速流管應用於快速地下排水之數值模式與現地試驗

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

速流管應用於快速地下排水之數值模式與現地試驗

Application of high speed drainage instrument to fast groundwater

draining by numerical modeling and in-situ tests

計畫編號：93-2622-E-002-023-CC3

執行期限：93 年 11 月 01 日至 94 年 10 月 31 日

主持人：譚義績

國立台灣大學水工試驗所主任

計畫參與人員：柯凱元 國立台灣大學生物環境系統工程學研究所(博士生)

計畫參與人員：林賢宗 國立台灣大學生物環境系統工程學研究所(碩士生)

計畫參與人員：游勝凱 國立台灣大學生物環境系統工程學研究所(碩士生)

一、中文摘要

對於降雨，長久以來工程師熟練於明溝系統之設計，一般人們的認知也都著 重在表面直接逕流量的部份處理是否得當，而往往忽略盲溝系統之設計，對於如 何加速收集土壤入滲之滲透水量、如何快速消除學校操場、公園、運動場等由於 降雨造成之積水常被疏忽不予重視。因此本研究計畫著眼點為「如何加速收集入 滲之滲透水量」。 國內外盲溝系統一般使用之集水管開孔率最大(max)為管徑表面積的 8%，管 徑愈大的集水管當然收集入滲水的速度及能力愈快愈好，但是實際在集水管內的 排水流量是涓滴的極小流量。為了埋設大集水管，不但管材成本提高，也必須挖 掘管溝，廢棄土方又容易造成環境污染。如果採用小的集水管，雖然管材成本降 低，然而收集入滲水的速度亦相對降低。 鑒於前述之結構於實際使用時仍有其缺點存在而予以重新設計一種地下集水 與排水的裝置，使用小管徑的集水管並於集水管的兩側或一側設置有翼狀網板， 藉由翼狀網板而達到集水與導流，藉此排水管的管徑就不需考慮其過大或過小之 問題，而同時又能達到有效排水之目的，而施工經費亦可隨之降低。 本研究將以現地試驗配合數值模式，將翼狀網板結合小管徑集水管之集排水方 式，與過去大管徑集水管之集排水方式做集排水效率及經濟效益比較，以期將試 驗結果提供未來大面積廣場猓露地表埋設地下集排水管方式之參考。 關鍵詞：地下排水、速流管、16 吋管

Abstract

water, but the efficiency does not linearly increase with the pipe radius. Moreover, using bigger pipes cost more and the accompanied abandoned soil can easily cause

environmental pollution. However, using smaller pipes can expend less, but also decrease the speed of collecting infiltration water.

To improve the groundwater drainage instrument, this study designs a new high speed drainage instrument, using smaller pipes with two sides of wing-shaped net plate. The wing-shaped net plate is designed to quickly collect infiltration water and then conduct it to the pipes. This kind of instrument can decrease the construction expense and also collect and drain infiltration water efficiently.

This research will study the different drainage efficiency and economic benefit between tradition bigger pipes and the new instrument proposed in this study by using numerical modeling and in-situ tests. The result may be useful to future design of groundwater drainage instrument in large naked area..

Keyword：subsurface drainage, high speed drainage, 16 inch pipe

二、緣由與目的

台灣地區的地理位置位於中國大陸西南海域、西太平洋大陸棚之起點，夏秋 季為受颱風侵襲無法免除之地。且因台灣地區河川短淺落差甚大，加上都會區之 發展，自然因素與人為因素造成河川流域，每遇暴雨量即氾濫成災，尤其是都會 形態之大面積廣場猓露地表如學校操場、公園、運動場局部區域如果高程低於明 溝溝面，降雨積水即無法順利排除，因此常見踢爛泥巴足球賽，公園積水老人小 孩滑倒等，由於土壤之滲透係數一般為1×10－5_～1×10－8 cm/sec入滲速度緩慢，如果 土壤表面下並無設置盲溝系統或根本為錯誤的盲溝系統設計，積水即無法順利排 除，蒸發成為唯一可以排除窪蓄積水的可能。 目前盲溝系統較常使用的方法為直接埋管法或碎石盲溝埋管法，直接埋管法 其法是將若干根管壁上具有集水孔洞的中空之集水管包覆過濾布後埋入直接土壤 中，當土壤的入滲水份含量達到過剩飽和程度後，該水分就經會由穿孔進入集水 管內，再由排水管排出。碎石盲溝埋管法其法是於土壤表面下挖掘溝槽後於溝槽 內鋪放過濾布、碎石、集水管， 國內外盲溝系統一般使用之集水管開孔率最大(max)為管徑表面積的8%，管徑 愈大的集水管當然收集入滲水的速度及能力愈快愈好，但是實際在集水管內的排

