水庫壩體監測及檢測與安全診斷技術研發(1/3)

水庫壩體監測及檢測與安全診斷技術研發(1/3)

Development of monitoring, non-destructive testing, and diagnosis

techniques for dam safety (1/3)

主辦機關：經濟部水利署

執行單位：國立交通大學防災工程研究中心

中 華 民 國 九 十 五 年 十二 月

經 濟 部

I

水庫壩體監測及檢測與安全診斷技術研發(1/3)

摘 要

台灣地區水庫常有許多監測儀器故障或監測數據缺乏有系統的 回饋分析，使得監測系統未能發揮應有的角色；另一方面，壩體內部 之監測點僅涵蓋整個壩體的極小部分，監測儀器又常有損壞情形，因 此，有必要進一步研發提升監測與檢測技術，以強化水庫安全評估及 平常安全檢查之落實。本計畫之目的在於研究改善水庫安全監測與檢 測技術，以利建立壩體安全診斷系統。 監測技術改善研發第一年的工作重點是研發光纖光柵（FBG）水 壓計及改良時域反射（TDR）錯動變形監測技術，FBG 與 TDR 分別 利用光及電磁波對於傳輸線式傳感器進行感應，儀器主機在地面上， 被動式傳感器監測技術具有耐久性、抗雷擊且可以一機多工及多點監 測，較適合水庫長期安全監測。FBG 水壓計已完成差異/漸變感應式 FBG 壓力計及等週期式 FBG 壓力計兩種原型，後續將進行光纖水壓 計的封裝與安裝設計及耐久性評估；TDR 錯動變形監測技術已完成 纜線電阻對於變形量化影響的修正方法，並以簡易物理模型探討回填 灌漿、材料互制及剪力帶寬度對於變形量化之影響，後續將改善物理 模型的邊界效應，以確認變形量化分析的方法。 非破壞性檢測技術與精度之改良第一年工作重點是地電阻影像 探測技術之施測與分析方法及不同問題與壩體條件選用適當檢測技 術的評估方法。在施測上，以注入導電液的方式改進貫入式電極及非 貫入式電極的施測品質，但僅對於淺層資料有所幫助，另外進行各種 電極排列施測方式的重複性試驗；在資料分析上，以正算模式及靈敏 度運算子探討地電阻探測的不確定性，此外，由於地層電阻率的絕對 值同時受到地下水及地層種類的影響，本研究展示利用定期監測的方

式，以地電阻率的改變探討滲漏情形。本年度的實測案例包括新山、 寶二及仁義潭 3 座土石壩及石門水庫廊道、大觀電廠及石岡壩 3 座混 凝土結構。 土石壩滲漏問題之相關監測資料研判較為複雜，而現有混凝土壩 之安全診斷一直未能充分利用地震儀資料以系統識別技術進行結構 體完整性評估。本研究分別以鯉魚潭壩和新山壩為模擬對象進行土石 壩滲漏問題之情境模擬分析，探討土石壩之壩體內一旦出現缺陷或裂 縫時之滲流可能之異常問題。鯉魚潭壩屬於典型對稱良好之分區型土 石壩，新山壩則是分區則屬非常不對稱之土石壩，經由詳細檢視各考 慮情況下之滲流、孔隙水壓、水頭、與水力坡降等模擬結果，釐清可 能出現的特殊異常現象，期能有助於監測儀器之佈置選擇與監測結果 合理詮釋之參考。在混凝土結構受震系統識別，本年度建立混凝土拱 壩結構之系統識別分析方法，利用強震儀實測之地表加速度及壩體振 動反應歷時資料，識別拱壩結構之振動頻率與阻尼比，以追蹤研判受 震後是否有異常變化的情況，作為壩體結構安全診斷之依據。

III

Development of Monitoring, Non-destructive Testing, and

Diagnosis Techniques for Dam Safety (1/3)

Abstract

Malfunctions of monitoring system and lack of systematic feedback analysis from monitoring data are common problems for dam safety management in Taiwan. On the other hand, there is a great demand for effective non-destructive methods to examine the interior of the reservoir structures. The objectives of this study are to develop improved monitoring techniques, evaluate and improve non-destructive testing methods, and eventually established a more effective diagnosis system for dam safety.

In developing improved monitoring techniques, two types of FBG piezometers and quantitative monitoring of localized shear deformation by TDR were developed. Unlike conventional electronic transducers, FBG and TDR techniques are versatile up-hole pulsing methods in which transducers (i.e. the inserted sensing waveguides) require no electronic components and the system can be multiplexed. Such reflectometry systems possess both the mechanical reliability and electronic efficiency. The developed transducers are resistant to humidity, corrosion, and electric surge.

In non-destructive testing methods, this study was aimed at assessing the performance of ERT applied to the investigation of dam leakage. Several technical investigations were made to improve the testing accuracy and understand the uncertainty involved in ERT. Measurement repeatability of different electrode arrays was investigated to suggest a more reliable survey type for ERT monitoring. The results show that Wenner array is good for shallow depth measurements while Pole-Pole

array is suggested for deeper depth measurements. Forward model was used to simulate field measurements and gain insights on the resolution and uncertainty of the inverted resistivity tomograms. ERT surveys were conducted at several dams and compared with field observations and monitoring data. Electrodes were installed permanently at Shin-Shan earth dam for subsequent monitoring.

Interpretation of monitoring data for seepage-related problems in earth dames are complex. This project made use of numerical simulations to investigate unusual earth dam responses associated with internal seepage regarding defects occurred within or under the earth dam. Li-Yu-Tan Dam and Sin-San Dam, respectively, were taken as typical examples to represent a well symmetrical and a poorly symmetrical zoned earth dam. The features in the response of seepage problems for these two types of zoned earth dam are distinctive. Critical seepage flow, pore water pressure, water head, and hydraulic gradient, for each case were examined and deliberated to identify crucial signs that can be helpful for the planning of instrumentation locations and for the interpretation of monitored data.

Data from seismographs has not been effectively used to evaluate the integrity of concrete dams after major earthquakes. The system identification method for the concrete arch dams was established. By using the seismometer-recorded ground excitation and vibration response time history data of the arch dam, the vibration frequency and damping ratio of the arch dam can be identified to determining if there is any unusual change of the dam’s dynamic characteristics. The identified results can be used as the basis of the safety diagnosis of the dam.

III

結論與建議

一、結論 計畫預計以三年為期研究改善水庫安全監測與檢測技術，並研擬 壩體安全診斷系統，計畫主要探討重點包括：（1） 先進傳輸線式監 測技術之研發；（2）非破壞性檢測技術與精度之改良；（3） 壩體安 全診斷系統之研擬。本年度除階段性完成改良式水壓計與錯動變形監 測技術研發及電探技術在壩體應用與改良之研究，為了最終能研擬一 合理的壩體安全診斷系統，進行土石壩滲漏問題之情境數值模擬及混 凝土拱壩受震後之系統識別分析，以充分利用如水壓與地震觀測等較 無法直接判讀的監測資料。依據今年度工作項目，其初步研究成果概 述如下： 光纖光柵水壓計之研發 1. FBG 水壓計以 FBG 作為應變感應器量測水壓計內部金屬膜因外在 水壓所產生之應變，本年度所研發的水壓傳感器有兩種：差異/漸 變感應式壓力計及等週期式 FBG 壓力計。 2. 差異/漸變感應式具有不受溫度影響的優點，但其直徑在 30mm 以 上，無法放入常用之開口式立管，較適用於新設立的封層式水壓 計，具有與測傾管整合安裝的優點。 3. 等週期式 FBG 水壓計直徑小，且線性度與靈敏性較差異/漸變感應 式設計更為理想，但需要利用 dummy FBG 進行溫度補償。 4. 現有 FBG 解讀儀可以辯解 1pm 波長之變化，本計畫所研發之設計 標定結果顯示，量測範圍在 250 至 300kPa 之 FBG 壓力感測器其 對應之波長變化在 1600 至 2000pm 之間，因此其解析度約在 0.015 至 0.020kPa 之間，已可充分滿足現場水壓量測之需求。

時域反射（TDR）錯動變形監測技術之改良 1. TDR 錯動變形監測技術的改良主要在探討影響以 TDR 反射訊號量 化錯動變形量的因子，包括纜線電阻、材料互制及剪力帶寬度。 2. 本年度完成可考慮纜線電阻影響之 TDR 模型，能有效且適當地描 述纜線電阻的影響，然而求取外在變形量 δ 與特徵阻抗關係所需 反算模擬相對複雜，利用上述電磁波傳模型衍生的簡易纜線電阻 修正法，可提供更快速便利的纜線電阻修正，應用於工程實務。 3. 本研究另設計製作一較可模擬現地實際情境的剪力盒，利用剪力 試驗掌握材料互制及剪力帶寬度如何影響 TDR 反射訊號。試驗結 果顯示隨著土壤材料相對軟弱或剪力弱帶寬度增加，對應啟動位 移量 δ0增加，但纜線的靈敏度 S 仍約略為常數，事實上，若靈敏 度不受現地條件影響，將有助於簡化現地應用難度，此一結果提 供了 TDR 錯動變形監測新發現與新思維。 4. 試驗結果顯示灌漿比周圍土壤堅硬並不會減弱 TDR 反應。受剪 時，在剪力面附近的張力裂縫可以產生灌漿圓柱的弱帶，傳遞外 在滑動變形至纜線。因此，在纜線周圍具有灌漿保護實際上使纜 線變形容易受滑動變形。確認灌漿比纜線足夠堅硬應該是比較實 務的考量。 5. 本試驗採用較硬的固狀(solid)外導體纜線，較不易造成纜線變形， 但仍可獲得良好成果。雖然如此，對於過軟的土壤，可能需要使 用網狀外導體纜線配合堅硬的灌漿才可達到較小的初始啟動量。 6. 本研究所設計之手動剪力盒尺寸較小，有邊界效應的疑慮，建議 未來製作一大型剪力盒，進一步確認上述結論，並研究可提早偵 測滑動面發生的訊號分析方法。

