地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之研究

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地球物理探測技術於水庫構造物

安全檢查應用之研究

Application of Geophysical methods in

Dam Safety Evaluation

主辦機關：經濟部水利署水利規劃試驗所

執行單位

：

國立交通大學

中華民國 101 年 12 月

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地球物理探測技術於水庫構造物

安全檢查應用之研究

Application of Geophysical methods in

Dam Safety Evaluation

主辦機關：經濟部水利署水利規劃試驗所

執行單位：國立交通大學

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目錄 ... 目-1 表目錄 ... 表-1 圖目錄 ... 圖-1 摘要 ... 摘-1 Abstract... 英-1 結論與建議 ... 結-1 第壹章前言 ... 1-1 一、計畫緣起 ... 1-1 二、計畫目的 ... 1-1 三、工作項目及內容 ... 1-1 四、計畫流程 ... 1-3 第貳章基本資料收集與分析 ... 2-1 一、臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法 ... 2-1 (一) 臺灣現行水庫構造物安全檢查相關法規 ... 2-1 (二) 水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇) ... 2-3 二、水庫構造物安全檢查常見問題 ... 2-8 (一) 臺灣地區水庫安全檢查常見問題 ... 2-9 (二) 國際水庫安全檢查常見問題 ... 2-12 (三) 安全檢查常見問題綜合整理 ... 2-14 三、地球物理探測技術 ... 2-16 四、國際地球物理方法應用手冊及導引介紹 ... 2-24

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(一) 美國聯邦高速公路部門手冊 ... 2-25 (二) 美國 ASTM 標準試驗手冊 ... 2-26 (三) 日本地球探勘物理學家協會(SEGJ)手冊 ... 2-26 第參章地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查適用性評估與分析 ... 3-1 一、適合應用於水庫構造物安全檢查應用之地球物理探測技術選定 ... 3-1 (一) 常見安全檢查問題之相對應反映物理量 ... 3-2 (二) 常見安全檢查問題適用之地球物理探測技術 ... 3-6 二、地球物理探測技術應用案例蒐集 ... 3-10 三、地球物理探測技術之現地應用問題評析 ... 3-19 (一) 現地應用問題評析要點說明 ... 3-19 (二) 地電阻影像探測法現地應用問題評析 ... 3-21 (三) 自然電位法現地應用問題評析 ... 3-24 (四) 電磁探測法現地應用問題評析 ... 3-26 (五) 透地雷達探測法現地應用問題評析 ... 3-27 (六) 彈性波層析成像法現地應用問題評析 ... 3-30 (七) 多頻道表面波震測法現地應用問題評析 ... 3-34 第肆章地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立 ... 4-1 一、地球物理探測技術應用方法概念 ... 4-1 二、地球物理探測技術選用索引表建立 ... 4-2 (一) 地球物理探測技術選用索引表建立概念 ... 4-3 (二) 地球物理探測技術選用分類建立 ... 4-3 (三) 地球物理探測技術參考案例索引建立 ... 4-7 三、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用導引(手冊)

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四、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法 ... 4-17 第伍章地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估 ... 5-1 一、現地評估之水庫構造物選擇 ... 5-1 (一)現地評估土石壩場址選擇 ... 5-1 (二) 現地評估混凝土壩場址選擇 ... 5-3 二、現地評估之水庫構造物介紹 ... 5-5 (一) 新山水庫背景說明 ... 5-5 (二) 西勢水庫背景說明 ... 5-11 三、現地評估工作規劃與試驗成果 ... 5-15 (一) 新山水庫現勘與現地評估工作規劃 ... 5-15 (二) 新山水庫現地施作與試驗成果 ... 5-17 (三) 西勢水庫現勘與現地評估工作規劃 ... 5-27 (四) 西勢水庫現地施作與試驗成果 ... 5-29 第陸章水庫構造物安全檢查教育訓練 ... 6-1 參考文獻 ... 參-1 附錄一報告審查意見回覆 ... A1-1 附錄二地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用導引手冊(初稿) ... A2-1 附錄三教育訓練問卷調查表 ... A3-1

