ความมั่นคงปลอดภัยของเขื่อนชลประทานจากแรงกระทำแผ่นดินไหว

1

ภัยพิบัติจากแผ่นดินไหวก่อให้เกิด ความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงกระทำแผ่นดินไหวต่อโครงสร้างเขื่อน ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม มีเขื่อนเพื่อการชลประทานใช้งานอยู่มากกว่า 4,000 เขื่อน ในอดีตประเทศไทยไม่มีเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่รุนแรงที่สร้างความเสียหายให้แก่เขื่อน มาตรฐานการออกแบบเขื่อนจึงยังมีข้อจำกัดด้านความมั่นคงปลอดภัย เนื่องจากเขื่อนเพื่อการชลประทานส่วนใหญ่เป็นเขื่อนขนาดกลางและขนาดเล็ก การออกแบบไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบของวัสดุตัวเขื่อนจากแรงกระทำแผ่นดินไหวในเชิงพลศาสตร์

ด้วยเล็งเห็นความสำคัญของปัจจัยที่มีผลต่อการต้านทานแรงกระทำแผ่นดินไหวและแนวทางป้องกันผลกระทบจากแผ่นดินไหวต่อเขื่อนเพื่อการชลประทานในประเทศไทย ผศ.ดร.สุทธิศักดิ์ ศรลัมพ์ และคณะวิจัยจากศูนย์วิจัยและพัฒนาวิศวกรรมปฐพีและฐานราก ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงได้ทำการศึกษาผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนเพื่อการชลประทานในประเทศไทย โดยมุ่งเน้นที่เขื่อนขนาดกลางและขนาดเล็ก ศึกษาคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของชั้นวัสดุถมตัวเขื่อนและชั้นฐานรากที่ก่อสร้างเขื่อนชลประทานในประเทศไทย ศึกษาปัจจัยด้านองค์ประกอบตัวเขื่อนที่มีผลต่อพฤติกรรมการตอบสนองทางพลศาสตร์ของเขื่อนต่อแรงกระทำแผ่นดินไหว เพื่อศึกษาถึงอันตรายเนื่องจากการขยายความรุนแรงของชั้นดินตะกอนฐานรากที่ส่งผลถึงความปลอดภัยของเขื่อนต่อแรงกระทำแผ่นดินไหวร่วมกับหน่วยงานที่เกี่ยวข้องปรับปรุงข้อกำหนดในการออกแบบ ชนิดและองค์ประกอบเขื่อนที่เหมาะสมในการป้องกันการเกิดความเสียหายจากแรงกระทำแผ่นดินไหว

 2

                    รูปทรงทั่วไปของหน้าตัดเขื่อนดินถมเนื้อเดียวและเขื่อนดินถมแบ่งส่วนที่ใช้ในการวิเคราะห์

3

                                                          ตัวอย่างการวิเคราะห์ค่า Kh และ Ky ของเขื่อน

งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเขื่อนดินเพื่อการชลประทาน ที่มีความสูงไม่เกิน 30 เมตร ในบริเวณพื้นที่เสี่ยงภัยแผ่นดินไหว 2ก และ 2ข ตามแผนที่เสี่ยงภัยแผ่นดินไหวของกรมทรัพยากรธรณี ปี 2550 จากแบบก่อสร้าง 79 เขื่อนที่ศึกษา ประกอบด้วยเขื่อนดินถมแบ่งส่วน 58 เขื่อน และเขื่อนดินถมเนื้อเดียว 21 เขื่อน โดยมีการแบ่งกลุ่มตามความสูงเขื่อนและชนิดชั้นกรอง ทำการวิเคราะห์ทางพลศาสตร์โดยศึกษาองค์ประกอบตัวเขื่อนที่เกี่ยวข้องกับการต้านทานแรงกระทำแผ่นดินไหวที่สำคัญ ได้แก่ ระยะเผื่อต้องสูงมากเพียงพอต่อการทรุดตัวในขณะรับแรงสั่นไหว สันเขื่อนและแกนเขื่อน ต้องไม่เกิดรอยแตกภายใน ชั้นกรองต่างๆ สามารถควบคุมการกัดเซาะภายในและยังทำงานได้เมื่อสันเขื่อนทรุดตัว รวมถึงตัวเขื่อนที่ต้องไม่เกิดการเลื่อนไถลและเคลื่อนตัวมากจนเกิดการไหลล้นข้ามสันเขื่อน ทั้งในระหว่างและหลังจากต้านทานแรงกระทำแผ่นดินไหว