V 非破壞性監測技術改良研究 1. 本年度完成地電阻影像探測技術之施測與分析方法改良及不同問 題與壩體條件選用適當檢測技術的評估方法，本年度的實測案例 包括新山、寶二及仁義潭 3 座土石壩及石門水庫廊道、大觀電廠 及石岡壩 3 座混凝土結構。 2. 在施測上，以注入導電液的方式改進貫入式電極及非貫入式電極 的施測品質，結果顯示以硫酸銅導電液的效果最佳，但僅對於淺 層資料有所幫助。另外進行各種電極排列施測方式的重複性試 驗，結果發現現場進行資料收錄時，第一次收錄的資料可能受到 介電極化的影響，資料品質較差，為了確保得到較佳的量測資料， 建議每次收錄資料時先施測一組測試組。 3. 在各種電極排列方式的重複性方面，試驗結果顯示 Wenner 與 Pole-Pole 的重複性較佳，因此在淺層的監測時建議使用 Wenner， 深層的監測建議使用 Pole-Pole 排列方式。 4. 在資料分析上，可利用正算模式及靈敏度運算子探討地電阻探測 的不確定性，利用靈敏度剖面可以掌握反算分析不確定高的區 域，避免資料的過度解讀，而正算模擬可以建構較符合物理現象 的模型，與現地施測資料比較進行綜合評估。 5. 由於地層電阻率的絕對值同時受到地下水及地層種類的影響，本 研究以新山水庫為例，展示利用定期監測的方式，以地電阻率的 改變探討滲漏情形。 6. 非破壞性檢測方法的選用準則可參考本研究及國際使用經驗及已 建立之 ASTM 準則，擬以建立不同破壞模式可選用之非破壞性檢 測對應表，繼由非破壞性檢測方法的特性考量壩體條件後進行檢 測方法之選定。透過兩階段式的考量過程，便利管理者進行決策

並有效掌握所需之技術。 土石壩滲漏問題之數值模擬 1. 對稱良好之分區型土石壩與非常不對稱之土石壩，具內部缺陷下 所出現異常滲流行為可能迥異。 2. 本研究先以鯉魚潭壩為對稱良好分區型土石壩範例，藉數值分析 模擬不同缺陷下可能出現之滲漏相關問題，模擬結果顯示: (1) 若壩體存在橫向水平裂縫，即使已發展至心層中央，滲流增 加仍有限，實務監測上恐難以判斷。局部區域孔隙水壓監測 值則會異常升高，若監測儀器布置合宜，應有機會察覺異狀。 (2) 垂直裂縫影響壩體滲流量影響較小，但對於滲流路徑之影響 較大，導致垂直裂縫後方心層因垂直裂縫失去阻水效果。 (3) 基礎交界面處理極端不良下，交界面之滲流襲奪大部分原來 流經壩體之滲流量。孔隙水壓分佈則無明顯差異。 (4) 當濾層阻塞，可能造成壩心滲出水路必須繞出濾層，使部份 下游殼層濕潤。壩心於近濾層阻塞處孔隙水壓局部範圍顯著 昇高，近濾層阻塞段之孔隙水壓計應可反應其異常。 (5) 當隔幕灌漿局部失效時，原先必須繞過隔幕灌漿的滲流路 徑，密集流線集中穿過灌漿局部失效處，使得滲流量上升接 近沒有隔幕灌漿時情形。一旦隔幕灌漿失效（破裂）時孔隙 水壓有明顯變化，附近有水壓計應可測出此明顯變化。 3. 本研究復以新山壩加高後之壩體為例，探討典型極不對稱型土石 壩體可能出現之特殊滲漏相關問題，模擬結果顯示： (1) 新山壩濾層形式特殊，當水位高過加高前壩高度，在新心層 下方產生濕潤區，當水位逐漸提高，此濕潤區逐漸擴大。

VII (2) 假若新舊心層交界面水密性極不足，在「ㄑ」形濾層條件下， 浸潤面可能進入下游殼層，有不利影響 (3) 假設濾層堵塞，由心牆滲出之滲流水將繞過堵塞區域進入下 游殼層，隨後再進入下方濾層，可能造成局部區域濕潤。 4. 根據上述模擬結果，歸納幾點監測與壩體安全評估相關建議： (1) 對稱良好之分區型土石壩與非常不對稱之土石壩，滲流之行 為迥異，安全評估應該注意。 (2) 布置監測儀器位置可參考容易出現異常水壓或異常現象處。 (3) 壩體安全評估宜善用監測結果，不妨比照數值模擬分析結果 研判異常水壓的特徵，據以研判可能異常原因。 (4) 極不對稱之土石壩若在壩心與濾層具有過大的轉折角，壩體 阻水能力可能較難完善，宜盡量避免。 5. 土石壩體破壞扣除溢頂與附屬結構之破壞模式，其餘幾乎絕多屬 滲流相關者，零星剩下之邊坡破壞案例則十分有限。而壩體出現 邊坡破壞通常較有跡可尋，譬如會出現裂面（可能為滑動面頭 部）、下陷、隆起（可能為滑動面趾部），也甚易於經由壩面變 形或壩體埋置的測傾管數據直接發現，破壞模式之研判較為單純 較不需藉由情境模擬的手段推測可能出現之問題。 混凝土拱壩地震行為之系統識別分析 1. 本年度進行翡翠水庫及德基水庫混凝土拱壩結構之系統識別分 析，首先建立系統識別分析程式，隨後利用強震儀實測之地表輸 入資料及壩體輸出資料識別拱壩結構之振動頻率，俾便瞭解壩體 之動力特性是否有異常變化的情況及歷次地震分析結果之差異程 度，以評估系統識別模式應用於壩體安全診斷之可行性。

2. 翡翠水庫之識別結果顯示，拱壩之振動頻率有隨著水位愈高而降 低的趨勢，分析結果之趨勢合理，且拱壩之振動頻率與相關文獻 所得之結果差異不大(小於 10%)，顯示壩體之振動特性於歷次地震 事件後並無顯著的變化，拱壩應無結構性的損傷。 3. 德基水庫之分析結果顯示，強震儀記錄之資料檔案並非習用之文 字資料格式(為擷取系統儲存之原始碼格式)，因此無法取得歷時資 料並進一步進行系統識別分析。本案建議管理單位可嘗試將原始 檔案轉成加速度歷時資料(ASCII 格式)，或請設備廠商提供轉檔的 協助。若係因擷取系統較為老舊所致，則可視情況逐步更新強震 儀及其資料擷取系統，以記錄拱壩於地震下之加速度歷時反應， 將有助於掌握拱壩之動力特性與相關安全評估及診斷作業之進 行。 二、建議 本計畫之目的在於研究改善水庫安全監測與檢測技術，並針對較 無法直接判讀的監測資料做進一步的應用研究，期最終能夠研擬一合 理的壩體安全診斷系統，基於第一年度工作成果，茲將第二年後續之 工作項目建議如下： 1.先進傳輸線式監測技術之研發 (1) 光纖水壓計的封裝與安裝設計及耐久性評估。 (2) 光纖、TDR 監測技術多工化與自動化擷取系統之整合。 (3) 建立大型 TDR 受剪物理模型與變形率定關係，並研究可提早 偵測滑動面發生的訊號分析方法。 2.非破壞性檢測技術之應用與改良研究

IX (1) 震波檢測技術改良，探討如何提昇表面波震測空間解析度及 探測深度，以及多次模態與地形效應之影響與對策。 (2) 不同問題與壩體條件選用適當檢測技術的評估方法雛型建 立。 3. 壩體安全診斷系統研究 混凝土重力壩地震儀資料系統識別分析，並以 1-2 座混凝土重力 壩為例，建立以地震儀資料進行混凝土壩系統識別之安全診斷分 析方法。 4.水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練

水庫壩體監測及檢測與安全診斷技術研發(1/3)

目錄

中文摘要...Ⅰ 英文摘要...Ⅲ 結論與建議...Ⅴ 目錄...ⅩⅡ 表目錄...ⅩⅤ 圖目錄...ⅩⅦ 第一章 計畫緣起及目的 ... 1-1 第二章 計畫工作項目 ... 2-1 第三章 先進傳輸線式監測技術之研發 ... 3-1 3.1. 現有監測技術檢討 ...3-1 3.2. 光纖光柵水壓計之研發 ...3-2 3.2.1. 光纖訊號傳輸原理 ...3-3 3.2.2. 光纖感測簡介及分類 ...3-5 3.2.2.1. 光纖傳感器的分類 ...3-5 3.2.2.2. 多工光纖感測系統 ...3-6 3.2.2.3. 光纖光柵感測 ...3-6 3.2.2.4. 均勻應變與 FBG 波峰改變關係 ...3-8 3.2.2.5. 溫度與波長改變關係 ...3-9 3.2.2.6. 漸變 FBG 與波峰寬度之關係 ...3-10 3.2.3. 現有光纖壓力量測技術 ... 3-11 3.2.4. 交通大學光纖光柵壓力感測器之研發 ...3-19 3.2.5. 現地安裝水壓計的初步構想與規劃 ...3-25 3.3. TDR 錯動變形監測技術改良與初步測試 ...3-28

