HEYELAN HAREKETLERİNİN FİBER OPTİK SİSTEMLERLE İZLENMESİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ MONITORING AND EVALUATION OF LANDSLIDE MOVEMENTS BY OPTICAL FIBER SYSTEMS Arzu ARSLAN KELAM* 1 Mustafa Kerem KOÇKAR 2 Haluk AKGÜN 3 ABSTRACT Landslides are one of the most destructive natural hazards in Turkey. There are several contributing factors that cause landslides such as geological and morphological characteristics, precipitation processes, groundwater level fluctuations, daily temperature changes, snow melt and seismic effects. The purpose of this study is to develop an in-situ monitoring and early warning system by using optical fibers in order to evaluate the effect of contributing factors on the deformation characteristics and to decrease the risk caused from landslides. During this study, a system that is composed of fiber optic cables and a device that sends laser signals and collects backscattered light; referred to as BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer) has been used. This system has a 1 m spatial resolution and it can detect strain with a 0.1με resolution along a 3 km cable. The system has been succesfully implemented for relating the strain on the cable with displacement due to its high sensitivity and continuous data gathering properties. For that purpose, the real case practice of the system has been implemented in a landslide area in Kocaeli. The deformation characteristics of the data gathered in the landslide region by fiber optic system have been processed along with the precipitation parameters. Moreover, the studies regarding the influence of other parameters such as seismic activity and groundwater level on the landslide movement are in progress. This study reveals that the optical fiber system already used as a monitoring system is also capable of detecting deformations and could be used as an early warning system in landslide prone regions. Keywords: Landslide monitoring system, Optical fiber system, Early warning system, Kocaeli ÖZET Heyelanlar, Türkiye’de meydana gelen en yıkıcı doğal afetlerdendir. Heyelanlarda kütle hareketine sebep olan çeşitli faktörler vardır. Bu faktörler; jeolojik ve jeomorfolojik karakterler, yağış özellikleri, yeraltı suyu seviyesi değişimleri, günlük sıcaklık farklılıkları, karın erimesi ve sismik etkilerdir. Bu çalışmanın amacı yukarıda bahsedilen bu faktörlerin, heyelanların deformasyon karakteristiği üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi ve heyelanlardan kaynaklanan tehlikeleri azaltmak için fiber optikleri kullanan yerinde izleme ve erken uyarı sistemi oluşturmaktır. Çalışmada kullanılan fiber optik sistem, fiber optik kablolar ve kablolara lazer gönderip geri yansıyan ışığı toplayan bir ölçüm cihazı olan BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer)’dan oluşmaktadır. Bu sistem, 1 m konumsal çözünürlüğe sahiptir ve 3 kilometrelik bir hat boyunca 0.1µε çözünürlükte gerinim (şekil * 1 Araş. Gör., Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, [email protected]2 Dr., Gazi Üniversitesi, Deprem Mühendisliği Uygulama ve Araştırma Merkezi, [email protected]3 Prof. Dr., Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, [email protected]843 7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
HEYELAN HAREKETLERİNİN FİBER OPTİK
SİSTEMLERLE İZLENMESİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ
MONITORING AND EVALUATION OF LANDSLIDE MOVEMENTS BY
OPTICAL FIBER SYSTEMS
Arzu ARSLAN KELAM*1 Mustafa Kerem KOÇKAR
2 Haluk AKGÜN
3
ABSTRACT
Landslides are one of the most destructive natural hazards in Turkey. There are several
contributing factors that cause landslides such as geological and morphological
characteristics, precipitation processes, groundwater level fluctuations, daily temperature
changes, snow melt and seismic effects. The purpose of this study is to develop an in-situ
monitoring and early warning system by using optical fibers in order to evaluate the effect of
contributing factors on the deformation characteristics and to decrease the risk caused from
landslides. During this study, a system that is composed of fiber optic cables and a device that
sends laser signals and collects backscattered light; referred to as BOTDA (Brillouin Optical
Time Domain Analyzer) has been used. This system has a 1 m spatial resolution and it can
detect strain with a 0.1με resolution along a 3 km cable. The system has been succesfully
implemented for relating the strain on the cable with displacement due to its high sensitivity
and continuous data gathering properties. For that purpose, the real case practice of the system
has been implemented in a landslide area in Kocaeli. The deformation characteristics of the
data gathered in the landslide region by fiber optic system have been processed along with the
precipitation parameters. Moreover, the studies regarding the influence of other parameters
such as seismic activity and groundwater level on the landslide movement are in progress.
