Büyük melen barajı aks yerinin mühendislik jeolojisi incelemesi
The engineering geology investigation of the axis site of big melen dam
Yazar: YASEMİN GÜNDOĞAN
Danışman: PROF. DR. REMZİ KARAGÜZEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uygulamalı Jeoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Barajlar = Dams ; Büyük Melen Nehri = Great melen River ; Enjeksiyon perdesi = Grouting curtain ; Sondaj kuyuları = Boreholes

Özet:
Bu çalışmada, Düzce ve Sakarya illeri sınırları içerisinde yapılacak olan ? Büyük İstanbul İçmesuyu II. Merhale Projesi? kapsamında, Büyük Melen Barajı aks yeri ve göl alanının mühendislik jeolojisi incelemesi yapılmıştır. Büyük Melen Barajı, İstanbul ilinin içme ve kullanma suyunu temin etmek ve elektrik üretimi amacıyla planlanmıştır. Çalışma amacına uygun olarak göl alanının 1/25000 jeoloji haritası, aks yeri ve yakın çevresinin 1/2000 ölçekli mühendislik jeolojisi haritası ve kesitleri hazırlanarak temel kayaların temel olabilme ve su tutabilme özellikleri tartışılmıştır. İnceleme alanında tabanda Permiyen-Triyas yaşlı Çakraz fornasyonu ve üzerine uyumsuz olarak gelen Üst Kretase yaşlı Yemişliçay Formasyonu yer almaktadır. Üst Kretas-Paleosen yaşlı Akveren formasyonu üzerine uyumlu olarak gelen Paleosen-Eosen yaşlı Kusuri formasyonu haritalanmıştır. Bölgede yüzeyleyen volkanik tüf ve aglomera ise Orta-Üst Eosen yaşlıdır. Pliyosen yaşlı Örencik formasyonu üzerine Kuvaterner yaşlı alüvyon yüzeylenmektedir. 115 metre yüksekliğindeki kil çekirdekli kaya dolgu baraj tipinde planlanan Büyük Melen Barajı aks yerinde temelde Kusuri formasyonuna ait kiltaşı-kumtaşı ardalanmasından oluşan fliş ile talvegde Kuvaterner yaşlı kalınlığı 35 metreye varan killi, siltli, çakıllı kum niteliğinde alüvyon bulunmaktadır.Baraj gölünün komşu havzalar ve kuzeyde Karadeniz ile hidrolik ilişkisini, olası su kaçaklarını araştırmak amacıyla jeolojik kesit hazırlanmıştır. Hazırlanan kesit ile baraj gölünün komşu havzalara su kaçma olasılığı bulunmuştur. Göl alanında maksimum su seviyesinin altında karstik kireçtaşlarından oluşan Akveren formasyonunun yüzeylediği bölgeler bulunmuştur. Özellikle Ortaköy dolayında maksimum su kotu altında yüzeyleyen Akveren ve Yemişliçay Formasyonları, karstik kireçtaşları ile su kaçakları açısından önemli olup Akveren kireçtaşlarında su kaçaklarının önlenmesi için yüzey kaplaması zorunlu görülmüştür.Baraj yerinde yapılan saha çalışmaları neticesinde süreksizlik ölçümleri mühendislik jeolojisi haritasına işlenmiş ayrıca süreksizlik aralığı ve açıklığı hakkında bilgiler verilmiştir. Buna göre sol sahilde süreksizlikler 30-60 cm aralığında olup orta derecede aralıklıdır. Sol sahilde kumtaşı biriminde 1 cm'lik süreksizlik açıklığı ölçülmüştür. Baraj yerinde 3 tane süreksizlik takımı bulunmuştur.Baraj yerine ait olan karot örneklerinden fiziksel ve mekanik özellikleri belirlemek amacıyla su emme, tek eksenli, üç eksenli ve çekme direnci deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler yapılarak porozite, basınç dayanımları hakkında yorumlamalar yapılmıştır. Bu karot örneklerinin yenilme sonrası davranışı incelendiğinde gevrek bir davranış gösterdiği görülmüştür. Basınç dayanımlarına bakıldığında ise orta-yüksek dayanımlı olarak görüldüğü belirlenmiştir. Ayrıca BSK-5 (25 m), BSK-5 (63 m) ve BSK-10 (25.8 m) derinliklerinden alınan kumtaşlarının tek eksenli ve üç ekseni basınç verileri kullanılarak mohr kırılma zarfları çizilmiş ve kohezyon, içsel sürtünme açıları bulunmuştur. BSK-5 (25 m) kumtaşını kohezyonu 7.5 MPa, içsel sürtünme açısı 60o olarak bulunmuştur. BSK-5 (63m) kumtaşının kohezyonu 6 MPa, içsel sürtünme açısı 65o olarak bulunmuştur. BSK-10 (25.8m) kumtaşının kohezyonu 11.5 MPa, içsel sürtünme açısı 69o olarak bulunmuştur.Mühendislik jeolojisi çalışmaları kapsamında baraj aks yerinde açılmış olan 7 adet sondaj kuyusunun RQD (kaya kalitesi niteliği)-Lugeon değerleri ilişkileri ve emilme katsayısı (L/m/dak)-basınç (atm) ilişkileri incelenmiştir. Litolojik birimlere göre RQD-LU ilişkileri tartışılmış, buna göre enjeksiyon uygulamalarına yönelik sonuçlar bulunmuştur. Kumtaşlarında RQD değerlerinin düşük olduğu