เครื่องมือการตรวจวัดแผ่นดินไหวกับเขื่อนและตัวอย่างที่ตรวจวัดได้ในประเทศไทย

ธีรพันธ์ อรธรรมรัตน์

ภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

เครื่องวัดการสั่นสะเทือนเนื่องจากแผ่นดินไหวกับเขื่อนและอ่างเก็บน้ำได้รับการยอมรับในปัจจุบันว่ามีความสำคัญและสามารถช่วยในการตรวจสอบอันตรายจากแผ่นดินไหวที่อาจจะส่งผลต่อเขื่อนได้ ซึ่งในปัจจุบันเครื่องวัดการสั่นสะเทือนและระบบการส่งข้อมูลได้รับการพัฒนาเป็นอย่างมากทำให้ในปัจจุบันเครื่องวัดการสั่นสะเทือนสามารถตรวจและส่งข้อมูลได้ทันที (Real time) ทำให้วิศวกรำูแลเขื่อนสามารถประเมินและวิเคราะห์ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างทันท่วงทีเนื่องจากว่าเครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้เข้าใจถึงผลตอบสนองในรูปแบบพลศาตร์ของเขื่อนในช่วงก่อนและระหว่างที่เกิดแผ่นดินไหวทำให้วิศวกรสามารถประเมินความเสียหายที่เกิดจากเหตุการณ์ดังกล่าวและพิจารณาการซ่อมแซมที่จำเป็นได้ซึ่งค่าต่างๆเหล่านี้ก็เป็นประโยชน์เพื่อการศึกษาสำหรับในการนำไปใช้การออกแบบเขื่อนที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นในอนาคต

การวิเคราะห์ค่าที่วัดได้จากเครื่องวัดแรงสั่นสะเทือน เช่น ค่าความเร่งสูงสุด (Peak ground acceleration, PGA) ความเร็ว (Peak ground velocity, PGV) และการกระจัด (Peak ground displacement, PGD) และค่าสเปกตรัมตอบสนอง (Response acceleration) เพื่อประเมินพฤติกรรมของเขื่อนจากแรงแผ่นดินไหว และ ค่าการสั่นธรรมชาติของเคลื่อนที่โหมดการสั่นต่างๆ

ตามแนวทางปฏิบัติของ United State Bureau of Reclamation (USBR) เครื่องวัดการสั่นสะเทือนจะถูกจัดประเภทไว้ตามตำแหน่งที่ตั้งของพวกอุปกรณ์ดังนี้

i) ตำแหน่งบริเวณนอกตัวเขื่อน (Free field measurement) (A)

อุปกรณ์จะถูกวางไว้ใกล้กับฐานเขื่อน (Abutment) ทั้งสองข้างแต่อยู่ในระยะไกลมากพอที่สัญญาณที่วัดได้จะไม่มีผลกระทบจากพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของเขื่อนที่อาจส่งผลต่อค่าที่บันทึกได้

ii) ตำแหน่งบริเวณใต้ฐานเขื่อน (Input motion measurement) (B)

โดยอุปกรณ์จะต้องถูกวางไว้ทีฐานเขื่อนและอยู่ในระยะที่ใกล้ตัวเขื่อนให้ได้มากที่สุด เครื่องมือเหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกวางไว้ยึดติดกับฐานคอนกรีตยึดแน่นกับหินที่อยู่ด้านล่างโดยปกติการหาตำแหน่งที่เหมาะสมจะค่อนข้างลำบากเนื่องจากมีทางน้ำไหลอยู่และการเข้าถึงที่อาจจะจำกัดเนื่องจากสภาพภูมิประเทศโดยค่าที่วัดได้จะแสดงถึงระดับคลื่นแผ่นดินไหวที่เริ่มกระทำกับตัวเขื่อนที่ฐานรากและค่าที่บันทึกได้อาจมีผลจากพฤติกรรมของเขื่อนที่อาจจะแตกต่างไปจากตำแหน่งบริเวณนอกตัวเขื่อน

iii) ตำแหน่งบริเวณตัวเขื่อน (Response measurement) (C) (D)

