Geri Dön

Effects of inclined cut - offs and foundation soil on seepage flow beneath hydraulic structures

Eğimli palplanş ve temel zemini özelliklerinin baraj altındaki sızmaya etkisi

  1. Tez No: 152266
  2. Yazar: HASAN MOHAMED
  3. Danışmanlar: PROF.DR. NECATİ AĞIRALİOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Baraj, eğimli katof, nümerik çözüm, borularıma, sızma
  7. Yıl: 2004
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 187

Özet

eğimli palplanş ve temel zemini özelliklerinin hidrolik yapılar altındaki sızmaya etkisi ÖZET Bir baraj geçirimli bir temel üzerinde yapılırsa, haznedeki su baraja etki eder ve baraj temel zemininde sızmalar meydana gelir. Sızan akım aşındırıcı kuvvet oluşturur ve kuvvet ise zemin parçacıklarım su ile birlikte aşağıya çeker. Bu aşındırıcı kuvvetler sürtünme ve kohezyondan oluşan direnç kuvvetlerini aşarsa, zemin parçacıkları aşağıya sürüklenir. Bunun sonucunda sızma hızı ve erozyon artar, nihayet bazı borular veya kanalcıklar meydana getirir ve borular giderek mansaptan menbaya doğru ilerler. Bu borucuk menba yüzeyindeki suya ulaşmca yapının yıkılmasına sebep olur. Bu olay borularıma olarak bilinir. Borularıma, çıkış noktasındaki hidrolik eğim, kritik hidrolik eğime yaklaşınca başlar. Borulanmayı önlemek için sızan suyun hızım belli bir güvenli değere düşürmek gerekir. Bu ise sızma yolu uzunluğunu uzatarak başarılabilir. Bu uzatma metotlarından biri baraj temeli içinde kat-of (katof) duvarları yapmaktır. Bu katotlar geçirimsiz malzemeden, betondan veya çelik palplanştan yapılır. Pek çok araştırmacı, konform tasvir, amprik formüller, elektrik analoji modelleri, deneysel çalışmalar, nümerik metotlar ve akım ağı teknikleri kullanarak, hidrolik yapıların altodaki geçirimli zeminden sızacak basmçlı alamı araştırmışlar ve borularıma olayına karşı yapıların güvenliği üzerinde çalışmışlardır. Çıkış hidrolik eğimi, kaldırma basmcı, ve akım miktarı hususlarının tahmini, temele gömülmüş baraj temeli için düşey yan duvarlı, düşey çelik palplanş ve düz tabanlı yapılar için yapılmıştır. Bununla birlikte, eğimli katof duvarları ve palplanşlar konusunda pek az yayma rastlanmışlar. Üstelik bu bahsedilen çözümlerin pek çoğu temelin sonsuz derinlikte, homojen ve izotrop bir zemin durumu için gerçekleştirilmiştir. Böyle kabuller izotrop ve homojen olmayan ve sınırlı temel derinliği olan zeminler için uygun değildir. Baraj temellerinde eğimli palplanş veya katof durumları izotrop ve homojen olmayan zemin için sızma probleminin çözümüne literatürde rastlanmamıştır. Sonlu farklar veya sonlu elemanlar metotları gibi nümerik metotlar bu tür problemleri kolaylıkla ve hassaslıkla çözebilir. Bu sebeplerden dolayı, sonlu fark yaklaşımım kullanan bir nümerik model, bir baraj temeli altodaki zeminde sızma problerrıinin denklemlerini aşağıdaki şartlara bağlı olarak çözmek için hazırlanmıştır: 1. Yatay permabilitenin düşey permabiliteye oram, 2. Baraj tabanının geometrisi, 3. Temel zemininin özellikleri. Bu çalışmada, farklı baraj taban şekilleri için üç baraj enkesiti seçilmiştir. Birincisinde, yere gömülmüş farklı eğimde taban duvarları kullanılmıştır. Diğerlerinde düz bir taban alınmış, fakat menba uca, ortaya veya mansap uca eğimliveya düşey çelik palplanşlar yerleştirilmiştir. İlk iki durumda, yatay permabilitenin düşey permabiliteye oranının değişimi ile taban genişliğinin temel zemini derinliklerine oranının değişimi irdelenmiştir. Üçüncü baraj kesitinde ise, akımı yöneten denklemler, homojen ve izotrop zeminler için çözülmüştür. Modelde, baraj altodaki geçirimli zemin içinde piyezometrik yük dağılımları hesaplanmış ve temel yan duvarların veya palplanşlann eğirrıinin, anizotropi oranının, palplanş boyunun temel zemin derinliğine oranının çıkış basmç eğimine, akım miktarına ve kaldırma basmcma etkileri belirlenmiştir. Çıkış eğimi, akım miktarı ve kaldırma basmcı değerlerinin taban duvarları eğim açılan ile veya palplanş eğim açılarından etkilendiği ve yukarıda bahsedilen oranlarla değiştiği gösterilmiştir. Sonlu farklar metodu ile bulunan sonuçlar diğer metotlarla bulunan sonuçlarla iyi bir uyum sağlamıştır. Ayrıca bu sonuçlar farklı zemin derinlikleri için ve istenen permabilite oranlarının kullammında daha genel bir yaklaşım sağlamıştır. Borularıma sebebiyle yıkılmaya karşı düz tabanlı bir baraj tabanının güvenliğini kontrol için Lane metodunun uygulanışında, eğimli yüzeylerin toplam uzunluğunun hesabında bazı faktörlere bağlı olarak farklı ağırlıkların dikkate alınması gerektiği gösterilmiştir. Böyle bir baraj temeli için model analizi çalışmalarından anlaşıldığına göre, ağırlıklı krep kavramına dayanan ve ilk defa Lane tarafından önerilen krep uzunluğu hesabında yeni bir kriter türetilmiştir. Tabam düz olan ve eğimli palplanş yerleştirilen durum için geliştirilen tasarım grafikleri, bu tür baraj lann altında oluşacak çıkış eğimi ve kaldırma basınçlarının belirlenmesi için etkin kullanılabileceklerdir. Homojen ve izotrop olmayan zeminler ve derinliği sınırlı temeller için, şu ana kadar mevcut olmayan grafikler de pratikte kullanılmak üzere hazırlanmış ve sunulmuştur. Tabam düz olan baraj için, hem topuk hem de baş uca konan simetrik palplanşlar, çıkış eğimlerini ve kaldırma basınçlarını, sadece topuğa konan palplanş durumuna göre oldukça az azaltmıştır. Bu iki durum arasındaki fark büyük olmadığından, sadece topuk tarafına eğimli palplanş koymak daha kolay, daha az zaman alıcı, tasannu daha kolay ve daha ekonomiktir. Tez 8 bölümden oluşmaktadır. Borularıma olayına karşı güvenlik artıncı metotlar ve kontrol önlemleri ikinci Bölüm' de sunulmuştur. Üçüncü Bölüm' de, boşluklu ortamlarda akımın matematik tanımlanması dahil, yeraltı suyu akımının temel ilkeleri verilmiştir. Sınır şartlan ile birlikte sonlu farklar tekniği ve iterasyon metotlan Dördüncü Bölüm'de açıklanmıştır. Beşinci Bölüm'de, oluşturulan model değerlendirmeleri ve sonuçlar takdim edilmiştir. Altıncı Bölüm'de, topukta palplanş bulunan düz taban baraj modelinin inceleme ve değerlendirmeleri verilmiştir. Yedinci Bölüm'de hem topukta hem de baş uçta palplanş durumu için inceleme ve değerlendirme yapılmıştır. Son bölümde, çalışmanın özeti ve sonuçlan sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

