第四章 典型對稱壩體之異常滲流模擬
4.2 壩心產生橫向裂縫之情形
本節 將 針對 壩 體產 生 橫 向裂 縫 時，壩 體滲 流 狀況 改 變情 形 作 數值 模擬 分 析，並將 橫 向裂 縫 之 影響 分 為「裂 縫長 度 」、「 裂縫 位 置」及「 裂 縫之 滲 透係 數」兩 個項 目 分別 討 論。在模 擬 本項 目 時，僅探 討 基礎 表 層， 以 減少 網 格的 使 用 量及 模 擬所 需 時間 。
4.2.1 橫向裂縫長度與裂縫位置改變之影響
模擬 項 目：壩體 可 能因 為 不均 勻 的 沉 陷、水力 破 裂、施工 分 層夯 實 等 因素 所 造成 橫 向的 裂 縫。模擬 時 假設 心層 可 能發 生 的裂 縫 位置 ， 並從 心 牆上 游(左)側逐 漸 向 下 游(右 )側 發 展， 直 到 裂縫 貫 通整 個 壩體，形成 滲 流通 道，探討 裂 縫 發 展 期 間 ， 大壩 的 變化 情 形，並 且將 裂 縫位 置 高 程改 變，探 討 不同 高 程之 裂 縫對 壩 體及 滲 流 量之 影 響。
模擬 方 式： 在 預定 之 裂 縫位 置(高程 256m 及 232m， 圖 4.5)，由 左 側 向右 側 逐一 改 變網 格 k 值至 1×10-5 m/sec 以 模擬 裂 縫。裂 縫的 模 擬方 式 經過 等 值 化的 步 驟，在 第三 章 曾對 模 擬方 式 加以 探 討。
79
裂縫一 、 裂縫高 程 EL 256
裂縫二 、 裂縫高 程 EL 232 圖 4.5 假設裂 縫 位 置
當裂 縫 開始 產 生的 時 候，對 於孔 隙 水 壓和 滲 流量 都 沒有 太 大 的影 響；隨 著裂 縫 長度 逐 漸增 加，上 游 殼 層內 部 的水 漸 漸流 向 此 滲透 係 數 較高 的 通道，也使 得 在裂 縫 之中 產 生 孔隙 水 壓慢 慢 累積 的 現 象，也驅 使裂 縫 向前 延 伸；當 裂縫 越 來越 接 近 下游 殼 層，則 會有 更 多的 庫 水流 入裂 縫，堆 積更 多 的孔 隙 水壓，裂 縫 向前 推 進的 速 度也 會 更 快，直 到 貫通 整 個心 層；當 裂 縫貫 穿 心層 之 後，大 量 之滲 流 水直 接 由此 滲 流通 道流 向 下游，造 成 土石 壩 蓄水 能 力 降 低，甚至 引 發管 湧 破壞。歸 納 整 個裂 縫 延伸 的 過程 ， 其 重點 如 下列 所 述：
當裂 縫 長度 越 長， 會 有 越多 的 滲流 水 流入 此 滲流 通 道之 中 。 表 4.3 與表 4.4 分別 列 出假 設 橫 向裂 縫 一與 裂 縫二 長 度發 展 對 於滲 流 量 之影 響 ，圖 4.6 與 圖 4.9 則 分別 繪 出 兩種 橫 向裂 縫 下滲 流 量 比與 裂 縫 比 L/Lo(其中 Lo 為 裂縫 全 部 貫穿 時 之總 長 度)之間 的 關係 。 由圖 可 看 出當 裂 縫延 伸 將近 貫 穿 心層(即 當裂 縫比 L/Lo 相 當 接近 1.0 時)，滲 流 量方 才 開始 大 幅上 升。當 裂 縫延 伸 穿 透不 透 水心 牆 時，滲 流量 會 突然 上升 ， 大量 的 滲流 水 經 由滲 流 通道 流 向下 游 。
80
81
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 L/Lo
82
圖 4.7(a) 裂 縫一 長 度比 0.00 時孔 隙 水壓 分 佈
圖 4.7(b) 裂縫 一長 度比 0.43 時 孔隙 水壓 分 佈
圖 4.7(c) 裂 縫一 長 度比 0.71 時孔 隙 水壓 分 佈
圖 4.7(d) 裂縫 一長 度比 1.00 時 孔隙 水壓 分 佈
83
圖 4.8(a) 裂縫一長 度比 0.00 時水力坡 降分 佈(ima x=0.98 位 於 下 游 之 壩 心 內 )
