4.3 節理式光纖光柵偏斜儀於湖山水庫與義興電廠監測之使用
4.3.2 義興電廠案例：
在義興電廠案例中，採用全自動光纖監測系統來擷取數據，
FBG-SD埋設深度為 30m，圖 4.42為光纖感測系統安裝配置圖及控制 機房位置。現場安裝於 2007 年 6 月 28 日完成。圖 4.43為所測讀數為 2007 年 6 月 28 日至 9 月 7 日之數據，其中 8 月 6 日至 8 月 10 日有 帕布颱風暨梧提颱風；8 月 16 日至 8 月 21 日有有聖帕颱風，山區降 雨量非常大。在此監測期間FBG-SD與測傾管都一致的顯示有地層移 動的現像，最大位移發生在8m左右之深度，但FBG-SD所顯示之移動 量稍大。
綜合上述湖山水庫及義興電廠案例成果，在湖山水庫案例中，顯 示FBG-SD 在量測趨勢上與測傾管一致，但定量方面誤差較大。事後 分析結果發現先前所使用FBG 黏貼方法並不理想，而造成量測數據 飄移的現像。因此本團隊自該計畫劃後，重新修改FBG-SD 之製作材 料與黏貼過程。義興電廠既使用修改過後之 FBG-SD，結果顯示經過 修改後FBG-SD 之功能已明顯改善。FBG-SD 為置入型現地監測儀 器，只要訊號線沒有受地層移動而剪斷，既能持續獲得地層移動資料。
控制
光 纖
圖 4.42 義興電廠邊坡暨有傾斜孔與光纖感測器裝設位置示意圖
-10 -5 Displacement, mm0 5 10
Depth, m
06/28~07/07
Up Slope Down Slope
圖4.43 傾斜管與光纖讀數分析結果圖(06/28-09/07)
材料直徑的0.375 倍，實驗儀器可能存在邊界效應(Boundary Effect)；
又，剪力弱帶的模擬可能較適用於軟弱帶發生薄剪行為，對於土層中 產生剪應漸變的剪力帶可能較不適用。
基於上述問題，實驗室標定儀器仍有改進空間，本團隊於本年度 計畫中研發一更接近現地條件之試驗儀器，用以適當探討材料互制與 剪力弱帶所造成影響。
4.4.1 TDR錯動變形監測原理
時域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR）是一種以電磁波 進行監測及探查的方法，基本原理與雷達(Radar)相似，但 TDR 之電 磁波局限在一維之傳輸線系統中發送與接收。根據 TDR 量測系統與 傳輸纜線的特性可知，TDR 製波器發出之脈衝訊號在遇到斷面材質 不同(即纜線阻抗不連續)或幾何形狀不同時會產生反射訊號，因此可 利用此原理來監測土體變形。首先必須在所要量測變形的土體上鑽 孔，放入同軸纜線，然後用水泥漿填塞，使纜線、灌漿材料與土體緊 密接合。隨著土體變形將應力傳至灌漿材料再傳給同軸纜線使之發生 斷面破壞，當土體變形增加，TDR 反射之波形亦會隨之增加。
當同軸纜線安裝完成後，利用TDR發射一電壓脈衝送至纜線下 方，至纜線底部反射回來，而其間所遭遇受剪、受張等情況使同軸線
產生缺陷(幾何形狀之改變)，便輸出於示波器上。如圖 4.44所示，由 TDR產生電磁波經同軸纜線至變形感測纜線時，即於接頭位置產生一 起點反射，而於TDR之波形上顯現一凸起之反射波形；電磁波繼續前 進當遇到凹痕時，又產生一反射訊號，而於TDR之波形上顯現一向下 凹之反射波形；當電磁波至纜線之末端時，即產生一終點反射，於TDR 之波形上顯示上揚之反射波形。因電纜的波傳速度已知，由因纜線凹 痕引起的反射訊號之時間，可以得知滑動深度，反射訊號之大小會隨 著錯動變形量增加而增加。
目前許多研究指出，變形的大小不僅可量化，且在某些例子中，
我們亦能分辨其為剪力或張力變形，甚至可經由室內標定方法，找出 量化剪動量的經驗公式，如圖4.45、式(4.1)及式(4.2)所示 (Su, 1987)。
圖4.44 TDR 變形監測之反射訊號與原理(盧吉勇, 2003)
圖 4.45 典型外部位移與纜線反射尖峰關係(Lin and Tang, 2006)
2
R p
V T x=
(4.1)
0 k
ea p /S) (
ρ δ
δ
= + (4.2)其中x 為剪動位置，Vp為電磁波於纜線中之傳遞速度，TR為接收 到反射尖峰所需走時；δ為外部位移量，ρpeak 為反射係數峰值，S 為纜線本身的靈敏度；δ0為使 TDR 波形產生初始反應所需之啟動位 移 量 ， 經 由 一 次 線 性 迴 歸 求 得 ， 定 義 為 迴 歸 門 檻 值(Regression Threshold Value)。
