BARAJLAR VE HİDROELEKTRİK SANTRALLARIN DİZAYNI

Tarih boyunca insanın suya olan gereksinmesi, onu suyun biriktirilmesine zorlamış, bu nedenle önceleri günlük ihtiyaçlarını giderecek su kapları yapan insan, daha sonraları bilhassa su kaynaklarının kıt olduğu yörelerde su biriktirme yapıları yapmak zorunda kalmıştır. Bu yapılardan en önemlisi barajlardır. Sözcük olarak baraj Fransızca kökenli olup sözlüklerde su bendi, büget, engel olarak açıklanmaktadır.

Çeşitli özel amaçlarla yapılanlar olduğu gibi genel olarak suların faydasını arttırmak için vadilerin kapatılması suretiyle yapılan 15 metreden yüksek su depolayan yapay yapılara BARAJ diyoruz. Barajlar yapımı çok uzun süren (3-10 yıl) ve pahalı olan, yıkılmaları halinde çok büyük can ve mal kaybına sebep olan mühendislik eserleridir.

Yükseklikleri 15 metreye kadar olan ve barajlara göre daha basit su depolama tesislerine de GÖLET denilmektedir

BARAJLARIN FAYDALARI ve DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER

Barajların faydalarını kısaca aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

1. Tarım alanlarının zamanında ve yeterli olarak sulanmasını sağlar.
2. Hidroelektrik enerji üretir.
3. İçme, kullanma ve endüstri için gerekli suyu düzenli ve sürekli sağlar.
4. Yerleşim ve tarım alanlarını taşkınlardan korur.

Barajların yukarıda sayılan doğrudan faydaları yanında aşağıda sayılan dolaylı faydaları da vardır:

1. Su üzerinde ulaşıma olanak sağlar,
2. Su ürünleri üretimi, özellikle balıkçılığın gelişmesini sağlar,
3. Avcılığın gelişmesini sağlar,
4. Mesire yerleri sağlar,
5. Toprak erozyonunun önlenmesi veya azaltılması sureti ile toprak muhafazasını sağlar,
6. Milli güvenlik üzerinde olumlu etki yapar,
7. İklim üzerinde olumlu etkisi vardır,
8. İstihdama olumlu etkisi vardır,
9. Gelir dağılımının düzeltilmesine yardımcı olur,
10. Su kalitesinin ve kirlenmenin kontrolu sağlanabilir,
11. Su sporları yapılmasına olanak verir,

Bu sayılan yararları yanında baraj yapımında özellikle dikkat edilmesi gerekli konularında olacağı doğaldır. Bunlar:

1. Doğal dengenin bozulması,
2. Göl sahası içinde kalan tarım alanlarının ve doğal kaynakların kullanılamaması,
3. Göl sahası içinde kalan yerleşim merkezlerinin nakli,
4. Göl sahası içinde kalan yol, köprü vb. yatırımların yerine yeni yatırım yapma ihtiyacı,
5. Yer altı su seviyesinin yükseltilmesi dolayısı ile maydana gelen olumsuz etkiler,
6. Su yükünün artması dolayısı ile meydana gelebilecek tehlikeli heyelanlar ve diğer jeolojik olaylar,
7. Artan su buharlaşması dolayısı ile kullanılabilecek su miktarının azaltılması,
8. Akarsuların taşkın mevsimlerinde birlikte getirdikleri toprak gücünü artıran besleyicilerden bilhassa delta ovalarının mahrum kalması,
9. Suyun içinde taşınan maddelerin azalması nedeni ile baraj mansabında daha fazla yatak oyulması,
10. Kıyı erozyonunun artması,
11. Göl alanında kalan tarihi eserler,

gibi konular ile çok özel konular olabilir. Ancak sayılan bu hususlardan dolayı meydana gelebilecek mahzurlar baraj planlaması veya proje sırasında gözönünde bulundurulursa ortadan kaldırılabilir veya en aza indirilebilir. Örneğin Keban Barajı göl alanı içinde kalacak tarihi eserler baraj devreye girmeden önce Başka yere taşınmıştır. Balıkların yaşamının yitirip doğal dengenin bozulmaması için gerektiğinde, balıkların akarsuyun kaynağına gidip gelmelerini sağlamak amacıyla balık geçitleri yapılabilir.

BARAJI MEYDANA GETİREN TESİSLER

Barajı meydana getiren tesisleri şu ana gruplarda toplayabiliriz:

1. Gövde ve tesisleri,
2. Dolusavak tesisleri,
3. Derivasyon tesisleri,
4. Dipsavak tesisleri,
5. Enerji İletim Tesisleri(Yalnız enerji amaçlı barajlarda vardır).

A) GÖVDE VE TESİSLERİ:

1. Baraj Gövde Tipleri
1.1. Baraj Tiplerinin Sınıflandırılması

Baraj gövde tiplerinin, özelliklerinin değişik yönlerden değerlendirilmelerine göre, farklı sınıflandırmalarının yapılması mümkündür. Aşağıdaki sınıflandırma ise, bazı özel uygulamaların dışında, baraj gövdesinde kullanılan malzeme cinsine ve bundan yararlanma şekline göre yapılmıştır.

I-Dolgu Barajlar

a) Homojen gövdeli barajlar
b) Zonlu barajlar
- Toprak dolgu
- Kaya dolgu
- Karaşık zonlu dolgu
c) Memba şevi geçirimsiz kaplamalı kaya dolgu barajlar
- Asfalt memba kaplamalı
- Beton memba kaplamalı
- Metal, vs. memba kaplamalı

II- Beton Barajlar

a) Beton ağırlık barajları
- Dolu gövdeli
- Boşluklu gövdeli
- Payandalı
- Sermebeton (R.C.C.) gövdeli
b) Beton kemer barajlar
- Kemer ağırlık gövdeli
- Basit silindirik gövdeli
- İki eğrilikli gövdeli

III- Karma Tipte Barajlar

Çoğunlukla dolgu ve beton ağırlık gövde kombinasyonlarından oluşur.

I- Dolgu Barajlar

a) Homojen Gövdeli Barajlar

Homojen gövdeli baraj, geçirimsiz veya çok az geçirimli , aynı özelliklere sahip tek bir malzemeden oluşmuş, geçirimsizlik fonksiyonuna, şev korumaları hariç, bütün gövdenin katıldığı tipte bir yapıdır.

Rezervuar uzun süre dolu tutularak malzemenin doygun hale gelmesinden sonra ani boşalmalarda, şevlerin kaymaması için çok yatık tertip edilmeleri gerekir.

Bu tip barajlar mansap şevinin korunması bakımından modifiye edilerek uygulanmışlardır.

Mansapta öngörülen bir kaya topuk ve bunun gövde tarafındaki yüzünde yer alacak filtre, sızma hattını aşağı çekerek drene edecektir.

Bu tip gövde dolguları, eskiden alçak barajlarda (h < 30m) ve göletlerde çok kullanılmıştır.

Genelde bu tip gövdeler depolama barajlarında, herhangi bir sebepten zorunlu olmadıkça uygulanmamalıdır.

Uygulama alanları daha ziyare sel kapanları, geçici batardolar vs. olmaktadır.

b) Zonlu Dolgu Barajlar

Bu tipteki barajlarda çeşitli dolgu malzemesi belirli amaçlarla gövdenin değişik bölgelerine yerleştirilmişlerdir.(Şekil 3.1)
Gövdede teşkil edilecek, malzeme zonları aşağıda belirtilmiştir.

- Çekirdek Dolgusu :

Kil özelliğinde bir malzemeden oluşan bu dolgu gövdenin geçirimsizliğini sağlar. Merkezi veya memba yönünde eğik olarak düzenlenirler.

Çekirdeğin daha karmaşık geometride teşkil edildiği ve beton, palplanş vs. gibi değişik malzemeler kullanılarak geçirimsizliğin sağlandığı uygulamalar varsa da burada bunlara değinilmeyecektir.

Çekirdek şevlerinin eğimi doğal olarak çekirdeğin kalınlığına bağlıdır.

Kalınlığın tesbit edilmesinde ise kullanılan malzemenin özellikleri, yakın çevrede malzemenin yeteri kadar bulunup bulunmaması, sağlanması istenen ekonomi ve depremsellik vs. gibi faktörler rol oynar.

Merkezi çekirdek uygulanması halinde, özel bir durum söz konusu değilse şev eğimleri 1/0.5-1/0.3 (düşey/yatay) değerleri arasında düzenlenir.

- Memba ve Mansap Kabuk Dolguları:

Bunlar memba ve mansap dolguları olarak da anılırlar. Bu dolgular geçirimli ve yarı geçirimli özelliktedirler. Memba dolgusunda, rezervuarın ani boşalma durumunda çabuk derene olması için daha çok geçirimli malzeme tercih edilir. Aksi takdirde düşey ve yatay drenaj tabakaları düzenlenmelidir.

