvar kalınlığı, duvar yüksekliğine, hidrolik kuvvetlere buz itkisine ve özgün yerel koşullara bağlı olarak yapılacak bir yapısal analiz sonucu tespit edilir. Yapının ekonomisi ve gerilmeler için duvarın mansap bölümünün eğimli yapılması tavsiye edilmektedir. Labirent duvarlarının bu formu deşarj katsayısını etkilemez. Bu makalede verilen katsayıları kullanabilmek için Şekil 28'de de görüldüğü gibi kret formunun yarıçapının R = P/12 değerine sahip olması gerekmektedir. [1] Keskin kenarlı ve düz kretli savakların deşarj katsayılarının yuvarlatılmış kret formuna sahip savaklardan daha düşük olmaları nedeniyle genellikle tercih edilmemektedir. En uygun ve pratik kret formu çeyrek daireli form olarak kabul edilmektedir, 2. Çeyrek daireli kret formu küçük debilerde (Ht / P<0,5) yarım daireli kret formuna nazaran daha küçük bir kret katsayısına (Cd) sahiptir. Ancak bu form yüksek debilerde daha büyük bir deşarj katsayısı ve yapım kolaylığı sağlar. Bu nedenle bu makalede önerilen projelendirme yöntemi için çeyrek daireli kret formuna sahip, t = P/6 kalınlığında bir labirent duvarı veya kret formu eğrilik yarıçapı R = P/12 olan eğimli bir labirent duvar kabul edilmiştir. Labirent duvarlarının inşaat kriterleri nedeniyle daha kalın yapılması deşarj katsayısında çok küçük bir azalmaya neden olur. Ancak duvar kalınlığında ve kret formu eğrilik yarıçapında önemli bir azalma, akımda ayrılmalara neden olarak deşarj katsayısını düşürür. Bunun yanısıra savak yüksekliği (P), yaklaşım kanalındaki kayıpların ve dolusavak deşarj kapasitesinin üzerinde etkili olur. Cd doğrusal bir savakta büyük Ht / P değerleri için maksimum değere ulaşır ve sabit kalır (Şekil 31). BARAJ HİDROLİK YAPILARI 69 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 31 - Doğrusal Savaklarda Debi Deşarj Katsayısı [1] Labirent dolusavakta ise su yükü arttıkça Cd azalmaya devam eder ve dolusavak kapasitesi aynı genişliğe sahip bir doğrusal savak kapasitesine yaklaşır. Bu nedenle labirent dolusavağın etkinliğinin sağlanması için Ht / P oranının belirli sınırlar içerisinde kalması gereklidir. Maksimum debide Ht / P oranının yaklaşık 0,9 olarak alınması önerilmektedir. Bu durumda labirent dolusavak yüksek debilerde de fonksiyonunu yerine getirir. Ancak su yükünün ortmaya devam etmesiyle labirent dolusavak projelendirmesinin getirdiği avantajlar azalır. Bu durumda nihai karar ekonomik faktörler gözönüne alınarak verilir. Şekil 28'de görülen Labirent ucunun A genişliği de dolusavak deşarj kapasitesini etkiler. Bu parametre labirent savağın net genişliğini azaltarak dolusavak kapasitesini düşürebilir. Bu nedenle A değeri mümkün olduğu kadar küçük alınmalıdır. A değerinin iç uzunluğu genellikle duvar kalınlığının bir veya iki katı olarak alınır, [1]. Bu bildiride sözü edilen çalışmada labirentin oturduğu tabanın memba ve mansap bölümlerinin kotu eşit olarak alınmıştır. Labirent dolusavak mansabındaki akım batıklık tesirini ortadan kaldırabilmek için sel rejiminde olmalıdır. Burada verilen proje kriterleri mansap kanalının en azından belirli bir bölümünün yüksek eğimde yapılması ve batıklığın önlenmesi durumu için kullanılabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 70 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Yaklaşım kanalındaki akımın açısı ( ) yaklaşım kanalı geometrisi ve labirent dolusavağın yerleşim şekline bağlı olarak labirent eksenine dik olmayabilir. = 15o, 30o ve 45o olduğu durumlarda yaklaşım akımı açısının deşarj kapasitesi üzerine etkisini açıklayan veriler mevcuttur. Doğrusal savaklar üzerine geçmişte yapılan araştırmalar napın havalanmasının dolusavak deşarj katsayısını ve dolayısıyla dolusavak deşarj kapasitesini etkilediğini ortaya koymuştur. Savak üzerindeki akımın havalandırılması halinde nap altındaki boşlukta basınç atmosfer basıncına oldukça yakın olup deşarj katsayısı minimum değere sahip olur. Ht / P=0,7 değerinin altındaki değerler için doğrusal bir savağın havalandırılması oldukça basittir. Doğrusal bir savakta akımının havalandırılmasının ana amacı nap altındaki basınç değişimlerinden kaynaklanan vibrasyon etkisini azaltmaktır. Şekil 31'de görülen veriler tümüyle havalandırılmış bir nap için elde edilmiştir. Dolusavaktan geçen akımın havalandırılmaması durumunda Şekil 31'de verilen deşarj katsayısı ve dolayısıyla dolusavak deşarj kapasitesi artar, 2, 16. Ht / P'nin küçük değerlerinde havalanmamış bir akım için dolusavak deşarj katsayısı Cd = 0,75 değerinden çok az miktarda yüksek olabilir. Sabit bir kret formu ve napın benzer havalanma koşullarında bir labirent dolusavağın Cd değerleri Şekil 31'de bir lineer savak için verilen değerlerden yüksek olamaz. Birçok farklı deney seti için elde edilen ve yayınlanan deşarj katsayısı (Cd) değerleri küçük su yüklerinde 0,75 değerini aşmaktadır. Bu değerler Şekil 31'de doğrusal savak için verilen eğrinin üzerinde kalır. Bu değerler ancak dolusavağın negatif basınca çalışması durumunda elde edilebilir. Labirent dolusavaklar Ht / P nin 0,1 ile 0,2 değerleri arasında düşük negatif basınç değerleri ile çalışır. Küçük su yüklerinde labirent dolusavağın deşarj eğrisinin sağlıklı bir şekilde tespit edilebilmesi için fiziksel model çalışmaları yapılmalıdır. UWRL'de yapılan araştırmaların en önemli bölümünü üzerinde çalışılan değişkenlerin en geniş aralığında Cd deşarj katsayısını tespit etmek oluşturmuştur. Labirent duvar açılarının ( ) 6o ile 35o arasındaki değerleri için elde edilen deşarj katsayıları Şekil 32'te verilmiştir, 2, 14, 16. Cd 0.49 0.24H t / P 1.20H t / P 2.17H t / P 1.03H t / P ;..... 6 o (57) 2 3 4 Cd 0.49 1.08H t / P 5.27H t / P 6.79H t / P 2.83H t / P ;..... 8o (58) 2 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 3 4 71 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 C d 0.49 1.06H t / P 4.43H t / P 5.18H t / P 1.97H t / P ;..... 12 o (59) 2 3 4 C d 0.49 1.00H t / P 3.57H t / P 3.82H t / P 1.38H t / P ;..... 15o (60) 2 3 4 C d 0.49 1.32H t / P 4.13H t / P 4.24H t / P 1.50H t / P ;..... 18o (61) 2 3 4 C d 0.49 1.51H t / P 3.83H t P 3.40H t P 1.05H t / P ;..... 25o (62) 2 3 4 Cd 0.49 1.69H t / P 4.05H t / P 3.62H t / P 1.10H t / P ;..... 35o (63) 2 3 4 C d 0.49 1.46H t / P 2.56H t / P 1.44H t / P ;.H t / P0.7.ve..... 90 o 2 3 (64) Şekil 32 - Labirent Dolusavaklarda Deşarj Katsayıları [1] Labirent dolusavakların projelendirilmesinde bir projelendirme tablosu oluşturmak için Cd nin Ht / P ile değişimini dikkate alan (57-64) no.lu regresyon eşitlikleri elde edilerek kullanılmıştır. Bu eşitlikler t<A<2t, Ht / P<0,9 t = P/6, memba kret formu çeyrek daire, kret daire yarıçapı R = P/12 değerleri için geçerlidir, [1]. (57-64) nolu eşitlikler ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar Şekil 32 üzerine işaretlenmiştir. ( ) açısındaki çok küçük değişmeler Cd deşarj katsayısında büyük değişiklikler yaratmaz. Bu nedenle eşitliklerden her biri verilen değerine çok yakın değerler için de kullanılabilir. (57-64) nolu eşitliklerde belirtilen açılardan + BARAJ HİDROLİK YAPILARI 72 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 1o’lik farklı açılar için yeni regresyon eşitlikleri geliştirilmeli veya Şekil 28'te verilen sonuçlar enterpolasyon ile düzenlenmelidir. Labirent duvar açısı =25o ve 35o için Şekil 32'te görülen eğriler enterpolasyon ile elde edilmiş olup yaklaşık +10% hata içermektedir. Bunun nedeni de deneysel verilerin farklı kret formunda elde edilmiş olmasıdır. Bu nedenle bu açılarda elde edilen veriler Şekil 28 üzerinde noktalanmamıştır, [1]. 4.3.1.4.5 Projelendirme Yöntemi Amanian tarafından önerilen projelendirme yöntemi [1], Denver (A.B.D) yakınlarındaki Standley Lake labirent dolusavağının UWRL de yapılan model deneyi çalışmalarından [14] elde edilen veriler kullanılıp yine aynı araştırmacı tarafından açıklanmıştır [1]. Bu Labirent dolusavağın proje hesapları Amanian tarafından Tablo 8'de görülen bir çizelge formatında verilmiştir [1]. Tablodaki üst bölüm proje hidrolojisi hesaplarından elde edilen giriş verilerini kapsar. Bu veriler Qmax=1539 m3/s, maksimum göl seviyesi 1680,91 m ve labirent duvar kret kotuna karşılık gelen gölün normal su seviyesi 1678,80 m dir. Tablo 8'deki ikinci bölüm seçilen değerleri kapsar. Maksimum debideki giriş kaybının gözönüne alınması halinde ise bir ön hesap yapılır. Tabloda verilen örnek için bu kayıp 13 cm olarak hesap edilmiştir. Labirent göz sayısı dolusavağın genel yerleşiminde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle göz sayısı (N)’nin en düşük maliyeti ve hidrolik açıdan en etkili genel yerleşimi sağlayacak şekilde belirlenmesi önerilmektedir, [1].Tablodaki üçüncü bölüm ise labirent dolusavağın geometrisini belirleyecek detaylı hesapları ve herbir parametrenin hesabı için kullanılacak kriterleri ve eşitlikleri içerir. Tablo 8'de verilen hesap çizelgesi bu hesapların en uygun şekilde yapılabilmesi olanağını tanıması açısından oldukça kullanışlıdır. Tablo 8'de aynı zamanda bazı değişkenlerin oranlarının uygulamada kabul edilebilir sınırları Ht / P < 0,9 ve 3< W/P <4 olarak verilmiştir. Projelendirmenin ekonomik ve hidrolik açıdan etkili olabilmesi için bu sınırlara uyulması önerilmektedir, [1]. Tablo 8'deki en son bölüm ise sadece beton hacmi açısından bir ön maliyet analizi olanağını tanır. Tablodaki veriler ile labirent duvarlarının beton hacmi kolayca hesap lanabilir. Labirent tabanı beton kaplama kalınlığının duvar kalınlığına eşit kabul edilmesi sonucu elde edilen beton hacminin, duvar beton hacmi ile toplanması toplam beton hacmini ortaya koyar. Bu ön maliyet analizi, farklı göz sayıları ve labirent yan duvar açıları gözönüne alınarak beton hacmi açısından tekrarlanabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 73 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Labirent yan duvarları açıları ( ) labirentin deşarj kapasitesini ve yerleşim şeklini önemli şekilde etkiler. Qmax= 1538 m3/s, P= 3,05 m, Ht= 1,975 m, önerilen savak yerleşimi ve labirent ucu genişliği kriterleri gözönüne alınarak farklı değerleri için Amanian tarafından elde edilen dolusavak genişlikleri Tablo 9'de verilmiştir. Tablo 9’de de görüldüğü gibi sabit bir B taban uzunluğunda labirent yerleşimi sağlayabilmek için herbir ( ) açısı değerinde labirent göz sayısı değişmektedir. Daha önce de söz edildiği gibi ( ) açısı labirent savağın maliyeti ve performansı üzerinde etkili olur. Tablo 9’deki veriler bu açının optimum aralığının sabit bir debi için labirent genişliğinin (Wt), ve B nin en küçük değerine dayanan 7o-16o arasında olduğunu ortaya koymuştur [1]. 7o’nin altında ve 16o nin üstündeki açı değerlerinde genişlik artmaktadır. Labirent savağın toplam uzunluğu da ekonomik açıdan etkili olan diğer bir faktördür. Açı arttıkça savak uzunluğu azalır. Bu nedenle genişliğin en aza indirilmesi ile en düşük maliyet elde edilemeyebilir. Küçük ( ) değerleri düşük rezervuar seviyelerinde dolusavak deşarj kapasitesini yükseltir. Küçük değerlerinde dolusavağın etkili uzunluğundaki artış nedeni ile deşarj kapasitesi artar, [1]. (57-64) nolu eşitliklerden veya Şekil 32'dan elde edilen Cd değerleri ile dolusavağın çeşitli işletme koşullarındaki göl seviyesi-debi eğrileri çizilebilir. Yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar küçük ( ) açıları ile rezervuarın düşük seviyelerinde deşarj kapasitesinin oldukça yükseldiğini göstermiştir. Tablo 8 - Labirent Dolusavakların Projelendirme Çizelgesi [1] Parametreler (1) Sembol (2) Değer (3) Birim (4) Kaynak / Eşitlik / Notlar (5) ( a ) Proje verileri Maksimum debi Qmax 1,538 (m3/s) Proje için belirlenen veriler Maksimum göl su seviyesi -- 1,680. (m) Proje için belirlenen veriler Yaklaşım kanalı taban kotu -- 91 (m) Proje için belirlenen veriler Dolusavak kret kotu -- 1,675. (m) Proje için belirlenen veriler Toplam su yükü Ht 75 (m) Rezervuar 1,678. su kotu-kret kayıp 80 1,975 ( b ) Seçilen değerler BARAJ HİDROLİK YAPILARI 74 kotu- 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Qmax’ta tahmin edilen giriş yük kaybı Kayıp 0,13 (m) Tahmin Labirent göz sayısı N 13 -- W / P 3 4 olacak şekilde Labirent duvarı yüksekliği P 3,05 (m) seçilecek Labirent yan duvar açısı 8,0 (m) P 1,4. H t Normal olarak 80 - 160 ( c ) Hesaplanan değerler Duvar kalınlığı t 0,51 (m) t=P/6 Duvar ucu iç genişliği A 0,95 (m) t ve 2t arasında bir değer seçilir Duvar ucu dış genişliği D1 1,83 (m) D1 = A + 2t.tan (45- / 2) Toplam yük / Savak yüksekliği Ht / -- -- Deşarj katsayısı P -- Eşitlik (6.6) Etkili kret uzunluğu Cd (m) 1,5Qmax/ ( (CW.Ht1.5).(2g)0.5 ) Taban uzunluğu (akıma paralel) Lef 0,3255 (m) B=(L/ (2N) + t.tan (45- / 2)) Yan duvarların gerçek uzunluğu B 576,6 (m) cos( )+t Labirent yan duvarlarının etkili L1 22,75 (m) L1 = (B - t) / cos( ) uzunluğu L2 22,45 (m) L2 = L1- t. tan (45- / 2) Duvarların toplam uzunluğu L3 22,02 (m) L3 = N(2L1 + D1 + A) Labirent gözleri arasındaki mesafe W (m) W = 2L1.sin ( ) + A + D1 Labirent genişliği (akıma normal Wt doğrultuda) -- Aynı debi için doğrusal savak uzunluğu 0,648 620 9,42 (m) 123 249 1,5 Qmax/( (Cw..Ht1,5).(2.g)0,5 ); -- W/ P Wt = N.W (CW doğrusal savak için) Normal olarak 3 - 4 arasında 3,09 Gözler arasındaki mesafe / Duvar yüksekliği ( d ) Beton hacmi Duvar betonu hacmi -- 293 (m3) Hacim = L3.P.t Taban betonu hacmi (*) -- 431 (m3) Hacim = W.B.t Toplam -- 655 (m3) -- ( * ) Taban beton kaplaması için kaplama kalınlığı duvar kalınlığı ile eşit alınmıştır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 75 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tablo 9 - Labirent Yan Duvar Açısının () Dolusavak Genişliğine (W) Etkisi [1]. Genişli Uzunluk Labirent k (B) göz () ( Wt ) (m) sayısı (m) ( Lef ) (1) (m) (3) (N) (5) (m) Açı (2 ) CW Etkili uzunluk (4) (6) 6 0 139 20,2 20,0 0,232 811 7 0 126 20,1 16,5 0,280 670 80 122 20,2 14,0 0,327 572 0 9 120 19,9 13,5 0,346 543 0 127 20,6 12,5 0,359 523 120 133 20,1 12,0 0,381 493 160 136 20,3 10,0 0,445 421 32 0 176 20,2 6,5 0,604 311 49 0 213 20,1 4,5 0,682 275 249 --(*) 0,755 249 10 Doğrusal --(*) (*) Uygulanabilir değil Labirent dolusavakların maliyetini ve genel yerleşimini etkileyen bir diğer önemli parametre ise labirent göz sayısıdır (N). Geçmişte yapılan araştırmalar dolusavak deşarj katsayısının labirent ucu sayısından etkilenmediği ortaya koymuştur, 16. Bu durum (57-64) nolu eşitliklerin göz sayısını dikkate almadan kullanılması olanağını tanıyarak projelendirmeyi kolaylaştırmaktadır. Yapılan çalışmalarda (N) sayısındaki artışın gerçek savak uzunluğu üzerinde çok küçük bir etkisi olduğunu ancak (B) değerini azalttığını, (Wt) değerini arttırdığını ve beton hacmini azalttığını ortaya koymuştur. Çok az veya çok fazla sayıda labirent gözü seçilmesi maliyeti düşük ve hidrolik açıdan etkili bir genel yerleşimi olanaksız kıldığından labirent uzunluğu ve genişliğinin uygun oranlarda seçilebilmesi için 3<W/P<4 kriterinin kullanılması önerilmektedir. Yaklaşım ve deşarj kanalı maliyetleri de, maliyet açısından önemli faktörlerdir. Artan göz sayısı (N) ve açısı ile beton hacmi azalsa bile (Wt) nin artışı ile yaklaşım ve deşarj kanalları maliyeti artar. Belirlenen proje debisini geçirebilmek için birçok labirent dolusavak proje alternatifi uygulanabilir. Nihai proje ise tabiattaki kısıtlara ve detaylı bir ekonomik analize dayandırılmalıdır. En uygun labirent dolusavak projesi seçiminde gözönüne alınan diğer bir faktör de yaklaşım ve deşarj kanalındaki birim debidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 76 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Proje su yükü yüksek ve ( ) ve (N) değerleri de minimum dolusavak taban genişliğini verecek şekilde seçilmişse bu durumda mansapta birim debi artar. Bu durum ise ekonomik bir enerji sönümleme yapısı projelendirilmesini zorlaştırabilir. Bu faktörler dolusavağın geniş yapılması durumunda yaklaşım ve deşarj kanalı için artan kazı ve inşaat maliyetleri gözönüne alınarak karşılaştırılmalıdır. 4.3.1.4.6 Örnek Bir Baraja ait Labirent Dolusavağı Model Çalışmaları Sonuçları DOLUSAVAK Yeri: Sağ sahil Maksimum hesap yükü: 2,32 m Tipi: Yandan alışlı, kontrolsuz Maks. deşarj kapasitesi: 464,25 m3/s Yaklaşım kanalı kotu: 1114,30 m Savak kret kotu: 1115,30 Savak kret uzunluğu: 60,00 m Yandan Alışlı Dolusavak Model Çalışmaları: Belkaya Barajı yandan alışlı kontrolsüz dolusavağı model çalışmaları 1/40 ölçeğinde bir model üzerinde yürütülmüştür, (Foto 1). Genel yerleşim planı Şekil 33'da verilen yandan alışlı dolusavağın modelde elde edilen debi deşarj eğrisi Error! Reference source not found.’de verilmiştir. Labirent Dolusavak Model Çalışmaları: Barajın yandan alışlı kontrolsüz dolusavağının model çalışmaları tamamlandıktan sonra bu bildiride önerilen projelendirme yöntemi kullanılarak bir labirent dolusavak projelendirilmiştir. Projelendirilen labirent dolusavağın genel yerleşimi ve detayları Şekil 33 ve Şekil 34'te verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 77 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Foto 1- Örnek Barajın Yandan Alışlı Dolusavağı Q=464,25 m3/s BARAJ HİDROLİK YAPILARI 78 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 33 - Örnek Barajın Labirent Dolusavağının Genel Yerleşim Planı Bu çalışmada amaç, yaklaşık aynı genişliğe bu bölümde önerilen projelendirme yöntemi ve kriterleri kullanılarak yerleştirilen bir labirent dolusavağın performansının BARAJ HİDROLİK YAPILARI 79 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 yandan alışlı orijinal dolusavakla kıyaslanması ve önerilen proje yönteminin uygunluğunun kontrol edilmesi olmuştur. Karakteristikleri Şekil 34'de verilen labirent dolusavak projelendirilirken savak kret kotu yandan alışlı savak kret kotu ile aynı tutulmuş (1115,30 m); yaklaşım kanalı kotu ise labirent duvar yüksekliğinin 2,50 m olarak tespiti nedeniyle orijinal durumdaki kottan 1,50 m düşürülmüştür (Foto 2). Foto 2 - Örnek Barajın Labirent Dolusavağı Q=464,25 m3/s Maksimum debi Qmax 464,25 m3/s Maksimum göl su seviyesi 1116,80 m Yaklaşım kanalı taban kotu 1112,80 m Dolusavak kret kotu 1115,30 m Labirent duvar yüksekliği P 2,5 m Labirent göz sayısı N 6 adet Toplam su yükü Ht 1,5 m Labirent yan duvar açısı 8o Labirent duvar kalınlığı t 0,60 m Duvar ucu iç genişliği A 1,00 m Duvar ucu dış genişliği D1 2,043 m Labirent deşarj katsayısı Cw 0,340672 Etkili kret uzunluğu Lef 251,200 m Akıma paralel taban uzunluğu B 21,846 m Yan duvar gerçek uzunluğu L1 21,455 m BARAJ HİDROLİK YAPILARI 80 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Yan duvar etkili uzunluğu L2 20,933 m Duvarların toplam uzunluğu L3 275,718 m Labirent W 9,0149 m Labirent genişliği Wt 54,089 m Memba yüzü eğrilik yarı çapı R 0,20 m gözleri arasındaki mesafe Şekil 34 - Örnek Barajın Labirent Dolusavağı Detayları. Önerilen metod ile yapılan proje hesaplarında 1116,80 m göl seviyesinde Qmax=464,25 m3/s 'lik debinin geçeceği sonucu elde edilmiş, modelde ise bu debi değeri Q= 451 m3/s olarak elde edilmiştir. Hesapla bulunan debi değeri modelde elde edilen değere göre % +2.93 fazla bulunmuştur. Bu da projelendirme metodunda sözü edilen + % 10'luk sınır içerisinde kalmıştır. Örnek Barajın Labirent dolusavağının model çalışmaları sonuçları önerilen proje yönteminin uygun olduğunu ortaya koymuştur. Diğer taraftan Barajın labirent ve yandan alışlı dolusavaklarının performanslarının karşılaştırılabilmesi için her iki dolusavağın modelden elde edilen deşarj eğrileri Error! Reference source not found.'de verilmiştir. Bu şekilden de görüldüğü gibi yaklaşık olarak aynı genişliğe yerleştirilen labirent dolusavağın deşarj kapasitesi aynı göl su seviyelerinde diğerinin yaklaşık 2 katına erişebilmektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 81 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Yapılan model çalışmalarında Qmax= 464,25 m3/s'lik debinin Yandan alışlı dolusavaktan 1117,80 m göl su seviyesinde, Labirent dolusavaktan ise yaklaşık 1 m daha düşük olarak 1116,84 m göl su seviyesinde geçtiği tespit edilmiştir. Şekil 35 - Örnek Barajın Yandan Alışlı Ve Labirent Dolusavaklarının Modelden Elde Edilen Debi-Göl Su Seviyesi Eğrileri. Tablo 10 - Önerilen Projelendirme Yöntemi ile Elde Edilen Sonuçların Çeşitli Projelerle Karşılaştırılması, 1. Baraj Kaynak adı (1) (2) Yan Savak Topla Toplam Etkili duvar yükse m kret açısı k. yük uzunluğ uzunluğ debi () (P) ( Ht ) u (3) kret an m debi % u 3 3 (m) (m) (m) (m) (m/s) (m/s) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Bartletts ferry Meeks(1983) 14,500 3,43 2,44 1 441 1 412 Ute Barajı Houston 12,150 9,14 5,80 1 024 1 020 BARAJ HİDROLİK YAPILARI Maksimu Hesaplan Fark 6 796 15 574 ( 10 ) 6 740 15 065 - 0,82 - 3,33 82 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Avon Barajı (1982) 27,500 3,05 2,16 265 252 1 416 1 417 0 + Boardman Hinchliff (1984) 19,44 3,51 1,77 107 104 387 399 0,60 Woronora Cassidy (1985) 25,400 2,23 1,36 344 344 1 019 991 + Navet Hinchliff (1984) 23,580 3,05 477 3,10 - 6,20 Rollins Barajı Hunchliff 1,52 137 137 481 0 2,74 472 457 1 841 1 890 0 1 549 - 3,20 9,23 3,35 Ritchsard (1984) 8,13 3,05 2,74 411 399 1 555 Barajı Tullis (1986) 8,00o 2,50 1,50 276 251 451 Belkaya Barajı Vermeyen(199 + 464,25 2,70 1) - 0,40 Kaş (1996) +2,93 NOTASYONLAR A = Labirent göz ucu iç genişliği B = Labirent uzunluğu D1 = Alın duvarı memba yüzü genişliği Cd = Dolusavak deşarj katsayısı Ht = Kret üzerindeki toplam yük Lef = Dolusavak etkili uzunluğu N = Labirent göz sayısı P = Labirent savak yüksekliği Q = Debi Qmax = Maksimum proje debisi R = Kret formu daire yayı yarıçapı t = Labirent duvar kalınlığı Wt = Toplam genişlik W = Bir göz genişliği BARAJ HİDROLİK YAPILARI 83 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 = Yan duvarın göz ekseni ile yaptığı açı = Labirent savak eksenine göre yaklaşım akım hatlarının açısı 4.3.1.5 Şaft Dolusavaklar Şaft (Morning glory veya Kuyulu) savaklar deyimi ile Şekil 36'te gösterilen tipteki savaklar anlaşılmalıdır. Bunlar üç ayrı kısımdan meydana gelirvi; Giriş Ağzı Geçiş Bölgesi Dirsek ve Tünel. Şekil 36 - Şaft Dolusavak Enkesitleri Genelde karşıdan alışlı savağın yerleşimine topografik ve jeolojik yönden engel bulunan barajlarda, kontrol yapıları olarak uygulama bulurlar. Bu tür bir deşarj yapısı baraj gövdesinin savak üzerinden olan akımlardan olumsuz etkilenebileceği baraj türlerinde örneğin dolgu barajlarda tercih edilir. Genelde küçük ve orta büyüklükteki projelendirme debilerinde kullanılan bu yapılar 1000 m3/s'den daha büyük debilerde uygulanması halinde model deneyleri yapılmasını gerektirirler. 50-100 m yükseklikte yapılmaktadırlarvii. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 84 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.5.1 Çalışma Prensipleri Giriş ağzı ve geçiş bölgesi, beraberce, savağın kuyu kısmını teşkil eder. Bundan sonra, su, bir dirsekle önce tünele oradan da nehir yatağına aktarılır. Giriş ağzı huni şekillidir. Huninin boyutları ve yerleştirilişi sistemin debisine büyük ölçüde etkir. Yaklaşım şartları simetrik olmayan akımlara yer veriyor ise savağın randımanı düşeceği gibi su çarpmaları ve titreşimler de görülür. Huninin üzerinde yer alan akımı kontrol eden şartlar hidrolik yüke bağlıdır. Şekil 37’te kritik şartların huni şekilli dairesel giriş ağzı üzerinde oluşması hali gösterilmiştir. Savak üzerindeki su yükü H'dır. H arttıkça debi de artar. Şekil 37’teki eğrinin a - g bölümü bu kuralı anlatmaktadır. Su eşik üzerinden serbestçe düşmekte ve dirsekten geçerek tünel içinde serbest yüzeyli bir akım oluşturmaktadır. Gerek geçiş bölgesi, gerekse tünel boyutlarının kısıtlayıcı etkisi yoktur; normal çizgisel dolusavaklardaki akımdan farkı C katsayısının daha küçük olmasından ibarettir. Bu durum giriş ağzının geometrisine bağlanmalıdır. Şekil 37'te H yükünün daha da artarak H0 gibi bir değere ulaşması hali gösterilmiştir. Savak bir orifis gibi çalışmıya başlamıştır. Su yüzündeki, bir önceki halde görülen alçalma kaybolmuş, yerini hafif bir dış bükeylik almıştır. Kuyu kısmı ve tünel, bir önceki koşullar altında çalışmaktadır. Bu duruma, grafikte, g - h eğri parçası tekabül eder. Şekil 37’te akımın kuyu kısmını doldurması hali gösterilmiştir. Kontrol koşulları değişmiş bulunmaktadır. Bu halde akımı, kuyu kontrol etmektedir ve hidrolik yükü H. ile gösterilmiştir. Grafikte bu kontrol şekli de g - h eğri parçası tarafından açıklanmaktadır. Şekil 38'de tünelin dolması hali ve kontrol şartlarının tünel çıkışma intikal etmesi hali de işaretlenmiştir. Akıma kişiselliğini veren yük Ht ile gösterilmiştir. Bu akımın değişimi Şekil 38'de h — f eğri parçası ile verilmektedir. Bazı hallerde orifis veya geçiş bölgesinin hidrolik şartları öyledir ki, g noktası j noktasını sağma kayar. Bu takdirde kontrol işlemi savak eşiğinden doğrudan doğruya tünele intikal ederviii. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 85 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 37 - Şaft Dolusavak Dairesel Giriş Ağzı Üzerinde Kritik Akım Koşullarının Oluşmasıix BARAJ HİDROLİK YAPILARI 86 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 38 - Şaft Savaklarda Debi-Gidiş Eğrilerix 4.3.1.5.2 Akım Tipleri Akımı kontrol eden ilk yapı elemanını giriş ağzıdır. Bu kısım bir huniyi andırır ve ince kenarlı bir savak üzerinden aşan su napının şeklini yansıtır. Kullanılan bir ikinci çözüm de suyu kuyuya kalın eşikli bir savak üzerinden geçirerek vermek olabilir. Şekil 37'te her iki yaklaşım bir arada verilmiştir. Enine kesiti, ince kenarlı bir savak üzerinden aşan napın alt sınırın yansıtan tipe standart savak, diğerine yassı savak denilmektedir. Yassı savakların debi katsayıları BARAJ HİDROLİK YAPILARI 87 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 daha küçüktür, buna mukabil huni kısmı daha dardır. Dolayısıyla kaya içine kazılarak meydana getirilen dolusavaklar için öncelikle önerilmektedir. Kule üzerine yerleştirilenlerde ise standart tipe gidilmelidir. Kuyulu savakların debileri, (65) bağıntısı ile hesaplanmaktadır. Buna mukabil m ile gösterilen debi katsayısı doğrusal savaklara tekabül edenden daha küçüktür. Böyle olması su napmın sıkışması dolayısıyle eğrilik yarı çapının değişmesi olayı ile açıklanmaktadır. Burada kuyulu savaklar halinde uygulanacak debi katsayısını doğrusal savaklarınkinden ayırmak için yukardaki bağıntıda kabul edilerek, Q=CLH3/2 (66) yazılacaktır. Şekil 39 - Huni Şekilli Dairesel Giriş Ağzı Üzerinde Kritik Şartların Oluşması BARAJ HİDROLİK YAPILARI 88 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.5.3 Kret Profilinin, Kretle Şaft Arası Geçiş Bölgesinin, Şaft İle Galeri Bağlantı Dirseğinin Ve Galerinin (Tünelin) Tasarımı Keskin kenarlı savaktan geçen su jetinin alt gidiş çizgisi optimum boşaltımı sağlayacak ideal eşik şeklini vermektedir. Bu şekil su yüküne, eşik ön yüzünün eğimine ve eşiğin yaklaşım kanalından yüksekliğine bağlıdır. Profilin memba kesimi birleşik dairesel eğri olarak tanımlanır. Eşik sırt eğrisi ise aşağıdaki denklemle tanımlanmıştır. X Y K Hd Hd n (67) Bu denklemde K ve n eşik ön yüzünün eğimine ve yaklaşım hız yüksekliği olan Hs’nın eşik üzerindeki su yükü olan Hd’a oranı olan (Hs/Hd)’a bağlıdırxi. Q0 projelendirme debisinin, d kuyu çapının ve dirsek çapının bilinmesi durumunda kuyu savağın projelendirilmesi kapsamında deşarj galerisinin en kesitinin boyutlandınlmasının yanı sıra, enerji kırıcı yapının da tasarımı gereklidir. Dirseğin başladığı yerde havalandırılmış akım sağlanarak serbest yüzeyli açık kanal akımı oluşturulur. Bu sayede kontrolü mümkün olmayan vorteks akımı oluşumu da önlenmiş olur. Sel rejimindeki akım kararlı yavaş değişen akımın yavaşlayan türüdür. 4.3.1.5.4 Hava girişi ve taşınması Tüm yapıda serbest yüzeyli akım şartlan sağlanmaya çalışılır. Tüm şartlarda atmosfer basıncının oluşabilmesi için İse havalandırma düzeneğini de içerirler. 4.3.1.6 Tünel ve Menfez Dolusavaklar Dik ve dar vadilerde veya açık kanal yapımının toprak kayması, kar erimeleri gibi sebeplerle tehlike oluşturduğu durumlarda tünel dolusavakların yapımı önerilir. Bazı projelerde mevcut derivasyon tüneli, tünel dolusavağın mansap ayağı olarak kullanılmaktadır. Tünel dolusavak iki ana kısımdan oluşur; membadaki serbest veya kontrollü olarak projelendirilen kret ve mansaptaki tünel. Kapalı boşaltım kanalı baraj gövdesi altında projelendirildiğinde , kondüvi dolusavak olarak adlandırılır. Bu tip geniş vadilerde ve dolusavağın mansap dere yatağına yaklaştırılmak istendiği durumlarda uygulanabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 89 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Menfez dolusavak ise tünel ve kondüvi dolusavağın özel bir adaptasyonudur. Düşünün 10 m’yi geçmediği durumlarda tam dolu ve kısmi dolu durumlarda işletilebilmesi sebebiyle avantajlıdırxii. 4.3.1.7 Sifonlu Dolusavaklar Sifonlu savaklarda akım davranışı, kuyu savakların basınçlı çalıştığı akım davranışı ile uyum içindedir. Sifonlu savaklar basınçlı boru olarak çalıştıkları için savak adı altında anılmaları çok uygun olmamakla birlikte, en kesit olarak karşıdan alışlı bir dolusavağı çağrıştırdıkları için sifon olarak adlandırılmaktadırlarxiii. Şekil 40 - i) Sifonlu Savak ii) Sifonlu Savak Kretixiv Bu savaklar kabarma yüksekliğinin başka bir ifade ile taşkın debisinin çok farklılık göstermediği durumlarda tercih edilmektedirler. En büyük dezavantajları inşaat zorluğu ve membada su seviyesinin düzenli olması zorunluluğudur, membadaki sediment veya debris biriki akımı büyük olanda azaltmaktadır. Bir diğer dezavantajları ise kavitasyon tehlikesine maruz kalmalarıdırxv. 4.3.1.7.1 Hidrolik Çalışma Prensipleri Başlangıçta savak akımı şeklinde oluşan ve sel rejiminde akan, hava içeren ince su napının bir saptırıcı ile karşı duvara çarptırılması sonucu, ilk etapta savak olarak çalışan sifondaki akıma karışan havanın kendi kendine boşalması sağlanmış olur. Ayrıca sifon giriş ağzı suyun altında kalacak şekilde düzenlenmesi nedeniyle buradan yeni hava girişi engellenmekte ve sifonun tam kapasite çalışması mümkün olmaktadır. Böylece kuyu savakta olduğu gibi sifonlu savaktaki akım da basınçlı borudaki davranışı göstermektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 90 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.7.2 Akım Koşulları (Açık Savak, Geçiş Ve Sifon Akımı) Membadaki su seviyesi kret seviyesinin altına düştüğü zaman havalandırma açıklığı atmosfere açılır ve akım hızlı bir şekilde sona erer. Kararlı olmayan bu akım durumlarının ani kabarma ve alçalmayı beraberinde getirmiş olması, uygulamada bu savakların dezavantajları olarak karşımıza çıkmaktadır. Baraj gibi önemli yapıların kontrol yapısı olarak projelendirildiklerinde gerçek akım davranışlarının model deneyleri ile doğrulanmasında yarar vardır. Kararlı akım olarak hidrolik hesapları yapılan sifonlu savakların boyutlandırıimalarında a ile sifonun yüksekliği, b ile sifonun genişliği, h ile memba ile mansap seviyeleri arasındaki fark (emme yüksekliği) gösterildiğinde, sifonlu savakların hidroliğinde iki husus önem kazanmaktadır. Sifon kapasitesinin belirlenmesi (Q=f(b,a,h)) Emme yüksekliği olarak adlandırılan h yüksekliğinin belirlenmesi. Bu yüksekliğin tespitinde kavitasyona neden olmayacak negatif basınçlar rol oynamaktadır. Başka bir ifadeyle sifon eksenindeki basınç ps emme yüksekliğinin bir fonksiyonu olup (P(s/pg=f(h)), sifonlu savağın hatalı projelendirilmesi durumunda sifonun kretinde atmosfer basıncından daha düşük basınçlar oluşabilmektedir (Şekil 40- i). 4.3.1.7.3 Savak debi katsayısının belirlenmesi Sifon kapasitesinin belirlenmesi için Şekil 40 - i'de görüldüğü üzere memba (o) ile sifon çıkışı (u) arasında kıyas düzlemi olarak mansap su seviyesi kabul edildiğinde aşağıdaki Bernoulli eşitliği yazılabilir. Q .a.b. 2 gh (68) μ katsayısı sifonun projelendirilmesi ile ilgili olup 0.7< μ <0.85 arasında değerler alabilir. a sifon yüksekliği, b sifon genişliği, h (emme yüksekliği) memba su kotu ile mansap su kotu arasındaki farka eşittir. Sifon yük kayıpları ve sifonda kavitasyon oluşumu dikkate alınması gereken diğer hidrolik özelliklerdir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 91 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.1.8 Basamaklı Dolusavaklar Basamaklı dolusavaklar büyük miktarda enerjiyi alıp sönümlerler ve inşa maliyetleri düşüktür. Basamaklı dolusavaklar ağırlık barajlarının mansap yüzü için oldukça ekonomik ve pratik olarak teşkil edilmiştir. Bu sebeple SSB (RCC) barajlar için de önerilen bir dolusavak tipidirxvi. 4.3.1.8.1 Eşik Genişliğinini Seçimi Basamaklı dolusavaklarda eşik genişliği genellikle büyük seçilir. Bu seçilen genişlik barajın mansabına kadar daralmadan aynı genişlikte devam eder. Dolusavak deşarj kanalında daralma akımın hidroliği açısından pek uygulanan bir yöntem değildir. Ancak dolusavak eşik yapısı üzerine ayak koymak sureti ile köprü projelendirmenin hidrolik açıdan herhangi bir mahzuru yoktur. Dolusavak eşik yapısının geniş seçilmesinin en önemli nedeni dolusavak deşarj değerinin q =20.00 ila 30.00 m2/s/m (birim debi)’den fazla olması durumunda kanalda kavitasyon riskinin ortaya çıkmasıdırxvii. 4.3.1.8.2 Akım Koşullarının İncelenmesi Oldukça pürüzlü veya basamaklı bir yüzeyden geçen akımın enerjisi büyük bir oranda sönümlenir. Basamaklı dolusavak boşaltım kanalındaki basamaklar akımın enerjisinin büyük bir bölümünün boşaltım kanalı boyunca sönümlenmesini sağlayarak, mansaba yapılacak enerji kırıcı yapıların boyutlarını yaklaşık %30-40 oranında azaltılmasını sağlamaktadır (Nasıl Yapmalı 2, Basamaklı Dolusavak Uygulamaları. Basamaklı dolusavaklar üzerindeki akım koşulları aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır; Nap akımı (Nappe flow) Sıçramalı akım (Skimming flow) Geçiş akımı (Transition flow) Nap akımı kanal eğiminin ve debinin düşük olduğu durumlarda; bir basamağın ucundan çıkan serbest düşülü jetin bunu izleyen bir sonraki basamağa çarparak tam veya kısmi hidrolik sıçramaların oluşması şeklinde tanımlanır, (Şekil 41.a, Şekil 41.b). Enerji sönümlenmesi ise jetin havada kırılması basamak üzerine çarpma etkisi veya basamak üzerinde bir hidrolik sıçrama oluşturarak karışması sonucunda BARAJ HİDROLİK YAPILARI 92 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 oluşur. Bu durumda, küçük debilerde sıçramalı akıma oranla çok etkili bir şekilde enerji sönümlenmesi oluşur. Debinin ve/veya eğim açısının artması akımın nap akımından sıçramalı akım geçme koşulunu oluşturur. Sıçramalı akımın (skimming flow) oluşması, debiye ve boşaltım kanalı taban eğimine bağlıdır. Sıçramalı akım tipinin aşağıda verilen kritik değerden daha büyük değerlerde oluşacağı ortaya koyulmuştur. (69) Burada; (dkr)başla = sıçramalı akım tipinde karakteristik kritik akım derinliği h = basamak yüksekliği = basamak uzunluğudur. Sıçramalı akım dkr > (dkr)başla durumunda oluşur. Sıçramalı akım koşullarında akım basamak yüzeylerinden bir kararlı nehir gibi akarak basamakların üzerinden sekip basamak boşluğu ve akım arasındaki bölgede oluşan çevirintiler ile (recirculating fluid) yastıklanır. Basamakların diş uçlarının birleşim yerlerinden geçen, akımın üzerinden sekip geçeceği izafi bir taban oluşturur, (Şekil 41.e). İzafi taban altında çevrintiler oluşur ve basamakların ucundan geçen akımdan oluşan kayma gerilmelerinin sürekliliği sağlanır. Sıçramalı akım (skimming flow) ise büyük sürtünme kayıpları ve etkili hava girişimi ile karakterize edilmektedir. Büyük barajlarda bu özellikler nap akımına oranla daha fazla enerjinin sönümlenmesini sağlamaktadır. Basamaklı bir dolusavak boyunca oluşan akımda, şiddetli türbülans ve büyük oranda hava karışımı bulunur, (Şekil 41). BARAJ HİDROLİK YAPILARI 93 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 41 - Basamaklı Bir Boşaltım Kanalındaki Akım Rejimleri a) Tam Gelişmiş Hidrolik Sıçramalı Nap Akımı, b) Kısmi Gelişmiş Hidrolik Sıçramalı Nap Akımı, c) Girdap-Basamak Girişiminde Sıçramalı Akım (Düşük Eğimli 27°< <35°), d) Girdap-Girdap Girişiminde Sıçramalı Akım (35° < < 45°), e) Düzgün Çevrintiler İle Sıçramalı Akım (Dik Eğimler BARAJ HİDROLİK YAPILARI > 45°), 94 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 42 - Basamaklı Dolusavaklarda Akıma Hava Karışımı a) Nap Akımı b) Sıçramalı Akım Türbülans ve hava girişi, basamaklı şut boyunca hava-su arasındaki gaz transferinin oluşmasında etkilidir. Nap akımında herbir basamaktaki hava-su gaz transferi basamakta oluşan hidrolik sıçrama ve akıma dalan jet nedeni ile oluşur, (Şekil 42 - a). 4.3.1.8.3 Enerji Kırılması Basamaklı dolusavakta enerji sönümlenmesini etkileyen en önemli parametreler birim debi,kritik akım derinliği,baraj yüksekliği, boşaltım kanalı eğimi ve basamak geometrisidir. Basamaklı dolusavaklardaki akımlarda enerji kırılmasının gösterimi için ∆H/Hmaks oranı kullanılmaktadır. ∆H =Toplam yük kaybı (m) ∆H =H maks – H kalan (70) H maks = Dolusavak mansabından itibaren kullanılan; (mansap kotu – max.su) seviyesi mesafesi H kalan = Dolusavak mansabından itibaren kullanılan; mansapta kalan enerji yüksekliği 4.3.1.8.4 Nap Akımında Enerjinin Kırılması Hidrolik sıçrama olmaksızın nap akımındaki en iyi Hkalan değerini veren formüller aşağıda verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 95 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Uzun basamaklı kanallarda kayan akımda nap akımına nazaran daha fazla enerji kırılmaktadır (Chanson 1994). Kısa basamaklı kanallarda ise nap akımı kayan akıma nazaran daha fazla kinetik enerji kırmaktadır, nap akımı daha düz ve daha geniş basamaklı kanallar da oluşmaktadır. Bu durumda ekonomik olarak daha pahallı yapıların yapılmasına neden olmaktadır. H brj 6.00 x dc 0.30 H brj H kalan 3.34 x dc dc 0.027 H kalan dc H brj 2< d c <20 (71) H brj d c <75 30 < (72) Basamak yüksekliği Schoklitsch (1937)’nin oluşturduğu formüle göre aşağıdaki şekilde belirlenir; 0.81 h d c 3.00 4.30 x l h 1 (73) Duvar yükseklikleri ise Chanson & Toombes (1997b) tarafından kullanılan formüllerdir. Y90 / dc =1.10 ~ 1.20 Y90 = Hava konsantrasyonu %90 olan su derinliğidir. Ancak ideal derinlik Y 98 olarak kabul edilmektedir. 4.3.1.8.5 Geçiş Akımında Enerjinin Kırılması Geçiş akımı düşük deşarj miktarında olan “nap akımı” ile büyük deşarj miktarında olan “kayan akım” isimlendirilmektedir akım (Elviro arasındaki durumdur. & (1995), Mateos Orta Chanson akım rejimi olarak (1996).Bu rejimin matematiksel olarak ifade edilmesi son derece zordur. Akımda hidrodinamik dalgalanmalar oluşmaktadır. Buna rağmen az miktarda ölçüm bilgisi mevcuttur. Bu rejimde baskın olan “Nap Akımıdır”. Akım sırasında her bir basamak üzerindeki dalgalanma neticesinde suyun spreylenme etkisi gözlenir ve basamağın mansabında serbest yüzeyli akımın kesişme noktasında hava girişi gözlenir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 96 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kanal açısı α = 3.400 deki akım sırasında, basamağın memba tarafı akımın görünüşü ve ölçümlerinin de işaret ettiği gibi hızla değişir. Mansap kısmı da buna bağlı olarak değişikliğe uğrar. Düz basamaklarda memba kısmı hidrolik sıçrama olmaksızın “Nap akımının” NA3 adı verilen faz’ına geçiş yapar. İlk basamakta akım şok dalgası ile karşılaşır. 2. 3. ve 4. basamaklarda akımda kayda değer ölçüde kaotik değişiklikler gözlenir. Enerji kırılması oranı ise ∆H/ Hmax = %30 ila % 40 oranında olarak ilk üç basamakta oluşur. 5. basamaktan itibaren ise akım koşullarında diğer basamaklara doğru çok küçük değişiklikler oluşur. Kanal açısının α = 220 deki düz basamaklı akımlarda, basamağın memba tarafı düz ve şeffaftır. İlk birkaç basamakta serbest yüzeyli akım basamak geometrisine bağlı olarak dalgalı fazdadır. Basamak köşelerindeki havalanma ihtiyacı hava girişinin kesişme noktasının menbağında açık şekilde gözlenmektedir. Kesişme noktasının mansabında kayda değer ölçüde sıçrama gözlenmektedir. Akım oranının en düşük noktasında ( dc / h =0.65 ) basamak napı altında oluşan hava çukurunun şekli basamaktan basamağa değişmektedir. Geçiş akımı sırasında eğer sıçrama göz önüne alınmaz ise; duvar yükseklikleri Y90 =1.60 x dc yada daha büyük olarak 1.40 x Y90 = 2.20 x dc olarak kabul edilmektedir. Proje uygulamaları sırasında itinalı hidrolik hesaplama ve model çalışmaları yapılmaz ise (TRA) geçiş akımından sakınılmalıdır. Ancak, “Kayan Akım” koşulları kanalda uygulanacak ise kontrolsüz dolusavaklarda geçiş akımı kullanılmaktan imtina edilmemelidir. Geçiş akımı düşük deşarj sırasında ortaya çıktığı için ancak model çalışmaları sayesinde projeye gerçek boyutlarını verilebilmektedir. 4.3.1.8.6 Kayan Akımda Enerjinin Kırılması Kanallardaki akımın artması ile kayan akıma geçiş sağlanır. Kayan akıma ilk geçiş olduğu anlarda oluşan akıma (Onset of Skimming Flow) “Kayan Akımın Başlangıcı” adı verilir ve serbest düşen akımın altındaki çukurun yok olması ile akım yarı homojen hale döner. Çukurun dolmasına yardım eden durum bu bölgeye hava verilmesidir. Başlangıç akımın deşarj fonksiyon parametreleri basamak yüksekliği ve basamak boyudur. (d c ) Başaşlang h 1.06 0.465 x BARAJ HİDROLİK YAPILARI h l (74) 97 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 ( d c ) Başaşlang Başlangıçtaki karekteristik kritik akım derinliği d c Kritik akım derinliği Kayan akım rejiminde dc > (dc)Başlangıç, h / l > 0.20 ~ 1.25 ve 11.000 < α < 52.000 şartları oluşmaktadır. Enerji sönümleme oranı aşağıda verildiği gibi hesaplanır. H kalan dx cos qw 2 2 xgxd 2 (75) Uniform eşitlik denklemi kullanılarak aşağıdaki formüller konulmuştur. H 1 H maks fe 8 x sin 1/ 3 1 fe x cos x 2 8 x sin 3 H brj 2 dc 2 / 3 (76) Kapaksız dolusavaklarda; fe 8 x sin H 1 H maks 1/ 3 1 fe x cos x 2 8 x sin H brj H o 2 / 3 dc (77) Kapaklı dolusavaklarda; Kapaklı dolusavaklarda yukarıdaki formüllerde de görüldüğü gibi barajın yüksekliğinin artması ile enerji kırılma oranı da artmaktadır. f e Hava su karışımı içerisindeki sürtünme katsayısı f e katsayısının eğeri α = 520 için 0.03 ila 0.2 arasındaki değerler kabul edilmektedir. Ancak 0.2 değeri genel olarak uygun kabul edilmektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 98 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 H maks Enerji kırıcı taban kotu başlangıç alınmak şartı ile maksimum su kotu arasındaki mesafe. H brj Enerji kırıcı taban kotu başlangıç alınmak şartı ile dolusavak kret kotu arasındaki mesafe. H maks H brj H o H o Dolusavak kreti üzerindeki su yüksekliği H maks H brj 1.50 xd c (78) Kapaksız dolusavaklar için N= Basamak adedi yc = hc =dc= Kritik akım yüksekliği h = Basamak yüksekliği 4.3.1.9 Serbest Jet Savaklar Serbest jet savakların en uygun olduğu gövde tipi kemer barajlardır. Su jeti gövdenin üst ara veya alt kotlarında konumlandırılabilecek bir eşikten savaklanır. Serbest jet savakların tasarımında temel prensip mansapta oluşabilecek oyulmaların ve baraj topuğunda oluşacak çarpma kuvvetlerinin iyi analiz edilmesidir. İki vadi arasındaki boğazın genişliği, tasarım debisi, nehir yatağının ve vadinin zemin formasyonu seçimde gözönünde bulundurulması gereken diğer unsurlardırxviii. 4.3.1.10 Devrilebilen Taşkın Savakları (Fusegates) Devrilebilen taşkın savakları konvansiyonel savaklara teknolojik ve ekonomik faydaları ile alternatif bir çözüm sağlar. Baraj dolusavak kret kotuna birbirinden bağımsız yan yana monte edilen modüler sistemlerden oluşur. Modül boyut ve türleri proje karakteristiklerine bağlı olarak belirlenirxix. Normal işletme koşullarında devrilebilen savaklar barajın depolama kapasitesini arttırması sebebiyle önerilir. Devrilebilen savaklar tasarım debisine kadar kontrolsüz labirent savak olarak çalışırlar, daha büyük taşkın seviyelerinde ise devrilerek BARAJ HİDROLİK YAPILARI 99 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 akımın savaklanmasını sağlarlar. Genel olarak üç kısımdan oluşurlar; havuz bölgesi, kuyu ve temel. Tasarımında devrilme durumunda yapının stabilitesi tahkik edilmelidirxx. 4.3.2 Kontrolsüz Dolusavakların Hidroliği Dolusavağın kapasitesi, kret şekline, kret uzunluğuna ve dolusavak (hidrolik) yüküne bağlıdır. Dolusavak yükü yaklaşan akım koşullarından, orta ve/veya kenar ayak etkilerinden ve akımın batmışlık durumundan etkilenir. Bir dolusavağın temel amacı, öngörülen büyük taşkınları, membasında ve mansabında oluşabilecek kabul edilebilir bir hasarla iletmektir. İdeal dolusavak tasarımının, maliyeti en aza indirmekten geçtiği ve aşağıda verilen koşulları mümkünse birlikte sağlaması gerektiği söylenebilir. Tasarım debisini iletebilen yeterli kret uzunluğu Krete üzerinde kabul edilebilir minimum basınç Kret üzerinde maksimum kabul edilebilir enerji yükü Gelen/yaklaşan akım için kabul edilebilir hızlar ve akım karakteristikleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 100 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kabul edilebilir çevresel ve estetik koşullar Mühendislik ekonomisi araştırmaları; dar ve büyük birim debili dolusavakların, geniş ve ortalama birim debili olanlara göre çoğunlukla daha ekonomik olduğunu göstermektedir. Bu yüzden kret üzerindeki dolusavak yükü büyük olan ve büyük bir birim debi geçiren tasarım en ekonomik olanıdır. Ancak dolusavak yükünün artması ise aşırı orta ve kenar ayak büzülmelerinin oluşmasına, enerji kırılma sorunlarına, kavitasyon olasılığının artmasına ve dolusavak sisteminde düzensiz akımlara neden olabilir. Bu nedenle tasarım mühendisinden beklenen, dolusavak yükünü verimli bir biçimde kullanmasıdır. Serbest akımlı dolusavak profilinin belirlenmesinde USBR metodu benimsenmiştir. İlerleyen bölümlerde ağırlıklı olarak bu profilin karakteristiklerinden bahsedilecektir. Şekil 43 – Dolusavak Profili 4.3.2.1 Kontrolsüz Dolusavak Profili Eğer dolusavak kretine uygun şekil verilmezse, örneğin savak küçük bir proje yüküne göre projelendirilirse, olduğunda nap dolusavağın dış yüzeyinden ayrılır. Fakat nap, serbestçe havalanmadığı için düşük basınçlar nedeniyle savak yüzüne yapışmaya zorlanır. Daha sonra atmosfer basıncından küçük basınçlarda su, kaynama derecesinin altında buharlaşır ve napın alt kısmında buhar cepleri oluşur. Bu cepler akımın etkisi altında dolusavağın aşağı kısımlarına hareket ederek, atmosfer basıncının oluştuğu yerlerde patlama ile su haline döner. Bu esnada oluşan kuvvetler beton yüzeyini parçalar. Bu nedenle, tepeye etkiyen basıncın kabul edilebilir sınırlarda olması ve dolusavakta verimlilik için tepe şeklinin yüksek bir debi katsayısı sağlaması gerekmektedir. Bu kısıtlamaları karşılayan ideal BARAJ HİDROLİK YAPILARI 101 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 dolusavak şekli ise Şekil 43’de gösterildiği gibi keskin kenarlı bir savak üzerindeki akımın alt yüzeyidir. Bu yüzeyin şekli bağıl yükten ( ), savağın memba yüzünün eğiminden ve yaklaşan akımın derinliği ile hızından etkilenmektedir. Dolusavak profillerinin belirlenmesinde yaygın olarak Creager ve Ogee profilleri kullanılmaktadır. Creager profili daha çok proje debisi küçük olan regülâtörlerde uygulandığından burada ayrıca incelenmeyecektir. 4.3.2.2 USBR Ogee Kret Profili Ogee profili, kretin membası ve mansabı olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Membasında kalan kısım, yarıçapları farklı iki dairesel yayın birleşimiyle, mansap kısmı ise aşağıdaki bağıntıyla tanımlanmıştır; (79) K ve n değerleri, memba eğimine ve yaklaşım hızına bağlı sabitlerdir. Bu sabitlerin farklı koşullardaki değerleri Şekil 44'dexxi ve kretin membasında kalan kısmın nasıl belirleneceği ise Şekil 45'dexxii verilmiştir. Düşey memba yüzeyi ve düşük yaklaşım kanalı hızları için yaklaşık profil ise Şekil 46’dexxiii verilmiştir. Bu profilin şekli cinsinden ifade edilmiş değişik yarıçaplı yayların birleşimden oluşmaktadır. Şekil 44’de verilen profile göre daha basit olan bu profil, yaklaşım derinliğinin, , maksimum yükün yarısına eşit ya da bu değerden büyük olduğu durumlarda kullanılabilir. Yaklaşım derinliğinin maksimum yükün yarısından küçük olduğu durumlarda ise profil Şekil 44’den belirlenmelidir. 4.3.2.3 WES Ogee Kret Profili USBR verisini temel alarak WESxxiv tarafından geliştirilen standart dolusavak şekillerinin mansap profilini aşağıdaki bağıntı belirlemektedir; (80) Tipik WES standart profil şekilleri Şekil 47'da gösterilmiştir. Dolusavak profilinin memba tarafındaki kısmını tek bir bağıntı ile belirlemek mümkün değildir. Tepenin memba tarafının eğrilik yarıçapı dolusavağın verimini önemli ölçüde etkileyen BARAJ HİDROLİK YAPILARI 102 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 etkenlerden biridir. Eğrilik yarıçapında ani bir değişiklik ya da süreksizlik, sadece sınır tabakasını bozmakla kalmaz, aynı zamanda akımın ayrılmasına ve kavitasyona neden olabilir. Yapılan araştırmalar, memba tarafı için, yaklaşan akımın derinliğine bağlı olarak bir elipsin eksenlerinin sistematik olarak değiştiğini bulmuştur. Memba eliptik şeklinin denklemi şöyledir; (81) Değişen yaklaşım kanalı derinlikleri için dolusavak profilinin nasıl belirleneceği Şekil 48'de 4.3.2.4 xxv verilmiştir. Dolusavak Tepe Basınçları Dolusavak kret şeklinin ortaya çıkardığı basınçlar, oranıyla ters orantılıdır. oranı yaklaşık olarak bire eşit olduğunda, kretteki basınç gerçekte atmosfer basıncıdır. oranı arttıkça, tepedeki basınç atmosfer basıncının altına düşer. Bu negatif basınçlar, havalandırılmış ince kenarlı bir savaktaki debi katsayısının artmasının önemli nedenlerinden biridir. Tepe basınçları için makul bir yaklaşım, çeşitli tasarım koşullarında yapısal stabilite analizi için gerekli veriyi sağlayacaktır. Ayrıca kret basınç hesapları, kavitasyon hasarı oluşturacak basınçlarından hidrolik olarak kaçınılması ve bu basınçların sınırlandırılması için gereklidir. Buna göre oranının 1.33 değerini aşmaması önerilmektedir. 4.3.2.5 Kontrollü ve Kontrolsüz Kretler Kontrollü kret akımı kontrol etmek için kapaklar içerir. Memba yüzü eğimi 1:1 olan, oranının 0.25, 0.50 ve 1.0 değerleri için kontrollü ve kontrolsüz ve kontrollü tepeler araştırılmıştır. ölçülmüştür. için olduğu değerlerde basınçlar değerinin 0.25 kadar düşük olduğu bir dolusavakta, ve üzerindeki değerler için debi katsayısında etkili bir yükselme gözlenmemiştir. Deney araştırmaları iki tane orta ayak içeren eklenmiş kret modeli üzerinde de yapılmıştır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 103 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Orta ayakların bulunduğu bir kret negatif basınçlar için tasarlanırken, orta ayakların mansap kısmındaki negatif basınç alanına kadar uzatılması zorunludur. Bu napın havalanmasını, ayrılmasını, dalgalanmasını ve tasarım üstünlüklerinin kaybolmasını önleyecektir. Ön tasarım için basınçların pozitif değerlere döndüğünün bulunduğu boyutsuz yatay mesafeler (kret ekseninden) aşağıdaki tablodaxxvi verilmiş olup ön tasarım için kullanılabilir. 