This study reveals that the optical fiber system already used as a monitoring system is also
capable of detecting deformations and could be used as an early warning system in landslide
prone regions.
Keywords: Landslide monitoring system, Optical fiber system, Early warning system,
Kocaeli
ÖZET
Heyelanlar, Türkiye’de meydana gelen en yıkıcı doğal afetlerdendir. Heyelanlarda kütle
hareketine sebep olan çeşitli faktörler vardır. Bu faktörler; jeolojik ve jeomorfolojik
karakterler, yağış özellikleri, yeraltı suyu seviyesi değişimleri, günlük sıcaklık farklılıkları,
karın erimesi ve sismik etkilerdir. Bu çalışmanın amacı yukarıda bahsedilen bu faktörlerin,
heyelanların deformasyon karakteristiği üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi ve
heyelanlardan kaynaklanan tehlikeleri azaltmak için fiber optikleri kullanan yerinde izleme ve
erken uyarı sistemi oluşturmaktır. Çalışmada kullanılan fiber optik sistem, fiber optik kablolar
ve kablolara lazer gönderip geri yansıyan ışığı toplayan bir ölçüm cihazı olan BOTDA
(Brillouin Optical Time Domain Analyzer)’dan oluşmaktadır. Bu sistem, 1 m konumsal
çözünürlüğe sahiptir ve 3 kilometrelik bir hat boyunca 0.1µε çözünürlükte gerinim (şekil
*1 Araş. Gör., Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, [email protected] 2 Dr., Gazi Üniversitesi, Deprem Mühendisliği Uygulama ve Araştırma Merkezi, [email protected] 3 Prof. Dr., Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, [email protected]
843
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
değiştirme) değerlerini tespit edebilmektedir. Yüksek hassasiyeti ve sürekli veri alma
özellikleri sebebiyle sistem, kablodaki gerinim ölçümlerinin deformasyon ile
ilişkilendirilmesinde ve buna bağlı olarak heyelan izlemede Kocaeli’nde belirlenen pilot bir
heyelan sahasında başarıyla uygulanmıştır. Heyelan sahasında ölçümlenen deformasyon
verileri, yağış miktarı ile birlikte değerlendirilmiştir. Ayrıca, heyelanı tetikleyecek
faktörlerden olan sismik aktivite ve yeraltı suyu seviyesinin heyelan hareketine etkisi ile ilgili
çalışmaların uygulamaları başarılı bir şekilde devam etmektedir. Yapılan bu çalışma,
heyelanların oluşum mekanizmalarını izlemek için kullanılan fiber optik sistemin,
heyelanlarda meydana gelen deformasyon hareketlerini başarılı bir şekilde tespit edebilmekte
olduğunu ve olası tehlikelerin ivedi olarak değerlendirilmesi için erken uyarı sistemi olarak da
kullanılabileceğini göstermektedir.
Anahtar Kelimeler: Heyelan izleme sistemi, Fiber optik sistem, Erken uyarı sistemi, Kocaeli
1. GİRİŞ
Günümüzde, heyelanlardan kaynaklı tehlikelere dair farkındalık ve risk yönetimi kavramına
verilen önem hızla artmaktadır. Bunun sonucunda, izleme sistemlerinin afet risk yönetiminde
kullanımı yaygınlaşmaktadır. Heyelanları ve/veya şevleri izlemek için inklinometreler,
tiltmetreler, ekstensometreler, yer tabanlı LIDAR (Light Detection and Ranging) sistemleri
gibi farklı cihazlardan faydalanılan yöntemler kullanılmaktadır (Savvaidis, 2003; Pei ve diğ.,
2011). Ancak, bu yöntemlerin zamansal çözünürlükleri tekrarlanma peryotlarına bağlıdır ve
göreceli olarak daha azdır. Var olan diğer izleme sistemleri yerine fiber optikler, kolay
uygulanabilirlikleri ve hassasiyet üstünlükleri sebepleriyle tercih edilmiştir (Wang ve diğ.,
2008; Gupta, 2012). Fiber optik tabanlı teknoloji, deformasyon izleme ve bu izleme işlemi
esnasında aralıksız olarak veri alma özelliğine sahip olup, erken uyarı sistemi olarak da
kullanılabilmektedir. Jeomorfolojik parametreler, yağış rejimi, yeraltı suyu ve yüzey suları
seviyelerinin değişkenliği, günlük sıcaklık farklılığı, kar erimesi, sismik etki ve bunlara bağlı
olarak zeminlerin duraylılığını kaybetmesi kütle hareketlerinin öncelikli sebepleridir.