圖 4.8(b) 裂縫一長 度比 0.43 時水力坡 降 分佈(ima x=2.03 位 於 近 裂 縫 尖 端 )
圖 4.8(c) 裂縫一長 度比 0.71 時水力坡 降分 佈(ima x=3.14 位 於 近 裂縫 尖 端 )
圖 4.8(d) 裂縫一長 度比 1.00 時水力坡 降 分佈(ima x=1.00 位 於 壩心 內 )
84
1 3 5 7
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 L/Lo
85
圖 4. 1 0(a ) 裂 縫 二 長 度 比 0 . 0 時 孔 隙 水 壓 分 佈
圖 4. 1 0(b ) 裂 縫 二 長 度 比 0. 4 時 孔 隙 水 壓 分 佈
圖 4. 1 0(c ) 裂 縫 二 長 度 比 0 . 7 時 孔 隙 水 壓 分 佈
圖 4. 1 0(d ) 裂 縫 二 長 度 比 1. 0 時 孔 隙 水 壓 分 佈
86
圖 4. 11( a) 裂 縫 二 長 度 比 0. 0 時 水 力 坡 降 分 佈 ( im a x= 0 . 9 8 位 於 壩 心 內 )
圖 4. 11( b) 裂 縫 二 長 度 比 0. 4 時 水 力 坡 降 分 佈 ( im a x= 2 . 5 5 位 於 近 裂 縫 尖 端 )
圖 4. 11( c) 裂 縫 二 長 度 比 0. 7 時 水 力 坡 降 分 佈 ( im a x= 4 . 0 7 位 於 裂 縫 尖 端 )
圖 4. 11( d) 裂 縫 二 長 度 比 1. 0 時 水 力 坡 降 分 佈 ( im a x= 1 . 1 2 位 於 壩 心 內 )
87
圖 4. 1 2( a ) 裂 縫 情 況 一 水 力 坡 降 最 大 之 區 域 ( im a x= 3 . 1 4 @ 裂 縫 尖 端 )
圖 4. 1 2( b) 裂 縫 情 況 二 水 力 坡 降 最 大 之 區 域 ( im a x= 4 . 0 7 @ 裂 縫 尖 端 )
88
圖 4. 1 3(a ) 裂 縫 一 長 度 比 0 . 0 0 時 水 頭 分 佈
圖 4. 1 3(b ) 裂 縫 一 長 度 比 0. 4 3 時 水 頭 分 佈
89
圖 4. 1 3(c ) 裂 縫 一 長 度 比 0 . 7 1 時 水 頭 分 佈
圖 4. 1 3(d ) 裂 縫 一 長 度 比 1. 0 0 時 水 頭 分 佈
90
歸 納 整 個 橫 向 裂 縫 延 伸 的 過 程 ， 其 重 點 如 下 列 所 述 ： 一 、 當 裂 縫 由 上 游 向 下 游 慢 慢 延 伸 ， 會 有 越 多 的 庫 水 會 集 中 流 入 此 滲 流 通 道 之 中 。
二 、 橫 向 裂 縫 延 伸 越 靠 近 心 層 之 下 游 側 時 ， 在 裂 縫 尖 端 水 力 坡 降 極 大 ， 這 種 現 象 會 造 成 裂 縫 向 下 游 擴 展 的 速 度 會 越 來 越 快 。
三 、 當 橫 向 裂 縫 貫 穿 不 透 水 心 牆 時 ， 滲 流 量 會 突 然 上 升 ， 大 量 的 滲 流 水 經 由 滲 流 通 道 流 向 下 游 。
四 、 在 橫 向 裂 縫 發 展 的 過 程 中 ， 當 裂 縫 尚 未 形 成 貫 穿 心 層 之 滲 流 通 道 之 前 ， 滲 流 量 變 化 不 大 ， 因 此 即 使 壩 體 內 已 產 生 裂 縫 時 ， 實 際 滲 流 量 監 測 仍 難 以 判 斷 ； 但 壩 體 內 孔 隙 水 壓 分 佈 有 相 當 明 顯 的 改 變 ， 因 此 水 庫 監 測 項 目 之 中 ， 孔 隙 水 壓 的 監 測 較 能 明 確 掌 握 壩 體 內 橫 向 裂 縫 存 在 和 發 展 。
91
4.2.2 橫 向 裂 縫 滲 透 係 數 之 影 響
