第三章 研究方法與規劃
3.3 研究案例模擬之策略與規劃
3.3.1 新山壩滲漏問題
康詩凰(2011)曾以新山壩之滲漏水問題為範例，示範和弦搜尋法結合地 工分析軟體於大地工程反算分析之運用。本論文亦借用同一問題，來展示 經本研究改善後的和弦搜尋法之功效。以下摘錄康詩凰(2011)對該案例背景 之整理與簡介。
3.3.1.1 背景
新山壩於民國 69 年完工，建於基隆市安樂區，為單一供應基隆與汐止 地區用水，於民國 87 年完成壩體加高工程，集水面積為 1.6 平方公里，壩 高 51m 加高至 66m，壩軸最長為 262m，壩頂標高由 EL.75m 升至 EL.90m，
主要期望蓄水量可由 400 萬噸增加為 1000 萬噸。圖 3-9 為新山水庫俯視圖。
圖 3.7 為新山壩 Sta.0+195.29 橫斷面圖，紅框為築高段。
圖 3-9 新山水庫俯視圖(Google 地球)
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圖 3-10 新山大壩 Sta.0+195.29 橫斷面圖(改繪自 國立交通大學，2010) 由圖 3-10 可看出，加高部分直接築於原有的壩體上，致使心層為傾斜 設計，濾層也隨之變成特別的ㄑ型，因此，新山壩為一典型不對稱型土石 壩。陳冠亨(2006)蒐集國內、外關於土石壩破壞案例或文獻做整理，主要有 壩頂溢流造成壩體侵蝕、管湧或滲漏造成之壩體侵蝕或集中滲流、邊坡滑 動、地震、沉陷…等破壞模式，由此可知壩體滲漏問題對土石壩穩定有其 重要性。此外，由國立交通大學(2010)報告指出，整理新山水庫過去滲漏文 獻，並施作非破壞性檢測資料與數值模擬的結果做整合推估，壩面異常滲 漏可能因壩體內存在特定滲流路徑或受限於濾層排水效能等情形而生，以 致新山壩目前最高庫水位仍停留在 EL.83m 左右。因此，本研究選用新山壩 為滲流分析研究對象。
考慮 FLAC 為二維數值分析軟體，需要選擇新山壩其中之一斷面為研 究滲流分析與建模參考圖使用。先參考圖 3-11 為新山壩俯視圖，其中紅色 數字為水位觀測井長期監測之水位資料；黃色區塊表示有長期蒐集到滲漏 水之位置；藍色箭頭方向表示壩體水流方向，且幾乎與壩軸成垂直關係。
另由紅色箭頭所指的 Sta.0k+170.68 表示此斷面附近之壩體，如圖 3-12 示，
對照出此斷面平台出水高程為 EL.46m，明顯高於由水位觀測井(L1、L2、
L3)繪製之浸潤面高程。
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圖 3-11 新山壩俯視圖(改繪自 國立交通大學，2010)
圖 3-12 新山壩 Sta.0k+170m 斷面圖(改繪自 國立交通大學，2010) 然而，再考慮圖 3-11 上所標誌之紅色圓圈，因平台左右高差關係，D4 量水堰所蒐集到之平台滲出水為壩體左側，即 Sta.0k+170m 附近之出滲水，
其排除降雨影響之長期監測資料如圖 3-13，庫水位 EL.82m 時之滲水量約 0.5CMD。圖 3-14(D1 為加高前；D2 為加高後；括弧內之人工，表示監測 數據以人工方式量測)總壩體滲水量與庫水位關係圖，一樣為排除降雨影響 之長期監測資料，其中庫水位接近 82m 有幾筆數據接近 0 或超過 350 CMD，
應屬人為擷取數據之誤差。
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圖 3-15 新山水庫滲漏位置圖(陳冠亨，2006)
選用新山壩 Sta.0+170m 作為研究模擬對象原因說明如下：
1. 有詳細設計圖可供 FLAC 建模使用；
2. 平台處有異常滲出水現象，與長期監測數據；
3. 在此斷面附近 5m 內有 3 孔水位觀測井之水位資料可供參考；
4. 此斷面雖然不是新山壩最大斷面，不過仍屬於次大之斷面，可足以用來 表示此壩體內部幾何關係。
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圖 3-16為新山壩斷面各材料透水係數分布圖，由國立交通大學(2010)參考 自Peng 等人(2008)之底圖與中興工程顧問股份有限公司（2008）之壩材透 水係數來源(經透水試驗獲得)，其中括弧參考自捷儀工程顧問(股)公司
