Transcript ผลกระทบของแผ่นดินไหวต่อเขื่อนถม จาก Geotechnical Engineering of Embankment Dams, 1992, Fell, et.al. แปลเรียบเรียงโดย

ผลกระทบของแผ่ นดินไหวต่ อเขื่อนถม
จาก Geotechnical Engineering of Embankment Dams, 1992, Fell, et.al.
แปลเรียบเรียงโดย
ดร.ธนู หาญพัฒนพานิชย์
ผชช.วธ.
กุมภาพันธ์ 2549
ผลกระทบของแผ่ นดินไหวต่ อเขื่อนถม
แผ่ นดินไหวก่ อให้ เกิดแรงกระทาเพิ่มเติมต่ อตัวเขื่ อน
นอกเหนื อไปจากแรงสถิตที่มีอยู่แล้ ว แรงกระทาจากแผ่ นดินไหวเป็ นแรง
กระทาที่เกิดขึน้ ในระยะสั้ นๆ ในลักษณะของการกระทาซ้าๆ (cyclic) และ
เกิดขึ้นทั้งในแนวราบและแนวดิ่ง ผลจากแรงแผ่ นดินไหวอาจก่ อให้ เกิด
ปัญหาต่ อไปนีแ้ ก่เขื่อนอย่ างใดอย่ างหนึ่ง หรื อ พร้ อมกันหลาย ๆ อย่ างก็ได้


1
- การทรุดตัวหรื อแตกร้ าวของตัวเขื่อน โดยเฉพาะบริเวณใกล้ สันเขื่อน
- การยุบตัวของเขื่อนทาให้ ระยะเผื่อพ้ นน้า (free board) ต่าลง อาจทาให้ เกิดการไหลข้ ามของน้า
จากอ่ างเก็บน้า
- ความไม่ มั่นคงของลาดตัวเขื่อน ฐานยัน และอาคารระบายน้าล้ น ทาให้ เกิดการรั่ วและเขื่อนพัง
เสี ยหายได้
- การกลายเป็ นทรายเหลวหรื อสู ญเสี ยกาลังรั บแรงของมวลดินตัวเขื่อนและฐานราก เนื่ องมาจาก
การเพิม่ สู งขึน้ ของแรงดันน้าภายในมวล
- การเคลื่อนตัวของระนาบรอยเลื่อนที่พาดผ่ านฐานรากเขื่อน
- การไหลท้ นของน้าข้ ามสั นเขื่ อน เนื่ องจากคลื่ นน้า (Seiches) ที่เกิดจากแรงสั่ นสะเทื อนของ
แผ่ นดินไหว
- การไหลท้ นของน้าข้ ามสั นเขื่อน เนื่องจากคลื่นน้าที่เกิดจากดินถล่ มขนาดใหญ่ ที่ขอบอ่ างเก็บน้า
- การเสี ยหายของท่ อระบายน้าลอดตัวเขื่อน ซึ่ งจะทาให้ เกิดน้ารั่ วลอดตัวเขื่ อนและกัดพาเขื่อน
เสี ยหาย
2
โอกาสเกิดปัญหาข้ างต้ นขึน้ อยู่กบั
1.
2.
3.
4.
ขนาดของแรงแผ่ นดินไหวทีเ่ กิดขึน้
สภาพของฐานราก และภูมิประเทศ
ชนิดของเขื่อน
ขนาดของเขื่อน
การศึกษา สารวจ ออกแบบ และก่ อสร้ าง เพื่อรองรับแรงแผ่ นดิ นไหว
จึ ง ขึ้น อยู่ กั บ องค์ ป ระกอบข้ า งต้ น และเกณฑ์ ค วามส าคั ญ ของเขื่ อ น
(hazard rating)
3
ความแรงของแผ่ นดินไหว กาหนดได้ จากค่ าต่ อไปนี้
1. ขนาดแผ่นดินไหว (Magnitude) เช่ น มาตรา Richter
2. ความรุ นแรง (Intensity) เช่ น มาตรา Modified Mercalli
3. ค่ า อั ต ราเร่ ง (Acceleration) มั ก วั ด เป็ นสั ด ส่ วนเที ย บกั บ ขนาดของแรง
ดึงดูดโลก (ค่ า g)
การเคลื่ อ นที่ ข องคลื่ น แผ่ น ดิ น ไหวไปตามพื้ น ดิ น โดยทั่ ว ไปจะเกิ ด การลดท อน
(Attenuation) ของแรงแผ่ นดินไหว การเคลื่อนที่ของคลื่นไปตามชั้นหิน ความแรงจึ งลดลง
ไปเรื่ อย ๆ ตามระยะทาง แต่ ในบางกรณี เช่ น เมื่อคลื่นเคลื่อนที่เข้ าสู่ ตัวกลางที่หลวม เช่ น
