Assessment Of The Stabilization Problem Occured Excavation At A Dam Site In Upstream Basen Of Ceyhan River

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Türkiye hidroelektrik enerji üretim potansiyeli yüksek olan ve birçok projenin gelişim sürecinde bulunduğu bir ülkedir. İrili ufaklı birçok önemli proje tamamlanıp faaliyete geçmiş olmasına rağmen halen planlama, tasarım ve inşaat halinde olan birçok proje bulunmaktadır. Projeler için yukarıda bahsedilen aşamaların kat edilmesinde ve yapıların nihai hallerini almalarında mühendislik jeolojisinin çok büyük önemi vardır. Proje tasarım ve inşaatı başlamadan önce gerekli olan bütün mühendislik jeolojisi çalışmaları (haritalamalar, sondajlar, arazi ve laboratuvar deneyleri, vb.) yapılmalı, proje tasarımı ve inşaatı buna göre hayata geçirilmelidir. Arazi koşulları doğru ve yeterli düzeyde belirlenmediği durumlarda proje alanında beklenmedik jeolojik problemlerle karşılaşılabilir. İnşaat aşamasında karşılaşılan bu problemler, bir yandan projeye beklenmedik riskler getirirken, diğer yandan projenin maliyetini ve tamamlanma süresini etkiler. Mühendislik jeolojisi çalışmaları yapılacak olan projelerin temelini oluşturmaktadır. Projelerin planlama aşamasında yapılan mühendislik jeolojisi çalışmaları proje alanı hakkında tasarım için gerekli olan bilgileri verir. Bu bilgiler ışığında yapılan tasarım ile proje inşaatları, bütçesi ve tamamlanma süresi şekil alır. Bu nedenle mühendislik jeoloji çalışmaları büyük bir titizlik ve detay içerisinde, projelerin planlama aşamasında yapılmalıdır. Bu çalışma, Yukarı Ceyhan havzasında projelendirilen bir barajın eksen yerinde meydana gelmiş olan heyelan probleminin çözümüne yönelik yapılan araştırma ve değerlendirmeleri içermektedir. Yukarıda önemi vurgulanan mühendislik jeoloji çalışmalarının eksikliği, baraj projesinin inşası aşamasında sıkıntılar yaşanmasına neden olmuştur. Projenin planlama aşamasında eksik yapılan saha araştırmaları projeye ek maliyet getirmekle beraber, projenin hayata geçirilme süresini de olumsuz yönde etkilemiştir. Baraj yapıları detaylı olarak projelendirilmeden önce sahada mühendislik jeolojisi araştırmaları yapılmıştır. Bu kapsamda gerek baraj aks yeri gerekse diğer yapıların bulunduğu alanlarda sondajlar açılmış, bu sondajlara ait karotlardan numuneler seçilerek laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Bunlara ek olarak eksen yerindeki geçirgenlik durumunu belirlemek amacı ile basınçlı su deneyi yapılmıştır. Yapılan arazi deneylerini takiben proje kapsamında inşa edilecek olan yapıların detay tasarımları yapılmış ve inşaat aşamasına geçilmiştir. Baraj aks yerini inşaat koşullarına hazırlamak amacı ile sol sahilde yapılan yamaç kazısı sırasında heyelan meydana gelmiştir. Kazı çalışmaları başlamadan önce sahada şiddetli yağış olmuş ve zemin suya doygun hale gelmiştir. Buna ek olarak eksen yerinde yapılan kazı çalışmaları da sol yamaçta pasif durumda bulunan heyelanın, aktif hale gelmesine neden olmuştur. Bu olaydan sonra hem güvenlik hem de heyelan sınırlarının detaylı araştırılması için baraj yerindeki çalışmalar durdurulmuştur. Meydana gelen duraysızlık probleminin proje planlaması sırasında ortaya çıkarılamamasının iki önemli sebebi vardır: bunlardan ilki yapılmış olan sondajların iyi irdelenmemiş olması, bir diğer sebep ise labaratuvar deneyleri için seçilen numunelerin baraj eksen yerinde yapılan sondajlardan alınmamış olmasıdır. Durdurulan inşaat çalışmaları sonrasında, heyelanın meydana geldiği ve etkilediği saha sınırları içerisinde detaylı saha gözlemleri yapılmıştır. Arazi incelemeleri sonucunda sahada ilave sondaj ve laboratuvar deneyleri yapılmasına karar verilmiştir. Yapılan bütün deney sonuçları göstermektedir ki; eksen yerini oluşturan metafiliş biriminin dayanımı heyelan sahasında düşüktür (34 MPa). Ana kayanın daha sağlam olan kısımlarından numune alınarak Schmidt çekici deneyi yapılmıştır. Bu deney ile ana kayayı oluşturan en sağlam tabakaların alabileceği dayanım değeri belirlenmiştir. Sahadaki heyelanın hareket yönü ve hızını belirlemek amacı ile sekiz adet inklinometre kuyusu açılmıştır. Yaklaşık bir yıllık süre içerisinde inklinometre okumaları yapılarak heyelan sahasındaki hareket izlenmiştir. Okuma sonuçlarından hem hareketin miktarı ve yönü hem de yaklaşık kayma derinliği