30

การนานาจาก Dead Storage มาใช มผลกระทบตอความมนคงของเขอน? The Use of Dead Storage in term of Dam Safety Aspect

ดร.สมภพ สจรต

ทปรกษาสานกบรหารจดการนาและอทกวทยา กรมชลประทาน

บทคดยอ

ปรมาณนาในอางเกบนาสามารถแบงเปนสองสวนคอ สวนของนาใชการเพอวตถประสงคตางๆเชนการบรรเทาอทกภย ผลตกระแสไฟฟา การคมนาคมทางนา และเพอประโยชนอนๆทางดานทายนา กบสวนทใชการไมไดหมายถงปรมาณนาตาสดทเหลออยในอางสาหรบการเกบสะสมตะกอนทองนารวมถงปรมาณนาตาสดสาหรบปองกนความเสยหายของการผลดกระแสไฟฟา การนานาสวนทใชการไมไดมาใชอาจมผลตอความมนคงของเขอนทงโดยตรงและทางออม จงจาเปนตองพจารณา วเคราะห และตรวจสอบใหรอบคอบและเหมาะสมตามคณลกษณะเฉพาะของแตละเขอน

Keywords: Dead Storage, Inactive Storage, Dam Safety

Abstract

In general, the capacity, volume, or storage in the reservoir is usually divided into two main distinguishable portions. ‘Active’ or ‘live’ storage is the portion of the reservoir that can be utilized for flood control, hydropower, navigation, and other downstream releases. ‘Inactive’ or ‘Dead’ storage is referred to water in a reservoir that has to be kept under normal operating condition. Also referred to as ‘Minimum Pool’ storage, it takes into account for sediment accumulation and the minimum required head for the operation of turbines.

Using dead storage may has direct and indirect impact on safety of the dam. In-depth detailed investigation is recommended before making any decision because each dam has its own unique function, characteristic, and properties..

สมภพ สจรต pop9863@gmail.com

1. คานา ปรมาณนาในอางเกบนาสามารถจาแนกเปนสองสวนหลก คอ ปรมาณนาใชการ (Active หรอ Live Storage) กบปรมาณนาทไมสามารถใชการได (Inactive หรอ Dead หรอในบางแหงอาจเรยก Minimum Storage) สวนของนาใชการสามารถกาหนดเปนนาเพอวตถประสงคตางๆ เชน นาเพอบรรเทาอทกภย เพอผลตกระแสไฟฟา เพออปโภคบรโภค และนาเพอรกษาสภาพสงแวดลอม ฯลฯ สาหรบสวนทไมสามารถใชการไดหรอDead Storageนน ตามนยามของหลายองคกร เชน United Bureau of Reclamation (USBR) หมายถงปรมาณนาทไมสามารถระบายหรอปลอยออกจากอางเกบนาดวยแรงโนมถวง (Gravity) ได แตสาหรบเขอนผลตไฟฟา (Hydropower Dams) นน นอกเหนอจากปรมาณนาดงกลาวแลวยงรวมถงปรมาณนาสวนทตองเกบไวเหนอทอนานาเขา (Intake หรอ Penstock) เพอปองกนระบบทอและกงหนนา (Turbine)

ทมา: Kharagpur,Lecture notes on Planning Of Water Storage Reservoirs, Hydraulic Structures for Flow Diversion and Storage

