บทที่ 8 การคํานวณปร...

บทท 8

การคานวณปรมาณนาผานฝายทดนา ฝายระบายนาหรอทางระบายนาลน

เนองจากเรองราวเกยวกบฝายนนมมาก ในสวนเนอหานนจะขอแบงเปน 4 บท คอ บทนจะกลาวถงฝายทดน าและทางระบายน าลนทไมมบานระบายเปนตวควบคมปรมาณน าซงรวม ถงฝายทยกบานระบายพนนาดวย, บทท 9 ฝายวดนาประเภทฝายสนคม, บทท 10 ฝายวดน าประเภทฝายสนกวาง, บทท 11 ฝายวดน าประเภทฝายสนสน สวนฝายหรอทางระบายน าลนทควบคมดวยบานระบายจะนาเสนอในบทท 12 เรองการคานวณปรมาณน าไหลผานบานระบาย (ฝายระบายน า และประตระบายนา)

8.1 หลกการเบองตนของฝาย

8.1.1 หลกการเบองตนของฝายสนคม

การศกษาการไหลของน าผานฝายนน เกยวเนองมาจากการศกษาการไหลของน าผานชองเปด (Orifice) ขนาดใหญ ตามรปท 8.1-1 เมอระดบผวน าอยต ากวาขอบดานบนของชองเปด จะเกดเปนลกษณะของฝายสนคม ทลกษณะของหนาตดการไหลจะมรปแบบเฉพาะตว โดยจะเกดการไหลตกโดยอสระและมการบบตวดานขาง

รปท 8.1-1 พฒนาการของการศกษาการไหลผานฝายมาจากการศกษา Orifice พจารณาจากรปท 8.1-1 Energy equation ทจด (1) และ (2) ถาไมม Losses เกดขน

8-2

หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8

21 EE

2

222

1

211 Z

g2

VPZ

g2

VP

g2

VZZ

P

g2

V 21

211

22

g2

Vh

g2

V 21

22

g2

Vhg2V

21

2

dh.B.VdA.VdQ

dhg2

Vhg2BdQ

21

dhg2

Vhg2BQ

2/1H

0

21

2/321

2/321

g2

V

g2

VHg2B

3

2Q

QCQ dr

2/321

2/321

dr g2

V

g2

VHg2B

32

CQ

ถา V1 มคานอยมาก (ไมคด Approach Velocity)

2/3dr Hg2B

32

CQ

8-3


8.1.2 ฝายทดนาทเปนฝายแขง

จาก รปท 8.1-2 ฝายแขงแบบฝายสนมน (Ogee weir) ถกพฒนามาจากฝายสนคม

โดยการทายอดของทางน าลน (Spillway crest) ใหมขอบเขตรปรางเหมอนกบผวลางของสวนโคงของน าทไหลผานฝายสนคมทเรยก Nappe หรอคอการสรางตวฝายเปนรปรางของชองอากาศใต Nappe นนเอง

รปท 8.1-2 แสดงฝายทดนาแบบฝายสนมน (Ogee weir) พฒนาแนวคดมาจากฝายสนคม

การวดการไหลของน าผานฝาย ใชหลกการวดความสงพลงงานของการไหลตกอสระ (The head of overfall) ในลกษณะทมการไหลแบบวกฤต (Critical flow) และเกดความลกวกฤต (Critical depth) ทหนาตดควบคมทสนฝายนน

อาจกลาวไดวา ปรมาณน าไหลผานฝายยาว L คดจาก ความเรววกฤต (Vc) และพนทหนาตดการไหลวกฤต (Ac) หรอ Q = Vc Ac นนเอง แตเนองจากมความยงยากในการวดคาความเรววกฤต และความลกวกฤต (Hc หรอ yc) จงไดคดเทยบจากความลกวกฤตจากตาแหนงเหนอสนฝาย ไปเปนความลกของน าดานเหนอน าหนาฝายทมสภาพนงทวดไดงายกวาแทน และคาเปรยบเทยบดงกลาวเรยก คาสมประสทธของการไหล

จากสมการการไหลของฝายสนคม

2/3dr Hg2B

32

CQ

ถาให g232

CC d และแทนความยาวของสนฝายดวย L

8-4


จะได สมการพนฐานการคานวณปรมาณนาไหลผานฝาย เปน

2/3CLHQ

เมอ Q = ปรมาณนาไหลขามสนฝาย ม.3 / วนาท

C = คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย L = ความยาวประสทธผล (Effective length) ของสนฝาย หรอชวงความยาวทมน าไหลผานไปจรง ม. H = ความลกของนาทไหลขามสนฝาย ม.

8.1.3 ความลกของนาทไหลขามสนฝาย: H

จากรปท 8.1-2 พจารณาฝายสนมนทเปนตวแทนของฝายแขงทพฒนามาจากฝายสนคมเปรยบเทยบการใช H กบ Hd ในสมการการไหลผานทางระบายนาลน (ฝายสนมน)

H = ความสงของผวนาดานเหนอนา เหนอยอดฝายสนคม (ม.) ตาแหนงการวดระดบนาหางจากสนฝายไปดานเหนอนา ประมาณ 4H

Hd = ความสงของผวนาดานเหนอนา เหนอยอดฝายสนมนหรอทางนาลน (ม.) หรอเปนความสงออกแบบ (Design head) วดตาแหนงทน านงทระยะ 4H

[ ความตางของ H กบ Hd : H - Hd = 0.11H หรอ Hd = 0.89H ]

HC = ความลกวกฤต (Critical depth) ของนาทไหลผานสนฝาย (ม.)

เปรยบเทยบการใช H กบ Hd ในสมการการไหลผานฝาย

กรณทางนาลนหรอฝายมความสงมาก 0PH

สมการในทางทฤษฏ Q = CLHC 3/2 (ม.3 /วนาท)

H32

Hc และ Hd = 0.89H

จากการทดลองในหองปฏบตการ เปรยบเทยบคาคงท ระหวางการใช H กบ Hd ดงน

เมอใชคา H ; Q = 1.80LH3/2 (ม.3 /วนาท)

เมอใชคา Hd ; Q = 2.15L Hd 3/2 (ม.3 /วนาท)

8-5


หลกการคานวณในทางทฤษฏนนตองใชคา HC แตในทางปฏบต การวดคา HC จะไมสะดวก ดงนนการคานวณปรมาณนาผานฝายจะใชคา H หรอ Hd แลวแตวาจะเปนฝายประเภทใด (ฝายสนคมใช H ฝายแขงประเภทอนใช Hd) ทงนอาศยความสมพนธระหวางคา HC กบ H หรอ

Hd และความสมพนธระหวาง H กบ Hd ขางตน มาใชปรบคาหรอแปลงคาซงจะแฝงอยในคา C

โดยปกตแลวในการออกแบบฝายจะกาหนดใหม Design head ไมสงมากนก เพราะจะถกกาหนดโดยระดบของตลงของลาน าหรอระดบสนทานบดนของอางเกบนา

อนง การวดระดบน าทเปนคา H หรอ Hd นนจะวดในตาแหนงทมน านงดานเหนอน าทระยะไมนอยกวา 4H จากสนฝาย (ตวแปร H บางตาราอาจกาหนดตาแหนงหนาตดเปนแนวหนาตด 1 หรอหนาตด a กอาจใชแทนคาตวแปรเปน H1 หรอ Ha)

8.2 ความหมายของฝาย (Weir) และทางระบายนาลน (Spillway)

ฝายเปนอาคารทสรางขนสาหรบทดน าในลาน าทไหลมาในปรมาณตางๆ กนใหมระดบสงจนสามารถสงน าเขาคลองสงน าทขดออกสองฝงลาน าดานหนาฝาย ลดเลาะไปตามสภาพภมประเทศใหกบพนทเพาะปลกทอยดานทาย (ปราโมทย ไมกลด, 2524)

โดยหนาทของฝายนอกจากการทดน าแลว เมอน ามระดบสงมากกวาระดบของสนฝาย นากจะไหลขามสนฝายออกไปสดานทายน า ฝายจงทาหนาทระบายน าลนดวย จงอาจเรยกเปน ฝายนาลนหรอฝายระบายนา ในกรณทสรางฝายไวเพอระบายน าสวนเกนออกจากเขอนหรออางเกบนามกเรยกฝายนนวา ทางระบายนาลน

8.3 ประเภทของฝาย

อาจแบงประเภทของฝายไดหลายอยาง ไดแก

8.3.1 แบงประเภทฝายตามลกษณะความมนคงแขงแรง พจารณาจากการกอสรางเปน ฝายเฉพาะฤดกาล ฝายชวคราว ฝายกงถาวรหรอฝายคอกหม ฝายถาวรฯลฯ

8.3.2 แบงประเภทฝายตามวสดทนามาใชกอสราง ไดแก ฝายดนถม ฝายหน(หนทง หนเรยง หนเรยงยาแนว หนกอ) ฝายโครงสรางไม ฝายคอนกรต ฝายคอนกรตเสรมเหลก ฯลฯ

8.3.3 การแบงประเภทฝายตามลกษณะหนาตดของฝาย มการจดแบงใหมตามลกษณะการไหลของน าเหนอสนฝาย เปน 3 ประเภท (จากเดมทการแบงตามลกษณะสนฝายจะมเพยง ฝายสนคม และฝายสนกวางเทานน)

8-6


ถาให H = ความสงของนาทไหลผานสนฝาย , B = ความหนาของสนฝาย

1) ฝายสนคม (Sharp crested weir or Thin plate weir) เปนฝายทมสนคม ลกษณะการไหลเปนแบบไหลตกอสระ โดยเกด Critical depth ทตาแหนงสนฝายคม ไดแก ฝายวดนาแบบฝายสนคมรปแบบตางๆ อาจพจารณาจาก H/B ≥ 15

2) ฝายสนกวาง (Broad crested weir) เปนฝายทมสนฝายหนาหรอกวาง ลกษณะการไหลมการกระจายความดนแบบความดนสถตเทากนตลอดความกวางบนสนฝาย หรอเกด Critical depth เกอบทกตาแหนงบนสนฝาย โดยทวไปจะหมายถง ฝายวดน าแบบฝายสนกวางรปแบบตางๆ อาจพจารณาจาก H/B ≤ 1

3) ฝายสนสน (Short crested weir) เปนการแบงประเภทฝายทเพมเตมขนมาใหม โดยจะมลกษณะการไหลเหนอสนฝายเปนแบบการไหลตกอสระเชนเดยวกบฝายสนคม (ฝายสนกวางมลกษณะการไหลทมการกระจายความดนแบบความดนสถตตลอดแนวเหนอสนฝาย)โดย Critical depth จะเกดทตาแหนงใดตาแหนงหนงบนสนฝาย ดงนนฝายรปแบบตางๆ ทไมใชฝายวดน าแบบสนคมและแบบสนกวาง จะจดอยในฝายกลมนทงสน ซงไดแก ฝายทดน า ฝายระบายน าหรอทางระบายน าลน ทมกเรยก “ฝายแขง” (การไหลของฝายสนสนทมสนฝายแบน อาจมการไหลในลกษณะการไหลของฝายสนกวางได แตจะมเปนบางชวงเวลาของการไหล จงไมใหความสาคญวาตองคานวณในลกษณะของฝายสนกวาง) อาจพจารณาจาก 1 ≤ H/B ≤ 15

รปท 8.3-1 แสดงรปตดลกษณะการไหลของฝายสนคม ฝายสนกวาง และฝายสนสน

8.3.4 การแบงประเภทฝายตามวตถประสงคในการใชงานหรอหนาทหลก

การแบงประเภทฝายตามวตถประสงคหลกในการใชงานหรอหนาทหลก โดยแบงออกเปน 1) ฝายทดนา 2) ฝายนาลนหรอฝายระบายนาหรอทางระบายนาลน 3) ฝายวดนา

8-7


1) ฝายทดนา เปนฝายทกอสรางปดกนทางน า โดยเปนอาคารหลกของโครงการประเภทฝายเพอทาหนาททดนาใหมระดบทสงขน และใหน าสวนเกนระบายไหลขามออกไป ไดแก ฝายสนมน(Ogee weir), ฝายยาง (Rubber weir หรอ Rubber dam), ฝายเกเบยน (Gabion

weir), ฝายหนาตดรปสเหลยมคางหม, ฝายหยก ฯลฯ

2) ฝายนาลนหรอฝายระบายนาหรอทางระบายนาลน เปนฝายทสรางเปนอาคารประกอบของโครงการประเภทเขอนหรออางเกบน า ทาหนาทระบายหรอควบคมปรมาณน าในเขอนหรออางเกบน าใหมระดบทเหมาะสม มความปลอดภยตอความมนคงแขงแรงของตวเขอนหรออางเกบนา ไดแก ฝายรปแบบลกษณะตาง ๆ แบงได 3 กลมใหญ คอ

2.1) ฝายน าลนหลกหรอฝายน าลนใชการ (Main or Service spillway) เปนฝายทออกแบบไวสาหรบควบคมหรอยอมใหปรมาณน าหลาก (Design flood) ไหลผานไปทางทายน าไดในเหตการณปกต ถาเปนฝายทไมมบานระบายควบคมระดบสนฝายมกเทากบระดบน าเกบกก ฝายประเภทนอาจออกแบบใหมลกษณะรปแบบไดแตกตางกนไปใหสอดคลองกบสภาพของปรมาณนาหลากและทางนาดานทายนาและปจจยตวแปรอน ๆ

2.2) ฝายน าลนเสรม (Auxiliary spillway) เปนฝายน าลนทออกแบบไวเพอชวยฝายน าลนใชการ ระบายน าในสวนทมน าไหลหลากเกนกวาปรมาณ Design flood ไมมากนก ระดบสนฝายประเภทนจะสงกวาระดบสนฝายน าลนใชการหรอระดบนาเกบกก (รนก.) เลกนอย

สวนใหญจะออกแบบเปนฝายทมสนฝายแนวตรง (ไมนยมสรางในประเทศไทย) 2.3) ฝายฉกเฉน (Emergency spillway) เปนฝายทออกแบบไวเพอระบายน า

หลากสงสด (Extreme flood) ทไมเกดขนบอยนก ระดบสนฝายจะอยสงกวาระดบสนฝายน าลนใชการและฝายน าลนเสรม แตไมสงกวาระดบนาสงสด (รนส.) มกใชแนวหนแขงหรอดนแขงเดมเปนตวฝาย โดยลดระดบเขอนหรอทานบดนลงในชวงทใหเปนฝายฉกเฉนดงกลาวซงมกอยทปลายเขอนหรอทานบดน

อนง เนองจากทง 1) ฝายทดน า และ 2) ฝายน าลน หรอฝายระบายน าหรอทางระบายนาลนนน จะตางกนทหนาท แตอาจมรปรางแบบเดยวกน หรอมลกษณะการไหลของน าผานฝายทเหมอนกน ดงนนในบทนถาใชคาวา “ฝาย” ใหหมายรวมถงฝายใน 2 กลมน

3) ฝายวดนา เปนฝายสรางขนเพอทาหนาทวดปรมาณน าในทางน าโดยเฉพาะ เพอชวยใหการควบคมหรอบรหารจดการน าสะดวกยงขน แบงไดเปน ฝายวดน าสนคม ฝายวดน าสนกวาง ฝายวดนาสนสนและฝายวดนารปแบบอนๆ

8-8


8.3.5 การแบงฝายออกตามลกษณะของการควบคมการระบายนา แบงไดเปน 2 ลกษณะคอ ฝายทไมมการควบคมปรมาณน าทไหลผาน (8.3.5.1) และ ฝายทมการควบคมปรมาณน าทไหลผาน (8.3.5.2) 8.3.5.1 ฝายทไมมการควบคมปรมาณนาทไหลผาน (Uncontrolled weir) เปนฝายทมการระบายน าแบบตายตว ระดบสนฝายเปนระดบเดยวกบระดบน าเกบกกของอางเกบน า หรอเปนระดบทจะทาใหน าทไหลหลากดานเหนอนาในลานาเออขนไดสงสดโดยไมเกดการไหลบาออกไปทวมพนทสองฝงลาน า เมอระดบน าสงเกนระดบเกบกกหรอระดบสนฝาย นากจะไหลลนขามฝายออกไป ฝายกลมนมกออกแบบใหมระดบนาสงสดดานหนาฝายไมสงมากนก (ไมทาใหเกดผลกระทบทาใหน าทวมพนทดานเหนอนา) โดยอาจแบงยอยไดเปน ฝายทมสนเปนแนวตรง กบฝายทมสนไมเปนแนวตรง

(1) ฝายทมสนเปนแนวตรง (Straight crest spillway) จะพจารณาแนวของสนฝายเปนแนวเสนตรงเปนเกณฑ แยกได 3 กลมยอย ไดแก

Normal spillway แนวของสนฝายวางในแนวเดยวกบทานบดน หรอตงฉากกบแนวการไหลของน าในลาน า ความยาวของสนฝายกบความกวางของลาน าจะใกลเคยงกน นาทไหลผานฝายอาจลงสลาน าโดยตรง หรอไหลผานรางระบายนาแลวจงลงสลาน า

Side channel spillway แนวของสนฝายวางในตาแหนงตงฉากกบทานบดนหรอขนานกบแนวการไหลของนาในลานาทน าจากฝายระบายออกไป

Skew spillway แนวของสนฝายวางในตาแหนงเอยงทามมกบทานบดนหรอทางนา อาจเรยก Diagonal spillway หรอ Oblique spillway

รปท 8.3-2 รปแปลนฝายสนตรง 3 กลม

8-9


ฝายทมสนเปนแนวตรงนอาจพจารณาแบงเปนประเภทยอย ตามลกษณะหนาตด ตาแหนงหรอแนวของฝายและลกษณะพเศษเฉพาะตว

ลกษณะหนาตด

แบงหนาตดฝายตามรปแบบการไหลลกษณะ Free flow เปน 2 รปแบบ คอ Free overflow และ Free overfall

ก. การไหลแบบ Free overflow เปนการไหลทน าไหลอยางตอเนองผานผวหนาของฝายสามสวนทมความตอเนองกนไป คอ (1) สนฝาย (Crest) (2) ลาดตวฝายดานทาย (Face) ซงเปนสวนจากสนฝายถงพนทายฝาย และ (3) พนทายฝาย (Toe) แลวไหลออกสลาน าดานทายหรอไหลผานรางเทกอนออกสลาน า หนาตดของฝายกลมนไดแก

(1.1) ฝายสนมน (Ogee weir) เปนทนยมสรางมาก เปนฝายทออกแบบใหมการไหลตรงตามหลกการพนฐานทางชลศาสตรของการไหลผานฝายมากทสด ดงทกลาวแลววาพฒนามาจากหลกการของฝายสนคม โดยเมอใหคอนกรตไปแทนทชองวางใตแผนน าทไหลขามฝายสนคม (Nappe) กจะเกดเปนฝายสนมนทมความมนคงแขงแรง

รปท 8.3-3 รปตดตามยาวของฝาย Ogee

(1.2) ฝายรปสเหลยมคางหม หรอ Indian type

รปท 8.3-4 รปตดตามยาวของฝายรปสเหลยมคางหม หรอ Indian type แบบหนง

8-10


(1.3) ฝายหนาตดอนๆ ทประยกตมาจากฝายสนมน และฝายรปสเหลยมคางหม เชน รปสามเหลยม รปวงกลม รปสวนของวงกลม เปนตน

รปท 8.3-5 ลกษณะรปตดฝายแบบอนบางแบบ

ข. การไหลแบบ Free overfall เปนการไหลทน าขามผานสนฝายออกไปแลวตกอยางอสระ ลงไปรวมตวกนทพนแนวราบดานทายฝาย แลวจงไหลออกสลาน าดานทายหรอไหลผานรางเทกอนออกสลาน าตอไป โดยหนาตดของฝายกลมนไดแก

(1.3) Vertical drop weir เปนฝายทมโครงสรางแบบงาย ๆ มกมลกษณะเปนกาแพงคอนกรต ทมยอดสนฝายรปรางตางๆ ทน าไหลขามออกไปอยางอสระ

รปท 8.3-6 ลกษณะรปรางหนาตดบางแบบของ Vertical drop weir

ตวอยาง Vertical drop weir ไดแก ฝายมาตรฐาน มข. 2527 ทคณะวศวกรรม ศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน รวมมอกบโครงการประชาอาสาพฒนาแหลงน าในชนบทไทย - เยอรมนออกแบบขน ฝายมาตรฐาน มข. มลกษณะเปนกาแพงหนาตดสเหลยม มหลกเกณฑกาหนดใหความยาวสนฝายเทากบความกวางลาน า ซงลกษณะลานากวางไมเกน 20 เมตร ลกไมเกน 3.50 เมตร และเหมาะสมสาหรบพนททไมลาดชนมากจนเกนไป ลกษณะเดนอกประการหนง คอ ราษฎรสามารถกอสรางไดแบบประชาอาสา คอราษฎรทาการสารวจ ออกแบบ คานวณปรมาณงาน และกอสรางไดเอง

8-11


รปท 8.3-7 แสดงฝายมาตรฐาน มข.

