3 用於土石流防護的彈性柵欄
3.4 使用環網柵欄作為複層柵欄
3.4.2 多層結構的作用方式
複層結構體通常用於穩定和抬高渠道底部，藉此防止垂直沖蝕造成的河床深化現象。由於高 流速及其相關的高載荷傳輸速率，土石流沖擊沖蝕河床即導致洪水期間發生垂直沖蝕的現 象。當土石填充複層的結構體時，從流動方向來看，結構體後面會出現較小坡度（見4.5.3節 和4.6.4節）。此外，根據可用的擋土量 ，河床和土石流中的土石會被阻擋在結構體後面。
能量耗散有以下的原則：
WSL Berichte, Heft 44, 2016 3 用於土石流防護的彈性柵欄
藉由河床梯度減少能量耗散（見圖3.20）
在此情況下即出現從I > I 的過渡過程，流動深度
h
f l 小於臨界流動深度h
k r ，在此情況 下，土石流處於超臨界流量的狀態（Fr> 1）。若公式3.6的Is因為複層結構體的柵欄回水而變 得更小時，則流動深度會增加（ℎ > ℎ and > 0），因此，流速降低土石流的流動變得更 慢（參見圖3.20a）。因此，關於較小的河床梯度，能量流動線即變得較淺。可藉由減少河床梯度和隨後的水躍現象（從超臨界流量變成為亞臨界流量的過渡現象）即可 促成能量耗散（見圖3.20b）。
若在超臨界流量中的流動深度增到ℎ （較淺的河床坡度 ），會在梯度變化後產生水躍現 象，會從超臨界流量變為亞臨界流量。當能量流動線達到最小能量（見公式3.9）時，水躍期 間的消耗能量爲∆ 。出現水躍後，流動過程持續出現亞臨界流量（Fr <1）。
壩體溢流引起的能量耗散和可能的水躍現象（見圖3.20c）
若接近壩體的水流是次臨界流量（先前已因為梯度變化形成水躍現象），經土石流填充的柵 欄壩頂即會出現臨界流量
H
k r ）。在亞臨界流量中，上游即形成回水曲線。在壩體出現土石 流溢流時，流速即大幅增加，流動深度下降到ℎ ，仍持續出現超臨界流量。若梯度I 因為下 一個土石流填充柵欄再次變淺時，若ℎ 增加到ℎ ，則在壩體溢流後不久可能再次發生水躍現 象（參見b的過程），水躍 再次造成能量耗散。若接近壩體爲超臨界流量（ℎ < ℎ ）時，溢流的溪流其深度仍保持不變，自由噴霧［free spray］模式可算出並作為變化軌跡[34]，由於垂直下降效應較小，並無明顯的能量耗散現象，
只有在噴霧落入溪流中才會出現湍流，還可能造成沖蝕，此現象取決於溪流的衝擊強度，即 可藉此耗散少量的能量。
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3.4使用環網柵欄作為複層柵欄
圖3.20：a）在沒有水躍的超臨界流量中，其複層柵欄中的能量耗散原理，b）在超臨界流量中具有水 躍現象，及c）在壩體溢流掉落撞擊時。
複層柵欄中能量耗散的詳細的模型計算結果如本章末尾的第3.4.4節內容。
因此，複層結構體旨在藉由一系列的結構體梯度變化促成從超臨界到亞臨界流量的水躍現 象，然後，土石流在亞臨界流量中接近第一道柵欄壩體，在溢流口之前形成回水曲線（見圖 3.20c），溢流出現在超臨界流量中。若下一個柵欄的後續回水梯度夠淺的話，即再次形成水 躍現象，然後在出現下一次溢流之前即出現流量變化的現象，根據本模型，一系列的流量變 化和能量跳躍現象會延伸到最後一個結構體。
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3 用於土石流防護的彈性柵欄
複層結構體的另一個目的是串聯幾個結構體，藉此增加擋土空間，當然，在此情況下即假設 具有連續排空的結構體設計。
3.4.3Merdenson村的實例
Merdenson村（即瓦萊州的Vollege市）被選為複層柵欄的測試場地，如圖Illgraben地區（見第4 章），Merdenson村是瑞士阿爾卑斯山脈中最活躍的土石流渠道之一，因此，這是研究小型垂 直落差效應及柵欄物長期特性的理想地點。
在2006年12月，從市政府和州政府取得所有的許可證，進行3個柵欄的串聯安裝（見圖3.21，
左）。關於計畫、地點、工程和場地安全更多的相關資訊，可參考Merdenson安全指南[115]。
在開始施工開始前即精確測量渠道，便於藉由另一個後續的測量算出土石流事件的精確擋土 量（另見4.5.3節）。
在2007年1月1日，這些柵欄即被土石流所填滿，在2007年3月3日又發生更大的土石流時間，
圖片顯示3月5日檢查期間的土石流填充狀況（見圖3.21，右圖），對兩次測量其擋土量的分析 中，即測得近800立方米的殘留土石（見圖3.22）。
圖3.21：未填滿（左）和填滿（右）土石在Merdenson所安裝的3個固定網
在柵欄安裝前的渠道坡度平均值從Is = 20％變為I's≈13％，由於從重力牆到第一網的距離很短，
