ผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถม

1. ผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถมผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถม จาก Geotechnical Engineering of Embankment Dams, 1992, Fell, et.al. แปลเรียบเรียงโดย ดร.ธนู หาญพัฒนพานิชย์ ผชช.วธ. กุมภาพันธ์ 2549

2. ผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถมผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถม  แผ่นดินไหวก่อให้เกิดแรงกระทำเพิ่มเติมต่อตัวเขื่อนนอกเหนือไปจากแรงสถิตที่มีอยู่แล้ว แรงกระทำจากแผ่นดินไหวเป็นแรงกระทำที่เกิดขึ้นในระยะสั้นๆ ในลักษณะของการกระทำซ้ำๆ (cyclic) และเกิดขึ้นทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง ผลจากแรงแผ่นดินไหวอาจก่อให้เกิดปัญหาต่อไปนี้แก่เขื่อนอย่างใดอย่างหนึ่ง หรือ พร้อมกันหลาย ๆ อย่างก็ได้ 1

3. - การทรุดตัวหรือแตกร้าวของตัวเขื่อน โดยเฉพาะบริเวณใกล้สันเขื่อน - การยุบตัวของเขื่อนทำให้ระยะเผื่อพ้นน้ำ (free board) ต่ำลง อาจทำให้เกิดการไหลข้ามของน้ำ จากอ่างเก็บน้ำ - ความไม่มั่นคงของลาดตัวเขื่อน ฐานยัน และอาคารระบายน้ำล้น ทำให้เกิดการรั่วและเขื่อนพัง เสียหายได้ - การกลายเป็นทรายเหลวหรือสูญเสียกำลังรับแรงของมวลดินตัวเขื่อนและฐานราก เนื่องมาจาก การเพิ่มสูงขึ้นของแรงดันน้ำภายในมวล - การเคลื่อนตัวของระนาบรอยเลื่อนที่พาดผ่านฐานรากเขื่อน - การไหลท้นของน้ำข้ามสันเขื่อน เนื่องจากคลื่นน้ำ (Seiches) ที่เกิดจากแรงสั่นสะเทือนของ แผ่นดินไหว - การไหลท้นของน้ำข้ามสันเขื่อน เนื่องจากคลื่นน้ำที่เกิดจากดินถล่มขนาดใหญ่ที่ขอบอ่างเก็บน้ำ - การเสียหายของท่อระบายน้ำลอดตัวเขื่อน ซึ่งจะทำให้เกิดน้ำรั่วลอดตัวเขื่อนและกัดพาเขื่อน เสียหาย 2

4. โอกาสเกิดปัญหาข้างต้นขึ้นอยู่กับโอกาสเกิดปัญหาข้างต้นขึ้นอยู่กับ 1. ขนาดของแรงแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้น 2. สภาพของฐานราก และภูมิประเทศ 3. ชนิดของเขื่อน 4. ขนาดของเขื่อน การศึกษา สำรวจ ออกแบบ และก่อสร้าง เพื่อรองรับแรงแผ่นดินไหว จึงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบข้างต้น และเกณฑ์ความสำคัญของเขื่อน (hazard rating) 3

5. ความแรงของแผ่นดินไหว กำหนดได้จากค่าต่อไปนี้ 1. ขนาดแผ่นดินไหว (Magnitude) เช่น มาตรา Richter 2. ความรุนแรง (Intensity) เช่น มาตรา Modified Mercalli 3. ค่าอัตราเร่ง (Acceleration) มักวัดเป็นสัดส่วนเทียบกับขนาดของแรง ดึงดูดโลก (ค่า g) การเคลื่อนที่ของคลื่นแผ่นดินไหวไปตามพื้นดิน โดยทั่วไปจะเกิดการลดทอน (Attenuation) ของแรงแผ่นดินไหว การเคลื่อนที่ของคลื่นไปตามชั้นหิน ความแรงจึงลดลงไปเรื่อย ๆ ตามระยะทาง แต่ในบางกรณี เช่น เมื่อคลื่นเคลื่อนที่เข้าสู่ตัวกลางที่หลวม เช่น ดินตะกอนแม่น้ำ จะทำให้เกิดการขยายตัว (Amplify) ของคลื่นได้ ความแรงของแผ่นดินไหว จึงเพิ่มความแรงได้ เช่นที่เกิดขึ้นกับแผ่นดินไหว Maxico City ในปี พ.ศ.2528 คลื่นแผ่นดินไหวในชั้นหินวัดได้เพียง 0.03 g เพราะอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวมากถึง 400 กิโลเมตร แต่ที่ผิวของชั้นดิน แรงแผ่นดินไหวขยายขึ้นเป็น 0.17 g ด้วยความถี่ที่ลดลง จึงก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่ออาคารบนผิวดินที่ไม่ได้ออกแบบไว้รับแรงแผ่นดินไหว มีคนเสียชีวิตนับหมื่น 4