模 擬 項 目 ： 延 續 橫 向 裂 縫 之 探 討 。 裂 縫 之 發 展 應 該 會 是 一 邊 向 下 游 侵 蝕 ， 一 邊 向 四 周 擴 孔 ， 內 部 侵 蝕 持 續 發 展 ， 導 致 滲 流 通 道 尺 寸 逐 漸 擴 大 ， 造 成 大 壩 心 層 阻 璀 效 果 慢 慢 失 去 效 用 ； 本 項 模 擬 即 探 討 裂 縫 擴 大 後 ， 滲 透 係 數 上 升 ， 對 壩 體 即 滲 流 量 之 影 響 。
模 擬 方 式 ： 假 設 裂 縫 位 置 為 4. 1. 2. 1 節 之 裂 縫 一 ( 如 圖 4 . 5 裂 縫 一 )， 其 滲 透 係 數 由 原 本 心 層 之 滲 透 係 數 開 始 ， 逐 漸 增 加 ， 最 大 至 5 00 0 倍 之 心 層 滲 透 係 數 ， 以 探 討 裂 縫 滲 透 係 數 對 壩 體 的 變 化 情 形 。
當 壩 心 產 生 一 滲 流 通 道 之 後 ， 將 會 改 變 土 石 壩 內 部 滲 流 之 行 為 ， 並 且 隨 著 裂 縫 長 度 、 大 小 、 位 置 以 及 滲 透 係 數 等 因 素 變 化 ， 大 壩 孔 隙 水 壓 與 滲 透 水 量 都 會 受 到 影 響 。 模 擬 成 果 如 表 5 . 8 所 示 ， 圖 4 . 14 顯 示 橫 向 裂 縫 k 值 對 於 滲 流 比 之 影 響 。 當 代 表 裂 縫 通 道 的 滲 透 係 數 提 高 ， 滲 漏 量 則 會 增 加 ， 代 表 壩 體 阻 水 效 果 降 低； 從 變 化 量 改 變 而 言， k 值 為 心 層 滲 透 係 數 的 1 0 0 倍 以 內 ， 滲 流 量 變 化 幅 度 不 大 ， 僅 增 加 1 3 ％ ； 但 當 代 表 裂 縫 通 道 的 透 水 係 數 為 心 層 之 1 0 0 0 倍 以 上 之 後 ， 滲 流 量 則 大 幅 增 加 ， 心 層 已 形 同 失 去 其 功 用 ； 實 際 監 測 時 ， 滲 流 量 應 有 明 顯 增 加 之 情 形 ， 並 可 能 將 壩 體 細 料 帶 出 。
92
93
94
心 層 細 料 隨 滲 流 水 移 動 或 帶 出 ， 而 且 隨 著 水 力 坡 降 增 加 而 使 得 此 細 料 淘 空 的 現 象 更 加 明 顯 。 根 據 Ma rtine t a nd R e hb ind e r ( 19 99 )，並 配 合 本 研 究 之 數 值 模 擬 結 果 顯 示：壩 體 內 部 存 在 有 橫 向 裂 縫 時，水 力 坡 降 最 大 值 會 出 現 在 裂 縫 尖 端；並 且 裂 縫 越 長 ， 尖 端 的 水 力 坡 降 越 大 ， 代 表 會 有 更 大 的 滲 流 力 可 將 細 料 帶 動 ， 使 得 裂 縫 延 伸 的 速 度 會 越 快 。
當 裂 縫 產 生 位 置 較 高 時 (如 4 . 1.2. 1 節 橫 向 裂 縫 長 度 與 裂 縫 位 置 改 變 之 影 響 之 模 擬 結 果 ) ， 對 浸 潤 面 改 變 較 為 明 顯 ； 相 對 地 ， 裂 縫 產 生 位 置 較 低 的 裂 縫 二 ， 對 浸 潤 面 的 影 響 較 小 (如 圖 4. 1 5 所 示 )；此 外，裂 縫 長 度 越 長，對 浸 潤 面 的 影 響 也 越 大 ( 如 圖 4. 1 6 所 示 )。
( a ) 裂 縫 一 長 度 比 0 . 4 3 時 孔 隙 水 壓 分 佈
( b) 裂 縫 二 長 度 比 0 . 4 時 孔 隙 水 壓 分 佈 圖 4. 1 5 裂 縫 高 度 對 浸 潤 面 之 影 響
95
( a ) 裂 縫 一 長 度 比 0 . 4 3 時 孔 隙 水 壓 分 佈
( b) 裂 縫 一 長 度 比 0 . 7 1 時 孔 隙 水 壓 分 佈 圖 4. 1 6 裂 縫 長 度 對 浸 潤 面 之 影 響
96