4

Mode shape ของการเคลื่อนตัวในแนวราบของเขื่อนดินถมเนื้อเดียวและเขื่อนดินถมแบ่งส่วน

5       

                     แรงเฉือนที่เกิดจากแรงกระทำแผ่นดินไหว M3 ที่ Peak time ของเขื่อน

การศึกษารูปแบบและองค์ประกอบเขื่อน จากแบบก่อสร้างนี้ ต้องจำลองรูปแบบเขื่อนในการวิเคราะห์การตอบสนองของเขื่อนทางพลศาสตร์ให้ครอบคลุมกับรูปแบบเขื่อนที่มีอยู่จริงในประเทศไทย จากแบบก่อสร้างจำนวน 79 เขื่อน ซึ่งองค์ประกอบของเขื่อนที่สัมพันธ์กับขนาดและรูปร่างของแบบจำลอง และนำมาพิจารณาร่วมกับขนาดขององค์ประกอบที่ทำให้เขื่อนมีความแข็งแรงน้อยที่สุดเมื่อต้านทานแรงกระทำแผ่นดินไหว แต่ไม่น้อยกว่าเกณฑ์ที่กรมชลประทานกำหนดไว้ ข้อมูลแผ่นดินไหวที่ใช้ในการวิเคราะห์ในงานวิจัยได้มาจากฐานข้อมูลของ PEER ซึ่งทำการคัดเลือกจากขนาด 5-6 และ 6-7 ริกเตอร์ ที่ระยะทางไม่เกิน 30 และ 60 กิโลเมตร ซึ่งเป็นคลื่นที่ตรวจวัดได้ในชั้นหิน

6

                                              แรงเฉือนที่เกิดจากแรงกระทำแผ่นดินไหว M3 ที่ Peak time ของเขื่อน

ผลจากการรวบรวมข้อมูลเพื่อจัดทำฐานข้อมูลเขื่อน สามารถเก็บข้อมูลได้จำนวน 478 เขื่อน ทั้งเขื่อนขนาดใหญ่ ขนาดกลางและขนาดเล็ก โดยข้อมูลประกอบด้วยรหัสเขื่อน ชื่อเขื่อน ละติจูดและลองติจูดที่ตั้ง พิกัดแผนที่ ชื่อตำบล อำเภอและจังหวัดที่ตั้งเขื่อน ประเภทของเขื่อน ความสูง ความยาว ความจุของอ่างเก็บน้ำ และปีที่ก่อสร้างเสร็จ ระยะห่างที่น้อยที่สุดจากเขื่อนถึงชุมชนท้ายน้ำและจำนวนประชากรที่อาศัยในแหล่งชุมชน  

 7

                                  การเคลื่อนตัวที่แตกต่างกันบริเวณสันเขื่อนดินถมแบ่งส่วน

จากข้อมูลที่ได้นี้พบว่ามีเขื่อนที่ตั้งอยู่เขตเสี่ยงภัยแผ่นดินไหว (2ข) จำนวน 18 เขื่อนตั้งอยู่บริเวณเสี่ยงภัยปานกลาง (เขต 2ก) จำนวน 97 เขื่อน ตั้งอยู่บริเวณเสี่ยงภัยน้อย (เขต 1) จำนวน 40เขื่อน และมีเขื่อนที่ตั้งอยู่ในพื้นที่ไม่เสี่ยงต่อการเกิดแผ่นดินไหว (เขต 0) จำนวน 111 เขื่อน โดยส่วนใหญ่เป็นเขื่อนดินถมจำนวน 262 เขื่อน เป็นเขื่อนอายุตั้งแต่ 6-35 ปี (นับถึง พ.ศ. 2549) จำนวน 197 เขื่อนโดยเขื่อนส่วนใหญ่มีความสูง 5-15 เมตร จำนวน 149 เขื่อน มีปริมาณเก็บกัก 2.1-100 ล้านลูกบาศก์เมตร จำนวน 142 เขื่อน มี 260 เขื่อนที่มีหมู่บ้านตั้งอยู่ใกล้เขื่อนภายใน 5 กิโลเมตร โดยส่วนใหญ่แต่ละเขื่อนมีประชากรอาศัยอยู่ในแหล่งชุมชนประมาณ 260-3600 คน

