Ünitenin tamamını tek sayfada görPremium
Barajlar; elektrik üretimi (temiz ve yenilenebilir enerji), taşkın kontrolü, su depolanması, sulama, navigasyon (nakliye), rekreasyon, içme-kullanma suyu temini, balıkçılık, turistik amaçlar ve atık toplama gibi pek çok farklı hedef doğrultusunda inşa edilen devasa mühendislik yapılarıdır. Bu yapıların planlanması ve inşası aşamasında amaca göre, kullanılan malzemeye göre, yüksekliklerine ve su hacimlerine göre çeşitli sınıflandırmalara tabi tutulurlar. Yüksekliklerine göre barajlar; 10 metreden kısa olanlar, 10 ile 15 metre arasında değişenler ve 15 metreden yüksek olanlar şeklinde ayrılırken, göletler ise ufak ve büyük olmak üzere su hacimlerine (V) göre sınıflandırılır.
Kullanılan malzemeye ve yapısal özelliklere göre barajlar temel olarak rijid (katı) ve rijid olmayan barajlar şeklinde iki ana gruba ayrılır. Rijid barajlar kendi içinde beton (ağırlık, kemer, payandalı, ince, kalın, kupola) ve taşörme, ahşap, çelik gibi alternatif imalat türlerini barındırır. Rijid olmayan dolgu barajlar ise toprak dolgu, kaya dolgu ve toprak+kaya karışımı olarak homojen veya zonlu yapıda inşa edilir. Örneğin, ağırlık barajları rezervuardaki su yükünü ve diğer tüm kuvvetleri kendi ağırlıkları ile karşılayan, geniş vadilerde ve sağlam kaya temeller üzerine kurulan yapılardır.
Kemer barajlar ise membaaya doğru konveks üretilen ve rezervuardan gelen devasa su yükünü yamaçlardaki kayaçlara aktaran, genellikle dar vadilerde yapılan yüksek barajlardır (İspanya'daki El Atazar Barajı gibi). Payandalı barajlar ve çelik barajlar genellikle suyun geçici olarak depolanmasında tercih edilir ve 15-20 metre yükseklikte imal edilir. Toprak dolgu barajlar, temel zemininin göreceli olarak zayıf olduğu vadilerde ortalama yükseklikte yapılır; suyun çekirdekle direkt temasını önlemek için gövde kesiti farklı materyallerle oluşturulur (Bolu-Köprübaşı ve Malatya-Kapıkaya barajları gibi).
Barajlar, imalat türleri ve inşa edildikleri bölgenin jeolojik özelliklerine karşı statik ve dinamik kuvvetlere karşı duraylı olmak zorundadır. Gövdeye etki eden başlıca kuvvetler; barajın ağırlığı (W), hidrostatik su basıncı ve bileşenleri (P1, P2, P3), temeldeki boşluk suyu basıncı (U), sızıntı kuvveti (P4), dalga kuvveti (Pd), yatay ve düşey deprem kuvvetleri (Ed, Es) ile buz basıncı (Pb) olarak sıralanmaktadır. Bu kuvvetlerin doğru hesaplanması mühendislik jeolojisi çalışmalarının temelini oluşturur.
Barajın ağırlığı (W), gövdenin alanı ile gövde malzemesinin birim ağırlığının çarpımıyla hesaplanır ve buna metal, beton gibi elemanların statik kuvvetleri de eklenir. Hidrostatik basınç (P) su kolonuna bağlı olarak membaa ve mansaba etki eder. Yatay hidrostatik basınç P = (h² x gw)/2 formülüyle bulunur. Temeldeki boşluk suyu basıncı (U) ise membaa ve mansap topuklarındaki su derinlikleri ile temel genişliğine bağlı olarak değişir ve U = b x gw[(h1+h2)/2] şeklinde hesaplanır.
Deprem kuvvetleri (Ed ve Es) baraj gövdesi ve rezervuardaki su kolonunda etkilidir. Düşey hareketler temelde deformasyona yol açarken, P dalgasının etkisiyle gövdeye dik atalet kuvvetleri oluşarak eğik yüzeylerdeki su ve gövde ara kesitinde ağırlığı azaltabilir. Türkiye gibi depremsellik açısından riskli bölgelerde peak ground acceleration (pga) 0.4g mertebesine ulaşabilmektedir. Bu durum, hesaplamalarda pseudostatik katsayı olan kh (amax/g) kullanımını zorunlu kılmaktadır.