3.3.1. TDR 錯動變形監測原理 ...3-30 3.3.2. 纜線電阻修正研究 ...3-32 3.3.3. 簡易纜線電阻修正法 ...3-36 3.3.4. 材料互制與剪力帶室內模擬 ...3-38 3.3.5. 初步結論 ...3-42 第四章 非破壞性檢測技術與精度之改良 ... 4-1 4.1. 地電阻影像探測在滲漏檢測技術改良 ...4-1 4.1.1. 地電阻影像探測基本原理 ...4-2 4.1.2. 地電阻影像探測於現地施測改良 ...4-4 4.1.3. 土石壩體實際應用案例 ...4-21 4.1.4. 混凝土壩體實際應用案例 ...4-38 4.1.5. 地電阻影像探測於資料分析之改良 ...4-45 4.2. 非破壞性檢測技術之適用性評估方法 ...4-57 4.2.1. 與壩體潛在破壞模式有關之物理性質 ...4-57 4.2.2. 合於壩體適用之非破壞性檢測方法 ...4-60 4.2.3. 壩體安全非破壞性檢測技術評估方法之雛議4-64 第五章 壩體安全診斷系統之建立 ... 5-1 5.1. 壩體問題收集分類與原因探討分析 ...5-1 5.2. 土石壩滲漏問題之數值模擬 ...5-19 5.2.1. 數值模擬工具介紹 ...5-19 5.2.2. 鯉魚潭壩滲流分析 ...5-22 5.2.2.1. 鯉魚潭壩理想狀態滲流模擬 ...5-26 5.2.2.2. 橫向裂縫對壩體行為影響模擬 ...5-30 5.2.2.3. 垂直裂縫對壩體行為影響模擬 ...5-42 5.2.2.4. 基礎交界面處理不良之影響 ...5-47

5.2.2.5. 濾層堵塞或截斷之影響 ...5-49 5.2.2.6. 基礎(隔幕灌漿失效)之影響 ...5-54 5.2.3. 新山壩滲流分析 ...5-59 5.2.3.1. 新舊心層交界面模擬 ...5-65 5.2.3.2. 曲折濾層堵塞模擬 ...5-68 5.3. 混凝土拱壩結構受震之系統識別 ...5-72 5.3.1. 系統識別之理論介紹 ...5-81 5.3.1.1. 含噪音系統模型與預測誤差 ...5-83 5.3.1.2. 遞 迴 預 測 誤 差 法 （ Recursive Prediction Error Method）...5-84 5.3.2. 時域分析 ...5-85 5.3.3. 頻域分析 ...5-99 5.3.4. 翡翠水庫之系統識別分析 ... 5-111 5.3.5. 德基水庫之系統識別分析 ... 5-115 第六章 水庫壩體監測及檢測與安全診斷教育訓練 ... 6-1 參考文獻... 參-1 附錄一 評選簡報審查意見及辦理情形 ... 附-1 附錄二 期初簡報審查意見及辦理情形 ... 附-2 附錄三 期中簡報審查意見及辦理情形 ... 附-6 附錄四 期末簡報審查意見及辦理情形 ... 附-14

表目錄

表3.1 傳統水壓計與新發展 FBG 水壓計之初步比較 ... 3-27 表3.2 土壤材料相關參數 ... 3-40 表3.3 傳統測傾管監測技術與新發展 TDR 錯動變形監測技術初步比 較... 3-44 表4.1 傳統灌入式電極於檢測上改良方法 ... 4-5 表4.2 測線中點處鑽探孔之地層描述 ... 4-10 表4.3 導電液與水反算後之 RMS 誤差比較-Wenner ... 4-11 表4.4 非侵入式電極檢測上改良方法 ... 4-12 表4.5 新山水庫測線 A（壩頂）施測參數 ... 4-22 表4.6 新山水庫測線 E（左山脊通達道路）施測參數... 4-26 表4.7 寶二水庫測線 A（壩頂）施測參數 ... 4-28 表4.8 寶二水庫測線 B（下游面平台）施測參數... 4-30 表4.9 寶二水庫測線 C（壩基）施測參數... 4-31 表4.10 寶二水庫測線 D（右壩座）施測參數 ... 4-32 表4.11 寶二水庫測線 E 施測參數 ... 4-33 表4.12 2005 年與 2006 年仁義潭壩基測線 ... 4-35 表4.13 壩頂測線（測線 A）之測線監測參數 ... 4-37 表4.14 石岡壩溢洪道 9 號閘門測線施測參數 ... 4-39 表4.15 大觀電廠廊道測線施測參數 ... 4-41 表4.16 2005 年與 2006 年大觀發電廠溢洪道廊道施測結果比較4-42 表4.17 石門水庫溢洪道測線施測參數 ... 4-43 表4.18 2005 年與 2006 年石門水庫溢洪道施測結果比較 ... 4-44 表4.19 與混凝土壩潛在破壞模式有關之物理量 ... 4-58 表4.20 與土石壩潛在破壞模式有關之物理量 ... 4-60

表4.21 非破壞性檢測方法提供之資訊 ... 4-63 表4.22 施測條件... 4-63 表5.1 混凝土壩意外分類及破壞原因(ICOLD 1984) ... 5-3 表5.2 土石壩意外分類及破壞原因(ICOLD 1984) ... 5-5 表5.3 土石壩破壞統計 ( Foster 2000 )... 5-11 表5.4 土石壩材料分區滲透係數(參考鯉魚潭水庫管理局,1995) .. 5-25 表5.5 不同蓄水位下滲流量之變化 ... 5-27 表5.6 裂縫一長度對於滲流之影響 ... 5-33 表5.7 裂縫二長度對於滲流之影響 ... 5-33 表5.8 橫向裂縫滲透係數對滲流之影響 ... 5-42 表5.9 垂直裂縫對滲流量之影響 ... 5-44 表5.10 基礎交界面處理不良對滲流量之影響 ... 5-48 表5.11 新山水庫壩體材料之滲透係數 ... 5-59 表5.12 新山水庫水位高低變化的影響 ... 5-61 表5.13 新舊心層交界面滲透係數與滲流量之關係 ... 5-67 表5.14 強震儀規格及設置高程 ... 5-80 表5.15 各測站之加速度峰值統計 (單位:gal)... 5-86 表5.16 五次地震事件之強震儀峰值及水庫水位記錄表 ... 5-119 表6.1 水庫壩體監測及檢測與安全診斷教育訓練講員簡歷 ... 6-2 表6.2 水庫壩體監測及檢測與安全診斷教育訓練課程時間表 ... 6-4 表6.3 教育訓練綜合討論意見及建議 ... 6-5

XV

圖目錄

圖3.1 光纖構造 ... 3-3 圖3.2 光纖中的光傳播 ... 3-5 圖3.3 FBG 量測原理示意圖... 3-7 圖3.4 FBG 感測器量測原理示意圖... 3-8 圖3.5 光纖光柵內連續遞增之漸變應變 ... 3-10 圖3.6 連續遞增之漸變應變所產生 FBG 尖峰波長寬度之改變 .... 3-10 圖3.7 使用薄膜反射光強度調解壓力（摘自 Rao et al., 1994）.. 3-11 圖3.8 FBG 針孔式壓力計（摘自詹凱博，2004） ... 3-11 圖3.9 裸光纖光柵壓力感測器(摘自 Raman, 1999)... 3-12 圖3.10 以聚合物為外襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001) ... 3-12 圖3.11 球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器(摘自 Xu et al., 1996) ... 3-13 圖3.12 以聚合物為內襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001) ... 3-13 圖3.13 側壓式壓力感測計(摘自 Sheng et al., 2004)... 3-14 圖3.14 不同聚合物封裝之光纖光柵壓力感測器(摘自 Liu et al., 2000) ... 3-15 圖3.15 微型光纖光柵壓力感測器(摘自 Heo et al., 2005) ... 3-15 圖3.16 巴登管式光柵壓力感測器(摘自 Kojima et al., 2003)... 3-16 圖3.17 雙光纖光柵懸臂式壓力感測器(摘自 Zhao et al., 2004) ... 3-17 圖3.18 CFBG 感測器裝置示意圖(摘自 Dong et al., 2005) ... 3-17 圖3.19 CFBG 感測器的反射頻譜圖(摘自 Dong et al., 2005) ... 3-18 圖3.20 Fabry-Perot 壓力感測器示意圖(摘自 Rao et al., 1994) ... 3-18 圖3.21 D/C-FBG 感測器之設計示意圖 ... 3-20

圖3.22 FBG 黏貼方法示意圖... 3-21 圖3.23 D/C-FBG 壓力計實體... 3-23 圖3.24 差異設計壓力感測器在三種溫度下之標定結果 ... 3-23 圖3.25 等週期波長式 FBG 水壓計構造示意圖 ... 3-24 圖3.26 等週期波長式 FBG 水壓計實體照片 ... 3-24 圖3.27 等週期波長式 FBG 水壓計標定結果 ... 3-25 圖3.28 與傾斜管或用波浪管配合使用之 D/C-FBG 壓力計設計 3-25 圖3.29 構想中之 D/C-FBG 壓力計現場安裝 ... 3-26 圖3.30 TDR 儀器元件簡圖 ... 3-29 圖3.31 TDR 變形錯動感測器原理示意圖 ... 3-31 圖3.32 纜線電阻影響與模擬結果比較（10 公尺 RG58A/U 延長線） ... 3-33 圖3.33 (a) 試驗實際照片(b) 對應的反算模型 ... 3-35 圖3.34 (a) 外在變形量 δ 與 TDR 反射訊號大小 ρpeak關係圖 (b) 外在 變形量δ 與特徵阻抗關係圖 ... 3-36 圖3.35 (a)簡易纜線電阻修正法所得影響曲線圖，(b)修正結果比較 ... 3-38 圖3.36 室內試驗剪力盒設計與相關參數 ... 3-41 圖3.37 各材料相對強度曲線 ... 3-41 圖3.38 (a)材料互制與(b)剪力帶寬模擬試驗結果 ... 3-42 圖3.39 網狀編織外導體纜線 RG8 與 P3-500 初始啟動值之比較. 3-42 圖4.1 地電阻影像探測的各種排列方式 ... 4-3 圖4.2 地電阻影像探測施測示意圖 ... 4-3 圖4.3 仁義潭水庫壩基測線 ... 4-4 圖4.4 改良電極測線配置圖與施測示意圖 ... 4-6 圖4.5 Wenner 資料層數 n=1 時的變異係數... 4-7