1.17 0.10-0.40 1.33 0.70-0.90 1.50 1.10-1.50 4.3.2.6 Dolusavak Nap Üst Profili Serbest bir akımda, dolusavak kreti üzerinde oluşan nap üst profili (su yüzü profili), krete bitişik kenar duvarların ve kret üzerindeki servis köprülerinin tasarımında ve dolusavak kapak milinin yerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Orta ayaklar tarafından engellenen nap profili ile engellenmeyen nap profili birbirinden farklıdır. Ayrıca nap üst profili, yaklaşan akımın kret eksenine göre yönü kullanılarak değiştirilebilir. Nap profillerini belirlemekte kullanılacak yöntemler, çeşitli koşullardaki oranlarıyla, dolusavağın kapaklı-kapaksız oluşuyla ve yaklaşan akımının kret eksenine dik olup olmayışıyla ilgilenen deneysel çalışmalardan elde edilebilir. Bu yöntemler, nap profili ve ilgili konuların tasarımında sağlıklı bir temel sağlayabilir. Ancak mevcut hidrolik koşulların, kabul edilen deney koşullarından farklı ve nap üst profilinin tam olarak belirlenmesinin tasarım için kritik olduğu durumlarda, profilin model çalışmaları ile belirlenmesi önerilir. 4.3.2.7 Debi Karakteristikleri 4.3.2.7.1 Dolusavak Ayakları ve Yaklaşım Büzülme Katsayısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 104 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Orta ayak büzülme katsayısı, , ayak burnunun yerleşimi ile şeklinden, ayağın kalınlığından, tasarım yükünden ve yaklaşan akımın hızından etkilenir. Orta ayak büzülme katsayıları, ayak biçimine bağlı olarak aşağıdaki tablodaxxvii verilmiştir. Büzülme Ayak Burun Biçimi Katsayısı, Kare-burunlu, köşeleri ayak kalınlığının 1/10'u bir yarıçapla yuvarlatılmış 0.02 Yuvarlatılmış burunlu 0.01 Sivri burunlu 0.00 Orta ayak büzülme katsayıları, Kenar ayak büzülme katsayısı, ise, akım ekseni ile memba kanalı yaklaşım duvarı arasındaki açıdan, tasarım yüküne bağlı yükten ve yaklaşan akımın hızından etkilenir. Kenar ayak büzülme katsayıları tasarım yükü ile ilişkileri de göz önüne alınarak aşağıdaki tablodaxxviii verilmiştir. Büzülme Ayak Biçimi Katsayısı, Akım doğrultusu ile 90o açı yapan baş duvarlı kare kenarlar 0.20 Akım doğrultusu ile 90o açı yapan baş duvarlı yuvarlatılmış 0.10 kenarlar Akım doğrultusu ile 45o den az açı yapan baş duvarlı yuvarlatılmış 0.0 kenarlar BARAJ HİDROLİK YAPILARI 105 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Dolusavak Ayakları Arasındaki Yükselme Yapılan model çalışmaları hem alçak hem de yüksek dolusavaklarda radyal kapakların, dolusavak membasında suyun yükselmesine neden olduğunu göstermiştir. Model çalışmaları, prototip dolusavağın çeşitli kapak açıklığı ve adetleri için düzenlenmiş alternatiflerinde, 3.00 metrenin üzerindeki su yüzü dalgalanmalarının 10 saniyeden az bir periyotta oluştuğunu göstermiştir. Dolusavak orta ayakları ve kapak bölgesi tasarımı için aşağına verilen bağıntılar uygulanarak aşırı su yükselmesi önlenebilir. Alçak yüklü dolusavaklarda ( ) (82) (83) Yüksek yüklü dolusavaklarda ( ) (84) (85) Bu bağıntılarda; kapak açılma miktarı, orta ayak uzunluğu, kapağın en memba tarafındaki yüzeyden orta ayak mansap ucuna kadar olan uzaklık, kapakların debiyi kontrol ettiği durumda maksimum yük ve ise kret üzerindeki yüktür. Debiyi kontrol eden radyal kapaklar için maksimum kapak açılma miktarı kret üzerindeki yükün 0.625 katı alınabilir. Çeşitli kapak açılma miktarları için kapağın BARAJ HİDROLİK YAPILARI 106 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 kontrol ettiği debide kret üzerinde oluşan maksimum yük, dolusavak deşarj eğrilerinden elde edilebilir. Bütün kapaklı dolusavaklar için bu kurallar, kapak büyüklüğüne bakılmaksızın uygulanabilir. Ancak bu ve çalışmalarından elde edildiği için, kurallar sınırlı model olan dolusavaklar için uygulanmadan önce model deneyleri ile kontrol edilmelidir. Dolusavak Yaklaşımı Dolusavak yaklaşım şekli, kenar ayak büzülme katsayısını, nap profilini ve muhtemelen boşaltım kanalı ile düşüm yatağındaki akımın karakteristiklerini etkiler. Her biri kenar ayakları farklı biçimlerde etkileyen üç çeşit yaklaşım şekli vardır. Derin Yaklaşım ( ): Bu durumda yaklaşım hızlarının önemsiz olduğu yüksek bir dolusavak vardır. Yüksek yüklü barajın beton kısımlara bitişik olan kenar ayaklarının biçimleri, kenar ayak büzülme faktörünü etkileyen en önemli etkendir. Bu tip yapılarda, daha büyük bir kenar ayak yarıçapı elde etmek için kenar ayağın barajdan membaya doğru uzatılması, dolusavağın bitiş kısmındaki akım özelliklerinde iyileşme sağlayabilir. Sığ Yaklaşım ( ): Bu durumda geniş ama nispeten sığ bir yaklaşım vardır. Sınırlı Yaklaşım: Dolusavağın barajdan uzak ve yaklaşım kanalının kazılarak oluşturulması gerektiği zaman ortaya çıkar. Bu tip yaklaşımda, yaklaşım hızlarının yüksek ve akım dağılımının düzensiz olmasına rağmen kenar ayaklarda güçlü yan akımlar oluşmayabilir. Dolusavağa doğru yaklaşım kanalının kazılarak açılması gerektiği durumlarda, dolusavak kapasitesini hesaplarken yaklaşım kanalında sürtünmeden dolayı oluşacak kayıplar da belirlenmelidir. 4.3.2.8 Kontrolsüz Ogee Kreti İçin Debi Katsayıları Dolusavak kretinden geçen akım, serbest ve batmış akım olmak üzere iki şekilde sınıflandırılabilir. Serbest akım durumunda debi katsayısının değeri, kretin mansap koşullarından etkilenmez. Batmış akım durumunda ise, mansap su seviyesinin yeteri kadar yüksek olduğu durumlarda debi katsayısı azalabilir ya da kret eksenine çok yakın bir yerde kret profilinde bir değişiklik olursa, kret şeklinin bütün üstünlükleri sağlanamayabilir. Debi katsayısı aşağıdaki etkenler tarafından belirlenir: BARAJ HİDROLİK YAPILARI 107 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Yaklaşım (kanalı) derinliği, Kret üzerindeki bağıl yük , İdeal nap şekli ile mevcut kret şekli arasındaki ilişki, Memba yüzü eğimi, Mansap taban ve su seviyesinin durumu. 4.3.2.9 Yaklaşım Derinliği Etkisi Yüksek keskin kenarlı savaklarda yaklaşım hızı az ve savak sonrası büzülme maksimum olacaktır. Yaklaşım derinliği azaldıkça yaklaşım hızı artar ve büzülme azalır. Yüksekliği üzerindeki akışı oluşturan su yükünün 1/5 inden az olmayan keskin kenarlı savaklarda, büzülmenin azalmasına rağmen savak deşarj katsayısı yaklaşık 1,82 de sabitleşir. Savak yüksekliği üzerindeki su yükünün 1/5 inden az olan keskin kenarlı savaklarda akımın büzülmesi giderek artan bir şekilde baskılanır ve deşarj katsayısı azalır. Keskin kenarlı savak katsayıları savak üstü su yükü yerine maksimum büzülmenin olduğu nokta ile ilişkilendirildiğinde, bu katsayılar Ogee profilli savaklara uygulanabilir. Ogee kret deşarj katsayısı olan Co ın P/Ho ile olan ilişkisi Şekil 49 da verilmiştir. Bu katsayılar ancak Ogee ideal nap şekline göre, yani He/Ho = 1 olduğunda geçerli olacaktır. (He=Mevcut Su Yükü, H0= Tasarım Su Yükü) 4.3.2.10 Tasarım Yükünden Farklı Yüklerin Etkisi Kret üzerindeki mevcut su yükü kretin tasarım su yükünden az yada çok olduğunda savak deşarj katsayısı Şekil 49’da verilen katsayılardan farklı olacaktır. Deşarj katsayısının değişimi ile H0/He ilişkisi Şekil 50’de verilmiştir. Mevcut su yükünün, tasarım yükünden büyük olduğu durumlarda deşarj artacak, tasarım su yükünden küçük olduğu durumlarda ise daha küçük deşarj katsayıları bulunacaktır. 4.3.2.11 Memba Yüzü Eğiminin Etkisi Yaklaşım derinliği - kret üzeri yük oranının küçük olması memba yüzü eğimli bir savakta deşarj katsayısının artmasına yol açar. Büyük olması durumunda bu katsayı azalır. Yüksek P/Ho değerlerinde daha yatık savaklar için deşarj katsayısının BARAJ HİDROLİK YAPILARI 108 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 küçülmesi beklenebilir. Şekil 51 memba yüzeyi eğimli savak deşarj katsayısının (Ci), memba yüzü dik savak deşarj katsayısına (Co) oranını P/Ho a bağlı olarak göstermektedir. 4.3.2.12 Mansap Etkisi Dolusavak mansabındaki su seviyesi yeterli derecede yüksek olduğunda savak deşarjı bu durumdan etkilenebilir ve savak batık çalışabilir. Kret üstü su seviyesinin mansap apronuna olan düşey mesafesi ve deşarj kanalı su derinliği deşarj katsayısını etkileyen faktörlerdir. Kret mansabında apron yerleşimi ve mansap su seviyesine bağlı olarak 5 akım tipi görülebilir. Bu akımlar aşağıda verilmiştir; Akım sel rejimiyle devam edebilir Kret hemen mansabında kısmi veya tamamlanmamış bir hidrolik sıçrama oluşabilir. Kret mansabında gerçek hidrolik sıçrama oluşablir. Boğulmuş hidrolik sıçrama oluşabilir. Sıçrama oluşmaz. Şekil 52 da mansap batıklıkları ile mansap apron yerleşimi arasındaki ilişki görülmektedir. Mansap akımı sel rejimi yada hidrolik sıçrama halinde iken deşarj katsayısı; mansap apronunun geri tepme etkisiyle azalır. Bu durum kuyruksuyu seviyesinin batıklık etkisinden bağımsızdır. Mansap apron koşullarının deşarj katsayısına olan etkisi Şekil 53’da görülebilir. Mansap apron seviyesi kret üstü akım seviyesine yaklaştığında (( hd+d)/He 1,0 e yaklaşırken) yeni deşarj katsayısının (Cs) mansapdan etkilenmemiş deşarj katsayısına (Co) oranı 0,77 olur. Şekil 52’da görüleceği üzere (hd+d)/He oranı 1,7 yi aştığında mansap tabanı yerleşiminin deşarj katsayısına etkisi çok az olur, ancak deşarj katsayısındaki azalma kuyruksuyu batıklığı nedeniyle katsayı düşer. Kuyruksuyu etkisi altındaki deşarj katsayısının serbest akımdaki deşarj katsayısına olan oranı Şekil 54 de verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 109 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.3.2.13 Mansap Eğimi Mansap eğimi, genelde yapısal stabilitenin gerektirdiği bir eğimle kret profiline teğet olarak yapılır. Bu eğimler çoğunlukla 0.6:1 ile 1.1:1 arasında değişebilmektedir. Kenar duvarlarla birlikte mansap eğiminin oluşturduğu oluk, akımı kret üzerinden boşaltım kanalı ya da enerji kırıcı havuza yönlendirir. Akımın ivmesi ve hızdaki tedrici artış yüzünden, bu kanalın profilinin, düşeyde ve yatayda tasarım profiline kesinlikle uygun olmasına ayrı bir özen gösterilmelidir. 4.3.2.14 Dolusavak Topuğu Dolusavak topuğu, dolusavak oluğu ile boşaltım kanalı ya da enerji kırıcı havuz arasındaki bağlantıdır. İşlevi ise dolusavak sırtından düşen akımı mansabına kabul edilebilir akım koşullarında iletmektir. Topuk dairesel yayı, hem dolusavak oluğuna hem de mansap düşü tabanına teğet olarak yapılır. Yarıçapı ise yüksek hızlarda bile akımın yönünü engellenmeksizin yumuşakça değiştirebileceği biçimde belirlenmelidir. Topuğun girişindeki akım derinliğinin minimum 5 katı bir yarıçap önerilebilirxxix. Ayrıca bu bölgede basınçlar, tabanda ve kenarlarda merkezkaç nedeniyle artar. Burada basınç, hidrostatik ve merkezkaç basınçlarının toplamıdır. (86) Bağıntıda topukta akım derinliği, topuktaki akımın hızı, ise topuk yayının yarıçapıdır. 4.3.3 Kontrollu Dolusavakların Hidroliği Kontrollü savaklarda değişik kapak açıklıklarında kret üzerinde orifis akım oluşacaktır. Maksimum su yükünde küçük kapak açıklıklarında serbest yüzlü deşarj orifisten çıkan jet şeklinde olacaktır. Düşey orfisinten jetin doğrultusu aşağıdaki parabolik denklem ile bulunabilir; BARAJ HİDROLİK YAPILARI 110 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 (87) H : kapak açıklığı orta noktası üzerindeki su yükü Düşey ile θ açısı yapan orifis için bu denklem; (88) Büyük su yüklerinde ve küçük açıklıklarla çalışan kapaklarda, eğer ogee profili yukarıda verilen denklemin altında kalıyorsa, kret üzerinde negatif basınçlar oluşabilir. Atmosfer altı basınçların maksimum su yükü olan Ho ve küçük kapak açıklıklarında tasarım yükünün 1/10 u mertebesinde oluştukları gözlenmiştir. Kapak mansabında klasik ogee denklemi yerine jet denklemi ile tasarlanan ogee profili tam kapak açıklıklarında deşarj verimi azalacak ve ogee profili genişleyecektir. İdeal ogee denklemli savakta kapak yuvasının ogee kretinin mansabına yerleştirilmesiyle atmosfer altı basınçlar minimize edilebilir. Kapaklı dolusavak deşarj debisi aşağıdaki denklemle bulunabilir. (89) H : Kapak açıklığı orta noktası üzerindeki su yükü D : Kapak ucundan kret eğrisine kadar olan en kısa mesafe L : Kret genişliği Şekil 55 kapak açıklık derecesi ile deşarj katsayısı ilişkisini göstermektedir. Kapak açıklığı θ derecesi ile tariflenmiştir. θ açısı kapak yarıçapı ve kapak mesnet yerinden etkilenebilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 111 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 44 - Kret Mansap Profilinin Belirlenmesi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 112 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 45 - Kret Memba Şeklinin Belirlenmesi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 113 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 46 - BARAJ HİDROLİK YAPILARI için kret profilinin belirlenmesi 114 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 47 - Tipik WES Memba ve Mansap Profilleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 115 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 48 - Memba Eliptik Profilinin Belirlenmesi (Değiştirilmiş WES) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 116 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 49 - Memba Yüzü Dik Ogee Savaklarda Deşarj Katsayısı Şekil 50 - Tasarım Yükünden Farklı Su Yükleri İçin Deşarj Katsayısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 117 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 51 - Memba Yüzü Eğimli Ogee Savaklar İçin Deşarj Katsayısı Şekil 52 - Savak Kretlerindeki Akımlarda Mansap Etkisi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 118 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 53 - Mansap Apronunun Deşarj Katsayısına Etkisi Şekil 54 - Mansap Batıklığının Deşarj Katsayısına Etkisi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 119 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 55 - Kapak Açıklığına Göre Deşarj Katsayısı 4.4 Dolusavak Optimizasyonu Jeolojik, topografik ve proje özellikleri de dikkate alınarak dolusavak tipine karar verilir. Seçilen tipin, dolusavak genişliğinin tespiti için gövde maliyeti, dolusavak maliyeti, kamulaştırma maliyeti, irtifa hakkı birlikte her bir eşik boyu için hesaplanıp optimizasyon eğrisi çıkarılır. Bu optimizasyon eğrisinin en ekonomik (gövde + dolusavak + kamulaştırma + irtifa maliyeti) eşik boyuna karar verilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 120 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.5 Yaklaşım Kanalı Tasarımı Suyu baraj gölünden alarak dolusavak yapısına iletmek amacıyla oluşturulan kanala yaklaşım kanalı ismi verilir. Bazı baraj yapılarında dolusavak yapısı (beton ağırlık ve kemer barajlarda) Baraj gövdesi üzerinde bulunduğundan yaklaşım kanalı yapımına gereksinim olmaz. Su doğrudan dolusavak eşik yapısına ulaşır. Yaklaşım kanaları projelendirilirken dikkat edilmesi gereken konulardan birisi baraj gölünden kanala girişin geometrisidir. Yaklaşım kanalı girişleri yük kayıplarının azaltacak ve kanal içerisinde düzenli bir akım koşulu oluşturacak şekilde tasarlanmalıdır. Kanal içerisindeki akımın düzenli olmaması durumunda hem dolsavak boşaltım katsayısı değerinde azalma olur hem de mansap kanalı boyunca akım düzensizlikleri artarak devam eder. Bu nedenle yaklaşım kanallarında kurb akımları oluşturmaktan kaçınılmasında yarar vardır. Yaklaşım kanaları tasarımında aşağıdaki konular göz önünde bulundurulmalıdır: Yaklaşım kanalında enerji kaybı en az olacak şekilde düzenlenir Planda kurp yapılmasından kaçınılmalıdır Kanalda ters akımlar oluşmayacak şekilde düzenlenir Kanal içerisindeki en yükseke akım hızları 4-5 m/s civarında olmalıdır Topgrafyanın elverdiği ölçüde fazla kazıya girmeden tasarlanmalıdır Akım kanal içerisinde üniform olması sağlanmalıdır Yaklaşım kanallarında akım genellikle kritik üstü ve yavaş değişkem akımlardır. Bu nedenle hesap yöntemi mansap kontrollüdür. Su yüzü hesapları mansapdaki dolusavak eşiğinden başlanarak baraj gölüne doğru yapılır. Suyu savak yapısına iletmek amacıyla inşa edilen yapıdır. Dolusavak tipine göre yaklaşım kanalı yapılmayabilir. Dolusavak baraj gövdesi üzerinde inşa edilmişse su ile doğrudan doğruya temas halindedir. Bu durumda yaklaşım kanalına ihtiyaç duyulmayabilirxxx. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 121 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.5.1 Baraj Gölünden Kanala Giriş Giriş ağzının tertibinin önemini iki nokta da vurgulamak gereklidir. Yük kayıplarının azaltılması Kanal içinde düzenli bir akımın elde edilmesi Bu iki hususa dikkat edilmediği zaman daha başlangıçta hidrolik bir yetersizlik doğabilir. Kanal içindeki akımın düzenli olmaması hem dolusavak debi katsayısına etkiyecektir, hem de mansap kanalında düzensizlikler yaratacaktır. Bu da suyun ana yatağa verilmesinde, istenilmeyen zararlı etkilerin doğmasına yol açabilirxxxi. Kanal giriş ağzının hidrolik bakımdan iyi kontrol edilemediği hallerde yük kayıpları çok büyük değerlere ulaşabilir. Yüksek hidrolik kayıp değerleri doğrudan baraj yüksekliğini ve ekonomiyi etkileyebilir. 4.5.2 Yaklaşım kanalının güzergâhı Kanal güzergâhı baraj konumuyla yakından ilgilidir. Vadinin dar olması halinde ekseni yamaç içine sokma zorunluluğu ile karşılaşılmaktadır. Bu takdirde eğrisel bir güzergâh seçmekten başka çare kalmaz. Dolayısıyla merkezkaç kuvvetlerinin etkisiyle su, dirseğin dış tarafına yığılır ve akım düzgün olmaktan çıkar. Yaklaşım kanalının boyunu “dirsekten kaçınmak için” kısaltmak ve kanal girişini baraj eksenine yaklaştırmak bu sakıncayı ortadan kaldırsa da yüksek istinat duvarları inşa edilmek zorunluluğu doğabilir. Dolusavak kretinden önce, yaklaşım kanalında dolusavak genişliğinin 1 -1.5 katı civarında düz bir güzergah tasarlanması akımı düzenlemeye yardımcı olacaktır. Yaklaşım kanalında uygulanacak bir kurbun eğrilik yarıçapının su derinliğine oranı olabildiğince fazla olmalı ve yaklaşık olarak 3 ‘den az olmamalıdırxxxii. Bazı durumlarda dolusavak kretine doğru daralan bir yaklaşım kanalı tasarlamak akımı düzenlemeye yardımcı olabilirxxxiii. 4.5.3 Yaklaşım kanalındaki akımın maksimum hızı Yaklaşım kanalı içinde büyük yük kayıplarına ve oyulmalara neden olması muhtemel hızlardan kaçınılmalıdır. Maksimum debi için kabul edilmesi gerekli en yüksek hız BARAJ HİDROLİK YAPILARI 122 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4,5 – 5,0 m/s civarında kalmalıdır. Kadastrofal taşkınlar dışında kanalın taşıyacağı normal hızlar 2 – 2,5 m/s olmalıdırxxxiv. Yaklaşım kanal tabanı dolusavak kretinden tasarım su yükünün 1/5 ‘i kadar alçakta olacak ve yaklaşım kanalında su hızları genellikle 3 m/s ‘yi geçmeyecek şekilde tasarlanır. 4.6 Taşkın Öteleme Taşkın öteleme yapılmadan önce hazırlanması gereken veriler şunlardır; Hacim – Satıh Eğrisi Dolusavak Deşarj Eğrisi Taşkın Hidrografı Ön çalışmalar tamamlandıktan sonra barajın işletme amacına ve kret tasarımına göre taşkın öteleme ile ilgili kabuller yapılmalıdır. Eğer kapaklı bir dolusavakta normal su seviyesinin üzerine su yükselmeden taşkının savaklanması isteniyorsa dolusavak kapasitesi taşkın hidrografının tepe değerine eşit tasarlanmalıdır. Bu durumda taşkın öteleme söz konusu olmaz. Bunun dışındaki durumlarda su göl alanında yükselir ve taşkın ötelenir. Dolusavak kapasitesi ötelenmiş debiye göre belirlenir. Taşkın ötelem çalışmaları yapılırken savaklanan debi ile rezervuardaki su kotu arasındaki ilişkiyi veren deşarj eğrisi ve rezervuar hacminden savaklanan debinin çıkarılması sonucu elde edilen hacmin kot-hacim denklemi ile ilişkilendirilmesi sonucu bulunacak kot değeri kullanılır. Savaklanan debi için iterasyon yapılarak her iki denklemin kot değerleri birbirlerine eşitlenmeye çalışılarak dolusavağın deşarj kapasitesi tayin edilir ve göl alanında oluşacak maksimum su seviyesi bulunur. Taşkın işletmesi amacı olan projelerde dere yatağına bırakılabilecek maksimum debi emniyetli yatak kapasitesine göre belirlenir ve kontrol edilmesi amaçlanan taşkın periyotlarının hidrografları ötelenirken deşarj eğrisi bu değer ile sınırlandırılır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 123 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.7 Deşarj Kanalı Tasarımı 4.7.1 Genel Bu Bölümde dolusavak deşarj kanalları için hidrolik prensiplerden bahsedilecek, deşarj kanalı tipleri, kavitasyon riskleri ve kavitasyon önlemleri hakkında bilgi verilecektir. Deşarj kanalı, dolusavak eşiği ile enerji kırıcı yapı arasındaki bölümü içermektedir. Dolusavak eşiğinde kritikten geçen akım boşaltım kanalı boyunca kritik altı (sel rejiminde) akım koşulundadır. Kritik altı akımlar memba kontrollü akım koşularına sahip oldukları için hesap yönü eşikten başlayarak enerji kırıcı yapıya doğru yapılmaktadır. Genellikle dikdörtgen kesitli olarak tasarlanan deşarj kanalı yapıları üzerinde akım hızları yüksek olduğu için yatay kurp yapmaktan kaçınılmalıdır. Taban profilleri topografik koşullara bağlı olarak değişmekte olup eğim değişikliklerinde yapının sürekliği esas alınarak alt basınç oluşturmayacak bir forma sahip olmalıdır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda deşarj kanallarında hızlı akımların etkisiyle kavitasyon hasarlarının oluştuğu belirlenmiştir. Kavitasyon etkisiyle oluşan hasarlar yapının stabilitesini tehlikeye atacak boyutlar kazanmaktadır. Kavitasyon hasarlarını azaltmak amacıyla akıma hava karıştırılmaktadır. Hava bacaları arıcılğıla akıma karışan hava boşaltım kanalı taban bölgesindeki alt basınçların atmosfer basıncı değerlerine yükselmesini sağlamakta ve böylece akımın etkisiyle olan kavitasyon hasarların azaltmatadır. Deşarj kanalları dolusavak tiplerinden bağımsız olarak farklı tiplerde inşa edilebilirler. Tip seçimi yapılırken hidrolik koşulların da göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Burada yaygın uygulanan tipler ve ilgili hidrolik hesapları anlatılacaktır. Dolusavak deşarj kanalları için yaygın uygulanan tipler şunlardır; Prizmatik kanallar Basamaklı kanallar Kondüvi veya tünel Yapılan hidrolik tahkiklerse genel olarak su yüzü hesapları, hava payı hesapları, daralma ve genişleme tahkikleri ve kavitasyon riski hesaplarıdır. Prensip olarak BARAJ HİDROLİK YAPILARI 124 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 deşarj kanalı akımı basınçsızdır. Kondüvi veya tünel olarak yapılan deşarj yapılarında bu prensibe dikkat edilmelidirxxxv. Deşarj kanalında suyun kritik üstü akımda akması, hidrolik sıçrama olmaması gerekmektedir. Bu sebeple dolusavak deşarj kanallarında kritik eğim hesabı yapılması da önerilir. 4.7.2 Prizmatik kanallar Prizmatik kanallar genel olarak açık kanal prensibi ile tasarlanan dolusavak deşarj kanallarıdır. Basamaklı deşarj kanalları başka bölümde işleneceğinden burada sadece tabanı düz olan kanallara değinilecektir. Yaygın uygulama karesel veya trapez kesitli prizmatik kanallardır. Prizmatik kanallarda hidrolik olarak daralma varsa daralma tahkiki, suyüzü hesabı, hava payı hesabı ve kavitasyon riski hesabı yapılabilir. Yapılan hesaplar neticesinde deşarj kanalı boyutlandırılır, daralma varsa açısı belirlenir ve kavitasyon riski varsa havalandırıcılara karar verilir. 4.7.3 Daralma ve Genişleme Tahkiki Hidrolik olarak ideal deşarj kanalları daralma veya genişleme olmayan kanallar olmakla birlikte topografik ve ekonomik koşullar tasarımcıyı daralma vey genişleme olan deşarj kanalları tasarlamaya yönlendirebilir. Böyle bir durum sözkonusu ise daralma veya genişlemenin tedrici yapılması ve açının da aşağıda verilen formül ile sınırlandırılması önerilmektedir. tanα = 1/3F (90)xxxvi α: Tedrici değişen duvarın kanal ekseni ile açısı F: Froude sayısı 4.7.4 Suyüzü Hesabı Suyüzü hesabının amacı kanalın herhangi bir yerinde belirli bir debiye göre akım derinliğini tespit edebilmektir. Bunun için öncelikle o debide deşarj kanalının başlangıcındaki enerji kotu bilinmelidir. E = K + dc+ hvc BARAJ HİDROLİK YAPILARI (91) 125 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 E: Deşarj kanalı başlangıç enerjisi K: Deşarj kanalı başlangıç taban kotu dc: Akımın kritik derinliği hvc: Kritik hız yükü = vc2/2g vc: Kritik su yüksekliğinde hız g: Yerçekimi ivmesi Yukarıdaki formül deşarj kanalı girişinde akımın kritik akım olduğu kabulüne göre yazılmıştır. Suyun dolusavak eşiğini kritik akımda geçip deşarj kanalına kritik üstü rejimde gireceği düşünülürse, pratik ve uygun bir kabul olmaktadır. Suyüzü hesabı dolusavak kanalının herhangi bir kilometresinde enerji denklemi yazarak bu enerjiyi deşarj kanalı başlangıç enerjisine eşitleyen su yüksekliğini bulmaktan ibarettir. İstenilen noktadaki taban kotuna, o noktadaki hız yükünün, o noktaya kadar olan hidrolik kayıpların ve akım derinliğinin deşarj kanalı eğim açısının kosinüsü ile çarpımının eklenmesi ile o noktadaki enerji yazılabilir. Burada hidrolik kayıplar ve hız yükü su yüksekliğinin birer fonksiyonudur ve akım derinliği değiştirilerek iterasyon yapılması ile su yüksekliği bulunması istenilen noktanın enerjisi deşarj kanalı başlangıç enerjisine eşitlenmeye çalışılır ve eşitliği veren akım derinliği bulunur. E = K’ + dcosθ + hv + hf (92) hv: Hız yükü = v2/2g hf : Hidrolik Kayıp = Σ(Sf x L) K’ : Su yüzü hesaplanacak noktanın taban kotu d : Akım derinliği θ : Kanal eğimi Sf : Hidrolik eğim (Birim debi için Manning denkleminden hesaplanabilir) L : Sf için kanal boyu BARAJ HİDROLİK YAPILARI 126 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Hesaplar yapılırken Sf akış boyunca değişeceğinden dolusavak kanalı boyunca aralıklarla Sf hesaplamak gerekebilir. Zaten suyüzü hesapları da genelde tüm kanal boyunca yapılacağından ve bu hesaplar kanal yükseklikleri boyutlandırılırken de kullanılacağından aralıkları anolara göre belirlemek önerilir. Bu şekilde her ano başlangıcı bitişi için akım derinlikleri bulunmuş ve dolusavak suyüzü hesabı yapılmış olunur. 