水流量是涓滴的極小流量。例如土壤之滲透係數為1×10－5 cm/sec為了快速收集入滲 水，採用管徑16英吋(40公分)的大集水管，每100公尺長的開孔表面積集水量為 0.4m×3.1416×0.08×100m×1×10－7m/sec =10.07×10－7cms 由此可見使用 16 英吋(40 公分)的大集水管是多麼不恰當，也可謂是浪費，為 了埋設大集水管，不但管材成本提高，也必須挖掘管溝，廢棄土方又容易造成環 境污染。如果採用小的集水管，雖然管材成本降低，然而收集入滲水的速度亦相 對降低。 鑒於前述之集排水管於實際使用時仍有其缺點存在而本計畫設計一種地下集 水與排水的裝置，使用小管徑的集水管並於集水管的兩側或一側設置有翼狀網 板，藉由翼狀網板而達到集水與導流，藉此排水管的管徑就不需考慮其過大或過 小之問題，而同時又能達到有效排水之目的，而施工經費亦可隨之降低，為本研 究計畫目的。 本研究另一目的在於採數值模式配合現地試驗，將翼狀網板結合小管徑集水 管之集排水方式，與過去大管徑集水管之集排水方式做集排水效率及經濟效益比 較，以期將試驗結果更客觀地提供未來大面積廣場猓露地表埋設地下集排水管方 式之參考。

三、理論方法與實驗設計

3.1 研究方法概述 本研究設計一種地下集水與排水的裝置(以下簡稱速流管裝置)，使用小管徑的 集水管並於集水管的兩側或一側設置有翼狀網板，藉由翼狀網板而達到集水與導 流，藉此排水管的管徑就不需考慮其過大或過小之問題，而同時又能達到有效排 水之目的，而施工經費亦可隨之降低。

與排水的裝置，其具有集水管、翼狀網板與包覆布，該翼狀網板係設置於集水管 的側邊，並且該翼狀網板的一端與該集水管相互契合接觸，翼狀網板與該集水管 之間呈一定角度傾斜，該包覆布將前述之該翼狀網板與該集水管包覆於其內。 於使用時，藉由包覆布的過濾，使得土壤中的各種滲透水、上揚水或重力水 等可以透過包覆布進入翼狀網板與集水管，而翼狀網板可將前述之水集中與導流 至集水管內，最後再由集水管排出導入地下水槽再生利用。 經前述之法，施工人員可避免為了增加集水量，而增加集水管之管徑，所以 施工人員可使用任何適用之集水管即可達到集水與排水之功能，如此施工成本不 會因此而增高，而又能達到有效之排水效果。 為了解本研究中設計之速流管裝置，是否能於現地試驗中發揮地下集排水之 功效，因此將以 FEMWAER 數值模式建立一概念模式(conceptual model)，並以現 地之地下水力參數及邊界件輸入模式中，以預先了解速流管裝置是否能發揮功效。 另外為比較本計畫設計之速流管裝置與傳統大管徑(16 吋管)地下集排水管於 現地之地下集排水效益，因此將於選定之農業土地進行(A)速流管裝置及(B)16 吋 管地下集排水方式兩者之場地佈置，以進行試驗了解實際集排水效率之差異。 3.2 速流管裝置與 16 吋管介紹 3.2.1 速流管裝置 本研究計畫所採用之「速流管」裝置，乃由高密度聚乙烯(H.D.P.E)所製造， 以矩管排水，並配合菱形翼狀網板做橫向集水及不織布防土砂滲入，三者之規格 詳列如表 1~表 3。 速流管施工 (地下盲管鋪設)需依以下規範： 一．速流管材料由一外覆不織布之高抗壓有孔集水矩管，高抗壓有孔集水矩管上 層兩翼結合厚度 8.0mm 菱形集水網，高抗壓有孔集水矩管與菱形集水網外部 周圍須以雙鏡面不織布緊密包裹形成之集排水結構。