belirlenmiştir. İzlemelerden hareketin miktarının yaklaşık olarak 15-20 mm/yıl mertebesinde olduğu saptanmıştır. Kayma derinliği ise yaklaşık olarak 20-25 m derinliktedir. Ancak kurulmuş olan bütün inklinometre kuyularından istenen veriler elde edilememiştir. Bazılarında sağlıklı okuma yapılamamış, bazılarında ise hareketin fazla olması, kuyunun göçmesine neden olmuştur. Tez kapsamında projeci tarafından heyelanı destekleme amacıyla yapılan tasarım irdelenmiştir. Projecinin yaptığı tasarım üzerinde optimizasyon çalışması yapılarak farklı alternatif çözümler geliştirilmiştir. Gerek irdelenen tasarım, gerekse de alternatif çözümlerin geliştirilmesi sırasında SLOPE/W uygulaması kullanılmıştır. SLOPE/W, GEO-SLOPE International tarafından üretilmiş olan ve dağıtımı yapılan GeoStudio yazılım programının bir alt uygulaması olup iki boyutlu sonlu elemanlar metodunu kullanarak analizler gerçekleştirmektedir. Bu kapsamda öncelikle projecinin tasarım aşamasında yapmış olduğu kabuller değerlendirilmiştir. Projeci tarafından tasarımda kullanılan mühendislik jeolojisi sayısal modelinde ortam üç tabakalı olarak tanımlanmıştır. Bu birimler yukarıdan aşağı doğru yamaç molozu, geçiş zonu (ayrışma zonu, weathered zone), ve metafiliştir. SLOPE/W programı gereken dayanım parametreleri ve uygulama projesinde verilen ankraj özellikleri tanımlandıktan sonra çalıştırılmıştır. İlk aşamada çalıştırılan model için, projede belirlenen ankraj yükü projeci tarafından kabul edildiği şekilde 469 kN olarak alınmıştır. Bu analizden güvenlik katsayısının 4,27 olduğu belirlenmiştir. Ancak modelin verdiği diğer bir sonuç da modelde tanımlanmış olan boylardaki dört ankrajın, 6 m olan kök bölgesinin, 469 kN’luk ankraj yükünü taşımıyor olmasıdır. 469 kN’luk ankraj yükünü bu ankrajların taşıyabilmesi için kök bölgesi uzunluklarının, programın hesapladığı şekilde 14,9 m olması gerekmektedir. Bu noktada SLOPE/W programının “Variable Load” (Değişken Yük) özelliği kullanılmış ve 6 m’lik kök bölgesi uzunluğu için ankraj yükünün kaç olması gerektiği hesaplanmıştır. Yeni ankraj yükleri orijinal kabul edilen değerin yaklaşık üçte biri mertebelerinde bulunmuş, buna rağmen hesaplanan güvenlik katsayısının minimum değerlerin üzerinde olduğu anlaşılmıştır. Bu iki analizin sonuçlarından elde edilen bilgiler doğrultusunda yeni kabuller yapılmış ve optimizasyon çalışmasına başlanmıştır. Yeniden yapılan değerlendirmede projeci tarafından üç tabakalı alınan model, iki tabakalı kabul edilmiştir. Bu kapsamda yamaç molozu ilk tabaka olarak alınmış, projeci tarafından geçiş zonu olarak kabul edilen birim ise metafiliş birimine dâhil edilmiştir. Projeci tarafından dört ankraj için seçilmiş olan ankraj boyları kısaltılmış ve kök bölge uzunlukları ise kıyaslama yapabilmek amacıyla 6 m olarak korunmuştur. Bu değerlendirmeler sonucunda; • Projenin planlama aşamasında yapılan mühendislik jeolojisi çalışmaları yeterli yapılmadığından ve arazi koşulları detaylı olarak belirlenmediğinden sol sahilde yamaçta askıda bulunan heyelanın aktif hale getirildiği belirlenmiştir. İnşaat başlangıç aşamasında karşılaşılan bu problem, bir yandan projeye beklenmedik riskler getirmiş, diğer yandan da projenin maliyetini ve tamamlanma süresini etkilemiştir. • Heyelan sorununun meydana gelmesinden sonra sahada yapılan ilave sondaj ve deneyler sahadaki formasyonların jeomekanik özellikleri ile ilgili daha detaylı bilgi vermiştir. • Heyelanın yönü, hızı ve ortalama derinliği inklinometre okumaları yardımıyla belirlenmiştir. • Projeci tarafından tasarlanan destekleme sistemi için alınan kabullerde gereksiz bir şekilde güvenli tarafta kalındığı saptanmıştır. Yapılan kabuller sırasında bazı tutarsızlıklar söz konusudur. Bunlardan ilki mühendislik jeolojisi modelinin yanlış oluşturulmasıdır. Geçiş zonu için alınan dayanım parametreleri aslında zayıf durumda olan ana kayanın (metafiliş) özelliklerini yansıtmaktadır. Ankraj tasarımı yapılırken amaç, tasarlanan dört ankrajın kök bölgesinin geçiş zonu altında bulunan sağlam kayaya (metafiliş) saplanmasıdır. Bütün bu nedenlerden ötürü; tasarımı yapılan dört ankrajın boyu olması gerekenden daha uzun seçilmiştir. Ankraj boyları gereğinden fazla tutularak maliyet artmıştır. Projeci tarafından yapılan diğer bir yanılgı ise seçilen ankraj yüküdür. Çünkü seçilen ankraj yükü, 6 m’lik kök bölgesi tarafından taşımamaktadır. 