XVII 圖4.6 Wenner 資料層數 n=2 時的變異係數... 4-7 圖4.7 Wenner 資料層數 n=3 時的變異係數... 4-8 圖4.8 Wenner 資料層數 n=4 時的變異係數... 4-8 圖4.9 Wenner 資料層數 n=5 時的變異係數... 4-9 圖4.10 Wenner 資料層數 n=6 時的變異係數... 4-9 圖4.11 Wenner 資料層數 n=7 時的變異係數... 4-10 圖4.12 加入導電液 CuSO4溶液反算後的結果-Wenner... 4-11 圖4.13 加入導電液 NaCl 溶液反算後的結果-Wenner ... 4-11 圖4.14 加入水溶液反算後的結果-Wenner... 4-11 圖4.15 石門水庫廊道測線 ... 4-12 圖4.16 非侵入式電極施測示意圖 ... 4-13 圖4.17 Wenner 資料層數 n=1 時的變異係數... 4-14 圖4.18 Wenner 資料層數 n=2 時的變異係數... 4-14 圖4.19 Wenner 資料層數 n=3 時的變異係數... 4-15 圖4.20 Wenner 資料層數 n=4 時的變異係數... 4-15 圖4.21 Wenner 資料層數 n=5 時的變異係數... 4-16 圖4.22 Wenner 資料層數 n=6 時的變異係數... 4-16 圖4.23 地電阻多次重複量測的比較 ... 4-17 圖4.24 Dipole-Dipole 重複性試驗結果 ... 4-19 圖4.25 Wenner 重複性試驗結果 ... 4-20 圖4.26 Pole-Dipole 重複性試驗結果 ... 4-20 圖4.27 Pole-Pole 重複性試驗結果... 4-21 圖4.28 新山水庫測線規劃圖 ... 4-22 圖4.29 新山水庫測線 A（壩頂）施測情形 ... 4-23 圖4.30 新山水庫測線 A（壩頂）地電阻影像剖面- Wenner... 4-23

圖4.31 新山水庫測線 A（壩頂）地電阻影像剖面-Wenner-Schlumberger ... 4-23 圖4.32 新山水庫下游殼層監測孔位配置圖 ... 4-24 圖4.33 殼層測線剖面與水壓計孔位位置 ... 4-25 圖4.34 新山水庫壩頂與殼層測線地電阻剖面的相對高程位置（2.5 維）... 4-25 圖4.35 新山水庫測線 E（左山脊通達道路）施測情形... 4-26 圖4.36 新山水庫測線 E（左山脊通達道路）地電阻影像剖面-Wenner ... 4-26 圖4.37 新山水庫測線 E（左山脊通達道路）地電阻影像剖面 -Wenner-Schlumberger ... 4-27 圖4.38 寶二水庫測線規劃圖 ... 4-27 圖4.39 寶二水庫壩頂測線施測情形 ... 4-29 圖4.40 寶二水庫壩頂測線地電阻影像剖面-Wenner ... 4-29 圖4.41 寶二水庫壩頂測線地電阻影像剖面-Pole-Dipole ... 4-29 圖4.42 寶二水庫下游面平台測線施測情形 ... 4-30 圖4.43 寶二水庫下游面平台測線地電阻影像剖面-Wenner ... 4-30 圖4.44 寶二水庫壩基測線施測情形 ... 4-31 圖4.45 寶二水庫壩基測線地電阻影像剖面-Wenner ... 4-32 圖4.46 寶二水庫側視圖 ... 4-32 圖4.47 寶二水庫右壩座測線地電阻影像剖面-Wenner ... 4-33 圖4.48 寶二水庫測線 E 地電阻影像剖面-Wenner ... 4-34 圖4.49 寶二水庫地電阻剖面的相對高程位置（3 維） ... 4-34 圖4.50 2005 年與 2006 年仁義潭壩基測線擬似電阻率剖面比較4-35 圖4.51 2005 年與 2006 年仁義潭壩基測線地電阻剖面比較 ... 4-36 圖4.52 壩頂測線（測線 A）監測示意圖 ... 4-37

XIX 圖4.53 壩頂測線（測線 A）現地監測之電極棒 ... 4-37 圖4.54 監測自動化示意圖 ... 4-38 圖4.55 石岡壩 9 號閘門溢洪道修補情形與測線位置 ... 4-39 圖4.56 石岡壩溢洪道 9 號閘門施測情形 ... 4-40 圖4.57 石岡壩溢洪道 9 號閘門地電阻影像剖面-Wenner ... 4-40 圖4.58 2005 年與 2006 年大觀電廠廊道測線擬似電阻率剖面比較 ... 4-42 圖4.59 2005 年與 2006 年大觀電廠廊道測線地電阻剖面比較 ... 4-42 圖4.60 2005 年與 2006 年石門水庫溢洪道廊道擬似電阻率剖面比較 ... 4-44 圖4.61 2005 年與 2006 年石門水庫溢洪道廊道測線地電阻剖面比較 ... 4-44 圖4.62 地質材料的電阻率分佈範圍 Loke（2003）... 4-45 圖4.63 正算模擬的流程圖 ... 4-46 圖4.64 石門廊道正算軟體所假設的電阻率分佈情形 ... 4-46 圖4.65 石門廊道正算軟體與現地量測的擬似電阻率剖面 ... 4-47 圖4.66 石門廊道正算軟體與現地量測的反算結果比較 ... 4-48 圖4.67 新山水庫正算軟體所假設的電阻率分佈情形 ... 4-49 圖4.68 新山水庫擬似電阻率剖面之比較 ... 4-49 圖4.69 新山水庫正算軟體與現地量測的反算結果比較 ... 4-50 圖4.70 新山水庫反算結果-05 年 7 月～05 年 11 月 ... 4-51 圖4.71 新山水庫反算結果-05 年 12 月～06 年 5 月... 4-52 圖4.72 新山水庫降雨量與水位 ... 4-53 圖4.73 新山水庫差異百分比-使用 RES2DINV Time-lapse inversion ... 4-54 圖4.74 新山水庫差異百分比-使用 RES2DINV Time-lapse inversion

... 4-55 圖4.75 地電阻剖面網格與資料點示意圖 ... 4-56 圖4.76 新山水庫殼層測線 B 靈敏度剖面... 4-56 圖4.77 石門廊道靈敏度剖面 ... 4-57 圖5.1 混凝土壩示意圖及各部名稱 ... 5-14 圖5.2 拱壩型式 ... 5-15 圖5.3 Hoover 拱壩照片 ... 5-16 圖5.4 混凝土壩常見之開裂位置 ... 5-18 圖5.5 Malpasset 水庫拱壩破壞照片 ... 5-18 圖5.6 庫區邊坡滑落 ... 5-18 圖5.7 混凝土表面因洩洪、排砂之侵蝕導致鋼筋嚴重裸露 ... 5-18 圖5.8 混凝土表面有風化及白華的現象 ... 5-19 圖5.9 鯉魚潭水庫網格 ... 5-25 圖5.10 鯉魚潭水庫之分區 ... 5-25 圖5.11 滲流量累積斷面示意圖 ... 5-25 圖5.12a 理想狀態下蓄水位高程 285m 時之孔隙水壓分佈 ... 5-28 圖5.12b 理想狀態下蓄水位高程 285m 時之總水頭分佈 ... 5-28 圖5.12c 理想狀態下蓄水位高程 285m 時之飽和度分佈 ... 5-28 圖5.13a 理想狀態下蓄水位高程 300m 時之孔隙水壓分佈 ... 5-29 圖5.13b 理想狀態下蓄水位高程 300m 時之總水頭分佈 ... 5-29 圖5.14 假設橫向裂縫位置 ... 5-32 圖5.15 裂縫一長度對於滲流比之影響 ... 5-34 圖5.16 裂縫二長度對於滲流比之影響 ... 5-34 圖5.17a 裂縫一長度比 0.00 時孔隙水壓分佈 ... 5-35 圖5.17b 裂縫一長度比 0.43 時孔隙水壓分佈 ... 5-35

XXI 圖5.17c 裂縫一長度比 0.71 時孔隙水壓分佈 ... 5-35 圖5.17d 裂縫一長度比 1.00 時孔隙水壓分佈 ... 5-35 圖5.18a 裂縫二長度比 0.00 時孔隙水壓分佈 ... 5-36 圖5.18b 裂縫二長度比 0.4 時孔隙水壓分佈 ... 5-36 圖5.18c 裂縫二長度比 0.7 時孔隙水壓分佈 ... 5-36 圖5.18d 裂縫二長度比 1.0 時孔隙水壓分佈 ... 5-36 圖5.19a 裂縫一長度比 0.00 時水力坡降分佈(imax=0.98 @ 偏下游之壩 心內) ... 5-37 圖5.19b 裂縫一長度比 0.43 時水力坡降分佈(imax=2.03 @ 近裂縫尖端) ... 5-37 圖5.19c 裂縫一長度比 0.71 時水力坡降分佈(imax=3.14 @ 近裂縫尖端) ... 5-37 圖5.19d 裂縫一長度比 1.00 時水力坡降分佈(imax=1.0 @壩心內). 5-37 圖5.20a 裂縫二長度比 0.00 時水力坡降分佈(imax=0.98 @ 壩心內) ... 5-38 圖5.20b 裂縫二長度比 0.43 時水力坡降分佈(imax=2.55 @近裂縫尖端) ... 5-38 圖5.20c 裂縫二長度比 0.71 時水力坡降分佈(imax=4.07 @ 裂縫尖端) ... 5-38 圖5.20d 裂縫二長度比 1.00 時水力坡降分佈(imax=1.12 @壩心內)5-38 圖5.21 裂縫情況一水力坡降最大區域局部放大(imax=3.14@ 裂縫尖 端) ... 5-39 圖5.22 裂縫情況二水力坡降最大區域局部放大(imax=4.07 @ 裂縫尖 端) ... 5-39 圖5.23a 裂縫一長度比 0.00 時水頭分佈 ... 5-40 圖5.23b 裂縫一長度比 0.43 時水頭分佈 ... 5-40