二．依設計高程及埋設間距置放速流管，埋置後之速流管未覆土前，禁止機械或 任何重型車輛行駛，以保持速流管之完整。 三．依設計高程及填土厚度(如無特別規定，一般填土厚度為 30cm)，以機械覆土 於速流管上，並整平夯壓。(如有另行規定填粗砂或填配料者，應依設計規範 為之) 四．高抗壓有孔集水矩管及 8.0mm 菱形集水網及雙面鏡不織布，須經國立台灣科 技大學學術單位檢驗合格後方得使用。 3.2.2 16 吋管 本研究計畫所採用之「16 吋集排水管」，乃由高密度聚乙烯為材質所製成之 雙層排水管，管體內緣平滑，外表呈積層矩狀之雙層結構，管表面約三分之二的 面積均勻開孔以利集水，餘三分之一之面積使用於排水，並配合不織布防土砂滲 入，二者之規格詳列如表 4~表 5。 以速流管裝置與 16 吋管集排水管比較之其地下集排水效益之標準在於，16 吋 管之直徑約 40cm，換算其所使用之材料約每單位長度 120cm，與本研究中所使用 之速流管裝置平面集水長度大略相同，因此在以約略相同之材料量下，若能於單 位時間內達到較高之集排水效率，則可判斷該集排水方式之效益較高。 3.3 試驗場地及現地土壤參數 本 計 畫 向 位 於 新 店 安 坑 之 臺 灣 大 學 農 業 試 驗 場 租 借 一 場 地，並 以 挖 土 機 挖 開 兩 大 小 一 致 ， 長 度 15m， 寬 度 1.2m 之 試 驗 區 域 ， 該 場 址 平 日 做 為 農 作 物 栽 培 使 用，土 壤 特 性 與 公 園、高 爾 夫 球 場 等 場 所 使 用 之 土 壤 較 為 接 近 。 本 計 畫 針 對 該 場 址 土 壤 進 行 篩分析試驗(ASTM: C136-67, AASHTO: T27-74)，得結果如圖１；土壤之比重 Gs 試驗

(ASTM: D854-58)，得 Gs 為 2.64；

土壤滲透性係數(或稱水力傳導係數)Ｋ值定水頭試驗(ASTM：D2434-68)，得知Ｋ 值約為 1.7×10-5 cm/sec，土壤之特性接近砂質壤土。

3.4 速流管之數值模式分析

本計畫擬採用以 GMS 為界面之 FEMWATER 地下水數值模式，預先建立速流 管試驗之場景，以了解速流管裝置是否將於現地試驗中發揮應有之成效，做為佈 置現地試驗之預備工作。GMS(Groundwater Modeling System)係美國國防部主導發 展之地下水模式應用輔助系統。此系統為建立一標準之模式環境，俾讓使用者更 簡易及有效率的操作地下水模式。Yeh 發展 FEMWATER 模式結合地下水流和污 染傳輸兩個模式，並於 1996 年改變 FEMWATER 輸出、輸入的檔案格式，納入使 用者介面親和力較佳之 GMS 系統，以增加資料輸入與輸出之效率，亦可避免因繁 雜之輸入、輸出程序，造成程式執行錯誤。 FEMWATER 數值模式建立時需輸入參數包括土層厚度、飽和透水係數 (saturate hydraulic conductivity)、遲滯曲線(soil retention curve)參數等，其中遲滯曲 線為未飽和土壤水份變化之重要參數，然本計畫預定之現地試驗為模擬暴雨來襲 後地表上方積水時之入滲排水，因此為飽和狀況，遲滯曲線之參數因而較為次要， 此參數可概估而不致影響模擬結果；另飽和透水係數為主要參數，則以 3.3 節中之 試驗結果輸入。 3.4.1 模式建立 模式之建立以符合現地試驗為主，因此長度為 15m，寬度為 1.2m，垂直方向 則分三層設計(如圖 2)，上方紅色之部份為覆土，厚度 39cm，劃分為 3 層網格；中 間黃色部份模擬速流管裝置，厚度 1cm，劃分為 1 層網格，並設計其右上與左下 之高程差異為 15cm，此與現地試驗設計相同，主要是為了使水流由右上往左下移 動；下方綠色部份為原始土壤，厚度 60cm，劃分為 4 層網格。紅色與綠色部份為 現地之土壤，因此水力傳導係數以 1.7×10-5 cm/sec 輸入，而黃色部份模擬速流管裝 置，該裝置之排水特性良好，其水力流通性應遠高於現地土壤，因此於模式中以 1.7×10-2cm/sec 概估速流管裝置之水力傳導係數。 而由於水流為圖 2 之右上往左下方向流動，因此模擬時，右上及左下之邊界 條件不特別指定，而由程式自行計算，而兩個長邊則設計為不透水邊界，上方之

