濁水溪現行丁壩工法於側向侵蝕與縱向沖刷之效能檢討(1/2)(附光碟)

簡介

丁壩工法為目前濁水溪水系治理規劃常見之工程手段，但因其保護河段變化牽涉因素十分複雜，河川特性與流場瞬息萬變，故實務設計上仍無一定規則可資準繩。至目前為止，臺灣丁壩工法仍就河流特性、累積之經驗，漸次研究改善所得之經驗工法。
為精進現階段丁壩設計技術，提高丁壩工法於濁水溪水系之工程效果，本計畫彙整濁水溪水系之丁壩工程設計資料，統計各河段設置丁壩之長度、間距、角度及工程耐久年數等參數，藉丁壩工程參數之統計，評析各河段丁壩設置類型之演變過程、工法可能破壞原因與遭遇難題等；此外，另配合實地丁壩沖刷調查與河床質採樣成果，就丁壩設置河段之水理、輸砂機制進行學理上之探討，期望本計畫成果可提昇工程師設計丁壩工法之信心。本計畫成果簡述如下：
一、 國內外丁壩工法及河性分析方法簡介
濁水溪水系現行丁壩工法常遭遇：(1) 壩頭河床刷深，致使壩頭下沉及壩身斷裂分離或沉陷、(2) 壩根未與護岸連結，水流繞襲壩後、(3) 壩身撓性不足，無法適應河床刷深而調整壩形，導致壩身局部下沉，致使工法常有破壞情事發生。因此，本計畫彙整美國聯邦高速公路署(FHWA)、美國陸軍工兵團(USACE)、日本國土交通省河川局、中國水利部與水利署之丁壩工法設計規範，先就其工法設計通論進行說明，再利用規範中提及之D/L、L/W等參數，作為丁壩成效評估之標準。
二、 濁水溪流域之瞭解與分析
就濁水溪本流及兩條主要支流陳有蘭溪及清水溪之流域背景資料進行瞭解與分析，其內容包含：歷年治理規劃資料、河道縱向及橫向穩定指標評析、歷年航拍圖及河道縱剖面比對、河床質粒徑資料分析等。由分析結果可知，濁水溪主流因歷經多次重大颱洪沖刷及921集集大地震影響，自集集攔河堰下游社寮堤防段(濁斷111)以下河段，河床多有明顯沖刷情形且流路橫向擺盪變遷明顯，造成河床大幅下降及主河道深槽化，進而導致常有河防建造物沖刷災害情事發生。陳有蘭溪因所屬山區河道，常有邊坡土體鬆裂、危岩塌陷崩落等現象發生，致使其河性極不穩定，深槽線變遷快速，河床仍有持續淤高趨勢。清水溪坡陡水急且流路蜿蜒分歧，主槽流路變化頻繁，流路不甚穩定；主深槽位於山區河段及部分直線段相當明確，然於河道轉彎處、支流匯流處及下游段易形成辮狀流河槽。
三、 動床模式檢定驗證
蒐集濁水溪水系航拍圖及DEM資料，用以檢核CCHE2D之水理、輸砂參數，以確保模式之可靠度。模式檢定驗證內容包含：(1) 調適長度L (adaptation length)、(2) 調適係數α (adaptation coefficient)及(3) 混合層厚度 (mixing layer thickness)等。本計畫之檢定驗證結果皆能與現場河床變化情形相近，已可用於丁壩設置河段之水理、輸砂計算。
四、 濁水溪現行丁壩工法之沖刷災害成因分析
蒐集濁水溪水系現行丁壩工法之設計資料，並探討造成丁壩工法破壞之物理機制及常見之發生成因，以利爾後提出濁水溪現行丁壩工法之改善對策。研究河段有：(1) 濁水溪主流民和護岸至拔社埔堤防、(2) 濁水溪主流番子寮堤防、(3) 集集攔河堰下游河段、(4) 濁水溪主流名竹大橋至二水鐵路橋河段、(5) 濁水溪主流自強大橋至西濱大橋河段、(6) 支流陳有蘭溪上安堤防、郡坑堤防河段、(7) 支流陳有蘭溪內茅埔堤防、愛國護岸及明德堤防河段、(8) 支流清水溪鯉南堤防至鯉魚橋護岸河段。經彙整後，濁水溪部份丁壩設計與現行設計規範有所衝突，而其癥結點為：L / W值過大、D / L值過大或過小、及丁壩類型與河道特性有所衝突等三點。
此外，透過歷史資料及國外文獻之彙整，本計畫參考美國與日本規範，並以臺灣既有規範為基礎，建立濁水溪水系丁壩適用條件彙整表，其特色係將水流與河道幾何條件，導入臺灣既有丁壩種類適用情況，並以濁水溪常見之拋石、手槍、排樁、五頁塊及饅頭丁壩等作為評估案例，初探不同河道特性條件下，應設置何類丁壩為佳。
五、 濁水溪現行丁壩工法與河床沖刷機制探討
丁壩工法之沖刷災害成因相當複雜，目前尚無一定論可供參考，本計畫除彙整河道狀況、丁壩尺寸幾何及歷史整建紀錄等基本資料，作定性探討外，另藉已完成檢定驗證之CCHE 2D模式，推估洪水期間丁壩保護河段之水理輸砂條件，並將其結果代入臺灣常見之丁壩壩頭沖刷公式，就其工法與河床沖刷機制，作一量化描述。
此外，另針對臺灣既有常用之丁壩壩頭沖刷公式進行適用性評估。初步分析結果得知各家經驗式之預測沖刷深度皆大於實測沖刷深度，以濁水低水護岸於蘇拉颱風期間為例：差異幅度最大達 8.45公尺 (Neill 經驗式)，最小則為 1.2公尺 (秋草式)；為提升經驗式之預測準度，本計畫假設國外經驗式推估之丁壩壩頭沖刷深度與臺灣現地丁壩壩頭實際沖刷深度間，存在一安全係數(或稱轉換因子)，透過該安全係數不僅可提升經驗式之預測準度，亦能考量流場不確定因素之影響。根據本年度現地實測資料，推估美國聯邦高速公路署經驗式及 Neill 經驗式之安全係數 TC，分別為 5.33 及 6.31。
六、 濁水溪丁壩工法沖刷調查
為瞭解丁壩設置後對周圍底床沖淤之影響，本計畫進行現場觀測工作，包含：丁壩工壩頭局部沖淤觀測及河床質採樣分析二項。丁壩工壩頭局部沖淤觀測係採沖刷磚塊法，並利用鑽孔方式進行沖刷磚埋設；而河床質採樣則依據水利署制定之規範進行床質採樣工作。本計畫規劃局部沖淤調查點位有：(1) 水底寮堤防、(2) 濁水低水護岸、(3) 溪州大橋北岸、(4) 下溪墘堤防、(5) 明德堤防等五處。

more...