TDR 埋入式感測器於沖刷量測之研發

1 TDR 感測桿（Yankielun and Zabilansky 1999）

本方法屬於埋入式感測桿研發，其原理是以兩根鋼棒組成之導波器貫 入河床質，利用電磁波時域反射法感應河水與底床界面之反射訊號，據以 決定沖刷深度，如圖 2.3-2 所示。此方法改良了以同軸纜線監測的缺點，具 備堅固耐用的特性，但許多問題仍待克服，例如楊培熙（2003）實驗結果 顯示，當感測器達一定長度後便造成反射訊號衰減，因此需進一步改善傳 輸距離引起訊號衰減問題、考慮安裝實務的感測器設計及決定沖刷深度的 訊號分析演算法等。

~ 20 ~ 2 TDR 感測纜線（Dowding and Pierce 1994）

與埋入式感測元件的方法類似，在同軸纜線一定的間距加上一突緣裝 置埋入底床內，當突緣裝置經河水沖刷露出水面後，河水的拖曳力量將造 成同軸纜線的變形，利用電磁波時域反射法的探測，可以決定沖刷深度，

如圖 2.3-3 所示。此方法可自動化監測，但缺點是感測元件屬於犧牲式，因 此僅能觀測最大刷深，且若纜線被石塊或雜物衝斷，纜線末端可能因為浸 水而影響後續監測的解讀。

圖 2.3-2 TDR 感測桿示意圖（Yankielun and Zabilansky 1999）

圖 2.3-3 TDR 感測纜線示意圖（Dowding and Pierce 1994）

~ 21 ~ Zabilansky 1999）。

然而 TDR 量測由於接頭、水-土界面及感測器末端產生的反射訊號，

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若無法準確判斷空氣-水界面反射點，則無法計算沖刷深度。

圖 2.3-4 TDR 沖刷感測器反向裝置(楊培熙,2003)

圖 2.3-5 TDR 沖刷感測器正向裝置(楊培熙,2003)

~ 23 ~ 2. 全走時分析法

Birchak et al.(1974)提出混合介電常數之模數，如(2-2)式表示，其中 υ_i及 K_i分別是部份片段體積及部份介電常數，α為經驗值，於均質或

~ 24 ~

圖 2.3-6 水砂界面沉降量測模擬示意圖(Yu and Yu 2007)

圖 2.3-7 TDR 輸出訊號示意圖

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圖 2.3-8 TDR 訊號隨不同沉降量之變化(Yu and Yu 2007)

2.3.4 TDR 沖刷量測問題評析

電磁波時域反射量測技術，為新興的傳輸線監測技術，利用時域反射 監測不同介質界面位置的技術亦可應用在沖刷感測。時域反射沖刷感測技 術的概念雖已被提出，但仍停留在概念階段，許多問題仍待克服，例如訊 號衰減引起之傳輸距離問題、考慮安裝實務的感測器設計及決定沖刷深度 的訊號分析演算法等，這些問題若能克服，有助於提昇沖刷觀測效能。本 研究之主要目的即在於以時域反射法為基礎，發展更有效、更適合台灣環 境的沖刷感測器，以能後續配合 TDR 自動化沖刷觀測技術，落實橋墩沖刷 量測實務。

2.4. 沖刷量測方法綜合評析

綜合上述橋墩沖刷自動化觀測方式可分為埋入式感測元件（埋入式無 線電波漂浮裝置、壓電薄膜、TDR 感測纜線、光纖光柵、數位感測式及振 動感測式）、感測桿（磁性滑動環、電阻法、TDR 感測桿）及非侵入式（聲

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納、透地雷達）三大類，並於表 2.4-1 統整既有所有監測方式之優缺，而其 中磁性滑動環技術較為成熟，但無法觀測沖刷回淤情形；電阻法之相關資 料相當有限，且準確度不佳；埋入式感測元件之安裝較為繁瑣且因突出的 元件較容易受到高含砂水流與流木損壞；非侵入式之監測技術需將感測主 機置於水中，在台灣高流速、高含砂水流中之耐久性與維護性堪虞。

本研究建議朝向感測桿或鋼索之方式發展，採柔性結構以避免洪水夾 帶石頭之撞毀之觀念著手改善感測器之型式，TDR 感測桿及鋼索雖然仍處 於研發階段，但極具潛力，值得進一步發展。

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~ 28 ~ 烈沖刷的觀測。圖 2.3-5 為以 Yankielun and Zabilansky (1999）形式的感測 器進行的初步測試，可以明顯看出訊號衰減隨水深增加而增加的現象。因 此在不影響訊號判讀的情況下，對感測器表面進行適當地絕緣處理，期望 可以改善訊號衰減之問題。