4.4.2 TDR受剪物理模型設計
前期研究曾在寶二水庫（國立交通大學防災中心，民國 91 年）
及湖山水庫（國立交通大學防災中心，民國 94 年）的邊坡進行TDR
錯動變形監測的現地測試，所使用之感測纜線與回填灌漿方法不同，
所得到之反應亦不同，有必要進一步探討TDR反應與地層位移關係之 影響因子，並提出TDR錯動變形安裝與資料分析的準則。由過去實測 經驗及文獻回顧可綜合歸納有關TDR錯動變形量化之影響因子有：(1) 纜線電阻;(2)纜線-灌漿材-地層材料互制;(3)剪力弱帶等三項因子。前 期研究已針對上述因子進行初步探討並提出修正纜線電阻的方法，為 了解現地複雜的剪動機制及纜線-灌漿材-地層材料互制行為，本研究 設計一套可適當模擬現地纜線-灌漿材料-現地材料(Cable-grout-soil) 複合材料之物理模型:大型直剪儀，並考慮應力影響邊界與不同土壤 勁度等，試圖於實驗室模擬現地邊坡滑動時TDR反射訊號之變化，以 利TDR錯動變形監測資料之判釋。模型之主要設計概念如圖 4.46所 示。
一般的單向度剪力設備在上、下剪力盒剪動過程中會有實驗材料 外洩之情形，造成試驗結果與理論有所誤差。為解決上述問題，本試 驗儀器將裝設擋版防止實驗材料因剪動過程中外流，並於剪力盒上盒 裝設導輪，使剪力盒只有一個方向的自由度，整個大型直剪儀設計架 構與各元件示意圖如圖4.47與圖 4.48所示。
試驗資料之擷取系統主要由TDR 1502C 製波器以 RS-232 連接 筆記型電腦並配合交大撰寫的波形擷取程式將TDR 反射波形紀錄；
另外，以Load cell 及位移計(LVDT)紀錄試驗時所加載的水平剪力、
圍壓應力與剪力盒位移量。
圖4.46 模擬現地邊界條件概念示意圖(改自 Lin and Tang, 2006)
圖4.47 大型直剪儀設計架構圖
圖4.48 大型直剪儀各元件示意圖
各試驗設備之詳細規格如下所述：
1.剪力盒：為充分模擬現地纜線受剪情況，避免實驗的邊界效應
(Boundary Effect)，需考量纜線受剪時之影響長度與受剪力之影響區 域。剪力盒尺寸大小說明如下：
(a) 纜線受剪時之影響長度：Juran( 1986)提出土釘(Soil nail)埋設 於邊坡時，錨釘受剪時之影響長度為L0(如圖 4.49)，其計算式如式(4.3) 所示。
4 E=75000 kPa(Dowding,et.al.,2004)，砂土之地盤反力係數 ks=24430 KN/m3(Reese, 1983)，計算式如下：
由圖4.49所考慮纜線受剪之影響範圍 3 倍L0為27 cm，為求保守，本 試驗所設計之剪力盒總長度為50 cm。
(b) 受剪力之影響區域：以Boussinesq (1885)所提出圓形應力增量 概念，視應力主要影響範圍為兩倍基礎寬度。因此，剪力盒尺寸大小 將以此概念進行設計，其考慮灌漿材料受剪之影響寬度如圖4.50所 示，於剪力面上灌漿體受剪之單位寬度為B(即水泥漿-纜線複合材之 直徑)，其應力影響範圍以兩倍寬度(2B)計算，剪力盒詳細尺寸如圖 4.51所示。
圖4.50 剪力盒所考慮影響範圍示意圖
圖4.51 剪力盒詳圖
2. 剪力及圍壓應力設備：大型直剪儀所使用之傳力設備(剪力及
圍壓)為日本MASADA JACK二段式油壓千斤頂，如圖 4.54(a) 所示。最大揚程為180 mm，最大剪動力可達 10 ton，但由於 本實驗配置將油壓千斤頂採水平向裝置，預估其最大剪動力 將折減為5 ton。
3. 資料擷取設備：大型直剪儀試驗資料擷取系統主要由 TDR
1502C 製波器以 RS-232 連接埠連接筆記型電腦並配合本研 究團隊研發撰寫的波形擷取程式紀錄TDR 反射波形。另外亦 以傳統load cell 及位移計(LVDT)紀錄試驗時加載水平剪力、
圍壓應力與剪力盒位移量，各元件功能與規格詳述如下：
(a) TDR 反射儀
本研究所使用TDR反射儀為Tektronix TDR 1502C，重量 約8.96 kg，攜帶方便且具防水功能，可量測最大距離約 612