圖5.23c 裂縫一長度比 0.71 時水頭分佈 ... 5-40 圖5.23d 裂縫一長度比 1.00 時水頭分佈 ... 5-40 圖5.24 橫向裂縫 k 值對於滲流比之影響 ... 5-42 圖5.25 垂直裂縫假設位置 ... 5-44 圖5.26a 存在垂直裂縫面時之孔隙水壓分佈 (裂縫面 k/ko=1) ... 5-45 圖5.26b 存在垂直裂縫面時之孔隙水壓分佈 (裂縫面 k/ko=10) . 5-45 圖5.26c 存在垂直裂縫面時之孔隙水壓分佈 (裂縫面 k/ko=100)5-45 圖5.27a 存在垂直裂縫面時之飽和度分佈 (裂縫面 k/ko=1) ... 5-46 圖5.27b 存在垂直裂縫面時之飽和度分佈 (裂縫面 k/ko=10) ... 5-46 圖5.27c 存在垂直裂縫面時之飽和度分佈 (裂縫面 k/ko=100) ... 5-46 圖5.28 存在垂直裂縫面時之水力坡降分佈 (裂縫面 k/ko=1000)(imax=1.42 @ 裂縫尖端) ... 5-46 圖5.29 基礎交界面處理不良對滲流量比之影響 ... 5-48 圖5.30 基礎交界面處理極端不良下（k/ko=1000）流線情形... 5-49 圖5.31 基礎交界面處理極端不良下（k/ko=1000）孔隙水壓分佈 ... 5-49 圖5.32 模擬濾層堵塞情況一位置 ... 5-50 圖5.33a 濾層堵塞情況一時流線分佈情形 ... 5-51 圖5.33b 濾層堵塞情況二時流線分佈情形 ... 5-51 圖5.34 濾層堵塞情況一時飽和度分佈情形 ... 5-52 圖5.35 濾層堵塞情況孔隙水壓分佈圖 ... 5-52 圖5.36a 濾層堵塞情況一之水力坡降分佈圖 ... 5-53 圖5.36b 濾層堵塞情況二之水力坡降分佈圖 ... 5-53 圖5.36c 濾層暢通時水頭分佈... 5-54 圖5.36d 濾層堵塞後之水頭分佈 ... 5-54

XXIII 圖5.37 隔幕灌漿(截水牆) 示意圖：（a） 無隔幕灌漿、（b）隔幕灌 漿完好、（c）隔幕灌漿破裂... 5-55 圖5.38 隔幕灌漿成效良好時之流線圖 ... 5-56 圖5.39 隔幕灌漿失效時之流線圖 ... 5-57 圖5.40 隔幕灌漿有效時之孔隙水壓分佈圖 ... 5-57 圖5.41 隔幕灌漿失效時之孔隙水壓分佈圖 ... 5-58 圖5.42 隔幕灌漿有效時之水力坡降分佈圖 ... 5-58 圖5.43 隔幕灌漿失效時之水力坡降分佈圖 ... 5-58 圖5.44 新山水庫之 (a) 網格 與 (b) 分區 ... 5-60 圖5.45 新山水庫水位高低變化對計算滲流量的影響 ... 5-62 圖5.46 (a) 理想狀態下蓄水高程 71m 時孔隙水壓分佈... 5-63 圖5.46 (b) 理想狀態下蓄水高程 82m 時孔隙水壓分佈 ... 5-63 圖5.46 (c) 理想狀態下蓄水高程 86m 時孔隙水壓分佈... 5-63 圖5.47a 理想狀態下蓄水高程 71m 時總水頭分佈 ... 5-64 圖5.47b 理想狀態下蓄水高程 82m 時總水頭分佈 ... 5-64 圖5.47c 理想狀態下蓄水高程 86m 時總水頭分佈 ... 5-64 圖5.48a 理想狀態下蓄水高程 71m 時飽和度分佈 ... 5-65 圖5.48b 理想狀態下蓄水高程 82 m 時飽和度分佈 ... 5-65 圖5.48c 理想狀態下蓄水高程 86 m 時飽和度分佈 ... 5-65 圖5.49 模擬新山水庫新舊心層交界面位置 ... 5-66 圖5.50 新舊心層交界面水密性極不足時(k/ko=50)之流線圖 ... 5-67 圖5.51 新舊心層交界面水密性極不足時(k/ko=50)之滲流線 ... 5-68 圖5.52 新舊心層交界面水密性極不足時(k/ko=50)之孔隙水壓 .... 5-68 圖5.53 濾層堵塞位置 ... 5-69 圖5.54 濾層堵塞後水位面進入下游殼層之飽和度分佈 ... 5-70

圖5.55 濾層堵塞後濾層附近之流線分佈(局部放大) ... 5-70 圖5.56 濾層堵塞後之水頭分佈 ... 5-70 圖5.57 濾層堵塞後之水力坡降分佈 ... 5-70 圖5.58a 濾層堵塞恰在轉折段時之飽和度分佈(局部放大)... 5-71 圖5.58b 濾層堵塞在轉折段上側時之飽和度分佈(局部放大) ... 5-71 圖5.58c 濾層堵塞在轉折段下側時之飽和度分佈(局部放大)... 5-71 圖5.59 (a) 系統參數歷時圖 (b)傳遞函數圖 ... 5-74 圖5.60 翡翠水庫 ... 5-75 圖5.61 德基水庫 ... 5-76 圖5.62 翡翠水庫之地理位置 ... 5-77 圖5.63 翡翠水庫拱壩下游照片 ... 5-78 圖5.64(a) 拱壩下游面之立面圖... 5-78 圖5.64(b) 拱壩之上視圖... 5-79 圖5.64(c) 拱壩之側視圖 ... 5-79 圖5.65(a) 強震儀配示意圖置... 5-80 圖5.65(b) 強震儀及資料擷取系統... 5-80 圖5.66 拱壩典型之振動模態示意圖 ... 5-81 圖5.67 (a) SD1 測站之三軸向加速度歷時... 5-87 圖5.67 (b) SD2 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-88 圖5.67 (c) SD3 測站之三軸向加速度歷時... 5-89 圖5.67 (d) SD4 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-90 圖5.67 (e) SD5 測站之三軸向加速度歷時... 5-91 圖5.67 (f) SD6 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-92 圖5.67 (g) SD7 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-93 圖5.67 (h) SD8 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-94

XXV 圖5.67 (i) SDA 測站之三軸向加速度歷時 ... 5-95 圖5.67 (j) SDB 測站之三軸向加速度歷時... 5-96 圖5.67 (k) SDC 測站之三軸向加速度歷時... 5-97 圖5.68 壩體之峰值加速度峰分佈曲線 ... 5-98 圖5.69 (a) SD1 測站之三軸向加速度傅氏頻譜... 5-100 圖5.69 (b) SD2 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-101 圖5.69 (c) SD3 測站之三軸向加速度傅氏頻譜... 5-102 圖5.69 (d) SD4 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-103 圖5.69 (e) SD5 測站之三軸向加速度傅氏頻譜... 5-104 圖5.69 (f) SD6 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-105 圖5.69 (g) SD7 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-106 圖5.69 (h) SD8 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-107 圖5.69 (i) SDA 測站之三軸向加速度傅氏頻譜 ... 5-108 圖5.69 (j) SDB 測站之三軸向加速度傅氏頻譜... 5-109 圖5.69 (k) SDC 測站之三軸向加速度傅氏頻譜... 5-110 圖5.70(a) SD3 輸入與 SDA 輸出之傳遞函數及其相位角(f=2.63Hz) ... 5-112 圖5. 70(b) SD3 輸入與 SDB 輸出之傳遞函數及其相位角(f=2.63Hz) ... 5-112 圖5.70(c) SD3 輸入與 SDC 輸出之傳遞函數及其相位角(f=2.75Hz) ... 5-113 圖5.71(a) SDA 量測訊號與識別預測訊號之比較... 5-113 圖5.71(b) SDB 量測訊號與識別預測訊號之比較... 5-114 圖5.71(c) SDC 量測訊號與識別預測訊號之比較 ... 5-114 圖5.72 拱壩頻率與水位高程之關係曲線 ... 5-115 圖5.73 德基水庫拱壩之強震儀配置圖(共八組)... 5-118

圖6.1 教育訓練報到情形 ... 6-6 圖6.2 教育訓練開幕情形 ... 6-6 圖6.3 教育訓練上課情形 ... 6-7 圖6.4 茶敘時間意見交流 ... 6-7 圖6.5 先進地工診斷系統試驗室參觀 ... 6-8 圖6.6 光纖光柵研究試驗室參觀 ... 6-8 圖6.7 課程綜合討論 ... 6-9 圖6.8 9/29 中興顧問社簡報 ... 6-9 圖6.9 9/29 寶二水庫監測系統參觀 ... 6-10 圖6.10 9/29 非破壞檢測(地電阻影像探測)現地見習 ... 6-10

第一章 計畫緣起及目的

台灣地區由於豐枯水期分配不均，因此有賴各大小水庫及水工結 構物之調蓄水源，以滿足農業、民生及工業等用水需求，目前台灣地 區現有水庫設施達近百座，由於台灣地區颱風與地震頻繁，加上近年 來氣候異常頻率增高，水庫之安全有賴於定期與不定期辦理安全檢查 及評估，其中檢測及監測為水庫安全檢查與評估極重要之一環；台灣 地區水庫常有許多監測儀器故障或監測數據缺乏有系統的回饋分 析，使得監測系統未能發揮應有的角色；另一方面，壩體內部之監測 點僅涵蓋整個壩體的極小部分，監測儀器又常有損壞情形，因此，有 必要進一步研發提升監測與檢測技術，以強化水庫安全評估及平常安 全檢查之落實。 本署於 94 年度已完成「水庫安全監測問題評析與非破壞性檢測 技術應用之研究」計畫，針對水庫潛在破壞模式之分類與案例收集、 各項監測問題評析及非破壞性檢測技術應用於壩體之可行性評估等 均有良好成果，該報告結論與建議中針對先進傳輸線式監測技術之研 發、非破壞性檢測技術與精度之改良及壩體安全診斷系統之建立等， 為後續持續研究發展之方向。因此，針對前期研究成果研提本計畫， 針對監測部分，研發光纖及電磁波 TDR 傳輸線式監測技術；在檢測 部分，擬改良非破壞性檢測技術及提升分析精度；另針對監測與檢測 結果回饋分析方面，透過數值模擬，研擬建立異常現象診斷系統；此 外，亦辦理監測及檢測與安全診斷相關教育訓練，以提升水庫管理單 位及顧問公司分析人員相關專業素質。