ผลการศึกษาหน้าตัดเขื่อนที่ได้ดำเนินการก่อสร้างจริงจาก 79 เขื่อนของกรมชลประทาน พบว่า 74% เป็นเขื่อนดินถมแบ่งส่วน มีความสูง 15-40 เมตร อีก 26% เป็นเขื่อนดินถมเนื้อเดียว สูง 15-30 เมตร ส่วนใหญ่มีขนาดสันเขื่อนกว้าง 8 เมตร มีชั้นกรองทั้งแบบ Horizontal, Vertical และ Chimney กว้าง 2 เมตร ทั้งเขื่อนดินถมเนื้อเดียวและเขื่อนดินถมแบ่งส่วนมีความลาดชันด้านเหนือน้ำ 1:3 และความลาดชันด้านท้ายน้ำ 1:2.5 ซึ่งองค์ประกอบดังกล่าวมีความสำคัญต่อการต้านทานแรงกระทำแผ่นดินไหว โดยทั้งหมดมีขนาดตามเกณฑ์ของกรมชลประทาน (2545)

ผลการศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานและคุณสมบัติทางวิศวกรรมของวัสดุถมตัวเขื่อน พบว่าแต่ละองค์ประกอบเขื่อนประกอบด้วยดินหลายประเภท

ผลการศึกษาความมั่นคงปลอดภัยของเขื่อนเพื่อการชลประทานในประเทศไทยจากแรงกระทำแผ่นดินไหวโดยการวิเคราะห์การตอบสนองทางพลศาสตร์ด้วยแบบจำลองคณิตศาสตร์  โดยให้แรงแผ่นดินไหวกระทำในแนวราบ(Kh)มีหน่วยเป็นจำนวนเท่าของค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก(g) และค่า Kh ที่ทำให้อัตราส่วนความลาดชันเท่ากับ 1 เรียกว่า  Yield acceleration (Ky) ผลการวิจัยพบว่าค่า Ky ของเขื่อนดินถมอยู่ระหว่าง 0.54g ถึง0.63g  และเขื่อนดินถมแบ่งส่วนมีค่าระหว่าง 0.4g ถึง 0.43g ซึ่งมีค่าสูงกว่าค่า Kh ที่ใช้ในการออกแบบเขื่อนในประเทศไทยมาก  ทำให้สรุปเบื้องต้นได้ว่า เขื่อนที่จำลองรูปแบบขึ้นนี้มีอัตราส่วนความปลอดภัยผ่านตามเกณฑ์มาตรฐาน โอกาสที่ตัวเขื่อนขนาดกลางและขนาดเล็กในประเทศไทยจะเสียหายเนื่องจากแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวจะมีน้อย ในขณะที่ผลการวิเคราะห์ค่าการทรุดตัวของตัวเขื่อน พบว่าค่าการทรุดตัวของตัวเขื่อน มีการเคลื่อนตัวหรือมีความเสียหายไม่มากนักภายใต้การรับแรงกระทำแผ่นดินไหวตามค่าในแบบจำลองที่ใช้ในงานวิจัยนี้

%e0%b8%aa%e0%b8%b8%e0%b8%97%e0%b8%98%e0%b8%b4%e0%b8%a8%e0%b8%b1%e0%b8%81%e0%b8%94%e0%b8%b4%e0%b9%8c2 ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.สุทธิศักดิ์ ศรลัมพ์

ผู้ร่วมวิจัย : นายชิโนรส ทองธรรมชาติ นายมนตรี จินากุลวิพัฒน์ 

นางสาวบัญชรี คำมา  นายเมฆ เมฆขาว  นายคมจักร กลิ่นภักดี

นายเจษฎา เฟื่องอักษร  น.ส.ศิริลักษณ์ ศิริสิงห์

ศูนย์วิจัยและพัฒนาวิศวกรรมปฐพีและฐานราก

ภาควิชาวิศวกรรมโยธา

คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

e-mail : rdiwan@ku.ac.th

ผศ.ดร.สุทธิศักดิ์ ศรลัมพ์