跨河橋梁安全預警模組之精確度提升及驗證

第四章 TRENDS系統橋梁模組資料更新與 驗證

4.1 跨河橋梁安全預警模組之精確度提升及驗證

跨河橋梁安全預警模組係以河系管理預警之概念進行研發，

所涵 蓋範圍除 了包括100年之「跨河安全預警系統之建立研究及 整合作業」橋梁外，並將大甲溪河系石岡壩至馬鞍壩範圍內公路 總局轄管橋梁(東勢大橋與天福大橋)納入預警範圍。跨河橋梁預 警 系 統 會 自 動 接 收 河 系 上 游 集 水 區 中 央 氣 象 局 雷 達 雨 量 觀 測 預 報，在與地面雨量觀測進行修正後，推算河川流域未來一小時之 降雨強度，再結合集水區演算、地表漫地流演算、河道一維水理 演算、水庫演算，推估河道之流量、水位、流速與沖刷深度；然 後考量橋梁材料結構特性，進行橋梁穩定性分析，計算橋梁之耐 洪安全係數做為即時及未來一小時橋梁預警之；另外，針對重要 橋 梁 則 利 用 二 維 水 理 分 析 模 式 對 各 橋 墩 做 較 精 確 的 計 算 及 安 全 預警，最後結合救災資源派遣與救災應變作業，建置一個完整的 預警應變系統。本系統自動計算橋梁安全性並提前預警，提供橋 梁管理單位，在颱洪時作決策支援，有利於爭取防災應變之黃金 時間，給予用路人生命財產更多的保障，其架構如圖4.1所示。以 下分別敘述各部份工作內容。

圖 4.1 颱洪災害跨河橋梁防災架構圖[3]

依圖4.1之架構，以下將分(a)降雨逕流與一維水理分析、(b)二 維水理分析、(c)橋梁耐洪安全評估、(d)跨河橋梁安全預警、(e)資 料更新、提升石岡壩放流量預測之精確度與資料驗證等五方面進 行說明。

(a)降雨逕流與一維水理分析

此模組中整合成功大學團隊之一維水理分析成果，再結合中 央氣象局雷達雨量預報、現場水位與橋墩沖刷觀測資料，建立水 文分析模式，計算橋梁上、下游處可能的水位，進而估算此降雨 對下游橋墩可能的沖刷深度，該模式主要分成三大部分：

1.雷達雨量預報：利用中央氣象局的QPESUMS降雨資料，以 支撐向量迴歸法修正雷達降雨受到地形或測站位置的影響。同時 根據 氣象局的 未來1小時的雨量預報，提供集水區未來的可能降 雨量空間分布。

2.格網分布型降雨逕流估算下游洪水量：由於格網分布型降 雨-逕流模式具有模擬空間降雨、地文等特性，因此模式結合格網

4-3

分布型降雨-逕流模式與雷達降雨資料，計算暴雨期間目前與未來 1小時下游河道變量流演算。

3.水位與橋梁沖刷計算：根據河道水理演算與沖刷深度分析 結果可以計算暴雨時期的水位與橋梁沖刷。

4.橋墩沖刷預警：整合以上模式，藉由所預測未來1小時水位 與沖刷深度，作為後續階段橋梁耐洪安全評估之輸入值，以評估 橋梁之安全性。

(b)二維水理分析

此階段根據地形資料建立二維數值模型，配合一維水理分析 所提供之邊界條件，進行細部橋墩周圍之流場模擬，再將模擬結 果輸出搭配沖刷公式進行沖刷深度之推估。本計畫採用非結構性 三角網格之有限體積法來建立相關之數值模式，非結構性網格不 僅 能 有 效 且 快 速 處 理 實 際 水 利 及 海 岸 工 程 常 遭 遇 之 幾 何 複 雜 性

（包含如橋墩等之內部不透水邊界）問題，而且配合彈性易用之 網格建立工具，亦能大幅減輕使用者建模之負擔，相對於有限元 素法亦有計算效能上之優勢，二維水理分析流程如圖4.2所示。

圖4.2 二維水理分析流程[3]