Mansap dolgusunun yarı geçirimli olması halinde, sızma hattının (freatik hat) yükselmemesi ve çekirdekte oluşacak genelge önemsiz sızıntıların tabandaki yatay drenaj tabakasına kolayça aktarılması için bir düşey drenaj tabakasının düzenlenmesi uygun olacaktır. Düşey drenaj tabakası aynı zamanda mansap dolgusunu filtrelerden geçiş zonu görevini de üstlenecektir.

- Filtre Dolguları:
Çekirdekten sızıntı ile kil malzemenin sürüklenmemesi için mansap filtreleri koruyucu görev yaparlar. Memba filtresi ise rezervuarın boşalma durumu için gereklidir.Filtrelerde dane çaplarına göre tedrici bir geçiş sağlamak için ince filtre (kum) ve bunun mansabında kalın filte

(kum ve çakıl) kullanılır. Filtre kalınlıklarını rezervuar su busanıcı tayin eder, fakat ekseriyetle 3 veya 4 m kalınlık 30 m den yüksek barajlar için yeterlidir.

Düşey filtre tabakaları yukarıdan aşağıyadoğru artan kalınlıkda da düzenlenebilir.

- Riprap (Taş İmla):

Gövdenin memba şevinde dolgunun su dalgaları etkisi ile yıkanmasının önlenmesi amacıyla konulan bir örtü tabakasıdır. Dalga yüksekliğine göre kayaların çapı ve tabakanın kalınlığı tayin edilirse de genelde 0,5-1.0 m çapında kayaları 1.0 m tabaka kalınlığında düzenlemek yeterli emniyeti sağlayacaktır.
Memba dolgusunda kaya kullanılmayıp, kum ve çakıl gibi daha ince malzeme söz konusu ise, memba dolgusunun dalga etkisi ile riprap kayalarının arasından dışarı sürüklenmesini önlemek içir riprap'in altında 30-50 cm kalınlığında çok iri çakıllardan oluşan bir geçiş tabakası sermek gerekir.

Ekonomik nedenler ile riprap tabakası rezervuardaki minimum su seviyesinin bir miktar altına kadar devam ettirilmelidir.

- Mansap Şevi Koruma Örtüsü:

Toprak mansap dolgusu kullanılması halinde, mansap şevi yağmur sularının erezyonuna maruz kalacaktır. Bunu önlemek amacı ile mansap şevinin üzerinde 0.5-1.00 m kalınlığında bir kaya örtü tabakası gerekir.

İklimin uygun olması durumunda bir çimen veya çalı bitki örtüsü de bu fonksiyonu yerine getirebilir.

Yukarıdaki örneklerde kullanılan dizayn anlatım kolaylığı için zonların düzenlenmesi yönünden simetrik olarak düşünülmüştür. Şüphesiz zonların tertibi, gereksinimlerine göre (malzemenin cinsi, topoğrafya, yerel stabilite vs.) daha karmaşık bir şekilde oluşturulabilir.

Önemli olan husus ise, sızma hattı yönünde daima filtre kriterini geçerli kılmaktır.

İnce bir malzeme dolgusundan sonra birdenbire kalın, boşluklu bir malzemeden oluşan dolguya geçirilmesi halinde, ince malzeme sızma ile diğerinin içersine sürüklenecektir.

Toprak Dolgu Gövdeler :

Toprak dolgu gövdeli barajlarda kabuk zonları toprak, kum, çakıl (nehir alüvyonu, teras depozitleri) ve benzeri nisbeten ince daneli malzemelerden oluşturulmuştur.(Şekil 3.2)

Toprak dolgu gövdeler merkezi çekirdekli veya eğik çekirdekli olabilir. Kil çekirdeğin memba ve mansap yüzlerinde kabuk dolgularının belirlediği tipte filtreler öngörülür. Çekirdeğin her iki tarafında çekirdeği destekleyen kabuk dolguları yer almıştır. Eğer merkezi kil çekirdek ince olarak projelendirilmiş ise, mansap şevi biraz daha az eğimli düzenlenebilir.

-Drenler :

Memba kabuk dolgusu yarı geçirimli oldugu zaman, rezervuarın ani seviye düşüşlerine karşı yatay drenler tertip etmek gerekebilir.

Mansap kabuk dolgusu yarı geçirimli ise, kaba filtrenin mansabında bir düşey dren yer almalıdır. Mansap kabuk dolgusu altında teşkil edilecek yatay dren zeminden ve filtrelerden sızacak suları mansaba geçirecektir. Bu yatay deren yamaçlarda da öngörülmelidir.

Kabuk dolguları altında bulunan alüvyon, benzer nitelikte malzeme olduğu için genellikle kaldırılmaz, Yamaçlarda, yamaç molozu sağlam kayaya kadar sıyırılır. Yine yamaçlarda bulunan teras depozitleri (kum ve çakıl) altında uygun olmayan (yamaç molozu, diğer gevşek zemin tipleri vs.) formasyonlar yoksa yine olduğu gibi bırakılır. Bunların yüzeyi dolgu yapılmadan öncel düzeltilerek sıkıştırılmalıdır.

Kaya Dolgu Gövdeler :

Kaya dolgu tipi gövdelerde, kabuk zonları kaya malzemeden oluşturulmuştur. Bu malzeme taş ocağından veya yapı ile ilgili kazılardan elde edilir. Kaya dolgu barajlarda zonların düzenlenmesi toprak dolgu tipine benzer şekilde yapılır.(Şekil3.3)

Eğer doğal nehir alüvyonu derinliği fazla ve iri bloklar içeriyor ise, kaldırılmayabilir. Fakat ince bir tabaka ise maliyeti fazla etkilemeyeceği için kaldırılmalıdır. Alüvyonun fiziksel özelliklerinin, kabuk kaya malzemesinin özelliklerinden daha kötü olması halinde taban kayasına kadar kaldırılmalıdır.

Çekirdeğin mansabında yer alan ince ve kalın filtrelerden sonra, filtrelerin mansap kabuğu kaya dolgusu içerisine geçmemesi için bir geçiş tabakası tertip edilir. Bu zon iri çakıl veya kaya kırığından oluşturulur. Eğer mansap kabuk dolgusu altında nehir alüvyonu bırakılmış ise, nehir alüvyonunun sızıntı suları vasıtası ile kaya dolgu içerisine girmemesi için bu tabaka yatay bir geçiş tabakası-filtre olarak mansap topuğuna kadar devam ettirilir. Alüvyon taban kayasına kadar kaldırılmış ise geçiş tabakası gerekmez.

Mansap kabuk dolgusu kaya malzemeden olduğu için şev kaplamasına gerek yoktur.

Memba kabuk dolgusu ile memba filtresi arasında yine bir geçiş tabakası öngörülür. Bu geçiş tabakasının görevi, ani boşalmalarda filtrenin kaya dolgu içersine sürüklenmesini önlemektir.

Eğer memba kabuk dolgusunda, iri kaya parçaları memba şevinde istif edilmiş ise, riprap düzenlemesi zorunluğu kalkar.

Tipik bir kaya dolgu barajın genel yerleşim planı ve kesitleri EK III-1 ve III-2'de gösterilmiştir.

Karışık Dolgu Gövdeler :

Genellikle, baraj tesislerinde çeşitli yapıların kazılarından elde edilen uygun malzemelerin ekonomik nedenlerle gövde dolgusunda kullanılma durumu vardır. Bundan dolayı karışık malzeme zonlarından oluşan gövde tiplerinin uygulama alanı geniştir. Kazılardan kazanılan malzemeler, inşaat proğramına uygun olarak ya bir sahada depolanıp (röpriz), uygun zamanlarda gövdeye serilirler, yahut doğrudan doğruya gövde dolgusuna taşınırlar. Ocaktan taşınacak malzemelerle birlikte düşünülerek, kazılardan çıkacak malzemelerin gövdenin hangi zonlarında kullanılacağı ve miktarı ekseriyetle şematik bir program üzerinde önceden etüt edilirler (Malzeme akış diyağramı). Bu kazı malzemeleri nisbeten az miktarda baraj temeli, tüneller, santral binası vs. gibi yerlerden alınmakla beraber, ekseriyetle dolusavak kazılarından geniş çapta elde edilirler.(Şekil 3.4)
Bu tip gövdeler için tipik bir zon düzenlemesi verilemez. Mevcut malzemelerin (ocaktan ve kazılardan) etüdü ile teknik ve ekonomik yönden en uygun bir dizayn seçilir. İnşaat süresinde karşılaşılan yeni şartlara göre, bazen zonlarda revizyonlar uygulanır.

Memba kabuğunda minimum su seviyesi üstünde mümkün mertebe geçirimli malzeme kullanılmalıdır.

Gövde kabuk bölgelerinde düşük kalitede ve az geçirimli olan malzeme, sandviç teşkil edecek şekilde iç kısımlara konulmalıdır.

c) Memba Şevi Kaplamalı Barajlar

Bu tipteki barajlar geçirimsiz dolgu malzemesinin ekonomik bir uzaklıkta mevcut olmaması veya mevcut olup da doğanın korunması nedenleri ile kullanılmak istenmemesi hallerinde söz konusu olur (Değerli tarım arazilerinin ve bitki örtüsünün tahrip edilmemesi vs.)