EFFECTS OF INCLINED CUT-OFFS AND FOUNDATION SOIL ON SEEPAGE FLOW BENEATH HYDRAULIC STRUCTURES ABSTRACT If a dam is founded on a pervious foundation, the head formed by the dam acts on the foundation and generates under seepage. The seeping flow generates erosive forces, which tend to pull soil particles with the flow. If these forces exceed the resisting forces (friction and cohesion), then the soil particles will be washed out. The result is an increased velocity and greater erosion, ultimately causing the formation of a channel or“pipe”, which moves upstream beneath the dam. Flow increases tremendously if the pipe reaches the impounded water and causes the failure of such a structure. This process is known as piping phenomenon. Piping occurs if the exit hydraulic gradient at the downstream point approaches the critical hydraulic gradient. In order to prevent piping, it is necessary to reduce the velocity of the seeping water to a safe value. This can be accomplished by lengthening the seepage path. One of the methods of such a lengthening is to introduce cut-off walls (may be a depressed base of concrete or impervious soils or steel sheet piles) within the dam foundation. Using different solution methods, such as the conformal analysis, empirical formulas, electrical analog models, experimental works using physical as well as numerical models and the flow net technique many researchers had examined the confined seepage through pervious soils beneath hydraulic structures and studied their safety against piping phenomenon. Estimation of the exit gradient, uplift pressure, and flow rate were provided for various problems including the cases of a depressed dam base with vertical side walls, embedded vertical sheet piles, and a flat bottom dam with one or more embedded vertical sheet pile(s). However, limited literature is available concerning the use of inclined walls or sheet piles. Moreover, most of these solutions were based on the assumption of a homogeneous and isotropic foundation soil having an infinite depth. Such an assumption is usually not met depending on various in situ conditions that possess anisotropy, heterogeneity, limited soil depth,.. etc. It appears that no solution is available in the ready accessible literature to determine the effect of using a depressed dam base with inclined sidewalls and a flat dam base with either an inclined toe or heel and toe sheet pile(s) on seepage flow through anisotropic soils of limited depths. Numerical methods such as finite difference or finite element can solve these problems easily and accurately on a case-by-case basis. For these reasons, a numerical model using finite difference approximation is prepared to solve the governing equations of groundwater seepage under a dam base for the dependence on: - the horizontal to vertical permeability ratio, - the geometry of the dam base, and - the foundation soil characteristics.In this study, three dam sections with different base configurations are selected and analysed. The first configuration uses a depressed base with different sloping sidewalls, whereas the others use a flat dam base with vertical or inclined steel sheet pile(s) at the toe only or at the heel and toe, respectively. In the first two configurations v ariation of t he h orizontal t o v ertical p ermeability r atio a nd b ase t o foundation soil depths ratio are considered. In the third configuration the governing equations are solved for the case of a homogenous and isotropic soil. The model computes the piezometric head distribution within the pervious foundation soil beneath the dam and shows the effects of the base sidewalls or sheet pile inclination, anisotropy ratio, and sheet pile to foundation soil depths ratio on exit gradient, flow rate, and uplift pressure. The values of the exit gradient, flow rate, and uplift pressure are shown to be affected by changing the slope angle of the base sidewalls or the sheet pile and varying the above mentioned ratios. The model results indicate that the finite difference technique gives comparable values for similar cases solved with other solution methods and offer a more general approach that permits the usage of the desired anisotropy ratio and foundation soil depth. Application of Lane's method to check the safety of the depressed dam base against failure due to piping showed that different weights should be considered in the calculation of the total length of the sloping surfaces depending on a number of factors. From the analysis of the model results of such a dam base, a new criterion for calculating the creep length, based on the weighted creep concept first suggested by Lane, is derived. For the case of a flat dam base with an inclined toe sheet pile, the developed design charts could be used efficiently to approximate the exit gradient and the uplift pressure values under such a dam base. Unlike the available charts, which are based on a homogeneous and isotropic soil of infinite depth, the design charts presented herein can account for variable anisotropy ratios and depths of strata. For the case of a flat dam base with symmetrical heel and toe sheetings (vertical or inclined), the overall trend indicates a small reduction in exit gradient and uplift pressure values as compared with the case of a toe sheet pile alone. Since the difference in results between these two configurations is not great, it could be argued that the analysis of a dam base with only an inclined toe sheet pile is more simpler, computationally less time consuming, and provides a reasonable design from the practical and economical points of view. The thesis consists of eight chapters. Control measures and the available methods for securing safety against piping phenomenon are presented in Chapter Two after an introduction. In Chapter Three, the fundamental principles of groundwater flow including mathematical description of flow through porous media are given. The finite difference technique along with the boundary conditions and iterative methods are given in Chapter Four. Detailed steps involved in the development of the depressed dam base model altogether with evaluation of its results are then presented. In Chapter Six, investigation and evaluation of the flat dam base model with a sheet pile at its toe (vertical or incline) are given. Chapter Seven includes the investigation and evaluation of the flat dam base model with vertical or inclined heel and toe sheetings. Finally, a summary and conclusions of the study are presented. Key words Dam; inclined cut-off, numerical solution; piping; seepage