第二章 計畫工作項目

（一）本計畫以三年（95 至 97 年度）為期，其主要工作項目包括： 1. 先進被動式監測技術之研發 研發光纖、TDR 或其他先進被動式監測技術，包括變形、水壓等被動 式感測元件及資料分析方法，並考慮壩體全面性使用之經濟效益，研發多 工化與自動化擷取系統，並將研發結果進行監測設備現場安裝測試。 2. 非破壞性檢測技術與精度之改良 提昇電探、震測與透地雷達等非破壞檢測在壩體檢測應用之可適性， 針對施測性、解析度及資料判釋進行改良研發，各年度並選擇 3 座水庫進 行實例測試研發。 3. 壩體安全診斷之專家系統之建立 研究壩體內出現問題分類、與監測結果出現特徵，並進行壩體內出現 不同問題壩體行為之數值模擬，包含土石壩滲漏破壞、變形破壞，及混凝 土拱壩與重力壩之地震破壞等數值模擬，並各選擇 2 座水庫為例，建立壩 體之安全診斷系統。 4. 水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練 提升水庫管理單位管理人員、顧問公司分析人員辦理水庫壩體安全監 測、檢測相關專業素質。 （二）95 年度辦理工作內容如下： 1. 先進被動式監測技術之研發 (1) 現有監測技術檢討。 (2) 光纖、TDR 或其他先進被動式監測技術研發，包括設計與雛形製 作、資料解讀技術、分析方法等。 (3) 光纖、TDR 或其他先進被動式監測現場初步測試。 2. 非破壞性檢測技術與精度之改良 (1) 針對地電阻影像探測在滲漏檢測之應用進行技術性改良，提升分析

精度，並以 3 座水庫進行實例測試。 (2) 針對混凝土表面電極及電探在混凝土壩入滲檢測之應用進行技術 性改良，提升分析精度，並以 3 座水庫進行實例測試。 (3) 不同問題與壩體條件選用適當檢測技術的評估方式探討。 3. 壩體安全診斷之專家系統之建立 (1) 壩體內出現問題分類與原因探討、典型案例之收集與分析。 (2) 土石壩壩體內出現不同問題下壩體行為之數值模擬-滲漏破壞相關 問題，並以 2 座土石壩為例，建立壩體安全診斷系統 雛型。 (3) 混凝土拱壩結構地震行為之數值模擬，並以 2 座混凝土拱壩 為 例，建立壩體安全診斷系統雛型。 4. 水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練 辦理水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練 15 小時以上，提升 水庫管理單位管理人員、顧問公司分析人員專業素質。 （三）96 年度預定辦理工作內容： 1. 先進被動式監測技術之研發 (1) 光纖、TDR 或其他先進被動式監測技術研發以及多工系統之整合。 (2) TDR 水壓、滲漏量與滲漏水質監測技術研發。 2. 非破壞性檢測技術與精度之改良 (1) 壩體震測影像探測非破壞檢測技術改良。 (2) 壩體震測影像探測資料分析精度提升，包括解決高次模態及地形效 應。 (3) 壩體震測探測深度改善及其在壩體檢測之應用。 (4) 不同問題與壩體條件選用適當檢測技術的評估方法雛型建立。 3. 壩體安全診斷之專家系統之建立 (1) 土石壩壩體內出現不同問題下壩體行為之數值模擬-穩定與 變形 相關問題，並以 2 座土石壩為例，建立壩體安全診斷系統雛型。 (2) 混凝土重力壩結構地震行為之數值模擬，並以 2 座混凝土重力壩為

例，建立壩體安全診斷系統雛型。 4. 水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練 （四）97 年度預定辦理工作內容： 1. 先進被動式監測技術之研發 (1) 先進被動式水庫安全監測設備現場安裝測試。 2. 非破壞性檢測技術與精度之改良 (1) 3-D 透地雷達施測方法與資料詮釋技術之改良。 (2) 不同問題與壩體條件選用適當檢測技術的評估方法之建立。 3. 壩體安全診斷之專家系統之建立 (1) 土石壩壩體之安全診斷系統研發。 (2) 混凝土壩之安全診斷系統研發。 4. 水庫壩體監測及檢測與安全診斷相關教育訓練

第三章 先進傳輸線式監測技術之研發

本計畫先進傳輸線式監測技術之研發以三年（95 至 97 年度）為期，其 主要工作項目包括：研發光纖、TDR 或其他先進傳輸線式監測技術，包括 變形、水壓等傳輸線式感測元件及資料分析方法，並考慮壩體全面性使用 之經濟效益，研發多工化與自動化擷取系統，並將研發結果進行監測設備現 場安裝測試。 本年度的工作項目主要在於光纖水壓計的研發及 TDR 錯動變形的改 良。

3.1. 現有監測技術檢討

民國 94 年水利署委託本團隊執行「水庫安全監測問題評析與非破壞性 檢測技術應用之研究」專案時，曾對台灣地區各類型監測儀器裝置於水庫 之數量及運作情形進行問卷普查。上述調查結果顯示，某些較小的蓄水庫， 如金門縣自來水廠所轄之蓄水庫，可能因規模較小經費困窘，其辦理監測 業務人員短缺（僅 1 人）且監測業務項目僅止於目視檢查。就前述之 1995 年 國際大壩委員會（ICOLD）第 99 號公報指出大部份破壞水壩屬壩高小於 30m 之小壩。如何在資源不足的狀態下，為規模較小之蓄水庫規劃一經濟實惠 的安全監測計畫？從潛在破壞模式分析建立著手進而規劃安全監測作業應 是最合乎經濟效益的作法。 目前即使是大型水庫，多數安全監測系統仍依庫區工程設施或地理分 區設置。其主要設置目的多為整體性長期觀測均勻佈設監測，僅少數為設 計或分析之潛在危險區域佈設檢核。雖然使用者可依分析目的選取分佈於 工區中之儀器數據，但整體設置原則仍未能清楚點明其相對應疑慮問題及 對其合宜性進行評估。進行評估安全監測系統是否能夠滿足觀測需求時， 應先檢討各儀器是否正常運作。將仍正常運作之監測系統儀器繪製其平面

及剖面位置，據以檢討其監測功能是否提供潛在破壞模式之觀測資料。 常見水壩監測項目主要有滲漏、水壓力、位移等儀器，電子感應器、 無線通訊、自動化資料擷取系統等新科技的發展已逐漸改變水庫安全監測 實務上的應用，雖然電子化監測技術使監測工作更為快速與便利，但目前 監測方法多半需將電子感應器埋入土體或置於惡劣的環境中，由於感應器 內為須供電或持續激發感應元件以維持感應功能的複雜電子元件，不僅成 本昂貴且容易受常伴隨監測環境存在的水、濕氣、雷擊等環境因子而減低 或喪失功效，因而相對地缺乏長期監測所需穩定性與可靠度。由於穩定性 與經濟性未臻理想，水庫自動化安全監測系統並沒有被普遍應用。 根據上述的檢討，本研究針對水庫安全監測之進一步研究可分為兩方 面，一方面本章介紹水庫安全監測感測技術的研發改良，採取將精密儀器 至於地表的上孔式(Up-hole)設計，以堅固耐用的傳輸線式電磁或光纖傳感 器置入監測目標中進行監測，並透過系統整合達到監測系統的穩定性與經 濟性；另一方面第 5 章介紹壩體安全診斷系統之研發，以提昇監測規劃與 分析的技術。

3.2. 光纖光柵水壓計之研發

光纖是二十世紀最重要的工程發展之一，除了在通訊科技上造成重大 的革命，光纖感測技術(fiber optical sensing)亦在蓬勃的發展當中。光纖感測 技術具有許多傳統電子感應技術沒有的優點，包括(1)體積小－ 光纖直徑一 般為 100-125µm 體積甚小；(2)耐久性高－光纖之主要成份是矽(silica)為非 金屬，可以長期埋在地下而不易腐蝕或改變其性質；(3)光纖利用光來傳遞 資訊不受電磁干擾；(4)可以在同一光纖上做多點分佈式的監測。利用光纖 光柵 (Optic Fiber Bragg Grating，FBG)之理可量測光纖於施作光柵處所受到 之應變，利用此光纖應變感應器，可研製各類型的傳感器，本工作團隊已 成功研發使用 FBG 做氣/水壓力監測之技術，取代傳統電子式之水壓計。

3.2.1. 光纖訊號傳輸原理

光纖一般是由矽玻璃或塑膠製成，直徑約在 125µm 至 450µm 之間，中 心為折射率較高核心（Core）其外披覆折射率較低外層（Cladding）所組成 （圖 3.1），光束藉由全反射在光纖中傳播，而其最大的優點就是光能量的 損失因為內全反射的作用而降到最低。 圖 3.1 光纖構造 根據史涅爾定律（Snell’s law），當光線由折射率較大介質進入折射率 較低介質時，將有部分光線被反射回到原來介質，而部分光線則以另一角 度折射進入較低折射率介質當中，其公式為： 2 2 1 1sinφ n sinφ n = _(3.1) 其中 n1、n2 = 入射端與折射端介質折射率 1 φ 、φ2= 入射角及折射角 當入射角逐漸增大時，折射角也隨之變大，直到折射角等於 90o_時，光 線便尋該折射介面傳播，此時入射角即稱為臨界入射角 ac，其公式如下：

