自動化埋入式感測

1 自動化測讀磁性滑動環（Lagasse et al. 1997）

基本原理與人工測讀磁性滑動環相同，但經過改良（Lagasse et al.

1997）利用串連的磁簧開關（Magnetic reed switches）於鋼管內感測磁 性滑動環的位置，如圖 2.2-3 所示。自動化測讀磁性滑動環可避免使用 延伸至橋台的直立鋼管，且可以進行遠端自動化量測，但同樣無法量測 回淤深度。

2 埋入式無線電波漂浮裝置（Suzuki and Shimaura 2000）

屬於埋入式感測元件的方法，主要原理是利用具無線電發射功能之 小型訊號器，將之事先埋於河道中。在埋置靜止時不會發出信號，表示 該位置尚未受洪水沖刷，但某些浮體經河水沖刷浮出後，內建機械裝置 觸動體內發報系統，送出無線電密碼，由接受器接收後予以解碼、傳輸，

進而辨識出河床之沖刷深度，如圖 2.2-4 所示。此種方法的缺點是空間 解析度粗略，且電池電源一段時間後必須更換。

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光纖光柵（fiber Bragg gratting）為一種光纖式的應變感應技術，具 有不受電磁波干擾與單一光纖可利用波長多工化佈設多個量測點的優

5 電極法（Suzuki and Shimaura 2000）

屬於埋入式感測桿，其原理是利用三組電極分別量測於河水中的電

~ 12 ~ 以作為判別是否有水流經過之依據。

7 振動感應式(林宜清，2009)

感應元件內部裝設壓電材料，如圖 2.2-9(a)所示，經由力學振動產 生電壓訊號，於橋面板上之訊號線收集盒連接上訊號擷取及傳輸單元，

即可在橋梁外進行各感應元件之沖刷訊號監測，如圖 2.2-9(b)。可以監 測洪流來時橋墩瞬間遭受最大沖刷深度及洪流消退後之回淤高度。由於 裝設儀器時因鑽孔機取出套管時需先封管，因此訊號線須先行截斷後，

於套管取出後再行續接，此訊號線接點即成為水流來臨時之弱點。

圖 2.2-3 自動化測讀磁性滑動環示意圖（Lagasse et al. 1997）

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圖 2.2-4 埋入式無線電波漂浮裝置示意圖（Suzuki and Shimaura 2000）

圖 2.2-5 壓電薄膜示意圖（Lagasse et al. 1997）

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圖 2.2-6 兩種 FBG 沖刷感測形式示意圖(a)懸臂樑式(b)埋入式光纖光 柵感測元件（Lin et al. 2005; Lin et al. 2006）

圖 2.2-7 電極法示意圖（Suzuki and Shimaura 2000）

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圖 2.2-8 數位感測式示意圖(林宜清，中興大學土木系 2009)

圖 2.2-9 振動感應式示意圖(林宜清，中興大學土木系 2009)

~ 16 ~ 必要性，美國地質測量局（U.S. Geological Survey, USGS）於 1980 年代 晚期首次將非接觸式透地雷達（Ground Penetration Radar, GPR）斷面量 測應用於橋墩沖刷測量。該實驗進行時，GPR 天線皆由橋樑或船隻懸吊 於河水上方進行量測。此種配置方式導致實驗所收錄之原始資料中包括 因橋樑結構而產生之回音雜訊過大而無法準確推估沖刷斷面。但由於 GPR 天線設計與訊號分析方法的進步，USGS 於 1990 年代中期利用橋 樑及纜道懸吊方式再次進行數個非接觸式 GPR 河川斷面量測實驗。結 果發現由非接觸式 GPR 量測所得之河川斷面與傳統 Sounding-weight 法 所得之斷面僅有 10~20%的差異(Costa et al. 2000)，因此非接觸式的 GPR

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方法對於改良河川斷面量測技術具有很大的潛力，國內經濟部水利署 (2005)亦曾初步測試驗證其可行性。

圖 2.2-10 人工測讀聲納示意圖（經濟部水利規劃試驗所 2004）

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圖 2.2-11 自動化聲納示意圖（Lagasse et al. 1997）