แนวของสนฝาย

(1.4) Side channel spillway สนฝายเปนแนวตรงหรอรปตว L ทดานยาวของสนฝายวางตวในแนวเดยวกบแนวของลานาทจะระบายนาออกไปดานทาย

(1.5) Skew spillway แนวสนฝายทามมเฉยงกบแนวนาไหล

ลกษณะพเศษเฉพาะตว

(1.6) Chute spillway เปนฝายทมระดบสนฝายกบระดบพนดานทายน าตางกนมาก อาคารรบน าดานทายฝายจงมลกษณะเปนรางสง (ในขณะทฝายทว ๆไป หรอ Simple weir มระดบพนดานหนาและทายฝายไมตางกนมาก) (1.7) ฝายแบบกลองลวดตาขายบรรจหนใหญ (Gabion weirs)

รปท 8.3-8 แสดงรปตดของ Gabion weirs

(1.8) ฝายรปแบบอนๆ เชน ฝายแบบขนบนใด ฝายหนทง ฝายตนน าลาธารขนาดเลก เปนตน

(2) ฝายทมสนไมเปนแนวตรง แตจะมรปรางลกษณะทแตกตางๆ กนไป ทงนเปนผลสบเนองมาจากการทมความจากดในเรองความกวางของลาน า นอยกวาความยาวของสนฝาย

8-12


ทออกแบบใหระบายน าปรมาณมากๆ ไดเพยงพอ หรอขอจากดเรองคาใชจายในการกอสราง เปนตน

ประเภทของฝายในกลมนไดแก

(2.1) Drop inlet spillway เปนฝายทมความยาวรวมของสนฝายยาวกวาความกวางของลาน าหรอทางนาทายฝาย จงตองปรบรปทรงแนวสนฝายเปนรปตว U, รปตว C,

รปเกอกมา, รปปากเปด, รปสเหลยม เปนตนใหยนเขาไปในตวเขอนหรออางเกบน าเพอใหปลายทง 2 ขางอยทตาแหนงพอดกบความกวางของลาน า โดยมลกษณะสาคญคอดานทายเปนรางนาเปด

รปท 8.3-9 ตวอยางรปรางสนฝายของ Drop inlet spillway

(2.2) Shaft spillway เปนฝายทสนฝายเปนรปทรงตางๆ เชน วงกลม สเหลยม ทมลกษณะเปนทรงกระบอก หรอกลอง หรอมลกษณะเปนปากแตร โดยจะยนเขาไปในอางเกบน า น าทไหลผานสนฝายจะสงออกไปสดานทายน าโดยผานทอทวางนอนลอดทานบดน ฝายประเภทนมชอเรยกตางๆกน เชน สนฝายเปนปากแตร เรยก Morning glory

spillway หรอ ฝายปากระฆง ถาสนฝายเปนรปสเหลยม เรยก Box spillway เปนตน ฝายประเภทนทสนฝายอาจมตอมอ หรอครบเพอใชบงคบการไหลของน าใหลงสจดกงกลางทอไมใหเกดน าวนเหนอปากทางนาเขาเหนอสนฝาย หรออาจเพอตดตง Stop logs เพอเสรมเพมระดบน าเกบกกชวงปลายฤดนาหลาก หรอเปนแนวกนวชพช ขยะไมใหไหลลงสชองระบายของฝายกได

ฝายประเภทนอาจม ทอระบายนา ทเรยก Bottom drain เพอชวยเพมปรมาณการระบายน า หรอใชระบายพรองน าจากอางเกบน าลงสลาน าดานทายเมอระดบน าในอางเกบนาอยต ากวาสนฝาย (จะกลาวในหวขออาคารชลศาสตรประเภททอ)

8-13


รปท 8.3-10 แสดงรปแปลน และรปตดของสนฝายกลม Shaft spillway

รปท 8.3-11 รปตดตามยาวของ Shaft spillway

(2.3) ฝายหยก (Labyrinth weir) อาจเรยก ฝายสนยาว** (Long

crested weir) เปนฝายทมลกษณะหยกไปหยกมาในรปแบบทเหมาะสม เพอใหสนฝายมความยาวเพยงพอทจะระบายนานองสงสดใหลนขามออกไปสทางนาหรอลาน าทมความกวางนอยกวาได

รปท 8.3-12 แสดงแปลนแนวสนฝายของฝายหยกบางรปแบบ

8-14


** ฝายสนยาว (Long crested weir)

ในบางตาราอาจพบการแบงกลมของฝายทตางกนออกไปจากทไดกลาวมาแลว ทพบบอยคอ ฝายสนยาว (Long crested weir) ใชเรยกกลมของฝายทสรางปดกนในลาน า โดยตวฝายจะมความยาวรวมของสนฝายยาวกวาความกวางของลานา ซงประกอบดวย 3 กลมยอยคอ

(1) ฝายแนวเฉยง (Skew or Oblique weir) (2) ฝายในกลม Drop inlet spillway ทสวนใหญจะเปนฝายรป

ปากเปด (Duckbill) (3) ฝายหยก (Labyrinth)

8.3.5.2 ฝายทมการควบคมปรมาณนาทไหลผาน (Controlled spillway)

เปนฝายทมการการใชอปกรณควบคมซงมกตดตงบนสนฝายเพอเปนตวควบคมปรมาณน าทตองการระบายออกไป หรอเพอเพมระดบและปรมาณน าเกบกกใหสามารถเกบกกน าในชวงปลายฤดนาหลากไดเพมขน ไดแก (1) บานระบายชนดบานตรง (2) บานระบายชนดบานโคง (3) บานระบายประเภทอน ๆ (4) แผนไมกระดานอดน า (Flashboard), ไมอดน า (Stop logs)

(5) ฝายยาง (Rubber weir) และ (6) ฝายแบบพเศษ เปนตน

อนงฝายทมบานระบายควบคม ตวฝายมกมลกษณะเปนฝายสนมน กรณทไดยกบานระบายพนผวนา กจะมลกษณะเปนแบบฝายสนมนทไดกลาวแลวในขอ 8.3.5.1

8.4 การคานวณปรมาณนาผานฝายทดนา และทางระบายนาลน (ไมมการควบคม) (ฝายทดนา ฝายนาลนหรอฝายระบายนาหรอทางระบายนาลน ในทนตอไปจะเรยกวา ฝาย) การคานวณปรมาณน าผานฝายทไมมการควบคมการไหลทกประเภทน น มหลกการทเหมอนๆ กน ดงนนจงจะขอสรปหลกการเพอใหเกดแนวทางสรางความเขาใจ เพอจะไดคนหาขอมลจากเนอหาทจดทาไวไดรวดเรวขน ซงสรปไดตอไปน

1) การออกแบบฝายมกออกแบบใหมการไหลแบบ Free flow ทอาจเปน Free

overflow และ Free overfall เสมอ แตอยางไรกตามฝายทกอสรางในลาน าหรอทางน ามกจะหลกเลยงการเกดการไหลแบบ Submerged flow หรอน าดานทายฝายสงกวาระดบสนฝายไมได ซงจะมวธการคานวณเปนกรณเฉพาะ

8-15


2) การคานวณปรมาณน าไหลผานฝายทกประเภทใชสมการพนฐาน เหมอนกน คอ Q = CLH3/2

3) ในการคานวณความยาวของสนฝาย หรอ L เปนความยาวทน าไหลผานสนฝายไปไดจรง (Effective length) ถามตอมอและมกาแพงดานขางทตวฝาย ตองไมคดความหนาตอมอ และตองหกคาการบบตวของนาเนองจากอทธพลของตอมอและกาแพงดวย

4) คาความลกของน าทไหลผานฝาย (H) เปนความลกของผวน าดานเหนอน าเทยบกบยอดสนฝาย โดยตาแหนงวดระดบน าทดานหนาฝายเปนตาแหนงทน านงหางจากสนฝายออกไปเปนระยะไมนอยกวา 4 เทาของความลกสงสดของนาทไหลขามฝาย

5) ประเภทของฝายนนแตกตางกนเนองจากรปรางหนาตด และรปรางของแนวสนฝายทตางกน

6) ในทางทฤษฎฝายหรอทางระบายนาลนทมลกษณะรปแบบเหมอนกนจะใชคาสมประสทธของการไหล หรอ C ในการออกแบบคาเดยวกน แตในทางปฏบตฝายแตละแหงจะมคา C ทเปนคาเฉพาะตวทจะทราบไดเมอทาการสอบเทยบ (Calibrate) เทานน

7) คาสมประสทธของการไหลผานฝาย หรอ C จะสมพนธกบรปรางหนาตดของฝาย ซงโดยทวไปแลวฝายทมหนาตดแบบเดยวกน แมจะมรปรางแนวของสนฝายเปนรปแบบใดกตาม ในการคานวณใหถอวาฝายนนมสนฝายยาวรวมเสมอนเปนแนวตรง ยกเวนมรปรางสนฝายลกษณะพเศษ หรอมมตททาใหเกดคณสมบตทางชลศาสตรเฉพาะตว จงจะมคา C ทแตกตางไป ตวอยางเชน ฝาย Ogee สนแนวตรง กบฝาย Ogee สนเปนรปโคงหรอรปเกอกมา โดยทวไปอาจถอไดวามคณสมบตทางชลศาสตรเหมอนกน ใชคา C เดยวกนในการคานวณ แตเมอเปน Morning glory spillway ซงกคอ ฝาย Ogee ทมาขดสนฝายเปนรปวงกลม แตจะมคณสมบตทางชลศาสตรเฉพาะตว ตองใชคา C เฉพาะตางหาก เปนตน

8.4.1 คาตวแปรสาคญทใชในการคานวณปรมาณนาไหลผานฝาย

จากสมการพนฐานการคานวณปรมาณนาไหลขามสนฝายทกประเภท 2/3CLHQ

เมอ Q = ปรมาณนาไหลขามฝาย ม.3 / วนาท

C = คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย L = Effective length ของสนฝายทน าไหลผานไปไดจรง ม. H = ความลกของนาดานเหนอนาวดจากสนฝายถงผวนา ม.

8-16


การคานวณปรมาณนาผานฝายนนอาจคานวณจาก 2 ลกษณะการไหล คอ

(1) การไหลแบบ Free flow กรณนน าไหลขามฝายโดยมระดบน าทายน าต ากวาสนฝาย จะคานวณโดยใชสมการพนฐานทกลาวขางตน

(2) การไหลแบบ Submerged flow กรณนระดบนาทายนาสงกวาสนฝาย ซงระดบน าดานทายจะทาใหเกดการตานการไหล ทาใหคาสมประสทธของการไหลในกรณปกตหรอ Free flow ลดลง ดงนนในการคานวณปรมาณน าผานฝายในกรณ Submerged flow จงอาศยหลกการปรบแกคาสมประสทธของการไหลจากการคานวณในกรณปกตหรอ Free flow ดวยคาSubmerged factor สวนการจะเกด Submerged flow นนจะสมพนธกบคาอตราสวนระหวางระดบน าดานทายน าและดานเหนอน า หรอคา Submergence ratio โดยคาอตราสวนดงกลาวจะมากหรอนอยจะขนกบชนดของฝาย

จะเหนไดวาในการคานวณจะมตวแปร 3 ตวมาเกยวของ คอ H ความลกของน าหนาฝาย, C คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย และคา L ความยาวของสนฝายทมน าไหลผานจรง (Effective length) ทจะตองพจารณาวาฝายแตละรปแบบจะหาคาดงกลาวไดอยางไร

H : ความลกของนาทไหลผานฝาย (ความลกของนาเหนอสนฝายดานหนาฝาย)

ความลกของนาเหนอระดบสนฝายดานเหนอน าหรอหนาฝาย จะตรวจวดในจดทน านงโดยมกหางจากสนฝายออกไปไมนอยกวา 4 เทาของระดบนาเหนอสนฝายสงสด ในทางทฤษฏความลกของน าดานหนาฝาย ตองเปน Total head ทตองคด Velocity of approach (V1

2/2g) ดวย แตในทางปฏบตจะวดคา Total head โดยตรงไมไดจงมกออกแบบใหฝายมองคประกอบดานหนาทจะทาใหการเกด Velocity of approach ดงกลาวมคานอยมากจนไมตองนามาคด

L : ความยาว Effective ของสนฝายหรอความยาวสนฝายทมนาไหลผานไปจรง

การคดคาความยาว Effective ของสนฝายนนพจารณาเฉพาะสนฝายสวนทน าไหลผานออกไปจรงๆเทานน ความยาวสวนทเปนตอมอทออกแบบเพอรองรบสะพานหรอเพอแบงน าเปนสวนยอยจะถกหกออกไป และเมอน าไหลผานกาแพงขางและตอมอจะเกดผลกระทบททาใหความเรวกระแสน าลดลงและเกดการบบตวทาใหหนาตดการไหลแคบลง หรอเสมอนวาความยาวสนฝายทน าไหลผานลดลง ดงนนจงตองคดหกคาการบบตวของการไหลออกดวย

8-17


หลกการคดความยาวสนฝายอาจพจารณาตามรปรางของสนฝาย ดงตอไปน 1) ฝายมสนตรง

1.1) กรณฝายสนตรง ทรมขางฝาย 2 ดานไมเปนกาแพงตง แตมลกษณะเปนลาด และไมมตอมอ กลาง

ใหคด L = ความยาวทงหมดของสนฝาย ม.

รปท 8.4-1 ความยาวสนฝายกรณฝายสนตรง ทรมขางฝาย 2 ดานไมเปนกาแพงตง

1.2) กรณเปนฝายสนตรงมชองระบายเพยงชองเดยว มกาแพงขาง (Abutment) 2 ขาง จะเกดการบบตวของการไหลเนองจากแรงเสยดทานจากผนงของกาแพง

รปท 8.4-2 ฝายสนตรงมชองระบายเพยงชองเดยว มกาแพง (Abutment) 2 ขาง

ea' HK2LL

L = ความยาว Effective ของสนฝายทมน าไหลผานจรง ม. L’ = ความยาวของสนฝายทงหมด ม. He = ความลกของนาทไหลผานฝาย ม. Ka = สมประสทธการบบตวเนองจากกาแพงตงขางสนฝาย

ตามตารางท 8-1

หมายเหต : กรณการคานวณอยางหยาบอาจไมคดการบบตว ใช L = L’

8-18


1.3) กรณเปนฝายสนตรงมชองระบายหลายชอง โดยมกาแพงขาง (Abutment) 2 ขาง และมตอมอกลางฝาย (Pier) แบงฝายเปนชองๆ (n ชอง) จะเกดการบบตวของการไหลเนองจากแรงเสยดทานจากกาแพงดานขางและตอมอกลาง

รปท 8.4-3 ตวอยางอาคารนาลน 3 ชอง ทมกาแพงดานขาง 2 ขาง และมตอมอตรงกลาง 2 ตอมอ

L’ = ความยาวรวมของสนฝายทงหมด (หกตอมอกลางออก) ม. L’ = L’1+L’2+L’3+…+L’n (การคานวณอยางหยาบๆ อาจใชคานเปน คา L) L = ความยาว Effective ของสนฝายทมน าไหลผานจรง ม.

eap' HKNK2LL

N = จานวนตอมอกลาง แหง กรณตวอยางจากรปท 8.4-3 L’ = L’1+L’2+L’3 ; N= 2

He = ความลกของนาทไหลขามสนฝาย ม. Ka = สมประสทธการบบตวเนองจากกาแพงตงสองขางสนฝาย

ตามตารางท 8-1 Kp = สมประสทธการบบตวเนองจากตอมอตวกลางของสนฝาย

ตามตารางท 8-2 หมายเหต : ในการคานวณอยางหยาบอาจไมคดการบบตว ใช L = L’

8-19


ตารางท 8-1 คาสมประสทธ Ka

รายละเอยดของกาแพงตงดานขาง รปรางของกาแพงตง คา Ka

1. กาแพงตงทสวนของกาแพงดานเหนอน าหกตงฉากกบทศทางนาไหล

0.20

2. กาแพงตงทสวนของกาแพงดานเหนอน าต งฉากกบทศทางน าไหลโดย ท มมมมระหวางตอมอกบกาแพงเหนอน ามนเปนโคงของวงกลมรศม R และ 0.5H > R >

0.15 H

0.10

3. กาแพงตง ทสวนของกาแพงเหนอน าทามมกบทศทางไหลของน าไมเกน 45องศา และรอยตอระหวางตอมอกบกาแพงมนเปนรปโคงรศม R ไมนอยกวา 0.5H

0.00

ตารางท 8-2 คาสมประสทธ Kp

8-20


2) ฝายทมสนฝายรปรางแบบอนๆ ทไมใชฝายสนตรง

การคดความยาวสนฝายกคดลกษณะเดยวกบกรณของฝายทมสนตรงทกลาวแลว โดย

คดความยาวทงหมดในแนวของสนฝาย หากมกาแพงขางและมตอมอกลางฝาย กใหหกความหนาตอมอ และหกคาการบบตวของการไหลเนองจากอทธพลของกาแพงและตอมอ

C : คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย

คาสมประสทธของการไหลของน าผานฝายนนจะขนกบรปรางหนาตดของฝาย หรอ

ชนดของฝาย ดงทกลาวแลววา ฝายทมรปรางหนาตดแบบเดยวกน จะมรปรางแนวสนฝายเปนรปรางใดกตามา ในเบองตนใหใชคา C คาเดยวกนในการคานวณโดยเสมอนวาฝายนนเปนฝายมสนเปนแนวตรง (ยกเวนการมขอกาหนดระบไวเปนการเฉพาะ) ซงจะนาเสนอตามลาดบหวขอดงน

8.5 ฝายสนมน (Ogee weir)

8.6 ฝายสนมนสนเปนรปทรงกระบอก (Cylindrical crested weir)

8.7 ฝายหนาตดสเหลยมคางหม หรอ Indian type weir

8.8 ฝายเกเบยน (Gabions weirs) หรอ ฝายกลองลวดตาขายบรรจหน

8.9 ฝายยาง (Rubber weir or Rubber dam)

8.10 Straight Drop or Free overfall spillway

8.11 ฝายหยก (Labyrinth weir)

8.12 Shaft spillways or Drop inlet spillways

8.13 ฝายหนาตดรปสามเหลยม (Crump weir)

ฯลฯ

8-21


8.5 ฝายสนมน (Ogee Weir)

ฝายสนมน หรอ Ogee weir ทเรยกเชนนเพราะเปนฝายทมรปรางเปนเสนโคงคลายตว S

(S-shape or Ogee) โดยเปนฝายทพฒนาขนมาโดยอาศยหลกการพนฐานทางชลศาสตรของฝายสนคม ซงการไหลของน าผานฝายชนดนถอวาเปนแบบ Free overflow ทสมบรณแบบทสด ดงนนจงอาจเรยกฝายชนดนวา Free overflow weir

รปรางหนาตดของฝายสนมน แบงได 3 รปแบบ ไดแก

(a) Vertical upstream face: ผวดานเหนอนาเปนแนวดง

(b) Inclined upstream face: ผวดานเหนอนาเปนแนวเอยง มกเลอกใชกรณมวตถไหลมากบนาหรอมตะกอนในนามาก

(c) Over hang on upstream face: ผวดานหนาตอนบนตดสนฝายเปนผนงยนออกมา ม 2 ลกษณะ คอ ผนงทมผวหนาเปนแนวดง กบผนงทมผวหนาลาดเอยง เปนการตดสวนหนาฝายออกเพอการลดปรมาณวสดทใชกอสราง

รปท 8.5-1 แสดงรปรางสนของฝายสนมน

8.5.1 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายสนมนแบบไมมบานระบายควบคม (รวมทงฝายทมบานระบายควบคมทยกบานระบายพนนา) ในการคานวณนนมวธการของหลายสานกวจยหรอหนวยงานทไดศกษาทดลอง หรอประยกตนาผลมาใชงาน สวนการจะเลอกใชวธการใดนน ผคานวณจะตองตดสนใจเลอกใหสอดคลองเหมาะสมกบอาคารนน ๆ โดยทกวธจะมหลกการพนฐานของการไหลของน าผานฝายแบบเดยวกน

8-22


สมการมาตรฐานของฝาย 2/3eee HLCQ

เมอ Q = ปรมาณนาทไหลผานฝาย (ม.3/วนาท)

Le = ความยาวประสทธผล (Effective length) ของสนฝาย (ม.) ถามกาแพงดานขาง และมตอมอกลางฝายใหหกความหนาตอมอ และการบบตวของการไหลทเกดจากอทธพลของกาแพงและตอมอ eap

'e HKNK2LL

He = ความลกของนาเหนอสนฝายทคด Approach velocity ดวย (ม.)