4.7.5 Hava Payı Hesabı Hava payı hesabı suyüzü hesabı yapıldıktan sonra, kanal boyutlandırılırken, kaplamanın veya kanal duvarının yüksekliğini tayin edebilmek için suyüzü hesabında bulunan akım derinliğine ne kadar hava payının eklenmesi gerektiğinin hesabıdır. Suyüzü hesabında dcosθ olarak hesaplarda kullanılan yüksekliğe ortalama hızdan hesaplanan hava payı eklenir ve kanal eğiminin kosinüsüne bölünerek kanal yüksekliği bulunur. Ortalama hız kullanılarak aşağıdaki formül uygulnırsa hava payı bulunabilir. Formül feet cinsinden bir sonuç verecektirxxxvii. Normal hava payı = 2,0 + 0,025.v.d(1/3) (93) Bu formül metre cinsinden aşağıdaki gibi yazılabilir; Normal hava payı = 0,6 + 0,03731.v.d(1/3) (94) Kanal yüksekliği = (Normal hava payı + d) / cosθ (95) v: Ortalama hız d: Akım Derinliği (havalandırıcı kullanılması durumunda havalanmış akım derinliği dikkate alınır; bkz Şekil 56) θ: Kanal eğim açısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 127 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 56 – Havalandırıcılı Dolusavaklarda Su Derinliğixxxviii BARAJ HİDROLİK YAPILARI 128 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.7.6 Düşey Kurp Uygulaması Sıçratma eşikleri ile ilgili verilen su jeti hesap kriterlerinden faydalanılarak yapılacak su jeti jeti hesabını takiben negatif basınç tahkiklerinin yapılması önerilir. Deşarj kanalında uygulanacak olan düşey kurbun yüzey denkleminin su jetinin denklemine benzer olması ve kotların negatif basınç oluşmayacak şekilde düzenlenmesi önemlidirxxxix. 4.7.7 Dolusavak Boşaltım Kanallarında Kavitasyon Olayı ve Havalandırıcılarının Hidrolik Tasarımı 4.7.7.1 Boşaltım Kanallarında Kavitasyon Yüksek veya orta yükseklikteki barajların dolusavaklarında oluşan çok yüksek hızdaki su akımlarının dolusavak yapısına önemli ölçüde hasar vermeleri geçmişten beri bilinen bir hidrolik problemidir. Kavitasyon hasarları dolusavakların pürüzlü ve yersel olarak sürekliliğinin bozulduğu yüzey tabakalarında oluşur. Yüksek akım hızlarının olduğu hemen hemen bütün su yapılarında, meydana getireceği zarardan dolayı, kavitasyon olayı dikkat edilmesi ve tedbir alınması gereken en önemli problemlerden biridir. Yüksek akım hızı akım içindeki basıncın buhar basıncı düzeyine düşerek buharlaşmasıyla akım içerisinde gaz fazına geçişine ve kabarcıklardan çözünmüş gaz açığa çıkmasına neden olur. Bu olaya “kavitasyon” ismi verilir. Kavitasyonun başlangıcında basıncın en düşük olduğu noktada ardı ardına çok küçük buhar kabarcıkları oluşur ve bunlar akım basıncının nispeten daha yüksek olduğu yere taşınıp orada içindeki buharın yoğunlaşmasıyla çözülerek, şok kuvvetleri meydana getirerek patlarlar. Bu taşınma ve yoğunlaşma çok hızlı ve kısa bir zaman içerisinde olur. Çok sayıdaki kabarcıkların çözülmeleri sonucunda bu çözülmeye karşı gelen sıvı kütlelerinin tesiriyle çok büyük bir yersel basınç meydana gelir ve ses hızıyla radyal olarak dışarıya doğru iletilir, bunu negatif bir basınç dalgası takip eder, böylece buharlaşma-yoğunlaşma devresi birkaç defa tekrarlanabilir. O civardaki yüzey malzemesi böylece sık sık işareti değişen gerilmelere maruz kalır ve sonunda yorulma yüzünden tahrip olur. Bunun ilk işareti genellikle yüzeyin aşınması şeklinde görülür [17]. Kavitasyon olayının sonucunda ortaya çıkan kavitasyon hasarının önlenmesi amacıyla uygulanabilecek değişik yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler: BARAJ HİDROLİK YAPILARI 129 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kavitasyon olayının oluşumunun önlenmesi, Buhar kabarcıklarının kontrol altına alınarak yüzeyden uzak bölgede yoğunlaşmasının sağlanması, Yapılarda kavitasyona dayanıklı malzemenin kullanımı, ve Akıma hava karıştırılmasıdır. Yukarıda bahsedilen bu yöntemler arasında dolusavak boşaltım kanalarına uygulanabilirliği açısından en etkili yöntem akıma hava karışımının sağlanmasıdır. Su yüzeyinde “beyaz köpüklü su” şeklinde oluşan doğal havalanma veya serbest yüzey havalanması tek başına beton yüzeydeki kavitasyon hasarlarını önlemeye etkili değildir [24]. Serbest yüzey havalanması yoluyla akımın havalanması; türbülanslı sınır tabakası kalınlığının akım derinliğine ulaşması ile oluşur ve bu noktanın mansabından başlayarak akıma yüzeyden hava girişi başlar. Serbest yüzey havalanması akım içerisindeki ortalama hava konsantrasyon değerinin yükselmesine neden olmakla birlikte yüzeyden gelen havanın çok az bir bölümü yapının beton yüzey bölgesine kadar ulaşarak kavitasyon hasarlarının önlenmesine yardımcı olur. Bu nedenle, dolusavakların beton yüzeylerindeki oluşabilecek kavitasyon hasarlarının önlenmesinin en iyi yolu akıma hava karıştırılmasının beton yüzey seviyesinden sağlanmasıdır [18] [19] [20] [21] [22] [25] [26] [29]. Peterka (1953) [27] tarafından beton numuneler kullanılarak yapılan laboratuvar çalışmalarında yüzeye yakın bölümde yaklaşık %6-8’lik bir hacimsel hava konsantrasyonunun sağlanması durumunda beton numunelerde herhangi bir kavatisyon hasarının oluşmadığı görülmüştür. Bu nedenle, dolusavak boşaltım kanallarına yerleştirilecek havalandırıcılarda hedef yapının beton yüzeyine yakın bölümünde en az %6-8 lik hacimsel hava konsantrasyonu değerinin yakalanmasıdır. Şekil 57’de görüldüğü gibi taban bölgesindeki akımın bir basamak-saptırıcı tipli havalandırıcı ile tabandan ayırmasıyla oluşacak olan su jetinin alt napına hava girişi sağlanır (aeration process). Serbest yüzeyden de hava girişinin olmasına karşın, bu havalanmanın tabandaki hava konsantrasyonu değeri üzerinde fazla bir etkiye sahip olmaması sebebiyle tasarım için önemli olan su jetinin alt napından havalandırıcı yoluyla giren hava miktarıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 130 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Havalandırıcılarda havalanma olayı Şekil 58’te de görüldüğü gibi simetrik veya asimetrik olarak iki durumda gerçekleşebilir. Hava bacasından giren havanın bütün dolusavak kanal genişliği boyunca homojen bir şeklide su jetinin alt napı boyunca dağılmasının istenmesi nedeniyle, çok geniş olan boşaltım kanallarında simetrik havalanma yapılması tavsiye edilmektedir. Ayrıca çok geniş boşaltım kanallarında basamak alınlarından da hava girişinin olması için ek bir hava galeri sisteminin sağlanmasıyla su jeti alt napının havalanması çok daha etkin yapılabilir. Serbest Su jetinin alt yüzeyden doğal napından Şekil 57 - Basamak-Saptırıcı Tipli Bir Dolusavak Havalandırıcı Yapısının Profilden Görünüşü Qhava ,Aa BARAJ HİDROLİK YAPILARI Qhava ,Aa 131 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Q Q su su Qsu+ Q Qhava su Qhava ,Aa a) simetrik havalandırıcı b) asimetrik havalandırıcı (geniş boşaltım kanalları için) Şekil 58 - Simetrik ve Asimetrik Havalandırıcılar Uygulamada yaygın olarak kullanılan bazı havalandırıcı tipleri Şekil 59’de verilmektedir. Ancak, uygulamadan elde edilen deneyimler havalandırıcı verimliliği açısından en uygun geometrinin basamak ve saptırıcı kombinasyonuna sahip havalandırıcılar olduğunu göstermektedir (Şekil 59b). Bu tip havalandırıcıların hem basit bir geometriye sahip olmaları hem de yarık tiplilerdeki gibi su tahliye sistemlerine ihtiyaç duyulmamasından dolayı önemli bir avantaja sahiptirler. Havalandırıcının mansabındaki akım koşulları incelendiği takdirde akım içerisindeki hava konsantrasyonu değerinin mansap yününde bir azalma eğilimi içinde olduğu görülmektedir (de-aeration process). Bunun nedeni akıma karışan hava kabarcıkları üzerinde oluşan kaldırma kuvvetidir. Hava konsantrasyonu değerinin %6-8 in altına BARAJ HİDROLİK YAPILARI 132 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 düşmesi durumunda boşaltım kanalına ikinci bir havalandırıcının tasarımının yapılması gerekebilir. Şekil 60’te Atatürk Barajı dolusavak boşaltım kanalında seri olarak inşa edilmiş havalandırıcıların işletme anında elde edilen bir fotoğrafı görülmektedir. Yapılan son çalışmalarda kanal eğiminin de bu olayda önemli rol oynadığı görülmüştür. 30 derecenin üzerindeki dolusavak boşaltım kanallarında havalandırıcıların çok daha verimli çalıştığı ve daha az sayıda havalandırıcı yapısı gerektiği ortaya çıkmıştır. a) basamak BARAJ HİDROLİK YAPILARI b)basamak+saptırıcı 133 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 c) basamak+yarık d) basamak+saptırıcı+yarık Şekil 59 - Dolusavak havalandırıcı yapılarının uygulamada kullanılan bazı tipleri Şekil 60 - Atatürk Barajı Dolusavak Boşaltım Kanalındaki Havalandırıcı Yapıları BARAJ HİDROLİK YAPILARI 134 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.7.7.2 Dolusavak Havalandırıcılarının Hidrolik Tasarımı Kavitasyon hasarlarının önüne geçebilmenin en etkili yolu boşaltım kanalına belirli mesafelerle havalandırıcı yapılarının inşa edilmesidir. Yerleştirilecek havalandırıcıların boyutları genel olarak deneysel olarak belirlenmekle birlikte, sistematik olarak yapılan deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen genelleştirilmiş bir tasarım kriteri de geliştirile bilinir. Dolayısıyla, literatürde mevcut olan ve deney çalışmasına bağlı olarak bulunmuş bağıntılar kullanılarak bir havalandırıcının geometrik boyutları hesaplanıp, boşaltım kanalının güvenliğini sağlayacak, en uygun hidrolik koşullarda çalışması mümkündür. Bir dolusavak havalandırıcısının hidrolik tasarımı için aşağıdaki adımlar izlenebilir: Kavitasyon İndisinin Hesaplanması: İlk olarak dolusavak boşaltım kanalı üzerinde herhangi bir havalandırıcı yapısının olmaması durumu için dolusavak üzerindeki akım karakteristikleri belirlenir ve aşağıda verilen (96) numaralı eşitlik kullanılarak dolusavak kanalı boyunca boyutsuz kavitasyon indeksi, σ, hesaplanır. P Pv 1 U 2 2 (96) Eşitlikteki P atmosfer ve su basınçlarının toplamı [P=Patm+Psu (Pascal)]; Pv suyun buhar basıncı (Pascal); suyun yoğunluğu (kg/m3) ve U ortalama akım hızıdır (m/s). Hesaplanan σ değerleri kritik kavitasyon indisi değeri [σc=0.20] ile karşılaştırılır. Bu karşılaştırmanın neticesinde σ değerlerinin σc değerine eşit veya daha düşük olduğu kesitlerde kavitasyon riski vardır. Bu durumda riskin tespit edildiği ilk kesitin hemen membasına birinci havalandırıcı yerleştirilmelidir. Atmosfer basıncını (Patm) hesaplarken proje kotuna göre değişiklik gösterebileceği düşünülmelidir. Kavitasyon riskinin hesap edileceği kota z (metre biriminde) denirse; Patm 101325 1 2.25577x105 z 5.25588 (97) olarak Pascal biriminde hesaplanabilir. Havalandırıcının Ön Tasarımı: Birçok geometride havalandırıcı tasarımı yapmak mümkün olmakla birlikte gerek laboratuvar araştırmalarından gerekse uygulamadan elde edilen tecrübelerden en uygun havalandırıcı geometrisinin Şekil 59b’de verilen BARAJ HİDROLİK YAPILARI 135 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 basamak-saptırıcı birleşimli bir havalandırıcı olacağı şeklindedir. Tasarıma başlamak için öncelikle havalandırıcının taslak bir geometrisi (Tr,Hs,Aa,α) ve membasın da ki akım parametrelerinin (U ve h) tanımlanması gereklidir. Akım parametrelerinin tanımlanması deneysel veya temel denklemeler kullanılarak yapıla bilinir. Deneysel çalışmalardan elde edilen tecrübelere dayanarak, tasarımda kullanmak için ilk yaklaşım olarak Şekil 61’de verilen havalandırıcı için bir basamak yüksekliği Hs tayin edilerek buradan Tr/Hs=0,2 ve Tr/Lr=0,1 oranlarından saptırıcı boyutlarının hesaplanması önerilmektedir. Örneğin basamak yüksekliğinin Hs=1 m seçilmesi durumunda, Tr=0,2 m ve Lr=10 m olarak bulunur. α T L r r H s Şekil 61 - Ön Tasarımda Kullanılacak Basamak-Saptırıcı Tipli Bir Havalandırıcı Su jeti boyunun (Ljet) hesaplanması: Yapılan deneysel çalışmalarda boyutsuz havalandırıcı havalanma katsayısı olarak tanımlanan β=Qhava/Qsu’yı etkileyen en önemli parametrenin saptırıcı üzerinden çıkan jetin alt napının mansapta çarptığı yere olan uzaklığı olan su jetinin boyu, Ljet, olduğu bulunmuştur. β katsayısındaki Qhava havalandırıcı galerisinden geçen hava debisini (m3/s), Qsu ise dolusavak boşaltım kanalındaki su debisini (m3/s) tanımlamaktadır. β katsayısı için verilen birçok bağıntı Ljet içermesi sebebiyle öncelikle ön tasarımı yapılmış bir taslak havalandırıcı geometrisi ve dolusavak üzerindeki akım koşulları için havalandırıcıdan çıkan su jetinin boyunun bulunması gereklidir. Ljet model çalışmasıyla doğrudan fiziksel model üzerinden ölçülerek bulunabileceği gibi aşağıda verilen bir dizi deneysel olarak geliştirilmiş eşitliklerle de olabilir. Yapılan çalışmalar Ljet su jeti boyunun uzunluğu (98) nolu eşitlikte verildiği gibi havalandırıcı geometrisine, havalandırıcının membasındaki akım koşullarına ve akışkanın özelliklerine bağlı olduğunu göstermiştir. Eşitlik olarak ifade edilir ise; BARAJ HİDROLİK YAPILARI 136 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Ljet=f(U,h,Tr,Hs,b,Aa,tan,,g,w,w) (98) Bu eşitlikteki U ve h havalandırıcının hemen membasın da ki ortalama akım hızı ve akım derinliği, Tr saptırıcı yüksekliği, Hs basamak yüksekliği, b dolusavak kanal genişliği, Aa havalandırıcı baca giriş alanı, tanθ dolusavak eğimi, α saptırıcı açısı, g yerçekimi ivmesi, w ve w ise akışkanın yoğunluğu ve dinamik viskozitesidir. Boyut analizi sonucunda (98) numaralı eşitlik (99) numaralı eşitliğe indirgenerek boyutsuz su jeti diğer boyutsuz parametreler cinsiden yazılabilir. L jet h f tan , , Fr , Re, boyutsal .oranlar (99) (99) numaralı eşitlikteki Fr Froude sayısını, Re ise Reynolds sayısını ifade etmektedir. Boyutsuz su jeti parametresi (Ljet/h) ile ilgili literatürde birçok bağıntı mevcuttur. Bunların bir bölümü aşağıda verilmekte olup tasarımcı bu bağıntılardan projesi için uygun olanı seçmesi gerekmektedir. Tan (1984) tarafından katı bir parçacığın yatay atışı ve yörüngesinin hesabıyla su jetinin boyu hesaplamıştır. Basamak-saptırıcı ve sadece basamak geometrisine sahip iki farklı tipteki havalandırıcılar için katı bir parçacığın yörüngesel uçuş zamanı (100) veya (101) numaralı eşitlikler ile hesaplanmakta ve daha sonra hesaplanan t zamanı (102) numaralı eşitlik kullanılarak Ljet hesaplanmaktadır. 1/ 2 g cos PN U sin (basamak+saptırıcı) (100) t 1 1 2Tr H s 2 g cos PN U sin 1/ 2 2H s t g cos P N L jet g sin 2 t U cos t 2 (basamak) (101) (102) yukarıdaki eşitliklerdeki PN su jeti napının altındaki basınç ile atmosferik basınç arasındaki farkı ifade eden boyutsuz altbasınç katsayısıdır (PN=P/(gh)). Ancak, Tan (1984) bu eşitlikte PN’nin hesaplanması için herhangi bir yöntem önermemiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 137 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Rutschmann ve Hager (1990) [30], basamak-saptırıcı ve sadece saptırıcı olmak üzere iki farklı havalandırıcı geometrisi için (103) ve (104) numaralı eşitlikleri elde etmişlerdir. Fr 2 2(Tr H s ) cos 1 2 h cos hFr L jet 1/ 2 (103) 2T H s Fr r h h cos 1/ 2 L jet (104) Kökpınar ve Göğüş (2002) tarafından yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, su jeti boyunun hesaplanması için boyut analizinden elde edilen (99) numaralı eşitlikten (105) numaralı boyutsuz eşitlik bulunmuştur. Elde edilen eşitlikte su jeti boyu Ljet’e etkisi olan tüm parametreler dikkate alınmıştır. L jet h 0.28Fr 1.75 1 0.22 Tr H s h 0.44 Aa 1 tan Aw 0.087 (105) (105) numaralı boyutsuz eşitlik elde edildiği deneysel çalışmadaki şartlar dâhilinde geçerlidir. Bunlar: 5,56≤Fr≤10,00; 0,198≤(Tr+Hs)/h≤1,985; 0≤α≤9,45°; 0≤tanθ≤1,25; ve 0,00684≤Aa/Aw≤1 dir. Son olarak, Pfister ve Hager (2010) [28] saptırıcılı veya saptırıcısız (veya her ikisinin kombinasyonu) geometrideki havalandırıcılar için jet boyunun hesaplanması için (106) numaralı eşitliği geliştirmişlerdir. Pfister ve Hager (2010)’in elde ettiği eşitlikte su jeti nap altı basıncının Ljet üzerindeki etkisi dikkate alınmamıştır. 1.5 H s Tr 0.77Fr 1 sin Fr tan h h L jet (106) (11) numaralı boyutsuz eşitliğin geçerlilik sınırları; 5,8≤Fr≤10,4, 12o≤θ≤50o, 0,1≤(Tr+Hs)/h≤2,1, 0≤α≤11,3°. Boyutsuz havalanma katsayısı (β) hesaplanması: Bir dolusavak havalandırıcısının tasarımı için en önemli çalışma havalandırıcı yoluyla karıştırılan hava debisinin belirlenmesidir. Hava debisi, Qhava, (107) numaralı eşitlikte verildiği gibi birçok bağımsız parametrenin bir fonksiyonu olarak ifade edilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 138 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Qhava=f(Qsu,U,hP,g,a,w,wg, Hs,Tr,tan,,ks) (107) (107) numaralı eşitlikteki Qsu dolusavak üzerindeki suyun debisini (dikdörtgen bir kanal için, Qsu=Uhb, b=kanal genişliği), ∆P altnap boşluk basıncı ile atmosferik basınç arasındaki farkı, g yüzey gerilmesini, ks beton yüzey pürüzlülüğünü ifade eder. Boyut analizinin (107) numaralı eşitliğe uygulanması sonucunda boyutsuz havalanma katsayısı, β, (108) numaralı eşitlik ile ifade edilir. Qhava Qsu =f(boyutsal oranlar, Fr, tan,) (108) Literatürde β’nın hesaplanmasıyla ilgili birçok bağıntıya rastlamak mümkündür. Bunlar arasında en yaygın bilinenler aşağıda verilmiştir. Pinto (1991) Brezilya’daki Foz do Areia, Amulaza, Embercaçao, ve Colbun barajlarının havalandırıcılarında yaptığı prototip ölçümleri sonucunda aşağıdaki eşitliği elde etmiştir. 0.29Fr 1 0.62 bağıntıdaki, D D h 0.59 (109) c Aa b ve c hava bacası debi katsayısı ( c <1) olup (109) numaralı bağıntının geçerlilik sınırları; 4≤Fr≤21 ve 0,028≤D/h≤3,23 tır. Rutschmann (1988) model çalışmalarına dayanarak türettiği hava giriş katsayısını aşağıdaki iki eşitlikle tanımlamıştır. Önerilen eşitliklerin prototip uygulamalarında da uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. L jet h 0.266 (110) L jet h 0.061Fr 2 0.0859 (111) 0.0372 0.0493 Kökpınar ve Göğüş (2002) tarafından yapılan deneysel çalışmalar sonucunda β ile boyutsuz parametreler arasındaki en iyi ilişki (112) numaralı eşitlikle elde edilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 139 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 L jet 0.0189 h 0.83 Aa 1 tan A w 0.24 (112) (112) numaralı boyutsuz eşitliğin geçerlilik sınırları; 5,56≤Fr≤10, 0≤tanθ≤1,25, 0≤Tr/Hs≤0,8, 0≤Tr/h≤ 0,4, 0,02≤Aa/Aw≤1, 0≤α≤9,45°. (112) numaralı eşitlik deneysel ölçümlere dayanması sebebiyle prototip hesaplarında ölçek etkisinin dikkate alınması gerekmektedir. Bu nedenle, yine aynı çalışmada yapılan bir analiz ile prototip ölçeğinde elde edilen ölçümler ile laboratuvar şartlarında elde edilen deneysel bağıntılar arasında bir korelasyonun sağlanması amaçlanmıştır. Brezilya’daki Emborcaçao, Foz do Areia barajları ile Türkiye’deki Keban Barajı dolusavak havalandırıcılarında yapılan ölçümler (112) eşitliğinden elde edilen hesaplamalarla korelâsyonu yapılmış ve simetrik ve asimetrik havalanma durumlarını kapsayacak şekilde (113) ve (114) numaralı eşitlikler elde edilmiştir. ()p=5,1941,15 (simetrik havalandırıcılar) (113) ()p=4,1861,38 (asimetrik havalandırıcılar) (114) Yukarıdaki eşitliklerdeki ()p prototipte elde edilecek havalanma katsayısı değeridir. Pfister ve Hager (2010) yaptıkları deneysel çalışmalar sonucunda aşağıda verilen eşitliği elde etmişlerdir. Pfister ve Hager’in elde ettiği eşitlikte su jeti nap altı basıncının β üzerindeki etkisi dikkate alınmamış olup havalandırıcı galerisinin olabildiğince geniş alınarak bu etkinin azaltılması tavsiye edilmiştir. 0.0028Fr 2 1 Fr tan 0.1 (115) (115) numaralı boyutsuz eşitliğin geçerlilik sınırları; 5,8≤Fr≤16,1, 0o≤θ≤50o, 0,06≤(Tr+Hs)/h≤2,1, 0≤α≤11,3°. Hava bacasının boyutlarının kontrol edilmesi: Bu aşamada, havalandırıcı yapısında baca içerisinde oluşacak yüksek hava hızlarının limitler içerisinde olup olmadığının kontrol edilmesi gereklidir. Bu konuda Falvey (1990) tarafından önerilen 100 m/s’lik hava hız değerleri esas alınabilinir. Eğer bulunan hava debisi Qhava değerinden hesaplanacak hava bacasındaki akım hızları 100 m/s den yüksek ise hava BARAJ HİDROLİK YAPILARI 140 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 bacasının kesit alanı Aa büyütülür ve c) ve d)’ de yapılan hesaplar uygun hava hızları elde edilinceye kadar deneme yanılma yöntemiyle tekrarlanır. Havalandırıcılar arası mesafe: Literatürde havalandırıcılar arasındaki mesafenin tespit edilmesine yönelik çok kısıtlı çalışmalar vardır. Bunlar arasında en genel yaklaşım olarak düz kanallarda akım içerisindeki hava konsantrasyonu değerinin metrede %0.15-0.20 oranında azaldığıdır (Falvey, 1990). Bu konuda Pfister ve Hager (2010) tarafından yapılan en son çalışmada ise havalandırıcının mansabındaki akım içerisinde ortalama ve taban hava konsantrasyonu ölçümleri yapılmıştır. Çalışma sonucu elde edilen ortalama hava konsantrasyonu bağıntısı (116) de taban bölgesindeki hava konsantrasyonu bağıntısı ise (118) de verilmiştir. Aşağıdaki bağıntıları kullanarak yapılacak hesaplamalar sonrasında eğer taban bölgesindeki değer %6-8 aralığının altında olması halinde ikinci bir havalandırıcıya ihtiyaç olacaktır. x Ca Ca 3 L jet 0.02 3 sin 30o ; 3≤x/Ljet≤9 L jet Ca 3 L jet 0.008 L jet h (116) Cai ; Cai≈0.10 ve 5≤ Ljet/h≤4 (117) x Cb Cb 3 L jet exp 8.5 3 Fr 1.5 ; 3≤x/Ljet≤9 L jet Cb 3 L jet h 0.25 m 1 tanh 5.7 Fr 0.25 n tan h Hs 0.05 (118) ; x/Ljet=3 (119) n 1 1.5 sin 3 (120) m 0.5 1.5 sin 3 4.7.8 (121) Basamaklı Kanallar Basamaklı dolusavaklar, genel olarak deşarj kanalı basamaklı tasarlanan dolusavaklardır. Deşarj hızının yüksek olduğu ve dolayısı ile kavitasyon riski bulunan projelerde riskleri azaltmak için uygulanabilirler. Genelde beton barajların BARAJ HİDROLİK YAPILARI 141 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 üzerinde yer alan ve bu sebeple eğimi yüksek olan barajlarda tercih edilirler. Basamaklı dolusavakların hidroliği dolusavak tipleri ile birlikte verildiğinden burada tekrar değinilmeyecektir. 4.7.9 Kondüvi veya Tüneller Kondüvi veya tünel aracılığı ile deşarj yapan dolusavaklarda deşarj kanalındaki akımın serbest yüzeyli olmasına dikkat edilmelidir. Bu sebeple genelde doluluk oranı %75’i geçmeyecek tasarımlar yapılırxl. Bu durumun tek istisnası şaft (morning glory) tipleridir. Bu tiplerde kontrol yapısı tam dolu akacak şekilde tasarlanır ve kısa bir mesafe sonra kısmi dolu kesite geçerek serbest yüzeyli akıma dönüşür. Hidrolik hesapları derivasyon tünelleri için anlatılan hesap kriterlerine paralel olarak yapılabilir. Önemli bir husus F4 yüzeyli kalıpla sağlanacak pürüzlüğün hesaplarda dikkate alınması ve inşaat için bu kalitede yüzeyin önerilmesidir. 4.8 Enerji Kırıcılar 4.8.1 Temel hususlar Baraj dolusavağından sonra yüksekten düşürülerek akarsuya bırakılan suyun büyük miktarda hidrolik enerjisi vardır. Bu enerji akımda çok yüksek hızlar oluşturabilmektedir. Bunun sonucunda oluşan büyük basınç ve sürtünme kuvvetleri, akış yatağında oyulma, aşınma ve kavitasyona sebep olarak yapıların hasar görmelerine ve hatta yıkılmalarına sebep olabilirler. Suyun enerjisini kırarak yapıya ve çevredeki yapılara zarar vermeden suyu mansaba aktaran tesislere enerji kırıcı yapılar denirxli. Enerji kırıcı yapı tipi seçimi ve boyutlandırılması büyük ölçüde arazinin özelliklerine, kırılacak enerjinin büyüklüğüne bağlıdır. Genel olarak 4 tip enerji kırıcı yapı tipi kullanılırxlii. Enerji kırıcı havuzlar: Hidrolik sıçrama yardımı ile enerji kırılır. Yuvarlak uçlu kırıcılar: Enerji kırma işlemi yüzeydeki yuvarlak uç içerisinde gerçekleşir ve yuvarlak kısım mansap tabanından aşağıdadır. Fırlatma uçlu enerji kırıcılar: Enerjinin kırılması suyun hava ile karışması esasına dayanır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 142 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.8.2 Özel kırıcılar. Enerji Kırıcı Havuzlar Akımın sel rejiminden nehir rejimine geçişinde meydana gelen hidrolik sıçrama suyun enerjisinin çevrintiyle kırılmasını sağlamaktadır. Hidrolik sıçrama, akımın sel rejiminden nehir rejimine geçtiği yerde meydana gelen ve su yüzünde ani bir yükselme oluşturan bir olaydır. Olay sırasında kısa bir mesafede önemli miktarda enerji kaybı ortaya çıktığı için, hidrolik sıçramanın oluşması sağlanarak enerjinin kırılması sağlanır. İyi bir hidrolik sıçrama için yan duvarların düşey veya düşeye yakın olması önerilir. Dolayısıyla dikdörtgen en kesitli havuzlar tercih edilir. Aşağıda enerji kırıcı havuza ait şematik gösterim bulunmaktadır. h1 = Hidrolik sıçramadan önceki su derinliği h2= Hidrolik sıçramadan sonraki su derinliği h3= Mansaptaki su derinliği (Hassas anahtar eğrisinden bulunur) h = Kabarma yüksekliği ad = Düşüm havuzu derinliği BARAJ HİDROLİK YAPILARI 143 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 h1 ve h2 arasında impuls momentum teoreminden faydalanılarak bulunabilen aşağıdaki bağıntı vardır. h2/ h1 = 1/2 ([(8 Fr2 +1)1/2 -1] (122) Fr = V1/(g.h1) ½ (123) h1 su derinliği dolu gövdeli savaklarda 0 ve 1 kesitleri arasına Bernoulli denklemi uygulanarak bulunur. z+p+h+Ho= h1+(vl2/2g)+∆H (124) Burada, z = karşılaştırma düzlemine olan uzaklık Ho= h+ (v02/2g) = Kretten itibaren enerji yüksekliği (125) V0= Suyun dolu gövdeye yaklaşım hızı ∆H= Enerji kaybı= 0.1 vı2/2g (126) B= dolu gövde genişliği v1= Q/(B. h1) yerine yazılarak, (127) z+p+h+H0= h1 + (1.1 vı2/ 2g) (128) z+p+h+H0= h1 + [1.1 Q2/( 2gB2 h12)] (129) yazılabilir. Yukarıdaki eşitlikten h1 < hkr olacak şekilde (çünkü sel rejimi oluşturduğu biliniyor) deneme yanılma yöntemi ile hidrolik sıçramanın başlangıcındaki h1 değeri bulunur. Sıçramanın sonundaki h2 derinliği h2 / h1 = 1/2 ([(8Fr2+1)1/2-1] (130) eşitliğinden bulunur. h2 = h3 olması durumunda (h2 sıçramadan sonraki derinlik, h3 mansap suyu derinliği) hidrolik sıçrama savağın hemen önünde oluşur. Bu durum en ideal haldir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 144 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 h2 < h3 olması durumunda batmış sıçrama oluşur. Hidrolik sıçrama 1. duruma göre daha öne kayar. Fark çok fazla ise hidrolik sıçrama oluşmayabilir. Gelen akım mansap suyunda çevrintiler doğurur. 