ส่วนวิศวกรรมธรณี ได้ดำเนินการออกแบบงานปรับปรุงฐานราก ตามผลการรายงานการเจาะสำรวจธรณีวิทยา และค่าการรั่วซึมของน้ำผ่านหินฐานราก โดยการนำข้อมูลดังกล่าวมาวิเคราะห์ด้วยโปรแกรม SEEP/W ของบริษัท GEO-SLOPE ประเทศแคนาดา เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบปรับปรุงฐานรากเขื่อนให้มีประสิทธิภาพในการกักเก็บน้ำ และเพื่อความมั่นคงของฐานราก โดยวิเคราะห์การปรับปรุงฐานรากเป็น 5 กรณี ดังนี้
1. กรณีไม่ทำการปรับปรุงฐานราก
2. กรณีทำ Full Cutoff Trench
3. กรณีทำ Full Cutoff Trench & ปู Upstream Impervious Blanket 6H
4. กรณีทำ Full Cutoff Trench & ปู Upstream Impervious Blanket 12H
5. กรณีทำ Full Cutoff Trench & Grouting 5 Lugeon
หลักเกณฑ์การวิเคราะห์ การวิเคราะห์ปริมาณน้ำซึมผ่านฐานรากเขื่อนเป็นการคำนวณหาอัตราการไหลของน้ำ โดยใช้หลักการ Finite Element ซึ่งอาศัยพื้นฐานของสมการการไหลของน้ำผ่านตัวกลางพรุน (Lapace Equation) เป็นการพิจารณาการไหลใน 2 มิติ ในแนวแกน x และแกน y
จากสูตร kx∂2h/∂x2 + ky∂2h/∂y 2 = 0
เมื่อ kx = สัมประสิทธิ์การซึมน้ำของดินและหินในแนวราบ
ky = สัมประสิทธิ์การซึมน้ำของดินและหินในแนวดิ่ง
h = ศักย์หรือความดันน้ำรวม ณ จุดที่พิจารณา
การคำนวณหาอัตราการไหลของน้ำผ่านเขื่อนและฐานราก มีวัตถุประสงค์เพื่อต้องการทราบพฤติกรรมของการไหลของน้ำได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ซึ่งในกรณีที่ชั้นฐานรากสลับกันเป็นชั้นๆ หลายๆชั้น วิธีการเขียน Flow Net โดยทั่วไป จะทำได้ค่อนข้างยาก
การคำนวณหาอัตราการไหลซึมของน้ำโดยใช้หลักการ Finite Element มีแนวคิดจากการกระจายความดันน้ำอย่างต่อเนื่องในขอบเขตของการไหล โดยค่าความดันน้ำจะกระจายจาก Node ที่ทราบค่าไปยัง Node ภายในขอบเขตการไหลบน Finite Element Mesh โดยมีขั้นตอนในการคำนวณหาอัตราการไหลดังนี้
(1.) สร้าง Soil Seepage Model จากลักษณะสภาพธรณีวิทยาฐานราก ที่ได้เลือกเป็นตัวแทนในการพิจารณา โดยค่าความซึมน้ำ (Permeability) ของชั้นฐานรากแต่ละชั้น เป็นค่าที่ได้จากการทดสอบในสนาม (จากข้อมูลหลุมเจาะสำรวจธรณีวิทยา) ส่วนค่าความซึมน้ำของดินถมตัวเขื่อน Zone ต่างๆ และ Filter เป็นค่าที่ได้จากการประมาณจากค่ามาตรฐานโดยทั่วไป โดยได้กำหนดค่าความซึมน้ำ (Permeability) สำหรับสร้าง Model ในการวิเคราะห์ เป็นดังนี้
รายการค่าสัมประสิทธิ์ความซึมน้ำ k (m/sec) ที่มาของข้อมูล / การเลือกใช้ข้อมูล
วัสดุถมเขื่อน
1. Homogeneous Dam 1.00 x 10-7 ค่าสมมุติสำหรับสร้าง Model
2. Filter & Toe Drain 5.00 x 10-5 ค่าสมมุติสำหรับสร้าง Model ดิน-หินฐานราก
ฐานรากเขื่อน
1. Overburden 1.50 x 10-5 ค่าเฉลี่ยจากหลุมเจาะสำรวจธรณีวิทยาฐานราก
2. หินชั้นที่ 1 1.00 x 10-5 ค่าเฉลี่ยจากหลุมเจาะสำรวจธรณีวิทยาฐานราก
3. หินชั้นที่ 2 5.00 x 10-5 ค่าเฉลี่ยจากหลุมเจาะสำรวจธรณีวิทยาฐานราก
