Şehirlerarası demiryolu hatlarında drenaj sistemi tasarımı ve maliyet analizi
Drainage system design and cost analysis on intercity railway lines
Yazar: SELÇUK ZORBA
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Ulaşım = Transportation
Dizin: Maliyet analizi = Cost analysis ; Raylı sistemler = Railway systems ; Yüzey drenaj sistemleri = Surface drainage systems ; Yüzeysel drenaj = Surface drainage

Özet:
Demiryolu üst yapısının sağlıklı ve uzun ömürlü olmasını etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Bunlardan birincisi, belkide en önemlisi drenaj sistemidir. Demiryolu üst yapısının su ile temasını önleyecek olan drenaj sistemi, balast tabakasının kirlenmesini önleyerek üstyapı elemanlarının sağlıklı çalışmasını sağlar.

Tez çalışmasında, geniş bir literatür taramasından sonra sistematik ve takip edilmesi kolay bir drenaj sistemi tasarımı prosedürü tanımlanarak, akış şeması haline getirilmiştir. Bu akış şeması yardımıyla, örnek bir hat kesiminde farklı drenaj modelleri için tasarımı ve maliyet analizi yapılmıştır. Toplamda dört farklı drenaj modeli için hesaplamalar yapılmıştır. Açık ve kapalı drenaj sistemleri için, birinci sınıf ve üçüncü sınıf demiryollarına göre hesaplamalar yapılmıştır. Literatür taramasında elde edilen bilgiler doğrultusunda, çeşitli hat sınıfları için tekrarlama sıklıkları, birinci sınıf demiryolu hattı drenaj sistemi tasarımı yapılırken 50 yıllık maksimum yağış şiddeti ve üçüncü sınıf demiryolu hattı drenaj sistemi tasarımı yapılırken 10 yıllık maksimum yağış şiddeti kullanılmıştır.  Örnek olarak alınan hat kesimi demiryolunun yarma olarak inşa edilen kısmıdır. Hat çevresinde yapılan gözlemler ve zemin incelemeleri doğrultusunda drenaj sistemi tasarımı yapılacak hat kesiminde yeraltı su seviyesinin yol kırmızı kotundan çok aşağıda olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle drenaj sistemi kapasite hesabı yapılırken yalnızca yağmur suyu debisi hesaplanmıştır.

Demiryolu hattının bu kısmında eğim sıfırdır. Bu nedenle tavsiye edilen eğimler olan, hat kenarı açık kanallara 1/100 ve yeraltı drenaj sistemine 1/200 eğim verilmiştir. Hat çevresi sık ağaçlıklı arazidir. Hattın bir ucundan, hattı kesecek şekilde kuru dere yatağı bulunmaktadır. Bu dere yatağının daha sonra demiryolu hattına zarar vermemesi için menfez tasarımı da yapılmıştır. Yarma şevlerinin yüksekliği 15 m'yi geçmediğinden palye ihtiyacı duyulmamıştır.

Drenaj tasarımına başlanırken hatta gelebilecek pik debi, yüzeysel akış hesaplamaları için kullanılan rasyonel metot kullanılarak hesaplanmıştır. Rasyonel metot kullanırken gerekli veriler akış katsayısı, yağış şiddeti ve havza alanıdır. Akış katsayısı hat çevresindeki arazinin yüzey özelliklerine bakılarak, literatür araştırmalarında elde edilen veriler doğrultusunda, ağaçlıklı arazi için 0,35 olarak belirlenmiştir. Yağış şiddetini belirlemek için, bölgeye ait yağış şiddeti-süre-tekerrür eğrilerinin olduğu grafik, Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilmiştir. Yağış şiddeti-süre-tekerrür eğrilerinden yağış şiddeti okunurken, arazi geçiş süresi yağış süresi olarak alınmıştır. Tekerrür sıklığı, daha önce belirtildiği gibi hat sınıfına bağlı olarak 10 yıl ve 50 yıl alınmıştır.