3. h2 > h3 olması durumunda akım hidrolik sıçrama için gerekli su yüksekliğini ve h3 değerini bulamadığı için yeterli bir h derinliğinin oluşacağı yere kadar devam eder. h2=h3 koşulu gerçekleştiği zaman hidrolik sıçrama meydana gelir. Froude sayısına göre hidrolik sıçramalar sınıflandırılmaktadır. Şekil 62xliii’de Froude Sayısına Bağlı Olarak Sıçrama Çeşitleri verilmiştir. Fr =1 Akım kritik rejimdedir. Sıçrama olmaz. 1< Fr < 1.7 Su yüzeyinde hafif sallantılar vardır. Pratik olarak sıçramanın olmadığı kabul edilir. Basit havuzlar kullanılarak kontrol altına alınabilir, 1.7< Fr < 2.5 Zayıf hidrolik sıçrama halidir. Enerji kaybı az olur. 2.5< Fr< 4.5 Kontrol altına alınması için muntazam mühendislik yapılarına ihtiyaç gösterir. Genellikle kanal yapılarında (şütler, eğik şütler vb.) görülür. 4.5 < Fr < 9 Genellikle baraj düşüm havuzlarında bu tip sıçramalar görülür. Mühendislik yapılan yardımıyla kolaylıkla kontrol altına alınabilir. Fr > 9 Çok kuvvetli sıçramadır. Sıçrama uçlar yardımıyla çözümlenebilir. Düşüm havuzu boyu, hidrolik sıçramanın boyuna bağlıdır. Bunun için Fr sayısı kullanılır. Fr = v1 / (gh1)1/2 değerine göre kullanılacak havuz tipi belirlenir. Fr < 1.7 ise enerji kırıcı havuz ya da düşü havuzuna gerek yok 1.7 < Fr < 2.5 için sadece düşü havuzu 2.5 < Fr < 4.5 için Tip IV Fr > 4.5 ise ve v1 < 18 m/s ise Tip III BARAJ HİDROLİK YAPILARI 145 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Fr > 4.5 ise ve v1 > 18 m/s ise Tip II 4.8.2.1 Düşü havuzu (Tip I) Froude sayısının 1,7 – 2,5 arasında olduğu durumlarda kullanılır. Bu tip akımlar etkin türbülanslı olmadığından eşik ve enerji kırıcı yapılara lüzum yoktur. Eşlenik sıçrama derinlikleri ve havuz boyu Şekil 63xliv ve Şekil 64xlv’de verilmiştir. Havuz boyu sıçramayı içine alacak kadar büyük olmalıdır. 4.8.2.2 Tip II havuz Froude sayısının 4.5 dan büyük ve hızın ise 18.3 m/s ( 60 ft/s)’den büyük olduğu durumlarda kullanılır. Şekil 65xlvi’de boyutlandırmaya esas tablo ve abağı verilmiştir. 4.8.2.3 Tip III havuz Froude sayısının 4.5 dan büyük ve hızın ise 18.3 m/s ( 60 ft/s)’den küçük olduğu durumlarda kullanılır. Şekil 66xlvii’de boyutlandırmaya esas tablo ve abağı verilmiştir. 4.8.2.4 Tip IV havuz Froude sayısının 2,5 ile 4,5 arasında olduğu havuz tipidir. Şekil 67xlviii’da boyutlandırmaya esas tablo ve abağı verilmiştir. 4.8.2.5 Hava Payı Düşüm havuzlarında yan duvarlar için bırakılan hava payı suyun saçılıp dalgalanmalarını karşılayacak kadar yeterli bir yüksekliğe sahip olmalıdır. Bu maksatla hp = 0,1 (v1+d2) şeklindeki amprik eşitlik kullanılabilir. Bulunan hava payı d2 değerine eklenerek duvar yüksekliği bulunur. 4.8.3 Yuvarlak Uçlu Kırıcılar Bu enerji kırıcılarda biri yüzeyde ve saat ibresinin tersi yönde diğeri ise tabanda ve saat ibresi yönünde iki türlü çeviri oluşur. Mansap su derinliği hidrolik sıçramayı sağlayamayacak kadar derinse yuvarlak uçlu enerji kırıcılar kullanılır. Bunlar batmış halde çalıştırılabilirler. Tek parçalı ve dişli tip olmak üzere iki tipte uygulanırlar. Mansap Su Seviyesi bir hidrolik sıçramanın meydana gelmesine elvermeyecek kadar yüksekse akımın sahip olduğu fazla enerji batık yuvarlatılmış etek kullanmak suretiyle kırılabilir. Bu tipte enerji kaybı daha çok yatay eksenli iki çevrintiyle mümkün olur. Bunlardan biri etek çevrintisi adını alır ve yuvarlatılmış eteğin üst BARAJ HİDROLİK YAPILARI 146 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 kısmına saat ibrelerinin tersi yönünde hareket eder, diğeri ise eteğin mansap tarafında saat ibreleri yönünde döner ve yer çevrintisi adını alır. 4.8.3.1 Yuvarlatılmış etek tipinde kırıcı (Solid bucket) Yekpare yuvarlatılmış eteğin ucunu terk eden yüksek hızlı akımın doğrultusu yukarıya doğrudur. Bu, su yüzeyinde kuvvetli bir kaynama, köpürme ve mansapta da saat ibresi yönünde hareket eden şiddetli bir yer çevrintisi meydana getirir. Bu yer çevrintisi devamlı olarak gevşek malzemeyi eteğin ucuna doğru sürükler ve bu karışık malzemenin bir kısmını hareket halinde tutar. Hareket halindeki malzeme ise etek ucunun oyulmasına sebep olur. Şekil 68xlix ve Şekil 69l’de tek parçalı tip özelliği ve hidrolik hareketi gösterilmiştir. 4.8.3.2 Dişli yuvarlatılmış etek (Slotted bucket) li Şekil 70 ’de verilen hidrolik hareket şeklinde görüleceği üzere dişli yuvarlatılmış eteklerde ise akım etek ucunu daha az bir eğimle terkeder ve büyük bir hıza sahip olan akımın yalnızca bir kısmı yüzeye çıkabilir. Bu hal su yüzeyinde daha az şiddette bir kaynama olmasını, daha düz sakin bir mansap akımı meydana gelmesini ve yer çevrintisinin üstünde akımı daha iyi dağıtmak suretiyle fazla enerjili akımın yuvarlatılmış etek boyunca daha az toplanmasını temin eder. Şekil 70lii ve Şekil 71 liii ’te tek parçalı tip özelliği ve hidrolik hareketi gösterilmiştir. İki tip için de hidrolik hesaplamalar aynı olup, Froude sayısına göre boyutlandırmalar yapılır. Şekil 72liv’de Şekil 73lv’ye ait sembollerin tanımlamaları bulunmaktadır. Şekil 73’de ise boyutlandırmaya esas limit kriterler verilmiştir. lvi Şekil 74 ’de yuvarlak uçlu kırıcılara ait diğer tipler verilmiştir. 4.8.3.3 Fırlatma uçlu enerji kırıcı (Flip buckets) Sıçratma uçları çeşitli şekillerde uygulanmaktadır. Bunlar en çok kullanılan tiplerdir. Savak mansap kanalının nihayet ucuna suya yön veren bir daire parçası eklenerek elde edilir. Türkiye'de sıçratma uçlu dolusavaklar barajlarda oldukça fazla uygulanmış enerji kırıcı tipidir. Suyu yapıdan uzak bir kesimde akarsuya vermek, havayla temasta enerjisinin bir bölümünü kırmak, akarsuya düştüğü yerde ters yönde oyulma yapan çevrimle yapı mansabını kısmen korumak gibi amaçlarla uygulanmaktadır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 147 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.8.3.4 Sıçratma Uçlarının Yararları Temel problemlerinin basitçe çözümlenebilmesi halinde ve özellikle büyük taşkın debileri geçirilecekse nispeten ucuz çözümler verir. Bunun nedeni büyük boyutlu düşü havuzlarından kaçınılmasını sağlamalarıdır. Ayrıca suyu akarsu yüzeyine indirme zorunluğu olmadığından hem taşkın kanalı kısa olmakta hem de kazılardan kaçınılabilmektedir. İnşaat kuruda bitirilebilmektedir. Enerjinin söndürülebilmesinde suyun hava ile karışması sonucu iyi sonuçlar alınmaktadır. Su büyük bir hızla boşluğa fırlatılırken havayı beraberinde sürükler. Huzme dağılarak su, zerreler halinde etrafa yayılır. Böylelikle enerjinin de tamamı söndürülebilir. Huzmeyi oluşturan akışkan zerreler halinde ayrışarak dolusavak tarafından mansaba aktarılan su, yatağa yağmur gibi düşer. Dar vadilerde enerji santralini dolusavak kanalı altına yerleştirme imkanı doğar. Yatak içindeki oyulmanın en derin noktası baraj eteğinden çok uzaklara atılabilir. Yansıtıcıların kullanılması yoluyla su huzmesinin ağırlık merkezi akarsu yatağı içinde istenilen bir noktaya yerleştirilebilir. 4.8.3.5 Sıçratma Uçlarının Dezavantajları Temelin zayıf olması halinde suyun yön değiştirmesinden doğan kuvvet emniyetle zemine aktarılamadığı için, kazıklı sistemlere gitme zorunluluğu doğar. Bu da yapının maliyetini arttırır. Küçük debilerde sıçratma ucu düşüm havuzu görevi yapacağından temelde oyulmalar olur. Sıçratmanın ucundan çıkan su jeti zerrelere bölünüp bir cins bulut oluşturur. Rüzgar bu bulutu vadinin yamaçlarına yükleyerek toprak kaymalarına neden olmaktadır. Kışın sert olduğu yerlerde don ana kayayı tahrip edebilmektedir. Kışın yapılan savaklamalarda su zerreleri küresel buz parçalan oluşturarak rüzgar ile savrulmakta ve gerek doğanın gerekse sanat yapılarının tahrip olmasına yol açmaktadır. Rüzgar yönleri belirlendikten sonra transformatörler hâkim rüzgar altında kalıyorsa yerleri değiştirilmeli, bu olanaklı değilse düşü havuzu yapılmalı veya sıçratma ucunun yeri değiştirilmelidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 148 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 4.8.3.6 Sıçratma Uçlarının Hidrolik Hesapları Su akarsuya ulaşmadan saptırıcı bir eşikten havaya fırlatılarak yapıdan yeterli bir uzaklığa atılır. Ayrıca bir havuz veya başka çeşit bir enerji kırıcı kullanılmaz. Havanın direnci ihmal edilirse teorik fırlatma uzaklığı, LT ( Vo 2 ) sin 2 g (131) şeklinde verilebilir. Havanın direnci sebebiyle gerçek fırlatma uzunluğu biraz daha küçüktür. Tam çıkış noktası koordinat ekseni başlangıcı olmak üzere gerçek yörünge denklemi, x2 y x tan 2 K [(4 (h hv) cos ] (132) olarak verilebilir. Burada, Ѳ = Çıkış ucunun yatayla yaptığı açı K= Katsayı (teorik jet için 1 değerindedir) h= Saptırıcı uçtan çıkışta su derinliği h v =Saptıncı uçta hız yüksekliğidir (v02/2g) Hava direnci ve iç türbülans ve jet ayrışması nedeniyle oluşan enerji kayıplarının karşılanması için K=0.9 alınabilir. Çıkış hizasında jetin uzaklaşma mesafesi y=0 için x=L yazılarak, L = 4K (h+ hv ) tgѲ cos2 Ѳ =2K (h+ hv) sin 2Ѳ olarak bulunur, Ѳ = 45° için L = 2K(h + h v) olarak en büyük değerini alır. lvii Şekil 75 ’de sıçratmalı enerji kırıcıda akış koşulları gösterilmiştir. Basit sıçratma uçlarının aşağıdaki üç kural önemlidir. Sıçratma ucunun çapı Sıçratma ucunun mansap sonundaki yüksekliği BARAJ HİDROLİK YAPILARI 149 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Sıçratma ucundan küçük debilerin geçmesinin sağlanmasına yönelik önlemler. Bunlar için belirgin matematik bağıntılar yoktur. Genellikle model deneyleri ile çözüm bulunmaya çalışılır. Sıçratma ucundan havaya fırlatılacak suyun yatakta düşeceği noktada oyulmalar oluşmamalıdır. Bunu sağlayacak şekilde x=L uzunluğu seçilir. A noktasının y ordinatı 0 noktasının konumuna bağlıdır. Bu nokta ise dolusavağın sıçratma ucunda bulunur. Bu durumda A noktasının seçilmesi çözülmesi gerekli problemin verilerini belirlemeye yeterlidir. Havaya fırlatmalı enerji kinci ile ilgili formüller model çalışmalarının deneysel verileri kullanılarak çıkarılmıştır. Tek parçalı tip enerji kırıcıda eğrilik yarıçapının minimum değeri, Vt 2 1.58 d1 2g R min ( 1.64 Fr ) (133) Eşitliğinden hesaplanabilir. Burada, d1= Enerji kırıcının girişinde su derinliği (m) vt= Suyun enerji kırıcıya giriş hızı (m/s) Fr= Giriş suyu için Froude sayısıdır. Minimum eğrilik yarıçapı, eğriliğin dönüş yerindeki teorik olarak müsaade edilebilecek basıncın (PT), giriş hızının (vt) ve akış derinliğinin (dj) fonksiyonudur. Suyun yoğunluğu p(kg/m3), özgül ağırlığı Ɣ (N/m3)ve PT(N/m2), vt(m/s), dt(m) olarak, Vt 2 dt R min Pt dt (134) yazılabilir. Genel bir projelendirme kuralı olarak suyun eğri bölgeden yeterli bir dönüşle çıkabilmesi için eğrilik yarıçapının değerinin su derinliğinin en az 5 katı olması (R > 5 dt) gerektiği deneysel çalışmalarla belirtilmiştirlviii. Suyun enerji kırıcının eğriliğine uygun olarak akması için minimum eşik yüksekliği için aşağıdaki bağıntı verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 150 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 h min r r cos( tan 1 s ) (135) Burada, d1 2r d1 1 / 2 tan r d1 1 (136) eşitliği ile verilir. Burada S savak şütünün havaya fırlatmalı enerji kırıcının yakınındaki eğimidir. Ø > tg-1S olduğu zaman hmin =0 olur. Havaya firlatmalı tipteki enerji kırıcılar, birim debinin düşük fakat giriş hızının yüksek olduğu durumlarda iyi sonuç vermektedirler. 4.8.3.7 Sıçratma Uçlarının Teskin Havuzu Hesapları Sıçratma ucundan çıkan jet akım için çıkan debiye, düşü yüksekliğine ve kuyuksuyu yüksekliğine bağlı bir havuz ihtiyacı olabilir. Bu havuz için gerekli derinlik aşağıdaki formül ile verilmiştir. D 1.32 H 0.225 q 0.54 (137) D: havuz derinliği H: rezervuar ile kuyruksuyu arasındaki yükseklik Q: birim debi Havuz özellikleri ile ilgili bilgiler Şekil 76lix’de verilmiştir. Havuz taban genişliği minimum fırlatma ucu genişliğinde alınır. Havuz çıkış ortalama hızının 0.90 m/s olması istenir, hangi genişlik büyükse o genişlik seçilirlx. 4.8.4 Özel kırıcılar 4.8.4.1 Çarpma kirişi tipinde kırıcılar Nispeten küçük debilerde giriş hızının 15 m/s değerini aşmadığı durumda kullanılır. Bu havuz tipleri 11 m3/s'den küçük debilerde kullanılırlxi. Daha büyük debiler için havuz sayısı artırılır. Açık bir şüt olarak veya kapalı borulu sistem olarak BARAJ HİDROLİK YAPILARI 151 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 yapılabilirler, Şekil 77lxii’da verilen havuz tipi 11 m3/s'ye kadar olan debilerde uygulanabilmektedir. Bu sistemde jetin düşey olarak asılı olan engellere çarpması ve yön değiştiren suda oluşan çevriler sonucu enerji kırılır. En iyi hidrolik çalışma, mansap su seviyesinin, engel yüksekliğinin yarısında (bu seviyeyi aşmadan) sağlanır. Sistemde iyi bir çalışmanın olması için, engelin tabanı, memba kanal veya borusuyla aynı seviyede olmalıdır. Bu tip enerji kırıcıda, suyun engellere çarpması nedeniyle oluşan büyük dinamik yükler ve türbülanslar sebebiyle sistemde kayma oluşmaması için ve yapıda oluşabilecek titreşim etkilerinin karşılanabilmesi için yeterli yapısal stabilite sağlanmalıdırlxiii. 4.8.4.2 Dişli (bloklu) kırıcılar (şütlü dolusavak ya da kanal) Bloklu kırıcılar uzun yıllar boyunca sulama projelerinde kullanılmıştır. Bloklu kırıcılar eğimli yüzey üzerinde (2:1 eğiminde tercih edilir) aralıklı sık bloklardan oluşup, akımın bloklar arasından geçerken enerjisinin etkili bir biçimde kırılması esasına dayanır. Bu sebeple ayrıca bir dinlendirme havuzuna gerek kalmayabilir. Şüt girişinde düşük hız olması amacı ile özel tasarım yapılarak şüt boyunca akımın düzenli bir şekilde ilerlemesi sağlanacaktır. Bu amaçla Şekil 78lxiv’de verilen abak yardımı ile izin verilen hız ve blok yükseklikleri tayin edilebilir. Şekil 79lxv’de de blok genişliği, aralıkları ve duvar yükseklikleri blok yüksekliğine bağlı olarak verilir. Bloklu kırıcılara ait değişik tip blok düzenlemeleri Şekil 80lxvi’da verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 152 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 62 - Froude Sayısına Bağlı Olarak Sıçrama Çeşitleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 153 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 63 - Froude Sayısına Göre Hidrolik Sıçrama Özellikleri (Şüt Blokları, Enerji Kırıcı Bloklar Ve Eşik Ucu Olmayan Havuzlar Için) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 154 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 64 - Froude Sayısına Göre Hidrolik Sıçrama Özellikleri (Şüt Blokları, Enerji Kırıcı Bloklar Ve Eşik Ucu Olmayan Havuzlar Için) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 155 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 65 - Tip II Havuz Özellikleri (Froude Sayısı Fr > 4.5 ve V1 > 18.3 m/s) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 156 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 66 - Tip III Havuz Özellikleri (Froude Sayısı Fr > 4.5 ve V1 < 18.3 m/s) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 157 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 158 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 67 - Tip Iv Havuz Özellikleri ( Froude Sayısı 2.5 < Fr < 4.5 ) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 159 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 68 - Tek Parçalı Tip Enerji Kırıcı (Solid Bucket) (Yekpare Yuvarlatılmış Etek) Şekil 69 - Tek Parçalı Tip Enerji Kırıcıda Hidrolik Hareket BARAJ HİDROLİK YAPILARI 160 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 70 - Dişli Yuvarlatılmış Etek Tipinde Enerji Kırıcı Şekil 71 - Dişli Yuvarlatılmış Etek Tipinde Kırıcıda Hidrolik Hareket BARAJ HİDROLİK YAPILARI 161 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 72 - Yuvarlak Uçlu Kırıcılarda Boyutlandırmaya Esas Tanımlar BARAJ HİDROLİK YAPILARI 162 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 163 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 73 - Yuvarlak Uçlu Kırıcılar İçin Limit Kriterler BARAJ HİDROLİK YAPILARI 164 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 74 - Yuvarlak Uçlu Kırıcı Tipleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 165 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 75 - Sıçratmalı Enerji Kırıcıda Akış Koşulları BARAJ HİDROLİK YAPILARI 166 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 76 - Teskin Havuzu Özellikleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 167 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 77 - Çarpma Kirişli Enerji Kırıcı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 168 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 78 - Bloklu Kırıcı Birim Debi ile Hız ve Blok Yüksekliği Tayini Abağı Şekil 79 - Bloklu Kırıcı Genel Özellikleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 169 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 80 - Bloklu Kırıcılara Ait Değişik Tip Blok Düzenlemeleri BARAJ HİDROLİK YAPILARI 170 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5 DERİVASYON - DİPSAVAK 5.1 HİDROLİK TEORİ 5.1.1 Genel Derivasyon yapısı, baraj tesisinin temel unsurlarından biri olup memba ve mansap batardoları ile iletimi sağlayan tünel, kondüvi veya açık kanal yapılarından oluşmaktadır. Bu yapıların görevi barajın üzerinde inşa edileceği akarsuyun, baraj inşaatı boyunca inşaat alanından uzaklaştırılmasını (derive edilmesi) sağlamaktır. Bu görevin yerine getirilmesi basit anlamda tariflenecek olursa; barajın, üzerinde inşa edileceği akarsuyun memba batardosu önünde kabartılarak oluşturulan düzenlenmiş akımının, bir giriş yapısına alınarak iletim yapısından (tünel, kondüvi veya açık kanal) kontrollü bir şekilde geçirilerek mansapta düzenlenen bir çıkış yapısı ile dere yatağına kontrollü bir şekilde aktarımı sağlanır. Şematik şekli aşağıda verilen derivasyon yapısında gerekmesi durumunda dere yatağına bırakılan suyun tekrar inşaat alanına geri gelmesini engellemek amacıyla mansap batardosu inşa edilmektedir. Şekil 81 – Şematik Derivasyon Yapısı Derivasyon yapısı projelendirilirken aşağıdaki süreçlerin izlenmesi önerilebilir; Derivasyon iletim yapısı (tünel, kondüvi veya açık kanal) sayı ve çapının belirlenmesi, BARAJ HİDROLİK YAPILARI 171 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Derivasyon yapısı ve memba batardosu optimizasyonu, Derivasyon yapısının ayrıntılı hidrolik hesabı, Derivasyon yapısının maruz kaldığı yükler esas alınarak boyutlandırılması (yapısal hesap) Bu yayında son madde ile ilgili bilgi verilmeyecektir. 5.1.2 Derivasyon Tipleri 5.1.2.1 Genel Derivasyon yapıları yapılması planlanan barajın Hidrolojik, Topografik ve jeolojik koşulları dikkate alınarak çevrilmesi gereken akım miktarı ile gerekli yapıların (Batardo ve iletim yapıları) ekonomik karşılaştırması ile belirlenir. 5.1.2.2 Tünel Kondüvi ile derivasyon yapılamayan hallerde tünellerden derivasyon için faydalanabilinir. Tünel açabilmek için zemin şartlarının da elverişli olması gerekmektedir. Açılabilecek minimum tünel çapı inşaat kolaylığı açısından 3.00 m olarak kabul edilebilir. Tünel boyu mümkün olduğunca kısa olarak projelendirilmeli, tünel üzeri zeminin kemerlenme etkisine dikkat edilmelidir. Tünel kaya basıncına, dış su basıncına ve hidrostatik iç su basıncına dayanacak şekilde projelendirilmelidir. Hidrolik ve yapısal açıdan en verimli tünel kesiti dairesel kesittir. Atnalı ya da modifiye atnalı tüneller serbest akımlar için en iyi hidrolik koşulu sağlasa da, dış kaya yükünü taşıması açısından dairesel kesit kadar verimli değildir. Makul su yükleri altında küçük çaplı tüneller için zemin koşullarına bağlı olarak atnalı veya modifiye atnalı tüneller uygun olabilir. Tünel giriş ve çıkış kotu yatağın talveg kotuna bağlı olarak tespit edilebilir, giriş ve çıkış kotu arasındaki farkın, tünel boyuna olan oranı tünel eğimini vermektedir. Tünel boyu giriş ve çıkışta gövde dolgu inşaatı ve kazı işlerini engellemeyecek şekilde yeterli uzunlukta olacak şekilde tasarlanmalıdır. Tünelin giriş-çıkış kazılarının projelendirilmesi için gerekli jeolojik ve jeoteknik araştırmalar yapılarak, zemin cinsi, dayanımı, süreksizlikleri, tabaka eğimi, çatlak cinsi ve boyutları hakkında detaylı bilgi verilmelidir. Kazı sonrası şevin korunması için tedbir gerekip gerekmediği, eğer gerekiyorsa alınacak tedbir zemine göre belirlenmelidir. Başlıca şev destekleme yöntemleri olarak shot-crete, tel kafes ya da ankraj gibi sistemler önerilebilir BARAJ HİDROLİK YAPILARI 172 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Derivasyon tünellerinin en önemli bölümlerinden birisi de tıkaç yapılarıdır. Tıkaç yapısının yapılacağı bölgede zemin sağlam kaya ise tıkaç kama şeklinde projelendirilebilir. Orta sağlamlıktaki bölgelerde ise kazılar daha geniş yapılarak kesme tıkacı yapılabilir. Ancak zeminin zayıf olduğu ve tıkaç bölgesinde daha geniş kazı yapmanın riskli veya zaman alıcı olduğu durumlarda tıkaçlar, tıkaç betonu ile kaplama betonu arasındaki sürtünmeden yararlanılarak dişsiz dizayn edilen sürtünme tıkacı olarak projelendirilebilirler. Derivasyon tüneli üzerinde tıkaç yeri belirlenirken tıkaçların baraj enjeksiyonun membasında yer almasına, ışınsal enjeksiyon ile bu bölgedeki sızma boyunun uzatılması ve zeminin konsolide edilmesine özen gösterilmesi gerekmektedir 5.1.2.3 Kondüvi Tünel için elverişli zemin şartları olmadığında, yada su geçiş yerinin minimum tünel çapından daha küçük olduğu koşullarda kondüvi bir derivasyon yapısı alternatifi olabilir. Kondüvi baraj gövdesi altından geçeceği için daha güvenli tasarım değerleri ile projelendirilmelidir. Bu nedenle yüksek barajlar için kondüvi çözümü ekonomik olmayabilir. Basınçlı kondüviler içerisindeki hidrostatik basınç maksimum olacak şekilde tasarlanmalıdır. Kondüvi baraj temelinin en sağlam yerine yerleştirilmelidir. Tasarım detayları beklenen oturmaya, yanal ve boyuna uzamaya, büzülmeye karşı yapının bütünlüğünü bozmayacak şekilde yapılmalıdır. Kondüvi düzgün bir temel üzerine oturuyorsa, yapı yüklerinden dolayı zeminde kabul edilebilir değerlerden fazla oturma beklenmemesi durumunda, zemin bozulmadan kondüvi yerleştirilebilir. Ancak, zemin uygun değilse, yapı yüklerini karşılayacak zemin koşularını sağlayacak şekilde kazı ile zayıf zemini kaldırılması veya gerekli olması durumunda zemin iyileştirme yöntemlerinin uygulanması gerekebilir. Kondüvili çözümün dik şevde kazı yapılamayan zeminde ve dar vadi yamaçlarında uygulanması, kazı emniyeti ve kazı + dolgu maliyeti açısından tavsiye edilmemektedir. Çoğu zaman kondüvi inşaatı baraj dolgusu inşaatından önce yapıldığı için kondüvi tasarımının üzerindeki baraj dolgu ağırlığı yükü altında kondüvinin kabul edilebilir düşey deplasmanları sağlayacak şekilde tasarımının yapılması büyük önem taşımaktadır. Kondüvi yapısına gövde dolgu ağırlığı açısından en fazla yükün, dolgu yüksekliğinin en fazla olduğu yerde oluştuğu göz ardı edilmemelidir. Su tutucu yakalardan her anoya bir adet konulması tavsiye edilir. Kondüvi derivasyon aşamasından sonra dipsavak olarak kullanılacaksa, cebri boru başlangıç tıkacının, kil çekirdek ekseni ile kil çekirdeğin memba yüzü ortasına yerleştirilmesi önerilmektedir. Amaç, tıkaç membasındaki derzlerden herhangi bir sızma sonucu kil ile beton arasına BARAJ HİDROLİK YAPILARI 173 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 geçebilecek olan suyun çok sayıda ano ve yaka katederek sızma yolunun uzatılması ve su sürükleme gücünün azaltılmasıdır. Giriş ve çıkışlarda kanat duvarları yapılarak suyun kondüvi girişine düzgün bir biçimde girişinin sağlanması ve gövde dolgusunun korunması gerekebilir. 