รปท 1 สวนตางๆของเขอนและอางเกบนาโดยทวไป

31

ระดบของ Dead Storage หรอระดบนาตาสด (Minimum Water Level) หรอระดบนาใชการตาสด (Minimum Drawdown Water Level: MDDL) เปนระดบทออกแบบไวสาหรบดกและกกเกบตะกอนทองนาตามอายการใชงานของเขอนเปนหลก และยงอาจมวตถประสงคอนๆอนไดแก เพอรกษาคณภาพนา เพอเปนแหลงเพาะเลยงสตวนา และเพอความมนคงปลอดภยของเครองผลตกระแสไฟฟาและตวเขอน เปนตน ปรมาณนาของ Inactive หรอ Dead Storage อาจมไมมากแคหลกแสนถงหลกลานลกบาศกเมตร ในเขอนชลประทาน ไปจนถงหลายพนถงหลกหมนลานลกบาศกเมตร หรออาจเกนครงของความจรวมของอางเกบนา (มากกวา Active Storage) เชนในเขอนศรนครนทร ของการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย(กฟผ.) ดงแสดงไวในตารางท 2 และ 3 ในชวงฤดแลง ของ 2 ปทผานมา มการกลาวถงการนานาจาก Dead Storage มาใช และในป 2559 นไดมการดาเนนการในเรองนทเขอนอบลรตน จงหวดขอนแกน โดยมการรายงานคาปรมาณนาใชการของเขอนอบลรตนเปนคาลบ (-) ซงหมายความวาระดบนาในอางเกบนามคาตากวาระดบนาตาสดมาตงแตวนท 4 เม.ย. 2559 ซงจากขอมลของการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย (กฟผ.) เขอนอบลรตนกเคยระบายนาตากวา Dead Storage มาแลวเมอป 2536 และนนคอคาตอบวา “เราสามารถใชนาจาก Dead Storage ได” แตคาถามตอมาคอ “แลวจะมผลกระทบตอความมนคงปลอดภยตอตวเขอนหรอไม อยางไร?”

2. Dead Storage ในอางเกบนาตางๆ อางเกบนาเกดจากการสรางเขอนขวางลานาเพอกกเกบนาในฤดนาหลากสาหรบใชในกจกรรมตามทไดถกกาหนดหรอออกแบบไว เชน เพอเปนแหลงนาสาหรบสงเขาสพนทชลประทาน เพอระบายในฤดแลงสาหรบการคมนาคมขนสง เพอปลอยเขาไปหมนใบจกร (Runner) ของเครองผลตกระแสไฟฟา (Turbine) เปนตน ปรมาณนาสาหรบกจกรรมตางๆดงกลาวไดถกวเคราะหคานวณไวในขนตอนของการวางโครงการและการคานวณเพอออกแบบรายละเอยด เพอกาหนดความสงและความยาวของตวเขอน องคประกอบของอาคารประกอบตางๆ รวมทงระดบตางๆ เชน ระดบสนเขอน หรอ Dam Crest Elevation, ระดบนาสงสด (รนส.) หรอ Maximum Pool Elevation, ระดบกกเกบ (รนก.) หรอ Normal Pool Elevation, และระดบนาตาสด (รนต.) หรอ Minimum Pool Elevation หรอ Minimum Water Level หรอ Minimum Drawdown Level หรอ Dead Storage Level. สาหรบเขอนในความรบผดชอบของกรมชลประทาน รวมทงเขอนทออกแบบและกอสรางโดยกรมชลประทานแลวถายโอนใหองคกรปกครองสวนทองถน (อปท.) ดาเนนการบรหารจดการ นน รนต. คอระดบพน (ธรณ) ทอปลอยนา(Outlet) ทอยตาสด ซงอาจเปนทอระบายนาลงลานาเดม (River Outlet) หรอ ทอระบายนากนอางฯ (Bottom Outlet) หรอ ทอสงนาเพอการชลประทาน (Irrigation Outlet) ซงกคอเปนทงระดบนาตาย (Dead Storage

Water Level) และระดบนาตาสด (Minimum Water Level) หรอ ระดบกกเกบตาสด (Minimum Storage Level) ดงนนการจะนานาสวนนมาใชไดดวยวธเดยวคอการสบ (Pumped Out Only) แตสาหรบเขอนของการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย(กฟผ.) และกรมพฒนาพลงงานทดแทนและอนรกษพลงาน (พพ.) ทบรหารจดการเขอนเพอผลตกระไฟฟา (Hydropower Dams) ซงเขอนประเภทนเปนเขอนทถกออกแบบใหมอาคารรบนา (Intake) และทอนานา (Penstock) เขาสเครองผลตกระแสไฟฟา (Turbine) ใหอยสงเหนออาคารโรงไฟฟา (Power House) เพอใหเกดการทงตวของนาลงสใบพดหรอใบจกร (Propeller หรอ Runner) เพอผลตกระแสไฟฟา เมอระดบนาลดลงเกอบถงระดบหลงทอ (Crown) ของ Penstock จะเกดแรงดด (Suction) ทเกดจากการทงตวของนาในทอ Penstock ทาใหเกดกระแสนาวน (Eddy Current หรอ Vortex) ทจะดดเอาอากาศเขาไปในทอ Penstock ลงสใบพดหรอใบจกร ทาใหเกดการสน (Vibration) เนองจากการแตกตวของฟองอากาศ ซงอาจเปนอนตรายและสรางความเสยหายกบเครองผลตกระแสไฟฟา (Generator) ตวโรงไฟฟาและทรายแรงทสดคอตวเขอน ระดบนานจงถกเรยกและกาหนดโดยผออกแบบใหเปนระดบน า ต า สดท ส ามารถ ใ ช ในการผ ลตกระแสไฟฟา (Minimum Drawdown Water Level) หรอเรยกสนๆวา ระดบนาตาสด (Minimum Water Level) โดยยอวา รนต. ซงจะสงกวาระดบหลงทอ Penstock มากหรอนอยขนอยกบขนาดและอตราการไหลเขาทอ