Türkiye’deki heyelanlar ve etkileri göz önüne alındığında bu sebeplerle oluşan
deformasyonların izlenmesinin can ve mal kaybını minimum seviyeye indireceği açıkça
söylenebilir.
Çalışmanın amacı, heyelanlardan kaynaklı tehlike ve buna bağlı riskleri azaltmak için fiber
optik yöntemleri kullanan bir yerinde izleme sistemi oluşturmaktır. Kullanılan fiber optik
sistem; fiber optik kablolar ve hem lazer ışık kaynağı hem de alıcı olarak görev yapan bir
ölçüm cihazı olan BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer)’dan oluşmaktadır. Bu
sistem, 1 m konumsal çözünürlüğe sahiptir ve 3 kilometrelik bir hat boyunca 0.1µε
çözünürlükte gerinim (şekil değiştirme) değerlerini tespit edebilmektedir. Sistem, fiber optik
kabloda heyelan hareketi sebebiyle oluşan birim deformasyonunu gerinim cinsinden ölçen bir
izleme düzeneğidir. Bu düzenek yardımıyla fiber optik kablolarla ölçülen gerinim (strain)
miktarı kütle hareketi ile birlikte değerlendirilmektedir. Fiber optik sistem, çalışmanın
uygulama sahası olan Kocaeli ili, Başiskele Belediyesi, Kılıçarslan Mahallesi Bahçecik
Mevkii’ndeki heyelanlı alana yerleştirilmiştir. Uygulama sahasına nihai yerleşimi Ocak
2016’da yapılmış olan sistem, bu tarihten itibaren sürekli gerinim verisi kaydederek
çalışmaktadır. Bu çalışmada Ocak-Temmuz 2016 tarihleri arasında alınan gerinim verisine ait
değerlendirmelere yer verilmiştir. Sonuçlar değerlendirilirken bölgenin yağış değişimi dikkate
alınmıştır. Dünyada örnekleri olmakla birlikte Türkiye’de heyelanlar için fiber optik
yöntemlerle yapılan ilk heyelan izleme sistemi olan bu çalışma ile, uygulama sahasındaki
heyelan başarılı olarak izlenmiş ve yağış değişiminin heyelan hareketine etkisi ortaya
koyulmuştur.
844
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
1.1. Fiber Optikler
Fiber optikler çekirdek ve kılıftan oluşan, genellikle cam (silika) veya plastikten yapılmış ince
kablolardır. Kablo, çekirdek ve çekirdeği çevreleyen kılıf olmak üzere iki ana bölümden
oluşur. Ayrıca, bu iki katmanın üstünde, çekirdek ve kılıfı koruyan bir kaplama yer alır. Işığın
fiber kablo içerisinde ilerleme prensibi Snell yasasına dayanmaktadır. Bu yasaya göre,
çekirdeğin kırılma indisi kılıfınkinden daha büyük olduğu için kablo içerisine gönderilen ışık
çekirdeğe hapsolarak burada ilerlemektedir. Bugün fiber optik sistemler telekominikasyondan
yapı sağlığının izlenmesine, petrol ve doğalgaz boru hatlarının izlenmesinden mühendislik
yapıları üzerinde erken uyarı sistemi oluşturulmasına kadar pek çok alanda
kullanılmaktadırlar.
Fiber optik 1800'lü yıllardan itibaren kullanılmaya başlanan bir teknolojidir, fakat heyelan
aktivitelerinin izlenmesinde kullanımı oldukça yenidir (Al-Azzawi, 2007). Başlangıçta
telekominikasyon amacıyla kullanılmış olsalar da günümüzde heyelan sahalarının
izlenmesinin yanı sıra diğer birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadırlar. Sahip
oldukları üstünlüklerden dolayı kullanım alanları gelişen teknolojiyle artmaktadır (Zhang ve
diğ., 2014).