ดิ น ตะกอนแม่ น้ า จะท าให้ เ กิ ด การขยายตั ว (Amplify) ของคลื่ น ได้ ความแรงของ
แผ่ นดินไหว จึงเพิม่ ความแรงได้ เช่ นที่เกิดขึน้ กับแผ่ นดินไหว Maxico City ในปี พ.ศ.2528
คลื่นแผ่ นดินไหวในชั้นหินวัดได้ เพียง 0.03 g เพราะอยู่ห่างจากแหล่ งกาเนิดแผ่ นดินไหวมาก
ถึง 400 กิโลเมตร แต่ ที่ผิวของชั้ นดิน แรงแผ่ นดินไหวขยายขึน้ เป็ น 0.17 g ด้ วยความถี่ที่
ลดลง จึงก่ อให้ เกิดความเสี ยหายอย่ างรุ นแรงต่ ออาคารบนผิวดินที่ไม่ ได้ ออกแบบไว้ รับแรง
แผ่ นดินไหว มีคนเสี ยชีวติ นับหมื่น
4
การออกแบบเพื่อรองรับแผ่ นดินไหว
ICOLD (Bulletin 46, 1983) ได้ แนะนาค่ าแรงแผ่ นดินไหวสาหรับออกแบบไว้ 2 ค่ า
1. Design Basis Earthquake (DBE) หมายถึง ค่ าขนาดแผ่นดินไหวทีใ่ ช้ สาหรั บ
การออกแบบ จะเป็ นแผ่ นดินไหวทีส่ ู งสุ ดทีค่ าดว่ าจะเกิดขึน้ อย่ างน้ อย 1 ครั้ง
ในช่ วงอายุของอาคาร (บางครั้งก็เรียก Operating Basis Earthquake, OBE)
โดยทัว่ ไปจะพิจารณาสาหรับคาบอายุทมี่ ากกว่ า 100 ปี ขึน้ ไป ค่ าแผ่ นดินไหวนีจ้ ะ
หาได้ จากวิธีการวิเคราะห์ แบบความน่ าจะเป็ น (Probabilistic analysis) จาก
แผ่นดินไหวทีเ่ คยบันทึกไว้ ได้
2. Maximum Credible Earthquake (MCE) หมายถึง ค่ าขนาดแผ่นดินไหว
สู งสุ ดทีค่ าดว่ าจะเกิดขึน้ ต่ อเขื่อน โดยพิจารณาจากแผ่ นดินไหวของรอยเลื่อนมี
พลังรอบ ๆ บริเวณทีต่ ้งั เขื่อน หาได้ ด้วยวิธีกาหนดค่ า (Deterministic Analysis)
5
ข้ อกาหนดของ ICOLD คือ ภายใต้ แผ่ นดินไหว MCE การออกแบบเขื่อน
จะต้ องรองรับไม่ ให้ เกิด
1) วัสดุตวั เขื่อน และฐานรากกลายเป็ นดินเหลว
2) เกิดการทรุดตัว เลื่อนตัวของลาดเขื่อนและฐานราก
3)เกิดการสู ญเสี ยระยะเผื่อพ้นนา้
4)เกิดการแตกตัวของเขื่อนจนนา้ ไหลรั่วโดยควบคุมไม่ ได้
5) อาคารระบายนา้ และอุปกรณ์ เสี ยหายรุนแรงจนเป็ นอันตรายต่ อเขื่อน
ส่ วนข้ อกาหนดของ ICOLD ภายใต้ DBE เสนอไว้ ว่า
เขื่อนอาจเสี ยหายได้ แต่ ความมั่นคงของตัวเขื่อนยังคงอยู่ ส่ วนประกอบ
อื่น ๆ ของเขื่อนยังคงใช้ งานได้
ICOLD (Bulletin 72, 1989) ได้ กาหนดเพิม่ เติมให้ ใช้ Maximum
Design Earthquake มีค่าเท่ ากับ หรื อ น้ อยกว่ า MCE
6
การประมาณค่ า DBE
โดยทั่วไปจะหาได้ ด้วยวิธี ความน่ าจะเป็ น จากข้ อมู ลแผ่ นดินไหวบริ เ วณรอบๆ
ที่ต้ังเขื่อน โดยแนะนาให้ ใช้ วิธีของ Cornell 1968 หรื อ McGuire 1976 ซึ่ งมี
ขั้นตอน ดังนี้
1. รวบรวมข้ อมูลขนาด จุดศูนย์ กลาง ทีต่ ้งั และความลึกของแผ่ นดินไหว
2. เลือกใช้ สมการการลดทอน (attenuation equation) เพื่อ ประเมินค่ าอัตร
เร่ งสู งสุ ด (peak ground acceleration, PGA) ณ ที่ต้ังเขื่อนที่เกิดจา
แผ่ นดินไหว สมการอาจได้ มาจากบันทึกอัตราเร่ งที่วัดได้ จากแผ่ นดินไหว