Hesaplamalara öncelikle açık kanal drenaj sistemleri için tasarımlar yapılarak başlanmıştır. Birinci sınıf bir hat için 50 yıllık maksimum yağış şiddeti için yağış ve pik debi hesaplamaları yapılmıştır. Drenaj kanalı kesiti olarak trapez kesit seçilmiştir. Hesaplamalara başlangıç ölçüleri verilen kanal kesitinin kapasitesinin hesaplanması ile devam edilmiştir. Kanal kapasitesi hesaplanırken, literatür araştırmaları esnasında da sıkla karşılaşılan, Chezy akış denklemi ve Manning pürüzlülük denkleminin birleştirilmiş hali olan açık kanal akışı formülü kullanılmıştır. Kanal ölçüleri değiştirilerek oluşabilecek pik debiye uygun boyutlar elde edilmiştir.

Hat kenarı drenaj kanallarının içerisinde kaplama olarak iri çakıl kullanılmıştır. Çok farklı kaplama çeşidi olmasına rağmen çakıl kaplamanın tercih edilmesinin sebebi, pratikte sıklıkla kullanılan bir malzeme olduğundan, açık kanal drenaj sistemlerinin baz modelini oluşturmasıdır. Oluşabilecek pik debiye uygun kanal ölçüleri bulunduktan sonra, literatür araştırmasında elde edilen bilgiler doğrultusunda kanal için hız kontrolü yapılmıştır. Literatür araştırmasında, çakıl kaplama kanallar için tavsiye edilen maksimum akış hızı 1,2 m/s 'dir. Kanal içerisinde maksimum debi akışı gerçekleştiğinde bu hızın aşılıp aşılmadığı kontrolü yapılmıştır. Bu hızın aşılması durumunda, kanal içerisinde oyulmalar ve kanal profilinde bozulmalar oluşacağından, bu kontrol önemlidir. Tavsiye edilen maksimum akış hızının aşılması durumunda, kanal kaplaması tipi, daha yüksek hıza izin veren kaplama tipiyle değiştirebilir veya kanal ölçüleri büyütülebilir.

Hesaplanan bu kanallar, çevre araziden ilk olarak yarma şevine doğru akacağından yarma şevinin üst kısmına kafa hendeği olarak inşa edilecektir. Çevre araziden gelen akışın yarma şevine ulaşmadan toplanması, şevin bozulmasını önleyecektir. Bu kanalın yanı sıra yarma şevinden gelen akışı ve hat üzerine düşen akışı drene etmek amacıyla tavsiye edilen minimum ölçülerde hat kenarı drenaj kanalı da inşa edilecektir. Drene edilen alan çok kısıtlı olduğundan bu kanal için hesaplama yapma ihtiyacı duyulmamıştır. Yarma kısmın biterek dolgu kısma geçildiği noktaya bir boşaltım hattı inşa edilecektir. Bu hattın ölçüleri kafa hendeği olarak konumlandırılacak olan ana kanalın ölçüleri ile aynı olacaktır. Kafa hendeği ve hat kenarı kanalları hat seviyesinde birleştirilerek boşaltım kanalı vasıtasıyla tahliye edilecektir. Hattı iki yamacına ayrı ayrı boşaltım hatları yapılması bu arazi için uygun görülmüştür. Gerekli hallerde, bir menfez vasıtasıyla tek bir taraftan boşaltım yapılabilir.

Daha sonra maliyet hesabına geçilmiştir. Maliyet hesabına başlamadan önce açık kanal drenaj sistemi için maliyet kalemleri belirlenmiştir. Bu kalemler, drenaj hendeğinin kazılması ve drenaj kanalının iri çakıl ile kaplanması kalemleridir. Maliyet hesaplaması yapılırken birim fiyatlar için Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2019 Yılı İnşaat Genel Fiyat Analizinden yararlanırmıştır. Kanal kesitlerinden yararlanılarak gerekli ölçümler yapılmıştır. Birinci sınıf bir demiryolu hattı için, 50 yıllık tekerrür süresinden oluşabilecek maksimum yağışa göre bu hat kesimine inşa edilecek açık kanal drenaj sisteminin toplam maliyeti yaklaşık olarak 110.740 TL'dir.