5.1.2.4 Açık Kanal Vadinin geniş olduğu ve derivasyon yapılırken diğer bölgelerde gövde inşaatının yapılmasına engel bulunmadığı durumlarda uygulanabilir. Açık kanal bölgesi doldurulurken derivasyon tesisleri yapılmış olmalıdır. Dar vadilerde açık kanallı derivasyonun yapılabilmesi için akarsu eğiminin fazla olması gerekmektedir. Kanal kapasitesine dikkat edilerek en ideal kanal eğimi sürüklenmeye izin vermeyecek şekilde seçilmelidir. Kanal mansabından dere yatağına su verilirken baraja ve ilgili tesislere zarar vermeyecek önlemler alınmalıdır. Kanal mansabı ile dere yatağı arasında kot farkı varsa bu arada oluşacak enerji çeşitli yöntemler uygulanarak kırılmalı ve suyun dere yatağına emniyetli bir şekilde ulaşması sağlanmalıdır. 5.2 Derivasyon Tesislerinde Kullanılacak Tasarım Debisinin Seçimi Baraj projelerinde derivasyon tesisleri için genel uygulama 25 yıllık feyezan debisi (hava paylı) ve 50 yıllık feyezan debisi (hava paysız) ile tasarımdır. Ancak proje debisi seçimlerinde, batardonun hizmet süresi, batardonun mansabında yapılacak işler, baraj mansabında yerleşim durumu, batardo ve gövde tipi, havza topografyası, hidrolojik veri uzunluğu, çalışacak makinaların cinsi ve arazi kıymeti gibi faktörler önemli rol oynar. Bu faktörler dikkate alınarak yukarıdaki maddelerde bulunan yinelenme süreleri mühendis tarafından gerekçeleri belirtilerek, İdare’nin onayı ile gerekirse değiştirilebilir. 5.3 Derivasyon İletim Yapısı Sayı Ve Çapının Belirlenmesi Çevirme projelendirilmesinde birinci adım, tünel sayısının saptanmasıdır. Bu işlem kesin kurallara bağlanmış değildir; buna rağmen yönlendirici bazı fikirler ileri sürülebilir. Tünel çapı yapısal nedenler ile 3.00 m‘den küçük seçilemez. Tünel sayısı ve çapı jeoloji, topografya, inşaat ve su tutma sırasındaki mansap su ihtiyaçları, inşaat metodu ve işletme koşullarına bağlı olarak belirlenmelidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 174 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.4 Taşkın Öteleme (Flood Routıng) Belirli debiler için, derivasyon yapısına ait deşarj eğrileri (basınçlı ve basınçsız) çizildikten sonra memba batardosu kret kotunu saptamak için taşkın öteleme hesabı yapılır. Bu hesap yönteminde nehir yatağında akan su derivasyon yapısından geçerken basınçlı veya basınçsız çalışmaya başlaması ile rezervuar da hangi kota kadar çıkacağı hesaplanır. Bu yöntemi etkileyen parametreler şunlardır; Taşkın Tekerrür Hidrografları (Şekil 82) Hacim – Satıh Eğrisi (Şekil 83) Deşarj Eğrisi (Şekil 85) Şekil 82 - Senelere Göre Grafik Olarak Gösterilmiş Taşkın Tekerrür Hidrografları (Giren Su Miktarı) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 175 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 83 - Barajın Hacim Ve Satıh Eğrisi Şekil 84 - Derivasyon Yapısı Deşarj Eğrileri (Basınçlı ve Basınçsız) Bir haznede su birikmesi giriş ve çıkış akımları arasındaki farka bağlıdır. Bu ilişki aşağıdaki eşitlikle tariflenmektedir. ∆S= Qi·∆t-Qo·∆t 138 Burada; ∆t: Zaman Aralığı ∆S: ∆t Süresince Biriktirme Qi: ∆t Süresince Ortalama Giriş Akımı Qo: ∆t Süresince Ortalama Çıkış Akımı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 176 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Zamana karşı giriş akımlarındaki değişim taşkın hidrografı ile çıkış akımlarındaki değişim derivasyon deşarj eğrisi ile depolama ise rezervuar hacmine karşı rezervuar-hacim satıh eğrisi (kot-alan-hacim) belirlenmektedir. Hidrolik yük kayıpları göz önünde bulundurularak derivasyon yapısının basınçsız (kontrol kesiti girişte) ve basınçlı (kontrol kesiti çıkışta) deşarj eğrileri oluşturulur. Bu eğrilerin arası bir geçiş eğrisi ile bağlanır. Basınçsız, basınçlı ve geçiş eğrisinden oluşan bu eğrinin adı birleşik deşarj eğrisidir. Şekil 85 – Birleşik Deşarj Eğrisi Şekil 86 - Örnek Taşkın Öteleme Tablosu BARAJ HİDROLİK YAPILARI 177 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.5 Derivasyon Yapısı Ve Memba Batardosu Optimizasyonu 5.5.1 Genel Jeolojik, topoğrafik koşullar ve proje özellikleri dikkate alınarak belirlenen derivasyon yapısının geçireceği debi saptandıktan sonra boyutlandırma işlemine başlanabilir. Kullanılacak olan derivasyon yapısı için bir çap seçilir ve tesisin proje debisini geçirmesi için gerekli hidrolik yük ve memba su yüzü kotu taşkın öteleme hesabı yapılarak saptanır. Bulunan maksimum su seviyesine hava payı ilave edilerek memba batardosunun kret kotu tespit edilerek memba batardosu projelendirilir. Böylelikle derivasyon yapısı ve memba batardosu yaklaşık inşaat maliyetleri elde edilir. Bu işlem değişik derivasyon yapısı çapları ile bu çapa karşılık gelen memba batardosu yükseklikleri için tekrarlanır. Elde edilen derivasyon yapıları yaklaşık inşaat maliyetleri ile bir optimizasyon eğrisi elde edilir. Bu eğrinin minimum maliyete denk geldiği çap ve memba batardosu yüksekliği optimum çözüm olarak kabul edilir. Şekil 87 – Optimizasyon için Oluşturulan Ters Çan Eğrisi Tünel seçiminde dikkat edilmesi gereken önemli hususlarından birisi de derivasyon yapısının daha sonra dipsavak olarak kullanılıp kullanılmayacağıdır. Derivasyon yapısı boyutlandırılırken dipsavak çapı ve montaj koşulları da göz önünde bulundurulmalıdır. 5.5.2 Memba Batardosunun Gövde İçerisinde Kaldığı Durum ; Batardo tipine bağlı olarak memba batardosunun mansap şevi ile baraj gövdesi geçirimsiz çekirdek dolgusunun memba şevi arasında güvenli bir mesafe (L) bırakılmalıdır. Bu mesafe inşaat makinalarının çalışmasına olanak sağlamalıdır. Memba batardosu yüksekliği ise, baraj gövde yüksekliğinin 3’te 1’ini geçmemelidir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 178 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Batardonun gövde içinde kaldığı koşulda batardo maliyeti ihmal edilebilir düzeyde olacağından derivasyon iletim yapısı boyutları belirlenirken optimizasyondan ziyade inşaat koşulları göz önünde bulundurulur. Şekil 88 – Gövde İçinde Memba Batardosu 5.5.3 Mansap Batardosu Mansap batardosu, topoğrafik koşulların gerektirmesi halinde, mansapta düzenlenen bir çıkış yapısı ile dere yatağına kontrollü bir şekilde aktarımı sağlanan suyun inşaat alanına geri gelmesini engellemek amacıyla projelendirilir. Mansap batardosu kret kotu, derivasyon çıkış debisinin nehir yatağında oluşturacağı su derinliğine belirli bir hava payı ilave edilerek tespit edilir. 5.6 Derivasyon Hidroliği Serbest çalışma hali ve basınçlı çalışma hali olarak 2’ye ayrılır. Her iki halde de amaç tünel şeklinden ve yerleşiminden kaynaklı hidrolik kayıpları bulunup, deşarj eğrisi çıkartılarak derivasyon girişindeki memba batardosu kotunun belirlenmesidir. Tünel hidrolik kayıpları toplanarak belli debilerin geçebilmesi için hangi rezervuar su seviyesine ihtiyaç olduğu belirlenir. Rezervuar su seviyesi – debi grafiği koordinat eksenine çizilmesi ile deşarj eğrileri bulunmuş olur. İki eğrinin birbirini kestiği nokta serbest akımdan basınçlı akıma geçilen noktadır. Bu noktada hidrolik açıdan bir belirsizlik söz konusudur.Tünelin serbest akımdan basınçlı akıma geçtiği nokta tek bir noktayla tarif edilemez, o yüzden bu bölge tranzisyon bölgesi olarak adlandırılır (Şekil 85) ve iki eğri birbirine uygun bir eğri çizilerek bağlanır. Bulunan deşarj eğrisi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 179 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 hacim-alan eğrisi ve taşkın tekerrür hidrogrofları kullanılarak memba batardosu üst kotu belirlenir. Şekil 89 - Kritik Akımın Yeri ve Yüzdesi (Daire ve Atnalı Tüneller İçin) 5.6.1 Serbest Yüzlü Akım Tünel servis ömrü boyunca daha çok küçük debilerle çalışacağından Serbest yüzlü akım basınçlıya göre derivasyonda daha fazla yer alacaktır. Serbest akım halinde öncelikle tüneldeki akımın memba yada mansaptan kontrollu olup olmadığının bilinmesi gerekir. Belirlenen tünel eğimi (S), manning pürüzlülük katsayısı (n) kesiti (karerel, dairesel, atnalı) göre kritik derinlik (dc) bulunabilir. Tünel içerisinde akacak BARAJ HİDROLİK YAPILARI 180 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 su yüksekliklerinin (d), kritik derinlik ile karşılaştırılmasıyla tünelin memba yada mansap kontrollü çalışıp çalışmadığı bulunabilir. d<dc, akım sel rejiminde ve kontrol kesiti giriştedir (memba kontrollü) d>dc, akım nehir rejiminde ve kontrol kesiti çıkıştadır. (mansap kontrollü) Debi hesabı akımın kritik altı yani sel rejiminde olduğu kabulü yapılırsa emniyetli tarafta kalınmış olur. Memba kontrollü akımlarda rezervuar su seviyesi hesabı aşağıda verilmiştir. Rezervuar su seviyesi = Tünel giriş kotu+ su yüksekliği+ hız yükseliği+ hidrolik kayıplar Serbest yüzlü akım için hidrolik kayıplar aşağıda verilmiştir. Yaklaşım kanalı kaybı Yaklaşım kanalı sert ve meyilli olmadıkça buradaki kayıplar ihmal edilebilir. Giriş Kaybı Giriş yapılarının temel görevi yaklaşım kanalındaki yönlenmiş akımı düzenleyerek iletim yapısı olarak tariflenen tünel veya kondüvi içerisinde üniform ve kararlı akım koşullarının oluşmasıdır. Sıklıkla kare kesit girişli ve giriş ağzı hidrolik kayıpları azaltacak şekilde yuvarlatılmış formalara sahip olup uygun bir geçiş yapısıyla iletim yapısı tip kesitine bağlantısı sağlanır. “Design of Small Dams” yayınında verilmiş olan değişik giriş yapısı formlarına göre oluşan hidrolik kayıpların bazıları aşağıda verilmiştir. Maks. Min. Ort. Standart dairesel çan ağzı : 0.10hv 0,04hv 0,05hv Standart kare çan ağzı : 0,20hv 0,07hv 0,16hv R=0,15D ile yuvarlatılmış kare veya daire :0,27hv 0,08hv 0,10hv Az yuvarlatırlmış kare yada daire : 0,60hv 0.18hv 0,23hv Keskin köşeli daire veya kare : 0,70hv 0,40hv 0,50hv BARAJ HİDROLİK YAPILARI 181 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kapak Yuvası Kaybı Giriş kayıplarında tıkaç bölgesi dişleri yada kapak yuvası varsa bu kayıplarda dikkate alınmalıdır. Yukarıda verilen ilk dört değer 0.05hv arttırılır. Tranzisyon kaybı Derivasyon tünellerinde her zaman olmamakla birlikte ani veya tedrici tranzisyonlar bulunur. Toprak veya dolgu barajlar bir veya iki tıkaç yeri ihtiva ederler. Aşağıda verilen değerler kritik üstü akımların olduğu haller için geçerlidir. Daralma halinde: Ani daralma : 0.5hv Yuvarlatılmış veya ani daralma : 0,25hv İyi projelendirilmiş daralma : 0,10hv Genişleme halinde: 5.6.2 Ani genişleme : 0,75hv Yarı ani genişleme : 0,50hv İyi projelendirilmiş genişleme : 0,20hv Basınçlı akım Basınçlı akım halinde akım derinliği (d), kritik akım derinliğinin(dc) üzerindedir yani akım nehir rejimindedir. Rezervuar su seviyesi hesabı aşağıda verilmiştir. Rezervuar su Seviyesi= Tünel Çıkış Kotu + Akım derinliği (mD) + hız yüksekliği+ basınçlı durum hidrolik kayıpları Basınçlı akım için hidrolik kayıplar aşağıda verilmiştir. Giriş kayıpları Serbest halde kullanılan giriş kayıpları kullanılabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 182 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kapak Yuva Kaybı Serbest halde kullanılan yuva kayıpları kullanılabilir. Kurb kayıpları Kurb kayıpları sürtünme kayıplarını içermez, kurblardaki sürtünme kayıpları için ayrıca hesap yapılmalıdır. Kurb kayıp katsayısı (Kb), tünel çapı (D), dönüş yarıçapı (R), dönüş açısısına (∆) bağlıdır. Kurb kayıp katsayısı Şekil 90’den bulunabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 183 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 90 - Kurb Kayıp Katsayıları BARAJ HİDROLİK YAPILARI 184 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tranzisyon kayıpları Tünel içerisindeki kesit değişikliklerinin daralma veya genişlemelerinin sebep olduğu kayıplardır. Aşağıda çeşitleri verilmiştir. Ani genişleme Ani genişleme kayıp katsayısı Şekil 91 ve Şekil 92’de verilmiştir. Ani genişleme kaybı aşağıdaki denklemle bulunabilir Ani daralma Ani daralma kayıp katsayısı Şekil 91 ve Şekil 92’de verilmiştir. Ani daralma kaybı aşağıdaki denklemle bulunabilir BARAJ HİDROLİK YAPILARI 185 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 91 - Dairesel Kesitli Borularda Ani Geçiş Durumunda Tranzisyon Kaybı İçin BARAJ HİDROLİK YAPILARI 186 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 92 - Dairesel Olmayan Borularda Ani Geçiş Durumunda Tranzisyon Kaybı İçin BARAJ HİDROLİK YAPILARI 187 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tedrici genişleme Genişleme açısı (θ), 10° ‘den küçük olduğu durumlarda, genişleme katsayısı (Ktr) 0,15 alınabilir.Tedrici genişleme kaybı aşağıdaki denklemle bulunabilir: (139) Tedrici daralma Daralma açısı (θ), 10° ‘den küçük olduğu durumlarda, daralma katsayısı (Ktr) 0,10 alınabilir.Tedrici daralma kaybı aşağıdaki denklemle bulunabilir: (140) Sürtünme kayıpları Tünelin basınçlı halde çalışması durumunda sürtünme kayıplarını bulmak için iki yöntem vardır bunlardan birincisi Darcy – Weisbach yöntemidir ve formülü aşağıda verilmiştir. (141) Burada; f ,sürtünme kayıp katsayısıdır ve Reynolds sayısı ile tünel yüzey pürüzlülüğüne bağlıdır. L, tünel boyu. D , tünel yarıçapı. V ise tünel hızı belirtir. İkinci yöntem ise Manning yöntemidir. (142) Burada; n ,Manning pürüzlülük katsayısı. A, kesit alanı. R , tünel hidrolik yarıçapı. S tünel eğimidir. Manning pürüzlülük katsayısı için aşağıdaki değerler kullanılabilir. En büyük En küçük Beton Tünel 0,014 0,008 Çelik boru 0,012 0,008 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 188 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Kaplamasız kaya tünel 0,035 5.7 Su Alma Yapısı Ve Dipsavak Hidroliği 5.7.1 Dipsavak 0,020 Baraj membasında depolanan suyu kontrollü olarak enerji üretimi, içme ve kullanma suyu, sulama suyu, taşkın kontrolu, su tutma kontrolu, can suyu ve barajın boşaltılması için mansaba bırakmaya yarayan yapılardır. Sisteme meydana gelen kayıpların hesaplanması ve buna göre hangi kotta ne kadar suyun dipsavaktan atıldığının bulunması gerekmektedir. Rezervuar su seviyesi hesabı aşağıda verilmiştir. Rezervuar su seviyesi = Cebri boru çıkış kotu + su yüksekliği +hız yüksekliği + hidrolik kayıplar Dipsavaklarda sistem içerisimde oluşabilecek kayıplar ise şu şekildedir, Izgara Kaybı Izgara kaybı hesaplanırken kullanılacak kayıp katsayıları Bölüm 5.7.6’ da (Giriş Ağzı ve Izgara Geometrisinin Belirlenmesi) verilmiştir. Giriş Kaybı Derivasyon aşamasında kullanılan giriş kayıpları dipsavak içinde geçerlidir. Kurp Kaybı Dipsavak kurb kayıplarında yapılacak olan kurbun parçalı yada temiz oluşuna dikkat edilmelidir. Kurb kayıp katsayısı(Kb) Şekil 90’den bulunabilir. Tranzisyon Kaybı Ani genişleme ve daralma kaybı için Şekil 91 ve Şekil 92’den kayıp katsayısı bulunabilir. Tedrici genişleme ve daralma kayıp katsayıları ise Şekil 93 ve Şekil 94’de verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 189 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 93 - Tedrici Daralmalarda Kayıp Katsayıları Şekil 94 - Tedrici genişlemelerde kayıp katsayıları Branşman Kayıpları Ana borudaki branşman kaybı aşağıdaki formülle bulunabilir. (143) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 190 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Ana borudaki branşman kayıp katsayısı (Kb) Şekil 95’den bulunabilir. Şekildeki ∆ ana boru ile branşman arasındaki açı, Qa ana boru kesitindeki debiyi Qb ise branşmandaki debisi temsil etmektedir. Şekil 95 - Ana Borudaki Branşman Kayıp Katsayısı (Kb) Branşman borudaki hidrolik kayıp aşağıdaki formülle bulunabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 144 191 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Branşman kayıp katsayısı (K1 ve K2) Şekil 96’ten bulunabilir. Şekildeki ∆ ana boru ile branşman arasındaki açı, Qa ana boru kesitindeki debiyi Qb branşmandaki debiyi, Aa ana boru kesit alanını Ab ise branşman boru kesit alanını temsil etmektedir. Şekil 96 - Branşman Kayıp Katsayısı (K1 Ve K2) Vana Kayıpları Çeşitli vana kayıp katsayıları(Kv) aşağıda verilmiştir. Sürgülü vana : 0,1 Kelebek vana : 0,20-0,26 Küresel vana :0 Konik vana : 0,20 Sürtünme Kaybı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 192 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Derivasyon aşamasında verilen sürtünme kayıpları dipsavak içinde geçerlidir. 5.7.2 Su Alma Yapıları Baraj gölü gibi su kaynaklarından suyu alıp iletim sistemlerine veren yapılara su alma yapıları ve bu yapıların giriş kısmına su alma ağzı denir. Su alma yapılarının suyu düzenlemek ve kontrol etmek gibi iki ana fonksiyonu vardır. Su kaynağına çok yakın bu tip yapılarda yapının sağlamlığı ve işletme güvenliği de mühendislik açısından gerçekleştirilmesi gereken önemli hususlardır. Yer seçiminde topoğrafya, jeoloji, ekonomi ve ana yapının tipi önemli rol oynar. Bu bölümde ayrıntılı olarak incelenecek olan su alma yapılarının bütün türlerinde akımda düzensizlikler oluşturan keskin köşelerden kaçınarak hidrolik açıdan uygun yuvarlatılmış formlar kullanılması önerilmektedir. Bir su alma yapısının tertibinde aşağıdaki koşulların sağlanması beklenmektedir. Gerekli suyun her zaman alınabilmesi Su alma yapısının yerleştirildiği yer Jeolojik ve topoğrafik açıdan kararlı bir yapıya sahip olması Enerji kayıplarının asgari seviyede kalması Sürüntü maddelerinin ve yüzen katı maddelerin su alma yapısı içerisine girmesinin önlenmesi Taşkın akımlarının iletim hattına ve daha mansaptaki tesislere zarar vermeden iletilebilmesi Hidrolik koşullar açısından yapı geometrisi uygun olmalı ve yapıya gelen kuvvetlere karşı dayanımı sağlamalıdır. 5.7.3 Hidrolik Teori Basınçlı su alma yapılarında geçen akım miktarı, bir kapak altı akımın kesitinden geçen akımın belirlenmesine yönelik aşağıda verilen genel eşitlikle belirlenebilir. (145) Burada ; BARAJ HİDROLİK YAPILARI 193 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 C: Deşarj Katsayısı (Boyutsuz) A: Kontrol Kesitindeki Alan (m²) h: Memba ve mansap arasındaki su seviyesi farkıdır. (m) 5.7.4 Hidrolik Koşulları Sağlayan Geometrik Boyutlandırma 5.7.4.1 Kapak Boyutlarının Belirlenmesi Kapak boyutları belirlenirken aşağıdaki iki işletme durumunun esas alınması gerekmektedir. İhtiyaç Debisine Göre Ani Boşaltma Durumuna Göre Kapak boyutlarının belirlenmesinde her iki yöntemin de göz önünde bulundurulması önerilse de, ani boşaltma durumunda geçecek debinin, ihtiyaç debisi durumundan daha etkin olacağı bilindiği için, genellikle ani boşaltma durumuna göre boyutlandırmalar yapılıp ihtiyaç debisi değerlerinin de irdelenmesi önerilmektedir. 5.7.5 Su Alma Giriş Kotunun Belirlenmesi Basınçlı su almalarda katı maddelerin su alma ağzından içeri girmesini önlemek veya su alma ağzı önünde çökelen katı maddelerin tekrar harekete geçmesini önlemek amacıyla tabandan bir miktar yukarıdan su almak gerekir. 5.7.5.1 Rusubat Hesabı (Ölü Hacim Üst Kotunun Belirlenmesi) Barajın (Sualma Yapısı) drenaj alanının jeolojik, topoğrafik, bitki örtüsü vb. durumları dikkate alınarak barajın ekonomik ömrüne göre su ile birlikte taşınabilen malzemelerin hacim hesabı yapılır. Belirlenen hacim baraj için ölü hacimdir. Ölü hacim dikkate alınarak Minimum Su Seviyesi belirlenir. Ölü hacim dikkate alınarak minimum su seviyesi belirlenir. 5.7.5.2 Vorteks Koşullarının Belirlenmesi Su alma ağzından tünele veya cebri boruya hava girmesi durumunda mekanik teçhizatta büyük hasarlar oluşabilmektedir. Bunu önlemek için, giriş ağzı üzerinde belirli bir su BARAJ HİDROLİK YAPILARI yüksekliğinin oluşması sağlanmalıdır. Bu konuda değişik 194 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 araştırmacıların çalışmaları bulunmakta olup bu konuda yetkin kuruluşlardan olan Bureau of Reclamation bu kalınlığı aşağıdaki gibi önermektedir. Eğer giriş ağzı düzlemi düşey ise S≥ 0.6 he Eğer giriş ağzı düzlemi yatay ise S≥ 0.8 he Tünel girişinde vorteks oluşumunu önlemek için şekildeki boyutların yardımı ile aşağıda verilen genel bağıntı kullanılarak hesap yapılabilir. Şekil 97 – Sualma Ağzı Giriş Bölgesindeki Etkili Büyüklüklerin Şematik Görünüşü U UD S ; ; ; 0 D D gd (146) Burada; g: Yerçekimi ivmesi μ: Akışkanın dinamik viskositesi ρ: Akışkanın özgül ağırlığı Etkili bir dalga sorunu sözkonusu olmadığından ve viskos kuvvetler ağırlık ve atalet kuvvetlerinin yanında ihmal edilebileceğinden (146) no’lu eşitlik şu şekilde yazılabilir. U S ; 0 gd D (147) (4) No’lu bağıntıdan da BARAJ HİDROLİK YAPILARI 195 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 U S gd D (148) yazılabilir. Hava emen vorteksin oluşmaması için yapılan çalışmalar ile oluşturulan abak (148) no’lu eşitliğe uygun olarak Şekil 98’da verilmiştir. Bu şekil üzerinde gösterilen eğriler, tabiat ve model gözlemlerinden elde edilmiştir. Eğrilerin üst tarafında yer alan bölgeler; hava emmeyen vorteks bölgesini ifade etmektedir. Bu abakta U: Tüneldeki hız g: Yerçekimi ivmesi Fr: Froude sayısı D: Tünel veya cebriboru çapı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 196 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 98 – Hava Emmeyen Vorteks Değerlerinin, Sualma Yapısındaki Akımın Froude Sayısının S/D Oranına Değişimini Gösteren Eğriler Bu konudaki araştırmacılardan Yıldırım N. tarafından vorteks etki alanının belirlenmesine yönelik çalışmalara ait karakteristik bilgiler aşağıda verilmektedir. Değişik alış ağzı geometrilerine göre akımın Froude sayısına göre kritik koşulların belirlenmesi deneysel yöntemlerle belirlenmiş olup aşağıda grafik gösterim olarak verilmektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 197 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 198 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 99 – Değişik Alış Geometrileri 5.7.6 Giriş Ağzı ve Izgara Geometrisinin Belirlenmesi 5.7.6.1 Su Alma Ağzı Girişte denen bu kısım yapının türüne göre yatay, düşey veya eğimli yapılabilir. Genellikle kare enkesitli betonarme yapıdır. Giriş kısmı yük kayıplarının azaltmak hidrolik açıdan uygun eğrilikler kullanılarak tasarlanmaktadır. Değişik araştırmacıların deneysel ve uygulama verilerine dayalı olarak yerleştirdiği giriş ağzı formları vardır. Bu alanda sıklıkla kullanılan giriş ağzı formları ve hidrolik etkileri “DESIGN OF SMALL DAMS” yayınında özetlenerek Şekil 100’de verilmiştir. Giriş Kaybı he= 1/C²(Vn²/2g) (149) formülü ile ifade edilir. (150) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 199 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 100 – Batık Akımlarda Giriş Ağzı Formları Çeşitli makaleler ve teknik bültenlerde yayınlanan, Su alma yapılarında farklı giriş ağızları için deşarj ve sürtünme katsayılarını aşağıdaki tabloda verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 200 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 En çok çan ağzı şeklinde düzeltilmiş giriş biçimleri kullanılır. Barajlarda su alma yapısı ölü hacim üst kotunda yapılır. 5.7.6.2 Izgara Izgaraların tasarımı barajın hangi amaca hizmet ettiğine (Enerji, Sulama vs.) göre belirlenir. Enerji amaçlı su alma yapılarında, Çubuklardan veya lamalardan yapılan ince ve kalın ızgaralar su alma kısmına katı cisimlerin ve balıkların girişini önlemek üzere konulurlar. Bu ızgaraların tiplerinin ve açıklıklarını suyun kullanılma amacı, suyun taşındığı katı maddeler , su alma borusu veya tünelinin çapı gibi unsurlar belirler. Enerji amaçlı su alma yapılarında Izgara aralıkları türbin kanatları arasındaki mesafe ve diğer bazı konstrüktif esaslar dikkate alınarak tasarlanmalıdır. Kati proje aşamasındaki çalışmalarda genellikle rotar çapının 1/30’u kadar alınması önerilmektedir. Izgaraları temizlemek için ulaşılamıyorsa hızlar normalde 2 ft/s (0.61 m/s) ‘yi geçmemelidir. Eğer temizleme işlemi yapılabiliyorsa hızlar 5 ft/s (1.52 m/s) ‘ye kadar tolere edilebilir. Şayet ızgaralarda zaman zaman yaklaşılabiliyor ve temizlenebiliyorsa V=1.5 m/s alınabilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 201 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Ortalama Izgara kayıpları ht = Kt(Vn²/2g) (151) formülü ile ifade edilir. (152) Burada ; Kt= Izgara Yük Kaybı (Deneysel) an= Izgara Net Alanı ag= Izgara Brüt Alanı Vn= Net Izgara Alanından Geçen Hız 5.7.7 Su Alma Yapısı Tip Seçimi Derleme ve iletim koşullarına bağlı olarak, basınçlı akımla su alma yapıları aşağıda detaylı olarak açıklanmaktadır. 