Ce = คาสมประสทธของการไหลผานสนฝาย

8.5.2 การหาคาสมประสทธของการไหลตามผลการศกษาทดลองของ USBR

ฝายสนมนทกอสรางกนทวไปนน สวนใหญมาจากผลการทดลองศกษาโดย US

Bureau of Reclamation (USBR) ตอมา US Army Corps of Engineers (USACE)

ไดนามาพฒนารปแบบมาตรฐานของฝายสนมนใน Waterways Experiment Station ท Vicksburg ไดเปนรปแบบทเรยกกนวา WES Standard 4 แบบ คอ

ฝายสนมนทดานหนาฝายเปนแนวดง ฝายสนมนทดานหนาฝายเปนลาด 3 : 1

ฝายสนมนทดานหนาฝายเปนลาด 3 : 2 ฝายสนมนทดานหนาฝายเปนลาด 3 : 3

สมการสวนโคงทเปนสนมน (Downstream profile) ของฝาย WES Standard

ฝายสนมนตาม WES Standard จะมลกษณะของสวนโคงมนตามสมการตอไปน

n

dd HX

KHY

USBR form

YHKX 1nd

n USACE form

เมอ Y = ระยะในแกนตง X = ระยะในแกนราบ Hd = Design head K = คาตวแปรทสมพนธกบความลกของนาหนาฝาย

n = คาคงทซงขนกบรปรางหนาตดของฝาย ดงตอไปน

ฝายไมม Slope ดานหนา : n = 1.850

ฝายม Slope ดานหนา 3 : 1 : n = 0.836



8-23


รปท 8.5-2 แสดงฝายสนมน WES Standard 4 แบบ

ผลการศกษาของ USBR นนเปนตนแบบของการศกษาและออกแบบฝายสนมนแบบอนๆ โดยคาสมประสทธของการไหล (C) ทไดจากการศกษาฝายสนมนรปรางมาตรฐาน WES Standard นน จะผนแปรไปตามองคประกอบตอไปน (1) การศกษานนใชฝายสนมนทมผวหนาฝายเปนแนวดงเปนรปแบบมาตรฐานพบวา คา C จะขนกบคาความลกของนาททางเขาหรอดานเหนอนา ซงคอคา P และ He (2) ถาหากฝายนนมรปรางตางไปจากรปรางตามมาตรฐาน คาสมประสทธการไหล ของฝายนน (C) จะตางไปจากคาของฝายมาตรฐาน (Cd) ซงทาให Head (H) ของฝายนนตางจาก Design head (Hd) ของฝายมาตรฐานดวย (3) ถาหากผวหนาฝายเปนแนวลาดเอยง การปะทะของนาดานหนาฝายจะลดลง คาสมประสทธการไหลจงเพมขนเมอเทยบกบฝายทหนาฝายเปนแนวดง (4) ระดบพนดานทายฝายมผลตอคาสมประสทธของการไหล (5) ถาหากระดบน าดานทายน าสงกวาสนฝาย จะทาใหเ กดการไหลแบบ Submerged flow เกดการตานการไหลเกดขน ทาใหคาสมประสทธของการไหล จากกรณ Free

flow จะลดลง

8-24


8.5.3 ผลการศกษาคาสมประสทธของการไหลของฝายสนมน WES Standard ตามทไดกลาวนามากอนหนานวา คาสมประสทธของการไหลของฝายสนมน WES Standard จะเกยวของสมพนธกบองคประกอบหรอผลกระทบ 5 ประการตอไปน 1) ผลกระทบจากความลกของนาทปากทางเขา

ฝายสนมนรปแบบหนาตด WES Standard นน จะมฝายสนมนทมผวหนาฝายเปนแนวดงเปนตนแบบ (พจารณาออกแบบฝายผวหนาแนวดงกอนแลวจงพจารณาผวหนาลาดเอยงในลาดบถดไป) โดยคาสมประสทธของการไหล (Ce) กรณ Free flow ของฝายสนมนทมผวหนาฝายเปนแนวดง จะสมพนธกบความลกของน าดานเหนอน าทวดจากสนฝาย (Ho) กบความสงของฝาย (P) ซงหาไดจากกราฟใน รปท 8.5-3 โดยคา Ce จะถกตองเมอรปรางความโคงของฝายถกตองตามคามาตรฐานซงเปนรปรางของ Nappe ในอดมคต ท He/Ho = 1 (เมอ He= Ho+ha โดยท ha คอ approach velocity ทมคานอยมาก)

รปท 8.5-3 คาสมประสทธของการไหลของฝายสนมนทมผวหนาฝายเปนแนวดง

8-25


2) ผลกระทบจากรปรางของ Crest ทตางไปจากรปรางมาตรฐาน

USACE ไดศกษาฝายสนมนทมดานหนาฝายเปนแนวดง และมรปรางของ Crest หลายรปแบบ ไดแก ฝายสนมนทมความโคงของ Crest ตามเกณฑของ USBR, ฝายสนมนตามเกณฑ WES Standard (ใหเปนตวใชเปรยบเทยบ) และฝายสนมนทมสวนโคงเปนรปวงร (Elliptical) ยกตวอยางแสดงเปรยบเทยบในรปท 8.5-4 โดยศกษาเปรยบเทยบคา Head กบคาสมประสทธของการไหล ซงในทางทฤษฏนนหากมคาตวแปรตางๆ เหมอนกน กควรมคา Head จรง (He) ใกลเคยงกบ Design Head (Hd ) แตผลจากการศกษาพบวา หาก Crest มรปรางทกวางกวาจะทาใหเกด Positive pressure ตามผว Crest ทาใหอตราการไหลลดลง และหากมรปรางทแคบกวา จะทาใหเกด Negative pressure ตามผว Crest ทาใหอตราการไหลเพมขน แลวไดสรปผลเปนกราฟในรปท 8.5-5 ซงเปนกราฟความสมพนธของ C/Cd และ H/Hd หรอกลาวอกนยหนงคอเกดผลกระทบเนองจาก Head ทตรวจวดหรอสงเกตซงรวม Velocity of

approach (H หรอ He) ของฝายตวนน ทแตกตางไปจาก Design head (Hd) ทมคาสมประสทธของการไหลเปน Cd ของฝายตามรปแบบ WES Standard ทเปนตวเปรยบเทยบ

รปท 8.5-4 แสดงขอบเขตหนาตดฝายททาใหรปรางแตกตางไปจากฝายมาตรฐาน

ดงนนผลการศกษาผลกระทบจากรปรางของ Crest ทตางไปจากรปรางมาตรฐานน จงเปนประโยชนในการใชพจารณาออกแบบฝายใหม Head และคาสมประสทธของการไหล

ใหไดตรงกบทตองการ โดยหากออกแบบใหตางไปจากรปแบบมาตรฐาน กมความจาเปนตองมการทดสอบในหองปฏบตการโดยใชแบบจาลอง เพอใหทราบและยนยนคา Head และ คาสมประสทธของการไหลทควรเปนจรงดวยเสมอ

8-26


รปท 8.5-5 กราฟความสมพนธของ C/Cd และ H/Hd

เมอรปรางของ Crest ทตางไปจากรปรางมาตรฐาน

3) ผลกระทบจากความลาดเทผวของฝายดานเหนอนา ถาดานหนาฝายยงลาดมากแรงตานการไหลจะยงนอย จงตองปรบแกคา Ce ทหาไดจากกราฟในรปท 8.5-3 ซงเปนกรณผวหนาฝายเปนแนวดง ใหเปนคาของฝายทผวหนามความ

ลาดเอยง โดยกราฟในรปท 8.5-6 ซงเปนความสมพนธของ vertical

inclineCC กบ

eH

P ทมความลาดเทผว

ดานหนาฝายตาม WES Standard เปน 3:1, 3:2 และ 3:3

ตวอยางวธการหาคา C ถาฝายมความลาดเทผวดานหนา 3:3 ม P = 2.50 ม. ท H = 1.00 ม. คานวณคา C ไดโดยหาคา Ce โดยใชกราฟในรปท 8.5-3 ซงเปนฝายทดานหนาฝายเปนแนวดง จากคาของ P/He = 2.50 ได Ce = 2.15 ตอไปแปลงคาเปน Cincline 3:3 โดยหา

คา vertical

inclineCC จากเสนกราฟ 3:3 โดยใชคา 50.2

00.150.2

H

P

e ซงมากกวา 1.50 จงปรบใช

เปน 1.50 จะได vertical

inclineCC 0.994 ดงนน คา C ของฝายน เมอ H = 1.00 ม. เทากบ

2.15x0.994 = 2.137

8-27


รปท 8.5-6 ตวปรบแกสมประสทธการไหลของฝายสนมนเนองจากความลาดเอยงของผวหนาฝาย

4) ผลกระทบจากพนดานทายนา และการเกด Submergence ดานทายนา เมอระดบนาดานทายฝายสงขนจนทาใหเกดการไหลเปนแบบ Submerged แลว ระยะในแนวดงจาก Crest ของการไหลขามถงพนดานทายน า และความลกการไหลดานทายน าของลาน าจะมความสมพนธกบ Head ทวดจากพนดานหนาฝาย (P+He) ซงเปน Factor ททาใหคาสมประสทธการไหลเปลยนแปลงลดลงจากกรณการไหลแบบ Free Flow

จากผลการศกษาผลกระทบจากพนดานทายน า และการเกด Submergence ดานทายน า ไดสรางเปนกราฟดงแสดงในรปท 8.5-7 ซงประกอบดวยกราฟ 2 ชด คอ ก. กราฟเสนเอยงเปนกราฟอธบายลกษณะการไหล และ ข. กลมกราฟลกษณะคลายอกษร L ทอธบายสภาวะการเกด Submergence

8-28


รปท 8.5-7 กราฟทสมพนธกบผลกระทบจากพนดานทายนา และการเกด Submergence ดานทายนา

8-29


ก. กลมกราฟอธบายลกษณะการไหล โดยแบงคณลกษณะการไหลทสาคญ 5 ประการทสามารถเกดขนดานทายน าของ Overflow crest จะขนอยกบตาแหนงของพน (Apron) ทายน าและผวน าดานทายน า เพองายในการทาความเขาใจจงขออธบายดวยรปท 8.5-8 ดงตอไปนคอ

รปท 8.5-8 แสดงกลมกราฟเพออธบายลกษณะการไหล

เสนกราฟ

เสนกราฟหมายเลข 1 : Flow at supercritical stage เสนกราฟหมายเลข 2 : Flow at critical depth เสนกราฟหมายเลข 3 – 6 : Flow at subcritical stage

เสนกราฟหมายเลข 4 : Conjugate jump depth

ชวงของการไหล

ชวง A ระหวางเสนหมายเลข 1 ถง 2 เปนชวงของ Supercritical flow

ชวง B ระหวางเสนหมายเลข 2 ถงเสนลางสดของแกนนอน เปนชวงของ การไหลแบบ Subcritical flow

8-30


คณลกษณะดานทายนาของการไหลทสาคญ 5 ประการ

ชวง a ระหวางเสนกราฟหมายเลข 1 ถง เสน 3 เปนการไหลของน ายงคงตอเนองไปดวยสภาวะ Supercritical Stage

ชวง b ระหวางเสนกราฟหมายเลข 3 ถงเสน 4 Hydraulic jump เรมกอตวเปนแบบสวนหรอมลกษณะทไมสมบรณ

ชวง c ระหวางเสนกราฟหมายเลข 4 ถงเสน 5 เกด Hydraulic jump ทแทจรง

ชวง d ระหวางเสนกราฟหมายเลข 5 ถงเสน 6 เกด Jump จมน า (Drowned jump) เนองจากน าทไหลขามสนฝายออกไปยงมความเรวทสง และระดบน าดานทายไมสงพอทจะตานลา Jet น า แตเมอระดบน าดานทายยงสงเพมขน การไหลกจะชาลงเรอยๆ จากแรงตานของนาดานทาย

ชวง e ระหวางเสนกราฟหมายเลข 6 ถงเสนลางสดของแกนนอน ไมม Jet เกดขน การไหลจะเสมอนขนานไปกบแนวของผวนาดานทายเหนอสนฝายขนไป

สภาวะการไหล ชวง a, b, c มกเกดกบฝายขนาดใหญทมความสงมาก สวนสภาวะการไหล ชวง d และ e มกเกดกบฝายเตย ๆ

ข. กลมกราฟลกษณะคลายอกษร L ทอธบายสภาวะการเกด Submergence

การเกด Submergence หรอการไหลแบบ Submerged flow ทสงผลใหสมประสทธของการไหลผานฝายลดลงเนองจากเกดการตานของน าดานทายน า ซงจะมความสมพนธ 2 ลกษณะ อธบายดวย รปท 8.5-9 และรปขยายตาม รปท 8.5-10 คอ

รปท 8.5-9 แสดงกลมกราฟลกษณะคลายอกษร L ทอธบายสภาวะการเกด Submergence

8-31


รปท 8.5-10 แสดงรปขยายของชดกราฟ A – A และ B – B

(1) Degree of Submergence, hd/He กบ Decrease in

Coefficient of Discharge, Percent ทอานไดจากกราฟ ชวง A – A

คาจากกราฟสรปไดวา เมอ hd/He มากกวา 0.60 จะไมเกดผลกระทบจาก Submergence

การอานคาจากกราฟรปท 8.5-7 มความยงยาก จงไดมการปรบปรงกราฟเพอใหงายและสะดวกในการใชงานสรางเปนกราฟ ตามรปท 8.5-12 โดยไดแปลงคา Decrease in coefficient of discharge (คาทลดลงของสมประสทธของการไหลจากกรณFree Flow) เปนคา Cs/Cd (เมอ Cs=C-submerged, Cd= C-design)

(2 ) Position of Downstream Apron, (hd+d/He) กบ Decrease

in coefficient of discharge, Percent ทอานไดจากกราฟ ชวง B – B

กราฟรปท 8.5-7 เมอ (hd+d/He) = 1, คา Decrease in

coefficient of discharge เทากบ 23% (หมายถงคา C ทหาไดกรณการไหลแบบ Free flow

จะลดลงอก 23%) และเมอ (hd+d/He) มากกวา 1.7 จะไมเกดผลกระทบจาก Submergence โดยมคา Decrease in coefficient of discharge เทากบ 0 % เชนเดยวกบกราฟชดแรก การอานคาจากกราฟรปท 8.5-7 ขางตนมความยงยาก จงไดมการปรบปรงกราฟเพอใหงายและสะดวกในการใชงานสรางเปนกราฟ ตาม รปท 8.5-12 โดยไดแปลงคา Decrease in coefficient of discharge เปนคา Cs/Cd เชน เมอ

8-32


(hd+d/He) = 1 จะไดคา Cs/Cd เทากบ 0.77 หมายถง Cs เทากบ 0.77Cd ทหาไดจากกรณ Free Flow (มาจาก กรณกราฟรปท 8.5-6 Decrease in coefficient of discharge 23% =

Cd - 0.23Cd, Cs = 0.77 Cd นนเอง และเมอ (hd+d/He) = 1.7 จะไดคา Cs/Cd เทากบ 1.00

รปท 8.5-11 กราฟความสมพนธ Degree of submergence, hd/He กบ Ratio of modified

coefficient to free discharge coefficient, Cs/Cd ทอานไดจากกราฟ ชวง A – A

(ปรบปรง)

รปท 8.5-12 กราฟความสมพนธ Position of downstream apron, (hd+d/He) กบ

Ratio of modified coefficient to free discharge coefficient, Cs/Cd ทอานไดจากกราฟชวง B – B (ปรบปรง)

8-33


อาจสรปการหาคาสมประสทธการไหลของฝายสนมนไดวา ฝายสนมนในกรณนตองเปนฝายทมรปรางตามมาตรฐาน WES Standard 4 รปแบบเทานน

ถาให C = คาสมประสทธของการไหลผานฝายสนมน

C0 = Ce เปนคาสมประสทธการไหลของฝายผวหนาเปนแนวดง หาจากกราฟรปท 8.5-3

C1 = vertical

inclineC

C เปนคาทเกดจากผลกระทบจากความลาดเทผวดานหนาฝาย หา

จากกราฟรปท 8.5-6 (ถาเปนฝายดานหนาฝายเปนแนวดงคานไมตองคด)

C2 = Cs/Cd เปนคาทเกดจากผลกระทบจากพนดานทายน า และการเกด Submergence หาจากกราฟในรปท 8.5-7 หรอใชกราฟรปท 8.5-11 และรปท 8.5-12 แลวแตกรณ โดยพจารณาวาเกดการไหลแบบ Submerged flow หรอไมกอน โดยใชกราฟรปท 8.5-7ประกอบ (ถาไมเปนการไหลแบบ Submerged flow คานไมตองคด)

ดงนนคา C ทใชคานวณในหลกการของ USBR นนจะมาจาก

C = C0xC1xC2

กรณฝายสนมนทมการออกแบบรปรางแตกตางไปจากรปแบบมาตรฐาน WES

Standard กตองใชคาความสมพนธของคาสมประสทธการไหล กบ head ตลอดจนคาอนๆ ตามมาตรฐานการออกแบบฝายนนๆ มาใชคานวณ และในกรณทฝายนนมความสาคญมกมการทดสอบแบบจาลองในหองปฏบตการซงจะไดคาสมประสทธการไหลของฝายน นมาใชงานเสมอ แตอยางไรกตามคาทไดยงไมใชคาทถกตองอยางแทจรง เพราะในสภาพพนทจรงจะมตวแปรตางๆ มาเกยวของหลายประการ เชน การกอสรางไมไดมาตรฐานถกตองตามแบบ มสภาพแวดลอมของพนทดานเหนอน าและดานทายน ามาเกยวของ หรอการมตะกอนตกจมหนาฝาย เปนตน ตองมการสอบเทยบเพอใชเปนคาเปรยบเทยบกบคาทางทฤษฏทใชออกแบบดวย

ฝายทมรปรางหนาตดเปนฝายสนมนนอาจออกแบบใหเปนไดทงฝายทดน าในลาน า และฝายระบายนาหรอทางระบายนาลนของอางเกบน า โดยสามารถออกแบบใหเปนฝายชนดตาง ๆ เชน ฝายหรอทางระบายน าลนแนวตรงมาตรฐาน, ฝายแนวเฉยง (Skew weir), Side channel

spillway, Drop inlet spillway ทมแนวสนฝายเปนรปรางตาง ๆ เชน รปสวนโคงของวงกลม

8-34


หรอ C-Shape รป U-Shape รปปากเปด (Duckbill) ฯลฯ ซงฝายเหลานสามารถหาคาสมประสทธของการไหลแบบเดยวกบทไดอธบายมาขางตนไดทกชนด

โดยทวไปแลวการออกแบบฝายหรอทางระบายน าลน ถาจะสรางในโครงการชลประทานทมความสาคญ เชนโครงการขนาดใหญ หรอเปนโครงการทสงสยวาจะเกดผลกระทบตอสงแวดลอม มกจะมการทดสอบโดยใชแบบจาลองในหองปฏบตการชลศาสตรดวยเสมอ ซงการทดสอบดงกลาวทาใหรพฤตกรรมทางชลศาสตรของอาคารตวนน และทาใหรคาสมประสทธของการไหล ซงการทดลองทไดมาตรฐาน ผลการทดลองทไดนนเปนทยอมรบกนวาใหผลถกตองใกลเคยงกบสภาพจรงของอาคารนน ซงอาจใชเปรยบเทยบกบคาทางทฤษฏหรอคาทใชคานวณออกแบบ นอกจากนจะเปนประโยชนในการสอบเทยบคาสมประสทธของการไหลจรงในสนามโดยการสมตรวจเปนบางชวงของอตราการไหลไมตองสอบเทยบตลอดทกชวงของ Head

8.5.4 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายกรณ Submerged flow แบบแยกสวน

เราอาจพบไดบอยๆ กบการคานวณปรมาณนาผานฝายในกรณการไหลแบบ

Submerged flow โดยใชสมการตอไปน

65.0C...........)3H

D(gH2CLQ (SI Unit)

สมการดงกลาวเปนการคานวณอตราการไหลเมอระดบนาดานทายสงกวาระดบสนฝาย มาจากการวเคราะหคดแยกการไหลโดยใชระดบนาดานทายแบงการไหลออกเปน 2 สวน ดงแสดงในรปท 8.5-13 (ฝายมความยาวสนฝาย L)

รปท 8.5-13 แสดงการแยกสวนการไหลกรณ Submerged flow เปน 2 สวน

8-35


Part A

gH2C32

V AA

LHA A AAA A.VQ

gH2LHC32

LH.gH2C32

Q AAA

Part B gH2CV BB

)HD(LA A BBB A.VQ

)HD(L.gH2CQ BB

)eApproximat(BA CCC = Discharge coefficient

BA QQQ

)HD.(gH2CLLH.gH2C32

Q

)HDH32

(gH2CLQ

)3H

D(gH2CLQ

คา C ใหใชคาเฉลย 0.65

การนาสมการขางตนมาใชในการคานวณ โดยคาสมประสทธของการไหลในแตละสวน คอ CA และ CB มากาหนดใหมคาเทากนคาเดยวเปนคาเฉลยนนนกชลศาสตรบางสวนเหนวาผดหลกการ เพราะคา Submergence ratio ทตางกนยอมสงผลตอคาสมประสทธของการไหลทแตกตางกน แตอยางไรกดความผดพลาดดงกลาวถอวาอยในเกณฑทยอมรบได