地表設計 5cm 之積水深度。 模擬則以穩態分析，以大致了解水流之變化方式是否如預期。 3.4.2 模式結果分析 由圖 3 之總水頭分佈模擬結果可發現，總水頭為右往左遞減，因此水流之方 向應可如預期之右向左流動，而由圖 4 之速度分佈更可了解，高速度之部份集中 於速流管裝置之周圍，因此水流之移動應為右向左，且沿著速流管裝置流動。 3.5 現地試驗 3.5.1 試驗佈置 本研究所採用之「速流管」裝置由三部份組成： 1. 矩管(主要功能為集中水量排出)。 2. 菱形翼狀集水網板(主要功能為收集由地表入滲之土壤，並導流至矩管) 3. 不織布(包覆於矩管及菱形翼狀集水網板之上，以防土砂侵入) 速 流 管 裝 置 之 平 面 尺 寸 與 試 驗 場 址 相 同 ， 長 度 15m， 寬 度 1.2m， 試 驗 場 地 佈 置 方 式 如 下 ： 1. 於試驗場地畫定出一長度 15m，寬度 1.2m 之平面範圍（圖 5）。 2. 由地表向下挖開 50 公分，並於長度 15m 之範圍內，以水準儀定出約 15cm 之 坡降，以控制排水方向(如圖 6、圖 7)。 3. 開挖區之兩側鋪設不透水布，以防試驗進行中水份之水平方向流入或流出之干 擾。(如圖 8) 4. 將包覆不織布之矩管及菱形翼狀網板放置妥當。(如圖 9) 5. 回填土至地表下 10cm 處(如圖 10)，回填之過程中給予適度之夯壓(如圖 11)， 以使土壤之壓密度接近於未開挖前之狀況，並放置集水桶。(佈置完成如圖 12)

本研究所採用之「16 吋集排水管」裝置由二部份組成： 1. 集排水管本身(上表面開孔，主要功能為收集入滲水，下表面未開孔，以利 水份收集排出)。 2. 不織布(包覆於集排水管之上，以防土砂侵入) 試 驗 場 地 佈 置 方 式 如 下 ： 1. 於試驗場地畫定出一長度 15m，寬度 1.2m 之平面範圍。 2. 由地表向下挖開 70cm(如圖 13)，並於長度 15m 之範圍內，以水準儀定出約 15cm 之坡降，以控制排水方向。 3. 將包覆不織布之 16 吋集排水管放置妥當，集排水管之中心點約於地表下表 50cm 處。(如圖 14、圖 15) 4. 開挖區之兩側鋪設不透水布，以防試驗進行中水份之水平方向流入或流出之干 擾，並進行土壤回填。(如圖 16) 回填土至地表下 10cm 處，回填之過程中給予適度之夯壓，以使土壤之壓密度 接近於未開挖前之狀況，並放置集水桶。(佈置完成如圖 17) 3.5.2 試 驗 進 行 試驗進行前，對佈置完成之試驗場地以等速率放水，待覆土上方產生積水至 約 5cm 後，靜待約 1 天之時間，使水份均勻入滲至土壤中，達到含水量均勻分佈 後，方可正式進行試驗。 速流管裝置試驗進行時如圖 18，16 吋管進行試驗如圖 19，保持積水約 5cm， 並於定時間量測集水桶中之水量，做為集排水速率計算之依據。

3.5.3 試驗結果 本計畫之「速流管」裝置，於長 15m，寬 1.2m 之農業用土壤中進行埋設及集 排水試驗，整個試驗過程分三日進行，每日進行兩次試驗，並分別得各次試驗計 算所得集排水速率如表 6，平均之集排水速率約 19487 cm3 /min， 單 位 長 度 (m) 集 排 水 速 率 為 1299cm3 /min． m。 本計畫之「16 吋集排水管」，於長 15m，寬 1.2m 之農業用土壤中進行埋設及 集排水試驗，整個試驗過程分三日進行，每日進行兩次試驗，並分別得各次試驗 計算所得集排水速率如表 7，平均之集排水速率約 3270.4 cm3 /min，單 位 長 度 (m) 集 排 水 速 率 為 218cm3 /min． m。 因此由以上之試驗結果可得知，以速流管裝置進行地下集排水，相較於傳統 之 16 吋管地下集排水方式，運用約同樣數量表面積之材料，但集排水效率差異約 6 倍，因此若於現地排水時，改採用速流管裝置之概念進行設計，應可達到更佳之 地下集排水效果。 四、結論 1. 本研究中利用 FEMWATER 模擬速流管裝置之現地地下集排水，可得知地下水 流將沿著速流流管裝置之鋪設方向移動。 2. 本研究中比較速流管裝置與 16 吋管之地下集排水效益，由於兩種集排水方式 所用之材料量大致相同，而速流管裝置於單位時間所收集之集排水量約為 16 吋管之 6 倍，因此可判斷速流管裝置應用於地下集排水可達到較高之效益。