5.7.7.1 Kule Tipi Su Alma Yapısı Topografya koşullarının yamaçtan tünel girişini ekonomik yönden tutarlı kılmadığı durumlarda; özellikle dolgu baraj haznelerinden farklı seviyelerde su alma istendiğinde veya su alma yapısı rezervuar kıyılarından epeyce içeride yapılmak zorunda ise su alma kulesi tipleri avantajlı olacaktır. İçme ve kullanma suyu gibi amaçlar için farklı seviyelerden su almak istendiğinde, su alma kuleleri gibi çok yönlü girişli, diğer durumlarda ise genellikle tek yönlü girişli yapılır. Kule tipi su alma yapılarında önemli bir problem kuleye ulaşımın sağlanmasıdır. Ulaşım durumları göz önünde bulundurularak su alma yapısının ekonomisi gözden geçirilmelidir. Kule tipi su alma yapılarında da, inşa sırasındaki çevirme tünelinden de çoğunlukla esas iletim yapısı olarak yararlanılmakta, su giriş kapakları ile alınan sular çevirme tüneline bağlanmakta, membada kalan kısmı tıkaçla iptal edilmektedir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 202 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Türkiye de bu tipe örnek olarak uygulanmış projeler arasına Hirfanlı, Seyhan, Sarıyar, Kesikköprü Barajlarını sayabiliriz. Şekil 101 – Kule Tipi Sualma Yapısı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 203 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.7.7.2 Şaftlı Su Alma Yapısı Su alma yapısı ile rezervuar kenarı arası pek uzak değilse, kapak şaftı açılacak zemin sağlam kaya ise ve kapak şaftı ile su alma yapısı arasındaki tünelde veya giriş yapısında, ömrü içinde bir arıza beklenmiyorsa veya dalgıç yardımı ile gerektiğinde batardo kapağı çalıştırılabilecekse şaftlı su alma yapıları avantajlı olabilmektedir. Bununla beraber, arıza halinde rezervuar su seviyesini su alma yapısı alt kotuna indirecek bir dipsavak sistemi yoksa kesinlikle bu tip kullanılmalıdır. Fakat, su alma yapısı ile şaft arasındaki tünelde oluşacak bir arızanın çözülmesi son derece güç ve pahalı sorunlar meydana getirebilir. Şekil 102 – Şaftlı Sualma Yapısı Şaft Su Alma Yapısı Hangi Şartlarda Kullanılır; Giriş yapısı barajın memba yüzünden uzakta oluyorsa, Su seviyesi çok değişken ve su alma yapısı su altında kalıyorsa, Baraj toprak dolgu (veya betonda olabilir) ve giriş kondüvisi cebri boru veya tünel ise. Özellikleri; Dairesel ızgara, Dairesel çan ağzı, BARAJ HİDROLİK YAPILARI 204 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şafttan tünele ivmeli dirsek tranzisyonu. Hesabı : Cc = 0.60, Giriş ağzı ile Minimum S.S. arasında en az giriş ağzı çapının % 80’i kadar bir mesafe olacak, Izgara demirlerinin hiçbir parçası giriş ağzı merkezine 0.80 D’den daha yakın olmayacak, Izgara yüksek basınçlı giriş yapısı esaslarına göre hesap edilecek, Kolonlar sivri uçlu olacak, Kazı kenarı giriş merkezinden minimum 2 x (0.80 D) kadar olacaktır. 5.7.7.3 Yamaca Dayalı, Düşey veya Eğik Kapaklı Su Alma Yapısı Baraj gövdesinden su alma özellikle dolgu baraj gibi yapılarda istenmez. Çünkü yapıda titreşimler ve oturmalar meydana gelebilir. Su alma ağzının bent gövdesi dışında yapılması gerektiğinde, özellikle dolgu barajlarda, yamaçtan tünel girişleri, su alma kuleleri veya kuyuları şeklinde su alma yapılarının tertibi uygundur. Ayrıca su alma yapısı rezervuar alanını oluşturan yamaçların jeolojik durumuna göre de tercih edilebilecek su alma yapılarındandır. Yapı yamaca yaslanmış düşey veya eğik kapakların belirli kotlara yerleştirilmesi ile her mevsimde ve her su kotundan su alma seviyesini kontrol edebilmek için tasarlanabilir. Arıtma tesislerine yollanan suyun kalitesini kontrol etmek için tercih edilebilir. Bu durumlarda, inşa sırasındaki çevirme tünelinden de çoğunlukla esas iletim yapısı olarak yararlanılmakta, girişler eğik bir tünelle çevirme tüneline bağlanmakta, membada kalan kısmı tıkaçla iptal edilmektedir. Arazi şevinin dik olması halinde ve yatık olması halinde farklı tünel girişleri uygulanmaktadır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 205 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 103 – Yamaca Dayalı Düşey Sualma Yapısı 5.7.7.4 Beton Baraj İçine Yapılan Su Alma Yapısı Yapı gövdesinden bir boru vasıtasıyla su alınabilir. Yabancı cisimlerin girişini önlemek için ızgaralar ve su almayı kontrol etmek için bir kapak konulmuştur. Girişteki yük kayıplarını azaltmak için keskin köşeler düzeltilir. Genellikle çan ağzı şeklinde düzeltmeler yapılır. Düzeltme eğrilerinin denklemleri daire ve kare kesitliler için aşağıda verilmiştir. D2 = 4x2 + 44.4y2 (153) B2 = x2 + 10.4y2 (154) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 206 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Burada D ve B sıra ile daire ve karenin çap ve genişliğidir. Köşeli ve çan ağzı şeklinde düzeltilmiş giriş biçimleri x ve y şeklinde verilmiştir. Yapı gövdesinden su alma beton barajlarda yaygın olarak kullanılır. Kapak arkasında borunun su ile dolması sırasında içindeki havanın boşalmasını sağlayacak ve işletme sırasında girişe sürüklenecek hava kabarcıklarını dışarı atacak bir hava bacası bırakılır. Bu hava bacasının alanı çıkış borusunun alanının 0.1 veya 0.2 si kadar olmalıdır. 5.7.7.5 Dipten Alışlı Düşey Şaft Tipi Su Alma Yapısı Küçük projelerde ucuz oldukları için tabandan su alma sistemleri kullanılır. Bu tipler özellikle içme suyu sistemlerinde çok kullanılır. Baraj veya bağlama olmaksızın kullanılabilmeleri ve akarsu ulaşımına engel olmamaları seçimlerinde etkili unsurlardır. Bunlar ister akarsudan doğrudan su alsınlar, ister bir baraj haznesinden su alsınlar, katı maddelerin girişine engel olmaları için yatak tabanından bir miktar yüksekte yapılmalıdırlar. Bunların en önemli sakıncası kapakların bakım ve onarımının kolay olmamasıdır. 5.7.7.6 Kademeli Su Alma Yapılarının Hidroliği Baraj tarafından oluşturulan rezervuarın akarsu üzerinde yarattığı: Sediment yükünün değişmesine bağlı olarak memba ve mansaptaki akarsu yatağı morfolojisinde değişim Yatağa bırakılan suyun sıcaklığı nedeniyle mansap su kalitesinde ve rezervuarda biriken suyun ağırlıklı ortalama konsantrasyonunda değişim Balıklar ve suda yaşayan diğer organizmaların hareket serbestisindeki kısıtlama nedeniyle biyolojik çeşitliğin azalması gibi etkileri dikkate alınarak İçmesuyu Su Alma Yapısı kademeli olarak düzenlenebilir. Yaz mevsiminde büyük hacimli rezervuarlar (en az 10 m derinliğe sahip ve suyun bekleme süresi 20 günden fazla olan) Şekil 104’de görüldüğü gibi üç ana tabaka oluşturma eğilimi gösterir: BARAJ HİDROLİK YAPILARI 207 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 104 - Tipik Yaz Tabakalaşması Epilimniyon: Göreceli olarak rüzgar ve konveksiyon akımları nedeniyle homojen bir karışıma sahip oksijen yüzdesi fazla ve ılık üst tabakadır. Metalimniyon: Su sıcaklığının derinlikle artışının üstteki ve alttaki tabakalara göre daha fazla olduğu orta tabakadır. “Thermocline” olarak da isimlendirilen bu tabakada her bir metre derinlik artışı için sıcaklık bir derece düşer. Hipolimniyon: Su sıcaklığının ve oksijen yüzdesinin en düşük olduğu soğuk tabakadır. Bir rezervuarda tabakalaşma potansiyelinin mevcudiyetini tespit için DensimetrikFroud Sayısı (Fd) kriteri kullanılır. Fd rezervuar içindeki yatay akışın atalet kuvvetlerinin tabakalaşmış su kitleleri içerisindeki yerçekimi kuvvetlerine oranıdır. Bu oran, rezervuarda yerçekimi kuvvetleri altında dengelenmiş termal yoğunluk yapısının yatay akış potansiyeli tarafından değiştirilebilme potansiyelini ifade eder. DensimetrikFroud Sayısı (Fd) aşağıdaki formülle hesaplanır. Fd LQ dV g ( / h ) U gd ( / ) (155) Bu formüldeki parametreler şunlardır: L Rezervuar uzunluğu (m) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 208 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Q Rezervuar boyunca ortalama akım (m³/s) d Ağırlıklı ortalama derinlik (m) V Rezervuar hacmi (m³) g Yerçekimi ivmesi (m/s2) Referans yoğunluk (kg/m³) d derinliği boyunca yoğunluk değişimi (kg/m³) / d Ortalama yoğunluk gradyanı (kg/m4) U Ortalama akış hızı (m/s) Ortalama yoğunluk gradyanı tipik olarak 0,001 kg/m4, su yoğunluğu ise 1000 kg/m³ mertebesindedir. Rezervuar Fd1/ ise kesin iyi karışımlı; Fd1/ ise kesin tabakalanmalı; Fd1/ ise zayıf tabakalanmalı veya zaman zaman tabakalanan bir özelliğe sahiptir. Su alınması uygun olan rezervuar tabakalarının seçilebilmesi için Şekil 105’de şematik olarak gösterilen ve değişik seviyelerde bir seri giriş ağzı olan kademeli su alma yapıları kullanılır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 209 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 105 - Kademeli Sualma Yapısı Bu yapı, rezervuarın su kalitesinin yükseltilmesini, su sıcaklığı ve su kalitesinin diğer unsurlarının mansap su kalitesi üzerinde meydana getirebileceği olumsuz çevresel etkilerin azaltılmasını mümkün kılar. Şekil 106 şematik bir çekim paternini göstermektedir. Şekil 106 - Tabakalaşmış Depolamada Tercihli Çekim Paterni Şeması BARAJ HİDROLİK YAPILARI 210 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.8 Dipsavak Yapılarının Boyutlandırılması, Baraj Gölünün Boşaltılması ve Su Tutmaya İlişkin Kriterler Ve Kurallar Bu bölümde verilen kriterler ve kurallar “USBR Criteria and Guidelines for Evacuating Storage Reservoirs and Sizing Low Level Outlet Works” ve “USBR Reservoir Filling Criteria Preparation Memorandum No: DES-2” kaynaklarındaki bilgilerden yararlanılarak hazırlanmıştır. 5.8.1 Dipsavak Projelendirme Gerekleri 5.8.1.1 Genel Kriterler Dipsavakların boyutlandırılmasında, aşağıda açıklanan gerekler dikkate alınmalıdır; Proje ihtiyacına uygun tahliye koşulları Proje taşkın debisinin ötelenmesinde dipsavaklardan yararlanılması durumunda sağlanacak ekonomik fayda Boşaltma kriterlerine uygunluk İnşaat aşamasında akarsu akımlarının derivasyonu için dipsavaklardan yararlanılması durumunda sağlanacak ekonomik fayda Dipsavaklar aşağıda açıklanan gereklere uygun olarak projelendirilmelidir: Dipsavak, göl depolama hacminin önemli bir kısmının cazibe akışıyla tahliyesini sağlayacak şekilde konumlandırılmalıdır. Dipsavakların, projenin ekonomik ömrü boyunca taşınan sedimentle tıkanmalarını önlemek için eşik kotu, beklenen 50-yıllık sediment birikim seviyesinin üzerinde yer almalı veya değişik seviyelerden su alınabilen bir su alma yapısı tasarlanmalıdır. Dipsavaklar, baraj gölünü tahliye kapasitelerini koruyabilmek için, toprak kaymaları sonucu tıkanmalarını önleyecek şekilde jeolojik etmenler dikkate alınarak konumlandırılmalıdır. Baraj gölünü boşaltmak ve ilk su tutma sürecinde su seviyelerini kontrol etmek için kullanılacak dipsavaklar, su tutma ve tehlike durumunda boşaltma işlevlerini yerine getirmek için gerekli işletme koşullarına sahip olmalıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 211 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Baraj mansabında derivasyon sonrası derivasyon çalışmaları devam ederken taşkın riskini en aza indirgemek için nihai kapanma süreci iyi zamanlanmalıdır. İşletme şartları, inşaat şartnamelerinde yer almalıdır. İlk su tutma kriterleri, ilk su tutma işleminden önce tamamlanmalı ve doğru çalışmalarını sağlamak için dipsavak kapak ve vanalarının periyodik kontrol ve bakımına ilişkin şartları içermelidir. İlk su tutma planında, dipsavakların derivasyon amacıyla kullanılmaları durumunda, ikinci-aşama inşaatın tamamlanma süresi dikkate alınmalıdır. 5.8.1.2 Genel Kriterlerden Sapma Bu dokümanda açıklanan kriterler ve kurallar, baraj göllerinin çoğuna uygulanmalıdır. Bazı projelerde kriterlere ve kurallara uyulması adına baraj gölünün boşaltılmasının sağlanması pratik olmayabilir. Bazı baraj gölleri kısa sürede boşaltılmayacak kadar büyük olabilir, veya kriterler ve kurallardan sapılmasının savunulmasına yönelik özel işlevlere veya sahaya-özgü koşullara sahip olabilir. Bu dokümanda açıklanan kriterlere ve kurallara aykırı bir seviye düşme kapasitesini gerektiren özellikli proje koşulları söz konusu olduğu zaman, dipsavak konumlandırma ve boyutlandırma esaslarından farklı bir yol ile dipsavak boyutlandırılabilir. 5.8.2 Baraj Göllerinin Boşaltılmasına İlişkin Kriterler ve Kurallar 5.8.2.1 Genel Kriterler Su tahliye yapıları, inşaat sürecinde derivasyon için, projenin su temini ihtiyacının karşılanması, ilk su tutma sürecinde göl su seviyesinin kontrol edilmesi ve taşkın öteleme sürecine yardım için gereklidir. Baraj gölünün boşaltılması ve ilk su tutma amaçlarına yönelik olarak, aşağıda açıklanan kriterlere uyulmalıdır: Dipsavak, kapaklı dolusavak ve cebri borular dahil tüm su tahliye yapılarının, tehlike durumunda tam kapasitelerinde çalışmaları sağlanmalıdır. Kanal yapılarında baypas veya boşaltım kanalı vasıtasıyla doğal bir su yoluna tahliye yapılabilmelidir. Enerji santrallarinde, birden fazla ünite tesis edilmeli ve çalışır durumda olmalıdır. Deşarj kapasitelerine ihtiyaç duyulduğu zaman bazı ünitelerin devre dışı kalmaları olasılığına karşı, deşarj kapasitesinin (türbin debi eğrilerine göre) yalnız yüzde 50’nin kullanılabileceği dikkate alınmalıdır. Dört veya daha fazla üniteye sahip enerji santrallerinde, geçmişteki işletme verileri doğrultusunda, türbin deşarj kapasitesinin BARAJ HİDROLİK YAPILARI 212 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 yüzde 50’den fazlası kullanılabilir. Türbin kapasitesinden yararlanılması durumunda, enerji dağıtım sisteminin, üretilen enerjiyi kabul edebilmesi sağlanmalıdır. Santrallerde, kapaklar veya vanalar vasıtasıyla türbinlerden izole edilmişlerse, baypas boşaltım yapıları kullanılabilir. Burada belirtilen kriterlerin sağlanması amacıyla, saha koşullarına uygun herhangi bir yapı kombinasyonu uygulanabilir. Dipsavak yapıları, baraj gölünün Tablo 12’de verilen değerlere uygun boşaltımını ve ilk dolum kriterlerinde belirtilen dolum debilerinin sürdürülmesini sağlayacak şekilde konumlandırılmalı ve boyutlandırılmalıdır. Boşaltma hesaplarında kullanılacak ilk su yüzeyi kotu, dolusavak eşik kret kotudur. Bu seviyeye kadar göl hacminin dolusavaktan hızlı bir şekilde deşarj edildiği, minimum su seviyesi ve eşik kret kotu arasında kalan hacmin ise dipsavaktan deşarj edileceği düşünülmelidir. Boşaltma veya ilk dolum sürelerinde giriş akımları, aşağıda açıklanan akarsu debi kayıtları analiz yöntemleri kullanılarak belirlenir. Yeterli miktarda kayıt mevcut değilse, yakın istasyonlardan alınan kayıtlar, uygun hidrolojik yöntemlerle düzeltilerek analizde kullanılmalıdır. Analizde kullanılacak giriş akımı, hesaplanan boşaltma süresinde en yüksek ardışık ortalama aylık akarsu akımları olacaktır. Bazen, bu yöntem, giriş akımına baz alınan süreyle uyumlu bir tahliye süresi elde etmek için tekrarlamalar gerektirir. Tek bir tahliye süresi elde edilemiyorsa, elde edilen tahliye süreleri arasından en uzun süre seçilir. Boşaltma kriterleri, sahaya özgü koşulların, ekonomik koşulların yanı sıra proje ihtiyaçlarını dikkate alarak maliyet ile boşaltma ve su tutma debileri arasında uygun bir denge sağlamalıdır. Projelendirme için belirlenen boşaltma süresinde, mansap yatak kapasitesi, baraj için risk düzeyi, mansaptaki alanlara olası hasar ve, mümkünse, uyarı sistemleri kullanılarak mansaptaki hasarın azaltılması dikkate alınmalıdır. Genelde, dipsavak ve diğer taliye yapıları, göl su seviyesini aşağıda belirtilen seviyelerden düşük olan seviyeye 1-4 aylık bir sürede düşürecek şekilde konumlandırılmalı ve boyutlandırılmalıdır. 5.8.2.2 Proje Koşullarına Dayalı Boşaltma Debileri Proje sahasında risk düzeyi ve tehlike potansiyeli dikkate alınarak baraj gölünü boşaltma debilerinin BARAJ HİDROLİK YAPILARI belirlenmesine ilişkin genel kurallar bu bölümde 213 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 açıklanmaktadır. Risk, olumsuz bir olayın meydana gelmesi olasılığıdır. Tehlike ise, meydana gelen olumsuz olayın sonucudur. Bir proje sahasında olumsuz koşulların varolması, projelendirme sürecinde alınacak önlemlerle olabildiğince düşük bir düzeye indirgenmesi gereken bir risk oluşturur. Temelde aktif fayların bulunması gibi özellikle olumsuz koşullarda, gerekli önlemler alındıktan sonra dahi küçük bir risk olasılığı var olacaktır. Baraj veya ilgili yapılarda arıza veya hatalı işletme durumunda mansapdaki yerleşim alanlarında olası can kaybı ve mal hasarı, tehlike oluşturur. Mansap tehlike potansiyeli, yapının yapısal bütünlüğünden öte yapının bulunduğu yer ile ilişkilidir. Göl boşaltma sürelerinin değerlendirilmesi amacıyla risk düzeyinin tanımlanması ve mansap tehlike potansiyelinin sınıflandırılması, sorunun doğası gereği, çok özneldir. Buna göre, risk ve tehlike potansiyelleri yüksek, önemli ve düşük olarak sınıflandırılmıştır. (Tablo 11) Tablo 11 - Mansap Tehlike Sınıflandırma Sistemi Sınıf Risk altındaki nüfus Düşük 0 Ekonomik kayıp Minimal (gelişmemiş tarım, meskun olmayan yapılar, veya minimal düzeyde doğal kaynaklar) Önemli 1-6 Dikkate alınabilir (dikkate değer tarım, sanayi veya inşaat alanlarının, veya doğal kaynaklar) Yüksek 6 üzeri Aşırı (geniş yerleşim, sanayi, tarım alanları dahil kentsel alan veya doğal kaynaklar) Risk sınıflandırması, tehlike sınıflandırmasından daha zordur, çünkü belirli bir baraj yerinde birçok olumsuz koşul ve risk kombinasyonları var olabilir. Risk unsurları veya risk faktörleri belirlenerek rasyonel fakat kesin olmayan bir sınıflandırma yapılabilir. Risk sınıflandırmasında dikkate alınması gereken risk unsurları veya risk faktörleri aşağıda sıralanmıştır. Barajlar için risk faktörleri; BARAJ HİDROLİK YAPILARI 214 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Hidrolik faktörler Proje taşkın debisini aşan taşkınlar Taşkın tahmininde belirsizlik Taşkın / rezervuar depolama hacmi oranı Rezervuar sediment birikim potansiyeli Jeolojik faktörler Genel temel koşulları Depremsellik Faylanma Sıvılaşma potansiyeli Kaya durumu (Çatlaklar, zayıf zonlar, eklemlenme, çözünürlük) Yapısal faktörler Baraj tipi ve tasarımı Olağan dışı boyutları Olağan dışı karmaşık yapısı Yaşı ve durumu İnşaat ve malzeme faktörleri Geçirgenlik, aşınabilirlik ve dayanım gibi malzeme özellikleri İnşaatın kalitesi İşletme faktörleri Baraj yerinin uzaklığı ve ulaşılabilirliği İşletme personelinin eğitimi ve deneyimi BARAJ HİDROLİK YAPILARI 215 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Ticari ve yedek enerjinin güvenilirliği Ekipmanın ve işletme yöntemlerinin karmaşıklığı Aşağıda sıralanan faktörler gibi bazı risk faktörleri yüksek-risk sınıfının oluşturulmasında rol oynamıştır: Baraj temelinde veya yakın çevresindeki aktif faylar Şiddetli bir depremde temel kaymaları olasılığı Kasırga veya ani taşkın olasılığının yüksek olması Kaya çözünülürlük olasılığının yüksek olması Borulama olasılığının yüksek olması Son derece zayıf inşaat malzemesi Yapı elemanlarının aşırı bozulmaya maruz kalması İnşaat sürecinde yetersiz kalite kontrol Risk için “önemli” sınıfının tanımlanması, tehlike için “önemli” sınıfının tanımlanmasından çok daha zordur. Bu sınıf önemlidir, çünkü bir çok barajın normal olarak tabi olduğu geniş bir risk aralığını kapsamaktadır. Acil boşaltma sürelerinin belirlenmesinde genel bir kılavuz Tablo 12’de verilmektedir. Bu değerler, risk, tehlike ve maliyet arasında makul bir dengeyi yansıtan deneyimlere dayanılarak elde edilmiştir. Tablo 12’de verilen değerler, dört rezervuar aşamasında oldukça geniş bir sınıflandırma olasılıkları aralığı ile boşaltma süreleri aralığını yansıtmaktadır. İhtiyatlı oldukları düşünülen boşaltma süresi değerleri, bu alt-bölümde ele alınan risk ve tehlike potansiyeline dayalı boşaltma süreleri üzerinde rasyonel bir etkiye sahip tüm önemli sahaya-özgü koşulları dikkate alan ayrıntılı çalışmalar ve değerlendirmelerin sonuçlarına göre ayarlanabilir. Bir rezervuarın, Tablo 12’de verilen dört aşamanın tümünde boşaltma süresi gerekleri sağlaması arzu edilir. Ancak, belirli bir barajda tahliye yapılarının giriş kotları belirli bir kota boşaltımı sınırlayabilir. Bu nedenle, hidrolik yüksekliğin yüzde 75’inin boşaltılması için verilen değerler, fiziksel olarak mümkün olduğunca, yalnız bir kılavuz olarak kullanılmalıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 216 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tablo 12 - Acil Boşaltma Süresinin Belirlenmesine İlişkin Genel Kılavuz (Gün) Mansap tehlike Yüksek Yüksek Yüksek Önemli Önemli Önemli Düşük Düşük Düşük sınıflaması tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, tehlike, önemli risk düşük risk önemli risk düşük risk önemli risk düşük risk 10-20 20-30 30-40 20-30 30-40 40-50 40-50 50-60 60-90 30-40 40-50 50-60 40-50 50-60 60-70 60-70 70-90 90-120 40-50 50-60 60-70 50-60 60-70 70-80 70-80 80-120 120-160 60-80 70-90 80-100 70-90 80-100 90-110 90-110 100-160 150-220 Baraj risk faktörü %25 boşaltılan yükseklik* %50 boşaltılan yükseklik* %90 boşaltılan depolama hacmi** %75 boşaltılan yükseklik* yüksek risk yüksek risk yüksek risk * Boşaltma için tanımlanan hidrolik su yüksekliği dolusavak eşik kret kotu ile talveg kotu arasındaki yüksekliktir. ** Boşaltma için tanımlanan boşaltma hacmi dolusavak eşik kret kotu ile talveg kotu arasındaki hacimdir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 217 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.8.2.3 Boşaltma Çalışmaları için Ortalama Giriş Akımlarının Hesaplanması Baraj gölüne giren akımın belirlenmesinde, boşaltma süresinde en yüksek ardışık ortalama aylık giriş akımı baz alınmalıdır. Mevcut Rezervuarlarda bu bilgi “Aylık Su Temin Raporları” kapsamında mevcuttur. Bu bilginin mevcut olmadığı baraj yerlerinde, ortalama aylık giriş akımlarını hesaplamak için çalışmalar yapılmalıdır. Giriş akımlarının belirlenmesi ve rezervuar boşalma çalışmalarının yapılmasında, aşağıda açıklanan işlemler sırasıyla uygulanmalıdır. 1. Baraj yeri ortalama aylık giriş akımları değerlerinin sağlanması 2. Gerekli boşaltım süresine ilişkin bir ön tahminin yapılması 3. Boşaltım süresinde en yüksek ardışık ortalama aylık giriş akımlarının yardımıyla giriş akımı hidrografının oluşturulması 4. Boşaltım süresini belirlemek için taşkın öteleme çalışmasının yapılması 5. Hesaplanan boşaltım süresinin, giriş akımı hidrografının uzunluğu ile karşılaştırılması 6. Hesaplanan boşaltım süresinin giriş akımı hidrografını değiştirmesi durumunda 3. adıma dönülmesi. Aksi durumda, sonuçların belgelenmesi. İşlem sırasına örnek olarak “Deer Çayı Baraj Gölü” çalışması verilmiştir. 1. Ortalama aylık giriş akımları Yıllık Su Temin Raporundan alınmış ve aşağıda özetlenmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 218 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Tablo 13 – Ortalama Aylık Giriş Akımlar Ay Ortalama Aylık Giriş Ortalama Aylık Giriş Akımı (hm³) Akımı (m³/s)1 Ekim 16.41 6.13 Kasım 20.35 7.85 Aralık 20.60 7.69 Ocak 19.49 7.28 Şubat 18.75 7.75 Mart 23.31 8.70 Nisan 36.88 14.23 Mayıs 79.44 29.66 Haziran 77.22 29.79 Temmuz 25.16 9.39 Ağustos 14.93 5.57 Eylül 12.46 4.81 2. Baraj gölünün boşaltılması için yapılan ön tahmine göre 150 günlük süre belirlenmiştir. 3. En yüksek beş ardışık ortalama aylık giriş akımını (Mart, Nisan, mayıs, Haziran, Temmuz) yansıtmak için aşağıda verilen giriş akımı hidrografı oluşturulmuştur: Tablo 13 – Giriş Akımları Süre Giriş Akımı (ft3/s) 0 8.70 10 gün 8.70 20 gün 8.70 31 gün 8.70 32 gün 14.23 40 gün 14.23 50 gün 14.23 1 Giren akım (m³/s) = [(hm³ birimi üzerinden giriş akımı) / (bir aydaki gün sayısı x 24 sa x 3600 sn)] BARAJ HİDROLİK YAPILARI 219 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Süre Giriş Akımı (ft3/s) 61 gün 14.23 62 gün 29.66 70 gün 29.66 80 gün 29.66 92 gün 29.66 93 gün 29.79 100 gün 29.79 110 gün 29.79 122 gün 29.79 123 gün 9.39 130 gün 9.39 140 gün 9.39 150 gün 9.39 4. 5. Taşkın öteleme çalışması sonucunda, giriş akımı hidrografının baraj gölünün tahliyesi için yeterli uzunlukta olmadığı görülür. 6. Bu uzunlukta bir giriş akımı hidrografıyla baraj gölü boşaltılamayacağı için, 3. işlem adımına dönülerek en yüksek giriş akımına sahip bir önceki veya bir sonraki ay (Şubat) yardımıyla hidrograf uzatılır. Görüldüğü gibi, baraj gölü boşaltma süresiyle uyumlu bir giriş akımı hidrografı elde etmek için işlemlerin tekrarlanması gerekebilir. 5.8.3 Baraj Gövdesi Su Tutma Kriterleri Ve Kuralları Göl su tutma kriterleri her baraj için ayrı ayrı belirlenir. Genellikle amaç, baraj gölünde ilk kez su tutulurken barajın ve baraj temelinin davranışının (performansının) izlenmesi ve değerlendirilmesi için yeterli süre tanıyan planlı bir program sağlamaktır. Su tutma kriterleri kapsamında, (1) barajın ve temelinin kontrolu ve izlenmesi, (2) su tutma hızının kontrolü, (3) halkın güvenliği planları ve (4) taşkın kontroluna ilişkin gerekler dikkate alınacaktır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 220 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.8.3.1 Kontrol ve İzleme İlk su tutma sürecinde genel kontrol, tesis edilmiş ölçüm cihazlarının okunması ve raporlanması, normal ve tehlike durumundaki işletme yöntemlerinin belirlenmesine yönelik gerekler, genellikle, aşağıda sıralanan işlemleri kapsar. Sahada hazır bulunulması Gözle kontrol Ölçüm cihazlarının okunması İzleme, gözle kontrol ve okuma sonuçlarının raporlanması Normal işletme yöntemlerinin tanımlanması Tehlike durumu yöntemlerinin tanımlanması Deprem sonrası izlenecek yöntemlerin belirlenmesi Söz konusu gerekler her baraj için farklı olmakla birlikte, genellikle, aşağıda açıklanan uygulamaları kapsar. Sahada hazır bulunulması, saha koşullarının ve mansap tarafında hasar durumuna bağlı olmakla beraber, eğitimli gözlemciler, operatörler ve tasarımcılar tarafından, uygun aralıklarla, en çok 24-saat süreyle gözetimi gerektirir. Gözle kontrol, çatlaklar, sızıntı, şev duraysızlığı gibi olumsuzluklarının gözlemlenmesini içermelidir. Baraj ve yan ayakları ve gerekirse, rezervuar çevresi kontrol edilmelidir. Saha ve tehlike koşullarının uygun olması durumunda taşkınaydınlatması yapılabilir ve eğitimli personel tarafından 24-saatlik nöbet uygulanabilir. Mansap tarafındaki alanların gözetimi gerekecektir. Ölçme donanımı okumaları, özel talimata göre yapılmakla birlikte normal olarak sık aralıklarla, bazı donanımda ise sürekli yapılmalıdır. Tüm izleme sonuçlarının raporlanması, ölçme donanımının okunması, gözle kontrol ve saha koşullarıyla uyumlu sıklıkta olmalıdır. İlk su tutma sürecinde herhangi bir anormal durum ilgili birimlere derhal bildirilmelidir. Yöneticileri ve yetkilileri teyakkuz BARAJ HİDROLİK YAPILARI 221 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 durumunda olmalıdır. Su tutuma sürecinin 2 yılı aştığı durumlarda, her rezervuar için özel yöntemler belirlenecektir. İlk su tutma düşük bir kota kadar (baraj yüksekliğinin yarısından az) yapılacaksa, ilk su tutma planı nominal kontrol ve izleme gerektirebilir. Ancak nispeten yüksek bir kot kadar ilk su tutuma durumunda, projenin işletme ömrü boyunca her yüksek kot deplasmanının kontrolu ve izlenmesi planda öngörülmelidir. Baraj gölü aktif hacim seviyesi üzerinde ilk su tutma süreci yıllar sonra gerçekleşebilir. Kritik yüksek kotlarda ilk su tutma sürecinin yakından izlenmesi özellikle önemlidir. Normal rezervuar işletmesi, su tutma hızlarının ve proje gereklerinin sağlanmasına yönelik bir işletme planı çerçevesinde gerçekleştirilen işletmedir. Rezervuar su tutma kriterleri dokümanında özetlenen plan, eğitimli operatörler tarafından uygulanmalıdır. Tehlike durumunda rezervuar işletme durumu, normal işletme durumuna göre önceliğe sahip olup, mümkün olduğunca, su tutma kriterleri dahil edilen olasılık planlarına göre uygulanmalıdır. Deprem sonrası uygulanacak yöntemler, genelde, mevcut yapılar için belirlenmiş olmakla birlikte, rezervuar büyüklüğü, derinliği ve jeolojik yapısının, su tutma sürecinde sismik faaliyeti tetiklemesini beklemek için yeterli sebep bulunması durumunda özel kontrol, izleme ve raporlama yöntemleri gerekebilir. 