圖 2.2-12 GPR 探測與收錄反射訊號歷時資料示意圖（Millard, et al, 1998）

2.3. 時域反射技術應用於沖刷量測之回顧

2.3.1 時域反射技術基本原理

時域反射儀（Time Domain Reflectometer. TDR）主要由階躍脈衝電壓

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產生器（step generator）、訊號採樣器(sampler) 與示波器 ( oscilloscope)組 成。TDR 之基本原理與雷達相同，由製波器（step generator）發射一電磁脈 衝進入同軸電纜（coaxial cable）及感測導波器（measurement waveguide），

並由示波器記錄由於感測導波器內阻抗（impedance）不連續所造成之反射，

如圖 2.3-1 所示。電磁波之傳輸系統包括延長線（同軸纜線）與感測導波器，

導波器為同軸纜線之延伸，同時作為訊號傳輸與感測元件，導波器之設計 主要在將所需監測之環境變化轉換為感測導波器之傳輸阻抗變化，如此可 藉由反射訊號得知環境變化參數。

圖 2.3-1 TDR 量測系統

2.3.2 TDR 埋入式感測器於沖刷量測之研發

1 TDR 感測桿（Yankielun and Zabilansky 1999）

本方法屬於埋入式感測桿研發，其原理是以兩根鋼棒組成之導波器貫 入河床質，利用電磁波時域反射法感應河水與底床界面之反射訊號，據以 決定沖刷深度，如圖 2.3-2 所示。此方法改良了以同軸纜線監測的缺點，具 備堅固耐用的特性，但許多問題仍待克服，例如楊培熙（2003）實驗結果 顯示，當感測器達一定長度後便造成反射訊號衰減，因此需進一步改善傳 輸距離引起訊號衰減問題、考慮安裝實務的感測器設計及決定沖刷深度的 訊號分析演算法等。

~ 20 ~ 2 TDR 感測纜線（Dowding and Pierce 1994）

與埋入式感測元件的方法類似，在同軸纜線一定的間距加上一突緣裝 置埋入底床內，當突緣裝置經河水沖刷露出水面後，河水的拖曳力量將造 成同軸纜線的變形，利用電磁波時域反射法的探測，可以決定沖刷深度，

如圖 2.3-3 所示。此方法可自動化監測，但缺點是感測元件屬於犧牲式，因 此僅能觀測最大刷深，且若纜線被石塊或雜物衝斷，纜線末端可能因為浸 水而影響後續監測的解讀。

圖 2.3-2 TDR 感測桿示意圖（Yankielun and Zabilansky 1999）

圖 2.3-3 TDR 感測纜線示意圖（Dowding and Pierce 1994）

~ 21 ~ Zabilansky 1999）。

然而 TDR 量測由於接頭、水-土界面及感測器末端產生的反射訊號，

~ 22 ~

若無法準確判斷空氣-水界面反射點，則無法計算沖刷深度。

圖 2.3-4 TDR 沖刷感測器反向裝置(楊培熙,2003)

圖 2.3-5 TDR 沖刷感測器正向裝置(楊培熙,2003)

~ 23 ~ 2. 全走時分析法

Birchak et al.(1974)提出混合介電常數之模數，如(2-2)式表示，其中 υ_i及 K_i分別是部份片段體積及部份介電常數，α為經驗值，於均質或

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圖 2.3-6 水砂界面沉降量測模擬示意圖(Yu and Yu 2007)

圖 2.3-7 TDR 輸出訊號示意圖

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圖 2.3-8 TDR 訊號隨不同沉降量之變化(Yu and Yu 2007)

2.3.4 TDR 沖刷量測問題評析

電磁波時域反射量測技術，為新興的傳輸線監測技術，利用時域反射 監測不同介質界面位置的技術亦可應用在沖刷感測。時域反射沖刷感測技 術的概念雖已被提出，但仍停留在概念階段，許多問題仍待克服，例如訊 號衰減引起之傳輸距離問題、考慮安裝實務的感測器設計及決定沖刷深度 的訊號分析演算法等，這些問題若能克服，有助於提昇沖刷觀測效能。本 研究之主要目的即在於以時域反射法為基礎，發展更有效、更適合台灣環 境的沖刷感測器，以能後續配合 TDR 自動化沖刷觀測技術，落實橋墩沖刷 量測實務。

2.4. 沖刷量測方法綜合評析

綜合上述橋墩沖刷自動化觀測方式可分為埋入式感測元件（埋入式無 線電波漂浮裝置、壓電薄膜、TDR 感測纜線、光纖光柵、數位感測式及振 動感測式）、感測桿（磁性滑動環、電阻法、TDR 感測桿）及非侵入式（聲