8.5.5 Discharge rating curve หรอ Q-H Curve

ในการออกแบบฝายหรอทางระบายน าลนนนผออกแบบอาจแสดงกราฟหรอตารางความสมพนธของอตราการไหลและระดบน าทไหลผานสนฝาย (Discharge rating

curve หรอ Q-H Curve) ไวในแบบกอสราง ซงกราฟหรอตารางดงกลาว ถามาจากผลการทดสอบแบบจาลองในหองปฏบตการใหถอวาสามารถนาไปใชในการคานวณหาคาอตราการไหลไดถกตอง (แตตองสอบเทยบเมอใชงานไปถงระยะเวลาทสภาพแวดลอมของอาคารนนมการเปลยนแปลง) แตถาเปนคาการคานวณทางทฤษฏทใชในการออกแบบ ตองสอบเทยบเพอยนยนความถกตองดวยเสมอ เพราะมฝายหรอทางระบายนาลนจานวนไมนอยทมพฤตกรรมทางชลศาสตรรวมทงสมประสทธของการไหลแตกตางไปจากทกาหนดไวตามทฤษฏ

8-36


ตวอยาง Q-H Curve จาก รปท 8.5-14 เปน Discharge rating curve ในแบบกอสราง Side channel spillway ทมหนาตดเปน WES Standard Ogee ของอางเกบ

นาหวยตาเขยว จงหวดบรรมย ทมสนฝายยาว 10.00 ม. (คา C ทใชในกราฟ จงเปน 2.1695) ระดบสนฝาย +235.80 ม. (รทก.) ซงสามารถคานวณตรวจสอบคา C ไดตามตารางท 8.5-2

รปท 8.5-14 Discharge rating curve ในแบบกอสราง Side channel spillway

ของอางเกบนาหวยตาเขยว จงหวดบรรมย

Q = CLH1.5 (ม.3/วนาท)

L = 10.00 ม. ; Q = C x 10 x (ระดบนาในอาง-235.80)1.5

จะได C = Q / [10 x (ระดบนาในอาง-235.80)1.5]

ตารางท 8.5-2 ตวอยางการตรวจสอบคา C Q (ม.3/วนาท) El. (ม. รทก.) H (ม.) C

5.00 236.20 0.40 1.976 10.00 236.40 0.60 2.152 15.00 236.60 0.80 2.096 20.00 236.80 1.00 2.000 25.00 236.90 1.10 2.167 30.00 237.00 1.20 2.282 35.80 237.10 1.30 2.415

(เฉลยแบบหยาบๆไดคา C เฉลย 2.156 ซงใกลเคยงกบทระบไวในแบบกอสราง 2.1695) ในรปท 8.5-15 เปนตวอยาง Discharge rating curve ในแบบกอสราง Side

channel spillway ทมหนาตดเปน WES Standard Ogee ของอางเกบนาหวยตะโก จงหวดบรรมย ทมสนฝายยาว 30.00 ม. ระดบสนฝาย +217.10 ม.(รทก.) ซงสามารถคานวณตรวจสอบคา C ไดตามตารางท 8.5-3

8-37


รปท 8.5-15 Discharge rating curve ในแบบกอสราง Side channel spillway

ของอางเกบนาหวยตะโก จงหวดบรรมย สมการทระบในแบบกอสราง Q = 0.552CLH1.5 **** (ลกบาศกเมตร/วนาท) L = 30.00 ม. ; Q = 0.552 C x 30 x (ระดบนาในอาง-217.10)1.5

จะได C = Q / [0.552 x 30 x (ระดบนาในอาง-217.10)1.5]

หรอ 0.552C = Q / [30 x (ระดบนาในอาง-217.10)1.5]

ตารางท 8.5-3 การตรวจสอบคา C Q (ม.3/วนาท) El. (ม. รทก.) H (ม.) C 0.552 C

6.00 217.30 0.20 4.051 2.236 15.00 217.50 0.40 3.580 1.976 28.00 217.70 0.60 3.638 2.008 44.00 217.90 0.80 3.713 2.050 62.00 218.10 1.00 3.744 2.067 91.10 218.35 1.25 3.936 2.173

(เฉลยแบบหยาบๆ ไดคา C เฉลย 3.777 และคา 0.552 C เฉลย 2.085)

ขอสงเกต ความคลาดเคลอนของ Discharge rating curve ตามตวอยางขางตนอาจเกดไดจาก (1) มการปรบโคงเสนกราฟใหราบเรยบ คาจงอาจตางกบผลการคานวณจรงเลกนอย (2) ผออกแบบมกระบเพยงคา C ทเปนคา Design head สงสดคาเดยวในกราฟ แลวใชคา C นนคานวณสรางกราฟ หรออาจใชคา C ทสมพนธกบคา H/P กได จงตองตรวจสอบใหด

**** สมการการคานวณ Q = 0.552CLH1.5 (ม.3/วนาท)

8-38


ในการคานวณปรมาณน าถาใชสมการ Q = 0.552CLH1.5 ในกรณดงตวอยางทนามาเสนอน เปนสมการคานวณทแปลงแลวจากสมการหนวยระบบองกฤษ โดย Q จะมหนวยเปน ลกบาศกเมตร/วนาท ในขณะท L และ H มหนวยเปน เมตร แตคา C ยงไมไดแปลง จงยงคงตองหาจากกราฟในหนวยระบบองกฤษ (ไมไดแสดงกราฟดงกลาวไวในคมอน) ซงอาจกลาวไดวาตองปรบคา C ในหนวยระบบองกฤษใหเปนหนวยระบบ SI ดวยคาคงท 0.552 หรอตองใชคา 0.552C นนเอง ทมาการแปลงขอมลหนวย ระบบ องกฤษ เปน SI 1 ฟต = 0.3048 ม.

1 ลกบาศกฟต = 0.0283 ม.3

Q = CLH1.5 ฟ.3/วนาท

L , H ฟ. C ระบบองกฤษ*

(Q/0.0283) = C (L/0.3048) (H/0.3048)1.5 ม.3/วนาท Q = (0.0283/(0.3048*0.30481.5) CLH1.5 Q = 0.552CLH1.5 ม.3/วนาท

L , H ม. C ระบบองกฤษ* นนคอ ในสมการ Q = 0.552CLH1.5 ไดแปลงใหมหนวยเปน ลกบาศกเมตร/วนาท โดยท L และ H ใชคาหนวยเมตรเพราะไดแปลงแลวเชนกน แตคา * C ยงคงเปนคาในระบบองกฤษ จงตองหาจากกราฟในหนวยระบบองกฤษ

8-39


8.6 ฝายสนมนสนเปนรปทรงกระบอก (Cylindrical crested weir) เปนฝายทพฒนาจากแนวคดของฝาย WES Standard โดยมรปรางของ Crest ทตางไปจากรปรางของ Nappe ในอดมคต ซงจะมหนาตดเปนสวนโคงของวงกลมทมรศม r และมลาดทายฝายสดสวน 1:1 หรอทามม 45 องศากบพนดานทายนา ซงแสดงในรปท 8.6-1

รปท 8.6-1 Cylindrical crested weir

1

minH

g/P VS

rH1

จากการศกษาของ Escande และ Sananes (1959) พบวา ถา H1/r มคานอย กวา 1.5 แรงดนเหนอสนฝาย (P/ρg) จะมคาเปนบวก และถา H1/r มคามากกวา 1.5 แรงดนเหนอสนฝายจะมคาเปนลบ โดยสามารถสรางสมการความสมพนธ แรงดนนอยทสดดงน

n/211 r/nyryHH

gp

เมอ n = 1.6+0.35 cot θ

cot θ = cot 45 = 1

y = 0.7 H1

จากผลการศกษาดงกลาวสรางเปนกราฟความสมพนธของ (P/ρg)min /H1 และ H1/r ไดดงรปท 8.6-2 โดยคา (P/ρg)min/H1 มไดสงสดไมเกน 4 เมตร ไมเชนนนจะมผลตอการการกดกรอนผวหนาฝายเกดรพรน (Cavitation corrosion) จากฟองอากาศทเกดทผวลาดทายฝายอยางรนแรง ดงนนจงจากดขนาดของฝายประเภทนดวยคาของ H1/r

8-40


รปท 8.6-2 แรงดนนอยทสดทเกดบน Cylindrical weir สมพนธกบคา H1/r

8.6.1 การคานวณปรมาณนาไหลผาน Cylindrical weir

ใชสมการพนฐานของฝายสนสน

2/3ee HLg

32

32

CQ ลบ.ม. /วนาท

Ce คาสมประสทธของการไหล

สมประสทธของการไหลผาน Cylindrical weir จะสมพนธกบผลกระทบทเกดขนกบตวฝายตอไปน ททาใหคาสมประสทธของการไหลเปนดงสมการ

3210e CCCCC

C0 คาสมประสทธของการไหลทเกดจากผลกระทบหรอความสมพนธเนองจาก

H1/r ซงหาไดจากกราฟในรปท 8.6-3

C1 คาสมประสทธของการไหลทเกดจากผลกระทบหรอความสมพนธเนองจาก

P1/H1ซงหาไดจากกราฟในรปท 8.6-4

C2 คาสมประสทธของการไหลทเกดจากผลกระทบจากความลาดเทผวของฝายดานเหนอนา เชนกรณฝายสนมนมาตรฐาน WES ซงหาไดจากกราฟในรปท 8.6-5

8-41


C3 = f คา Factor ของการไหลทเกดจากผลกระทบการเกด Submergence ดานทายน า ทสมพนธกบคาของ H2/H1 ซงหาไดจากกราฟในรปท 8.6-6 ทงนจะเรมเกดผลกระทบเนองจาก Submergence ดานทายนา เมอ H2/H1 > 0.33 แตในทางปฏบตเพอไมใหยงยากในการคานวณอาจถอวาการไหลยงเปนแบบ Free flow หาก Submergence H2/H1 < 0.65 เพราะอตราการไหลจะลดลงเพยง 10 % เทานน

รปท 8.6-3 คาสมประสทธของการไหล Cd หรอ C0 ทสมพนธกบ H1/r

รปท 8.6-4 คาสมประสทธของการไหล C1 ทสมพนธกบ P1/H1

8-42


รปท 8.6-5 ตวปรบแกสมประสทธการไหลของฝายสนมนเนองจากความลาดเอยงของผวหนาฝาย

รปท 8.6-6 คา Factor ของการไหลทเกดจากผลกระทบ การเกด Submergence ดานทายนา H2/H1

8-43


ฝายทมรปรางหนาตดเปนฝายสนมนรปแบบนเนองจากลาดตวฝายดานทายมความชนมาก (1:1) จงมกออกแบบเปนฝายทดน าในลาน า และฝายระบายน าหรอทางระบายน าลนของอางเกบนา ลกษณะสนเปนแนวตรงมาตรฐาน หรอรปสวนโคงของวงกลมทมความโคงไมมาก

ผลการศกษาทมชอเสยงของฝายลกษณะนไดแก การศกษาเรอง Computational

Modeling of Flow Over a Spillway In Vatnsfellsstifla Dam in Iceland โดย

BJÖRN MARGEIRSSON โดยไดศกษาท Department of Applied Mechanics

Chalmers University of Technology, Sweden ในป 2007

ทางระบายน าลนของเขอน Vatnsfellsstifla เปนฝายสนมนทยอดสนฝายเปนสวนโคงของวงกลมรศม 0.50 ม. มลาดดานทายฝาย 1:1.4 แนวของสนฝายเปนสวนโคงของวงกลมยาว 50 ม. ซงปรบไปสรางเทดานทายทกวางเพยง 10 ม. ระดบสนฝายสงกวาพนดานทายน า 80 ม. สามารถระบายนาไดไมนอยกวา 280 ม.3/วนาท

รปท 8.6-7 แสดงแนวสนทางระบายนาลนของเขอน Vatnsfellsstifla

รปท 8.6-8 แสดงรปแปลนทางระบายนาลนของเขอน Vatnsfellsstifla

8-44


รปท 8.6-9 แสดงหนาตดทางระบายนาลนของเขอน Vatnsfellsstifla

รปขวามอเปนรปหนาตดทปรบใหเปนรปแบบอยางงาย

รปท 8.6-10 รปบน กราฟ Discharge (Q) VS Head (H) รปลาง กราฟ Discharge (Q) VS Discharge coefficient (C) ทเปรยบเทยบผลจากการทดลอง (exp) และผลจากการคานวณ

CFD: Computational Fluid Dynamics)

8-45


ผลจากการศกษาสรปไดวา

ความสมพนธระหวาง Q กบ H ผลจากการทดลองและการคานวณนนไมแตกตางกนมาก

ความสมพนธระหวาง Q กบ C ผลจากการทดลองและการคานวณในชวงมทอตราการไหลนอย ๆ เทานนทมคา C แตกตางกนประมาณ 11% ซงยอมรบไดและผลโดยรวมอยในระดบทด

คา Discharge coefficient (C) มคาคอนขางสงกวาฝายสนมนอน ๆ โดยมคา C เฉลยประมาณ 2.25 เปนเพราะการไหลผานผวหนาฝายทมความลาดชนมากจะเกดอตราเรงของการไหลเกดขน โดยจะเกดชนตดขอบ (Boundary layer) ขนระหวางการไหล และเมอการไหลถงตาแหนงทชนตดขอบมความหนาเตมหนาตดการไหล กจะมฟองอากาศปนกบน าเกดขน แตลกษณะการไหลยงเปนแบบเสมอตนเสมอปลายจนมาถงฐานของทางฝาย

8-46


8.7 ฝายหนาตดสเหลยมคางหม หรอ Indian type weir 8.7.1 ฝายหรอทางระบานนาลนหนาตดสเหลยมคางหม

ฝายหนาตดรปสเหลยมคางหมเปนฝายทนยมสรางมากในอนเดย ดงนนจงมกเรยกวา ฝายแบบอนเดย (Indian type weir) การออกแบบอาจมลกษณะรายละเอยดปลกยอยออกไป แตลกษณะสาคญคอมหนาตดเปนรปสเหลยมคางหม โดยมสนฝายแบนและกวาง ซงอาจใชเพอการสญจรขามผานสนฝายไปได

รปท 8.7-1 ลกษณะของฝายหนาตดรปสเหลยมคางหม ตามแนวสนฝาย

รปท 8.7-2 รปตดตามยาวของฝายหนาตดรปสเหลยมคางหมรปแบบหนง

8-47


สมการคานวณปรมาณนาไหลผานใชสมการทวไปของฝาย

Q = CLH 3/2

เมอ Q = ปรมาณนาไหลขามสนฝาย ม.3/วนาท

C = สมประสทธในการระบายนาขามสนฝาย สมพนธกบคาความลกของนานงดานหนาฝาย และความกวางของสนฝาย ซงแสดงในตารางท 8.7-1 (ในทางปฏบตแลวจะตองสอบเทยบหาคา C สาหรบฝายแตละแหง เพอใหไดคาทแนนอน การคานวณปรมาณนาจงจะถกตอง) L = ความยาวของสนฝาย ม. B = ความกวางของสนฝาย ม. H = ความลกของนานงดานหนาฝายเหนอสนฝาย ม.

ตารางท 8.7-1 คาสมประสทธของการไหล “C” สาหรบการไหลของนาขามฝายทมสนฝายแบนและกวาง เมอระดบนาดานทายนาต ากวาสนฝาย

ความกวางสนฝาย (ม.) ความลกของนาดานหนาฝายเหนอสนฝาย (H) (ม.) C

0.15 0.30

0.45

0.60

1.00

> 0.30 0.30 - 0.50

> 0.60 0.30 - 0.40 0.50 - 0.60

> 0.70 0.30 - 0.40 0.50 - 0.60 0.70 - 0.80

> 0.90 0.30 - 0.40 0.50 - 0.60 0.70 - 0.80 0.90 - 1.00

> 1.10

1.82 1.65 1.82 1.57 1.65 1.82 1.49 1.57 1.65 1.82 1.46 1.49 1.57 1.68 1.82

ทมา : ปราโมทย ไมกลด-คมองานเขอนดนขนาดเลกและฝาย

หมายเหต : กรณสนฝายกวางมากๆ ใหใชคา C = 1.82

ในทางปฏบตแลวจะตองสอบเทยบหาคา C สาหรบฝายแตละแหง เพอใหไดคาทแนนอน การคานวณปรมาณนาจงจะถกตอง

8-48


8.7.2 ฝายฉกเฉนหนาตดสเหลยมคางหม ปกตแลวเขอนหรออางเกบนาจะมอาคารชลศาสตรททาหนาทควบคมปรมาณนาใหอยในระดบหรอปรมาณทตองการ ซงอาจเปนฝายระบายนาหรอทางระบายนาลนทมระดบสนอยทระดบนาเกบกก (รนก.) หรอเปนประตระบายนา เปนตน นอกจากนอาจมทางระบายนาลนฉกเฉนหรอฝายฉกเฉน เพอทาหนาทระบายนาในกรณทอาคารระบายนาหลกไมสามารถระบายนาออกไปไดทน โดยระดบสนของทางระบายนาลนฉกเฉนมกกาหนดไวสงกวาระดบ รนก. แตไมเกนระดบนาสงสด (รนส.) ทางระบายนาลนฉกเฉนมกสรางไวทปลายดานใดดานหนงของเขอนหรอทานบดน ทจะสามารถผนนาใหไหลลงสทางนาธรรมชาตดานทายโดยไดสะดวก

ทางระบายนาลนฉกเฉนหรอฝายฉกเฉนอาจออกแบบในลกษณะของฝายถาวรแบบตางๆ กได แตสวนใหญเนองจากนานๆ ครงจงจะมปรมาณน ามากจนตองระบายผานทางระบายน าลนฉกเฉน ดงนนจงมกออกแบบโดยการลดระดบของสนเขอนหรอทานบดนลง เปนชองฝายความยาวทเพยงพอทจะระบายน ามากทสดทอาจเกดขนไดทน มปองกนการกดเซาะตวฝายทงดานเหนอน าและทายนา โดยอาจเปนคอนกรต หนเรยง หนทง และอนๆ ลกษณะการไหลทเกดขนจงเหมอนเกดนาไหลลนขามถนนออกไป (Roadway overtopping)

ในทนจะกลาวถงทางระบายน าลนฉกเฉนหรอฝายฉกเฉนทใชการลดระดบของตวเขอนหรอทานบดนซงเปนรปแบบทนยมสราง หากเปนลกษณะฝายประเภทอนๆ กใหดรายละเอยดของฝายประเภทนน

รปท 8.7-3 รปตดตามยาวของเขอนหรอทานบดน แสดงทางระบายนาลนฉกเฉน

8-49


รปท 8.7-4 แสดงรปตดขวางของทางระบายนาลนฉกเฉน

การคานวณปรมาณนาไหลผานทางระบายนาลนฉกเฉนหรอฝายฉกเฉน

จากคมอของ Federal Highway Administration (FHWA) ในชด

Hydraulic Design series No. 5 เรอง Hydraulic Design of Highway Culverts,

1985. ไดอธบายการคานวณปรมาณน าไหลลนขามทางหลวง (ซงในทนเปนทางระบายน าลนฉกเฉน) สรปไดดงน

การคานวณใชสมการทวไปของฝาย

5.11d HLCQ

เมอ Q = ปรมาณนาทไหลผานฝายฉกเฉน (ม3./วนาท) L = ความยาวของสนฝาย หรออาจแทนดวย B (ม.) H หรอ H1 = ความสงของนาดานเหนอนาวดจากสนฝาย (ม.)