本研究為了克服安裝實務與訊號損失的感測器，先於室內進行初步試 驗，並結合實務評估其實際之量測靈敏度。初步規劃感測器於安裝實務上

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之採用型式分別有 1.桿式 2.纜式，如圖 3.1-1 所示，桿式感測器是透過鋼管 於管壁洗一槽溝並置入搭配之絕緣導體，並利用鋼管的堅硬強度保護絕緣 導體不受損傷。纜式感測器則是透過鋼索利用綑綁的方式搭配絕緣導體，

以柔性結構物的概念，避免與漂流木及大石頭正面迎擊，增加其耐用性。

而訊號損失上則透過適當的絕緣處理進行改善，並於後續規劃試驗進行上 述兩種型式之靈敏度的評估，進而製作出適合河床沖刷之感測器 。

圖 3.1-1 不同型式之 TDR 橋墩沖刷量測感測器示意圖(a)桿式感測器(b) 纜式感測器

3.1.2 室內泥砂沖刷/淤積模擬試驗配置說明

為配合沖刷感測器之評估，先行於室內初步模擬沖淤情況，透過改變 不同水位及不同土層的厚度，擷取波型初步比較各種沖刷感測器之靈敏度，

並評估各種型式感測器於現地施作之可行性，其初步整體配置如圖 3.1-2，

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(3) 傳輸線：一般常見同軸纜線(Coaxial Cable)為傳輸線，其構造由內 至為分別為內導體、絕緣介質、外導體與最外層絕緣保護層，同

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圖 3.1-2 室內泥砂沖刷/淤積模擬試驗實驗配置示意

圖 3.1-3 PCTDR 操作介面(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

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圖 3.1-4 TDR100 反射儀(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

表 3.1-1 試驗砂基本物理性質

試樣種類 渥太華砂(廖元憶，2005) 南湖溪砂 最大乾密度γd max (g/cm³) 1.87 1.60 最小乾密度γd min (g/cm³) 1.50 1.36

比重 Gs 2.65 2.646

D60 0.45 0.82

D50 0.395 0.65

D30 0.305 0.42

D10 0.22 0.29

均勻係數 Cu 2.05 2.828

曲率係數 Cd 0.94 0.742

孔隙比 e 0.56 0.788

統一土壤分類 SP SP

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表 3.1-2 TDR 反射儀規格特性表(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

3.2. TDR 全走時訊號分析方法改良

水砂界面之反射訊號在有阻抗不連續面之多重反射作用下不易辨識，

因此本研究參考 Yu and Yu （2007）所提分析方法，研擬適用於沖刷感測 器的訊號分析方法，演算過程如下：

1. 由於本研究預期研發之感測器欲克服訊號衰減問題，因此感測器表面將

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3. 擷取初始參考波形，並分析其走時 Reference travel time，tr

:

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了，橋的結構從鋼筋混凝土改為鋼樑結構，參照圖 3.3-1，而防震係數也提 升到了 0.33，可耐七級地震，總長為 1129 公尺。

橋墩周圍的地質條件為泥岩所構成，於汛期其間可能產生沖刷行為。

現地測試將同步搭配沖刷磚，等待汛期結束後，依沖刷磚剩餘數量便可推 得曾經最大刷深，進而評估 TDR 現地最大沖刷量測之準確性。現地安裝整 體初步規劃如圖 3.3-2 所示，計劃於 P3 以及 P7 橋墩上游側進行安裝與實 測，監測系統將建構於 P7 段，如圖 3.3-3。

圖 3.3-1 東勢大橋結構圖

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圖 3.3-2 TDR 橋墩沖刷監測系統示意圖

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圖 3.3-3 (a)東勢大橋 P3 段安裝示意圖(b)東勢大橋 P7 段安裝示意圖 (b)

(a)

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損耗可以透過導體做適當的絕緣處理來進行改善。型式一與型式三相互對 照下，型式一近乎無靈敏度之結果，確實是屏蔽效應所導致；但型式三並 不利於現地之安裝，因此將於下一小節繼續探討改良槽溝內嵌方案，嘗試 改變內外導體間距離及槽溝角度檢討屏蔽效應之影響。

