การวางกระสอบทรายทำพนังกั้นน้ำ ยิ่งสูงยิ่งต้องแข็งแรง

สวัสดีครับท่านผู้อ่านช่วงนี้ประเทศไทยของเราประสบปัญหาน้ำท่วมกันหลายจังหวัด ในแต่ละชุมชนก็เร่งสร้างพนังกั้นน้ำเพื่อป้องกันน้ำท่วมเข้ามาในพื้นที่ชุมชน แต่ในขณะเดียวกันเราจะพบข่าวเรื่องพนังกั้นน้ำพังทลายไม่สามารถกั้นน้ำได้เมื่อใช้งานไปได้ระยะหนึ่ง พนังกั้นน้ำที่สร้างก็มีหลากหลายรูปแบบทั้งแบบถาวรเช่น คอนกรีต คันดิน หรือแบบชั่วคราวเช่นใช้ กระสอบทรายในการทำเป็นพนังกั้นน้ำ ในขณะที่น้ำท่วมภายนอกจะมีความดันน้ำกระทำกับพนังกั้นน้ำ โดยความดันน้ำจะมีขนาดเพิ่มขึ้นเมื่อวัดจากระดับผิวน้ำ (ผมตั้งสมมุติฐานว่าความเร็วของน้ำบริเวณใกล้ๆพนังมีค่าเป็นศูนย์) โดยความดันน้ำที่ความลึก h เมตรใดๆ จะมีค่าเท่ากับ

P = 9.810h (kPa)

จากข้อมูลที่เราได้รับจากข่าวน้ำท่วมจะพบว่าพนังกั้นน้ำมีความสูงตั้งแต่ 1 – 5 เมตร ดังนั้นความดันบริเวณผิวล่างของพนังกั้นน้ำจะมีค่าสูง ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ความดันน้ำที่ความลึกต่างๆ

ความสูงของพนังกั้นน้ำ (เมตร)	ความดันบริเวณผิวล่างของพนังกั้นน้ำ(kPa)
1	9.81
2	19.62
3	29.43
4	39.24
5	49.05

เอาหล่ะครับจากตารางที่ 1 จะพบว่าพนังกั้นน้ำยิ่งสูงยิ่งมีความดันบริเวณผิวล่างสูง เรามาดูกันต่อครับว่าหากเรามีพนังกั้นน้ำยาวซัก 1 เมตรจะมีแรงดันน้ำที่คอยผลักพนังกั้นน้ำของเราประมาณกี่นิวตันหรือกี่ตันกัน หากพนังกั้นน้ำเรามีรูปร่างดังแสดงในภาพที่ 1 โดยความยาวจะอยู่ลึกเข้าไปในรูปภาพนะครับ

ภาพที่ 1 พนังกั้นน้ำรูปร่างอย่างง่าย

แรงดันน้ำที่กระทำกับพนังกั้นน้ำยาว 1 เมตรจะมีค่าเท่ากับ

F = 9.810*(h0/2)*h0 ดังนั้นเราสามารถคำนวณแรงดันน้ำที่กระทำกับพนังกั้นน้ำยาว 1 เมตรได้ดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 การคำนวณแรงดันน้ำที่กระทำกับพนังกั้นน้ำความยาว 1 เมตรที่ความสูงของน้ำด้านนอก

ความสูงของพนัง กั้นน้ำ (เมตร)	แรงดันน้ำกระทำกับพนังกั้นน้ำ (N)	แรงดันน้ำกระทำกับพนังกั้นน้ำ (ตัน)
1	4,905	0.5
2	19,620	2.0
3	44,145	4.5
4	78,480	8
5	122,625	12.5

จากตารางที่ 2 ท่านผู้อ่านคงจะเห็นแล้วแรงดันของน้ำที่กระทำกับพนังกั้นน้ำมีสูงมากขนาดไหน โดยจากการคำนวณยังอยู่บนสมมุติฐานที่ว่าน้ำบริเวณใกล้พนังกั้นน้ำมีความเร็วเป็นศูนย์ แต่ในความเป็นจริงยังมีพนังกั้นน้ำอีกเป็นจำนวนมากที่ถูกสร้างขวางการไหลของน้ำซึ่งจะมีแรงดันกระทำกับพนังกั้นน้ำเพิ่มขึ้นกว่านี้อีกมาก เอาหล่ะครับ มาถึงตอนนี้เราก็ได้พบแล้วว่ายิ่งระดับน้ำสูงมากขึ้นก็ยิ่งเป็นอันตรายต่อพนังกั้นน้ำ เรามาดูรูปร่างของพนังกั้นน้ำที่เหมาะสมและช่วยเพิ่มแรงกดบนกระสอบทรายหรือคันดินที่ใช้เป็นพนังกั้นน้ำเพื่อให้สามารถต้านทานแรงดันของน้ำได้มากขึ้นครับ โดยรูปร่างของพนังกั้นน้ำที่ช่วยเพิ่มแรงกดพนังกั้นน้ำเพื่อให้พนังกั้นน้ำต้านทานน้ำได้ จะมีรูปร่างเป็นแบบพิระมิด ดังแสดงในภาพที่ 3 โดยพบว่าแรงดันที่พยายามผลักและแรงกดพนังกั้นน้ำสามารถคำนวณได้จากสมการ