Cd = คาสมประสทธของการไหลขามฝาย = Kt .Cr

Cr = คาสมประสทธของการไหล กรณFree flow ทขนกบคาของ H1 และชนดของผวจราจร ไดแก ผวลาดยาง (Paved) และผวทเปนกรวด (Gravel) ซงปจจบนเปนผวหนคลกหรอลกรง

กราฟรปท 8.7-5 ในกรณท 15.0LH

r

1

และกราฟรปท 8.7-6 ในกรณท 15.0LH

r

1

เมอ Lr = ความกวางของผวจราจร (สนฝาย) (ม.) Kt = คาสมประสทธของการไหลแบบทวม (Submerged flow)

8-50


ซง Kt หาไดจากกราฟในรปท 8.7-7 โดยจะเกดการไหลแบบ Submerged flow ในกรณตอไปน

(เมอ Ht เปนระดบนาทวมสนฝาย ดานทายนา) ก. ผวจราจรลาดยาง เกดเมอ Ht /H1 > 0.80

ข. ผวจราจรเปนหนคลกหรอลกรง เกดเมอ Ht /H1 > 0.75

รปท 8.7-5 Discharged coefficiency : Cr for H1/Lr ≥ 0.15

รปท 8.7-6 Discharged coefficiency : Cr for H1/Lr ≤ 0.15

8-51


รปท 8.7-7 Submergence factor

8-52


8.8 ฝายเกเบยน (Gabions weirs) หรอ ฝายกลองลวดตาขายบรรจหน

Gabion มาจากภาษาอตาเลยนคอ Gabbione แปลวาตะกราขนาดใหญ (Big cage) หมายถง กลองลวดตาขายขนาดใหญทบรรจหนไวภายใน โดยมการใชตะกราบรรจหนเพอปองกนการกดเซาะแมน าไนลโดยชาวอยปตตงแต 2000 กวาปมาแลว สวนการใชงานยคใหมเทาทมการบนทกไวในป ค.ศ.1894 Maccaferri ไดเสนอใหใช Gabion เพอปองกนการกดเซาะแมน า Reno ในประเทศอตาล ตอมาไดประยกตนา Gabion มากอสรางใชเปนกาแพงกนดน ใชปองกนลาดตลง ปองกนกดเซาะในทางนา กอสรางทานบ ฝายทดนา และอนๆ

การเรยก Gabion ในชออนๆ (มกเปนชอทางการคา) Reno Mattresses เรยก Gabion ทมความหนาหรอสงนอยกวา 0.50 ม. Terramesh ใชเรยก Gabion ทมสวนทเปนแผนลวดตาขายบรเวณฐานเพอวาง

เรยงหนทบ

Big cage Gabion

Reno Mattresses Terramesh

รปท 8.8-1 แสดงกลองลวดตาขายบรรจหนแบบตางๆ

8-53


รปท 8.8-2 การใชงาน Gabion เพอปองกนการกดเซาะของแมนา Reno ในประเทศอตาล

ฝายกลองหนลวดตาขาย (Gabion weirs) หรอ ฝายเกเบยน

เปนการนา Gabion มาวางเรยงซอนกนตามรปแบบทตองการเพอทดน าในทางน าใหมระดบสงขน เหมาะกบพนทซงการขนสงวสดเพอกอสรางฝายประเภทอนๆ ทาไดไมสะดวก ตองเสยคาขนสงสงมาก และพนทนนมหนเพยงพอทจะนามาใชประโยชน มสภาพของฐานรากคอนขางความมนคงแขงแรง (ถาสภาพของฐานรากไมดตองปรบปรงใหมความมนคง) อกทงการสรางฝายเกเบยนนนงายและรวดเรวกวาการสรางฝายประเภทอนๆ มาก

8.8.1 รปแบบมาตรฐานของฝายเกเบยน

U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation (1987) ไดกาหนดรปแบบมาตรฐานของฝายเกเบยน ออกเปน 3 รปรางหนาตด และ 4 ประเภทของฝาย

รปรางหนาตดของฝายเกเบยน

Vertical weir Stepped weir Battered or Sloped weirs

8-54


รปท 8.8-3 รปตดแสดงรปแบบมาตรฐานของฝายเกเบยน

8.8.2 ประเภทของฝายเกเบยน

รปท 8.8-4 รปตดตามยาวแสดงองคประกอบแบบตางๆ ของฝาย Gabion

CASE A : Simple Weir วางเรยง Gabion บนฐานรากทมนคงบนดนเดม หนาฝายถมดวยวสดทบนา

CASE B : Weir with counterweir unlined stilling basin

คลาย Case A แตมกาแพงปะทะนาดานทาย แตไมปองกนการกดเซาะทบอนา นง

CASE C : Weir with counterweir lined stilling basin

คลาย Case B แตมการปองกนการกดเซาะทบอนานงโดยการวาง gabion

8-55


CASE D : Weir with counterweir lined stilling basin located bellow the natural stream level

คลาย Case C แตวาง Gabion ลกตากวาระดบดนเดม ทาใหมความปลอดภยจากการกดเซาะมากขน

รปท 8.8-5 แสดงตวอยางรปตดตามยาวของฝายเกเบยนรปแบบหนง

8.8.3 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายเกเบยน ฝายเกเบยนนนจะตางจากฝายประเภทอนๆ ในทางทฤษฎจะออกแบบใหพนผวเรยบและตวฝายทบน า แตในทางปฏบตเพราะใชกอนหนบรรจในกลองตาขาย จงมพนผวของสนฝายไมราบเรยบ อกทงตวอาจฝายไมทบนา จะมนาไหลผานชองวางของหนทตวฝายออกไปได จนกวาจะมวสดไปอดชองวางจนตวฝายเกดการทบน า ความคลาดเคลอนทเกดจากการตรวจวดจรงกบทางทฤษฏหรอในหองปฏบตการจงมไดมากกวาฝายประเภทอนๆ

รปท 8.8-6 แสดงรปตดของฝายเกเบยน

8-56


การคานวณใชสมการของ Chezy

AVQ , 1gh2CV , 1h.BA

11 gh2C.h.BQ

2/31hg2.C.BQ

เนองจากฝายเกเบยนมลกษณะคลายฝายสนกวางการแทนคาตวแปรตางๆ จงกาหนดใหคลายฝายสนกวาง (ใหสงเกต คา B และ L) Q = ปรมาณนาไหลผานฝาย กรณ Free flow (ม.3/ วนาท) g = ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก = 9.81 (ม./ วนาท 2) B = ความยาวของสนฝาย (ม.) L = ความหนาของสนฝาย (Weir length) (ม.) H หรอ h1 = ความสงของนาดานเหนอนา (สนฝายถงผวนา) (ม.) C หรอ Cd = คาสมประสทธของการไหล

8.8.4 การหาคาสมประสทธของการไหลของฝายเกเบยน

Cremonese (1996) ไดทดลองหา คาสมประสทธของการไหลในกรณ Free flow ซงขนกบความสมพนธของ H และ L (Weir length) พบวามคาระหวาง 0.3 –

0.4 ซงแสดงไวในตารางท 8.8-1

สาหรบการไหลกรณ Submerged flow คา C จะคณคาปรบแก m ขนกบอตราสวนของระดบน าดานทายน าเหนอสนฝาย (H2) กบระดบน าดานเหนอน าเหนอสนฝาย (H1) หรอ H2/H1 ซงแสดงไวในตารางท 8.8-2

สมการการไหลกรณ Submerged flow = m x Free flow

2/31hg2.C.B.mQ

8-57


ตารางท 8.8-1 คาสมประสทธของการไหลในกรณ Free flow

ตารางท 8.8-2 คาปรบแกสมประสทธของการไหลในกรณ Submerged flow

8-58


8.9 ฝายยาง (Rubber Weir or Rubber Dam)

ฝายยาง (Rubber weir) หรอบางแหงอาจเรยกวา เขอนยาง (Rubber dam)

เปนฝายทมการการมวนยางใหมลกษณะเปน ถงยาง (Rubber bag) ปลายปดรปทรงกระบอกทอากาศหรอน ารวซมผานไมไดและนามาวางขวางกนเตมขนาดความกวางของลาน า โดยยดตดกบสลกเกลยวทฝงในฐานคอนกรตทกอสรางอยในทองลาน ารวมทงตรงแนนกบแทนคอนกรตทตลงทงสองฝง ตวฝายยางสามารถพองตวและยบตวได ฝายยางนอาจเปนไดทงฝายทมการควบ และไมมการควบคมปรมาณนา โดยตองพจารณาจากวตถประสงคและพฤตกรรมของฝายนนวาเปนแบบใด

8.9.1 ประเภทของฝายยาง

ฝายยางแบงออกเปน 2 ประเภท ไดแก ฝายยางชนดสบอดดวยน า และชนดสบอดดวยลม

1) ฝายยางชนดพองตวดวยนา ฝายยางชนดพองตวดวยน ามอปกรณสาหรบการพองตวทสาคญคอ เครองสบนา (Pump) สบนาอดเขาตวยางเพอใหยางพองตว

2) ฝายยางชนดพองตวดวยลม ฝายยางชนดพองตวดวยลมมอปกรณสาหรบการพองตวทสาคญ คอ เครองสบอากาศ (Blower) ฝายยางชนดสบอดดวยลมมกจะมน าตกคางอยภายในถงยางเสมอ ทงนเกดจากความชนของอากาศทอดเขาไปเมอถกความเยนจะกลนตวเปนหยดน าสะสมมากขนเรอย ๆ จนทาใหยางยบตวแบนราบไมสนททาใหยางสะบดตวในขณะทน าไหลผานจงตองมการอดลมไลนาทตกคางออกไปบอย ๆ

ฝายยางทง 2 ประเภทมลกษณะและองคประกอบใกลเคยงกนมาก จะตางกนบางเลกนอยในเรองของอปกรณสาหรบพองตว เชน ปมลมกบปมน าและอปกรณประกอบอน ๆ ทงสองแบบมประสทธภาพในการใชงานและราคาใกลเคยงกน

8.9.2 สวนประกอบของฝายยาง

1) ตวฝายยางทมลกษณะเปนถงยาง (Rubber bag) 2) ฐานคอนกรตหรอฝายคอนกรตทตองการเพมระดบเกบกก เพอใชยดตวถงยาง 3) หองควบคมการทางาน (Control room) 4) ระบบควบคมการทางานองฝายยาง แตละแหงจะมระบบควบคม 2 ระบบคอ

ระบบทใชในการสบอดใหถงยางพองตว และระบบทใชในการทาใหถงยางยบตว โดยทฝายยางจะทางานใน 2 ลกษณะเทานนคอ การพองตวเตมทเพอเกบกกน า และการยบฝายแบนราบ จะไม

8-59


ควบคมระดบน าใหฝายมระดบตางๆ เพราะจะทาใหเกดความเสยหายตอเนอแผนยางทาใหฝายเสยรปทรง

รปแบบการทางานยบตวของฝายยาง สามารถออกแบบใหระบบควบคมทาการสงฝายยางใหลมราบแนบกบฐานคอนกรตโดยอตโนมตเมอระดบน าหนาฝายสงกวาหรอถงระดบความสงทกาหนด ซงจะ ทาใหใหฝายยางไมไดรบอนตรายจากแรงดนน าหนาฝาย อกทงยงเปนการระบายนาหนาฝายไมใหไหลทวมตลงอกดวย หรออกกรณเมอระดบน าอยต ากวาระดบฐานของฝายยาง เปนการเกบพบเอาไว

เพราะไมไดใชงานฝายยางเพอเกบกกนาแลว

รปท 8.9-1 แสดงสวนประกอบของฝายยางทวไป

8.9.3 ขอดและขอจากดของฝายยาง

1) ขอดของฝายยาง (1) สามารถบงคบควบคมใหแบนแฟบลงตดฐานคอนกรตในฤดฝนทาให

ตะกอนทไหลมากบน าระบายผานฝายไปได คลายกบลาน าธรรมชาตสามารถระบายน าในฤดน าหลากไดดเนองจากไมกดขวางทางนา

(2) สามารถกอสรางไดในระยะเวลาอนรวดเรว เนองจากฐานคอนกรตบางกวาฝายปกตและไมมตอมอจานวนมากทาใหไมเสยเวลา ตวฝายสามารถผลตจากโรงงานและนามาตดตงในระยะเวลาอนรวดเรวขนอยกบขนาดของฝาย

(3) ทนนาเคม กรด และดาง ไดดกวาฝายซงมบานประตเปนเหลก (4) เปนการสงเสรมการเกษตรอตสาหกรรมตามนโยบายของรฐ เนองจาก

ขนตอนการผลตและการใชวตถดบ สามารถกระทาไดภายในประเทศ

8-60


2) ขอจากดของฝายยาง (1) มโอกาสชารดเสยหายของตวยางจากของแหลมไดงาย (2) เมอเปนสนคานาเขามราคาคอนขางสง (3) กอสรางไดในความสงทจากด ปจจบนออกแบบตวยางสงไดไมเกน

4.50 ม. เพราะจะเกดการสนของตวยางเมอรบแรงจากนา (4) ไมสามารถควบคมระดบน าในระดบตาง ๆ ไดเนองจากเมอไมพองตว

เตมทจะเสยรปทรง จงทาไดเพยง 2 ลกษณะคอพองตวเตมท กบยบตวแบนราบ

8.9.4 วตถประสงคของการสรางฝายยาง

1) สรางเพอทดแทนฝายคอนกรตหรอประตระบายนา 2) สรางเพอเพมความสงของอาคารฝายเดม (กรณนจะเปนลกษณะฝายทมการ

ควบคมปรมาณนา) 3) สรางเพอทดนาในลานาเขาไปเกบไวในหนอง บง หรอแกมลง 4) สรางเพอปองกนการรกลาของนาเคม

8.9.5 คณสมบตทางชลศาสตรของฝายยาง

ตวฝายยางในอดมคตทใชในการศกษานนมลกษณะเปนถงยางรปทรงกระบอก ทมหนาตดเปนรปวงกลม เมอน าไหลลนขามสนฝายยางออกไปลกษณะของ Nappe ของน าจะไหลไปตามผวสมผส (Face) จากยอดไปสฐานแลวหกเหจากมมฐานออกสแทนคอนกรตหรอสนฝายคอนกรตเดมทรองรบถงยาง (ฝายยาง) ดงแสดงในรปท 8.9-2 และมการคนพบวาน าทไหลสมผสตลอดผวหนาตดดานทายฝายและโดยเฉพาะอยางยงน าบรเวณใกลฐานและทจดหกเหทฐาน (Separation) จะทาใหเกดแรงปฏกรยากระทาในลกษณะกระแทกตอฝายยางทาใหฝายยางเกดการแกวงตวหรอเกดการสน (Vibrations) มผลตอความมนคงแขงแรงของตวฝายยาง ททาใหเกดความเสยหายตออปกรณการยดแผนยางกบฐานและตอเนอแผนยาง แนวทางแกไขนนตองทาใหเกดแรงกระทาจากน าบรเวณฐานดานทายเกดนอยทสดโดยการเลอน Nappe บรเวณฐานออกไปใหไกลขอบฐาน โดยออกแบบใหมตวหกเหการไหล (Deflector) หรอเรยกวา FIN เพอให Nappe

บรเวณฐานทายฝายยางเลอนตาแหนงออกไปจนไมทาใหเกดผลกระทบททาใหฝายยางสน ดงแสดงในรปท 8.9-3

เนองจากฝายยางสรางเพอทาหนาทในการทดน าเพอการกกเกบ และจะตองยบตวเมอปรมาณนาไหลผานทางนามาก ๆ ดงนนการออกแบบฝายยางจงมกใหมการไหลเปนแบบ Free

flow เสมอ

8-61


รปท 8.9-2 แสดงรปตดของฝายยางในอดมคตและลกษณะการไหลลนของนาผานฝาย

รปท 8.9-3 แสดงรปตดของฝายยางทออกแบบใหมตวหกเหการไหลดานทาย (Deflector)

หรอเรยกวา FIN เพอแกปญหาการสนของตวฝาย

8-62


8.9.6 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายยาง

รปท 8.9-4 แสดงรปตดของฝายยาง ทใชอธบายการคานวณการไหล

Anwar (1967) ไดศกษาฝายยางทพองตวดวยลมและดวยน า พบวาคาสมประสทธของการไหล (Cd) ของฝายยางมคาระหวาง 0.35 ถง 0.50 โดยจะสมพนธกบคาของ H/Dh เมอ Dh เปนความสงของฝายยาง โดยใชสมการ (1)

2/3d Hg2Cq (1)

เมอ Cd = คาสมประสทธของการไหล q = อตราการไหลผานฝาย ม.3/วนาท/ความยาวสนฝาย 1 ม. H = ความสงของนาทไหลผานสนฝาย ม. g = ความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก 9.81 ม./วนาท2

หรอคอสมการอตราการไหล 2/3

d Hg2LCQ ม.3/วนาท

L = ความยาวของสนฝาย ม. Baker และ Clare อางโดย Al-Shami (1983) ไดทาการทดลองเพอหาคา Cd

ของฝายยางทพองตวดวยนา โดยใชสมการ (1) พบวามคาระหวาง 0.386 ถง 0.51

Stodulka อางโดย Al-Shami (1983) ใชสมการ (1) คานวณหาคา Cd ของฝายยาง พบวามคาระหวาง 0.25 ถง 0.40 The ministry of overseas development อางโดย Alwan (1979)

พบวาคา Cd ของฝายยางทพองตวดวยนาจะสมพนธกบคาของ H/Dh โดยมคาระหวาง 0.3 ถง 0.4

8-63


Alwan (1979) สมมตใหฝายยางมคณสมบตคลายฝายสนกวางหนาตดรปสเหลยม แลวหาคา Cd โดยใชสมการ (2)

2/32/3

d Hg32

Cq

(2)

คา Cd ของ Alwan มคาระหวาง 0.2 ถง 1.1 ซงแสดงในรปของสมการตอไปน

x1x1

sHh

11s33

Cs/12/3

d

เมอ h = ระดบ Critical depth ของนาบนยอดสนฝาย ม. H = ระดบนาดานเหนอนาเหนอสนฝาย ม.

Rh.s

x

R = รศมสวนของรปวงกลมของถงยาง ม. s = คาคงทซงสมพนธกบคา H และ R

s = 2.28(H/R) 0.21 กรณฝายยางทพองตวดวยลม s = 2.36(H/R) 0.21 กรณฝายยางทพองตวดวยนา Al-Shami (1983) ใชสมการ (1) ศกษาฝายยาง พบวามคา Cd ระหวาง 0.35

ถง 0.40 โดยมความสมพนธกบ H/Dh ดงสมการตอไปน

Cd = 0.4866(H/Dh) 0.11 กรณฝายยางทพองตวดวยลม

Cd = 0.4338(H/Dh) 0.0694 กรณฝายยางทพองตวดวยนา

Abd Alsabar (1997) พบความสมพนธของอตราการไหลผานฝายยางทพองตวดวยลมเทยบกบ H/Dh ดงสมการ Q = 110.205(H/Dh)-5.9625

Abdullah Ali Nasser Alhamati และคณะ ไดศกษาการไหลของน าผานฝายยางทพองตวดวยลม โดยใชแบบจาลองในหองปฏบตการ โดยใชสมการ (1) พบวา คา Cd จะสมพนธกบคา H/Dh ดงสมการ Cd = 0.5066(H/Dh)

0.2447

โดย H/Dh มคาระหวาง 0.04 ถง 0.30 ทาให Cd มคาระหวาง 0.22 ถง 0.38

ผลการศกษาแสดงตามกราฟความสมพนธของ Cd และ H/Dh ดงรปท 8.9-5 ซงสอดคลองกบผลการศกษาของ Anwar (1967) ตามกราฟในรปท 8.9-6 ซงอาจสรปผลการศกษาไดวา

1) การเพมหรอลดแรงดนภายในตวฝายยางทพองตวเตมท จะไมสงผลตอคา Cd

2) พจารณาประเมนคา Cd ของการศกษาการไหลผานฝายยางของนกชลศาสตรอนๆ อาจสรปไดวา ฝายยางมคา Cd ระหวาง 0.22 ถง 0.50 โดย H/Dh มคาระหวาง 0.04 ถง 0.70

8-64


รปท 8.9-5 Cd - H/Dh Curve ผลการศกษาของ Abdullah Ali Nasser Alhamati และคณะ

รปท 8.9-6 Cd - H/Dh Curve ผลการศกษาของ Anwar

8-65


8.9.7 การคดคาความยาวประสทธผลของสนฝายยาง

การออกแบบและการตดตงฝายยางบนฐานรองแผนยางหรอถงยางนนมสวนทยากอยทสวนปลายทง 2 ขาง เพราะมผลตอการยบฝายยางใหนอนราบกบฐานรองไดมากทสดเพยงใด ซงรปแบบการตดตงดงกลาวกจะเกยวของกบการคดความยาวของสนฝายดวย โดยทวไปแลวฐานรองถงยางจะม 2 รปแบบ คอ 1) ฐานรองรบฝายยางทมขอบดานขางเปนแนวลาด 2) ฐานรองรบฝายยางทมขอบดานขางเปนกาแพงตง สวนใหญจะเปนการตดตงเสรมฝายเดมทมตอมอ กลางฝาย

สาหรบการตดตงถงยางบนฐานรองนนเมอพจารณาสวนปลายของฝายยางทง 2 ขางจะมการตดตง 2 รปแบบ ไดแก 1) การตดตงปลายถงยางเปนแนวตรงตามแนวสนฝายทาใหขอบทง 2 ขางยกตวสงขน มกตดตงกบฐานรองทขอบขางเปนลาด 2) การตดตงปลายถงยางใหพบโคงไปทางทายนา จะไดแนวสนฝายตรงตลอดแนวตดตงไดกบฐานรองทง 2 แบบ

รปท 8.9-7 แสดงการตดตงฝายยางชนดสบอดดวยลม เสรมสนอาคารระบายนาลนโครงการ อางเกบนาลาปาว จงหวดกาฬสนธ ยดขอบขางปลายถงยางทพบโคงไปทางทายนากบตอมอ

1 2

รปท 8.9-8 แสดงการตดตงฝายยางทขอบฐานรองดานขางเปนลาด รป1 ปลายถงยางเปนแนวตรง ขนไปตามลาด รป 2 ปลายถงยางทพบโคงไปทางทายนา

