第三章 研究方法
3.3 最佳化流程擬定
3.3.1 鯉魚潭與新山土石壩之簡介與斷面選定
鯉魚潭水庫
鯉魚潭水庫於民國81年完工，位於苗栗縣三義鄉內，壩址在大安 溪支流景山溪狹窄之河谷上，集水面積總計53.45 平方公里，包括苗 栗縣三義、大湖、卓蘭等三個主要鄉鎮。鯉魚潭水庫主要是供應台中 市、苗栗等地區之民生、工業與農業用水。壩高96 m (標高由210 m 至 306 m)，滿水位標高300m，壩頂長度235m，壩頂寬為10m，兼具公 共給水、灌溉、發電及觀光等多目標水庫。圖3.3為鯉魚潭大壩標準 斷面圖。
圖 3.3 鯉魚潭大壩標準斷面圖(經濟部水利署中區水資源局，2007)
鯉魚潭壩型屬於中央直立心層滾壓土石壩，且壩型分布對稱，為 目前常見之大壩類型。FLAC為二維數值分析軟體，因此取鯉魚潭壩 之中段面為模擬斷面，圖3.3(左側)上游小型堤壩主要為大壩施工前期 用以檔水等用途，對於整體大壩之滲流分析影響性甚小，並參考陳冠 亨(2006)將壩體各材料簡化為心層(core)、殼層(shell)與濾層(filter)再 加上基礎(foundation)後，作為本研究驗證之模擬斷面，如圖3.4；鯉 魚潭水庫模擬庫水位為EL.285m；此外各材料參數設定參考陳冠亨 (2006)以實際壩體總滲流量進行逆推分析之結果，鯉魚潭壩體材料之 透水係數調整如表3.1。壩體邊界以施加孔隙水壓方式表示上游庫水 位與下游殼層趾部排水之區域，以此形成水頭差進行穩態滲流分析。
初步分析之飽和度圖與滲流量結果，如圖3.5與表3.2。
圖 3.4 鯉魚潭壩體材料分區(陳冠亨，2006)
表 3.1 鯉魚潭壩體材料之透水係數 (單位:cm/sec)
材料分區 心層 殼層 濾層 基礎
透水係數 kh 4×10-7
5×10-5 2.5×10-3 1×10-5 kv 1×10-7
圖 3.5 鯉魚潭壩網格建立(1 網格尺寸為 4m×4m)與初步分析之飽和 度圖
表 3.2 FLAC 初步模擬鯉魚潭大壩之相關資料 蓄水位高程
(m)
單位長度滲流量 (cms/m)
總滲流量 (CMD) EL.285m 7.148×10-6 88.93
※總滲流量(m
3/day)＝單位長度滲流量(m
3/sec/m)×土壩平均總長度(144m)×86400
新山水庫
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 3.6 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 3.6 新山水庫俯視圖(Google 地球)
圖 3.7 新山大壩 Sta.0+195.29 橫斷面圖(改繪自 國立交通大學，2010)
由圖 3.7 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 3.8 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 3.9 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。
圖 3.8 新山壩俯視圖(改繪自 國立交通大學，2010)
圖 3.9 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 3.8 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 3.10，庫水位 EL.82m 時之滲水量約 0.5CMD。圖 3.11(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
圖 3.12 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。
圖3.13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 3.13 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
Fa
Fb
Fc
大壩材與水位觀測井分佈如圖 3.16(黃色為井口；藍色為水位所在網
k=3.60×10-4 fracture k=3.50×10-2
表 3.3 FLAC 初步模擬新山壩之相關資料
斷面 蓄水位高程
(m)
單位長度滲流量
(cms/m) 總滲流量(CMD) Sta.0+170m EL.82m 6.629×10-6 114.55