İkinci hesaplama, aynı hat kesimi için üçüncü sınıf bir demiryolu hattı düşünülerek 10 yıllık tekerrür süreli maksimum yağışa göre açık kanal drenaj sistemi için yapılmıştır. 10 yıllık tekerrür süreli maksimum yağış şiddeti, 50 yıllık tekerrür süreli yağış şiddetinden daha düşük olduğundan, gerekli kanal ölçüleri daha küçük olarak hesaplanmıştır. Aynı maliyet kalemleri ile ve Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2019 Yılı İnşaat Genel Fiyat Analizinden yararlanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar neticesinde, bu drenaj sisteminin yaklaşık maliyeti 85.350 TL olarak bulunmuştur.

Açık kanal drenaj sistemi için hesaplamalar yapıldıktan sonra, yeraltı drenaj sistemi için hesaplamalar yapılmıştır. Yeraltı drenaj sistemi olarak, pratikte en çok karşılaşılan model olan, French Drain modeli kullanılmıştır. Bu modelde drenaj kanalı içerisine delikli drenaj borusu ve boru çevresine filtre amaçlı iri taneli malzeme yerleştirilir. Birinci sınıf bir demiryolu hattı için yeraltı drenaj sistemi tasarımı yapılması hesaplamalara oluşabilecek pik debinin belirlenmesiyle başlanmıştır. Bu hesaplama daha önce açık kanal için yapıldığından veri oradan alınmıştır. Daha sonra gerekli boru çapının belirlenmesine geçilmiştir. Gerekli boru çapı belirlenirken, bir deneme çapı belirlenerek hesaplamalara başlanmıştır. Drenaj borusu olarak perfore (delikli) koruge boru kullanacağından, boru kapasitesi belirlenirken açık kanal akış kuralları geçerli olacağına, literatür taramalarım esnasında karşılaşılan bilgiler doğrultusunda karar verilmiştir. Boru kapasitesi hesaplanırken, açık kanal drenaj kanalı hesaplaması yapılırken kullanılan, Chezy akış denklemi ve Manning pürüzlülük denkleminin birleştirilmiş hali olan açık kanal akışı formülü kullanılmıştır.

Yeraltı drenaj sistemi de, açık kanalla aynı şekilde, yarma şevinin üst kısmına ve hat kenarına olmak üzere iki adet inşa edilecektir. Hat kenarına tesis edilecek kanalda yer alacak boru çapı, literatür araştırmalarında elde edilen bilgiler doğrultusunda, tavsiye edilen minimum çap olan 200 mm olacaktır. Yine aynı şekilde yarmadan dolguya geçildiği noktada bir boşaltım hattı tesis edilerek, tahliye sağlanmıştır.

Gerekli boru çapları ve uzunlukları belirlendikten sonra maliyet hesabına geçilmiştir. Maliyet analizi yapılırken, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2019 Yılı İnşaat Birim Fiyat Analizi listesinde yer almayan malzemeler için piyasa fiyat araştırması yapılmıştır. Maliyet kalemleri, drenaj kanalının kazılması, perfore borunun temin edilerek yerine yerleştirilmesi ve kalan kısmın filtre malzemesi (iri çakıl) ile doldurulması olmak üzere üç adettir. Yapılan maliyet analizinde, birinci sınıf bir demiryolu hattı için, 50 yıllık maksimum yağış şiddeti baz alınarak yapılan yeraltı drenaj sistemi yaklaşık maliyeti 345.000 TL olarak hesaplanmıştır. Aynı işlemler ve hesaplamalar, üçüncü sınıf bir demiryolu hattı için yapıldığında, yaklaşık maliyet 296.962 TL olarak bulunmuştur.