8-66


จะเหนไดวาไมวาจะตดตงรปแบบใด ตวฝายยางจะมความยาวรปรางดานหนาเปน 3 สวนเสมอคอ แนวสนฝายตอนกลาง ความยาว L0 และแนวขอบดานขาง ความยาว L1 และ L2

รปท 8.9-9 แสดงระยะความยาว 3 สวนของฝายยางทนามาคดความยาวประสทธผล

การคดความยาวประสทธผลของสนฝายยาง (L)

2

LLLL 21

0

8.9.8 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายยางกรณยบฝายยางราบกบฐาน

ในกรณทระดบน าดานเหนอน าสงถงระดบสงสดทกาหนดไว เพอเปนการใหน าสามารถระบายออกไปไมเกดการเออลนทวมพนทดานเหนอน าและเปนการลดความเสยหายทจะเกดกบตวฝายยางเนองจากการรบแรงกระทาจากน ามากเกนขดกาหนด และเนองจากการใชงานฝายยางไมสามารถปรบลดระดบของตวฝายยางทระดบตางๆ เพอการควบคมปรมาณน าได จงตองมการยบฝายยางใหนอนราบกบฐาน

การคานวณปรมาณน าทไหลผานฝายยางกรณยบฝายยางใหนอนราบนน จาเปนอยางยงทตองมการสอบเทยบเพอสราง Discharge curve หรอ Q-H Curve เปนการเฉพาะ แตกอาจคานวณไดคาโดยประมาณโดยพจารณาตามลกษณะของฐานตอไปน

1) ถาเปนฐานลกษณะเปนยกพนคอนกรต ใหคานวณโดยถอวาเปนฝายสนกวาง (ฝายหนาตดสเหลยมคางหม) โดยคดระดบสนฝายเพมระดบของความหนาแผนยางทนอนราบกบฐาน

2) ถาฐานเปนฝายเดมทตดตงฝายยางเพอเพมระดบเกบกก การคานวณกใหคานวณปรมาณนาผานฝายเดมนนโดยใหเพมระดบสนฝายเดมดวยความหนาของแผนยางดวย

8-67


8.10 Straight Drop or Free Overfall Spillway

ในหวขอนจะนาเสนอเกยวกบการไหลของน าผานฝายอกกลมหนงทรปรางหนาตดของฝายทาใหเกดการไหลของน าผานสนฝายโดยอสระในลกษณะ Free overfall flow

กลาวคอ เมอน าไหลขามพนสนฝายกจะตกลงสพนดานทายฝายแลวไหลออกสทางน าดานทายตอไป ตวฝายมลกษณะเปนกาแพงตง มยอดสนฝายเปนลกษณะตาง ๆ อยางไรกตามอาจสบสนสอความหมายทตางกนออกไปเปน Straight drop spillway ทหมายถงอาคารลกษณะน าตก หรอฝายทม P=0 ทมกสรางในคลองสงน าทสภาพพนทมความชนมาก จนตองปรบลดระดบพนของคลองดวยอาคารนาตกดงกลาว (ไดนาเสนอไวในบทท 10 ฝายวดนาประเภทฝายสนสน)

Simple Straight Drop

Box inlet drop

รปท 8.10-1 แสดง Straight drop spillway ทเปนอาคารประเภทนาตก รปบนเปนนาตกจากพนคลองดานเดยว รปลางนาตก 3 ดานผานชองเปดสเหลยม

8-68


8.10.1 ลกษณะของ Straight drop or Free overfall spillway เปนฝายทดน าหรอฝายระบายน าทมลกษณะหนาตดเปนกาแพงตง มยอดสนฝายเปนลกษณะตาง ๆ ดานทายฝายเปนแนวดงหรอเกอบเปนแนวดง ดงแสดงในรปท 8.10-2

รปท 8.10-2 แสดงหนาตดโดยทวไปของ Straight drop or Free overfall spillway

ฝายทมรปรางหนาตด Straight drop or Free overfall น สามารถนาไปสรางเปนฝายประเภทตางๆ ไดทกประเภท ไดแก

1) ฝายสนตรงทกแบบ* และฝาย มข. ทมรปแบบมาตรฐานเฉพาะตว 2) ฝายหยก (Labyrinth spillway)

3) Shaft spillway ทมตวฝายเปนปลองรปกลอง (Box spillway), รปทรงกระบอก (Cylindrical Spillway) แลวระบายนาผานทอออกสลาน าดานทายฝาย

4) Drop inlet spillway (เปนฝายสนยาวในกลม Duckbill) ทดานทายนาของฝายเปนรางเปด อาจมรปรางสนฝายเปนสวนโคงของวงกลม (C-Shape*), รปเกอกมา (Horse

shoes* หรอ U-Shape* หรอ Bathtub*), รปสเหลยมผนผา, รปปากเปด (Duckbill) ลกษณะปลายปากโคง* และปลายปากเหลยม เปนตน

หมายเหต ฝาย*เปนฝายทสรางไดทงหนาตดทเปนฝายสนมน และหนาตด Free overfall

8.10.2 การคานวณปรมาณนาไหลผาน Straight drop or Free overfall spillway

ฝายหนาตดลกษณะในกลมนจดเปนฝายสนสน ซงถอวาอยตรงกลางระหวางฝายสนคมกบฝายสนกวาง โดยมคณสมบตทางชลศาสตรคลายฝายสนคมคอม Critical depth เหนอสนฝายตาแหนงเดยว ในขณะทสนฝายมความกวางแตไมกวางจนเปนฝายสนกวาง คาสมประสทธของการไหลผานฝายขนกบรปรางของสนฝาย

8-69


ขอมลการศกษาการไหลของฝายกลมนมนอยมาก เพราะตามทไดกลาวมาแลววา เดมนนมการแบงประเภทฝายเปนฝายสนคมและฝายสนกวาง เมอฝายมสนทมความหนาทอยระหวางฝาย 2 ประเภทดงกลาว จงมกจะใชวธพจารณาวาแนวโนมของลกษณะฝายจะเปนลกษณะของฝายประเภทใด กจะคานวณปรมาณน าตามวธการของฝายประเภทนน โดยใชคาสมประสทธของการไหลทเปนคาเฉลยมาคานวณ

ในทนจะนาเสนอผลการศกษา ตลอดจนการเลอกนาคาสมประสทธของการไหลมาใชในการออกแบบของหนวยงานตางๆ พอสงเขป

1) การศกษาของ G. Peter

ศาสตราจารย G. Peter ชาวเยอรมน ไดเสนอบทความชอ The discharge

and run off calculation of weirs under the consideration of dynamic flows ตอทประชม 7th International Conference on Urban Storm Drainage SuG -

Verlagsgesellschaft Hannover, 1996 เพออธบายการไหลของน าผานฝายทมสนไมหนามาก (Small-crested weir) ซงนยมสรางเมอขนาดของฝายไมใหญนก

ผลการศกษาของ G. Peter ในสวนของเอกสารทมการเผยแพรเปนภาษาองกฤษเปนขอมลสรปทมเพยง 6 หนา จงมรายละเอยดไมมาก สาระสาคญถกตดทอนไปมาก แตมแนวคดทนาสนใจทจะเปนแนวทางสาหรบผสนใจศกษาฝายกลมนในโอกาสตอๆไป

G. Peter กลาววาในเยอรมนจะใชสมการของ POLENI ในการคานวณปรมาณน าไหลผานฝายประเภทตางๆ โดยใชคาสมประสทธของการไหลกรณ Free flow หรอ Suppressed overfall ซงแทนดวย µ ดงแสดงในตารางท 8.10-1 สวนกรณ Submerged

flow นนจะคณคาการไหลทคานวณดวยสมการ Free flow ดวยคา φ – Factor ทสมพนธกบคา Submergence ratio hu/h0 (ความลกของน าเหนอสนฝาย ดานทายน า /ดานเหนอน า) ดงแสดงในรปท 8.10-4 แตกรณการออกแบบระบบน าเสยในเยอรมนกาหนดใหใชคาสมประสทธการไหลของนาผานฝายเพยงคาเดยว คอ 0.5 สาหรบฝายทกประเภททไมใชฝายสนคม ซงคาดงกลาวเปนคาสมประสทธการไหลของฝายสนกวาง จงไมเหมาะสมกบฝายทมสนไมหนา

8-70


ตารางท 8.10-1 แสดงคา µ - Factor ของฝายประเภทตาง ๆ

รปท 8.10-3 คา φ - Factor ทสมพนธกบคา Submergence hu/h0

G. Peter ตงสมมตฐานวา ฝายทมสนไมหนามาก (Small crest) จะมรปรางสนฝายอยระหวางฝายสนคมและฝายสนกวาง ดงนนคาสมประสทธของการไหลจงตองอยในชวงระหวางคาของฝายสนคมและฝายสนกวาง จงไมควรใชคา µ - Factor จากตารางท 8.10-1 และ คา φ – Factor จาก รปท 8.10-3 ไดโดยตรง

8-71


รปท 8.10-4 รปตดแสดงการไหลของนาผานฝาย ทมสนไมหนามาก (Small crest)

1.1) การไหลกรณ Free flow หรอ Suppressed overfall

สมการของ POLENI; 2/3h.b.g2...32

Q ม.3/วนาท

ถา 953.2g2..32

Ch

ดงนน 2/3h h.b..CQ

เมอ b : ความยาวของสนฝาย (หรอคอ L ในสมการฝายมาตรฐาน) [ม.] µ: Factor for free overfall

Ch : คาสมประสทธการไหลผานฝาย (หรอคอ C ในสมการฝายมาตรฐานฯ) φ: คาปรบแกการไหลทเกดจากอทธพลจากนาดานทายฝาย (สาหรบ Free overfall φ= 1)

จากการทฝายมคณสมบตของฝายสนคมและฝายสนกวางจะไดวา

210

h 953.2lh

;Wh

fC

µ1 คอคา Factor การไหล (หรอคอคาสมประสทธของการไหล) ของ Small-crested ทโนมเอยงไปทาง Sharp crest หาคาจากสมการของ Rehbock

0

1 Wh

0813.06034.0

µ2 คอคา Factor การไหลทโนมเอยงไปทาง Broad crest หาคาจากสมการของ G.

Peter

06.3

l

h6.0

2 e2.01

8-72


จะไดสมการการไหลผานฝายกรณ Free flow เปน

2/321 h.b..953.2Q

อทธพลทเกดในสวนของการเปน Broad-crested weir ทแทนคาดวย factor

µ2 จะลดอตราการไหลในสวนของการเปน Sharp-crested weir ลงซงมคาไดสงสด 20 % และหากมการลบมมของฝายกจะเกดคา Factor ททาใหอตราการไหลผานฝายเพมขน (ประมาณ 15%)

1.2) การไหลกรณ Submerged flow

Small crest จะมคณสมบตการไหลเปนแบบ Submerged flow เมอเรมมคา Submergence ratio ระหวาง 0.80 < hu/h < 0.87

จากการทดลองกบฝายทมหนาตดขนาดตางๆ ครอบคลมในชวง Sharp-

crested และ Broad-crested พบวาอทธพลของ Submergence ทมตอคณสมบตการไหลททาใหการไหลกรณ Free flow ลดลงดวย φ – Factor จะมความสมพนธ 3 รปแบบคอ

(a)

uu

uWh

h;

hh

f

เปนไปตามสมการตอไปน

b

uu

ua

Whh

hh

1carctanexp

คาคงท a, b และ c ขนกบความแตกตางของ l/Wu ทมคาในชวง 0.25 ถง 0.35 ซงไมแสดงขอมลคาคงทในเอกสารสรป ใหใชคาจากกราฟใน รปท 8.10-5

(b)

uu

uuWh

h;

hh

f

8-73


(c)

hl

;h

hf u

หาไดจากกราฟใน รปท 8.10-6

เสนกราฟเรยงจากบนลงลางตามคา φ ในกรอบสเหลยม เสนลางสด φ = 1.00

รปท 8.10-5 กราฟ

uu

uWh

h;

hh

f

เสนกราฟเรยงจากบนลงลางตามคา l/h ในกรอบสเหลยม เสนลางสด l/h = 0.80

รปท 8.10-6 กราฟ

hl

;h

hf u

8-74


2) ผลการศกษาของ Kraatz และ Mahajan สาหรบฝายสนยาว

Kraatz และ Mahajan (1975) ไดศกษาฝายสนยาวทง 3 กลม คอ ฝายสนเอยง ฝายปากเปดและฝายหยก โดยใหเปนตวแทนของฝายทสรางในทางน า โดยเลอก ฝายปากเปดและฝายหยกมาเพยง Cycle เดยว และฝายแตละแบบจะมโครงสรางเปนกาแพงตง ทม 2 ลกษณะคอ ไมลบเหลยม และลบเหลยมโคงมน (Round crest)

5.1

dLHCg2Q

Q = ปรมาณนาไหลผานฝาย (ม.3/วนาท) Cd = คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย

L = ความยาวสนฝาย (ม.) H = ความลกของนาดานเหนอนาเหนอสนฝาย (ม.)

g = ความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./วนาท 2

Kraatz และ Mahajan ไดนาเสนอคาสมประสทธของการไหล (Cd) ของฝายสนยาว ดงแสดงในตารางท 8.10-2

ตารางท 8.10-2 คาสมประสทธของการไหลผานฝายสนยาวการศกษาของ Kraatz และ

Mahajan

3) กรมชลประทาน

ไกรฤกษ อนทชยะนนท วศวกรสานกออกแบบวศวกรรมและสถาปตยกรรม กรมชลประทาน ไดใหคาแนะนาในการออกแบบ Double Side Spillway หรอคอ Duckbill

Spillway แบบปลายปากเหลยม ทตวฝายมลกษณะเปนกาแพงตงดงแสดงในรปท 8.10-7 ไวดงน

8-75


α 45o – 75o L = W1+2W3

รปท 8.10-7 แสดงมตของรปแปลน รปตดตวฝาย Double Side Spillway

การคานวณปรมาณนาผาน Double Side Spillway

5.1CLHQ

Q = ปรมาณนาไหลผานฝาย (ม.3/วนาท) C = คาสมประสทธของการไหลของนาผานฝาย 1.60 – 1.84

อาจใชคาเฉลย 1.82 L = ความยาวสนฝาย = W1+2W3 (ม.) H = ความลกของนาดานเหนอนาเหนอสนฝาย (ม.) (อางเกบนาขนาดเลก Afflux ไมควรมากกวา 1.00 ม.)

***กรณ Side channel spillway (แนวสนฝายเปนรปตว L) ถามหนาตดฝายเปนกาแพงตงเหมอนขางตน การคานวณกใชหลกการและคาสมประสทธของการไหลเหมอนกน

ขอควรระวง การออกแบบตองใหการไหลเปนแบบ Free flow เทานน โดยระดบ

น าดานทายฝายตองไมสงกวาระดบสนฝายมากกวา H32

ซงเปนคา Critical depth ของการไหล

ผานฝายแบบ Free flow เพราะถาระดบนาดานทายฝายสงกวา Critical depth คณสมบตของฝายสนยาวจะหมดไปจะเปนลกษณะฝายสนกวาง ทความยาว L จะเหลอเพยง W2 เทานน

8-76


4) มหาวทยาลยขอนแกน

สถาบนแหลงน าและสงแวดลอม คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

ไดออกแบบฝายขนาดเลกหลายแบบ จนไดแบบทไดปรบปรงใหมความเหมาะสมทสด คอ ฝาย มข.2527 ซงตวฝายมลกษณะเปนกาแพงตงดงแสดงในรปท 8.10-8

รปท 8.10-8 แสดงลกษณะของฝาย มข.2527

สมการการไหลขามฝาย มข.2527

อตราการระบายน าของฝายทระดบน าตาง ๆ สามารถคานวณไดจากสมการ การไหลขามฝาย โดยสถาบนแหลงนาและสงแวดลอม คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกนไดมการศกษาและสามารถเขยนไดในรปทวไป ซงอยในรปของ

Qw = 1.7 W h 3/2 (ม.3/วนาท)

โดยท W = ความกวางของสนฝายทน าไหลขาม (ม.) (ความยาวรวมของความยาวสนฝายระหวางตอมอ)

h = ความสงของนาทไหลลนสนฝาย (ม.)

จากสมการขางตน หากเทยบกบสมการมาตรฐานของฝาย Q = C L h 3/2 C = 1.70 , L = W

8-77


5) Cylindrical Overfall Weir

Willi H. Hager (1992) ไดนาเสนอผลการศกษา Cylindrical overfall weir ซงเปนฝายในกลม Straight drop or Free overfall spillway ทมการไหลเปนแบบ Overfall

flow ทตวฝายมลกษณะเปนกาแพงทมผวดานเหนอและทายน าเปนแนวตรง สวนของยอดสนฝายมลกษณะเปนเปนครงทรงกระบอกวางอยบนกาแพง อาจใชเปนทอเหลก หรอทอคอนกรต รศมความโคง Rk ซงแสดงในรปท 8.10-9

รปท 8.10-9 รป a) หนาตดของ Cylindrical overfall weir รป b) รปขยาย

(1) Support and sealing (2) Bolt (3) Deaeration (4) Construction joint (5) Pipe

การคานวณปรมาณนาไหลผานฝาย

2/3d Hg2LCQ

เมอ Q = ปรมาณนาทไหลผานฝาย (ม.3/วนาท)

L = ความยาวประสทธผล (Effective Length) ของสนฝาย (ม.) H = ความลกของนาเหนอสนฝายทคด Approach Velocity ดวย (ม.) Cd = คาสมประสทธของการไหลผานสนฝาย ***

*** คาสมประสทธของการไหลผานสนฝาย: Cd

อาศยผลการศกษาของ Hager (1992) ทพบวา คาสมประสทธของการไหลผานสนฝายลกษณะน จะสมพนธกบคา ของ H และ Rk

8-78


ถาให kkR

H

เมอ H/Rk ≤ 1.5 แรงกดดนของทเกดจากการไหลของน าบนผวหนาของฝายจะไมเกด Cavitations หรอเกดการกดเซาะผวหนาฝายจากฟองอากาศ นนคอ H/Rk มคาสงสดไมเกน 1.5 นนเอง การคานวณจะไดคาทถกตองเมอ H ≥ 7 ซม. (จะไมเกดผลกระทบจากความหนดและจากความขรขระของผวของฝาย)

k

kd 5.211

31374.0C การไหลแบบ Free Flow

กรณนาไหลผานนอยมาก (<7 ซ.ม.) ρk ≈ 0

จะได Cd = 0.374

กรณนาไหลผานมากทสด ρk = 1.5

จะได Cd = 0.488

ดงนน Cd จะมคาระหวาง 0.374 ถง 0.488

เนองจากคา Cd มชวงแคบ ดงนนการเกดการไหลแบบ Submerged Flow จะ

เกดทนททระดบน าดานทายน าสงถงระดบสนฝาย ซงฝายในกลมทมการไหลแบบ Free Overfall

จงมกออกแบบใหไมเกดอทธพลจากการเกด Submergence เสมอ

6) Compound Crested Weir

Thair Mahmood Al-Taiee และ Tahssen Ali Hassan Chilmeran แหง Research Center of Dams and Water Resources, University of Mosul, Iraq ไดเสนอผลการศกษาเรอง Hydraulic Characteristics of Flow Over Compound Crested

Weir ซงเปนฝายกลม Straight drop หรอ Free overfall ทมสนฝายเปนแบบผสม

(Compound Crested) ระหวางฝายทมสนโคงแบบ Quarter round และฝายสนคม ดงแสดงในรปท 8.10-10 โดยในการทดลองไดวางแนวของสนฝายทามม α กบทศทางการไหลของน า (เปน Oblique or Skew weir) เปนมม 35๐, 45๐, 60๐ และ 90๐ (ฝายแนวตรงปกต)

8-79


รปท 8.10-10 แสดงแปลน และรปตดของ Compound Crested Weir

รายละเอยดของฝาย หนวย SI

สวนโคงของสนฝาย มรศม = R

ฝายมความสง = P

โดยท R = P/12

ความลกนาทไหลผานฝาย = h

ฝายมความหนา = t

แนวทางการศกษาทดลอง

ใชสมการพนฐานการคานวณปรมาณนาผานฝาย

5.1dLHCg2

32

Q


L = ความยาวสนฝาย (ม.) H = Total head ของนาเหนอสนฝาย (ม.)

g = ความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./วนาท 2

8-80


theo

actd Q

QC

Qact = ปรมาณนาไหลผานฝายทวดไดจรง (ใชเครองมอวดนา) Qtheo = ปรมาณนาไหลผานฝายทคานวณตามทฤษฏ

5.1theo LHg2

32

Q

PR

,Ph

Cd

ผลจากการศกษา

ไดผลการทดลองเปนคาความสมพนธของ Cd และอตราสวนของ h/P, R/P

สาหรบฝายทแนวสนทามม α กบแนวการไหล ดงสมการตอไปน ซงแสดงดวยกราฟในรปท 8.10-11

3.0

2.0

d sin

PRPh

0035.0C

รปท 8.10-11 กราฟความสมพนธของ Cd และอตราสวนของ h/P, R/P

สาหรบฝายทแนวสนทามม α กบแนวการไหล

8-81


8.11 ฝายหยก (Labyrinth Weir) มองคประกอบสาคญหลายอยางในการกาหนดรปแบบของฝายเพอใหน าในปรมาณทตองการไหลผานไปได เชน อตราสวนความสงของน าทไหลขามฝายกบความสงของตวฝาย ลกษณะรปรางของสนฝายและความยาวสนฝายเปนตน ถามความจาเปนตองระบายน าปรมาณมากตองใชขนาดความยาวของสนฝายยาวกวาความกวางของลาน า เมอความกวางของทางน ามความจากดไมสามารถขยายใหมากกวานนได จงมการออกแบบเพมความยาวสนฝายในความกวางของทางน าทจากดดงกลาวดวยวธการอยางใดอยางหนง จะเรยกฝายทมสนฝายยาวกวาความกวางของ

ลาน าวาฝายสนยาว (Long Crested Weir) ซงแบงเปน 3 กลมยอย คอ ฝายทแยง (Skew or

Diagonal or Oblique Weir), ฝายปากเปด (Duckbill Weir or Bathtub Weir) และฝายหยก (Labyrinth Weir)

รปท 8.11-1 แสดงแปลนรปแบบของ Long crested weir 3 กลม

รปท 8.11-2 แสดง Long crested weir บางรปแบบทตดตงในทางนา

ในสวนของฝายหยกจะมลกษณะของสนฝายทเมอมองจากดาน Plan แลว จะมการพบไปพบมาของรปรางฝายอยางใดอยางหนง หรอเปนการนาเอาฝายรปทรงนนสวนเดยวทเรยก 1 Cycle มาเรยงตอกนเปนหลายๆ Cycle นนเอง เพอใหมความยาวสนฝายยาวพอทจะระบาย

8-82


นานองสงสดลงสทางน าทมความกวางจากดไดอยางเพยงพอ จงเรยกฝายแบบนวา ฝายหยก หรอ Labyrinth แตบางครงอาจมการเรยกเปนอยางอน โดยถาเปน Cycle ของรป U-Shape หรอ Bathtub Shape หรอ รปสเหลยม อาจเรยก Corrugated หรอ Accordion หรอ Folded

หรอ Piano Keys Weirs ถาเปน Cycle ของรปสามเหลยม หรอ สเหลยมคางหม หรอ Duckbill จะเรยก Labyrinth Weir เปนตน

รปท 8.11-3 แปลนฝายหยกบางรปแบบ

Kraatz and Mahajan (1975) ไดศกษาฝายสนยาวทง 3 กลม โดยใหเปนตวแทนของฝายทสรางในทางน า โดยเลอกฝายปากเปดและฝายหยกมาเพยง Cycle เดยว และฝายแตละแบบจะมสนฝาย 2 ลกษณะคอ สนฝายทโคงมน และสนฝายทเปนเหลยม โดยใชสมการตอไปน

5.1d HLCg2LQ


L = ความยาวสนฝาย (ม.) H = ความลกของนาดานเหนอนาเหนอสนฝาย (ม.)