ทมา: กฟผ.

รปท 2 รายละเอยดของเขอนภมพล จ.ตาก

32

ทมา: กฟผ.

รปท 3 รายละเอยดของเขอนสรกต จงหวดอตรดตถ

ทมา: กฟผ.

รปท 4 รายละเอยดของเขอนศรนครนทร จงหวดกาญจนบร

ทมา: กฟผ.

รปท 5 รายละเอยดของเขอนอบลรตน จงหวดขอนแกน

3. ผลกระทบตอความมนคงของตวเขอนเมอนานาจาก Dead Storage มาใช 3.1 การลดระดบนาอยางรวดเรว(‘Rapid’ หรอ ‘Sudden’ Drawdown) ถงแมวาเขอนจะไดรบการวเคราะหมาแลวเปนอยางดในขนตอนของการออกแบบโดยเฉพาะความมนคงของลาดเขอนในสภาวะตางๆทงกรณทมและไมมแผนดนไหวดงแสดงในตารางท1 ความเสยหายของเขอนอนเนองมาจากการลดระดบนาในอางเกบนาอยางรวดเรว (10 – 15 ซม./วน) สามารถพบเหนไดบอยซงในรายงานของ International Commission on Large Dams (ICOLD) ในป 1980 ไดอางถงการเสอมสภาพของวสด (E. Alonso & N. Pinyol) การนานา Dead Storage ออกไปดวยวธการใดๆกตามยอมทาใหระดบนาซงอยใกลกนอางลดลงอยางรวดเรวจนอาจทาใหเกดการเลอนตว (Sliding) ทงทลาดเขอน ฐานยน รวมทงลาดขอบอางเกบนาได

ตารางท 1 คาอตราสวนความปลอดภย (Factor of Safety) ของการวเคราะหความมนคงของลาดเขอน

รายการทวเคราะห อตราสวนความปลอดภยของลาดเขอนดน ไมมแผนดนไหว มแผนดนไหว

สนสดการกอสราง 1.25 1.00 เกบกกนาเตมท 1.50 1.25 การลดระดบนาอยางรวดเรว

1.25 1.00

ทมา: กรมชลประทาน (2545)

3.2 การสญเสยความชนบนผวหนา (Surface Dry Out) และการแตกราวแบบTension Crack ผวหนาของเขอนในชวงฤดแลงจะถกแดดเผาจนแหงทาใหเกดแรงดง (Tension) และพรอมทจะปรออกจากกน (Tension Crack) ไดตลอดเวลา นาใน Dead Storage จะชวยเตมความชนใหกบเนอดนดวยแรงดงผว (Surface Tension) ของนาและแรงดดในเนอดน (Capillary Action) ซงจะชวยพยงแรงยดเกาะในเนอดนเอาไวได เขอนทมการออกแบบลดการรวซมดวยผนดนเหนยวหนาเขอน (Upstream Clay Blanket) เมอนาลดลงจนผวหนาของBlanket แหง จะทาใหเกดการหดตวทผวหนาเกดการแตกราวชนด Tension Crack ยงแหงนานรอยราวกจะยงลกลงเรอยๆ ทาใหประสทธภาพของการลดอตราการรวซมผานชนฐานรากลดนอยลงและทาใหเกดความเสยงเมอมนาไหลลงอางอยางรวดเรวและดนเหนยวทรอยราวเหลานยงไมทนอมนา (Saturate) อาจทาใหนารวทะลชน Blanket ผานฐานรากจนเกดการกดพา (Piping) ไดในทสด