Maliyet analizleri neticesinde, birinci sınıf bir demiryolu hattı için yapılan 50 yıl tekerrür süreli maksimum yağış baz alınarak tasarlanmış drenaj sistemlerinin, üçüncü sınıf bir demiryolu için yapılan 10 yıl tekerrür süreli maksimum yağış baz alınarak tasarlanan drenaj sistemlerine göre \%17 ile \%30 arasında daha fazla ilk yapım maliyetine sahip olduğu görülmüştür. İlk yapım maliyetindeki bu artışın daha sonra bakım onarım maliyetlerinde meydana getirebileceği düşüş tam olarak hesaplanamayacağından, somut bir karşılaştırma yapmak mümkün değildir. Bu kıyaslama ancak bölgeye ait işçilik, malzeme, trafik yükü vs. gibi değerlerin belirlenmesi ile mümkündür. Drenaj tiplerinin ilk yapım maliyetleri karşılaştırıldığında, her iki sınıf demiryolu hattı için, yeraltı drenaj sistemi ilk yapım maliyeti açık kanal drenaj sistemi ilk yapım maliyetinin yaklaşık olarak 3 katıdır. İki sisteminde kendine ait avantajları ve dezavantajlarına literatür taraması ve gerekli bölümlerde yer verilmiştir.

Abstract:
There are many factors that affect the healthy and long life of the railway superstructure. The first one is perhaps the most important drainage system. The drainage system, which will prevent the contact of the railway superstructure with water, prevents the contamination of the ballast layer and ensures the healthy operation of the superstructure elements.

In this thesis, a systematic and easy-to-follow drainage system design procedure has been defined and turned into a flow chart after a large literature review. With the help of this flow chart, the design and cost analysis of different drainage models were carried out on a sample line section. Calculations were made for four different drainage models in total. For open and closed drainage systems, first and third class railways were calculated. In line with the information obtained in the literature review, repetition frequencies for various line classes, maximum rainfall intensity of 50 years when designing the first-class railway line drainage system and maximum rainfall intensity of 10 years were used in the design of third-class railway line drainage system. The line section taken as an example is the part of the railway constructed as splitting. In line with the observations and ground investigations around the line, it was found that the ground water level in the section of the drainage system to be designed was much lower than the road red elevation. Therefore, only the rainwater flow rate was calculated when the drainage system capacity was calculated.

The slope is zero on this part of the railway line. For this reason, the recommended slopes, which are open at the edge of the line 1/100 and the underground drainage system is given a slope of 1/200. The area around the line is densely wooded. At one end of the line, there is a dry river bed to cut the line. The culvert design was also designed to prevent this river bed from damaging the railway line. The height of the slopes did not exceed 15 m and there was no need for a chair.

Peak flow rate at the beginning of the drainage design was calculated using the rational method used for surface flow calculations. The data required when using the rational method are flow coefficient, precipitation intensity and basin area. The flow coefficient was determined as 0.35 for the wooded land according to the data obtained from the literature surveys by considering the surface characteristics of the land around the line. In order to determine the intensity of precipitation, the graph of rainfall intensity-duration-repetition curves of the region was obtained from the General Directorate of Meteorology. While the rainfall intensity was read from the rainfall intensity-time-repetition curves, the land transition time was taken as the rainfall time. The frequency of recurrence was 10 years and 50 years, depending on the line class, as previously mentioned.

The calculations were started with designs for open channel drainage systems. For a first-class line, rainfall and peak flow rates were calculated for the 50 year maximum rainfall intensity. Trapezoidal section was chosen as the drainage channel section. The calculations were continued by calculating the capacity of the given channel cross section. In the channel capacity calculation, open channel flow formula, which is a combination of Chezy flow equation and Manning roughness equation, which is frequently encountered during literature researches, is used.

Coarse gravel was used as coating in the line side drainage channels. Although there are many different types of coatings, gravel coating is preferred because open channel drainage systems constitute the base model because it is a frequently used material. After finding suitable channel measurements for peak flow rate, speed control was performed for the channel in line with the information obtained in the literature research. In the literature search, the recommended maximum flow rate for gravel coating channels is 1.2 m / s. When the maximum flow rate is realized in the channel, it is checked whether this speed is exceeded or not. This control is important because if this speed is exceeded, scouring and deterioration of the channel profile will occur. If the recommended maximum flow rate is exceeded, the type of channel coating may be replaced by the type of coating that allows a higher speed, or the channel dimensions may be enlarged.