渠道在頂部柵欄（柵欄1）後面更陡。需選定很小的距離，藉此保護重力牆的牆腳不受沖刷所 影響（見圖3.24），因此，這裡不能形成自由流動的回水河床位置，在此處的渠道更陡峭，幾 乎可達25％，因為重力牆上的溢流讓土石流動減速，由於回水對下一道柵欄會造成影響，即 沉積更多的土石（見圖3.23），有關河床位置的分析，請參閱第4.6.4節。
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3.4 使用環網柵欄作為複層柵欄
圖3.22：Merdenson的3D地形模型，其中3個柵欄處於未填滿（左）和填滿（右）土石的狀態。
圖3.23：安裝柵欄隔離之前和之後Merdenson村縱向剖面圖。
柵欄1
關於頂部柵欄，在渠道中安裝VX柵欄（無支撐柱），上支撐繩的跨距為15米，柵欄高度為3.8 米，Merdenson複層結構體的目標之一是保護現有混凝土柵欄的底部，避免受到進一步的沖 蝕，圖3.24顯示左側安裝網柵欄1之前的狀態及右側背景中具有填充柵欄和混凝土牆的相關狀 態。
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3 用於土石流防護的彈性柵欄
圖3.24：已淘汰的舊有混凝土柵欄（左）和填充柵欄1作為舊有混凝土柵欄的防沖刷措施（右）。
此固定網可達成現有混凝土牆的沖刷防護目標，顯示藉由彈性柵欄可達成土石流的擋土功 能，例如，可使用環網柵欄來穩定河床，可藉由水利工程中的傾度變化和沖刷防護措施來減 少渠道中的土石流沖刷能量。
在土石填充過程前的上支撐繩高度為4.5m，其基底開口為0.7m，在土石流填充過程之後，柵 欄h'b邊緣的最低點為3.2米（見圖3.25）。
柵欄2
在此處安裝UX型系統，在其中間有1支支撐柱，頂部長度約18米，高度為3.3米，此柵欄也被 土石流完全填滿（見圖3.26）。柵欄2的形狀在最初的流動方向上略呈微傾狀，證明在環網沖 蝕防護產生的溢流頂部發揮有利的作用（也見7.3.6節）。
柵欄2基礎開口的初始高度hb為3.6米，由於土石流的填充過程，在2.6米的剩餘高度出現穩定 狀態（見圖3.27），關於剩餘高度的計算方法可參考第4.6.4節。
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3.4 使用環網柵欄作為複層柵欄
圖3.25：填充柵欄1固定網邊緣的錨座位置比較。水平線顯示上支撐繩的位置，圖例：Netzpunkte = 固 定網上緣位置點；Anker =錨點； Hohe Netzpunkte = 固定網邊緣高度；Netzlange = 沿固定網的位置。
圖3.26：填充柵欄2（左側）及其溢流頂部（右側）。
柵欄3
安裝的類型是VX系統，如第一道柵欄；上支撐繩的長度為13.5米，柵欄高度為2.9米，柵欄3的 土石填充狀態如圖3.21。
上支撐繩的鐵絲在渠道床上方約3米處，在土石填充後，柵欄退至2.2m的剩餘高度h'b（參見圖 3.28）。
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3 用於土石流防護的彈性柵欄
圖3.27：填充柵欄2固定網邊緣的錨座位置比較。水平線顯示上支撐繩的位置，圖例：Netzoberkante = 固定網上緣； Anker = 錨座； Rohe Netzpunkte = 固定網邊緣位置點的高度； Netzlange = 沿着固定網的 位置。
圖3.28：填充柵欄3固定網邊緣的錨座位置比較。水平線顯示上支撐繩的位置，圖例：Netzoberkante = 固定網上緣； Anker = 錨座； Rohe Netzpunkte = 固定網邊緣位置點的高度； Netzlange = 沿着固定網的 位置。
概述
第一個由彈性柵欄組成的複層結構體已在瓦萊州成功裝設並爲土石流所填補，WSL現在正進 一步研究分析這種填充柵欄的長期特性，本論文並未對此類的長期特性進行評估。
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3.4使用環網柵欄作為複層柵欄
此外，Merdenson的複層柵欄施工計畫也在渠道中發揮實際的作用，可用於防護現有的混凝土 柵欄，避免讓柵欄1遭受進一步的沖蝕，土石流通過混凝土柵欄損失大部份的能量，因此，對 第一道柵欄和隨後的柵欄多或少弱化其衝擊力道，可藉由柵欄支撐繩中的制動元件來確定此 效果，這些制動元件僅被稍微啟動，因此，在後續的長期研究發現到柵欄仍具有高承載能 力。此外，此計畫也顯示帶有環網的複層結構體原理既可作為較大體積的防護措施，也可用 作土石流填充時的小型垂降緩衝設施。