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表目錄

表摘-1 地球物理探測技術選用索引表(例) ... 摘-2 表 2.1 國內水庫與大壩安全檢查發現可能潛在問題整理表 ... 2-10 表 2-2 混凝土壩與土石壩常見之潛在破壞模式(修改自林俊宏等，2008) ... 2-13 表 2-3 混凝土壩與土石壩常見之安全檢查問題 ... 2-15 表 2-4 地球物理探測技術量測物理量 ... 2-24 表 2-5 不同地球物理技術應用手冊優缺點比較表 ... 2-27 表 3-1 混凝土壩常見安全檢查問題之相對應反映物理量 ... 3-3 表 3-2 土石壩常見安全檢查問題之相對應反映物理量 ... 3-5 表 3-3 混凝土壩常見安全檢查問題之適用地球物理探測技術 ... 3-8 表 3-4 土石壩常見安全檢查問題之適用地球物理探測技術 ... 3-8 表 3-5 地球物理探測技術於大壩安全檢查應用案例整理表 ... 3-18 表 4-1 混凝土壩常見安全檢查問題地球物理探測技術選用索引表 .. 4-9 表 4-2 土石壩常見安全檢查問題地球物理探測技術選用索引表 .... 4-10 表 5-1 混凝土品質優劣及波速速度分類 (Leslie and Cheeseman, 1949) ... 5-31 表 6-1 地球物理探測技術於大壩常見安全檢查問題應用教育訓練議程表 ... 6-1

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圖目錄

圖摘-1 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用流程圖 ... 摘-3 圖摘-2 新山水庫電磁波探測法(a)以及地電阻影像探測法(b)探測成果圖 ... 摘-4 圖摘-3 西勢水庫震波層析成像速度剖面柵狀圖 ... 摘-4 圖 1-1 計畫流程圖 ... 1-4 圖 2-1 臺灣現行水庫構造物安全檢查之法規關係圖 ... 2-2 圖 2-2 水庫安全評估程序 ... 2-5 圖 2.3 具大壩安全檢查問題水庫分布圖 ... 2-9 圖 2-4 電阻率影像剖面圖 (新山水庫) ... 2-17 圖 2-5 自然電位影像平面圖 (Johansson et al., 2005) ... 2-18 圖 2-6 感應極化法影像剖面圖 (Advanced Geosciences Inc., 2010) . 2-19 圖 2-7 透地雷達 3D 影像(大觀電廠溢洪道) ... 2-19 圖 2-8 電磁探測法平面影像圖(改繪自邱維宣等，2009) ... 2-20 圖 2-9 重力探測法平面影像圖(Spicer et al., 2011) ... 2-21 圖 2-10 壓縮波波速影像剖面圖(石門水庫廊道) ... 2-22 圖 2-11 剪力波波速影像剖面(新山水庫壩基) ... 2-23 圖 2-12 反射震測法影像剖面(Sloan et al., 2007) ... 2-23 圖 3-1 適合應用於水庫構造物安全檢查應用之地球物理探測技術選定方法 ... 3-2 圖 3-2 水社壩標準斷面圖(台灣電力公司，民國 98 年) ... 3-12 圖 3-3 水社壩 3D 地電阻探測測線位置圖 ... 3-13 圖 3-4 水社壩 3D 地電阻探測測線相互關係圖 ... 3-14 圖 3-5 SE-H 測線 3D 電阻率影像圖(台灣電力公司，民國 98 年).... 3-15 圖 3-6 SE-L 及 SE-R 測線 3D 電阻率影像圖(修改自台灣電力公司，民國 98 年) ... 3-16 圖 3-7 水社壩地電阻探測綜合判釋結果(台灣電力公司，民國 98 年)