圖 4.1-1 型式一感測器配置圖

圖 4.1-2 型式一不同水位之測試結果

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圖 4.1-3 型式一不同土層厚度實驗結果

圖 4.1-4 型式二(a)感測器配置(b)不同土層厚度實驗結果

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圖 4.1-5 型式二末端波型觀測

圖 4.1-6 型式三感測器配置

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圖 4.1-7 型式三不同土層厚度實驗結果

4.1.2 導體間的角度影響

前一子節實驗結果得知，為了要克服屏蔽效應的影響，將進行改變槽 溝角度的比較，將空心鐵管洗出一個槽溝，有別與型式一，槽溝中先行置 入一個硬塑鋼，再將另一導體嵌入硬塑鋼中，達到內外導體有些微隔開的 效果。配置比較如圖 4.1-8 (a)(b)，其量測的結果如圖 4.1-8 (c)，改變水位 時，其波型變化較型式一靈敏；接著進行改變土層厚度，結果由圖 4.1-8 (d) 顯現，其靈敏度仍舊沒有太大的改善。接著逐漸改變其角度，如圖 4.1-9 及圖 4.1-10。由 120 度至 180 度的變化明顯的看出，固定水位面在 30cm 高，

加砂至 15cm 厚，隨角度增加屏蔽效應越來越小，在固定的試驗模式下其走 時差逐漸增加，如表 4.1-1；因此透過槽溝角度的改變，確實可以改善屏蔽

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效應的問題，但若要結合實務，180 度之可行性不高，可能在進行鑽掘時便 導致外部的硬塑鋼造成磨損，進而破壞外部導體，因此桿式感測器為了配 合實務上的應用，建議採用 135 度或是 160 度之型式。

表 4.1-1 改變槽溝角度之靈敏度判釋結果

角度 120 度 135 度 160 度 180 度 走時差 1.2114e-010 1.3265e-010 1.8952e-010 2.6777e-010

圖 4.1-8 (a)型式二感測器配置圖(b)置入硬塑鋼之 90 度感測器配置圖(c) 不同水位實驗(d)不同土層厚度實驗

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圖 4.1-9 槽溝角度 120 度及 135 度之配置示意圖

圖 4.1-10 槽溝角度 160 度及 180 度之配置示意圖

~ 48 ~ 4.1.3 纜式感測器配置探討

桿式之感測器雖可結合鑽探施做，但為內外導體不易對接，且桿式之 感測器屬於剛性結構，在與大石頭及漂流木相互撞擊下，耐用性仍有待評 估，因此本研究另外提出類似地錨工法採用鋼索型式之柔性感測器，並透 過斷面積縮減達到降低衝擊力的效果。

先行利用一般的電纜線模擬成鋼索配置型式，如圖 4.1-11。雙導體皆 做防水處理，結果由圖 4.1-12 ，明顯可以辨識出隨土層厚度不同，波型逐 漸提前之趨勢。接著將電纜線改成鋼索及絕緣銅線，如圖 4.1-13。實驗結 果與電纜線的走時差相近，如表 4.1-2，因此鋼索式應是可行的，下一子節 將以不鏽鋼鋼索進行各種可能之影響因子評估。

圖 4.1-11 電纜配置示意圖

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圖 4.1-12 型式一不同土層厚度實驗結果

圖 4.1-13 型式二鋼索加包膜銅線

表 4.1-2 電纜與鋼索試驗結果

型式 電纜 鋼索

走時差 8.4951e-010 6.3978e-010

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圖 4.1-14 改變導體材質結果比較(a)包膜銅線(b)包膜鋼索

圖 4.1-15 改變無絕緣鋼索大小(a)直徑 5.8mm(b)直徑 9.3mm (c)直徑 16mm

圖 4.1-16 改變包膜鋼索之大小(a)直徑 3.3mm(b)直徑 2.5mm

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圖 4.1-17 回填料粒徑約 0.5cm~2cm 之碎石之實驗結果

圖 4.1-18 (a)能量損失探討(b)感測器實體

~ 53 ~ 4.1.5 室內試驗綜合評析

綜合前述實驗探討，列出以下幾點初步結果，並決定了現地測試之感 測器型式，如圖 4.1-19。

1. 鋼管雖然耐撞，但現地安裝時需分段施工，因此內外導體需透過對 接的方式串聯，而對接頭施作上不易且工本昂貴，加上鋼索有鋼管 所沒有的柔性且感測器施作不需經過複雜的加工。因此將採用鋼索 式感測器進行現地試驗。

2. 改變包膜鋼索的大小可以克服材料傳導的問題，因此由包膜鋼索取

2. 改變包膜鋼索的大小可以克服材料傳導的問題，因此由包膜鋼索取