การศึกษาและวิเคราะห์ประตูระบายน้ำบ้านโปร่งตาเพชร จ.เพชรบุรี

บทคัดย่อ

บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาและวิเคราะห์มิติรูปร่างของประตูระบายน้ำทางด้านชลศาสตร์ โดยนำพลศาสตร์การไหลเชิงคำนวณหรือ Computational Fluid Dynamics (CFD) มาใช้ทำแบบจำลองเชิงคำนวณ (Numerical model) ของประตูระบายน้ำที่ผู้วิจัยได้ทำการออกแบบขึ้นในรูปแบบสามมิติ รวมถึงศึกษาและเปรียบเทียบการวิเคราะห์การไหลซึมผ่านใต้ฐานราก (Seepage) และแรงดันน้ำยกขึ้นใต้พื้นอาคาร (Uplift pressure) ซึ่งประกอบไปด้วย ทฤษฎี Weighted creep ของ Lane และทฤษฎีตาข่ายการไหลของน้ำในดิน (Flow nets) พร้อมเปรียบเทียบผลวิเคราะห์กับโปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์ โดยในการออกแบบมิติรูปร่างหัวงานประตูระบายน้ำในงานวิจัยนี้ ได้ทำการออกแบบตามข้อมูล Boring log ที่มีการทำ Permeability test ด้วย และข้อมูล Topography survey ของพื้นที่บริเวณบ้านโปร่งตาเพชร จ.เพชรบุรี

งานวิจัยนี้ได้ผลการศึกษาทางด้านชลศาสตร์ที่สำคัญคือ ผลแบบจำลองน้ำกระโดด (Hydraulic jump) ให้ค่าความลึกก่อนเกิดน้ำกระโดด (y2) และค่าความลึกหลังเกิดน้ำกระโดด (y3) มีความใกล้เคียงกับผลคำนวณจากสมการพลังงานและสมการวิเคราะห์ Hydraulic jump

ประสิทธิภาพในการสลายพลังงานการไหลของอาคารสลายพลังงาน (Stilling basin) แบบ USBR Stilling Basin Type III ที่ผู้วิจัยได้เลือกใช้ออกแบบและนำมาใช้กับประตูระบายน้ำ จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อระยะเปิดบานระบายน้อย และประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อระยะเปิดบานระบายมากขึ้น และการปรับระยะการวาง Baffle pier ให้ห่างจาก Chute block มากขึ้นจะส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการสลายพลังงานที่มากขึ้น โดยระยะห่างระหว่าง Baffle pier และ Chute block ที่เหมาะสมที่สุดอยู่ที่ 3 เท่าของระยะห่างตามข้อแนะนำของ USBR

สำหรับการศึกษาทางด้านวิศวกรรมปฐพีได้ผลการศึกษาที่สำคัญคือ ค่าสัมประสิทธิ์ของความซึมได้ของดิน (Coefficient of Permeability) มีค่าสูง จะส่งผลให้ Seepage มีทิศทางการไหลซึมข้ามกำแพงทึบน้ำ (Cutoff wall) ต่างจากทฤษฎี Weighted creep ของ Lane ที่กำหนดให้ Seepage มีการไหลซึมตามแนวเส้นสัมผัสใต้พื้นอาคารเท่านั้น

ค่า Uplift pressure จากทฤษฎี Flow nets และจากผลวิเคราะห์ผ่านโปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์มีความใกล้เคียงกัน แต่มีค่า Uplift pressure ที่ สูงกว่าจากทฤษฎี Weighted creep ของ Lane ซึ่งส่งผลต่อการออกแบบความหนาของพื้นอาคาร โดยทั่วไปตามมาตรฐานกรมชลประทานจะใช้ค่าอัตราส่วนความปลอดภัยในการออกแบบอยู่ที่ 1.30 แต่สำหรับผลสำรวจดินจาก Boring log ในพื้นที่หัวงานประตูระบายน้ำบ้านโปร่งตาเพชร ซึ่งเป็นดินประเภทดินทรายมีตะกอนทรายปน (SM) ได้ค่าอัตราส่วนความปลอดภัยอยู่ที่ 1.50 และมีระยะระหว่าง Cutoff wall อยู่ที่ 9 เมตรขึ้นไป