5.8.3.2 Su Tutma Hızı İlk su tutma süreci, bir barajın işlevlerini yerine getirmesi konusunda tabi olduğu ilk denemedir. İlk su tutma kriterleri, barajın yapımına başlandıktan sonra belirlenebilirse de, ilk su tutma sürecinde olası çıkış akımını karşılamak için dipsavak, projelendirme aşamasında boyutlandırılmalıdır. Dolayısıyla, su seviyesi yükselme hızları, projelendirme gereklerinin belirlendiği süreçte belirlenmelidir. Dipsavaklar, ilk su tutma kriterlerinde belirlenen dolum hızlarını koruyacak ve rezervuar su seviyelerini, giriş akımı şartlarına göre belirlenen baraj hidrolik yüksekliğinin %50’nin üzerinde tutacak şekilde konumlandırılmalı ve boyutlandırılmalıdır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 222 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 İlk su tutma sürecinde rezervuara giren akım, makul bir yinelemeli taşkın debisi + seçilen dolum süresinde aylık ortalama giriş akımı olarak kabul edilmelidir. Söz konusu, yinelemeli taşkın debisi, genellikle, rezervuar dolum süresinin yaklaşık 5 katı olmalıdır. Örneğin, ortalama giriş akımı şartlarında 1 yılda dolacak kadar küçük bir baraj gölünde ortalama giriş akımına ilaveten 5-yıllık yinelemeli, 5 yılda dolabilen büyük bir baraj gölünde ortalama giriş akımı şartlarında 25 yıllık yinelemeli taşkın debisi için öteleme çalışması yapılarak suyun taşkın sırasında yükselme seviyesi belirlenmelidir. Baraj tipine göre bu artış değerlendirilmeli ve bu değerlendirme neticesinde dipsavak kapasitesinin yeterliliği sorgulanmalıdır. Her iki örnek, göl su seviyelerini, öngörülen su seviyesi yükselme hızına göre kontrol etmek için kapasitelerini yaklaşık %20 aşmak olasılığıyla sonuçlanacaktır. Aşağıda sıralanan başlıca faktörleri su tutma hızının belirlenmesinde dikkate alınmalıdır. Rezervuar amaçları Su tutuma işlemine başlanılmasına yönelik gerekler Baraj tipi Baraj temeli ve göl alanının jeolojisi ve depremselliği Tehlike potansiyeli Hidroloji (giren akımlar) Yatağa bırakılacak su Projelendirmede dikkate alınacak hususlar Su tutma hızı, izleme ve değerlendirme için yeterli süre tanımalıdır. Her bir önemli faktör, aşağıda açıklandığı gibi her baraj için ayrı ayrı değerlendirilmelidir: Rezervuarın amaçları – Arazi İslahına yönelik barajların çoğu öncelikle sulama, enerji üretimi, evsel ve endüstriyel su vb. için su depolama amaçlıdır. Mansap ihtiyacından artan su, ileride ele alınacağı gibi, başka düzenlemeler öngörülmedikçe, normal olarak depolanacaktır. Taşkın kontrolu söz konusu ise, bu durum su tutma ve bırakma hızlarını etkileyebilir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 223 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 İlk su tutma – izleme ve değerlendirme için olabildiğince yeterli süre sağlamak için, su tutma süreci, normal olarak, akarsuyun düşük – debi döneminde başlar. Ancak, su taahhütleri ve inşaat programları buna izin vermeyebilir. Baraj, dolusavak ve dipsavak yapılarının, normal olarak, su tutma sürecinden önce tamamlanmış olmaları gerekir. Bir dipsavak tünelinin derivasyon tüneli olarak kullanılmış olması durumunda olduğu gibi, söz konusu yapıların su tutma sürecinden önce tamamlanması mümkün değilse, barajın güvenliğine yönelik gerekli önlemler alınmalıdır. Rezervuara su alınmadan önce, mansap yapılarının işletilmesi için gerekli tüm donanım kontrol edilmelidir. Baraj tipi – ilk su tutma sürecinde beton barajların davranış paterni, toprak dolgu barajlardan farklıdır. Dolgu ve temeldeki toprak malzeme, suyla doygun duruma geldiği zaman çok farklı davranış sergileyebilir. İlk su tutma, bir anlamda, suyla doygunlaşmanın başlangıcı olup, büyük dikkat ve yavaş su tutma hızı gerektirir. Beton barajlarda ise depolama hızları genellikle daha az sınırlıdır çünkü suyla doygunlaşan malzeme özelliklerinde önemli değişiklik meydana gelmez. Baraj temeli ve göl alanının jeolojisi – jeolojik yapı, rezervuara hızla su alma durumunda, jeolojik malzemenin fiziksel özelliklerinde değişiklik gibi sorunlara neden olabilecek özellikte ise, hız buna göre sınırlanmalıdır. Olası sorunlar, aşırı sızıntı, göl alanında veya baraj yamaçlarında heyelanlar ve gölün tetiklediği depremsellik gibi sorunlardır. Tehlike potansiyeli – Su tutma hızının belirlenmesinde, baraj yeri mansabında olası tehlike değerlendirilmelidir. Bu konuya yeterli zaman ayrılmalı, sorunlarla karşılaşılması durumunda halkın uyarılması sağlanmalıdır. Hidroloji (giren akım) – Baraj gölüne giren akımlar mevsimsel baz akımlar, kontrollü akımlar, veya taşkın akımları olabilir. Başka bir rezervuardan gelen kontrollu akım, ideal hızların elde edilmesini sağlayabilir. Taşkın akımları ise öngörülemez ve su tutma hızına etkileri değerlendirilmelidir. Değerlendirme, rezervuarın belirli bir ilk seviyede olduğu kabulüyle, rezervuara giren çeşitli akımların ötelenmesiyle yapılır. Taşkın akımları, istasyonlarda kaydedilmiş akımlar veya 5-10 ve 25-yıl yinelemeli akımları kapsayabilir. Baraj gölünden bırakılacak debiler, emniyetli mansap yatak kapasitelerine göre sınırlandırılabilirse de, hızlı su tutma veya aşırı dolma (taşma) BARAJ HİDROLİK YAPILARI 224 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 nedeniyle baraj arızası olasılığını artırmamalıdır. Taşkın öteleme değerlendirmesinin sonuçları, daha sonra, baraj tipi, jeoloji, mansapta tehlike vb. diğer faktörler dikkate alınarak değerlendirilir. Daha geniş aralıklarla yinelenen taşkınlar da dikkate alınmalıdır. Bu durumda, daha yüksek su tutma hızları, genellikle, kabul edilebilir hızlardır. Ancak, bu gibi taşkınlar sonrası baraj suyu seviyesinin düşürülmesi gerekebilir. Deşarj koşulları – Tahliye yapıları, normal olarak, mansap su ihtiyacı ve tahliye ihtiyacını karşılayacak kapasiteye göre boyutlandırılır. Bu kapasite, normalde, su tutma hızını sınırlamak için yeterli olmakla birlikte, su tutma hızını sınırlamak için ilave kapasitenin gerekmesi durumunda uygun projelendirme önlemleri alınmalıdır. Su tutma hızları, normal olarak, baraj gölü derinliğinin alt yarısı için belirlenmez, çünkü baraj normal yükünün yalnız bir kısmını alacaktır. Ancak, alt yarıda sorunlu olanlar bulunması durumunda, uygun hızlar belirlenmelidir. Üst yarıda su tutma hızları izleme ve değerlendirme çalışmalarının sağlıklı yürütülebilmesi için günde 60 cm’den fazla olmaması önerilir. Toprak dolgu barajlar için 30 cm/gün hız normal bir su tutma hızı olarak kabul edilebilirse de, dayanıklı bir temel kayası üstünde yer alan beton baraj için 300 cm/gün hız aşırı hız olmayabilir. Deşarj yapıları, baraj gölü su seviyesinin öngörülen seviyenin üzerine yükselmesini sınırlayacak kapasitede olmalıdır. Belirlenen su tutma hızı, baraj gövde boykesiti boyunca tabana gelen toplam basınçlar altından davranışını izlemek açısından bu bölgede gerekli koşulların oluşmasına olanak tanıyacak yeterli süre tanınmalıdır. Tablo 14 - Baraj Tiplerine Göre Su Tutma Hızlar Hız Baraj Tipi (cm/gün) Beton 300 SSB 300 Ön Yüzü Beton Kaplı Baraj Asfalt Kaplı Baraj 300 Membran Kaplı Baraj Kil çekirdekli 30 Asfalt çekirdekli 100 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 225 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 107 – Tipik Su Tutma Aşamaları 1 * Baraj gövdesinin alt yarısında sorunlu alanlar bulunması durumunda, uygun hızlar belirlenmelidir. 2 * Bu dönemde barajın sağ ve sol yamacında, baraj gövdesi mansap şevinde dikkatlice inceleme yapılacaktır. Muntazam aralıklarla (her gün) baraj gövdesinde bulunan ölçüm tesislerinde okumalar yapılarak her hafta ilgili yerlere gönderilecektir. Baraj mansabında nemlenme, sızıntı, pınarlaşma vs. gibi belirtiler tespit edilmesi durumunda ilgili yerlere anında haber verilecektir. 3 * Rezervuar yüksekliği “H”, normal su seviyesi ile baraj talveg kotu arasındaki yüksekliktir. Acil Durumda Yapılması Gerekenler: Şantiyede çalışan bütün ekipler uyarılır. Yerel radyo ve TV kanallarına “acil durum bilgisi” gönderilir. Barajın mansabında çalışan ekipler tahliye edilir. Devlete ait araç, gereç ve ekipmanlar insan hayatını tehlikeye atmayacak şekilde güvenli bir alana taşınır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 226 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Eğer yetkililer, muhtemel facianın müteahhidin sahip olduğu kaynakları kullanarak kontrol altına alınabileceğini kanaat getirirlerse, bu kaynaklar hemen seferber edilir ve acil tamirat için görevlendirilir. 5.9 5.9.1 Enerji Kırıcı Yapılar Çarpma kirişi tipinde kırıcılar Nispeten küçük debilerde giriş hızının 15 m/s değerini aşmadığı durumda kullanılır. Bu havuz tipleri 11 m³/s'den küçük debilerde kullanılır. Daha büyük debiler için havuz sayısı artırılır. Açık bir şüt olarak veya kapalı borulu sistem olarak yapılabilirler, Şekil 108’da verilen havuz tipi 11 m³/s'ye kadar olan debilerde uygulanabilmektedir. Bu sistemde jetin düşey olarak asılı olan engellere çarpması ve yön değiştiren suda oluşan çevriler sonucu enerji kırılır. En iyi hidrolik çalışma, mansap su seviyesinin, engel yüksekliğinin yarısında (bu seviyeyi aşmadan) sağlanır. Sistemde iyi bir çalışmanın olması için, engelin tabanı, memba kanal veya borusuyla aynı seviyede olmalıdır. Bu tip enerji kırıcıda, suyun engellere çarpması nedeniyle oluşan büyük dinamik yükler ve türbülanslar sebebiyle sistemde kayma oluşmaması için ve yapıda oluşabilecek titreşim etkilerinin karşılanabilmesi için yeterli yapısal stabilite sağlanmalıdır. 5.9.2 Konik Vanalı Enerji Kırıcı Büyük debilerde kullanılması önerilir. Genellikle konik vanalar için vana sonrası çelik kaplamalı silindirik bir enerji kırıcıya su havalandırılarak püskürtülür. Konik vanalarda çelikle kaplı enerji kırma yapısına su püskürtülürken enerjinin belli bir yüzdesi kaybolur. Tünel içerisinde mansaba kadar su akarken havalanmış düzenli bir akım haline gelir. Konik vanalarda vananın kullanılması için eğer gerekli ise mansaptan vana odasına kadar bir ulaşım tüneli yapılması gereklidir. Bu ulaşım tünelleri ayrıca vananın hava ihtiyacı için de kullanılabilir. Su jetini oldukça yaydıkları için dere yatağında oyulmalara da sebep olmazlar. Bu vanada net yük giriş, sürtünme, dirsek veya diğer kayıplar hariç olmak üzere hesaplanan yüktür. Model deneylerinde büyük çaplı vanalarda deşarj katsayısı 0.85’den büyük bulunursa da hesaplarda yine 0.85 alınır. Q C A (2 gH ) BARAJ HİDROLİK YAPILARI (156) 227 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 A= Vana Alanı (minimum iç çapa göre) (m2) Q= Debi (m³/sn) C= Deşarj katsayısı (vana tam açık iken 0.85) g= Yer çekimi ivmesi (m/sn2) Q C D2 4 (2 gH ) .......................................................................................................... (157) kısaltılırsa; Q 2.95 D 2 H (158) D= Boru iç çapı (m) H= Net düşü (m) Vananın kısmi açıklıklarında geçireceği debileri bulmak için yine Q K D2 H (159) formülü kullanılır. Vananın %10’dan %100’e kadar kısmi açıklıkları için deşarj katsayıları (K değerleri) aşağıdadır. Bu değerler laboratuarlarda vana üzerinde yapılan deneylerle bulunmuştur. Her ne kadar vana çapı ile bu değerler yakından ilgili ise de proje çalışmaları için hata kabul edilebilir limitler dahilindedir. Kapak Açıklığı (%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 K 0.487 0.939 1.322 1.740 2.052 2.365 2.609 2.783 2.905 2.957 Şekil 109 - Şekil 112 arasında konik vana çeşitleri ve ebatlarını anlatan şekil ve tablolar verilmiştir. 5.9.3 Sakinleştirme (Dinlendirme) Kuyuları Bu sistem eğer kanal başlangıç seviyesi dipsavak başlangıç kotundan yüksekte ise tercih edilir. Mansaptaki ayar vanasının hemen bitimine yerleştirilir. Hesaplamaları genel hidrolik prensipler dikkate alınarak yapılır. İvriz Barajına ait Sakinleştirme Kuyu tipinde enerji kırıcı yapı kullanılmış olup Şekil 113’da verilmiştir. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 228 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 5.9.4 Enerji Kırıcı Havuzlar Derivasyon tesislerinde yüksek kapasiteli yapılarda yukarıda belirtilen enerji kırıcı yapılar yardımı ile enerji sönümlenemeyebilir bu durumda enerji kırıcı havuzlar kullanılabilir. Enerji kırıcı havuzların tipleri ve hidroliği dolusavak hidroliği bölüümünde detaylı olarak anlatılmıştır. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 229 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 108 - Çarpma Kirişli Enerji Kırıcı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 230 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 109 - Atmosfere Deşarj Olan Konik Vana Şekil 110 - Çelik Kaplamalı Oda İçerisine Deşarj Olan Konik Vana BARAJ HİDROLİK YAPILARI 231 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 111a - Konik Vananın Batık Şekil 111b. Konik Vananın Enerji Kırıcı Çalışma Hali Havuza Deşarjı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 232 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 112 - Standart Konik Vana Görünüş ve Ebatları BARAJ HİDROLİK YAPILARI 233 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Şekil 113 - Sakinleştirme Kuyu Tipi - İvriz Barajı BARAJ HİDROLİK YAPILARI 234 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 6 YARARLANILAN YAYINLAR [1] Amanian.N., Tullis P.J., Woldron D., (1995) 'Design of Labyrinth Spillways' Journal of Hydraulic Engineering ASCE March 1995. Vol.121 No:3. U.S.A [2] Amanian.N., (1987). 'Performance and design of labyrinth spillway' MSc thesis. Utah State University,Logan. Utah. [3] Cassidy. J.J., Gardner, C.A., and Peacock R.T. (1985) 'Boardman labyrinth crest' J.Hydr. Engrg. ASCE 11 (3), 398-416. [4] Darvas. L.A., (1971). 'Performance and design of labyrinth weirs' J.Hydr. Engrg. ASCE 97 (8). 1246-1251. [5] Hay. N., and Taylor. G., (1971). 'Performance and design of labyrinth weirs'.J.Hydr.Engrg.ASCE 96(11).2337-2357. [6] Hinchliff. D.L., and Houston. K.L. (1984) 'Hydraulic design and application of labyrinth spillways' Proc. USCOLD Lecture Dam Safety and Rehabilitation. USCOLD Denver. Colorado. [7] Houston. K.L., (1982). 'Hydraulic model study of the Ute Dam labyrinth spillway' Rep. No. GR.82.7. Burcau of Reclamation Denver, Colorado. [8] Houston. K.L., (1983) 'Hydraulic model study of Hyrum auxiliary labyrinth spillway' Rep. No. GR.82.13. Bureau of Reclamation. Denver. Colorado. [9] Kaş.İ., (1996) 'Belkaya Dolusavak Model Çalışmaları Raporu' DSİ TAKK Dairesi Başkanlığı, Ankara/TURKEY [10] Lux. F.III., (1984). 'Descharge characteristies of labyrinth weirs'. Proc. ACE Hydr. Div. Speciulty Conf. ASCE, New York. N.Y. [11] Mayer. P.G., (1980). 'Bartletts Ferry project labyrinth weir model studies.' Proj. No.E- 20-610 (with 2 addenda). Georgia Institute of Technology. Atlanta. Ga. [12] Meeks. M.C., (1983). 'The design and construction of the Bartlets Fery labyrinth weir spillway' Occasional Paper, Power Supply Engrg. and Services Dept., Georgia Power Company. Atlanta. Ga. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 235 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 [13] Taylor. G., (1968). 'The performance of labyrinth weirs' PhD thesis. University of Nottingham. Nottingham. England. [14] Tullis. J.P., (1993). 'Standley Lake service spillway model study' Hydr. Rep. Number 341. Utah State University Foundation, Utah Water Research Laboratory, Logan. Utah. [15] Vermeyen. T., (1991).'Hydraulic model study of Ritschard Dam spillways' Rep. No. R- 91-08. Burcau of Reclamation, Denver, Colo., 1-18. [16] Waldron. D.R., (1994). 'Design of labyrinth weirs' Msc thesis. Utah State University. Logan. Utah. [17] Bayazıt, M., 1970. Mühendislik Hidroliği, İTÜ Kütüphanesi, Sayı: 791. [18] Cassidy, J., ve Elder, R. 1984. Spillways of high dams. In Developments in Hydraulic Engineering-2. Edited by P. Novak, Applied Science Publishers Ltd., Essex, England. [19] Chanson, H. 1991. Aeration of a free jet above a spillway. Journal of Hydraulic Research. International Association of Hydraulic Research (IAHR), 29: 655-664. [20] Chanson, H. 1995. Predicting the filling of ventilated cavities behind aerators. Journal of Hydraulic Research, International Association of Hydraulic Research (IAHR), 33: 361-372. [21] Demiröz, E.. 1985. Spillway aerator project criterions used for high-speed chute flows. Engineering Research Group, Project No: 606. The Scientific and Technical Research Council of Turkey (TUBITAK). [22] Demiröz, E., Darama Y., ve Kuzum, L. 1994. Study of the effectiveness of the aerators placed on the spillway chutes of Keban Dam. International Conference on Large Dams, ICOLD, Durban, Sought Africa, pp. 353-367. [23] Falvey, H.T. 1990. Cavitation in chutes and spillways. A Water Resources Technical Publication, Engineering Monograph No.42, United States Department of the Interior. [24] Kells, J. A. ve Smith, C.D. 1991. Reduction of cavitation on spillways by induced air entrainment. Canadian Journal of Civil Engineering, 18: 358-377. BARAJ HİDROLİK YAPILARI 236 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 [25] Kökpınar, M.A. 1996. Air-entrainment in high speed free surface flows. Ph.D. Thesis, Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, Turkey. [26] Marcono, A. and Castillejo, N. 1984. Model-prototype comparison of aeration devices of Guri Dam spillway. Symposium on Scale Effects in Modelling Hydraulic Structures, Esslingen, Germany, September 3-6, pp. 4.6.1-4.6.5. [27] Peterka, A.J. 1953. The effect of entrained air on cavitation pitting. Proc. IAHRASCE Joint Conf. Int. Hydraulics Convention, Minneapolis, 507-518. [28] Pfister, M. ve Hager, W. 2010. Chute Aerators. II: Hydraulic Design. ASCE-JHE. Vol. 136, no.6, 360-367. [29] Pinto, N. 1991. Prototype aerator measurements. Air entrainment in free surface flows. A.A.Belkema publications, Rotterdam, Netherlands, Edited by Ian R. Wood, pp. 115-130. [30] Rutschmann, P., ve Hager, H. 1990. Air entrainment by spillway aerators. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 116(6): 765-782. [31] USBR Design of Small Dams [32] Derivasyon, Dolusavak, Dipsavak, Şakir BEKEM [33] USACE EM 1110-2-1602 [34] USBR Criteria and Guidelines for Evacuating Storage Reservoirs and Sizing Low Level Outlet Works [35] USBR Reservoir Filling Criteria Preparation Memorandum No: DES-2 [36] USACE Letter No: 1110-2-231, Initial Reservoir Filling Plan [37] DSİ Baraj ve Gölet Projelendirme Semineri, 1995 [38] Konik Vanalar, Şakir BEKEM [39] Barajların Projelendirilmesinde Hidrolik Esaslar, ŞENTÜRK Fuat, DSİ, Ankara,1988 [40] Coastal Engineering Manual (EM 1100-2-1100), U.S. Army Corps of Engineers, 1984 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 237 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 [41] Earth and Rockfill Dams, Principles of Design and Construction, KUTZNER C., Rotterdam, Netherlands, 1997 [42] Hydrodynamics of Coastal Regions, A. SVENDSEN, IVAR G. JONSSON, Technical University of Denmark, 1980 [43] Vischer, D.L. ve Hager, W.H. : Dam Hydraulics, Chapter 9- Impulse Waves from Shore Insatabilities [44] Shore Protection Manual, U.S. Army Corps of Engineers, 1984 [45] Freeboard Criteria and Guidelines for Computing Freeboard Allowances for Storage Dams, USBR, Colorado, 1981 [46] Wave Runup and Wind Setup on Reservoir Embankments, Engineering Technical Letter, USACE, Washington, 1976 [47] Hydraulic Sructures, Pavel Novák, A.I.B. Moffat, C. Nalluri,R. Narayanan [48] USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators BARAJ HİDROLİK YAPILARI 238 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 7 REFERANSLAR ii USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 353 iii Açık Kanal Akımların Hidroliği ve Hidrolik Yapılar, Sayfa 283 iviv v USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 380, Şekil 9.32 USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 382, Şekil 9.33 vi Toprak ve Kaya Dolgu Barajlarda Derivasyon Dipsavak – Dolusavak Proje ve Hesapları, Sayfa 153 vii Açık Kanal Akımlarının Hidroliği ve Hidrolik Yapılar, Sayfa 265 viii USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 451 ix USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 408, Şekil 9.55 x USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 408, Şekil 9.55 xi USBR Hydraulic Design Criteria, Sayfa 140-1 ~ 140-1/8 xii Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 217 xiii Açık Kanal Akımların Hidroliği ve Hidrolik Yapılar, Sayfa 270 xiv Açık Kanal Akımların Hidroliği ve Hidrolik Yapılar, Sayfa 271, Şekil 7.45 xv Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 132 xvi Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 132 xvii Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 95 xviii Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 231 xix US Army Corps of Engineers ERDC/CHL CHETN-VIII-1, Sayfa 1 xx Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators, Sayfa 269~271 xxi USBR Design of Small Dams, Sayfa 366 xxii USBR Design of Small Dams, Sayfa 367 xxiii USBR Design of Small Dams, Sayfa 368 xxiv US Army Engineer Waterways Experiment Station xxv USACE EM 1110-2-1603 Hydraulic Design of Spillways, Plate 3-2 xxvi US Army Engineer Waterways Experiment Station, 3-8 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 239 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 xxvii US Army Engineer Waterways Experiment Station, 3-8 xxviii USBR Design of Small Dams, Sayfa 368,369 xxix USBR Design of Small Dams, Sayfa 385 xxx Barajların Projelendirilmesinde Hidrolik Esaslar Dr. Fuat Şentürk xxxi Barajların Projelendirilmesinde Hidrolik Esaslar Dr. Fuat Şentürk xxxii Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators R.M. Khatsuria xxxiii Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators R.M. Khatsuria xxxiv Barajların Projelendirilmesinde Hidrolik Esaslar Dr. Fuat Şentürk xxxv USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 357 xxxvi US Army Corps EM 1110-2-1603 Hydraulics of Spillways, Sayfa 4-4 xxxvii US Army Corps EM 1110-2-1603 Hydraulics of Spillways, Sayfa 4-1 xxxviii US Army Corps EM 1110-2-1603 Hydraulics of Spillways, Plate 4-1 xxxix USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 385 xl USBR Design of Small Dams, 3rd Edition, Sayfa 357 xli Su Yapıları (Barajlar, Savaklar ve Su Kuvveti Tesirleri), Mehmet Berkün, Sayfa 471 xlii USACE EM 110-2-1603 Hydraulic Design of Spillways, Sayfa 2-7 xliii USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 16 xliv USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 12 xlv USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 14 xlvi USBR Design of Small Dams, Sayfa 395 xlvii USBR Design of Small Dams, Sayfa 393 xlviii USBR Design of Small Dams, Sayfa 390 xlix USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 92 l USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 92 li USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 92 lii USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 92 liii USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 92 liv USBR Design of Small Dams, Sayfa 401 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 240 1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 lv USBR Design of Small Dams, Sayfa 402 lvi USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 98 lvii USACE EM 110-2-1603 Hydraulic Design of Spillways, Sayfa 7-10 lviii USBR Design of Small Dams, Sayfa 385 lix USBR Design of Small Dams, Sayfa 403 lx USBR Design of Small Dams, Sayfa 403 lxi USBR Design of Small Dams, Sayfa 463 lxii USBR Design of Small Dams, Sayfa 464 lxiii USBR Design of Small Dams, Sayfa 463 lxiv USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 174 lxv USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 188 lxvi USBR Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Sayfa 155 BARAJ HİDROLİK YAPILARI 241