驟變河道沖淤趨勢對防洪設施之影響-以頭前溪為例(附光碟)

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驟變河道沖淤趨勢對防洪設施之影響-以頭前溪為例(附光碟)

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簡介

臺灣地區集水區多地勢陡峻,地質脆弱,且部分地表覆蓋因人為活動而遭破壞,致使每逢颱風暴雨侵襲,集水區土砂大量流失,常使河川形成濃度偏高的含砂水流。另外,為保護沿岸居民的安全、維持人車通行的便利性,相關單位在河道中施作的相關工程亦常會造成河道底床驟變的情況。高濃度的含砂水流再加上驟變的河床,常會對沿程河防設施的穩定造成很大的威脅。以頭前溪部分河段為例,上游尖石堤防於颱洪期間均會面臨高濃度含砂水流直衝的威脅,造成河道刷深,屢屢造成尖石堤防的毀壞;中正橋固床工下游面河床保護層消失,岩床裸露,長期軟岩沖蝕(rock erosion)造成局部河床驟變,本年度又受到蘇拉颱風來襲影響,造成河槽刷深嚴重,威脅橋梁安全致使封橋至今。因此,釐清驟變河道沖淤趨勢對防洪設施之影響,實為頭前溪流域當前相當重要的研究課題。
本計畫為兩年度計畫案,第一年度之工作項目包含基本資料蒐集與彙整分析、歷年防洪工程資料與流路變遷資料彙整分析、控制點入砂量推估研析、流變特性與高灘地土體力學試驗分析、二維驟變河道沖淤數值模式之發展、模式參數檢定與驗證、含砂水流對河道水理動床條件之影響分析、河防設施脆弱段之檢討評估與脆弱段河防設施之災害潛勢分析等初步分析驗證工作。藉由第一年度資料彙整分析成果,常受破壞的河段其主要驟變因素可歸納為「曲率驟變」、「深槽流路驟變」與「河床質驟變」等三大面向;同時,透過二維模式分析整體頭前溪河段成果,選擇具有上述驟變因素且於模式中有明顯影響之三處地點:尖石堤防(高含砂剪力破壞、曲率驟變)、竹林大橋(深槽驟變)、中正橋(床質驟變)做為第二年度(本年度)細部模擬範圍。
一. 中正橋下游河段:
其位處「軟弱岩層」以及「新城斷層」上盤,生成年代仍十分年輕,所以成岩化並不完全,在地質上常被歸類為軟弱岩層,致使護甲層較薄且地質上較易產生侵蝕行為,使河段由穩定轉為不穩定情況。依此,本河段原有應急工程進行保護,但為避免河道深槽沖刷危及中正橋行車安全,並使整體能更加穩固,因而進行中正橋河段沖刷防治工程作業。
以原工程進行數值模擬分析下,進行工程改善後可防止下游處的沖刷,但交界處之沖刷潛勢有稍為提高情況,但差異不大;以尾檻高度規劃值而言,第一、二階跌水工設計應屬合理,第三階跌水消能工受下游迴水影響,水躍可發生於靜水池內,且受下游迴水影響,水躍深度較大應可減少對下游河道沖刷之影響,故尾檻保護長度應可接受,惟仍須注意交界面局部沖刷及底床沖淤變化,避免危及固床工本體之安全性。
然本年度8月份因受到蘇拉颱風來侵襲因束水沖刷於右岸造成中正橋右岸P9橋墩處,下刷約10公尺深,亦造成正執行中之防治工程計畫的三階跌水工消能工右側部份毀損,未來預計將從左側7個單元至橋梁間破損部分修復,並對右岸刷深嚴重之河道以拋石固床方式先進行治水,未來將以改建「大跨距」的橋梁為目標。
二. 尖石堤防下游河段:
尖石堤防位處那羅溪主支流交會處,受到匯入之洪水或土石流的推移作用,可能加劇河岸侵蝕能力,目前於已施作混凝土丁壩工加強基腳保護並期達成挑流掛淤之效。為了解那羅溪匯流之影響,本研究採用擬似三維模式進行三維流場評估,於側入流進入主河道後,動量向下游右岸運移靠近,在斷面80右岸處(約為尖石堤防中間段)產生較高的總流速,在丁壩5號處之深槽所在位置出現較高之下向流運動尺度,但整體而言側入流直沖對右岸構造物之影響並不顯著。
又由Neill(1980)不透水丁壩頭沖刷深度經驗公式評估,壩頭沖刷深度達3.35公尺,現況壩頭埋入深度不足,因此建議將河床粒料回填至丁壩壩頭高度,其中拋石平均粒徑以0.35~0.6公尺,其中受水流直衝影響區則建議平均拋石粒徑為0.6公尺,而拋石高度依據經驗公式建議回填至丁壩壩頭高度。
三. 竹林大橋下游河段:
竹林大橋依據歷史斷面資料可知,下游左岸曾發生因底床沖刷深度劇烈而導致岸壁崩塌進而出現高灘地退縮情形,但左岸之高灘仍有數百公尺暫無疑慮。然由於右岸處為現代沖積層直接接鄰更新世地層,河岸呈凹凸起伏,為古期河岸侵蝕之殘留地貌,因此使整體流況朝向右岸逼近,致使堤岸易遭受破壞。現今,下游右岸之芎林堤防已完成長約350公尺之蛇籠基腳保護工及3座丁壩。
經分析目前蛇籠工法尚稱穩定,但已處於臨界狀態,且由模式成果顯示右岸未來仍有持續退縮現象,建議以河道整理及成功筐網兩種方式加強右岸基腳保護。河道整理採疏浚以拓寬河道降低流速減緩右岸沖刷,並將左岸疏浚之粒料回填至右岸以營造堤前高灘;成功筐網則於既有蛇籠丁壩前建置三處成功筐網,藉以降低流速減緩水流衝擊,並可使筐網群後方形成淤積區,達到加強基腳保護之功效。


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