Bu barajlar iyi istiflenmiş ve sıkıştırılmış kaya dolgu gövdenin memba şevi üzerine, geçirimsiz bir malzemenin kaplanması ile oluşturulurlar.

Memba membranı asfalt, beton, çelik plastik levha, hatta ahşap herhangi bir geçirimsiz malzeme olabilir. Fakat genellikle beton veya asfalt malzeme kullanılır. Geçirimsiz örtünün gövdenin oturmasından dolayı hasar görmemesi için dolgu ve temeldeki çökmeler çok iyi etüd edilerek hesaplanmalıdır.

Ayrıca gövde stabilite analizlerinin de geçirimsiz örtüsü gözönüne alınmadan, normal kaya dolgu baraj gövdesinde olduğu gibi yapılması gerekir.

Bugün iyi gelişmiş kaya sıkıştırma tekniğinin ve ekipmanlarının sayesinde ve kil çekirdeğin mevcut olmamasından dolayı, bu tip barajlarda şevler oldukça dik yapılabilmekte, 1.0 düşey 1.3 yatay olacak şekilde bir eğim ile düzenlenebilmektedir. Bu durum şüphesiz kullanılan dolgu malzemesinin özelliklerine ve uygulanan sıkıştırma tekniğine bağlıdır.

Zonlar tertip edilirken çok karmaşık dizaynlara başvurulmaması önerilmektedir. Zira farklı karakterdeki zonların bir aradaki davranışları önceden tahmin edilmiyebilir.

Genelde aşağıda gösterilen temel dizayn kullanılmaktadır.

Kaya dolgu malzemesi 50-60 cm kalınlığında tabakalar halinde basınçlı su verilerek titreşimli silindirler ile yatay olarak sıkıştırılır. Geçirimsiz örtü altındaki özel zonlar ise 30 cm gibi daha ince tabakalar halinde yatay ve çok defa ilave olarak şev düzlemi üzerinden de sıkıştırılır. (Silindirler yukarıdaki bir vince bağlanarak)

Memba kaplamalarında önemli olan husus, kaplamanın rezervuar basıncına ciddi bir sızmaya neden olmadan direnç gösterebilmesi ve aynı zamanda da zati yük ve su basıncından kaynaklanan oturmalarına dolgunun intibak edebilmesidir.

Memba Şevi Beton Kaplamalı Barajlar :

Memba geçirimsiz örtüsü, muayyen bir genişlikte ve kalınlıkta şev üzerinde enine istikamette uzanan, beton plaklar ile oluşturulmuştur.

Beton döşeme dökülmeden dolgu şev yüzeyi tekrar elden geçirilerek düzeltilir ve kumlu bitüm ile ince bir tabaka ile kaplanır.

Bunun yerine püstürtme beton da kullanılabilir. Bu uygulama daha pahalı olmasına rağmen, daha hızlı olarak sürdürülebilir. Ayrıca uygulama esnasında darbelere ve yağmurun tahribine karşı hassas olmama gibi avantajı vardır.

Geçirimsiz memba kaplaması uygulamalarında bilinmelidir ki, kaplama taşıyıcı bir unsur değildir.

Kaplama su basıncı altında kırılmamalı ve geçirimsizliği tam manası ile sağlayabilmelidir. Bu da ilk anda, beton kalınlığı ne olmalıdır ve hangi amaçla ve ne miktarda teçhiz edilmelidir sorusunu ortaya çıkarmaktadır.

Beton kaplama gövde dolgusunun deformasyonuna uyum gösterecek esneklikte olmalıdır ve hiçbir bölgesinde gerilme birikimi olmamalıdır.

İyi sıkıştırılmayan bölgelerde dolgunun çökmelerinden dolayı kaplama yerel olarak taşıyıcı olarak çalışır ve çatlaklar ortaya çıkabilir.

Beton kaplama kalınlığının saptanması için çeşitli ülkelerde değişik formüller kullanılmıştır.

Avustralya

t= kaplama kalınlığı (m)
h= su yükü (m)
t= 0.3+0.002 h

Güney Amerika
T= 0.3+0.005 h

Romanya
T= 0.3+0.004 h

Kalınlık tayin edilirken göz önünde bulundurulması gereken en önemli hususlar tabii ki betonun geçirimsizliği ve dış tesirlere dayanıklılığı olacaktır.

Kaplama kalınlığını baraj kretinden beton yastığa kadar artırarak projelendirmek de mümkündür.

Beton kaplamada kullanılacak betonarme demiri, beton kesitinin %0.5 ile %0.8'i kadar olmalıdır.

Demir teçhizatın asıl amacı, oluşacak olası çatlakları, kılcal çatlaklar şeklinde yüzeye yayması ve termal-rötre gerilmelerini almasıdır.

Betonarme demirleri her iki yönde düzenlenir ve derzlerde kesilmez. Genellikle demir, plakların ortasında yer alır. 40-50 cm kalınlıktaki plaklarda ise daha ziyade yüzeye yakın yerleştirilmesi termal gerilimleri alması bakımından uygun olacaktır.

Memba beton kaplamalı barajlar sağlam temel kayası üzerine veya nehir taban alüvyonunun kalın olması halinde ise tesviye ve sıkıştırma işlemlerinden sonra alüvyon üzerine oturtulurlar.(Şekil 5)

Beton yastık perde ve konsolidasyonlarının yapılmasında başlık betonu olarak görev yapar. Perimetrik olarak memba şev eteğinde yer alır.

Beton kaplamanın son bulduğu bu beton blok altındaki temel kayasına ankraj demirleri ile bağlanır.(Şekil 6)

Beton yastığın altındaki geçirimsizlik perdesinin, rezervuar dolduktan sonra ilave enjeksiyonlar ile takviye edilmesi ihtimali olan durumlarda burada ayrıca bir enjeksiyon galerisi de öngörülebilir.

Memba Şevi Asfalt Kaplamalı Barajlar :

Memba şevi asfalt kaplamalı dolgu barajlar prensip bakımından beton kaplamalı gövdelere benzer, fakat asfalt kaplamaları esnekliklerinden dolayı kırılmalara karşı betondan daha fazla tahammül gösterir.

Bu tipteki baraj gövdelerinin kaplamalarından beklenen özellikler aşağıda sayılmıştır.

- Seçilen şev eğiminde stabilitesinin yeterli olması
- Dayanıklılığı
- Geçirimsizliği
- Su basıncına, dalga tesirine dayanıklı olması
- Hisrostatik alt basınca mukavemet gösterebilmesi
- Kaplama arkasındaki dolgunun rahatça drene olabilme kabiliyetinin olması
- Dolgunun yerel deformasyonlarına karşı, dayanım ve elastikiyeti ile uyum gösterebilmesi

Son yıllarda, yükseklikleri 100 metreyi aşan memba şevi asfalt kaplamalı barajlar inşa edilmiştir.

Bu barajların memba şev eğimleri gövdede kullanılan dolgu malzemesinin özelliklerine göre 1/1 ile 1/2.5 değerleri arasında seçilmiştir.

Memba şev kaplamalarında ise değişik uygulamalar yapılmıştır.

Genel olarak üzeri bitum ile kaplanmış gözenekli bir asfalt tabaka veya birden fazla asfalt tabakadan oluşmuş bir kaplama sistemi olarak dizayn edilebilirler.(Şekil 7 )

Yaklaşık olarak 42 m yüksekliğindeki asfalt kaplamalı gövdenin derin nehir alüvyonu üzerine oturacağı düşünülmüştür.

II. Beton Barajlar :

Beton baraj gövdeleri, küçük ve zemine fazla basınç vermeyen regülatör tipi tesislerin dışında, gevşek zemin ve ayrışmış kaya kazılıp alındıktan sonra daima yeterli taşıma gücüne sahip sağlam kaya zemin üzerinde inşa edilirler. Beton barajların en önemli avantajı, dolusavak, enerji sualma, dipsavak vs. gibi diğer yapıların gövde üzerinde yer alabilmesidir.

Aks yerindeki mevcut şartlara göre beton ağırlık veya beton kemer tipinde bir gövde seçilebilir.

Beton baraj gövde tipinin seçilebilmesi için en önemli faktörlerden biri de ekonomik bulunmuş olmasıdır.

a) Beton Ağırlık Baraj Gövdeleri :

Beton ağırlık baraj gövdeleri, başta baraj gölünden kaynaklanan su yükünü ve diğer çeşitli ikincil yükleri kendi ağırlığı ile karşılayarak temele aktaran yapılardır. İstinat duvarı gibi çalışan bu yapılar dolu gövdeli veya boşluklu bloklardan veya araları kapatılmış payandalardan oluşur.

Dolu Gövdeli Ağırlık Barajları:

Bu tipteki barajlar gövdenin büyüklüğüne uygun olarak boyutlandırılmış 10 ile 20 metre genişliğinde trapez kesitli beton blokların yanyana getirilmesi sureti ile projelendirilirler.

