Baraj dolusavakları tasarımı

Abstract

Nüfusun artması, insanların ihtiyaçlarının çoğalması ve çeşitlenmesi sonucu zaten coğrafya ve zaman açısından oldukça bozuk bir düzen gösteren su kaynaklarımızdan en iyi bir biçimde yararlanabilmek için depolanmaları zorunlu hale gelmiştir. Ek olarak temiz ve doğaya saygılı enerji üretimi, tarım için sulama suyunun temini ve bunlara benzer çeşitli nedenlerden dolayı bu tip yapıların inşasında barajlar bir zorunluluk haline gelmiştir. Ancak barajların tasarımı ile inşası oldukça karmaşık ve zordur. Büyük yapımlar olmaları nedeniyle pahalı maliyetlerinin yanında, barajlarda meydana gelecek zararlar sonucunda, mansablarında büyük can ve mal kayıplarına sebep olabilirler. Tüm dünyada barajlarda oluşan hasarlar üzerinde yapılan istatistikler bu hasarların en önemli nedeninin baraj gövdesi üzerinden suyun aşması olduğunu göstermiştir. Oluşacak bu tür olumsuz durumlara en çok yanlış bir baraj dolusavak tasarımı sebep olabilir. Dolusavak yapıları akarsuyun baraj rezervuarına getirdiği su miktarının rezervuarın depolama kapasitesini aşması durumunda, fazla sulan emniyetli bir biçimde çevreye zarar vermeden yapıdan uzaklaştırır. Bu nedenle tasarımları hayati bir önem taşır. Açıklanan sebeplerden dolayı tez çalışmasının konusu baraj dolusavakların tasarımı olarak seçilmiştir. Tez içersinde ülkemizde en çok uygulama alanı bulan kontrollü ve kontrolsüz dolusavaklar ile onları oluşturan bölümlerinin projelendirilmeleri incelenmiştir. Ayrıca konuyla ilgili pratik çözümler ile hesaplarda kullanılması için gerekli abaklara yer verilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde konunun önemi ve amacı açıklanmıştır. İkinci bölümde ise; tipik bir dolusavak yapısını oluşturan yaklaşım kanalı, kontrol kesidi, mansap kanalı ve enerji kinci yapımlar hakkında bilgi verilmiştir. Ek olarak bu yapılarda meydana gelmiş tasarım hataları ile yapılan çözümlerden bahsedilmiştir. Daha sonra pratikte uygulanan dolusavak tipleri, kullanım yerleri, yerleşim şekli, temel şartlan, yapım güçlüğü, iklim şartlan, işletme durumu, deprem riski, aşırı yüklemede güvenlilik, iş programlarına etkisi, maliyet ve boşaltım kanallarında daraltma imkanlan açısından karşılaştırılmıştır. Bu bilgilerden sonra bir dolusavak tipinin hangi kriterlere bağlı olarak seçilebileceği, seçilen baraj tipinin özellikleri, topografik durum, jeolojik durum, hidrolik durum ve ekonomik durum temel alınarak açıklanmıştır. Üçüncü bölümde dolusavak yapılarının projelendirilmelerine geçilmiştir. Yapının tasanmının yapılabilmesi, plan ve projelerinin çizilebilmesi için gerekli done ve bilgiler bölümün başında verilmiştir. Ardından tasarın aşamasına geçilerek proje giriş taşkınlarının seçimi ve flood-routing anlatılmıştır. Bu noktadan sonra dolusavak yapısının bölümlerinin dizaynına gelinmiştir. Yaklaşım kanallarının hesabı, proje yükünün seçimi, genel haliyle dolusavak profilinin oluşturulması ile kontrolsüz ve kontrollü dolusavak gövde yapısının tasarımı açıklanmıştır. Konu hakkında gerekli abaklar ise Ek- A' da verilmiştir. viii Dördüncü bölümde mansap kanallarının tasarımı ele alınmıştır. Bu amaçla ilk olarak dolusavak kontrol yapısından mansaba geçiş incelenmiş, eşik yapısından sonraki su derinliğinin tespiti, kontrol yapısından kanala geçişteki düşey kurbun ve eşik boyunun uzunluğunun hesabı yapılmıştır. Kanal içersindeki su yüzü profilinin çizimi için gerekli eşitlikler ve kullanılacak heap yöntemi için tablo verilmiştir. Ayrıca pratikte uygulanan yan duvarların tipleri ve boyuları ile yüksekliklerinin hesabı açıklanmıştır. Sonra dolusavaklarda akımın enerjisinin azaltılmasında yararlanılan hidrolik sıçramanın genel özellikleri ile akımın froude sayısının değerine göre tasarlanabilecek havuz tipleri anlatılmıştır. Bu havuzların tasarımında kullanılabilecek abaklar Ek-B'de verilmiştir. Bölümün sonunda bir sıçratma ucundan fırlatılan su kütlesinin akarsu yatağı içersinde düşeceği noktanın tespiti yapılmış ve tipik bir sıçratma ucunun boyutları matematiksel bağıntılar yardımıyla hesaplanmıştır. Beşinci bölümde dolusavak yapısının hesabında en önemli yeri tutan gövde yapısının tasarımı incelenmiştir. Konu ilk olark deşarj katsayısı bakımından ele alınmıştır. Bu amaçla çeşitli bilim adamları tarafından teklif edilen deşarj katsayısı eşitliklleri karşılaştırılmış, memba yüzü şeklinin katsayıya olan etkisi anlatılmıştır. Ardından dolusavak üzerinde pozitif ve negatif basınçların oluşumu incelenmiştir. Daha sonra kontrollü ve kontrolsüz dolusavaklarm bir ön tasarımında bu yapının özelliklerinin belirlenmesini sağlayacak çeşitli eşitlikler verilmiştir. Bu bilgilerin yardımıyla, dik memba yüzüne sahip gövde yapılan için teklif edilen profil tipleri, ( H/Hp ) oram, m katsayısı, d su derinlikleri, ( P/y ) alt basınçların değeri açısından karşılaştırılmış ve sonuçlar tablolaştmlmıştır. Ayrıca çalışmada P/Hp < 1,5 oranları için eğimli memba yüzleri tavsiye edilmiş ve eğimli memba yüzlerine sahip WES ve Ogee profilleri alt basınçlar bakımından incelenmiştir. Anlatılanlara ek olarak kontrollü dolusavaklar da ( H/Hp ) oram, m katsayısı, d su derinlikleri, ( P/y ) alt basınçların değeri ve X kapak konumlan açısından karşılaştınlmışlar ve sonuçlan tablolaştınlmışdır. Yapılan çalışmaların neticesinde tipik bir gövde yapısının tasanmmda en önemli kriterin alt basmçlann ile m debi katsayısının değerleri olduğu düşünülmüş, aynca tasanmda düşük alt basmç değerlerinin ve yüksek deşarj katsayısının elde edildiği optimum bir noktanın yakalanması tavsiye edilmiştir.