FT = 9.810*(h0/2)*h0

Fc = 9.810*(h0/2)*(h0/tan(ceta))

ภาพที่ 3 พนังกั้นน้ำแบบพิรามิด

จากสมการค่าแรงกดพนังกั้นน้ำจะขึ้นอยู่กับมุมเอียงของพนังกั้นน้ำครับ หากมุมเป็น 90 องศาก็จะไม่มีแรงกดพนังกั้นน้ำ ขณะที่มุมเอียงพนังกั้นน้ำต่ำๆก็จะมีแรงกดพนังกั้นน้ำสูงขึ้นดังแสดงในตารางที่ 3 ขณะที่แรงดันน้ำที่พยายามผลักทำลายพนังกั้นน้ำก็ยังมีค่าขึ้นอยู่กับความสูงของระดับน้ำเช่นเดิม แต่พนังกั้นน้ำลักษณะนี้จะเพิ่มแรงกดไปที่พนังกั้นน้ำทำให้ประสิทธิภาพการต้านทานสูงขึ้นครับ

ตารางที่ 3 แรงกดพนังกั้นน้ำความยาว 1 เมตร (ตัน)

ความสูง(เมตร)	มุมเอียง 90 องศา	มุมเอียง 60 องศา	มุมเอียง 45 องศา
1	0	0.3	0.5
2	0	1.2	2.0
3	0	2.6	4.5
4	0	4.6	8.0
5	0	7.2	12.5

จากภาพที่ 3 จะกล่าวได้ว่าหากต้องการให้มุมเอียงของพนังกั้นน้ำมีค่าน้อย ความกว้างของฐานพนังกั้นน้ำจะต้องยาวกว่าความกว้างบนผิวยอดของพนังกั้นน้ำมากๆ โดยมุมเอียงสามารถคำนวณได้จากสูตร

ceta = arctan (2H/(L2-L1))

ผลของแรงกดพนังกั้นน้ำต่อความสามารถในการรับวิกฤตน้ำท่วม จะทำให้แรงเสียดทานระหว่างพื้นดินและพนังกั้นน้ำมีค่าสูงกว่า โดยพนังกั้นน้ำแบบพิระมิดจะมีแรงกดกระทำกับพื้นดินเท่ากับ น้ำหนักของกระสอบทรายหรือดิน + แรงกดพนังกั้นน้ำอันเกิดจากความดันของน้ำเองทำให้มีแรงเสียดทานต้านทานมิให้พนังกั้นน้ำเกิดการเลื่อนไถลได้จากสูตร

Ff = Cf*(W+Fc) กรณีพนังกั้นน้ำแบบพิระมิด

เมื่อขนาดของแรงเสียดทานมีค่าสูงมากนอกจากจะต้านมิให้พนังกั้นน้ำไถลไปตามความดันน้ำแล้วยังทำให้พนังกั้นน้ำเกิดเสถียรภาพมากขึ้นเมื่อระดับน้ำมีค่าเพิ่มขึ้น

จากที่ได้กล่าวมาทั้งหมดขอสรุปอีกครั้งนะครับว่า พนังกั้นน้ำควรเป็นรูปร่างแบบพิระมิด โดยหากระดับน้ำมีค่าเพิ่มขึ้นควรลดระดับมุมเอียงของผิวพนังกั้นน้ำเพื่อเพิ่มแรงกดลงบนพนังกั้นน้ำป้องกันการเลื่อนไถลและพังทลาย สิ่งสำคัญหากฐานรากของพนังกั้นน้ำไม่แข็งแรงอาจเกิดการทรุดตัวลงได้ การทำพนังกั้นน้ำชั่วคราวโดยใช้กระสอบทรายควรระวังรอยรั่วของพนังกั้นน้ำอยู่ตลอดเวลา โดยให้วางตำแหน่งพนังกั้นน้ำห่างจากกำแพงรั้วเพื่อจะสามารถสังเกตุเห็นรอยรั่วได้อย่างชัดเจน การเพิ่มความสูงของพนังกั้นน้ำเมื่อระดับน้ำสูงเพิ่มขึ้นจะต้องขยายความกว้างของฐานพนังกั้นน้ำไปด้วยเพื่อให้พนังกั้นน้ำมีความแข็งแรงในการต้านทานความดันของน้ำได้

บทความที่เกี่ยวข้อง

แนวคิดการทำไซฟ่อนช่วยระบายน้ำ