Gövde genel olarak doğrulsal bir aks üzerine oturur, fakat estetik yönden veya özel bir amaçla aksa kemer formu da verilebilir.

Kemer şeklindeki tasarımlarda, vadi yamaçlarına kemerlenmeden dolayı yük aktarılmadığı varsayılır.

Blok genişlikleri 20 metreyi geçmemelidir, zira bu genişlik aşıldığı takdirde termal çatlakların ortaya çıkması mümkündür.

Geniş olarak boyutlandırılan bloklarda, beton ısısının kontrolu zorlaşarak ekonomik olmayan bir durum ortaya çıkar.

Derzleri oluşturan blok yüzlerinden birisi diğerinin yer yer içine geçecek şekilde, dişli olarak şekillendirilirse de son yıllarda bu uygulamadan vazgeçilme eğilimi vardır.

Blok derzleri su tutucu lastik veya PVC bantlar ile membada ve mansapta kapatılmıştır.

Derzler, beton ısısı ve rötre büzülmeleri normal duruma gelince, çimento veya kimyasal maddeler enjekte edilmek sureti ile doldurulur.
Gövde yüzleri bazı amaçlarla değişken eğimli olarak da düzenlenebilir. (Şekil III-8)

Payandalı ve Boşluklu Beton Gövdeler :

Bu tip gövdeler, beton ağırlık barajlarının özel şekli olup, hemen hemen aynı statik prensiplere göre çalışır. Yan yana sıralanmış payandaların memba yüzleri genişletilmek sureti ile veya araları plak, kemer vs. gibi elemanlarla kapatılarak süreklilik sağlanmıştır.(Şekil -9).

Dolu gövdeli ağırlık baraj gövdelerine kıyasla daha geniş vadilerde ekonomik olabilrlerse de yükseklikleri sınırlıdır. Genellikle 150 m ye kadar olan yüksekliklerde uygulanmışlardar. Beton malzeme kullanımı az, fakat kalıp ve işçilik maliyeti fazladır.

Memba yüzleri eğimli olarak projelendirilirler.

Derivasyon geçişlerinin payanda aralarında bırakılan geçici orifislerden yapılabilme avantajları vardır.

Boşluklu ağırlık barajı deyimi, payandaların arasındaki aralık tamamen kapalı olduğu takdirde kullanılır.

Serme Beton Barajlar :

Serme beton barajlar (RCCD-Roller Compacted Concrete Dams) oldukça düşük oranda karışım suyu ve çimento içeren özel bir beton türünün, tabakalar halinde yerine serilerek sıkıştırılması sureti ile inşa edilen yapılardır.

Bu tip barajlarda gövde maliyeti ve inşa süresi 2/3 oranında azaltılabilir.

Gövdenin memba ve mansap yüzleri kalıp yerine kullanılan prefabrik beton paneller ile kapatıldıktan sonra arası tabakalar halinde serme beton ile doldurulur. Paneller, serme beton içersine çelik çubuklar ile ankre edilir.

Eğimin 1 düşey 0.8 yataydan daha dik istenmediği durumlarda yerinde dökülen kabuk betonları yardımı ile kalıp kullanılmadan da mansap yüzü oluşturulabilir.

İhtiyaca göre, gövdenin bazı bölümleri dolusavak, sualma yapılarının bazı bölgelerinde normal beton kullanılabilir.

Serme betonun nihai mukavemeti en az normal beton düzeyinde olmasına rağmen maliyeti çok düşüktür.

b) Beton Kemer Baraj Gövdeleri :

Kemer barajlar, memba yönünde verilmiş kemer formundan yararlanarak üzerine gelen yükleri, kemer etkisi ile büyük ölçüde yamaçlara aktaran yapılardır. Her ne kadar gövde münferit bloklar halinde inşa edilirse de, aradaki derzlerin enjeksiyonla doldurulmasından sonra monolitik olarak çalışır.(EK III-3)

Genel bir sınıflandırma yapılır ise, kemer barajlar aşağıda belirtilen üç tipte projelendirilirler.

- Kemer ağırlık gövdeler
- Silindirik gövdeler
- İki eğrilikli gövdeler

Kemer ağırlık barajları enkesit yönünden ağırlık barajlarına benzer fakat baraj aksı eğrisel olup, mansap yüzü daha dik eğimlidir.

Diğer tipteki kemer barajlara göre, kendi ağırlıkları ile üzerine gelen yüklerin temele aktarılması daha önemli rol oynar.

Silindirik barajların eksen yarı çapları sabittir. Gövde kalınlığı temelden yukarı doğru azalar.

İki eğrilikli kemer gövdelere ise yatay ve düşey eğrilik verilmiştir. Tabii ki bu sınıflandırmanın altında sabit merkez açılı değişken merkez açılı, sabit yarıçaplı, değişken yarıçaplı, sabit merkezli, değişken merkezli gibi ikinci derecede geometrik özellikler sayılabilir.

Baraj Gövdelerinin Yerleştirilmesinde Göz Önünde Bulundurulması Gereken Önemli Jeolojik Oluşumlar Aşağıda Belirtilmiştir.

a) Baraj aksı membaından mansaba irtibatlı, bertaraf edilmesi zor olan bir yeraltı su yolu bulunmalıdır.

b) Gövde, enjeksiyon perdesi veya diğer metodlarla ıslah edilmesi zor ve masraflı olabilecek geçirimli bir formasyon üzerine zorunlu olmadıkça oturtulmamalıdır.

c) Gerek dolgu, gerekse beton barajların temeli civarında aktif faylar mevcut olmamalıdır.

Küçük aktif olmayan faylar ve çatlaklar dolgu barajlarda önemli olmayabilir, fakat beton ve bilhassa beton kemer barajlarda bunlar zayıf zonlar oluşturdukları için genellikle arzu edilmezler.

Gökçekaya iki eğrilikli kemer barajı buna rağmen sağ ve sol yamaçta oldukça önemli fay sistemleri üzerinde inşaa edilmiş, fakat bu fayların dolgularının önemli miktarda boşaltıp yerine beton doldurulması hem zaman almış, hemde çok masraflı olmuştur.

d) Barajın oturacağı yerde veya civarında gövdeye zarar verebilecek, kaldırılması veya ıslah edilmesi ekonomik görülmeyen, önemli heyelanlı sahalar olmamalıdır.

e) Aks boyunca alınmış jeolojik kesit kazı sınırını belirleyecektir. Jeolojik kesidi mevcut olmayan, sadece topoğrafik duruma göre seçilmiş bir aks yerinde, baraj temeli için uygun olmayan, kazılarak alınması gerekli zemin kitlelerine rastlanabilir.

B) DOLUSAVAK TESİSLER :

I- Giriş :

Dolusavak deyimi ile, su yapılarında, suyu menbadan mansaba geçiren yapımlar anlatılmaktadır. Bunlar barajların birer parçası olabildiği gibi bağlamaların da gövdelerinin şekillendirilmesinde kullanılmıştır. Bu kadar yaygın olmalarına rağmen rasyonel etüdleri ancak son senelerde yapılabilmiştir.

Dolusavakların incelenmesi çok yönlüdür. İlk çözümlenmesi gerekli problem asal su yapısındaki konumlarıdır. Bundan sonra hidrolik hesapları ve ve nihayet statik hesapları gelir. Savağı teşkil etmesi için kullanılması gerekli malzemenin seçimi de ayrı bir problem oluşturur. Sonuçta varılacak çözüm, mevcut çözümler arasındaki, gerek malzeme gerekse hidrolik bakımdan en elverişlisi olmalıdır. Yanı yapım, en az parayı sarfederek proje debisini emniyetle geçirebilen tesis tarifine uygun bulunmalıdır.

2-Değişik Dolusavak Tipleri :

2.1. Serbest Akışlı Dolulusavaklar :

2.1.1 - Geometrik sınıflandırma
1- Doğrusal eşikler
2- Özel şekilli eşikler

2.1.2- Profile göre sınıflandırma

1- Creager profilli savaklar
2- 2. nci dereceden parasol profilli savaklar
3- 3. ncü dereceden parabol profilli savaklar
4- Karışık profilli savaklar
5- Basık profilli savaklar
6- Serbest düşüler, kalın eşikli savaklar

2.1.3- Yan savaklar
2.1.4- Kuyulu savaklar
2.1.5- Sifonlu savaklar
2.1.6- Menfezler savaklar
2.1.7- Tehlike savakları

2.2. Kapaklı dolusavaklar :

2.2.1- Kirişli kapamalar
2.2.2- Yassı kapaklı savaklar
2.2.3- Eğrisel kapaklı dolusavaklar

3. Dolusavakları Meydana Getiren Elemanlar :

Dolusavakları meydana getiren elemanların sayısı dörttür.

1. yaklaşım kanalı,
2. kabartma gövdesi,
3. mansap kanalı ve
4. suyu yatağa veren tesisler.