(c)橋梁耐洪安全評估

在颱風洪水作用下橋梁基礎處之沖刷深度、水流流速與水位 高度之變化，為直接攸關既有橋梁基礎的穩定，沉箱基礎因橋墩 基礎沖刷所導致之破壞，可區分為:橋墩基礎土層流失導致基礎承 載力破壞，橋墩與裸露沉箱受洪水之側向水流力作用所導致之傾 覆破壞，及受洪水之側向水流力作用之滑移破壞，沉箱基礎結構 受沖刷前後土壤流失之受力情況如圖4.3所示。樁基礎裸露導致的 基礎結構破壞模式則可區分為:基礎土層流失導致基礎承載破壞，

及側向水流力作用所導致基樁剪力與彎矩破壞，基樁受沖刷前後 受力變化如圖4.4所示。

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項將於下節詳細說明。

圖 4.5 水理分析模式執行流程圖

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圖4.6 水理分析模式執行流程圖(續)

模式依圖4.5及圖4.6執行流程進行說明。首先在步驟一，系統 執行QPESUMS修正模式時，系統以所截取到的QPESUMS雷達降 雨量預報及雨量站資料輸入執行程式(qprainfallpcp.exe)進行資料 綜整；將綜整後的資料代入執行程式(database.exe)中進行修正向 量計算；將修正向量再代入執行程式(datatransform.exe)進行模式 率 定 ； 將 率 定 結 果 再 代 入 執 行 程 式 (svmpredict.exe) 及 (inversesvm.exe)得到即時雨量資料及未來1小時的雨量預測，並以 (rain-add.exe)進行Kriging修正。其輸入條件與輸出資料如表4-1及 表4-2所示。

表4-1 QPESUMS與Kriging修正模式輸入條件與輸出資料

1.qprainfall pcp.exe 子程式修正降雨

2.database.exe 子程式修正向量 transform.exe 子程式模式率定

模式率定結果

模式率定結果

(步驟一.3) Auto

4.svmpredict.exe 進行支持向量

迴歸分析

即時雨量預報

1hr雨量預報

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表4-2 QPESUMS與Kriging修正模式輸入條件與輸出資料(續)

輸入 輸入

方式 模式 輸出

即時、1hr雨量預報

(步驟一.4) Auto

5.inversesvm.exe 子程式修正SVM預

測結果

修 正 後 雨 量 及 時及預報結果

修正後雨量及時及

預報結果(步驟一.5) Auto

6.Rain-add.exe Kriging修正

Kriging 修 正 後 雨 量 及 時 及 預 報結果

步驟二降雨逕流模式，是以步驟一分析所得的雨量資料及未 來1小時的雨量預測做為輸入值代入降雨逕流模式中的執行程式 (SCE-flow.exe)中得到即時放流量及未來1小時的放流量。其輸入 條件與輸出資料綜整如表4-3。

表4-3 降雨逕流模式輸入條件與輸出資料

輸入 輸入方式 模式 輸出

雨量站(中央氣象 局、水利署)

Auto 降雨逕流模式 (SCE-flow.exe)

即時放流資訊 即時雨量預報(步

驟一.6)

1hr放流資訊 1hr雨量預報(步驟

一.6) 石岡壩水庫放流

操作(水利署)

步驟 三河道 演算 ，是以步 驟 二分析所 得的即 時 及1小時放流 量與河川斷面幾何形狀、上游邊界條件、基流條件等，做為輸入 值代入河道演算中的執行程式(一維水理數值模式)中，得到即時 與未來1小時的水位、流速及河床平均沖刷深度值。其輸入條件與 輸出資料綜整如表4-4。

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表4-4 河道演算輸入條件與輸出資料

輸入 輸入

方式 模式 輸出

即時放流資訊 (步驟二)

Auto

河道演算 (一維水理數

值模式)

即時水位預報

1hr至3hr放流資訊

(步驟二) 1hr水位預報

斷面幾何形狀

(橋河基本資料) 即時流速預報

上游邊界條件

(橋河基本資料) 1hr流速預報

基流條件

(橋河基本資料) 即時沖刷深度預報

1hr沖刷深度預報

步驟 四是由 上步 驟分析所 得 的橋即時 與未來1小時的水位、

流量值代入橋墩沖刷計算中的執行程式(二維變量流水理模式)中 計算，將可得到各橋墩的沖刷深度值。其輸入條件與輸出資料如 表4-5。

表4-5 橋墩沖刷計算輸入條件與輸出資料

輸入 輸入方式 模式 輸出

即時水位預報 (步驟三)