As a consequence of population growth and increase in both the number and the variety of people's needs, it became a necessary condition that we should store our water sources which are irregular in terms of geography and time in order to benefit from them in the most efficient way. Construction of dams became an obligation for such situations. Because, dams produce energy in a way that does not harm nature and provide irrigation water for agriculture. In spite of these advantageous characteristics of dams, both the design and construction of dams is quite complicated and difficult. Additionally being huge constructions they have high cost and the same time can damage both the physical environment and human life in downstream in the case of a possible damage in its own structure. The statistics about the dam's damages all around the world indicated that the most important reason these damages is the exceeding level of water over the body of the dam. Usually the reason unpleasant case is the wrong design of spillways. When the level of water brought by the river to the dam's reservoir exceeds the storing capacity of reservoir, spillways take away the extra water without giving any harm to the environment in a safety way. Thus their designs have vital importance. Because the reasons discussed above, the subject of the present research is the design of spillways. Research includes the design of the controlled and uncontrolled spillways and their components in Türkiye. Moreover the practical solutions and necessary abacus that are used in calculations are included. In the first chapter of the research the importance of the subject and the purpose of the research are explained. In the second chapter, some information about the approach channel, control cross section, discharge channel and the stilling basins which altogether form a typical spillway structure are given. In addition to this, design default in these constructions and the solutions applied for these are described. Afterwards spillway types and their application areas are compared according to settlement style, basic requirements, construction difficulty, climate conditions, operation state, earthquake risk, safeness in the case of overloading, its effect on labor programs, cost and narrowing conditions in discharge channels. Giving this information, the criterion according to which a spillway type is selected is discussed on the basis of the properties of the selected dam type, topographic conditions, geologic state, hydraulics conditions and the economic condition. In the third chapter, projection of the spillway types is explained. In the beginning of the chapter necessary information and datum used for the design of the structure and for the projection are given. Afterwards passing to the designing state, the selection of project excess flood and flood- routing method have been explained. Following this point the designing of the parts of the spillway structure is described. The calculation of approach channel, the selection of the design load, the general formation of the spillway profile, the design of controlled and uncontrolled spillway body structure are delineated. The related abacuses are indicated in Appendix- A. In the fourth chapter the design of the discharge channel is depicted. For these reasons in the first place the transition from the control structure to the discharge channel is studied and the determination of the water depth after the control structure and the length of the structure are calculated. The equations necessary for the projection of the water surface profile in the channel and the calculation method that must be used are tabulated. Moreover types of the sidewalls that are used in practice and calculation of their dimensions and heights are described. Then the general properties of the hydraulic jump, which are necessary for the reduction of the energy of flood in spillways and the stilling basin types that are designed according to the Froude Number, are discussed. The abacuses that can be used in the design of the stilling basin are indicated in Appendix-B. Finally the dimensions of the structures, which throw water to the bed of the stream, are calculated in terms of mathematical correlations. In the fifth chapter, the design of the control section, which is very important in the determination of the spillway structure, is studied. Firstly, the subject is discussed in terms of discharge coefficient. Different discharge coefficients are compared for this purpose. The effect of the upstream surface form of the control section on the coefficient is described. Following this the formation of the positive and negative pressure on spillway profile is explained. Then some equations, which will be used to define the characteristics of the structure in pre-design of the controlled and uncontrolled spillways, are given. In the light of this information, the profile types which are suggested for the body section with a vertical upstream surface are compared according to (H/Hp), m, d (water depth), P/y (pressure). For the ratios of P/ Hp< 1,5, inclined upstream surface for the body section is suggested. For these profiles, WES (Water Experiment Station, USA) and Ogee profiles are studied according to bottom pressures. In addition to these, gate controlled spillways are studied according to (H/Hp), m, gate location condition, values of bottom pressures.