Barajların temel zeminleri çok farklı jeolojik ve jeomekanik özellikler gösterir. Dolgu barajların bugüne kadarki istatistiklere göre %40'ının yetersiz temel koşullarından dolayı hasar gördüğü bilinmektedir. Kaya temeller üzerine oturan barajlarda çatlaklar, fay zonları, aşınmış bölgeler ve geçirimli alanlar detaylıca incelenir. Yeterli geçirgenliğe sahip olmayan kaya zeminlere enjeksiyon (genellikle su tablasını 4-5 metre geçecek şekilde, her 3 metrede bir çimento-su karışımı ile) uygulanır. Çok geçirimli veya kireçtaşı/jips gibi erime zonları içeren kaya zeminlerde cut-off duvarları önerilir.
Temelde ve gövdede oturma problemleri, kendi ağırlığı ve rezervuarın dolmasıyla tetiklenir. Zayıf kaya tiplerinde (şeyl, kiltaşı, silttaşı) yük altındaki şekil değiştirme oldukça tehlikelidir. Sıkışma modülü (Mc) ve elastiklik modülü (Es) oturma hesaplarında kritik rol oynar. Örneğin Nevada'daki Hoover Barajı yerinde olduğu gibi, çok büyük rezervuarlarda suyun ve siltin ağırlığı bölgenin tamamının çökmesine neden olabilir. Atatürk Barajı kil dolgusunda da oturma-zaman ilişkileri odometre deneyleriyle ve yerleştirilen oturma plakalarıyla yakından izlenmiştir.
Borulanma, temelin veya gövdenin sızma yoluyla içsel aşındırılması olayıdır. Genellikle mansap topuğundan başlar ve rezervuara doğru geriye çalışan kanallar/borular oluşturur. Mansap topuğunda çamurlu su görülmesi veya kum-su süspansiyonu kaynaması borulanmanın habercisidir ve birkaç saat içinde yıkımla sonuçlanabilir. Plastisite indisi (PI) 15'in üstündeki plastik killer borulanmaya en dirençli malzemeler iken, uniform ince kohezyonsuz kumlar en düşük dirence sahiptir. Borulanmayı önlemenin temel yolu, sızma yolunu uzatmak (saplama duvarları, geçirimsiz çekirdek, blanketler) ve hidrolik gradyanı düşürmektir.
Baraj planlamasında tesis maliyetinin düşük, kullanım süresinin uzun ve emniyetli olması hedeflenir. Baraj yeri ve tipini etkileyen 8 temel faktör bulunur: Topografya (vadi şekli), litolojik özellikler, yapısal özellikler, hidrolojik ve hidrolik durum, malzeme temini, iklim koşulları, ülkenin ekonomik durumu/işçilik ve bölgenin depremselliği. Vadi şekilleri Walters (1962) tarafından boğaz/kanyonlar (U şekilli, Vadi şekli faktörü K < 3), dar vadiler (K: 3-6), geniş vadiler (K: 6-7) ve geniş-düz vadiler (K > 7) olmak üzere sınıflandırılmıştır.
Jeolojik yapının baraj yerine etkisi çok büyüktür. Süreksizliklerin (tabaka, çatlak) doğrultusu baraj eksenine dik veya paralel olabilir. Dik olması durumunda su geçirimli kayaçlar boyunca göl dışına kaçar ve engellenmesi zordur. Paralel olması durumunda ideal durum tabakaların mempaya (göle) doğru eğimli olmasıdır; mansaba doğru eğimli olması halinde ise sızmalar artar, kaldırma kuvveti oluşur ve beton ağırlık barajlarda mansaba doğru kayma riski doğar.
Antisklinal ve senklinal yapıların konumu da kritik önem taşır. Baraj antiklinalin memba kanadına yapılırsa sızan sular göle döner; mansap kanadına yapılırsa su kaybedilir. Senklinal durumunda ise eksenlerin dik olması kitle hareketlerine ve heyecanlara yol açabilir (İtalya'daki Vaiont Barajı'nda göl alanının kayan malzemeyle dolarak barajın yararsız hale gelmesi gibi). Ayrıca malzeme temini açısından ocakların baraj yerine en fazla 20 km uzakta olması ve dolu savak kazılarından çıkan malzemenin %80'inin sağlam olması hedeflenir.