Benzer Tezler

  1. Tez No

    807399

    Transonik kavite akışının aeroakustik incelemesi

    Aeroacustic investigation of transonic cavity flow

    HAYDAR İREY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAHA ZAFER

  2. Tez No

    683225

    Eklemeli imalat yöntemlerinde üretim parametrelerinin ve parça geometrisinin son ürün özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of production parameters and part geometry on the final product properties in additive manufacturing methods

    AYSU HANDE YÜCEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL

  3. Tez No

    75443

    Diyafram duvarlarda stabilite probleminin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak irdelenmesi ile ilgili bir inceleme

    A study with finite element method for the stability problems of the diaphragm walls

    ENDER ÇETİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geoteknik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUĞRUL ÖZKAN

  4. Tez No

    167671

    Meyil açısı ve yaklaşma açısının kesme kuvvetleri üzerindeki etkisinin incelenmesi

    An investigation of the effect of inclination angle and approaching angle on the cutting forces

    KEMAL GÜDEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Makine MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. HACI SAĞLAM

  5. Tez No

    441714

    Zal Mahmut Paşa Camii yapısal davranışı ve geçmiş hasarların incelenmesi

    Stuctural behaviour of Zal Mahmut Pasa Mosques and review of past damages

    MEHMET NURİ YAVUZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL

Geri Dön