6 m’lik kök bölgesi uzunluğu için daha düşük bir ankraj yükünün seçilebileceği anlaşılmıştır. • Yapılan değerlendirme sonucunda daha kısa ankraj boyu ve daha az ankraj yükü ile ortam minimum güvenlik katsayısını sağlayacak şekilde yeniden dizayn edilmiş ve toplam ankraj uzunluklarında (kök bölgesi aynı kalmak suretiyle) yüzde ellilere varan azalmanın olabileceği görülmüştür. • Projenin başlangıç aşamasında eksik yapılmış olan mühendislik jeolojisi çalışmaları nedeni ile kaybedilen zaman ve ilave maliyetler, projeciyi destekleme sistemi tasarımı sırasında gereksiz güvenli tarafta kalarak, risk koşullarını ortadan kaldırmaya itmiştir. Oysaki sahadan elde edilen ilave bilgiler ışığında hem maliyet hem de güvenlik açısından optimum sonuçlar elde edilebileceği görülmüştür. • Sonuç olarak; doğru ve yeterli mühendislik jeolojisi çalışmaları hem projenin planlama hem de uygulama aşamalarında çok önem taşımaktadır. Projenin planlama ya da uygulama aşamalarında eksik yapılan çalışmalar projeye ilave maliyet getirmektedir.In Turkey, a significant number of hydropower projects are under planning, design, or construction stages. The geological engineering investigations comprise one of the most important parts of the project planning. The necessary geological investigations should be performed before the construction stage of the projects. Based on the investigation results, the locations of the structures are finalized and the design stage of the project begins. The geological risks at project areas increase if there is not sufficient number of geological investigations that cover the entire project area. Accordingly, unexpected geological problems may occur at project areas that may cause project budget increases and/or delay of the completion of the project. Several geological investigations performed at the site before the design of the proposed structures. Test borings and laboratory and in-situ tests were conducted to define the geological conditions at the site. In addition, water pressure tests were performed in the test borings to determine the permeability values of the bedrock formation. Based upon the site investigations, proposed structures were designed and the construction began. The construction of the project started with the excavation of the slopes and access roads. The slope excavation works was ongoing at dam axis area to prepare the slopes for dam body filling works. A landslide occurred which took place at the left bank of the dam axis after heavy rainfalls at the beginning of 2010. The works at the left abutment were stopped due to security reasons. As pointed out above, geological investigations are crucial part of the project planning. The landslide area could not be figured out during the planning stage due to lack of site investigations and misinterpretation of the existing ones. Immediately after the landslide occurred, a site visit performed to the landslide area. The affected areas were observed to define the landslide borders. The situation at the left bank revealed a highly unstable sliding mass, which has considerable amount of deformations and cracks. The reactivation of similar landslides cannot be ignored especially after heavy rain events. Based upon site visit findings, additional investigations (new borings and laboratory tests) were recommended to get more information about the geological conditions. The results of laboratory tests showed that the strength parameter of bedrock (meta-flysch) was around 34 MPa at the landslide area, which is low-medium strength, based on uniaxial compressive strength (UCS) classification. In addition to the aboratory tests, Schmidt hammer tests were performed to define the maximum strength characteristic of the bedrock. The maximum UCS estimated by using the Schmidt rebound value was around 146 MPa, which falls into high-strength rock category. Eight inclinometers installed to observe the speed and direction of the landslide zone. One-year-long inclinometer readings provided detailed information about the landslide zone. The average movement was measured to be 15-20 mm. Based on the readings of all inclinometers, the depth of slip surface was estimated to be around 20 to 25 m. It was assumed that all site investigations have been taken into