公尺(2000 英呎)，輸出阻抗為 50 歐姆(Ω)，最大解析度 (Resolution)為 0.00122 公尺(0.004 英呎)，可使用的溫度範圍 從-10℃至55℃。實體照片與操作介面說明如圖4.52所示。
圖4.52 Tektronix 1502C (a)實體照片(b)操作介面說明(摘自 Tektronix 1502C Service Manual)
(b) 筆記型電腦
利用筆記型電腦透過本研究團隊自行研發撰寫的程式 控制TDR 1502C 紀錄 TDR 反射訊號，試驗時設定適當參數 使量測空間解析度為0.4 cm。
(c) 應力計(load cell)
load cell 為美國FUTEK公司MODEL LCF450 型，實體 如圖4.54(b)，重約 1.6 kg，屬輕巧型，其可感測最大能力
(capacity)為 4534 kg (10000 lb) ,可使用溫度範圍從-50℃至93
℃。
(d) 位移計(LVDT)
一般表頭式位移尺與常見LVDT位移行程約 150 mm以 內，為配合本研究所研發大型直剪儀需求，選擇最大位移行 程為200 mm，義大利製GEFRAN-LT-M-0200-S位移計，如圖 4.54(c)所示。
(e) 顯示器
顯示器紀錄實驗過程所施加水平剪力、剪力盒位移與側 向圍壓應力，選擇高精度的AM5H-A顯示器，精確度可達±
0.1%滿刻度(full scale)，可量測交、直流電壓/電流等多種信 號，數值顯示範圍達5 位數，具自動歸零與警報功能且穩定 性高。顯示器實體如圖4.54(d)所示。
4. 傳輸纜線
市面上纜線種類繁多，導體材質、直徑大小與衰減特性皆有 所不同。本試驗以一般常見同軸纜線(Coaxial Cable)為傳輸纜線，
其構造由內至外分別為內導體、絕緣介質、外導體與最外層絕緣 保護層，同軸纜線為良好導波器(waveguide)，可將電磁波束制其 中並防止電磁波外漏。以常使用於TDR監測應用的CommScope公
司生產的P3 系列為例，同軸纜線剖面示意圖如圖 4.53所示。
圖4.53 P3 系列同軸纜線剖面示意圖(摘自 CommScope User Manual)
(a) (c)
(b) (d) 圖 4.54 (a)傳力設備-油壓千斤頂 (b) Load cell (c) 位移計
(LVDT) (d) Load cell 與位移計輸出顯示器(正、背面)
利用上述各個元件可組裝成一大型直剪儀，各個元件與配置之實 際照片說明如圖4.55。最後，將大型直剪儀固定於一台車，提供施作 試驗時儀器搬運便利性與機動性。
圖 4.55 大型直剪儀元件說明
4.4.3 率定試驗規劃
率定試驗主要欲透過室內物理模去了解土壤-纜線-灌漿材料三 者受剪時之互制行為，並找出一適用於軟弱土壤監測之纜線，提昇地 層滑動感應的靈敏度；探討灌漿是否有效地將地滑趨動力傳給纜線，
提出現地安裝適當的灌漿方式；以相同纜線置於不同勁度之土壤下，
探討纜線之靈敏度以利進一步量化分析。
茲將上述所探討之因子進行試驗規劃如下列所述並整理如 圖 4.56所示。
1. 試驗變因規劃：
(a) 傳輸纜線種類(Cable Type)：邊坡滑動監測所使用之同軸纜線 直徑從 7.2mm至 22mm不等，阻抗以 50 或 75(Ω)歐姆為主，主要不 同處為纜線之外導體分有軟性(Braided)與硬性(Solid)兩類。本試驗所 使用之纜線種類為CommScope之P3-500 系列(硬性纜線)、QR-320(硬 性纜線)與RG-8(軟性纜線)三種纜線(如圖 4.57)，纜線種類之特性如表 4.3所示。三種纜線除了直徑不一外，外導體亦有軟性(Braided)與硬性 (Solid)之分.；此外，硬性纜線之外導體又分為有、無塑膠披覆。進行
(a) 傳輸纜線種類(Cable Type)：邊坡滑動監測所使用之同軸纜線 直徑從 7.2mm至 22mm不等，阻抗以 50 或 75(Ω)歐姆為主，主要不 同處為纜線之外導體分有軟性(Braided)與硬性(Solid)兩類。本試驗所 使用之纜線種類為CommScope之P3-500 系列(硬性纜線)、QR-320(硬 性纜線)與RG-8(軟性纜線)三種纜線(如圖 4.57)，纜線種類之特性如表 4.3所示。三種纜線除了直徑不一外，外導體亦有軟性(Braided)與硬性 (Solid)之分.；此外，硬性纜線之外導體又分為有、無塑膠披覆。進行