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... 3-17 圖 3-8 地球物理探測技術之現地應用問題評析內容 ... 3-20 圖 3-9 平板式電極(修改自經濟部水利署，民國 94 年) ... 3-23 圖 3-10 天線頻率與解析度關係圖(修改自 EKKO UPDAT, 1996) ... 3-29 圖 3-12 自由落錘震源系統(修改自經濟部水利署，民國 94 年) ... 3-36 圖 3-13 仁義潭殼層表面波震測頻散曲線影像(摘自經濟部水利署，民國 94 年) ... 3-37 圖 4-1 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用過程示意圖 .. 4-1 圖 4-2 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用概念示意圖 .. 4-2 圖 4-3 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用手冊架構說明圖 ... 4-17 圖 4-4 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用流程圖 ... 4-18 圖 5-1 臺灣地區土石壩常見安全檢查問題數量統計圖 ... 5-2 圖 5-2 臺灣地區混凝土壩常見安全檢查問題數量統計圖 ... 5-4 圖 5-3 新山水庫大壩標準斷面圖（修改自 Peng et. al, 2008） ... 5-6 圖 5-4 壩址地質圖（台灣自來水公司，民國 97 年 a） ... 5-7 圖 5-5 壩體加高後基礎隔幕灌漿平面圖（摘自台灣自來水公司，民國 97 年 a） ... 5-8 圖 5-6 民國 91 年左山脊隔幕灌漿施工平面圖（摘自台灣自來水公司，民國 97 年 a） ... 5-9 圖 5-7 新山水庫壩體下游面滲水點位置示意圖（台灣自來水公司，民國 97 年 a） ... 5-9 圖 5-8 新山水庫殼層及左山脊地電阻影像剖面 ... 5-10 圖 5-9 新山水庫大壩斷面圖與潛在滲漏區域 ... 5-11 圖 5-10 新山水庫滲漏點流量與降雨關係 ... 5-11 圖 5-11 西勢水庫壩體平面圖 ... 5-12

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... 5-15 圖 5-14 新山水庫壩體及壩址滲漏問題地球物理探測技術現地施作規劃示意圖 ... 5-17 圖 5-15 新山水庫電磁探測法現地施測情形 ... 5-18 圖 5-16 新山水庫電磁探測法探測成果 ... 5-19 圖 5-17 新山水庫地電阻探測法測線規劃(根據電磁探測法成果調整) ... 5-19 圖 5-18 新山水庫地電阻探測法現場施測情形 ... 5-20 圖 5-19 E1 測線地電阻影像剖面(wenner 法施作) ... 5-23 圖 5-20 E1 測線地電阻影像剖面(pole-pole 法施作) ... 5-23 圖 5-21 E2 測線地電阻影像剖面(wenner 法施作) ... 5-24 圖 5-22 E2 測線地電阻影像剖面(pole-pole 法施作) ... 5-24 圖 5-24 E3 測線地電阻影像剖面(pole-pole 法施作) ... 5-25 圖 5-25 地電阻影像剖面綜合判釋 ... 5-26 圖 5-27 西勢水庫壩體混凝土強度不足問題地球物理探測技術現地施作規劃示意圖 ... 5-29 圖 5-28 層析成像垂直剖面(L1~L3)震源及接收器佈置示意圖 ... 5-30 圖 5-29 層析成像現場施作情形 ... 5-30 圖 5-30 層析成像橫向剖面(H1~H2)震源及接收器佈置示意圖(虛線位於壩體內部至上游側，虛線區為預定速度剖面資料區) ... 5-31 圖 5-31 測線 L1 速度分布剖面圖(▼表接收器；╳表震源位置) .... 5-33 圖 5-32 測線 L2 速度分布剖面圖(▼表接收器；╳表震源位置) .... 5-33 圖 5-33 測線 L3 速度分布剖面圖(▼表接收器；╳表震源位置) .... 5-35 圖 5-35 測線 H2 速度分布剖面圖(▼表接收器；╳表震源位置) .... 5-37 圖 5-36 西勢水庫震波層析成像速度剖面柵狀圖 ... 5-37 圖 6-1 教育訓練現場情形 ... 6-2 圖 6-2 教育訓練問卷成果 ... 6-3