4. หินชั้นที่ 3 1.00 x 10-5 ค่าเฉลี่ยจากหลุมเจาะสำรวจธรณีวิทยาฐานราก
วิธีการปรับปรุงฐานราก
1. U/S Impervious Blanket 1.0 x 10-7 เกณฑ์กำหนดของการปรับปรุงฐานราก
2. Grouting 5.0 x 10-7 เกณฑ์กำหนดของการปรับปรุงฐานราก
(2.) สร้าง Finite Element Mesh และ Boundary Condition
– Finite Element Mesh เป็นการ การแบ่งพื้นที่การไหลออกเป็นรูปสามเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม เพื่อใช้ในการกระจายความดันน้ำในการคำนวณ- Boundary Condition เป็นการ กำหนดสภาพขอบเขตของแบบจำลองโดยการกำหนดความดันน้ำที่ Node บริเวณเหนือน้ำ และท้ายน้ำที่ทราบค่าความดันน้ำ
(3.) โปรแกรมจะคำนวณความดันน้ำจาก Node ที่ทราบค่ากระจายไปยัง Node ที่อยู่ภายในพื้นที่การไหล แล้วนำความดันที่ Node ต่างๆ นี้ไปคำนวณหาปริมาณน้ำผ่านเขื่อนและฐานราก ความเร็วการไหลของน้ำ และลาดชลศาสตร์ (Hydraulic Gradient) ที่เกิดขึ้น โดยผลการคำนวณหาอัตราการไหลซึมของน้ำจะแสดงในรูปของทิศทางการไหลของน้ำ ส่วนความดันน้ำที่จุดต่างๆ จะแสดงในรูปของเส้นระดับแรงดันน้ำ (Equipotential Line)
(4.) วิเคราะห์ความปลอดภัยของเขื่อนจากโอกาสการเกิดการกัดพา (Piping) ซึ่งสามารถหาได้จากค่า Velocity และค่า Hydraulic Gradient บริเวณก่อนเข้า Filter (จุด A) & บริเวณท้ายเขื่อนตรง Toe Drain (จุด B) เนื่องจากเป็นบริเวณที่จะมีแรงกระทำของน้ำต่อมวลดินค่อนข้างสูง โดยค่า Velocity และค่า Hydraulic Gradient ที่จะไม่ทำให้เกิดโอกาสของการกัดพา ควรมีค่าดังนี้
– ค่า Velocity บริเวณ จุด A & บริเวณ จุด B ต้องน้อยกว่า 0.01 m./sec.
– ค่า Hydraulic Gradient บริเวณจุด A & จุด B ต้องน้อยกว่า 0.25
(โดยเฉพาะ จุด B เมื่อกำหนดค่า Factor of Safety ของเขื่อนโดยทั่วไป เท่ากับ 4 )
(5.) เปรียบเทียบค่าที่ได้จากการปรับปรุงฐานรากเขื่อนแบบต่างๆงานดำเนินการปี 2559
1.โครงการอ่างเก็บน้ำคลองไพร อ.เมือง จ.กำแพงเพชร
เจาะหลุมด้วยเครื่องเจาะหินแบบกระแทกชนิดตีนตะขาบ (Air-Track) เพื่ออัดฉีดน้ำปูนในการปรับปรุงฐานรากเขื่อน ป้องกันการรั่วซึมของน้ำผ่านหินฐานราก และเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของฐานราก
ควบคุมการทำงานของเครื่องเจาะหินด้วยระบบไฟฟ้า อิเล็คทรอนิค โดยมีการเจาะหลุมตามความลึกที่อออกแบบไว้ ในระยะห่างระหว่างหลุมแรก Primary grout hole และ Secondary grout hole = 3 เมตร ตามแนวแนวหลุมเหนือน้ำ (U/S) ท้ายน้ำ (D/S) และกลางน้ำ (Curtain) ตามลำดับ
เครื่องผสมปูน เพื่อใช้ในการอัดฉีดน้ำปูน ลงไปตามหลุมเจาะ เพื่ออัดฉีดลงไปปิดช่องรอยแตก รอยแยก โพรงหิน ฐานราก ให้มีประสิทธิภาพทึบน้ำ ป้องกันการรั่วซึมของน้ำไหลลอดผ่านฐานรากเขื่อน
ตัวอย่างหินที่เจาะเก็บจากหลุมนำร่อง (Pilot hole) บริเวณร่องแกนเขื่อน เพื่อเป็นการตรวจสอบหินฐานรากเบื้องตันก่อนการคำนวณความเข้มข้นของน้ำปูนที่ใช้ในการอัดฉีดลงไป