consideration by the designer during the design of left bank stabilization. Tieback anchor installation was considered for the stabilization of the failed slope. The application drawings and methodology were prepared by the designer. Site application of the improvement initiated with the excavation of the slopes to the limits defined in the design drawings. The slope supported with two stages of steel mesh and shot-crete in order to allow the installation of the tieback anchors. The applied solution for the stabilization of left bank was debated in this study. The current design that was prepared by the designer was run by using SLOPE/W software in order to mimic the existing conditions. The assumptions of the designer were taken into consideration for the first model. Three different layers designated to the model, which were slope wash, transition zone, and meta-flysch from ground to bottom. The strength parameters of the layers and the characteristics of the tieback anchors given in the detail design drawings were input into the model. “Constant load” option of SLOPE/W program used to apply the anchor load of 469 kN that was given by the designer. The factor of safety was estimated to be 4.27, which is significantly higher than the allowable limits. The other result that was observed was the lack of the bond length to carry the designated tieback load. A bond length of 14.9 m was required for that purpose, which was selected as only 6 m by the designer. Whenever “Variable Load” option of SLOPE/W program used to determine the load that can be carried by a 6-m-long bonded zone, it was realized that the design loads drop almost one-third of the design values. Based on these observations, optimization study was performed to find the proper anchor length and associated load. Two different layers designated to the model, which is different from the assumption of the designer. The thickness of the transition zone was selected quite high by the designer. This conclusion was not supported by any of the boring results. The strength parameters of the transition zone used for the entire meta-flysch zone in the optimization model. The length of the tieback anchors was shortened, but the bond length was kept as 6 m in order to have a meaningful comparison. Based on all these analysis and assessments; • Unexpected landslide problem was occurred at the left bank of dam axis due to the lack of site investigation and misinterpretation of the project data. Landslide problem, which occurred at the beginning of the construction period, adversely affected the project cost and completion time. • Additional borings and investigations that were performed after the landslide gave detailed information about the geological formations at the site. • The direction, speed, and slip surface of the landslide zone were defined based upon the inclinometer readings. • The assumptions that were used for the design were on the conservative side. Although the selected section includes two layers based on test borings, three-layer solution was assumed by the designer, which forced the designer to lengthen the tieback anchors up until the strongest formation. In addition, the thickness of the transition zone was very high without sufficient supporting data. Therefore, the total length of the tieback anchors were unnecessarily increased which affects the project cost directly. This was one of the considerations for the optimization study. The current model optimized by decreasing the total length and the load of anchors as well until the minimum allowable factor of safety is satisfied. Total length of the anchors was decreased around 50 percent. • Project budget increase and schedule delay due to the landslide problem at dam axis at the beginning of the project forced the designer to choose rather a conservative design for the stabilization of the left bank. However, optimum solution could be found based on the additional site investigations. This case study shows the importance of the geological investigations during the planning stage of the projects. If the proper investigations are conducted at the site on time and the results are evaluated with care, the geological risk that can affect the projects in terms of economy and schedule may be minimized.Yüksek LisansM.Sc