第四章 試驗結果與討論
4.1. TDR 沖刷量測效能評估與影響因子探討
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 代包膜銅線。
3. 鋼索試驗經改變尺寸比例結果，選擇靈敏度最佳之組合進行現地感 測器施作。
4. 回填料選擇採用粒徑小之南湖細砂，以增加感測靈敏度。
圖 4.1-19 現地所採用之感測器型式
4.2. TDR 沖刷分析方法驗證
4.2.1 無絕緣感測器之 TDR 全走時分析
為了確認本研究建立之全走時分析法可行性，本研究初步利用無絕緣 之鋼棒製成感測器進行量測，分別進行不同水位量測及不同淤積土層厚度 量測。淤積土採用南湖砂，基於其基本物性試驗結果，得到南湖砂之土壤
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predicted water level (cm)
measured water level (cm)
1:1 measured +5%
-5%
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real sand thickness(m)
1:1 tr1
tr2 tr3
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real water level (m)
1:1
real waterlevel (m)
1:1 n=1 n=1/2 n=-1
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predicted sand thickness(m)
n=1+tr1
predicted sand thickness(m)
n=1+tr1 n=1+tr2 1:1
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real sand thickness(m)
1:1
real sand thickness(m)
SS=0.5 SS=0.1
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real sand thickness(m)
1:1
real sand thickness(m)
SS=0.5 SS=0.13
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real sand thickness(m)
1:1 SS=0.5 SS=0.7
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圖 4.2-11 走時演算示意圖
圖 4.2-12 感測器之空氣速度
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0.00E+00 1.00E-09 2.00E-09 3.00E-09 4.00E-09 5.00E-09 6.00E-09 7.00E-09 8.00E-09 9.00E-09
La
ta
Va=2.10E+08 m/s (εam=2.03 )
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圖 4.2-13 感測器之純水速度
圖 4.2-14 感測器之土水混合速度
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圖 4.3-1 現地安裝流程圖
4.3.2 現地施工狀況
東勢大橋現地施工狀況表 4.3-1、表 4.3-2 及
表 4.3-3 所示，由於現地靠近橋台附近之地底狀況不一，因此施工過程 經過些許變更如圖 4.3-3 及圖 4.3-4，僅 P7 上游側依原始規劃進行安裝。
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表 4.3-1 P7 上游側現地施工狀況
置入感測器 鋼鎖固定於橋台側邊
外加鐵管施工過程 訊號線與感測器對接
感測器施工完成
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表 4.3-2 P7 下游側現地施工狀況
置入感測器 回填砂
套管完全拔除，回填剩餘的部份 外加鐵管
橋臺固定 感測器施工完成
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表 4.3-3 P3 下游側現地施工狀況
整地完成貌 鑽孔
感測器埋設 加砂
橋台固定 感測器施工完成
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圖 4.3-2 TDR 橋墩沖刷監測系統示意圖(P7 上游側)
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圖 4.3-3 P7 下游側(TDR 橋墩沖刷監測系統示意圖)
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圖 4.3-4 P3 下游側(TDR 橋墩沖刷監測系統示意圖)
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表 4.3-4 現地標定結果
p3 situ (m/s) p7 situ (m/s)
(6/11)
10.2m 水 10m 砂 Va 1.71E+08 3.09 (6/9)
10.6m 水 10m 砂 Va 1.71E+08 3.09 (7/11)
10.1m 水 9.6m 砂 Vw 8.04E+07 13.89 (7/6)
10m 水 9.1m 砂 Vw 8.54E+07 12.31 Vs 9.94E+07 9.09 Vs 1.00E+08 8.91
圖 4.3-5 現地 P7 波型示意圖
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圖 4.3-6 現地 P3 波型示意圖
316 317 318 319 320 321 322
7月31日 8月5日 8月10日 8月15日 8月20日 8月25日 8月30日 9月4日
水位 高 程
日期 TDR水位高程
雷達水位計水位高程
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圖 4.3-7 東勢 P7 現地資料
315 316 317 318 319
7月31日 8月5日 8月10日 8月15日 8月20日 8月25日 8月30日 9月4日
土水面高 程
Calibration by Velocity Formulation(p7) 日期 水壓計計算
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圖 4.3-8 東勢 P3 現地資料 318
319 320 321 322
8月30日 9月4日 9月9日 9月14日 9月19日 9月24日 9月29日 10月4日
水位高程
日期 TDR水位高程
318 319 320 321 322
8月30日 9月4日 9月9日 9月14日 9月19日 9月24日 9月29日 10月4日
土水面高程
日期 Calibration by Velocity Formulation(p3)
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(1) 本研究提出之全波形走時配合混合模型（mixing model），可快速建置 各種配置，並可考量水溫影響，但本研究之實驗過程僅透過空氣及水
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3. 感測器建議可朝修正靈敏度進行著手，例如透過烤漆之方式取代絕緣皮 的方式。
4. 感測器的安設之耐用性尚有進步之空間，因此安設前詳細的規劃仍是一 個重要的環節。例如現地預裝設點的實際地底下狀況、感測器外之保護 罩的設計、感測器整體的防雨水淋濕之設計...等。
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[3] 經濟部水利署水利規劃試驗所（2003~2005），河道深槽沖淤量測及預 測模擬變化潛勢評估，執行單位中興大學土木系。 Reflectometry to Detect Bridge Scour and Monitor Pier Movement.”
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[19] Campbell Scientific, Inc.,(2000),TDR100 Instruction Manual.
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附錄一 各元件樣式
元件 1.錨錠段使用鋼筋 元件 2.砂與混凝土阻隔泡棉
元件 3.感測器置中器 內外導體底部灌膠防水
內外導體綑綁 鋼索於橋墩側身固定器
感測器整體樣式