Fiber optik sistem; fiber kablolar ile kabloya lazer gönderip yansıyan lazer ışığını toplayan bir
cihazdan oluşur. Kablonun sensör olarak kullanılmadığı sistemlerde ayrıca kabloya
yerleştirilen sensörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Fiber optik çalışmalarda kullanılan BOTDA
(Brillouin Optical Time Domain Analyzer) gibi sistemler fiber optik kabloya gönderilen ve
kablodan geri yansıyan ışığın gelme süresi arasındaki farkı değerlendirdiği için zaman alanı
(time domain) sistemleri olarak adlandırılırlar (Ohno ve diğ., 2001). Proje kapsamında
kullanılan BOTDA, Brillouin saçınımı prensibiyle çalışan bir fiber optik ölçüm cihazıdır.
Brillouin saçınımı gelen ve yansıyan ışık arasındaki frekans farkına bağlıdır (Halley, 1987).
BOTDA frekans cinsinden ölçüm yapmaktadır ve kabloda meydana gelen değişimler frekans
kayması (frequency shift) olarak algılanmaktadır (Thyagarajan ve Ghatak, 2007). Yüksek
hassasiyetli ölçüm kapasitesi, ölçüm aralığının geniş oluşu ve yüksek konumsal çözünürlüğe
sahip olması BOTDA teknolojisinin tercih edilmesinin ana sebepleridir (Shiqing ve Qian,
2011). BOTDA bir fiber kablo serimi için zıt yönlerden gelen lazerlere ihtiyaç duyar. Bu
durum, iki lazer arasındaki frekans farkı fiberin Brillouin frekansına eşit olduğunda cihazın
verdiği grafikte belirli yerlerde yarattığı pik (tepe) noktalarıyla oluşmaktadır (Xiaofei ve diğ.,
2011). Bu sistemde gerilme ya da sıcaklık gibi değişimler ölçülürken frekanslar arasındaki
değişikliklerin oluşturacağı grafikteki bu tepe noktaları dikkate alınarak işlemler
yapılmaktadır. Bu sayede fiber üzerinde hangi noktada ne kadar bir birim deformasyon
değişimi olduğu anlaşılmaktadır. Sistem uzun mesafelerde yüksek hassasiyetle sürekli
ölçümler alabilmektedir. Bu avantajlarından dolayı BOTDA sadece gerinim (şekil değiştirme)
ölçmede değil büyük mühendislik yapılarının deformasyonlarının ölçümünde de rahatlıkla
kullanılabilmektedir (Xiaofei ve diğ., 2011; Yin ve diğ., 2010).
2. ÇALIŞMA SAHASI
Çalışma sahası Kocaeli ili, Başiskele Belediyesi, Kılıçarslan Mahallesi Bahçecik
Mevkii’ndedir. Bu alanda 2010 yılında meydana gelen heyelan, önemli bir kütle hareketine
sebep olmuştur (Şekil 1). Heyelan alanı sitede yer alan 2 katlı bir müstakil evi ve arkasında
bulunan sitenin sosyal tesislerini tehdit ettiğinden, bölge 2012 yılında Kocaeli Afet ve Acil
Durum Müdürlüğü tarafından yapılan inceleme sonucunda afete maruz bölge ilan edilmiştir.
Heyelanlı bölge yaklaşık olarak 45-50 m genişliğinde ve 35-40 m yüksekliğindedir. Heyelan
alanındaki eğimin dik oluşu, var olan jeolojik birimlerin ayrışmış, zayıf dayanımlı oluşu ve
845
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
heyelanın topuk kısmında bulunan Sarılık deresinin mevsimsel değişimlere bağlı olarak aşırı
yağış aldığı zamanlarda yeraltı ve yerüstü su seviyesindeki ani değişimler kütle hareketinin
meydana gelmesinin ve sonrasında hareketliliğin devam etmesinin başlıca nedenleridir
(AFAD, 2012).