表

表 1 速流管矩管材料規範 項目 種類 MG15 材質 高密度聚乙烯(H.D.P.E) 高度 40mm5％ 寬質 165mm5％ 條狀開孔尺寸 2.0mm25mm10％ 條狀開孔數 232 孔m 開孔率 3.4％ 抗壓強度 ASTM D2412 (MOD) _{18 }m2 表 2、菱形翼狀集水網板規範 項目 材質 抗壓強度 網目 厚度 試驗方法 CNS2239 L3050 ASTM D1621 游標卡尺量測 CNS 5610 L3080 結果 H.D.P.E 1000kpa 1.4cm1.4cm 8mm

表 3、不織布材料規範 項目 單位 說明 結果 材質及織法 聚酯纖維針軋法製成，雙面鏡面耐磨而處理。 抓式法拉力強度 Kgf CNS 5610 L3080 80 伸長率 ％ _{CNS 5610 L3080 30} 透水係數 _cmsec ASTM D-4491 110-2 透砂率 ％ ASTM D-4751 通過美國標準篩 NO. 200 之重量 3

耐磨性 根 CNS-1499 L3032A 型(Crock metet) 磨擦機磨 100 次，每次 cm2_毛羽 4 單位重量 gm2 CNS 5610 L3080 500 厚度 mm CNS 5610 L3080 2 表 4、16 吋集排水管材料規範 試驗項目 試驗方法 結果 單位 比重 ASTM D792 0.935 以上 抗張強度 ASTM D638 185 以上 Kg/cm2 延伸率 ASTM D638 200 以上 ％ 單位長度 規格尺寸 內徑 d 外徑 D 螺山數 長度 單位重量 開孔率 英吋 m/m m/m m/m 螺山數/m m Kg/m ％ 16 400 400±5％ 450±5％ 14±1 5 7.1 以上 1.2％

表 5、不織布材料規範 項目 單位 說明 結果 材質及織法 聚酯纖維針軋法製成，雙面鏡面耐磨而處理。 抓式法拉力強度 Kgf CNS 5610 L3080 ≧80 伸長率 ％ _{CNS 5610 L3080} ≧30 透水係數 _cmsec ASTM D-4491 ≧110-2 透砂率 ％ ASTM D-4751 通過美國標準篩 NO. 200 之重量 3

耐磨性 根 CNS-1499 L3032A 型(Crock metet) 磨擦機磨 100 次，每次 cm2_毛羽

4

單位重量 gm2 CNS 5610 L3080 500

表 6、速流管試驗結果 試 驗 日 期 (2005 年 ) 試 驗 時 間 (a) (min) 測 得 水 量 (b) (cm3) 集 排 水 速 率 (b/a) (cm3/min) 7 月 27 日 (第 一 次 ) 10 196000 19600 7 月 27 日 (第 二 次 ) 10 194800 19480 7 月 28 日 (第 一 次 ) 10 194000 19400 7 月 28 日 (第 二 次 ) 10 192400 19240 7 月 29 日 (第 一 次 ) 10 196400 19640 7 月 29 日 (第 二 次 ) 10 195600 19560 平 均 --- --- 19487 表 7、16 吋管試驗結果 試 驗 日 期 (2005 年 ) 試 驗 時 間 (a) (min) 測 得 水 量 (b) (cm3) 集 排 水 速 率 (b/a) (cm3/min) 7 月 27 日 (第 一 次 ) 18 60000 3333.3 7 月 27 日 (第 二 次 ) 18 60800 3377.8 7 月 28 日 (第 一 次 ) 18 57200 3177.8 7 月 28 日 (第 二 次 ) 18 56400 3133.3 7 月 29 日 (第 一 次 ) 18 58800 3266.7 7 月 29 日 (第 二 次 ) 18 60000 3333.3 平 均 --- --- 3270.4

圖

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.01

0.1

1

10

粒徑大小(mm)

通

過

百

分

比

圖 1、 土 壤 粒 徑 曲 線 圖 2、數值概念模式網格示意圖

圖 3、總水頭分佈模擬結果

圖 7、 定 坡 度

圖 11、 夯 壓

圖 13、 開 挖

圖 15、 16 吋 集 排 水 管 排 水 口 近 照