水工構造物下游的岩盤沖刷特性

對於水工構造物下游的岩盤沖刷，有下列幾項影響因子需要考慮，

並針對各項詳細的說明：

1. 岩盤沖刷影響因子 2. 跌水沖刷特性 3. 岩盤沖刷破壞特性

2.2.1 岩盤沖刷影響因子

Martins(1973)及 Bollaert(2003)指出一般作用在大壩下游影響岩盤 沖刷深度之主要因素如下：

(1) 單寬流量(q)：總流量/攔河堰跨距；流量影響沖刷範圍、沖刷形狀 以及能量大小；單寬流量越大，水流能量越大。

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(2) 流速(V)：流速影響沖刷位置、跌水面積之擴散程度以及能量的大 小；流速越快，水流的能量越大。

(3) 跌水高度(H)：跌水高度越大表示流體速度越大，能量也越大。

(4) 入射角度(β)：角度影響水流進入尾水後的沖刷方向與沖刷範圍。

(5) 尾水高度(h)：對跌水之能量傳遞而言，尾水可視為一消能設施，

兩者之擾流導致能量消散，若尾水高度足夠則可能無能量傳遞至 岩盤；尾水高度越高，消能越多。

(6) 岩石性質：包含不連續面間距、不連續面位態、抗侵蝕能力、風 化程度及岩塊尺寸等；綜合上述資料可得到岩盤抗沖蝕能力，當 岩盤抗沖蝕能力越好，表示岩盤越不易被沖刷。

(7) 河床載：包含粒徑分佈、泥砂濃度、懸浮載與河床載比例、運移 速度及運移距離等。

(8) 流體中空氣含量：空氣含量影響能量在流體間之傳遞速度，進一 步影響岩體裂隙間之共振頻率。

2.2.2 跌水沖刷特性

攔河堰的沖刷與溢洪道沖刷最大的不同就是攔河堰的高差小，但 是攔河堰的沖刷會因為基礎的淘刷而演變成跌水的沖刷型態。

Bollaert(2003)利用圖 2- 4 來描述水庫溢洪道下方在高速水流沖擊 岩盤發生沖刷之過程。將岩盤沖刷分成下列六個步驟：

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圖 2- 4 水流衝擊引致之沖刷機制示意圖(Bollaert, 2003)

(1) 水流離開原始束制邊界，以自由落體方式向下運動，除水流周圍因 擴散及摩擦效應而使流速變慢外，水流中心大部份仍維持初始流 速。

(2) 水流投射進入尾水，以 2D 擴散方式在尾水內形成渦流，並將周 圍之空氣攜帶進入尾水中形成氣泡。

(3) 水流衝擊力量作用在岩盤表面。

(4) 水流衝擊力量在裂隙內部傳遞，由於裂隙內部的放大效應，使得

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裂隙延伸。

(5) 裂隙延伸並連通後形成獨立塊體，使岩塊底部與上方形成壓力差，

當向上作用力大於岩塊的水中重量時，岩塊向上運動並脫離原有 位置。

(6) 岩塊脫離原有位置後，透過水流的搬運向下游移動。

2.2.3 岩盤刷破壞特性

評估高速水流沖擊對岩體沖蝕之機制(Whipple et al., 2000)，可區 分為岩體表面之磨蝕、岩塊抽離以及穴蝕三種，其中磨蝕與穴蝕的影 響範圍較局部且速度也較慢，而岩塊抽離之影響範圍較大且顯而易見，

大規模的岩體沖刷作用均受岩塊抽離的影響為主。由觀察發現軟岩與 硬岩的差別在於塊體的大小，軟岩的節理間距比硬岩要小，因此軟岩 的塊體大小也相對較小，受水流衝擊容易被帶往下游。

岩塊抽離作用可依據岩體節理裂隙之發展情形不同，分成以下兩 種類型：

1. 若裂隙之發展尚未完全使岩塊與岩體脫離時，裂隙之波動壓力導 致裂隙增加，稱為水力破裂(Hydraulic jacking or Hydraulic

wedging)。Whipple et al.(2000)研究河道沖蝕時用以描述塊石沖擊 岩盤面對沖蝕之影響說明如圖 2- 5，認為過程中可能先需小裂縫 經水力推張擴大為破裂面，隨著河床顆粒逐漸地透過磨蝕作用沖

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蝕弱面，再加上物理或化學風化作用，讓弱面完全擴展連通，最 後終於導致獨立岩塊之鬆動、脫離。

2. 岩盤受力衝擊時，瞬時的高動量傳遞造成不均勻的應力作用，而 使得垂直向及水平向的裂隙逐漸延伸發展。Bollaert(2003)也以圖 2- 4 說明沖刷坑中水流沖擊引致之塊體抽離機制。

兩位學者說明塊體脫離之機制概念相當類似，但不同的是 Bollaert 強調高速水流沖擊下所造成的壓力波動效應。

圖 2- 5 岩床侵蝕的裂隙延伸機制示意圖(Whipple et al., 2000)

綜合前述的說明，攔河堰下游岩盤局部沖刷及沖刷坑形成具備下 列特性，且均與岩體之抗沖蝕能力及流況特性相關：

1. 軟岩材料弱化碎裂：水流帶來之反覆作用力或波動壓力，因放大 效應使得使材料內部裂隙發展並延伸。當裂隙連通後形成獨立塊 體，接著被水流帶至下游。

2. 河床顆粒之沖擊碎裂：相較於溢洪道，攔河堰之水流夾帶有顆粒

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大小不一的卵礫石，隨水流直接撞擊岩盤，當攔河堰下游側之水 深有限時，則對此撞擊力之消能作用有限，卵礫石撞擊岩盤之衝 擊效應更為重要。

3. 穴蝕：受到地形的影響，局部區域的流況變化造成水流衝擊或渦 流的現象所形成之孔洞沖蝕痕跡。

4. 水流能量：相較於溢洪道通水時間少且輸出能量較為均勻之條件，

攔河堰之水流能量有隨水文事件而依時間變化之特性。另外，由 於攔河堰多屬低矮形式，因此水流的水平分量也與溢洪道以垂直 分量為主的水流能量不同。