    − = ⇒ ° = 1 2 1 2

1sin sin90 sin

n n n n αc αc (3.2) 當入射角持續增大，此時光線將不再產生折射，所有光線將全部反射 回原來介質當中，此稱為內全反射（Internal total reflection）。如圖 3.2中， 兩條光線都從 A 點注入光纖核心中，其中實線光比虛線的光入射角小。兩 條光線由外界（空氣中）射入光纖中時，發生了一次折射，使得兩條光的 折射角都比原本的入射角來的小。虛線光（初始入射角較大者）在通過 A 點進入核心後，這條光在核心與外層的介面 B 又發生了一次折射，然後在 於外層與空氣的介面 C 再折射一次然後離開了光纖。而實線光，在 A 點折 射後，光在核心與外層的介面 B’點發生了一次內全反射，於是光就被限制 在光纖中傳遞。我們以 ac表示在核心與外層間發生內全反射的的臨界入射 角。在大於 ac入射角的光線會在光纖中傳播，實線的光線就是要在光纖中 傳遞的臨界光線。臨界光線與光纖的中心線夾了一個 ?c 的角，大於 ?c 角度 的光線不會在光纖中傳遞，如 ?1 的光線就離開了光纖。這個 ?c 角稱為臨 界傳播角（critical propagation angle），這個 ?c 與前面的臨界入射角並不相 同。我們由簡單的幾何可得到下面式子： 1 2 cos sin n n c c = θ = α (3.3) 小於臨界傳播角（?c）的光線會光纖中傳播。根據電磁學理論，光在 光纖傳播時會受 n1，n1、n2 相對數值的大小，光波長以及光纖核心直徑而 影響光在光纖內傳播模式（modes of propagation）。光以單一模式傳遞時其 耗損或擾動最小。因此光纖通訊或監測常使用單模光纖（single mode optic

圖 3.2 光纖中的光傳播

3.2.2. 光纖感測簡介及分類

3.2.2.1. 光纖傳感器的分類

以感測元件來分類光纖感測的方法一般可分為： 非本質式(Extrinsic) 在非本質性的感測器中，光纖只扮演著替感測組件傳送光訊號的傳輸 介質，並不負責感測外界的待測物理量。例如當兩根光纖是互相水準對準 固定的，雷射光由一根光纖出來，並進入另一根光纖。當中間的 shutter 隨 著感測物的移動而移動時，會造成兩根光纖間光耦合損失變動，此時藉由 偵測光纖所接收到的功率就可以得知感測物的位移變動量，所以在這種場 合中，光纖並不扮演感測的角色，只是負責傳送光訊號而已。 本質式(Intrinsic) 本質性的光纖傳感器中，光纖扮演著主要的角色，因為外界的待測量 會直接改變在光纖傳輸的光訊號特性，所以只要偵測此光訊號的特性改變 量就可以得知外界的待測物理量大小。在本質性光纖傳感器中，最典型的 應該算是光纖光柵（fiber grating），即是本計畫所使用的光纖傳感器。

以調變類型作為分類一般可分為： 光強度(intensity)調變： 藉由光的吸收、發射損失、散射等特性，量測環境改變狀況。此方式 常需要穩定光源，否則精度將會限制，且不易達成多工需求。 相位(phase)調變： 藉由量測兩道光波中相位變化差異來量測感測單元所受到物理量變化 情況。此種感測方式可以獲得極高精度，但僅能獲得監測儀器啟動期間相 位變化情況。 波長(wavelength)調變： 藉由波長飄移量測環境變化，本次所使用的光纖光柵感測器即此一類 型。

3.2.2.2. 多工光纖感測系統

至今發展的光纖感測系統可應用于應力應變數測者且有多工能力者不 在少數，以型式區分大致可分為四種：其中以 TDM 與 WDM 較廣為使用，

TDM 型式的感測器以各類型的 Optic Time Domain Reflectometry (OTDR)最 為常見；而 WDM 感測器依照感測點對光的影響方式主要又分為兩種：干 涉式與反射式，前者以 Fabry-Perot 干涉式感應器為代表；後者以 Fiber Bragg Grating 光柵反射式感應器為代表。光纖光柵感測器則是本計畫所使用光纖 傳感器，其原理與性質介紹如下。

3.2.2.3. 光纖光柵感測

光纖光柵（Fiber Bragg Grating）的製造是利用高能量同調雷射對光纖 曝光造成折射率永久改變，成為一系列週期為Λ的明暗條紋，此稱為光纖光 柵（以下簡稱 FBG）。當一寬頻光耦合進入此一光纖時，除了滿足布拉格條 件(Bragg condition)的特定波長會被反射外，其餘波長都會穿過此光柵繼續

前進。布拉格反射波長λB為:

Λ

=

n

B

2

λ

_(3.4) 其中 n = 光纖纖心的有效折射率 Λ = 折射率週期性改變的間距 圖 3.3為 FBG 構造示意圖，光柵中的週期明暗條紋類似在光纖中製造 一系列透鏡組合，當寬頻光束通過這些透鏡組合時，將會造成某特定頻率 光波被反射回發射端，而其他頻率光波則繼續向前傳導，而這些透鏡的間 距不同，則被反射光波頻率亦不相同。圖 3.4為其作用說明示意圖，左下角 為入射光的頻譜，中間為穿透光纖光柵後的光頻譜，右下角實線為反射光 波的頻譜，穿透光與反射光頻譜迭加即為原始的入射光頻譜。 圖 3.3 FBG 量測原理示意圖

grating sensor(λj) measurand field λ3 λ2 encoded wavelength λ returns λ I I I coupler λ spectrum input source broadband λ1 outputs shift decoding wavelength I λ 圖 3.4 FBG 感測器量測原理示意圖

3.2.2.4. 均勻應變與 FBG 波峰改變關係

當光柵受到外力而在光柵內部產生一均勻應變，如圖 3.4所示時，造成 原本間距Λ的改變增加量為∆Λ，帶入公式 3.4 式可以得到 ∆Λ = ∆λ_B 2n _(3.5) 根據應變的定義 Λ ∆Λ = ∆ = l l ε (3.6) 得到 l n n l l B B × ∆ = Λ ∆Λ = ∆ ) 2 2 ( ) ( λ λ (3.7) 因此 B B l l λ λ ε = ∆ = ∆ (3.8) 此外，應力施加產生應變以後，不只是反射回來的λB 會改變，光纖的 有效折射率 n 也會同時改變。因此上式應該被修正為

ε λ λ K l l K B B = ∆ = ∆ (3.9) B B

K

λ

λ

ε

×

∆

=

(3.10) 因此利用圖 3.4右下角頻譜圖反射頻譜尖峰值變化量，可正確獲得光纖 光柵所承受應變大小。

3.2.2.5. 溫度與波長改變關係

當 FBG 受到溫度變化時，波長改變量可由下式表示

(

+

)

×∆T = K_t ×∆T = ∆ _{ξ α} λλ _(3.11) 其中

? = 光纖的熱光係數(Thermal Optical Coefficient) a = 光纖的熱膨脹係數(Thermal Expansion Coefficient) Kt = 溫度敏感係數 布拉格波長飄移並非完全線性，在高溫時溫度變化會使波長改變較為 顯著，因為在 ? 在 150 ℃約為6.9×10−6_{1/ ℃，450 ℃時則變為約}9.6×10−6_{1/ ℃，} 而熱膨脹係數α =0.55~1.1×10−6 _{1/ ℃。然而在室溫條件下，1℃的溫度變化} 約使得布拉格飄移約1.1~1.2×10−2nm_{(1nm = 1×10}-9 m)。 只要在光柵製作時刻意安排不同的波長的光柵製作於同一條光纖上， 利用足夠強度的寬頻光源，或安排多點光源串接於光耦合器，就可以在同 一時間內一次量測數點至數百點的應變訊號，而達到多工性的功能。若以 傳統的電路排列需要安置數百條的電線，且電線之間彼此因為電磁效應會 相互的干擾，產生雜訊，影響量測結果的準確性；光纖傳感器不但只需要 一至兩條的光纖即可，不占空間，另外沒有電磁干擾的問題，只要光源足 夠就可以大量使用，準確性不減。

3.2.2.6. 漸變 FBG 與波峰寬度之關係

FBG 受應變或溫度影響，會產生前述如圖 3.3 與 3.4所示波峰之飄移， 而此波峰變寬量會正比於 FBG 應變量。此設計之優點是簡單而體積小，但 FBG 讀數會受溫度之影響，因此需要做溫度之修正。漸變週期式（chirped） FBG 是指 FBG 內的光柵應變之分部是漸變的(如圖 3.5)，假設一原週期均勻 分佈之 FBG 當受到外力而產生漸變式應變時其 FBG 波峰寬度會變寬如圖 3.6所示，而非如圖 3.4所示當 FBG 受均勻應變所產生波峰之移動。此設計 之優點是 FBG 反應不受溫度變化之影響而結構簡單。 圖 3.5 光纖光柵內連續遞增之漸變應變 圖 3.6 連續遞增之漸變應變所產生 FBG 尖峰波長寬度之改變