หรื อใช้ สมการที่มีเ ผยแพร่ ทั่วไป หลาย ๆ สมการ โดยต้ องคัดเลื อ กให้
เหมาะสมกับสภาพทางธรณี วิทยา และสภาพแรงกระทาในเปลื อกโลก
(tectonic) ของทีต่ ้งั เขื่อน
3. แสดงค่ า PGA
ลงในกราฟเที ย บกั บ คาบเวลาของการเกิด แล้ ว หาค่ า
คาบเวลาเกิดของแรงแผ่นดินไหวของ DBE (ดูรูปที่ 1)
7
รู ปที่ 1
8
การประมาณค่ า MCE
โดยทั่วไปควรใช้ วธิ ีกาหนดค่ า (Deterministic Analysis) มากกว่าวิธีความน่ าจะเป็ น มีข้ ันตอนดังนี้
1. ค้ น หารอยเลื่ อ นส าคั ญ ๆ ในพื้ น ที่ ร อบ ๆ เขื่ อ น (อาจครอบคลุ ม รั ศ มี ห ลายร้ อยกิ โ ลเมตร
โดยทั่วไปใช้ ประมาณ 200-300 กิโลเมตร)
2. ประเมินความมีพลังของรอยเลื่อนแต่ ละแนว โดยเฉพาะการมีบันทึกการเกิดแผ่ นดินไหวที่
แนวรอยเลื่อน นั้น ๆ อาจต้ องใช้ ข้อมูลทางธรณีวิทยาสั ณฐาน ข้ อมูลทางประวัติศาสตร์
การขุดร่ องสารวจหาอายุการเคลื่ อนตัวของชั้ นดินบนรอยเลื่ อน เพื่ อหาช่ วงอายุของการ
เคลื่อนตัวครั้งต่ าง ๆ
3. ประเมิ นขนาดแผ่ นดินไหวสู งสุ ดของแต่ ละรอยเลื่ อน โดยต้ องพิจารณาจากขนาดความยาว
ของรอยเลื่ อนรวมถึงต้ องพิจารณารวมเอาแผ่ นดินไหวที่เกิดกระจายทั่วไปในพื้น ที่ด้วย
(Back ground earthquake) ทาการแสดงค่ าระหว่ างคุณสมบัติต่าง ๆ ที่สาคัญของรอยเลื่อน
เช่ น ความยาว, ความลึก เทียบกับขนาดแผ่ นดินไหว (รู ปที่ 2)
9
รู ปที่ 2
10
การประมาณค่ า MCE (ต่ อ)
4. ประเมินค่ าอัตราเร่ งสู งสุ ดที่จุดตั้งเขื่ อนที่เกิดจากค่ า MCE ของแต่ ละรอยเลื่ อน ด้ วยสมการ
ลดทอนที่เหมาะสม แล้ วจึงวิเคราะห์ หาค่ าแผ่ นดินไหวสู งสุ ด ด้ วยเหตุที่ช่วงเวลาของการ
สั่ นสะเทือน, คาบเวลาของการสั่ นสะเทือนขึน้ อยู่กบั ขนาดของแผ่ นดินไหว และมีผลกระทบ
ต่ อเขื่ อนได้ เช่ นเดียวกับขนาดของแผ่ นดินไหว จึงควรทาการวิเคราะห์ หาค่ า MCE จาก
แผ่ นดินไหวหลาย ๆ แนว
5. ในกรณีที่ไม่ สามารถประมาณค่ า MCE ได้ ด้วยวิธีกาหนดค่ า อาจต้ องใช้ วิธีความน่ าจะเป็ นก็
ได้ โดยต้ องใช้ โอกาสเกิดแผ่ นดินไหวมากกว่า 1 ใน 10,000 (คาบเวลาเกิดซ้า 10,000 ปี )
ค่ า DBE และ MCE ที่ได้ จะนาไปใช้ ในการคานวณหาค่ าอัตราเร่ งสู งสุ ดและสร้ างคลื่ น
แผ่ นดินไหว เพื่อใช้ ในการคานวณความมั่นคงเขื่อนแบบ Dynamic
11
การเกิดแผ่ นไหวทีก่ ระตุ้นด้ วยการเก็บกักนา้ (Reservoir Trigger Seismic)
ICOLD (1989) สรุปไว้ ว่า
- อ่างเก็บนา้ สามารถกระตุ้นให้ เกิดแผ่ นดินไหว ขนาดสู งสุ ดได้
ระหว่ าง 5 ถึง 6.5
- ส่ วนใหญ่ เกิดในเขื่อนทีม่ ีความจุใหญ่ มาก และเขื่อนมีความสู งมาก
ขนาดความจุทเี่ ป็ นไปได้ คือ มากกว่ า 100 ล้านลูกบาศก์เมตร และ
มีระดับเก็บกักสู งมากกว่ า 100 เมตร
- โอกาสเกิดแผ่ นดินไหวลักษณะข้ างต้ น ต้ องนาไปรวมพิจารณาหา
ค่ าแรงกระทาแผ่ นดินไหวด้ วย
12