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摘要

一、前言 目前臺灣地區水庫之安全檢查主要大部份尚以目視以及監測資料做為最直接之第一手安全診斷基礎，但其主要為顯露於構造物表面之狀態，無法提供構造物內部之損害情形以及可能損害範圍及其路徑過程，具非破壞性且可快速大面積施作之地球物理探測技術實為一有效之輔助工具。雖然地球物理探測技術具有應用潛力，但因水庫構造物具有其特殊性，因此規劃辦理本計畫，以期建立一地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之方法，並透過地球物理探測技術提升水庫構造物安全檢查及其維護營運作業之成效。 二、資本資料收集與分析 (一) 根據對臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法之瞭解，提出地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之切入點。 (二) 由對水庫構造物安全檢查常見問題之統整與調查，整理出目前國內及國外常見之大壩安全檢查問題，據以提供建立適用地球物理探測技術索引表的基礎。 (三) 在對地球物理探測技術之資料收集中，針對九種常見之地球物理探測技術進行基本原理以及其探測重點之瞭解，作為後續應用方法建立時之技術考量內容。 三、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查適用性評估與分析 (一)針對常見大壩之安全檢查問題適用之地球物理探測技術進行檢討，考量地球物理探測技術之適用性與可達到之探測靈敏度，將地電阻影像探測法、自然電位法、電磁探測法、透地雷達探測法、彈性波層析成像法以及多頻道表面波震測法與常見大壩安全檢查進行適用

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性評估，而建立地球物理探測技術於大壩常見安全檢查問題應用之選擇表，作為後續應用方法建立索引表(如摘表-1 所示)時之核心資料。 摘表-1 地球物理探測技術選用索引表(例) 壩型位置安全檢查問題適用之地球物理探測技術選用分類參考案例檢索土石壩 (例) 壩體/ 壩頂裂縫彈性波層析成像法 B2 中國大陸-南水水壩-壩體-裂縫-透地雷達探測法。多頻道表面波震測法 C 地電阻影像探測法 B1 透地雷達探測法 B3 電磁探測法 A 壩體坡面滑動多頻道表面波震測法 B 臺灣-烏山頭水壩-壩體-坡面滑動-表面波震測法 (二) 在地球物理探測技術應用案例之蒐集上，將由國內外研討會或期刊中所收集之相關案例以案例檢索資料、壩體環境與安全檢查問題說明、地球物理探測技術規劃與現地應用問題、檢測成果說明以及應用成果評析五個主題進行整理，共收集有國內外 18 個案例整理，可作為與所建立之地球物理探測技術於大壩常見安全檢查問題應用之參考使用。 (三) 各地球物理探測技術皆有其應用特性而需針對不同之現地情況進行問題評析，本計畫中針對探測方法之判釋、探測儀器適用性以及水庫構造物背景環境之影響對前述六個地球物理探測技術進行問題評析，以作為現地應用時規劃要點以及因地制宜時之需要。 四、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立 (一) 透過前述的工作項目整合進行地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法之建立，在方法的建立上，以提供工程管理者規劃使用為主要目的，將地球物理探測技術應用之規劃過程簡化為發現安全檢查問題調查需求、適當地球物理探測技術之選擇以及探測內容之規劃(包含測線或測區、特定之施作方式、施作數量等)三個步驟(如

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表(如摘表-1 所示)，表中為可考量對探測問題之資訊量而設有選用類組加以區分不同程度資訊之地球物理探測技術，另有案例參考索引資料作為規劃參考之用。 (二) 根據所建立之方法，將其概念落實至導引手冊的建立上，導引手冊內容架構為兩個部分共三章兩個附錄，將前述簡化之三個步驟所需之資料納入此三章兩附錄內容之中(如摘圖-1 所示)，內容中除會有規劃要點外，亦說明如何恰當訂定招標規格，以便便利管理人員可做為標案撰寫之工具手冊使用。安全檢查問題調查需求地球物理探測技術應用索引表調查規劃要點選用類別

1

2

3

參考案例 (導引手冊第貳章) (導引手冊第參章) (導引手冊附錄A) (導引手冊附錄B) (導引手冊第貳章) 壩型位置安全檢_查問題適用之地球物理_探測技術選用類別參考案例混凝土壩壩基滲漏地電阻影像探測法 B 自然電位法 A 彈性波層析成像法 C1 索引表 摘圖-1 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用流程圖 五、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估之工作，根據多項理由選定新山水庫以及西勢水庫作為現地評估場址，評估內容在新山水庫方面以調查其壩體與壩趾之滲漏為主，根據所建立之選用方法，考量施作效益與經費需求，在新山水庫進行電磁探測法以及地電阻影像探測法等二項地球物理探測技術之現地應用測試(如摘圖