3.1. Yaklaşım kanalı :

Suyu savak yapısına iletmek için kullanılır. Bazı yapımlarda dolusavak baraj gövdesi üzerindedir ve su ile doğrudan doğruya temastadır. Dolayısıyle yaklaşım kanalına ihtiyaç kalmaz. Yaklaşım kanalının projelendirilmesinde dikkat edilmesi gerekli hususlar şunlardır:

Baraj gölünden kanala giriş :

Giriş ağzının tertibinin önemini iki noktada vurgulamak gereklidir.

1. Yük kayıplarının azaltılması ve
2. Kanal içinde düzenli bir akımın elde edilmesi.

Yaklaşım kanalı güzergahı:

Kanal güzergahı barajın konumu ile yakından ilgilidir

Yaklaşım kanalındaki akımın max. hızı:

Kanal içinde yük kayıplarını ve oyulmaları önlemek için 4.5-5.0 m/sn olmalıdır.

3.2. Kabartma gövdesi :

Su alma yapısının anahtar mevkiinde bulunur. Kabartma gövdesi değişik organlardan kuruludur. Bunlar aşağıda sırasiyle tarif edilecektir.

a. Yan duvarlar :

Savak bir yaklaşım kanalı içine oturtulmuş ise kanal ile savak arasındaki geçişi sağlamak için tertip edilir. Bu duvarlar doğrusal olabileceği gibi eğrisel de inşa olunabilir.

b. Kenar ayaklar :

Savak bir yaklaşım kanalının içine oturtulmamış ise bu takdirde yan duvarların yerini kenar ayaklar alır.

c. Dolusavak gövdesi :

Suya hız vererek mansaba aktaran yapıdır. Yaklaşım kanalı içine yerleştirilebileceği ğibi
baraj gövdesi içinede oturtulabilir.

d. Orta ayaklar :

Kapaklı dolusavaklar da kapakların yuvalandıkları tesislerdir. Kuvvetler bunlar yardımıyle temellere aktarılır. Orta ayakların açıklıkları ve geometrik şekilleri kapak geometrisine ve akımın hidrolik özelliklerine bağlıdır.

d. Servis köprüsü :

Orta ayaklar üzerine oturtulan bir tabliyeden ibarettir. Burada kaldırma tesisatı bulunur. Bazı hallerde servis köprüsünün yanında bir de yol köprüsü bulunur.

e. Dolusavak kapakları :

Bu kapaklar dolusavağın asal bir elemanıdır. Kaldırma tertibatının el ile hareket edeni olduğu gibi elektrik kumandalı veya otomatik olanları da vardır. Dolusavaklarda kullanılanlar daha ziyade radyal kapaklar, vagon veya kaydırmalı yassı kapaklardır. Bağlamalarda daha çeşitli kapaklara gidilmiş ve bunlar uygulama alanı da bulmuştur.

3.3. Dolusavak mansap kanalı :

Savak yardımıyle mansaba geçirilen su, ya doğrudan doğruya akarsu yatağına iade edilir veya bir kanal aracılığı ile daha uzaklara götürülür. Dolusavağın baraj gövdesi üzerinde olması halinde birinci çözüm kullanılır. Toprak veya kaya dolgu barajlarda ikinci çözüme gidilmektedir.

3.4. Suyu akarsu yatağına veren yapılar :

Bunlar ikiye ayrılabilir :

1. Suyu akarsu düzeyine indiren yapılar ve
2. Suyu sıçratan yapılar

Suyu akarsu düzeyine indiren yapılar bilindiği gibi düşü havuzlarıdır. Bunlar da çeşitlidir. Bir kısmı düz eşikli bir kısmı ise dişli yapılmaktadır.

Suyu akarsu düzeyine sıçratarak indiren yapılar genellikle sıçratma uçları ismi altında tanımlanır. Bunlar basit sıçratma uçları, yansıtıcılar ve su napını buran ve yayan sıçratma uçları olarak üçe ayrılabilir.

C) DERİVASYON TESİSLERİ:

Derivasyon, baraj inşaat alanının kuru tutulabilmesi için akarsu güzergahının geçici olarak değiştirilmesidir. Genellikle batardolar ve derivasyon tünelinden ibaret yapılardır.

Batardolar baraj gövdesinin küçültülmüşü gibidir. Memba batardosu suyun baraj inşaatına girmesini önlediği gibi derivasyon tünelinden çıkan suyun inşaat alanına girmesini önler.

Derivasyon tüneli, suyu dağın içinde ileten çoğunlukla dairesel bazen de atnalı kesitinde yapıdır. Bu yapı açıkta yapılırsa kondüvi denir. Derivasyon aşamaları (EK III-4)'de gösterilmiştir.

D) DİPSAVAK TESİSLERİ:

Barajlarda depolanan suyu mansaba vanalar vasıtasıyla, kontrollu olarak veren tesistir.

Genellikle dipsavak aşağıdaki yapılardan meydana gelir.

1. Su alma yapısı - Baraj gölünden, tek veya değişik seviyelerden su alabilen yapıdır.
2. Memba tüneli (Kondüvisi) - Su alma yapısı vasıtasıyla alınan suyu ileten yapıdır.
3. Tehlike vanası ve tıkacı - Cebri boru veya ayar vanasında tamirat gerektiğinde suyu kesen vanadır.
4. Cebri boru - Tehlike vanası ile ayar vanası arasında suyu ileten çelik borudur.
5. Ayar vanası ve ayar vana odası - İstenilen su miktarına göre ayar yapan vanadır.
6. Enerji kırıcı tesis - Suyun enerjisini alarak döküldüğü yere ve çevresine zarar vermesini önleyen yapıdır.

E)ENERJİ İLETİM TESİSLERİ:

I- Su Alma Yapısı (Intake) :

1. Tanımı :

Bir hidroelektrik tesiste, enerji amacı için kullanılacak suyun kaynağından alınarak iletim (isale) kanalı, konduvi, kuvvet tüneli veya cebri boruya geçişini sağlayan yapıya "su alma yapısı" denir.

Su alma yapıları, su alınacak yerin nehir, dere, sulama kanalı veya rezervuar (baraj) olacağına göre değişik özellikler gösterir. Bununla beraber su alma yapılarının fonksiyonları bakımından müşterek özellikleri vardır. Bu özellikler genellikle şunlardır

a) Bir su alma yapısı, bağlandığı iletim yapısına (iletim kanalı, kuvvet tüneli, kondüvi veya cebri boru) gerekli suyu kontrollu olarak (istenilen ayarda) verebilmelidir.

b) İstenilen suyu sedimentten (silt, kum, çakıl gibi) ve yüzer haldeki türbine kadar gidebilecek zararlı maddelerden (tomruk, kütük, buz v.b.) arıtarak verebilmelidir.

c) En az düşü kaybı ile çalışacak şekilde ve ekonomik olarak projelendirilmiş olmalı ve belirtilen ömrü süresince işlevlerini yerine getirebilmelidir.

2. Tipleri :

Barajlı santralların su alma yapıları şu tiplerde olabilir :

a) Kule Tipi Su Alma Yapısı :

Su alma yapısı, rezervuar kenarından epeyce içerlerde yapılmak zorunda ise kule tipi seçilebilir. Ancak, kuleye ulaşım bir köprü vasıtası ile olacaksa köprü maliyeti çok iyi hesaplanmalıdır. Aksi halde çok pahalı bir su alma yapısı olabilir, bu takdirde diğer tiplerden birini seçmek daha iyi olur.

b) 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 bu sisteme gidilebilir. Bununla beraber, arıza halinde rezervuar su seviyesini su alma yapısı alt kotuna indirecek bir dipsavak sistemi yoksa kesinlikle bu tip kullanılmamalıdır. Hasan Uğurlu HES su alma yapısı bu tipte yapılmış ve buna bakarak bir iki proje daha bu tipe çevrilmiştir. Fakat, su alma yapısı ile şaft arasındaki tünelde bir arıza çözülmesi son derece güç ve pahalı sorunlar getirebilir.

c) Kaya Yamaca Dayalı, Düşey veya Eğik Kapaklı Su Alma Yapısı :

Yeri iyi seçilmek şartı ile en iyi ve ençok kullanılabilecek tip budur. İlk yatırım biraz fazla olursa da (bazı hallerde) hiçbir sorun getirmeyecek bir tiptir. Bu tip tercih edilmelidir.

d) Vana odalı batık su alma yapısı

e) Dipten alışlı (düşey şaft) tipi su alma yapısı. Orta düşülü santrallarda kullanılabilecek bir tiptir.

f) Beton baraj içine yapılan su alma yapısı.