Kraatz และ Mahajan ไดนาเสนอคาสมประสทธของการไหลของฝายดงกลาว ดงแสดงในตารางท 8.11-1 แมวาคา Cd ทไดเปนคาเฉลยคาเดยว ไมสามารถใชประกอบการคานวณปรมาณน าไหลผานฝายใหครอบคลมชวงความลกของน าทระดบตางๆได แตกเพยงพอสาหรบการพจารณาออกแบบเบองตนฝายประเภทดงกลาวไดด และเปนทยอมรบเพราะเปนแนวคดใหมในการศกษาเชงเปรยบเทยบทครอบคลมฝายสนยาวทงหมด

8-83


ตารางท 8.11-1 คาสมประสทธของการไหลผานฝายสนยาวการศกษาของ Kraatz และ Mahajan

8.11.1 วตถประสงคของการออกแบบเปนฝายหยก

1) วตถประสงคหลกเพอเพมความสามารถของการระบายน าของทางระบายน าลนหรอฝายจากความกวางของทางนาปกตทแคบไดมากขน ซงทาใหสรางฝายไดสงขนดวย

2) ใชเปน Drop Structure ในระบบสงนาระบายนาทเปนอาคารวดปรมาณนาดวย

3) ใชเพมปรมาณอากาศในนา(เพมออกซเจน) เพอการปรบคณภาพของน าในทางน า เพราะการไหลผานฝายประเภทนจะเปนลกษณะ Aerating Flow คอเกดฟองอากาศปนไปกบน าเมอมการไหลผานสนฝายออกไปและขณะนากระทบพนดานทายปรมาณมาก

8.11.2 รปแบบของสนฝายหยก

เนองจากการไหลของน าผานฝายหยกเปนแบบ Free overfall ฝายหยกจะมรปแบบของสนฝายลกษณะกาแพงตงหลายรปแบบตามทแสดงไวในรปท 8.11-4

รปท 8.11-4 ลกษณะรปแบบสนของฝายหยกแบบตาง ๆ

8-84


8.11.3 ลกษณะการไหลของนาผานฝายหยก

จากการทฝายหยกมการพบไปพบมา ตาแหนงของสนฝายและลกษณะการไหลจงอาจมได 3 รปแบบ คอ ตงฉากกบทศการไหล (การไหลของฝายปกต Normal Spillway Flow), ขนานกบทศการไหล (Side Channel Spillway Flow) และทามมกบทศการไหล (Skew Spillway

Flow) และเนองจากฝายหยกประกอบดวยสนฝายทมมมหกในแนวแปลน การไหลของน าทผานสนฝายบรเวณทเปนสวนมมหกนและบรเวณใกลเคยงจงตางจากการไหลของน าทผานสนฝายบรเวณทเปนเสนตรง การไหลแบบนจะเกดขนในชวงความยาวหนงของสนฝาย ความยาวนเรยกวา Nappe Interference (Ld) ซงมความสมพนธกบความสงของน าทไหลขามสนฝาย ความสงของฝาย และมมของฝาย โดยในบรเวณ Ld นน าจะมการอดตวกน มผลใหน าไหลขามฝายไดนอยลง ซงแสดงตามรปท 8.11-5

รปท 8.11-5 แสดงลกษณะของฝายหยกบางรปแบบ

เมอ h = ความสงของนาทไหลขามสนฝาย หรอ Head ของนาดานเหนอนาของฝาย H0 = Total Head (หรอ h+ Velocity head, (V2/2g)) P = ความสงของฝาย

W = ความกวางของฝาย

L = ความยาวสนฝายของฝายหยก

B = ความยาวดานขางสนฝายหยกทเอยงทามมกบทศนาไหล

Shape = รปรางของฝายหยก

8-85


α = มมของกาแพงดานขางของฝาย

Ld = Nappe Interference สวนทมการไหลททบซอนกน= f (h/p, α)

C หรอ C(l) = คาสมประสทธของการรบกวนกนของการไหล = Cr/ Cd Cr = คาสมประสทธของการไหลของฝายทมคาลดลงจากการรบกวนกนของการไหล Cd = คาสมประสทธของการไหลของฝายเมอไมคดการรบกวนกนของการไหล (คาจากฝายวดนาสนตรงอนๆ ทมความยาวสนเทาฝายหยกทใชวดเทยบกน) Cm = คาเฉลยของสมประสทธของการไหลทลดลงจากการรบกวนกนของการไหล

N.Hay และ G.Taylor ศกษาพบความสมพนธของปรมาณการไหลผานฝายหยกสรปไดวา

Q = f (h/P, L/W, Shape)

รปท 8.11-6 แสดงการเกด Nappe Interference

8-86


รปท 8.11-7 แสดงรปรางสนฝาย 1 Cycle ของฝายหยก

ผลจากการศกษาวเคราะหเกยวกบฝายหยกทาใหทราบวามมของฝายกบทศทางการไหลดานเหนอนามอทธพลตอปรมาณนาทไหลขามฝายเปนอยางมาก

สาหรบฝายสามเหลยมมมทคานวณไดจากสมการนคอมมสงสดทจะสรางได

LW

arcsinmax

สาหรบมมของฝายรปสเหลยมคางหมนนจะเปน

a4La4W

arcsin

8.11.4 การคานวณปรมาณนาไหลผานฝายหยก

ในการออกแบบฝายหยกนนอาจดาเนนการได 2 ลกษณะ คอ

1) การออกแบบเปนฝายหยกมาตรฐานภายใตรปแบบและขอกาหนดตามผลการศกษาของนกชลศาสตรทเปนทยอมรบกนโดยทวไป ซงเราสามารถนาคาสมประสทธของการไหลของฝายมาตรฐานมาใชในการคานวณไดเลย ซงอาจระบไวในแบบกอสราง หรอสอบถามผออกแบบได

2) การออกแบบทไมใชรปแบบขอกาหนดทเปนฝายมาตรฐาน แตเปนการออกแบบใหมรปรางทตางออกไป เปนฝายทมรปแบบลกษณะเฉพาะตว ซงกรณเชนนจะตองมการทดสอบแบบจาลองในหองปฏบตการ เพอหาคาสมประสทธและผลกระทบตางๆ ทจะเกดขนได ดงนนในการคานวณจงใหใชคาสมประสทธของการไหลจากผลการศกษา ทอาจระบไวในแบบหรอระบไวในเอกสารรายงานผลการศกษา

อนง ฝายท มขนาดใหญหรอเปนฝายท มความสาคญ มกมการศกษาทดลองในหองปฏบตการเพอใหทราบขอมลตางๆ ทเกยวของ ซงรวมถงขอมลการไหลของน าผานฝายดวย

8-87


เสมอ และเมอกอสรางแลวเสรจมกจะมการสอบเทยบอาคารเพอหาคาสมประสทธของการไหลหรอหาเปนอตราการไหลเทยบกบระดบน าดานเหนอน าทไหลผานฝาย (Discharge Curve หรอ Q-

H Curve) ตลอดจนศกษาผลกระทบตางๆทเกดขนจรงเสมอ เพอเปนขอมลในการบรหารจดการนาและขอมลทางวชาการทจะใชพฒนาการออกแบบฝายในภายหนาตอๆไป

ในคมอนจะเสนอการคานวณปรมาณนาไหลผานฝายหยกตามรปแบบฝายมาตรฐานโดยใชขอมลผลการศกษาทนยมใชในการออกแบบฝายหยกทวไปเปนแนวทางการคานวณ

การศกษาชลศาสตรการไหลของฝายหยกมนกชลศาสตรหลายทานไดเสนอผลการศกษาและกาหนดแนวทางการออกแบบ เปน Design Curve ทเกยวของไว ไดแก

Hay และ Taylor (1970) ไดรวมกนศกษาและเสนอวธการออกแบบฝายหยกรปสามเหลยมและรปสเหลยมคางหม

Darvas (1971)ไดศกษาฝายหยกรปรางตางๆ และสรางชดกราฟทใชสาหรบการออกแบบฝายหยก

Lux และ Hinchliff (1984) ไดศกษาฝายหยก 1 cycle โดยเปรยบเทยบกบการไหลผาน Flume และเสนอคาความสมพนธของ Discharge Coefficient กบ Total

Upstream Head Tullis และคณะ (1995) ไดศกษาฝายหยกรปแบบตางๆ ลงรายละเอยดปลกยอย

มากขน โดยศกษาฝายทมมมหยกแตกตางกนระหวาง 6 – 18 องศา (ตอมามการศกษาเพมเตม จนถง 90 องศา)

Falvey ไดนาผลการศกษาของนกชลศาสตรตางๆ มาคานวณเปรยบเทยบกบผลการศกษาแบบจาลองของฝายหยกหลายแหงทไดกอสรางแลว มขอสรปวา วธการท Tullis เสนอเปนวธทเหมาะสมทจะนามาใชในการออกแบบและคานวณปรมาณนาทสด

ดงนนคมอนจงขอน าเสนอวธการคานวณปรมาณน าผานฝายหยกเฉพาะวธการของ Tullis วธเดยว

8.11.5 ขอมลผลการศกษาของ Tullis ทใชอางองในการคานวณปรมาณนาผายฝายหยก

ผลการศกษาทสรางเปน Design Curve ของ Tullis ไมไดกาหนดวาใชกบฝายหยกรปแบบใด จงใชไดกบฝายหยกรปสามเหลยมและรปสเหลยมคางหม โดย Curve นพจารณามมเอยงของกาแพงฝายซงทงรปสามเหลยมและสเหลยมคางหมกจะมมมเอยงลกษณะเดยวกน

8-88


ความแตกตางจะอยทความกวาง a ของสวนยอดของฝาย ซงจะมผลตอปรมาณน าทไหลผานฝายหยกเพราะสวนนจะทาใหความยาวสทธของสนฝายสนลง ทาใหปรมาณน าไหลผานฝายไดนอยลง จงควรใหมความกวาง a นอยทสด (ควรเปน 1 หรอ 2 เทาของความหนาของฝาย) อนงเมอระยะ a มคานอยมากเมอเทยบกบความยาวสนฝายสวนอนๆ ทาใหปรมาณน าไหลผานฝายหยกรปสามเหลยมกบรปสเหลยมคางหมตางกน ไมเกน 10 %

รปท 8.11-8 แสดงฝายหยกรปสเหลยมคางหมทวๆ ไป

การคานวณใชสมการมาตรฐานของฝายทวไป

5.1d Hg2LC

32

Q

432

d PH

EPH

DPH

CPH

BAC

การหาคา Cd ของฝายหยกของ Tullis ตามสมการขางตนนน กาหนดคาสมประสทธ A,

B, C, D, E ดงแสดงไวในตารางท 8.11-2 และไดสรปผลเปน Design Curve ตามรปท 8.11-9 ซงเปนคาสมประสทธของการไหลของฝายทมมมของกาแพงดานขางของฝาย (α) ขนาดตาง ๆ

ตารางท 8.11-2 Table of Coefficient

α 6o 8o 12o 15o 18o 25o 35o 90o A 0.49 0.49 0.49 0.49 0.49 0.49 0.49 0.49 B -0.24 1.08 1.06 1.00 1.32 1.51 1.69 1.46 C -1.20 -5.27 -4.43 -3.57 -4.13 -3.83 -4.05 -2.56 D 2.17 6.79 5.18 3.82 4.24 3.40 3.62 1.44 E -1.03 -2.83 -1.97 -1.38 -1.50 -1.05 -1.10 0

8-89


รปท 8.11-9 Design Curve ของ Tullis ทใชในการคานวณปรมาณนาผานฝายหยกทวไป

รปท 8.11-10 Curve of Optimum Cd

จาก Design Curve ในรปท 8.11-9 กราฟแตละเสนจะมคาในชวงตนทมคา H/P นอยๆ จะเปนชวงทเกดคาสมประสทธของการไหลสงสด เมอเชอมตอจดสงสดของกราฟแตละเสน จะได กราฟคาสมประสทธของการไหลสงสด (Curve of Optimum Cd) ดงแสดงในรปท 8.11-10 ซงสามารถใชประกอบการพจารณาในการออกแบบวา สมประสทธของการไหลสงสดของฝายหยกนนจะเกดท H/P มคาระหวาง 0.10 ถง 0.45 โดยกาหนดเปนสมการไดดงตอไปน

The Optimum Cd : 8671.0PH

ln1714.0Cd

8-90


ฝายหยกนนจะออกแบบใหมการไหลเปนแบบ Free Flow เสมอ ทงนเพราะหากระดบน าดานทายน าอยสงกวาระดบสนฝายเมอไร ฝายหยกจะมคณสมบตการไหลทเปลยนไป จะเปนเสมอนฝายสนกวางทมความยาวสนฝายเทากบสวนกวางทสดของตวฝายในทางน าหรอระยะระหวางปลาย 2 ขางของฝายไปทนท 8.11.6 ฝายหยกกบการไหลแบบ Submerged flow

เชษฐพงศ นนททรรภ ไดศกษา ชลศาสตรการไหลดวยแบบจาลองทางกายภาพของฝายแลบบรนธ ทมตนแบบมาจากฝายแมรองนอย อาเภอเมองลาพน จงหวดลาพน ซงเปนฝายหยกทมรปรางดงแสดงในรปท 8.11-11

รปท 8.11-11 แสดงฝายตนแบบและแบบจาลองฝายแมรองนอย อาเภอเมองลาพน จงหวดลาพน

ผลการศกษา สรปไดวา

1) กรณการไหลแบบอสระ (Free flow) คาสมประสทธของการไหล (Cd) จากสมการ

5.11

dHg2L

32

QC

Q = อตราการไหลผานฝาย (ม.3/วนาท) Cd = สมประสทธของการไหล

H1 = ระดบนาดานเหนอนา (ม.) g = ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก (9.81 ม./วนาท 2)

โดยเมออตราการไหลเพมมากขน คาสมประสทธของการไหลจะมคาลดลง และ Cd จะมคาในชวง 0.35 - 0.55

8-91


2) การไหลแบบจม (Submerged flow)

คาสมประสทธของการไหล (Cs) จากสมการ

dgH2LH

QCs

Q = อตราการไหลผานฝาย (ม.3/วนาท) Cs = สมประสทธของการไหลแบบจม

H1 = ระดบนาดานเหนอนา (ม.) H2 = ระดบนาดานทายนา (ม.)

Hd = ผลตางของระดบนาดานเหนอนากบดานทายนา = (H1 - H2) (ม.) g = ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก (9.81 ม./วนาท 2)

คา Cs จะมคาในชวง 0.32 - 0.41

3) ชวงการเปลยนแปลงการไหลจากการไหลแบบอสระเปนการไหลแบบจม

เมอคา Submergence ratio H2/H1 นอยกวา 0.57 การไหลจะเปนแบบอสระ

เมอคา Submergence ratio H2/H1 มากกวา 0.57 การไหลจะเปนแบบจม โดยฝายแลบบรนธหรอฝายหยกจะเปลยนพฤตกรรมเปนแบบฝายสนกวาง

8-92


8.12 Shaft spillways or Drop inlet spillways

8.12.1 ลกษณะของ Shaft spillways

Shaft spillway เปนทางระบายน าลนทมลกษณะเปนปลองแนวดง โดยสวนบนสดปากปลองเปนตวฝายเพอรบน าลงสทอทอยในแนวดงหรอแนวเอยง จากนนจงระบายน าออกสอาคารสลายพลงงานดานทายผานทอทวางในแนวราบ อาจแยกสวนองคประกอบไดดงน

1) Spillway section หรอสวนของปากทางระบายน าลน เปนสวนทเปนปากของทางน าเขาทตงในแนวดง มลกษณะเปนสนฝายคอนกรตรปทรงตางๆ เชน รปวงกลม เรยก Morning

glory spillway รปสเหลยม เรยก Box spillway (ทง 2 แบบนจะนยมสรางมาก) นอกจากนจะมรปทรงอนๆ เชน รปหกเหลยม รปสวนของวงกลม ฯลฯ

2) Transition section เปนสวนเชอมตอปากทางระบายน าลนแบบ Morning glory

กบปลองแนวดงหรอแนวเอยง (Vertical or Inclined shaft) ทคอยๆ เปลยนรปรางจากรปทรงของปากทางระบายน าลนไปเปนรปทอกลม สวนกรณ Box spillway อาจไมมสวนน โดยตวฝายและปลองรบนาจะเปนสวนเดยวกน

3) ทอระบายน าออกสดานทาย โดยจะเชอมตอปลองแนวดงหรอแนวเอยงทเปนทอกลม ดวยทอโคงเพอปรบแนวทอใหเปนแนวราบเพอระบายนาลงสลาน าดานทายตอไป

8.12.2 หลกการของ Shaft Spillway

พจารณา รปท 8.12-1 ซงแสดงรปแบบพนฐานของ Shaft spillway ทมาจากฝายสนคมทเปนทอกลมแนวดง เมอมระดบน าเหนอสนฝายนอยๆ น าจะไหลลนขามสนฝายลงสกลางทอในลกษณะแผนน า (Nappe) ทมขอบเขตผวบนและผวลางคลายกรณฝายสนคมทวไปตามทไดกลาวมาแลว และหากระดบน าเหนอสนฝายสงเพมขนอตราการไหลกจะเพมขน Nappe กจะเพมขนาดและเปลยนตาแหนง เมอถงตาแหนงหนง Nappe ของแตละดานจะมาพบกนแลวรวมกนเปนลาของนา (Jet) เรยกตาแหนงนวา Crotch และหากระดบนาเหนอสนฝายเพมสงขนอก ขนาดของลา Jet กจะใหญขน ตาแหนง Crotch กจะยกตวสงขน และน าทอยเหนอ Crotch จะมลกษณะคลายเดอดพลาน ซงเรยกวา Boil ถายงระดบน าเหนอสนฝายยงเพมขนเรอย ๆ Crotch และ Boil กจะขยบตวสงขนเรอย ๆ จนถงจดหนงจะเกดปรากฏการ Flood out คอทง Crotch และ Boil จะหายไป มองเหนเพยงนากระเพอมๆ เทานน