deney kademelerinde su kayıpları çok yüksektir. Bu beklenilen duruma karşılık olarak, RQD değerlerinin yüksek olduğu kumtaşlarında düşük LU değerleri beklenmektedir. Ancak, yüksek RQD değeri olan kademelerde de yüksek su kayıplarına rastlanmaktadır. Bu durum az sayıda, geniş açıklıklı ve dolgusuz çatlaklar ile açıklanmaktadır.Kiltaşı kumtaşı ardalanmasından oluşan deney kademelerinde RQD değeri düşük ve su kayıpları görece düşüktür. İnce tabakalı kiltaşı kumtaşı ardalanmasından oluşan kesimlerde ise RQD değerleri genelde düşük ve çatlaklar kil dolgulu olduğu için su kayıpları da düşüktür.Silttaşı-kumtaşı ardalanmasında RQD değerleri düşük olup, BST deneylerinde basınç yükselmemiş ve çok büyük su kayıpları kaydedilmiştir. Bu yüksek geçirimlilik durumu, çatlak sayısının fazla ve açık olması ile açıklanmaktadır. Buna karşın ince tabakalı ardalanmalı deney kademelerinde düşük RQD değerleri ve düşük LU değerlerine de rastlanmaktadır.Kiltaşlarında düşük RQD ve düşük LU değerleri yaygın olarak görülmektedir. RQD değerinin ve LU değerinin düşük olduğu kesimlerde düşük viskoziteli süspansiyon kullanılmalıdır.Baraj aks yerinde açılmış olan 7 adet sondaj kuyusunda basınçlı su deneyleri yapılmış ve bu deneylere ait her bir derinlikteki P (atm)-Q (L/m/dak) grafikleri çizilmiştir. Bunun sonucunda genelde artan orantılı ve tıkanmaya işaret eden ilişkiler görülmüştür. Buradan deney sırasında çatlakların ince malzeme ile tıkandığı anlaşılmıştır. Bu nedenle basınçlı su deneyleri ve etkin enjeksiyon uygulamalarından önce deney ya da enjeksiyon kademesinin ince malzemelerden arıtılması için yıkanması gerektiği belirlenmiştir.Baraj aks yerinin 1/1000 ölçekli mühendislik jeolojisi kesiti hazırlanarak sıyırma kazısı ve enjeksiyon perdesinin derinliği hakkında yaklaşımda bulunulmuştur. Sağ ve sol sahilde yamaç molozlarından oluşan örtü tabakası ile temel kayanın ayrışmış kesimleri düşük taşıma gücü ve yüksek geçirimlilik değerlerinden dolayı kaldırılması gerektiği anlaşılmıştır. Sol sahilde 8-13 metrelik bir kazı gerekirken, sağ sahilde 3-5 metre derinliğinde bir kazının yeterli olduğu düşünülmüştür.Büyük Melen Barajı eksen yerinde alınacak enjeksiyon önlemleri için sınır değer >1 LU olarak belirlenmiş olup buna göre enjeksiyon perde derinliği sol sahilde en az 70 metre, sağ sahilde 75 metre olarak planlanması gerektiği önerilmiştir.BSK-3 nolu sondaj kuyusunda derinliğe bağlı olarak SPT-N30 değerlerinin grafiği çizilmiş buna göre belirlenmiş olan gevşek ve orta sıkılıktaki alüvyal zeminlerin 115 metre yüksekliğindeki bir baraj için taşıma gücünün yetersiz olduğu düşünülmüştür. Bu yüzden sadece BSK-3 sondajı yeterli olmayıp ek sondajların açılması gerektiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, axis ground of Big Melen Dam and engineering geology of lake area appertaining to this dam are analysed as a part of Büyük İstanbul İçmesuyu II. Merhale Project which is going to be realized within the borders of the provinces of Düzce and Sakarya. Big Melen Dam Project is planned to provide fresh and domestic water and generate electricity for Istanbul city. As a part of Istanbul Fresh Water Procurement Project, the axis of Melen Dam, which is fed by Büyük Melen Stream and Lahna Stream, is between Çayırüstü Hill and Dikenli Hill. Reservoir area is within the borders of the provinces of Sakarya and Düzce. Büyük Melen Stream and its basin Büyük Melen Stream Project has been run by General Directorate of State Hydraulic Works to provide long term fresh water for Istanbul. Every season of a year, rainy weather can be observed in Melen Dam Basin.Fort the purpose of this study, geological map of the lake area drawn to a scale of 1/25000 and the engineering geology map of axis ground and near surroundings drawn to a scale 1/2000 have been prepared. In addition to these maps cross sections have also been prepared and the water holding capacity and bedrock formation are being discussed. In study area, base rock is Permian-Trias aged Çakraz Formation and onto Çakraz Formation, Upper Cretaceous aged Yemişliçay Formation is observed.There is unconformity between Çakraz and Yemişliçay