（2004）之工程地質鑽探報告書之試驗結果。
圖 3-16 新山壩斷面各材料透水係數分布圖(單位:cm/sec) (國立交通大學，2010)
因此，FLAC 網格建模參考新山壩 Sta.0+170m 去設計；材料參數使用 參考國立交通大學(2010)數值模擬之參數，並以總壩體滲流量逆推各材料滲 透係數；此外，考慮壩體內部可能存有高透水通道，其透水係數參考國立 交通大學(2010)示蹤劑施放結果 (1.6×10-2 ~ 5.4×10-2 cm/sec)；並考慮示蹤劑 施放當時之庫水位監測數據為 EL.82m，因此以庫水位 EL.82m 作為上游殼 層之邊界，而下游壩趾出水處也施加 4 m 高之水位，以造成水壓差；本研 究不考慮庫水位急速升降情形，因此以水壓變化與時間無關之穩態模式進 行滲流分析。FLAC 初步建模與各材料透水係數如圖 3-17；飽和度與網格
Fa
Fb
Fc
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k=3.60×10-4 fracture k=3.50×10-2
55 Sta.0+170m EL.82m 6.629×10-6 114.55
※總滲流量(m3/day)＝單位長度滲流量(m3/sec/m)×土壩平均總長度 在第 183 次(N_search=183)，該次目標函數值(fmin._obj)為 0.0072499。目標 因子總壩體滲流量(HM_Q)為 129.1 CMD，總水頭之目標因子 th1 最佳值為 51.17 m，水頭之目標因子 th2 最佳值為 47.9m 水頭之目標因子 th3 最佳值為 44.19m，與目標值 43m 差 2m 內，結果標示於圖 3-20 之飽和度圖上。此外，
將搜尋之最佳待定變數值標示於圖 3-21 壩材分布圖中。
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圖 3-20 新山壩漸進式之 HM 最佳搜尋結果之飽和度圖
圖 3-21 新山壩漸進式之 HM 最佳搜尋結果之壩材變數圖
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新山壩之幾何形狀與演算法所需相關參數如下(摘自康詩凰 2011)：
假設於變化段內，由上游往下游方向隨機產生漸進式之起始變化位置，
再 隨 機 產 生 數 段 不 同 透 水 係 數 之 壩 材 ， 如 圖 3-22 ， 其 中 已 知、
_ 2 10 2 / sec
kh end cm 、kv_end 5 103cm/ sec。
圖 3-22 水平濾層之透水係數漸進式示意圖 1. 待定變數(5 個)
(1) 變化段上游起始位置：cut end_ 。
(2) 變化段上游起始垂直透水係數：kv_head 。 (3) 變化段上游起始水平透水係數：kh_head 。 (4) 變化段垂直透水係數之次數：n k_ v。 (5) 變化段水平透水係數之次數：n k_ h。
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(2) 三個水位觀測井之總水頭(m)：th1_HM、th2 _HM 、th3 _HM ，
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th obs 、th2 _obs48.5、th3 _obs43。 4. 參數設定
表 5.7 新山壩漸進式之參數設定
HMS HMCR PAR bw Q th1 th2 th3 10 0.6 0.7 1 0.5 2 3 2 5. 終止條件
(1)最大迭代次數 N_maxsearch =200。
(2)先滿足140Q HM_ 100、51.5th1_HM 54.5、47.5th2 _HM 49.5與
41th3 _HM 45後，才判斷是否滿足 fobj NewH_ fobj HM_ 104。
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