อุปกรณ์จะถูกนำไปวางเพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของเขื่อนและจะติดบริเวณส่วนบนของเขื่อนซึ่งตำแหน่งหลักคือตำแหน่งที่การเสียรูปสูงสุดระหว่างการเคลื่อนไหวที่รุนแรงเนื่องจากแรงแผ่นดินไหวเช่นส่วนสูงสุดของเขื่อนส่วนตำแหน่งอื่นอาจจะเป็นบริเวณที่ความสูง 1/3 ของความสูงของตัวเขื่อน โดยตำแหน่งในการติดในแนวราบนั้นอาจจะต้องพิจารณาจากประเภทของเขื่อน เช่น (เขื่อนโค้ง หรือ เขื่อนหิน เป็นต้น

รูปที่ 1. ตำแหน่งในการติดตั้งเครื่องตรวจวัดการสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวกับเขื่อน

โดยเครื่องมือตรวจวัดแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวนั้นถูกติดตั้งเป็นครั้งแรกโดย USBR ที่เขื่อน Hoover Dam เมื่อปี ค.ศ. 1936 ซึ่งสามารถตรวจวัดการสั่นไหวของตัวเขื่อนได้จากแผ่นดินไหวได้หลายครั้งด้วยกัน โดยในประเทศไทยเขื่อนที่มีการติดตั้งเครื่องมือตรวจวัดการสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวและสามารถวัดได้แรงที่สุดในปัจจุบันคือ เขื่อนแม่สรวย สร้างขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2541 โดยเป็นเขื่อนคอนกรีตบดอัดแน่น (Roller Compacted Concrete, RCC) มีความสูง 59 เมตร ความยาวสันเขื่อน 145 เมตร

เนื่องจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.3 เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ที่ระยะทางห่างจากตัวเขื่อนประมาณ 14 กิโลเมตร โดยเขื่อนแม่สรวยมีเพียงเครื่องวัดติดตั้งไว้ที่ Abutment ด้านซ้ายซึ่งสามารถวัดค่า PGA ได้สูงสุดในทิศตะวันตก ตะวันออก เท่ากับ 0.3g ซึ่งถือว่าค่อนข้างแรงและต่อมากรมกรมชลประทาน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ได้ทำการซ่อมแซมแล้วเสร็จเมื่อปี พ.ศ. 2564 จากการวิเคราะห์คลื่นแผ่นดินไหวที่วัดได้บริเวณสันเขื่อน จุด C ในรูปที่ 1 ข) ด้วยการแปลงจากค่าความเร่งเป็นค่าการกระจัดและทำการแสดงผลในแกนทิศเหนือ – ใต้ ในแกน Y และ แกนตะวันออก – ตะวันตก ในแกน X จะเห็นว่าทิศทางการเคลื่อนที่ของสถานีนั้นสอดคล้องกันกับการเคลื่อนที่ในทิศทางการวางตัวของเขื่อนซึ่งแสดงว่าคลื่นความเร่งที่วัดได้ในตำแหน่งดังกล่าวได้รับผลกระทบจากการวางตัวของเขื่อนจึงทำให้ไม่สามารถนำคลื่นดังกล่าวไปใช้กับการออกแบบอาคารได้เนื่องจากมีอิทธิพลของเขื่อนอยู่อย่างมีนัยสำคัญ

รูปที่ 2. ค่าความเร่ง ความเร็ว และ การกระจัด คลื่นแผ่นดินไหว ทิศเหนือใต้บนสันเขื่อนแม่สรวยจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.3 เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2557

รูปที่ 3. ค่าความเร่ง ความเร็ว และ การกระจัด คลื่นแผ่นดินไหว ทิศตะวันออก ตะวันตก บนสันเขื่อนแม่สรวยจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.3 เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2557

รูปที่ 4. ค่าการกระจัดของสถานีวัดคลื่นแผ่นดินไหวบนสันเขื่อนแม่สรวยจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.3 เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 เส้นสีแดงแสดงถึงค่าการกระจัดในช่วงเวลา 0 – 23 วินาที เส้นสีน้ำเงินแสดงถึงค่าการกระจัดในช่วงเวลา 23 – 40 วินาที