Auto

橋墩沖刷計算 (二維變量流水理模

式)

二維分析 1hr水位預報(步 流速

驟三) 即時流速預報

(步驟三)

二維分析 水位高 1hr流速預報(步

驟三) 二維分析

沖刷深度

步 驟 五 是 由 步 驟 三 分 析 所 得 的 水 位 及 流 速 資 料 與 步 驟 四 分 析所得的沖刷深度資料進行跨河橋梁耐洪安全評估，即以極限分 析進行橋墩安全性分析得到安全係數值。其輸入條件與輸出資料 綜整如表4-6。

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表4-6 跨河橋梁耐洪安全評估(極限分析模式)輸出入條件

輸入 輸入方式 模式 輸出

即時水位預報 (步驟三)

Auto

跨河橋梁耐洪安全評 估

(極限分析模式：

1.傾覆破壞 2.承載力破壞)

警戒值 1hr水位預報(步

驟三) 即時流速預報

(步驟三) 1hr流速預報(步

驟三) 水位 (步驟四)

流速(步驟四) 沖刷深度(步驟

四)

步驟六是依上步驟的安全係數值進行警訊通報，即當安全係 數值小於所定的警戒及行動標準，系統將自動發佈簡訊通報告知 相關管理人員進行處理。其輸入條件與輸出資料綜整如表4-7。

表4-7 跨河橋梁耐洪安全評估(模式整合)輸出入條件

輸入 輸入方式 模式 輸出

警戒值 (步驟五)

Auto

跨河橋梁安全預警系統：

1.即時資料擷取與整合 2.自動通報機制

藉由自動通 報機制通知 管理人員 行動值

(步驟五)

TRENDS根據上述執行步驟進行程式化，並將相關成果於網 頁系統中展示。系統頁面如圖4.7所示，主要由系統簡介、颱風豪 雨資料、一維水理分析資料、二維水理分析資料、安全分析資料 與系統管理等六大模組組成；在主面頁上提供各橋梁的即時與未 來1小時橋梁的安全狀況(當橋梁在「安全」狀態時顯示綠燈；達

「預警」標準時顯示黃燈；達「警戒」標準時則顯示橘燈；達「行 動」標準時則顯示紅燈)，點選各橋梁的標示可顯示即時、未來1 小時等功能。

圖4.7 跨河橋梁安全預警頁面

颱風豪雨資料模組(圖4.8)連結了中央氣象局的累積雨量圖、

衛星雲圖與颱風路徑圖，在颱風來臨時，使用者可以藉此模組同 時瞭解颱風最新動態以及各橋梁即時平均水位。

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圖4.8 颱風豪雨資料模組

一維水理分析資料模組(圖4.9)，使用者可查看由一維水理分 析各 跨河橋梁 即時與未 來1小時水位、流量及河床平均沖刷深曲 線圖，另可查詢縱斷面即時與未來1小時水位高程、堤防頂高程及 河床高程剖面圖，掌握各橋梁上下游的水位變化。

圖4.9 一維水理分析資料模組

二維水理分析資料模組(圖4.10)中，提供使用者查詢二維水理 分析後，各橋墩的水位流速、沖刷深度值，並顯示依這三個參數 代入安全評估後，所得的安全係數值，在表格最下層則以此數值

反應出警示燈號(達行動標準顯示紅燈；達警戒標準時顯示黃燈)；

模 組 中 提 供 了 橋 墩 竣 工 平 面 圖 以 及 基 樁 橋 墩 結 構 立 面 圖 供 使 用 者查詢，其中立面圖上顯示了橋面板高程、原河床面高程基樁底 高程、沖刷後河床高程、水位高程、封橋水位高程、警戒水位高

模 組 中 提 供 了 橋 墩 竣 工 平 面 圖 以 及 基 樁 橋 墩 結 構 立 面 圖 供 使 用 者查詢，其中立面圖上顯示了橋面板高程、原河床面高程基樁底 高程、沖刷後河床高程、水位高程、封橋水位高程、警戒水位高