6. การออกแบบเพื่อรองรับแผ่นดินไหวการออกแบบเพื่อรองรับแผ่นดินไหว ICOLD (Bulletin 46, 1983) ได้แนะนำค่าแรงแผ่นดินไหวสำหรับออกแบบไว้ 2 ค่า 1. Design Basis Earthquake (DBE)หมายถึง ค่าขนาดแผ่นดินไหวที่ใช้สำหรับการออกแบบ จะเป็นแผ่นดินไหวที่สูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างน้อย 1 ครั้ง ในช่วงอายุของอาคาร (บางครั้งก็เรียก Operating Basis Earthquake, OBE) โดยทั่วไปจะพิจารณาสำหรับคาบอายุที่มากกว่า 100 ปีขึ้นไป ค่าแผ่นดินไหวนี้จะหาได้จากวิธีการวิเคราะห์แบบความน่าจะเป็น (Probabilistic analysis) จากแผ่นดินไหวที่เคยบันทึกไว้ได้ 2. Maximum Credible Earthquake (MCE)หมายถึง ค่าขนาดแผ่นดินไหวสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นต่อเขื่อน โดยพิจารณาจากแผ่นดินไหวของรอยเลื่อนมีพลังรอบ ๆ บริเวณที่ตั้งเขื่อนหาได้ด้วยวิธีกำหนดค่า (Deterministic Analysis) 5

7. ข้อกำหนดของ ICOLD คือ ภายใต้แผ่นดินไหว MCE การออกแบบเขื่อนจะต้องรองรับไม่ให้เกิด 1) วัสดุตัวเขื่อน และฐานรากกลายเป็นดินเหลว 2) เกิดการทรุดตัว เลื่อนตัวของลาดเขื่อนและฐานราก 3)เกิดการสูญเสียระยะเผื่อพ้นน้ำ 4)เกิดการแตกตัวของเขื่อนจนน้ำไหลรั่วโดยควบคุมไม่ได้ 5) อาคารระบายน้ำ และอุปกรณ์ เสียหายรุนแรงจนเป็นอันตรายต่อเขื่อน ส่วนข้อกำหนดของ ICOLD ภายใต้ DBE เสนอไว้ว่า เขื่อนอาจเสียหายได้แต่ความมั่นคงของตัวเขื่อนยังคงอยู่ ส่วนประกอบอื่น ๆ ของเขื่อนยังคงใช้งานได้ ICOLD (Bulletin 72, 1989) ได้กำหนดเพิ่มเติมให้ใช้ Maximum Design Earthquake มีค่าเท่ากับ หรือ น้อยกว่า MCE 6

8. การประมาณค่า DBE โดยทั่วไปจะหาได้ด้วยวิธี ความน่าจะเป็น จากข้อมูลแผ่นดินไหวบริเวณรอบๆ ที่ตั้งเขื่อน โดยแนะนำให้ใช้วิธีของ Cornell 1968 หรือ McGuire 1976 ซึ่งมีขั้นตอน ดังนี้ 1. รวบรวมข้อมูลขนาด จุดศูนย์กลาง ที่ตั้งและความลึกของแผ่นดินไหว 2. เลือกใช้สมการการลดทอน (attenuation equation) เพื่อ ประเมินค่าอัตร เร่งสูงสุด (peak ground acceleration, PGA) ณ ที่ตั้งเขื่อนที่เกิดจา แผ่นดินไหว สมการอาจได้มาจากบันทึกอัตราเร่งที่วัดได้จากแผ่นดินไหว หรือใช้สมการที่มีเผยแพร่ทั่วไป หลาย ๆ สมการ โดยต้องคัดเลือกให้ เหมาะสมกับสภาพทางธรณีวิทยา และสภาพแรงกระทำในเปลือกโลก (tectonic) ของที่ตั้งเขื่อน 3. แสดงค่า PGA ลงในกราฟเทียบกับคาบเวลาของการเกิด แล้วหาค่า คาบเวลาเกิดของแรงแผ่นดินไหวของ DBE (ดูรูปที่ 1) 7