33

ทมา: กรมชลประทาน

รปท 6 เขอนดนของกรมชลประทานทมผนดนเหนยว (Clay Blanket) เพอควมคมการรวซมผานฐานราก

ทมา: [2] E. Alonso & N. Pinyol

รปท 7 รอยราวตามยาวของอางเกบนาCanelles ในสเปน ชวงฤดรอนของป 2006 ทเปนTensionCrackเนองจากผวหนาทแหงและมการเลอนไหล (Sliding) อนเนองมาจากการลดระดบนาอยางรวดเรว

ทมา: [4] National Science Foundation

รปท 8 การเลอนไหล (Sliding) ของทานบดนปองกนนาลนตลงแมนา Mississippi ในมลรฐ Louisiana หลงจากนาในแมนาลดลงอยางรวดเรว

3.3 การสนสะเทอน (Vibration) จากเครองผลตกระแสไฟฟา ในเขอนผลตกระแสไฟฟา แมวาการนานา Dead Storage มาใชสามารถกระทาไดงายกวาเขอนชลประทาน เนองจากระดบนาตาสด (Minimum Water Level) อยเหนอระดบธรณทอ Penstock แตเมอระดบนาลดลงแรงดด (Suction) ของนาใน Penstock อนเกดจากการทงตวเนองจากนาหนกของนาในทอลงสกงหน (Turbine) จะทาใหเกดกระแสนาวน (Eddy Current หรอ Vortex)ทผวนาบรเวณใกล Intakeซงจะดดเอาอากาศทผวนาลงไปในทอ Penstock เกดการบบอดและขยายตวในระหวางทเคลอนตวอยในทอ มการแตกตว (Collapse) ของฟองอากาศ และเกดการกระแทกพรอมกบการแยกตวของฟองอากาศ (Water Hammer with Column Separation) ทใบจกร (Runner)อาการและขบวนการทไดกลาวมาแลวนทาใหเกดการสนสะเทอน (Vibration) ซงอาจสรางความเสยหายกบผนงทอ ใบจกร กงหน โรงไฟฟา รวมทงตวเขอนในทสด โรงไฟฟาพลงนาจงมการตดตงเครองมอตรวจวดแรงสนสะเทอนเพอคอยเฝาระวงพฤตกรรมของการสนสะเทอนตลอดเวลา.

4. บทสรป

Dead Storage ของเขอนชลประทาน คอปรมาณนาทเหลออยในอางเกบนาทไมสามารถปลอยใหไหลออกมาดวยแรงโนมถวง การทจะนานาสวนนมาใชตองดวยวธสบเพยงอยางเดยวโดยอาจมผลตอความมนคงของตวเขอน โดยอาจเกดการแตกราวทผวหนาลกลงไปในตวเขอนและอาจเกดการรวซมขนได การนานาสวนนมาใชเทากบเปนการเพมความเสยงตอความมนคงปลอยภยของเขอน

34

รปท 7 ลกษณะของนาวน (Eddy Current หรอ Vortex) ทอาจเกดขนใกล Intake (ภาพบน) และลกษณะของฟองอากาศทถกดดจากผวนาลงไปในทอ Penstock (ภาพลาง)

เนองจาก Dead Storage ถกออกแบบมาเพอใหตะกอนตกจมและกกเกบตะกอนตามอายการใชงานของเขอน จงมปรมาตรเพยงเลกนอย (0.38-16.67 %) ของปรมาณนาทงหมด (1.4 – 100 ลาน ลบ.ม.)ดงแสดงในตารางท 3 คณภาพของนาทสบออกมากอาจไมเหมาะทจะนาไปใชเพราะจะมตะกอน รวมทงโคลนทกนอางถกสบออกมาดวย และหากไมระมดระวงอาจสบเอาวสดทเปนผนดนทบนา (Clay Blanket) ออกมาดวยทาใหเขอนมความเสยงตอการกดพา (Piping) อกดวย

Dead Storage ของเขอนผลตกระแสไฟฟามระดบสงกวาพนธรณทอจงสามารถปลอยใหไหลออกจากเขอนดวยแรงโนมถวงได แตการไหลผานใบจกรของกงหนผลตกระแสไฟฟาอาจสรางความเสยหายตอตวใบจกร (Runner) ตวกงหน (Turbine) โรงไฟฟา (Power House) และตวเขอน อนเนองมาจากการสนสะเทอน(Vibration) ทเกดจากฟองอากาศ การบบขยายของฟองอากาศ การกระแทกและแตกตวของฟองอากาศ (Water Hammer with Column Separation) จงควรพจารณา วเคราะห และตรวจสอบใหรอบคอบและเหมาะสมกอนตดสนใจในการนานา Dead Storage มาใช เพราะแตละเขอนมรายละเอยด คณลกษณะ และสภาพแวดลอมเฉพาะตว