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納、透地雷達）三大類，並於表 2.4-1 統整既有所有監測方式之優缺，而其 中磁性滑動環技術較為成熟，但無法觀測沖刷回淤情形；電阻法之相關資 料相當有限，且準確度不佳；埋入式感測元件之安裝較為繁瑣且因突出的 元件較容易受到高含砂水流與流木損壞；非侵入式之監測技術需將感測主 機置於水中，在台灣高流速、高含砂水流中之耐久性與維護性堪虞。

本研究建議朝向感測桿或鋼索之方式發展，採柔性結構以避免洪水夾 帶石頭之撞毀之觀念著手改善感測器之型式，TDR 感測桿及鋼索雖然仍處 於研發階段，但極具潛力，值得進一步發展。

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~ 28 ~ 烈沖刷的觀測。圖 2.3-5 為以 Yankielun and Zabilansky (1999）形式的感測 器進行的初步測試，可以明顯看出訊號衰減隨水深增加而增加的現象。因 此在不影響訊號判讀的情況下，對感測器表面進行適當地絕緣處理，期望 可以改善訊號衰減之問題。

本研究為了克服安裝實務與訊號損失的感測器，先於室內進行初步試 驗，並結合實務評估其實際之量測靈敏度。初步規劃感測器於安裝實務上

~ 29 ~

之採用型式分別有 1.桿式 2.纜式，如圖 3.1-1 所示，桿式感測器是透過鋼管 於管壁洗一槽溝並置入搭配之絕緣導體，並利用鋼管的堅硬強度保護絕緣 導體不受損傷。纜式感測器則是透過鋼索利用綑綁的方式搭配絕緣導體，

以柔性結構物的概念，避免與漂流木及大石頭正面迎擊，增加其耐用性。

而訊號損失上則透過適當的絕緣處理進行改善，並於後續規劃試驗進行上 述兩種型式之靈敏度的評估，進而製作出適合河床沖刷之感測器 。

圖 3.1-1 不同型式之 TDR 橋墩沖刷量測感測器示意圖(a)桿式感測器(b) 纜式感測器

3.1.2 室內泥砂沖刷/淤積模擬試驗配置說明

為配合沖刷感測器之評估，先行於室內初步模擬沖淤情況，透過改變 不同水位及不同土層的厚度，擷取波型初步比較各種沖刷感測器之靈敏度，

並評估各種型式感測器於現地施作之可行性，其初步整體配置如圖 3.1-2，

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(3) 傳輸線：一般常見同軸纜線(Coaxial Cable)為傳輸線，其構造由內 至為分別為內導體、絕緣介質、外導體與最外層絕緣保護層，同

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圖 3.1-2 室內泥砂沖刷/淤積模擬試驗實驗配置示意

圖 3.1-3 PCTDR 操作介面(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

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圖 3.1-4 TDR100 反射儀(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

表 3.1-1 試驗砂基本物理性質

試樣種類 渥太華砂(廖元憶，2005) 南湖溪砂 最大乾密度γd max (g/cm³) 1.87 1.60 最小乾密度γd min (g/cm³) 1.50 1.36

比重 Gs 2.65 2.646

D60 0.45 0.82

D50 0.395 0.65

D30 0.305 0.42

D10 0.22 0.29

均勻係數 Cu 2.05 2.828

曲率係數 Cd 0.94 0.742

孔隙比 e 0.56 0.788

統一土壤分類 SP SP

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表 3.1-2 TDR 反射儀規格特性表(Campbell Scientific TDR100 使用手冊)

3.2. TDR 全走時訊號分析方法改良

水砂界面之反射訊號在有阻抗不連續面之多重反射作用下不易辨識，

因此本研究參考 Yu and Yu （2007）所提分析方法，研擬適用於沖刷感測 器的訊號分析方法，演算過程如下：

1. 由於本研究預期研發之感測器欲克服訊號衰減問題，因此感測器表面將

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3. 擷取初始參考波形，並分析其走時 Reference travel time，tr

:

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了，橋的結構從鋼筋混凝土改為鋼樑結構，參照圖 3.3-1，而防震係數也提 升到了 0.33，可耐七級地震，總長為 1129 公尺。

橋墩周圍的地質條件為泥岩所構成，於汛期其間可能產生沖刷行為。

橋墩周圍的地質條件為泥岩所構成，於汛期其間可能產生沖刷行為。