3.2.3. 現有光纖壓力量測技術

現有光纖壓力計其壓力或位移調解（modulate）之方法可以包括：光強 度（intensity）、光纖光柵（FBG）與光干涉（interferometry）等。Rao et al. (1994)使用一薄膜來反射經過光纖傳出之光源，如圖 3.7所示。當薄膜受壓 而變形後其反射之光強度減弱，然後根據光強度降低與薄膜變形之關係來 調解壓力。使用光強度調解壓力最主要之缺點是長期穩定度，光強度除受 調解因素影響之外也受光源強度之影響，因此當光源強度變化時會造成錯 誤之解讀，不利於長期使用。 詹凱博（2004）使用 FBG 做為壓力調解之原件，將一 FBG 黏接在醫學 用針孔內，FBG 兩端在針孔內用膠封死，在與 FBG 接觸之針邊緣開孔並以 薄膜覆蓋如圖 3.8所示。薄膜受壓後擠壓 FBG 造成 FBG 之拉伸，根據 FBG 拉伸量與 FBG 波長飄移之關係來解讀壓力之變化。此一設計有其體積小之 優點，但需對 FBG 波長讀數做溫度修正，此設計之靈敏度也偏低。 圖 3.7 使用薄膜反射光強度調解壓力（摘自 Rao et al., 1994） 圖 3.8 FBG 針孔式壓力計（摘自詹凱博，2004）

Raman (1999)研發直接使用裸光纖光柵感測壓力之方法如圖 3.9所示， 壓力會使光纖光柵產生徑向（radial）與軸向(longitudinal)之應變，利用光纖 光柵感應軸向應變的方法來解讀壓力，但光纖光柵彈性模數較大，所以光 纖光柵對於壓力反應靈敏度不佳，靈敏度為 6 1 10 98 . 1 × − − − MPa 。 圖 3.9 裸光纖光柵壓力感測器(摘自 Raman, 1999)

Zhang et al. (2001) 修改 Raman 的研究中靈敏度不佳的問題，利用聚合 物的彈性係數較小的特性，將光纖光柵封裝於聚合物中，如圖 3.10 所示， 利用聚合物受壓會產生橫向延伸之特性來增加對光纖之軸向應變以提高光 纖光柵對於壓力的靈敏度，以聚碳酸酯為外襯的光纖光柵為例，其對壓力 量測的靈敏度為 5 1 10 25 . 6 × − − − MPa 。但聚碳酸酯缺乏彈性與耐用之特性，此 壓力計讀數與壓力間缺乏重複性與線性之關係。 圖 3.10 以聚合物為外襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001) Xu et al. (1996) 發展出以球狀玻璃為外殼的壓力感測器，如圖 3.11 所

示，當玻璃球受壓時，該玻璃球內徑將隨著壓力的變化而變形，而黏貼於 玻璃球直徑上的光纖光柵也會產生軸向應變。此種感測器的靈敏度約為 1 5 10 12 . 2 × − − − MPa 。玻璃球易碎，同時也缺乏線彈性之特性，不利於工程 之應用。 圖 3.11 球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器(摘自 Xu et al., 1996) Zhang et al. (2001) 發展出以聚合物為外襯加以封裝之壓力感測器，如 圖 3.12所示，此感測器有鋁質外殼，光柵穿過鋁質圓桶的中心，並以軟性 聚合物將光柵固結於鋁質圓桶中，藉外界壓力對聚合物產生擠壓變形時， 聚合物會往軸向變形，進而帶動光柵的變形。唯此種方式可能造成光纖光 柵產生非均勻的應變，使得量測結果缺乏穩定性與重複性。 圖 3.12 以聚合物為內襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001)

Sheng et al. (2004) 因為光纖光柵為撓性不能感測壓縮，所以在軸向壓 縮上的線性程度不佳，此感測器乃採用拉伸光纖光柵的方式來製造壓力感 測器，如圖 3.13 所示，其工作原理為將光纖光柵埋入軟性聚合物中，當感 測器受到側向的外力作用時，聚合物便會往軸向伸展，使得光纖光柵也一 起拉伸。軟性聚合物缺乏彈性與耐用之特性，此壓力計讀數與壓力間缺乏 重複性與線性之關係。 Liu et al. (2000) 利用特殊的聚合物封裝，發展出一壓力感測器，如圖 3.14 所示，左端的 FBG1 使用受高靈敏的聚合物 A 封裝，其餘的 FBG2 由 另一聚合物覆蓋 B，此聚合物 B 僅作為保護作用，不對於 FBG2 的產生應 變，因此兩個光柵會發生不同的應變量，藉此得到壓力值。 圖 3.13 側壓式壓力感測計(摘自 Sheng et al., 2004)

圖 3.14 不同聚合物封裝之光纖光柵壓力感測器(摘自 Liu et al., 2000) 光纖光柵為易受溫度影響的感測器，上述之壓力感測器均未對此影響 加以考慮，所以量測誤差大；另一缺點為柔性聚合物不具線彈性並且容易 產生塑性變形，此種感測器不利於長期監測使用。 Heo et al. (2005) 發展出微型光纖光柵壓力感測器，其簡易構造圖如圖 3.15 所示，其感測物件由一圓形板所構成，光纖光柵穿過於圓板中，當壓 力由物件的上方施加時，光纖光柵會被拉伸，如圖 3.15 (b) 所示的情形， 因為此種感測器是作為按鍵使用，所以設計時不考慮溫度對於光纖光柵的 影響，僅需考慮外力對光纖光柵產生的變化。 (a) (b) 圖 3.15 微型光纖光柵壓力感測器(摘自 Heo et al., 2005)

Kojima et al. (2003) 利用傳統壓力計常用之巴登管(Bourdon tube)發展 一光柵壓力感測器，如圖 3.16 所示，巴登管是將具橢圓形斷面之銅合金薄 管，彎成圓弧形，彎管之一端密封且允許有活動伸展空間，其另一端不封 閉且焊定於固定管接頭上。當氣體或液體壓力自管接頭處引入時，會使彎 管有向外伸展的趨勢，彎管末端連結光纖光柵，使光柵受到拉力作用，由 光柵的變化向換算為壓力值，此感測器有放置一溫度光纖作為光纖受溫度 影響時的比較值。此設計以考慮溫度之修正，並有巴登管高重複性與線性 之優點，但巴登管體積大同時成本高昂。 Zhao et al. (2004) 利用雙 FBG 方式製作感測器，如圖 3.17所示，此感 測器的感測原理為將兩條光纖光柵分別黏貼於懸臂樑上下兩相對應的位 置，當懸臂樑變形時，兩個光纖光柵會分別承受拉應力與壓應力，雖然溫 度會對光纖光柵造成影響 ，但經由兩光纖光柵波長互減可以消除溫度對 FBG 之影響。此設計主要缺點在於懸臂樑必須有一自由端，因此無法使用 懸臂樑本身來隔離 FBG 而達到氣密的效果，在此限制條件下必須另外加裝 隔離膜，如圖 3.17 中之 active cylinder，才能達到壓力感測之目的。此一設 計將使得感測器之複雜度提高而靈敏度乃至於線性度降低。 圖 3.16 巴登管式光柵壓力感測器(摘自 Kojima et al., 2003)

圖 3.17 雙光纖光柵懸臂式壓力感測器(摘自 Zhao et al., 2004) Dong et al. (2005) 使用漸變式光纖光柵 (CFBG) 製作感測器，將 CFBG 黏貼在一直角三角板的長邊處，如圖 3.18 所示，並斜穿過此三角板的中性 軸，這種方式可以讓光纖光柵同時產生拉應變與壓應變，當變形產生時， 光纖光柵的帶寬（Bandwidth）增加而中心波長不改變，如圖 3.18 所示。溫 度只對光纖光柵中心波長產生影響而不會改變光纖光柵的帶寬，；此種解 析方式可以消除溫度所產生之影響。但此設計與 Zhao et al. (2004)所用之懸 臂式壓力感測器有類似之缺點，三角板本身無法隔離 FBG 而達到氣密的效 果，在此限制條件下也必須另外加裝隔離膜，才能達到壓力感測之目的。 此一設計將使得感測器之複雜度提高而靈敏度乃至於線性度降低。 圖 3.18 CFBG 感測器裝置示意圖(摘自 Dong et al., 2005)

圖 3.19 CFBG 感測器的反射頻譜圖(摘自 Dong et al., 2005)

Rao et al. (1994) 以 Fabry-Perot 光干涉的技術設計一感測器如圖 3.20所 示 ，在 光纖 末端 形成 一空 腔 （ cavity）。 當 光 離 開 光 纖 進 入 空 腔 會 產 生

Fabry-Perot 光干涉之效應。利用 Fabry-Perot 光干涉與空腔距離之關係來做 壓力會應變之解讀 。此 設 計 不 受 溫 度 之 影 響， Fabry-Perot 為 非 分 佈 式 （non-distributive）之設計，同一光纖上只能使用單一感測器，其經濟性不 如 FBG 感測器。

3.2.4. 交通大學光纖光柵壓力感測器之研發

本計畫所研發光纖光柵（FBG）水壓計之解析方法使用 FBG 波峰漂移 以及波峰寬度改變兩種方法來調解（modulate），這兩種方法分別敘述如下:

差異/漸變感應式光纖光柵感測器:

差異 /漸變感應式光纖光柵感測器（ Differential/Chirped Fiber Bragg

Grating Sensor），或簡稱 D/C-FBG 感測器，是利用薄板力學的理論（溫谷 琳 ， 2003 ）， 將 多 個 或 單 一 FBG 黏 貼 在 一 邊 緣 束 制 之 圓 形 彈 性 薄 板 (diaphragm)，如圖 3.21 所示。以圖 3.21 為例，圓形彈性薄板將光纖（在薄 板底面）與受壓力面（在薄板上面）完全隔離;分成隔離區(isolated zone)與 受力區（pressurized zone）。隔離區完全密閉，感測器外部之壓力無法傳入。 依照薄板理論，當邊界束制的薄型圓薄板上面（受力區）受到壓力而使得 圓心部位向下變形時，薄板底面從圓心到邊界的應變會在圓心區域呈現伸 張應變，經過無應變之中性圓線（circle of neutral strain）然後於靠近邊界處 成為受壓縮應變之軸對稱（axisymmetric）分佈。如果此邊界束制的圓型薄 板上面（受力區）受到吸力而使得圓心部位向上變形時，上述之應變分佈 則相反。 neutral strain Circle of frame Rigid zone Isolated zone Pressurized Inlet Diaphragm optic fiber w/ protection sheath Top view Section view