formations. Formations of the study area are affected by Kaledonian, Hersinian and Alpin orogenesis. Project field is within the first degree earthquake area and affected by North Anatolian Fault Zone according to Turkey Earthquake Risk Map. Düzce, Hendek and Çilimli Faults are risky active faults and they are in the study area. Lithology od Çakraz Formation consist of mainly continental sandstone and mudstone. Lower part of this formation is accompanied by conglomerates. Cross layered sandstones are observed in some levels of this formation. Upper Cretaceous-Paleocene aged Akveren formation and Paleocene-Eocene aged Kusuri Formation, which is onto and in conformity with Akveren Formation, are mapped. Kusuri Formation spreads out larger areas of Melen Basin. Kusuri Formation is comprised of generally clay, silt, sandstone and marl.Middle-Upper Eocene aged volcanic tuff and agglomerates have cropped out. Quaternary aged alluvium precipitated onto Pliocene Aged Örencik Formation. The base of Big Melen Dam axis ground consists of flysch which is formed by the alternation of clay-sandstone and belongs to Kusuri Formation. At the thalweg, the formation is consists of Quaternary aged clayey-silty-conglomerately sand alluvium which is as high as 35 meters. This dam is planned as 115 meters high, clay cored rock filled dam type.Geological cross sections are prepared to investigate hydraulic connection between both Black Sea and neighbor basins and lake of Big Melen Dam, and also to determine probable water leaks. By the help of cross sections, probabilities of water leaks to neighbor basins are determined. Within the lake area, Akveren Formation, which is consist of karstic limestones, crops out below the maximum water level. Especially around Ortaköy, Akveren and Yemişliçay Formations crop out below the maximum water level. These two formations are very important for water leaks and surface covering (or isolation) is necessary to prevent water leaks for limestones which are belongs to Akveren Formation.As a result of the field studies of the dam, discontinuity measurements were mapped and also some information was given about the discontinuity range and interval. Accordingly, discontinuities are approximately 30-60 cm and mid-grade spaced out at left coast. 1 centimeter discontinuity interval is meausured in sandstone at left coast. Discontinuity set of 3 is found at the dam site.The water absorption, uniaxial and triaxial tests have been performed on the cores obtained from the area of dam location to evaluate physical and mechanical characteristics. As a result of the tests mentioned above the needed information about porosity and compression strength have been gotten. The weight of water absorption values have been found between %0-4 on the cores obtained from the area of dam location after the water absorption tests had been made. Porozity values have been found as between %0-11. Water absorption values of cores from the area of dam location are lower which have low porozity. Water absorption rates of cores are high which have high porozity. The core samples have been acted brittle behaviour when exposed to failure. By reason of while deformation has been increasing, the load resistance has been decreased. Deformation of rock has been increased while the resistance has been decreasing to increased pressure. Failure have been at the peak tensile. After the uniaxial compression tests had been made cores of rocks had been long-lasting changes. Compression strength of the core samples have been determined as medium-high grade. Besides, using data of Mohr's rupture diagram for sandstones obtained from bores BSK-5 (25 m), BSK-5 (63 m) and BSK-10 (25.8 m) has been drawn and cohesion and angle of internal friction have been determined. The cohesion and angle of internal friction values for BSK-5 (25 m) have been determined respectively as 7.5 MPa and 60º. The cohesion and angle of internal friction values for BSK-5 (63 m) have been determined respectively as 6.0 MPa and 65º. The cohesion and angle of internal friction values for BSK-10 (25.8 m) have been determined respectively as 11.5 