8-93


รปท 8.12-1 แสดงรปแบบพนฐานของ Shaft spillway มาจากทอกลมมสนคม

การไหลของน าขางตนเมอระดบน ายงตาจะไหลผานสนฝายและ Transition ในลกษณะ Free flow จนกระทงระดบน าสงขน Crotch และ Boil ขยบตวสงขนถงจดหนง การไหลจะเกดผลกระทบเนองจากSubmergence และเมอถงจด Flood out การไหลของน าจะถกควบคมดวย Jet flow หรอรปรางของ Transition โดยนาไหลเตมทอ (ถารปรางของ Transition ไมพอดกบรปราง Jet)

Shaft spillway มกออกแบบหนาตดของสนฝายใหมรปรางเหมอนผวโคงดานลางของ Nappe โดยใหมขนาดปากสนฝาย และขนาดชองรบน าแนวดงใหเพยงพอทจะรองรบการไหลใหเปนแบบ Free flow เสมอ จะหลกเลยงไมใหมการไหลทเกดสภาวะ Submergence เพราะการไหลลกษณะดงกลาวน าจะไหลเตมทอดวยความเรวสง ซงจะทาใหเกด Cavitation คอจะเกดฟองไอขนทผวหนาของน ากบผนงคอนกรต ถาเกดขนมากจะเกดการกระแทกของฟองอากาศจะทาใหน าเกดการสนสะเทอนอยางรนแรง และเกดการกดทาลายผวคอนกรต ทาใหเปนอนตรายตอความมนคงของตวฝาย กรณเชนนอาจปองกนดวยการตดตงทอเพอระบายอากาศออกไป

8.12.3 Morning Glory Spillway

Morning glory spillway เปน Shaft spillway ทมสนฝายเปนรปวงกลม อาจออกแบบรปตดสนฝายหรอปากไดเปน 2 ชนดคอ

8-94


รปท 8.12-2 สนของ Morning glory spillway อาจแบงไดเปน 2 ชนดคอ

Standard crest spillway (รปดานซาย) และ Flat crest spillway (รปดานขวา)

1) Standard crest spillway มสนฝายเปนรปหนาตดทสอดคลองกบรปรางสวนโคงผวดานลางของ Nappe (รปรางขอบเขตของแผนนาทลนขามสนฝายออกไป) ซงเปนการไหลผานสนฝายลกษณะของฝายสนคม ซง USBR ไดกาหนดรปแบบหนาตดฝายตามรปแบบของ Standard

nappe เอาไว การออกแบบกอสรางสวนใหญมกสรางสนฝายแบบน

2) Flat crest spillway ปรบสวนสนฝายหรอปากทางรบน าใหแบนราบ ทาใหการไหลเปนลกษณะคลายการไหลของฝายสนกวาง

8.12.3.1 รปแบบการไหลของ Morning glory spillway

USBR (1973) ไดศกษารปแบบการไหลของ Morning glory spillway พบวาจะมได 3 รปแบบ ซงแสดงตามรปตดแสดงการไหลและกราฟ H-Q ในรปท 8.12-3 ไดแก

1) Entrance or Crest control เปนรปแบบตามหลกการของ Shaft spillway ทมการไหลเปนแบบ Free flow ททกระดบความลกเหนอสนฝาย และทอระบายน าออกสดานทายน ามขนาดเพยงพอทจะระบายน าออกไปในลกษณะการไหลในทางน าเปดอยางอสระ (น าไหลไมเตมทอ) ซงเปนชวงของเสนกราฟ ab

8-95


2) Orifice or Tube control เกดเมอระดบน าเหนอสนฝายสงจนการไหลไมเปนลกษณะการไหลลนขามสนฝายอยางอสระ แตเปนการไหลลกษณะของลาของน าทผานปากฝายออกไป ซงเปนลกษณะการไหลผานชอง Orifice ขนาดใหญนนเอง แตน ายงไมไหลเตมทอทงในสวนปลองแนวดงและทอแนวราบทระบายนาออกดานทาย นาไมทวมปากดานทายทอ เปนชวงของเสนกราฟ cd ทเกดตอจากเสนกราฟ ab ทตาแหนง g

3) Exit control or Full pipe flow เปนการไหลทน าไหลเตมในทกสวนหนาตดของทกองคประกอบของฝาย รวมทงน าทวมทายทอดวย เปนชวงของเสนกราฟ ef ทเกดตอจากเสนกราฟ cd ทตาแหนง h

ผลการศกษาสรปไดวา ทอตราการไหล (Q) จะแปรผนตรงกบระดบน าเหนอสนฝาย (H)

โดยรปแบบการไหลแบบ Entrance control ทมการไหลแบบ Free flow โดยจะมอตราการไหลเรมจากนอยๆ เมอระดบน าเพมสงขน การไหลจะเปลยนรปแบบเปน Orifice control และ Exit Control ตามลาดบ โดยอตราการไหลจะเพมขนอยางตอเนอง ชวงการไหลระหวาง Orifice

control กบ Exit control จะมลกษณะการไหลทเปน Submerged flow

ในทางปฏบตมกออกแบบให Shaft spillway มการไหลเปนแบบ Entrance control ซงเปนการไหลแบบ Free flow เสมอ โดยการควบคมดวยการกาหนดระดบน าสงสดของเขอนหรออางเกบน าใหเหมาะสม ไมใหมระดบสงเกนไปจนทาใหเกดการไหลทเปน Submerged

flow แตในการออกแบบจะกาหนด Design head ใหมระดบททาใหเกดอตราการไหลเลยจากชวง Entrance control ไปสชวง Orifice control ไดเลกนอย โดยพจารณาจากการไหลของน าทระบายออกจากทอดานทายนาใหมความลกการไหลในทอ ไมเกน 75 %

จากการทดลองในหองปฏบตการพบวาสภาวะทเหมาะสมของการไหลนนขนกบตวแปรของรปรางสดสวนของตวฝายตอไปน คอ H0/Rs

H0/Rs < 0.45 เปนการไหลแบบ Free Flow หรอ Entrance control

0.45 <H0/Rs < 1.00 เปนการไหลทเขาสสภาวะการเกด Submerged

H0/Rs ≈ 1.00 เปนการไหลแบบ Submerged ทสมบรณ

H0/Rs > 1.00 เปนการไหลแบบ Orifice flow

ทงนในการออกแบบฝายชนดน ลกษณะการไหลทยอมรบไดนนคอ คา H0/Rs < 0.60

โดยยอมใหเกดการไหลแบบ Submerged flow ไดเลกนอย

8-96


รปท 8.12-3 รปแบบการไหล และกราฟ H-Q ของ Morning glory spillway

8-97


8.12.3.2 การคานวณอตราการไหลของ Morning glory spillway

(ตวหอย s หมายถง Sharp crest : ตาแหนงสนฝายทางทฤษฏ ทเปนฝายสนคม o หมายถง Over crest : ตาแหนงยอดหรอสนจรงของฝาย)

รปท 8.12-4 แสดงมตตาง ๆ ของ Morning glory spillway (Rs, Hs, Ho, P)

Rs = รศมขอบนอกของปากปลองสนฝาย เทยบไดกบยอดฝายสนคม Hs = ความลกของนาเหนอฝายทเปนสนคม ซงรวมคา Approach velocity (ha) ดวย Ho = ความลกของนาเหนอยอดสนฝาย P = ความสงของสนฝายเมอวดจากพนดน

การคานวณใชสมการพนฐานอตราการไหลของฝาย 2/3

ooLHCQ

เมอ Q = ปรมาณนาไหลผานฝาย (ม.3/วนาท) L = ความยาวของสนฝาย (ม.)

L กรณไมมตอมอหรอครบเหนอสนฝาย

sR2L

L กรณมตอมอหรอครบเหนอสนฝายเพอใชบงคบการไหลไมใหเกดการหมนวนของนาเหนอปากปลองฝาย ตองนาตอมอมาพจารณาดวยตอไปน

ถามตอมอ หนา t เมตร จานวน N ตว

+ กรณคานวณแบบหยาบ ใหหกเพยงความหนาตอมอออกจากความยาวสนฝาย จะได

ntR2L s

8-98


+ กรณคานวณแบบละเอยดใหหกความหนาตอมอออกจากความยาวสนฝาย และคดหกคาการบบตวของการไหลผานผวตอมอดวยคาสมประสทธการบบตว ซงขนกบรปรางหนาตดของตอมอ ดงเชนกรณของฝายสนตรงทไดกลาวมาแลวกอนหนาน จะได

ops HK.N2R2L

Ho = ความลกของนาเหนอยอดสนฝาย (เมตร)

Co = คาสมประสทธการไหลของ Morning glory spillway นน USBR

(1973)ไดนาผลการศกษาของ Wagner (1956) มาสรางเปนกราฟ ดงแสดงในรปท 8.12-5 ซงสมพนธกบคาของ Ho/Rs , P/Rs ซงไดเผยแพรในหนงสอ Design of Small Dams ซงมหนวยเปนระบบองกฤษ ทนามาเสนอไวในทนเพราะมกมผนากราฟนไปใชคานวณในหนวยระบบ SI อยางผด ๆ ซงปรากฏในตาราหลายเลม กลาวคอแมวาคา Ho/Rs จะไมมหนวย แตคา Co ของกราฟนเปนระบบองกฤษ การจะใชคากราฟชดนกบการคานวณในระบบ SI จงตองแปลงคาหนวยของตวแปรตาง ๆ ใหตรงกน

รปท 8.12-5 กราฟสมประสทธการไหลผาน Morning glory spillway โดย USBR

ไดจากผลการศกษาของ Wagner (1956) มหนวยเปนระบบองกฤษ

8-99


รปท 8.12-6 กราฟสมประสทธการไหลผาน Morning glory spillway หนวยระบบ องกฤษ

กรณทความลกของนาเหนอสนฝายตางจาก Design head

ตอมา USBR ไดแปลงกราฟคาสมประสทธการไหลผาน Morning glory spillway

ขางตน มาเปนหนวย SI ดงแสดงในรปท 8.12-7

รปท 8.12-7 กราฟสมประสทธการไหลผาน Morning glory spillway

ท USBR ดดแปลงเปนหนวยระบบ SI

8-100


รปท 8.12-8 กราฟสมประสทธการไหลผาน Morning glory spillway หนวยระบบ SI

กรณทความลกของนาเหนอสนฝายตางจาก Design head

นอกจากน FAO ไดสรปการใชคาสมประสทธของการไหลผาน Morning glory

spillway ในหนวย SI ไวใหซงแบงตามประเภทของสนฝาย ดงน

1) Circular crest

Ho/Rs 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 Co 1.82 1.78 1.63 1.33 1.12 0.93 0.80 0.70 0.62 0.57

2) Standard crest

Ho/Rs 0.10 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 Co 1.830 1.825 1.815 1.800 1.785 1.760 1.740 1.720

3) Flat crest

Co = 3.20

8.12.4 Drop Inlet Pipe Spillway / Box Inlet Drop Spillway

เปน Shaft spillway ทมรปแบบงาย ๆ ตวฝายเปนปลองรบน าแนวดง แลวมทอทงน าออกจากปลองลอดทานบดนของอางเกบนาไปสลาน าดานทาย ฝายหรอทางระบายน าลนชนดนมกมขนาดเลกระบายน าไดไมมาก มชอเรยกตางๆ กนตามรปรางของปลองรบน า ถาเปนรปวงกลม เรยก Drop inlet pipe spillway หรอ Pipe spillway ถาเปนรปสเหลยมเรยก Box inlet drop

spillway หรอ Box spillway ตวฝายหรอปลองรบน าจะมรปทรงหนาตดทเทากนตลอดทงปลอง ผวดานในไมสรางใหเปนรปทรงของ Nappe ดงเชน Morning glory spillway อาจสรางให

8-101


มปลองรบนาปลองเดยวหรอสรางเปนกลมมปลองรบน าหลายปลอง สวนทอทงน าอาจเปนทอเดยวหรอหลายทอซงขนกบปรมาณนาทตองระบาย

รปท 8.12-9 รปตดดานขางของ Drop inlet pipe spillway แบบหนง

การกอสรางหากมขนาดเลกใชระบายน าออกจากสระเลกๆ อาจสรางโดยใชทอเหลก หรอทออนๆ มาประกอบกน แตหากมขนาดทใหญขน เชน ใชกบอางเกบน าขนาดเลกมกสรางดวยคอนกรตเสรมเหลก โดยทาสนฝายหรอยอดทปากใหโคงมนในลกษณะรปแบบสนฝาย Ogee หรอลบมมเพอลดการตานการไหลของนากได

การคานวณอตราการไหลของ Drop inlet pipe spillway และ Box Inlet

Drop Spillway การคานวณปรมาณน าของฝายชนดน เปนรปแบบของ Shaft spillway ซงแสดงในรปท 8.12-9

การคานวณใชสมการพนฐานอตราการไหลของฝาย

2/3ooLHCQ

เมอ Q = ปรมาณนาไหลผานฝาย (ม.3/วนาท)

L = ความยาวเสนรอบรปของปากสนฝาย (ขนกบรปรางของปาก) (ม.) ถาสนฝายเปนรปวงกลม sR2L

Rs = รศมขอบนอกของปากปลองสนฝาย (ม.) ถาสนฝายเปนรปสเหลยม L = 2 (ดานกวาง+ดานยาว)

Co = คาสมประสทธการไหลผานฝาย ขนกบรปรางหนาตดของสนฝาย (ซงได อธบายในหวขอตางๆ ทผานมา)

Ho = ความลกของนาเหนอยอดสนฝาย (ม.)

8-102


8.13 ฝายหนาตดรปสามเหลยม (Crump weir)

ฝายหนาตดรปสามเหลยม หรอ Crump weir ทกลาวถงน เปนฝายทดน าทไดพฒนามา

จากฝายตนแบบคอ ฝายวดน าชนด Crump weir ซงไดอธบายรายละเอยดไวในบทท 11 ในหวขอ 11.1 Crump weir หรอ Triangular profile two dimensional weir (ผเขยนไมนาเสนอรายละเอยดในบทน เนองจากตองการใหเนอหาสอดคลองกบประเภทของฝายนนๆ อยางแทจรง เพราะหากนาเสนอในบทน กตองอธบายจากทมาซงคอฝายวดน านนเอง จงขอใหขามไปดรายละเอยด หลกการ วธการคานวณในบทท 11)

ฝายหนาตดรปสามเหลยมนมกสรางปดกนลาน าขนาดเลก ทมความลาดชนคอนขางมาก และมตะกอนไหลมากบน ามาก โดยตวฝายจะมความสงไมมาก เมอมอตราการไหลมากๆกเกดระดบน าทน (Afflux) ไมมาก เมอมอตราการไหลนอยๆ ตะกอนกผานไปไดสะดวก ลกษณะของ Crump weir แสดงในรปท 8.13-2

ขอกาหนดคณสมบตทวไปของ Crump weir

มกสรางใหมลาดฝายดานหนา 1: 2 ลาดฝายดานทาย 1: 5 ดานขางของฝายนยมสรางเปนกาแพงตง ระดบนาทไหลขามสนฝาย: h ≥ 0.06 ม. ความสงของฝาย: P ≥ 0.06 ม. ความยาวของสนฝาย : L ≥ 0.30 ม. h/P ≤ 3.5 L/h ≥ 2.0

การคานวณปรมาณนาผาน Crump weir

1) กรณการไหลแบบ Free flow

รปท 8.13-1 ลกษณะการไหลแบบ Free flow

8-103


ทมา : ปราโมทย ไมกลด-คมองานเขอนดนขนาดเลกและฝาย

รปท 8.13-2 แสดงรปแบบมตของ Crump weir แบบหนง

8-104


การคานวณของ Crump weir กรณ Free flow ใชสมการฝายสนสนทมหนาตดการไหลเปนรปสเหลยมผนผา

2/3

d Hg232

LCQ

เมอ Q = ปรมาณนาทไหลผานฝาย, (ม3/วนาท)

g = ความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 (ม./ วนาท 2) H = h+(V2 /2g) = ความลกประสทธผลของระดบนาทไหลผานฝาย, (ม.) *

* กรณคานวณแบบหยาบๆ อาจให H ≈ h

L = ความยาวของสนฝาย, (ม.) Cd = คาสมประสทธของการไหล

ใชคาทไดจากการทดสอบในหองปฏบตการชลศาสตรคอ

Cd = 1.163 เมอ h > 0.10 ม

5.1

d h003.0

1163.1C

เมอ h < 0.10 ม.

2) กรณการไหลแบบ Submerged flow

รปท 8.13-3 ลกษณะการไหลแบบ Submerged flow

การคานวณอตราการไหลของ Crump weir กรณ Submerged flow

FQfQ

เมอ Q = ปรมาณนาทไหลผานฝายกรณ Submerged flow, (ม3/วนาท) QF = ปรมาณนาทไหลผานฝายกรณ Free flow, (ม3/วนาท)

f = คา Factor การไหลกรณ Submerged flow ซงขนกบคา Submergence ratio: H1 / H0 (หรอ y1 / y0)

8-105


H1 = ระดบนาดานทายนา, (ม.) H0 = ระดบนาดานเหนอนา, (ม.)

01 H/H75.0ถา00.1f

93.0H/H75.0ถาH/H817.0035.1f 010647.04

01

985.0H/H95.0ถาH/H403.8686.8f 0101

8.14 การเพมระดบเกบกกของฝาย

ในชวงปลายฤดนาหลากเปนชวงเวลาทตองพจารณาเกบกกนาในแหลงนาเพอใหมปรมาณมากทสดเพอใชประโยชนในหนาแลง โดยทการเกบกกน าตองไมสรางผลกระทบทาใหเกดน าทวมพนทดานเหนอน าดวย โดยทวไปแลวจะมการเกบกกน าไวทระดบน าเกบกก (รนก.) โครงการชลประทานบางแหงอาจออกแบบใหสามารถเพมปรมาณน าเกบกกใหสงกวาระดบ รนก. โดยการตดตงอปกรณเสรมบนสนฝายหรอทางระบายนาลน ไดแก ไมอดน า, แผนไมอดน า, ฝายยาง ฯลฯ

การเสรมสนฝายหรอทางระบายน าลนดวยฝายยาง ทาใหฝายเดมนนมคณสมบตทางชลศาสตรเปนฝายยางไปโดยปรยาย ซงไดนาเสนอขอมลแลวในหวขอ 8.9 ในลาดบตอไปจะนาเสนอในสวนของไมอดน า และแผนไมอดน า

การใช ไมอดนา (Stop log) และแผนไมอดนา (Flash board)

การเพมระดบน าเกบกกรปแบบแรกๆ ใชทอนไมหลายๆทอนเรยงกนในชองตอมอขนาดเลก (หรอรปแบบงายๆ ใชเหลกตว C จานวน 2 ชนมาประกบดานหลงเขาดวยกน) หรอใชแผนไมแผนเดยวหรอหลายแผนมาประกอบกน ทงนเนองจากในเวลานนไมมความเหมาะสมในการใชงานเพราะ หางาย ราคาถก นาหนกไมมาก ปจจบนมการใชวสดอนๆ เชน ใชคอนกรต เหลกและโลหะอนๆ พลาสตก มาสรางหรอขนรป เพอใชแทนไมทหายาก ตลอดจนการใชกระสอบบรรจทรายมาเรยงทบกนเพออดนา

8-106


รปตดตามยาวตวฝายแสดงการตดตงไมอดนา

รปแปลน แสดงการใชเหลกตว C 2ตวประกบกน (รปบน) หรอตอมอเลกๆ (รปลาง) เพอตดตงไมอดนาบนสนฝาย

รปท 8.14-1 แสดงการตดตงไมอดน าบนสนฝาย

การคานวณปรมาณนาไหลขามไมอดนาและแผนไมอดนา

ในกรณทไดตดตงไมอดน าหรอแผนไมอดน าเหนอสนฝายหรอทางระบายน าลน แลว ไมอดน าหรอแผนไมอดน ากจะทาหนาทเปนฝายตวใหมแทนฝายหรอทางระบายน าลนเดม ซงการคานวณปรมาณน าไหลผานไมอดน าจะไมคอยมความสาคญมากนก เพราะมกตดตงในชวงปลายฤดน าหลากทอตราการไหลผานออกไปไมมากและเรมลดลง หากจะคานวณใหใชคณสมบตทางชลศาสตรของการไหลผาน Straight Drop or Free Overfall Spillway ในหวขอ 8.10 เพราะมลกษณะรปแบบทคลายกน ซงสรปไดดงน

5.1CLHQ

Q = ปรมาณนาไหลผานไมอดน า (ม.3/วนาท) C = คาสมประสทธของการไหล อาจใชคาเฉลย 1.82 L = ความยาวสนไมอดน า (ม.) H = ความลกของนาทไหลขามสนไมอดน า (ม.)

หมายเหต อนโลมใหใชในการคานวณการไหลผานกระสอบทรายกนนาทวางเรยงใหสนมระดบใกลเคยงกนตลอดแนวดวย

---------------------------------------------------------

บทที่ 8 การคํานวณปร...

Documents