Şekil 1. Heyelanlı Bölgenin ve Heyelan Tarafından Tehdit Edilen Sitenin Vadinin Karşısından
Görünümü
2.1. Çalışma Sahasının Mühendislik Jeolojisi Özellikleri
Çalışma alanı Başiskele Belediyesi, Kılıçarslan Mahallesi, Bahçecik Mevkii’nde yer alan
Sarılık Deresi dere yatağının olduğu vadide bulunmaktadır. Alandaki litolojik birimler,
kumtaşı-silttaşı ardalanması olarak tanımlanmıştır. Arazi gözlemlerine göre bu birimler
Paleosen-Eosen yaşlı İncebel Formasyonu’na aittir. İstifte dağınık ve devamlı olmayan
süreksizlikler ve küçük ölçekli kıvrımlar gözlenmiştir. İncebel Formasyonu’nun üst
kısımlarında 1-2 m kalınlıkta bir örtü tabakası ve bu tabakanın altında kumtaşı-silttaşı-marn
istifilerinin ardalanmalı şekilde devam ettiği görülmüştür. Su seviyesi ise zaman zaman
heyelanın tabanında 3-4 m derinliğe kadar çıkmaktadır. Heyelan sınırları içerisindeki litoloji
Kumtaşı-silttaşı ardalanmasıdır. Birimler zayıf-çok zayıf dayanıma sahiptir ve orta-çok
ayrışmış durumdadır (ISRM, 1981). Silttaşı kumtaşından daha dayanımsız ve daha
ayrışmıştır. Dağınık süreksizlik setleri ISRM (1981)’e göre devamlı değildir ve kil
dolguludur. Sondaj verileri kullanılarak kaya kalitesinin (RQD) %0-%10 aralığında olduğu
görülmüş, buna göre birim çok zayıf kaya (ayrışmış/bozunmuş kaya) olarak
sınıflandırılmıştır. Çalışma alanının tektonik olarak deforme olmuş bir makaslama zonunda
yer alması ve süreksizlik verilerinin dağınık bir yapı izlemesi sebebiyle heyelanı oluşturan
kaya kütlesi, düzensiz eklemli, foliasyonlu ve deformasyona uğramış zemin gibi davranan
ayrışmış kaya olarak belirlenmiştir. Çalışma alanındaki heyelanın oluşmasına etki eden
faktörlerden birisi de bu zayıf zemin özellikleridir.
Sitenin tehdit
altındaki kısmı
Sitenin
sosyal tesisi
846
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Çalışma alanının bulunduğu yer Kocaeli İli’nde, Kuzey Anadolu Fay Sistemi (KAFS)’ne
yaklaşık 20 km uzaklıkta yer almaktadır. KAFS yaklaşık uzunluğu 1500 km olan sağ yanal
doğrultu atımlı bir fay sistemi olup ülkemizin en önemli aktif sismik kuşaklarından birisidir.
Özellikle 1999 yılında Kocaeli-Gölcük’te meydana gelen depremin can ve mal kaybına neden
olan yıkıcı sonuçları bilinmektedir. Heyelan sahası bölgedeki bu fay sistemine yakınlığı
sebebiyle sismik aktivitenin hem birincil hem de ikincil etkilerinin sahada şiddetli biçimde
hissedileceği bir bölgededir.
3.METODOLOJİ
Sistemdeki fiber optik kabloların heyelan içerisine uygun konfigürasyonlarla
yerleştirilmesinden önce, ölçümlerin doğru ve güvenilir bir şekilde alınması amacıyla
heyelanın deformasyona maruz kalacağı düşünülen en hareketli bölgesinin tespit edilmesi
çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla kütle hareketinin yoğun olduğu bölgelerin uyumluluğu
farklı yöntemlerle kontrol edilerek fiber kabloların uygun konfigürasyonlarla yerleştirilmesi
için test çalışmaları başlatılmıştır. Bu işlemler için, öncelikle heyelan geometrisi ve arazi
çalışmaları sonucu elde edilen zemin parametreleri ile limit denge analizleri kullanılarak
kayma mukavemeti ve sonlu eleman yöntemi (FEM) kullanılarak deformasyon analizleri ile
modelleme çalışmaları yapılmıştır (Arslan Kelam ve diğ., 2016). Ardından, fiber optik sistem
heyelan tacının arkasında bulunan konteynıra yerleştirilmiş ve belirlenen aktif alana kablo