These calculated channels will be constructed as head trenches on the upper part of the slope as the surrounding land will flow first to the slope. Collecting the flow from the surrounding land before reaching the splitting slope will prevent the slope deterioration. In addition to this channel, a minimum recommended line edge drainage channel will be constructed in order to drain the flow coming from the slope and the flow falling on the line. Since the drained area is very limited, there is no need to make calculations for this channel. A discharge line will be constructed at the point where the splitting portion ends and the filling portion is passed. The dimensions of this line will be the same as those of the main channel to be positioned as the head trench. The head trench and line edge channels will be combined at the line level and discharged through the discharge channel. It was deemed appropriate for the land to be constructed for discharging lines on two slopes separately. If necessary, discharge can be made from a single side by means of a vent. 

Then, the cost was transferred to the account. Cost items for open channel drainage system were determined before starting cost calculation. These are the excavation of the drainage trench and the covering of the drainage channel with coarse gravel. While calculating the cost, the Ministry of Environment and Urbanization used the General Price Analysis for Construction in 2019 for unit prices. Necessary measurements were made by using channel sections. For a first-class railway line, the total cost of the open channel drainage system to be built on this line section is approximately 110.740 TL according to the maximum precipitation that may occur for a 50 year recurrence period.

The second calculation was made for the open channel drainage system according to the maximum rainfall with a repeat period of 10 years, considering a third class railway line for the same line section. Since the maximum rainfall intensity of the 10 year repetition period was lower than the 50 year repetition period, the required channel sizes were calculated to be smaller. Calculations have been made with the same cost items and by using the General Price Analysis of Construction of the Ministry of Environment and Urban Planning 2019. As a result of these calculations, the approximate total cost of this drainage system is calculated as 85.350 TL.

After calculations for open channel drainage system, calculations were made for underground drainage system. As the underground drainage system, the most common model in practice, the French Drain model was used. In this model, the perforated drain pipe is placed in the drain channel and coarse-grained material is placed around the pipe for filter purposes. The design of an underground drainage system for a first-class railway line has started with the determination of the peak flow that may occur. Since this calculation was previously done for the open channel, the data was taken from there. Then the required pipe diameter was determined. While determining the required pipe diameter, a test diameter was determined and calculations were started. Since perforated corrugated pipe will be used as drainage pipe, it is decided that open channel flow rules will be valid when determining the pipe capacity according to the information I have encountered during my literature searches. When calculating the pipe capacity, open channel flow formula, which is the combination of Chezy flow equation and Manning roughness equation, is used.

The underground drainage system will be constructed in the same way as the open channel, to the top of the slope and to the line edge. The diameter of the pipe to be installed in the channel to be installed at the edge of the line shall be 200 mm in diameter according to the information obtained in literature researches. Similarly, at the point where the transition from splitting to filling is established, a discharge line was established and evacuation was provided.

After determining the required pipe diameters and lengths, cost calculation has been started. While performing the cost analysis, a market price survey was conducted for the materials not included in the 2016 Construction Unit Price Analysis list of the Ministry of Environment and Urbanization. The cost items are 3 pieces of excavation of the drainage channel, supplying the perforated pipe in place and filling the remaining part with filter material (coarse gravel). In the cost analysis, the approximate cost of underground drainage system is calculated as 345.000 TL for a first class railway line based on 50 year maximum rainfall intensity. When the same operations and calculations were made for a third class railway line, the approximate cost was found to be 296.962 TL.

As a result of the cost analysis, drainage systems designed for a 50 year repetition maximum rainfall for a first-class railway line are between 17\% and 30\% more than drainage systems designed for a third year first construction cost. It is not possible to make a concrete comparison since this increase in initial construction cost cannot be calculated precisely because of the subsequent reduction in maintenance and repair costs. This comparison is only related to the labor, materials, traffic load etc. It is possible by determining such figures. Comparing the initial construction costs of drainage types, for both class railway lines, the initial construction cost of the underground drainage system is approximately 3 times the cost of the first construction of the open channel drainage system. The advantages and disadvantages of the two systems are given in the literature review and necessary sections.