2. Tüneller :

2.1- Tünellerin Sınıflandırılması :

Tüneller, iç basınç ihtiva edip etmediklerine göre basınçlı ve basınçsız tüneller diye ikiye ayrılır.

a) Basınçsız Tüneller : Demiryolu ve karayolu tünelleri, servis tünelleri, metrolar, maden ocağı tünelleri iç basınç ihtiva etmezler. Kanal vazifesi gören tünellerde bu gruba dahildir. Burada iç basınçsız tüneller üzerinde durulmayacaktır.

b) Basınçlı Tüneller : Enerji maksatlı tüneller bu gruba girer. Burada bu tip tüneller anlatılacaktır. Tünel projesi iç içe iki daire çizip birde boy kesit göstermekten ibaret değildir. İyi bir tünel projesi hazırlayabilmek için tünel açma tekniğini, tünel içinde çalışacak makinaların özelliğini, tünelin içinden geçeceği jeolojik formasyonları, iksa ve kalıp sistemlerini ve en son olarak tünelde oluşacak yükleri ve tünel kaplamasının bu yükler altındaki davranışını ve nihayet yapılacak olan projenin bütün fonksiyonlarını çok iyi bilmek lazımdır.

Basınçlı tüneller 3 gruba ayrılabilir :

a) Alçak basınçlı tüneller : H <5 m
b) Orta basınçlı tüneller : 5< H <100 m
c) Yüksek basınçlı tüneller : H >100 m

H = Tünelde iç basıncı oluşturan su yüksekliği

Tüneller, kaplamalı veya kaplamasız olabilir. Tünelde kaplamanın fonksiyonu yük taşımaz, sızdırmazlığı sağlamak ve düzgün bir yüzey sağlayarak sürtünme kayıplarını azaltmaktır.

Tüneller, kaplamalı veya kaplamasız olabilir. Tünelde kaplamanın fonksiyonu yük taşımak, sızdırmazlığı sağlamak ve düzgün bir yüzey sağlayarak sürtünme kayıplarını azaltmaktır.

Alçak basınçlı tünellerde kaplamaya gerek olmayabilir. Bilhassa tünel sağlam bir kaya formasyondan geçiyor ise sadece su kaçabilecek çatlakları kapatmak ve gerekli ise sadece şotkrit yapmak yeterlidir.

Orta basınçlı tünellerde su sızdırmazlığını temin için ince demirsiz bir beton kaplama yeterli olabilir. Zemin sağlam kaya değilse kaplama yapılmalıdır. Hatta iç basınç arttıkça çatlaklar büyür ve su kaçağına enjeksiyon bile yeterli olmayabilir.

Eğer çevredeki kaya, kaplamanın radyal genleşmesine müsaade ediyorsa ve bu genleşme, betonun taşıma gücündeki uzamasını geçiyorsa betonda çatlaklar oluşur. Bu takdirde (bütün iç basıncı alacak kadar) kaplama içine betonarme teçhizat konur ve enjeksiyona gerek kalmayabilir. Eğer iç basıncın bir kısmını kayanın taşıması isteniyorsa bu takdirde, kaplama ile kaya arasındaki boşluğa enjeksiyon yapılması gereklidir.

Yüksek basınçlı tünellerde, grobeton kaplama ve hatta betonarme kaplama çatlamayı önleyemez. Bu takdirdeğ tünelde çelik kaplama uygulanır. İç basıncın tamamını çelik kaplama alacaksa, çeliğin akma gerilmesine göre hesap yapılabilir.

2.2. Tünel Tipleri, Ebatları, Hızları :

Tünel Kesitleri :

Tünel tipleri (Şekil:.....)'da verilmiştir. Bu standart tünel kesitlerine ait her türlü yüke göre gerilme analizleri yapılmıştır. (Şekil:..... altındaki Not'a bakınız.)

Tünel Boyutları :

Tünel kazısında ve taşımada kullanılacak olan makinalar tünel içinde rahatça çalışabilmeli, daha büyük kesitteki tüneller için bir ekonomik kesit hesabı yapılmalıdır. Minimum tünel boyutu 2,5x2,5 m olarak verilmiştir. Amerika gibi işçi ücretleri yüksek olan bir ülkede, sağlam kayada açılacak kaplamasız bir tünelde 4,25-4,50m çaplı tünel ekonomik olmaktadır. Bazen içinde makinaların rahatça çalışacağı kesitte bir tünel, daha küçük kesitte ve fakat makinaların çalışırken zorlanacağı bir tünelden daha ekonomik olmaktadır.

Tünel Hızları :

Tünelde yüksek hız, inşaat maliyetlerini düşürür, fakat düşü kaybını arttırır. Bu ise tünelin gayri ekonomik olmasına yol açar. Onun için mutlaka tünel ekonomik kesit analizi yapılmalıdır. Bununla beraber ilk çalışmalar için şu hızlar kullanılabilir.

-Kaplamasız kaba kaya yüzeyler için : 1,0-2,0 m/sn
-Biraz düzeltilmiş kaya yüzeyler için : 1,5-3,0 m/sn
-Beton kaplamalı yüzeyler için : 2,0-4,0 m/sn
-Çelik kaplamalı yüzeyler için : 2,5-7,0 m/sn

Bu değerler, suyun aşındırıcı sürüntü maddesi taşımadığına göredir. Fazla sürüntü maddesi varsa, kaplamalı bile olsa 2,0-2,5 m/sn hız geçilmemelidir.

3. Denge Bacası (Surge Tank)

3.1. Amacı :

Denge bacası, basınçlı boru sistemlerindeki basınç değişimlerini düzenleyerek cebri boruların en ekonomik boyutlarda (boy, çap, et kalınlığı) kalmalarını ve iyi bir regülasyonla türbinlerin düzenli ve verimli çalışmalarını sağlayan yapıdır. Şu amaçlara hizmet eder:

a) Bir hidroelektrik santralda, türbinlerin ani kapanması, diğer bir deyimle "yük atması" (elektrik şebekesindeki bir arızadan veya şebekede yük azalması nedeni) ile, cebri boru veya tünel içinde hareket halinde olan su kütlesi aniden yavaşlar. Belirli bir ivmeye sahip bu su kütlesi, cebri boruların alt uçlarında büyük basınç artışlarına sebep olur. Buna su darbesi veya su koçu denir (water hammer). Bu basınç artışı, cebri boru ve tünel içinde basınç dalgaları halinde membaya doğru yayılır. Denge bacası, bu basınç dalgalarını kendi serbest su yüzeyinde keserek daha membaya gitmesine engel olur ve bu suretlede tünelin denge bacasının membaındaki kısmı, aşırı basınçtan korunmuş olur. Kırılmış basınç dalgalarının çok az bir kısmı, denge bacasının memba tarafında geçerse de bunun tünel üzerindeki tesiri çok azdır ve ihmal edilebilir.

b) Eğer santrala basınç düşürücü bir by-pass sistemi (Pressure relief valve) ilave edilmemişse veya herhangi bir nedenle bu vana çalışmazsa; denge bacası, cebri borunun kendisini de kısmen bu aşırı basınçtan korumuş olur. Çünkü, türbinin ani kapanması ile cebri boruda oluşacak basınç artışı (water hammer) kapalı sistemin boyu ile de orantılıdır.

c) Denge bacasının en önemli görevlerinden birisi de, türbinde regülasyonu sağlamaktır. Türbin çalışmaya başlarken veya çalışırken aniden yük ihtiyacı artarsa türbinin de fazla suya ihtiyacı artar. Yataya yakın eğimli tünelin içindeki su kütlesine yeterli ivme sağlanamazsa, çok eğimli cebri boru ile tünelin birleştiği yerdeki su akımında bir kesiklik bile olabilir. Bu suretle türbin çalışmaz veya verimi düşer.

Bir hidroelektrik santraldan en yüksek verimin sağlanabilmesi için su alma yapısından kuyruk suyuna kadar suyun geçtiği bütün yolların hidrolik şartlara uygun olarak ve en az düşü kaybı ile çalışacak şekilde projelendirilmiş olması yanında, türbinde de çok iyi bir regülasyonun sağlanması gerekmektedir. Türbinin volan tesiri (flywheel effect) sistemde dengeleyici bir rol oynarken; kapalı sistemdeki (cebri boru veya cebri boru+tünel) su sütunu da dengeyi bozucu bir oynar.Türbinde regülasyona etki eden bu etkenin sağlanması gerekmektedir.

3.2. Denge Bacası Hangi Şartlarda Gereklidir :

1) "Water hammer"dan ileri gelen aşırı basınca göre projelendirilecek cebri boru maliyeti; aşırı basınç azaltılarak projelendirilecek cebri boru maliyeti ile denge bacası maliyeti toplamından daha büyük oluyorsa denge bacası yapılmalıdır.

2) Tek ünite tek başına kurulu gücünde çalışırken türbinin aniden durması (tam yük atması) halinde hesap edilen hız artımı (speed rise) %45'in altına düşürülemiyorsa denge bacası yapılmalıdır.

a) Hesaplarda birden fazla ünite aynı cebri borudan besleniyorsa; hız artımı hesabı her ünite yalnız başına çalışıyormuş gibi yapılır.

b) Eğer sistemde türbine bağlı, su tasarruflu tipte bir basınç regülatörü varsa; kritik regülasyon, bu regülatör çalışmıyorken ve yük artışı olurken meydana gelir. Hız artımı hesabı bu şartlarda yapılmalıdır.