MPa and 69º. These sandstones in the drilling wells have elasticity modules and compressive strength. And according to there is definite relationship between compressive strength and elasticity modules. Consequently, while elasticity modules was increasing, compressive strength increased.7 boreholes were drilled at engineering geology studies of dam axis site. RQD-Lugeon values and absorption coefficient-pressure connections of 7 boreholes were analysed. RQD-LU connections of lithological units were discussed and accordingly a few conclusion were found for injection practise. Pressurized water tests have been made at these boreholes. These boreholes are YSK-1, BSK-2, BSK-3, BSK-9, ÇSK-1, BSK-5, DSK-1. These tests have been made in order to investigate the properties of soil and rocks of dam axis site. Pressurized tests have been made with 2-3 meters according to a top-down method.Pretty much water losses occur in the experiment stages if the values of sandstone RQD is obtained very low in those experiments. On the other hand, it is foreseen that the low values of LU is obtained when the high values of RQD have been observed in the sandstone. And also, much water losses occur with the high values of RQD. The less number of long span-unfilled cracks cause to this situation.RQD value and water loss is low alternation of clay and sandstone experiment stages. RQD values are generally low and water loss is also low because cracks are filled with clay at the laminated alternation of clay and sandstone level.RQD values are also low, increase in pressure has not been observed and very huge water loss was determined in alternation of silt and sandstone level. This high permeability situation is explained by quite number of crack number and wide oppening of cracks. Despite that, low RQD values and low LU values are observed in laminated experiment levels.The low values of RQD and LU are observed very commonly. If the values of RQD and LU are low, the low viscosity suspension should be used.7 pieces of borehole, which opened at the dam site pressurized water depth of each set of experiments were performed and graphs were obtained by these experiments. These graphs are P (atm) pressure-Q (L/m/min) absorption coefficient. Consequently in general, increasing proportional and a few connections that cause the obstruction of cracks were observed. During the experiment cracks were clogged with thin things. When P-Q graphs of the boreholes were analyzed less water loss were found due to reduced pressure levels according to clogging the cracs. Low RQD values and low LU values were found at some levels of boreholes. This situation explains that the crack system to be closed at the crashed zone Some rocks are firm at some levels. Consequently, when this situation happened, the pressure didn?t rise. This situation have been defined as experimental error.Stripping excavation and thickness of grout-curtain values have been estimated by using 1/1000 scale engineering geology section. On the left and right coastal, because of weak bearing capacity and high permeability values, the cover layer consisted of slope wash and the parts which have been separated from bedrock have been removed. It is determined that 8-13 m depth excavation on the left coastal and 3-5 m depth excavation on the right coastal is needed. The limit value for injection precaution is consider as >1 LU. By this information, the depth of grout-curtain was determined respectively as 70 m and 75 m on the left and right coastal.SPT-N30 values graph has been drawn for BSK-3 borehole. By this graph, it is understood that loose and medium-compact alluvial soils do not have enough bearing capacity for 115 m height dam. Because of inadequacy of BSK-3, the additional borehole are needed. First of full, additional two boreholes should be opened on condition that the values of the thickness of alluvium of BSK-3 borehole. The second alternative way is BSK-3 borehole should be canceled and according to additional two boreholes should be drilled. The third alternative way is an borehole should be drilled in additon to the BSK-3 borehole.