เอกสารอางอง [1] กรมชลประทาน, แนวทางและหลกเกณฑการออกแบบเขอนเกบ

กกนาและอาคารประกอบ, คณะทางานจดทาแบบมาตรฐานเขอนเกบกกนาและอาคารประกอบ, มถนายน 2545, หนา 114

[2] E. Alonso & N. Pinyol, Slope stability under rapid drawdown conditions, UniversitatPolitècnica de Catalunya, Barcelona, 2009.

[3] Kharagpur, Lecture notes on Planning of Water Storage Reservoirs, Hydraulic Structures for Flow Diversion and Storage, National Programme on Technology Enhanced Learning, India.

[4] National Science Foundation, Mechanics of levee failuree - slope failures, Rogers_Marchland_LeveeFailure_Donaldsonville-LA-Aug23-1983.

35

ตารางท 2 ขอมลปรมาณนา 10 เขอนหลกของการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย (กฟผ.)

ท เขอน ปรมาตรเกบกกทงหมด ปรมาตรใชการได (Active Storage)

ปรมาตรไมใชการ (Inactive หรอ Dead Storage)

(ลาน ลบ.ม.) (ลาน ลบ.ม.) (% ของปรมาตรเกบกกทงหมด) (ลาน ลบ.ม.)1 เขอนภมพล 1,3462 9,662 72 3,8002 เขอนสรกต 9,510 6,660 70 2,8503 เขอนศรนครนทร 17,745 7,480 42 10,2654 เขอนวชราลงกรณ 8,860 5,848 66 3,0125 เขอนอบลรตน 2,431 1,850 76 5816 เขอนสรนธร 1,966 1,135 58 8317 เขอนจฬาภรณ 164 127 77 37 8 เขอนนาพง 165 157 95 8 9 เขอนรชชประภา 5,639 4,287 76 1,35210 เขอนบางลาง 1,454 1,178 81 276

รวม 61,397 38,383 63 23,014ทมา: กฟผ.

ตารางท 3 ขอมลปรมาณนา 23เขอนหลกของกรมชลประทาน

ท เขอน ปรมาตรเกบกกทงหมด ปรมาตรใชการได(Active Storage)

ปรมาตรไมใชการ(Inactive หรอ Dead Storage)

(ลาน ลบ.ม.) (ลาน ลบ.ม.) %ของปรมาตรเกบกกทงหมด (ลาน ลบ.ม.) 1 แมกวงอดมธารา 263.00 249.00 94.68 14.002 แมงดสมบรณชล 264.695 252.51 95.40 12.1853 กวลม 106.22 102.67 96.66 3.554 กวคอหมา 170.00 163.80 96.35 6.205 แควนอยบารงแดน 939.00 896.00 95.42 43.006 นาอน 520.00 475.00 91.35 45.007 หวยหลวง 135.57 128.97 95.14 6.598 ลาปาว 1,980.00 1,880.00 94.95 100.009 มลบน 141.00 134.00 95.04 7.0010 ลาแชะ 275.00 268.00 97.45 7.0011 ลาพระเพลง 109.63 108.23 98.72 1.4012 ลาตะคอง 314.49 291.79 92.78 22.7013 ลานางรอง 121.41 117.96 97.16 3.4514 บางพระ 117.00 104.94 89.69 12.0615 คลองสยด 420.00 390.00 92.86 30.0016 หนองปลาไหล 163.75 150.25 91.76 13.5017 ประแสร 295.00 275.00 93.22 20.0018 ขนดานปราการชล 224.00 219.48 97.98 4.5219 ปาสกชลสทธ 785.00 782.00 99.62 3.0020 กระเสยว 240.00 200.00 83.33 40.0021 ทบเสลา 160.00 143.00 89.38 17.0022 ปราณบร 347.00 329.41 94.93 17.5923 แกงกระจาน 710.00 645.00 90.85 65.00

รวม 8,801.76 8,307.02 94.38 494.75ทมา: กรมชลประทาน

มนใจและปลอดภยไปกบการออกแบบเขอน