3.3. Denge Bacasının Yeri :

Denge bacasının yeri mümkün mertebe santrala yakın olmalıdır. Hatta Denge bacasının yeri, çok az meyilli olan kuvvet tüneli ile birden dikleşen cebri borunun kesiştiği kurb civarında olmalıdır. Bu suretle bütün kapalı sistem (Tünel+Cebri Boru) aşırı basınçtan korunmuş ve tübinde regülasyon daha iyi sağlanmış olur. Fakat yüksek düşülü santrallarda bu mümkün değildir. Çünkü çok yüksek bir denge bacası gerektirir. Bu ise ekonomik bir çözüm olmaz.

Denge bacasının yeri, çok az meyilli olan kuvvet tüneli ile birden dikleşen cebri borunun kesiştiği kurb civarında olmalıdır. Denge bacasının üst kotu, çevre kotundan biraz yukarıda olmalıdır. Bunun ne kadar olacağı zeminin cinsine ve topoğrafyasına göre belirlenir. Yüksek kule gibi bir yapının birçok sakıncaları olabilir.

Denge bacası, sağlam bir zemin (kaya) içine şaft olarak yapılmalıdır. Ekonomik oluyorsa üst yapısı "up surge" için genişletilebilir veya çelik olarak da yapılabilir. Yapının yer altındaki kısmının etrafına enjeksiyon ve gerekli ise ankraj yapılmalıdır. Hesapları, tünel hesapları gibi yapılır.

4. Vanalar ve Vana Odaları :

Tipleri Ve Fonksiyonları :

Hidroelektrik tesislerde kullanılan vana tipleri ve fonksiyonları şöyle sıralanabilir:

Vana tipleri; sürgülü vana, kelebek vana, küresel vana, konik vana ve basınç düşürücü vana olarak sayılabilir. Yerleri ve fonksiyonları ise:

a) Cebri Boru Emniyet Vanası

Amacı; Cebri boruda arıza, çöküntü veya yarılma, kayma olursa hız artışı sebebi ile otomatik olarak bu vana kapanır ve bu suretle cebri boru ve ilgili tesisler daha fazla zarara girmeden kurtulmuş olurlar.

Yeri; Tünel çıkışına veya cebri boru baş tarafına konur. Çok az eğimi olan tünelden aniden dikleşen cebri boruya geçiş bölgesine konulmalıdır. Bu suretle hem vana daha az basınca göre projelendirilir ve hem de fonksiyonunu daha iyi yerine getirmiş olur.

Tipi; Genellikle üzerindeki düşü az olduğu için kelebek vana tipi kullanılır.

Vana Odası : Boyutları, cebri borunun çapına, içeride bir montaj sahası olup olmayacağına ve personel asansörünün içeri alınıp alınmayacağına bağlıdır. Vana odasında cebri boru üzerinde vana, hava bacası (ventili), giriş kapağı bulunur. Ayrıca hidrolik kaldırma donanımı, panolar, gezer vinç bulunur. Vana odasının, tam yük ile yüklü bir vasıta girecek genişlikte kapısı, pencereleri ve tabii havalandırması olmalıdır.

b) Türbin Vanası: Gerektiğinde cebri boruyu kapayarak türbine su girmesini önlemektir. Türbinin hemen mansabına konulmalıdır.Kelebek, sürgülü veya küresel vana tipi olabilir. (Düşü ve debiye bağlı olarak seçim yapılır.)

c) Dipsavak Vanası

Türbin durduğunda, mansaba sulama veya başka amaç ile su vermek gerekiyorsa veya rezervuar dolusavak eşik kotu altındaki herhangi bir kota kadar boşaltılacak ise bu vana kullanılır. Derivasyon tüneli veya santral içinde bir yer olabilir. Konik vana kullanılır. Bu vananın membaına da bir adet sürgülü vana konur. (Emniyet vanası)

d) Basınç Düşürücü Vana (Pressure Relieve Valve)

Yüksek düşülü santrallarda basınç artışı (water hammer) çok yüksek çıkıyorsa ve bu basınca göre cebri boru projelendirmek ekonomik olmuyorsa, türbinin hemen yanına özel bir vana konur ve türbin aniden durunca bu vana çalışır ve bu suretle basınç dalgalarının (water hammer) cebri boru içinde yükselmesi önlenerek belrli bir oranda tutulur.

5- Cebri Borular :

Türbin İle tünbinin membaındaki "ilk açık su yüzeyi" arasındaki basınçlı borulara cebri borular denir. Sızdırmazlık amacı ile yapılan veya serbest yüzeyli su taşıyan borulara cebri denmez. "İlk açık su yüzeyi" baraj, regülatör, yükleme odası veya denge bacasında oluşabilir. Cebri borunun en büyük özelliği basınçlı olmasındadır. Basınçlı tüneller veya şaftlar da bu tanımın içine girerler. Cebri borular, genellikle çelikten yapılır. Bununla beraber iç basınç fazla değilse veya sızdırmazlık sorun teşkil etmiyorsa, açık cebri borularda veya tünellerde beton malzeme de kullanılabilir.

Yüksek düşülü hidroelektrik tesislerde maliyetin büyük bir kısmını cebri borular oluşturur. Onun için ilk etütler ve kesin proje hesapları çok iyi yapılmalıdır.

Cebri boruların projelendirilmesinde şu işler yapılır :
Jeolojik Etütler, Güzergah Seçimi Ve Yerleştirilmesi :

Bu bölümle ilgili yapılacak çok iş vardır. Blhassa jeolojik etütlerin çok iyi yapılması gerekir. Biz burada, bu etütlerin ilgililer tarafından yapıldığını varsayıyoruz. Ancak şu hususları tekrar belirtmekte fayda görülüyor. Cebri boru güzergahı kesinlikle heyelan bölgesinden, yamaç molozu, kil veya benzeri zayıf zeminlerden geçirilmemelidir. Sağlam kaya veya benzeri zeminden geçirilmelidir. Genellikle topografyanın gösterdiği sırtlar sağlam zeminler olabilir. Yüzeyde sağlam zemin bulunamıyorsa, şaft veya tünel sistemi seçilmelidir. Güzergah seçimi çok tecrübeli bir jeolog ve mühendisler grubu tarafından yapılmalıdır. Aksi halde uygulama esnasında çok büyük sorunlarla karşılaşabilir ve beklenmedik maliyet artışları olabilir.

Cebri borular en kısa yoldan santrala indirilmelidir. Cebri boru uzarsa hem maliyeti ve hem de düşü kayıpları artar. Düşü kaybı ise enerji kaybı demektir. Buna meydan verilmemelidir. Fazla kurb yapılmadan ve en az kazı yapılacak şekilde güzergah seçimi yapılmalı, kurb noktaları kaya veya çok sağlam zeminin oluşturduğu yerlerde seçilmelidir. Keskin kurblarda büyük mesnet kuvvetlerinin oluşacağı hatırdan çıkarılmamalıdır. Cebri borular tek veya birkaç tane olabilir. Bu ekonomik hesaplar neticesinde belirlenir. Her ne kadar, tek cebri boru ekonomik çıkarsa da büyük çaplı cebri borular seçilirken çok dikkatli olunmalıdır. Büyük çaplı cebri boruların taşıma ve montaj güçlüğü olduğu gibi stabilite sorunu da olabilir. Bilhassa açıkta yapılan cebri borularda bu hususa çok dikkat edilmelidir. En büyük çaplı açıkta cebri boru Keban ve Atatürk projelerinde uygulanmıştır.

Tünel kaplaması olarak kullanılan cebri boruların çapı, açıkta yapılan cebri borulara nazaran biraz daha büyük seçilebilirse de montaj ve stabilite sorunu yataracağı dikkate alınarak sakınılmalıdır. Kapulukaya HES enerji tüneli iç çapı 700 cm olarak uygulanmışsa da montaj esnasında çok güçlük çekilmiştir. Onun için her türlü husus iyi incelenmelidir.

Soğuk bölgelerde cebri borular kapalı yapılabilir veya kapalı galeriler içinde götürülebilir .

Cebri boruların güzergah seçimi ve mesnet kitlelerinin yer tesbiti yapıldıktan sonra, proje detay ve hesaplarına geçmeden önce mesnet kitlelerinin yerleri araziye aplike edilerek yerinde görülmesinde büyük fayda vardır. Bu sonradan çıkabilecek jeolojik ve stabilite sorunlarını başlangıçta çözümleme bakımından büyük kolaylıklar ve ekonomi sağlayabilir. Eğer projeci çok tecrübeli değilse bu husus ihmal edilmemelidir.

Cebri Boru Branşmanları : Tünel çıkışında veya santral binasına girerken türbin vanasının hemen membaında cebri boruları branşmanlara ayırmak gerekebilir.

iki branşman arasındaki açı 60o ile 90o arasında olmalıdır. 90o'den büyük olması daha fazla düşü kaybına sebep olmaktadır. 60o'den küçük olması halinde ise boruların ayrıldığı noktada ana taşıyıcı mesnet ringleri (ring girder) çok büyük çıkmakta ve imalatta güçlük çekilmektedir.