9. รูปที่ 1 8

10. การประมาณค่า MCE โดยทั่วไปควรใช้วิธีกำหนดค่า (Deterministic Analysis) มากกว่าวิธีความน่าจะเป็น มีขั้นตอนดังนี้ 1. ค้นหารอยเลื่อนสำคัญ ๆ ในพื้นที่รอบ ๆ เขื่อน (อาจครอบคลุมรัศมีหลายร้อยกิโลเมตร โดยทั่วไปใช้ประมาณ 200-300 กิโลเมตร) 2. ประเมินความมีพลังของรอยเลื่อนแต่ละแนว โดยเฉพาะการมีบันทึกการเกิดแผ่นดินไหวที่ แนวรอยเลื่อน นั้น ๆ อาจต้องใช้ข้อมูลทางธรณีวิทยาสัณฐาน ข้อมูลทางประวัติศาสตร์ การขุดร่องสำรวจหาอายุการเคลื่อนตัวของชั้นดินบนรอยเลื่อน เพื่อหาช่วงอายุของการ เคลื่อนตัวครั้งต่าง ๆ 3. ประเมินขนาดแผ่นดินไหวสูงสุดของแต่ละรอยเลื่อน โดยต้องพิจารณาจากขนาดความยาว ของรอยเลื่อนรวมถึงต้องพิจารณารวมเอาแผ่นดินไหวที่เกิดกระจายทั่วไปในพื้นที่ด้วย(Back ground earthquake) ทำการแสดงค่าระหว่างคุณสมบัติต่าง ๆ ที่สำคัญของรอยเลื่อน เช่น ความยาว, ความลึก เทียบกับขนาดแผ่นดินไหว (รูปที่ 2) 9

11. รูปที่ 2 10

12. การประมาณค่า MCE (ต่อ) 4. ประเมินค่าอัตราเร่งสูงสุดที่จุดตั้งเขื่อนที่เกิดจากค่า MCE ของแต่ละรอยเลื่อน ด้วยสมการ ลดทอนที่เหมาะสม แล้วจึงวิเคราะห์หาค่าแผ่นดินไหวสูงสุด ด้วยเหตุที่ช่วงเวลาของการ สั่นสะเทือน, คาบเวลาของการสั่นสะเทือนขึ้นอยู่กับขนาดของแผ่นดินไหว และมีผลกระทบ ต่อเขื่อนได้ เช่นเดียวกับขนาดของแผ่นดินไหว จึงควรทำการวิเคราะห์หาค่า MCE จาก แผ่นดินไหวหลาย ๆ แนว 5. ในกรณีที่ไม่สามารถประมาณค่า MCE ได้ด้วยวิธีกำหนดค่า อาจต้องใช้วิธีความน่าจะเป็นก็ ได้ โดยต้องใช้โอกาสเกิดแผ่นดินไหวมากกว่า 1 ใน 10,000 (คาบเวลาเกิดซ้ำ 10,000 ปี) ค่า DBE และ MCE ที่ได้จะนำไปใช้ในการคำนวณหาค่าอัตราเร่งสูงสุดและสร้างคลื่นแผ่นดินไหว เพื่อใช้ในการคำนวณความมั่นคงเขื่อนแบบ Dynamic 11

13. การเกิดแผ่นไหวที่กระตุ้นด้วยการเก็บกักน้ำ (Reservoir Trigger Seismic) ICOLD (1989) สรุปไว้ว่า - อ่างเก็บน้ำสามารถกระตุ้นให้เกิดแผ่นดินไหว ขนาดสูงสุดได้ ระหว่าง 5 ถึง 6.5 - ส่วนใหญ่เกิดในเขื่อนที่มีความจุใหญ่มาก และเขื่อนมีความสูงมาก ขนาดความจุที่เป็นไปได้ คือ มากกว่า 100 ล้านลูกบาศก์เมตร และ มีระดับเก็บกักสูงมากกว่า 100 เมตร - โอกาสเกิดแผ่นดินไหวลักษณะข้างต้น ต้องนำไปรวมพิจารณาหา ค่าแรงกระทำแผ่นดินไหวด้วย 12

14. THANK YOU