Ayrıca daha az düşü kaybı için branşmanlar silindirik değil; konik olmalı ve koninin kenarları arasındaki açı (genişleyen tranzisyon için) 10o den küçük olmalıdır. Kurblarda, kurb yarı çapı, cebri boru çapının 5 katı olmalıdı. Mecburiyet varsa R³ 3d'de olabilir. Ancak 3£ R/d< 5o arasında ivmeli hız oluşacağından, titreşim kaçınılmazdır. Kurblar, tam dairesel değilde parçalar (segment) halinde yapılacaksa parçalar arasındaki sapma açısı 5 den küçük olmalıdır.

6- Hidroelektrik Santral :

Hidroelektrik santrallar suyun enerjisinden faydalanarak elektrik üreten yapılardır.

Hidroelektrik santral, suyun potansiyel enerjisinin mekanik enerjiye ve mekanik enerjinin de elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yerdir.

Hidroelektrik santralarda özellikle bakımından aşağıdaki tipleştirmeler yapılabilir:

a- Düşülerine Göre:

Orta düşülü santrallar :Düşü 15-50 metre arasında
Yüksek düşülü santrallar :Düşü 50 metreden büyük

b- Ürettikleri Enerjinin Karakter ve Değerine Göre:

Baz santrallar :Devamlı olarak enerji üreten santrallar
Pik santrallar :Enerjinin en çok ihtiyaç duyulduğu sürede çalışan santrallardır.
Alçak düşülü santrallar :Düşü 15 metreden az

c- Kapasitelerine Göre:

Küçük kapasiteli :99 kW'a kadar
Düşük kapasiteli :100-999 kW arası
Orta kapasiteli :1000-9999 kW arası
Yüksek kapasiteli :10 000 kW ve daha fazla

d- Yapılarına Göre:

a) Yeraltı santralı
b) Yarı gömülü ve batık santral
c) Yerüstü santralı

e- Depolama Özelliklerine Göre:

1.Deposuz santrallar:

Bunlar doğrudan doğruya nehir veya kanal üzerinde kurulmuştur. Su depoları (gölleri) olmadığından akan suyun enerjisini elektriğe çevirirler. Memleketimizde Erzincan Girlevik Santralı bu tip santrallara örnek olarak gösterilebilir

a) Nehir santralları
b) Kanal santralları

2. Doğal veya yapay su deposu (gölü) olan santrallar:

Bu tip santrallarda suyun depolanması esastır. Genellikle su rejimlerinin düzensiz olduğu akarsularda suyun depolanması zorunluluk haline gelmekte ve böylece bütün yıl boyunda düzenli olarak elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu tip santrala örnek Keban Hidroelektrik Santralıdır

a)Baraj santralları
b)Pompaj rezervuarlı santrallar:Bu santrallar, enerjiye ihtiyaç azaldığı saatlerde şebekeden aldıkları enerji ile pompa olarak çalışarak su basarlar. Günün enerjiye en çok ihtiyaç olduğu saatlerde birikmiş suyu türbinleyerek enerji üretirler.

Tipik bir baraj santralına ait yapılar aşağıda sıralanmıştır.

3-Manyetik Alanın Döndürülme Yöntemlerine Göre:

Elektrik üretimi genel olarak manyetik alanın generatör içinde döndürülmesi ile sağlanır. Generatör içindeki manyetik alanın döndürülme yöntemlerine göre santrallar aşağıdaki tiplere ayrılabilir:

1. Dizel Santrallar
2. Hidroelektrik Santrallar
3. Termik Santrallar
4. Jeotermal Santrallar
5. Doğalgaz Santralları
6. Nükleer Santrallar
7. Rüzgar Santralları
8. Gel-Git (Med-Cezir) Santralları
9. Güneş Enerjisi İle Çalışan SantrallarDiğer Santrallar (Deniz suyundaki ısı farkından yararlanan biogaz santralları gibi) santrallar,

Yer Seçimi :

Santral yer seçimine yeteri kadar önem verilmezse, sonradan çok sorunlarla karşılaşılabilir ve santral maliyeti hesap edilenin çok üzerine çıkabilir. Onun için santral yeri, çok tecrübeli bir jeolog ve mühendisler grubu tarafından seçilmelidir. Daha sonra da bu yerde sondajlar yaptırılarak yer seçimi kesinleştirilmelidir. Yer seçiminde şu hususlara dikkat edilmelidir :

a) Detaylı bir jeolojik etüt yapılmalı; heyelan bölgesinden ve aktif faylardan uzak olmalı; kil, kum, alüvyon, dolgu ve dere yatağı üzerine oturtulmamalıdır. Santral binası mümkün olduğunca sağlam kaya üzerine otutulmalıdır. Bunu temin için gerekiyorsa santral "yarı gömülü" veya "yer altı" tipte projelendirilebilir.

b) Santral yeri, en kısa cebri boru ile ve en az düşü kaybı verilerek ulaşılabilecek bir yerde olmalıdır. Cebri borunun, yataylaştığı alt uçlarda en çok düşü kaybına sebep olduğu ve boru et kalınlığının maksimuma eriştiği hatırlanmalı ve bu suretle altlardaki düz kısmın boyu en kısa olacak şekilde santral dağ tarafa doğru yaklaştırılmalıdır.

c) Santral binası ve ilgili yapıların yerleşebileceği büyüklükte düzgün bir yer bulunmalı ve yer temini için lüzumsuz kazıya gimek ihtiyacı doğmamalıdır.

d) Santral binasına en yakın yerde ve yeterli boyutta bir şalt sahası yeri olmalıdır.
e) Üniteler, montaj sahası ve idari blok ile trafo yeri ve şalt sahasının mümkün olduğunca bir arada olması gerektiğinden bu bölümlerin rahatça yerleştirilebileceği büyüklükte bir ye olmalıdır.

f) Kuyruk suyu kanalı, nehir yatağına uygun ve ekonomik bir şekilde bağlanabilmelidir.

g) Santral kolay, ekonomik bir ulaşım yolu yapılabilecek bir yerde olmalıdır.

7- Hes Kuyruk Suyu (Mansap) Tesisleri :

Kuyruk Suyu Kanalı ve Eşiği :

Boşaltma borusu (draft tube) çıkışı ile kuyruk suyu kontrol eşiği arasındaki yapıya denir. Genellikle beton kaplamalı ve tabanı 1/6 eğimli yapılır. Bu kanalın sonunda, kuyruk suyu seviyesinin belirlenen düzeyde tutulabilmesi için bir de kontrol eşiği yapılır.

Amacı :

Santral çıkış suyunun boşaldığı nehir yatağı veya deredeki su seviyesi alçalınca, kuyruk suyu kanalındaki su seviyesini minimum işletme kotunda tutabilmek için kontrol eşiği yapılır.

Tabii Kanallarda Su Yüzü Profili :

Hidroelektrik santralın çeşitli debilerdeki mansap su seviyelerini belirleyebilmek için kuyruk suyu kanalının bağlandığı nehir veya kanalın su yüzü profilinin (su yüzü eğrileri) bilinmesi gerekir. Tabii durumdaki nehir veya kanalın kesitleri ve taban eğimi genellikle muntazam değildir. Böyle tabii durumdaki bir nehir yatağında su yüzü profili çıkarmak epeyce bir çalışmayı gerektirir. Bununla ilgili çalışmalar şöyle sıralanabilir :

a) Hesabı yapılacak olan nehir veya çay yatağı ile ilgili akım kayıtları temin edilir (Hidrolojik data)

b) Santralın oturacağı yerin ve mansabındaki nehir veya derenin haritası temin edilir (Topografik data). Mansaptaki kritik kesitler bu harita içinde olmalıdır.

c) Arazide, santral kuyruk suyu kanaının oturacağı yerden mansaba doğru belirli aralıklarla en az 5 adet nehir en kesiti çıkartılır. Nehir yatağı ve taban eğimi oldukça muntazam gözüküyorsa bu aralıklar 100-200 m olabilir. Eğer çok gayri muntazam ve kesin dönüşler yapıyorsa 50-100 m olmalıdır. Aralıkların eşit olması gerekmez. Kesitler, en kesitin daraldığı veya kesin dönüşlerin olduğu yerlerden alınmalıdır. (Adı geçen en kesitler alınırken nehirin o andaki debisi ölçüm istasyonundan alınır ve en kesitlerin alındığı yerlerdeki su yüzü kotları okunabilirse; su yüzü hesaplarını ve nehir taban eğimini kontrol etmede çok faydalı olabilir). En kesitlerin iki sahildeki başlangıç noktalarının koordinatları da harita üzerine işlenmelidir.

d) Nehir yatağının pürüzlük katsayısı n, arazi incelenerek ve literatürde verilen tanımlara bakılarak belirlenmeldir. Bununla beraber, her en kesitinin altına yatak durumunu belirleyici görüşler ayrıntılı olarak yazılmalıdır.