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-2 所示)；而在西勢水庫方面，以調查壩體混凝土強度不足為主，根據所建立之選用方法，採用彈性波層析成像法進行調查，共規劃有三組垂直剖面測線以及一組斜剖面測線(如摘圖-3 所示)，測試結果納入作為案例參考，並回饋改善以建立之地球物理探測技術應用方法及水庫管理單位使用。根據應用成果顯示，本研究所建立之應用方法可順利提供水庫管理人員便利選用恰當之地球物理探測技術。 90 80 70 60 50 40 30 20 ELE. 90 80 70 60 50 40 30 20 ELE. Wenner Pole-Pole E1 E2 E3入滲區?入滲區? E2 E3 E1 棲止水? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 電阻率 ohm-m m E1 (Q斷面) E2 (M斷面) E3 (a) (b) 摘圖-2 新山水庫電磁波探測法(a)以及地電阻影像探測法(b)探測成果圖 摘圖-3 西勢水庫震波層析成像速度剖面柵狀圖

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教育訓練於 9 月 27 日假國立交通大學浩然國際會議廳順利舉辦圓滿結束，與會人士共計有 39 人，其中包括有水利署水資源局、河川局、水利規劃試驗所等政府機關以及台灣電力公司、台灣自來水公司與民間工程顧問人員，會中討論踴躍，可收推廣之效。

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英-1

Abstract

1. Introduction

Visual inspection and monitoring data of dam are the most fundamental means for the safety analysis of dams in Taiwan. However, the possible internal problematic area or internal safety condition are not available from the visual inspection. In order to collect the safety condition inside dams, geophysical methods are highly desirable due to their non-destructive characteristics. Although geophysical methods may provide useful information, the topography and geometry of zoning in the dam are complicated and quite different from their normal applications in site characterization. This project was aimed to review and look into the reliability and feasibility of applying geophysical methods in dams, and to propose a systematic guide for selecting proper geophysical methods.

2. Literature Review

Geophysical methods based on different theories, such as gravity, seismic, electrical and electromagnetic methods and typical dam safety issues collected from Taiwan and worldwide database were extensively reviewed and clean up for the following evaluation.

3. Evaluation of the feasibility of geophydical methods applied in dam safety evaluation

Geophysical methods, their capability and limitations, case histories, and typical dam safety issues are evaluated to design a problem-oriented index(such as Table A-1) which was designed for using the proposed guide

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for selecting proper geophysical methods. In the index, geophysical methods are categorized by the type of information the method can provide and level of effectiveness and a number of case histories were compiled for reference.

Table A-1 Index for selecting geophysical methods (example)

壩型位置安全檢查問題適用之地球物理探測技術選用分類參考案例檢索土石壩 (例) 壩體/ 壩頂裂縫彈性波層析成像法 B2 中國大陸-南水水壩-壩體-裂縫-透地雷達探測法。多頻道表面波震測法 C 地電阻影像探測法 B1 透地雷達探測法 B3 電磁探測法 A 壩體坡面滑動多頻道表面波震測法 B 臺灣-烏山頭水壩-壩體-坡面滑動-表面波震測法

4. Establishing systematical guide for selecting proper geophysical methods

In order to establish a systematical guide, the procedure of applying geophysical methods in dam safety evaluation is simplified to three steps(Figure A-1): 1. Identify the location and problem to be investigated; 2. Selecting proper geophysical method(s) based on the location and type of problem; 3. Planning the survey. Guidelines for each of the three steps were proposed.

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英-3 安全檢查問題調查需求地球物理探測技術應用索引表調查規劃要點選用類別 1 2 3 參考案例 (導引手冊第貳章) (導引手冊第參章) (導引手冊附錄A) (導引手冊附錄B) (導引手冊第貳章) 壩型位置安全檢查問題適用之地球物理探測技術選用類別參考案例混凝土壩壩基滲漏地電阻影像探測法 B 自然電位法 A 彈性波層析成像法 C1 索引表

Figure A-1 Simplified procedures of applying geophysical methods in dam safety evaluation

5. Evaluation of the guide with field cases

The use of the guide was demonstrated by two case studies, Hsinshan earth dam and Xishi concrete dam. The main concerns are seepage problem at Hsinshan earth dam and degradation of concrete strength in Xishi dam. Methods were systematically selected following the proposed guide and field surveys were conducted accordingly. Testing results were shown to provide useful information for assessing the problem of concern. The guide will help the dam owners or engineers to systematically select proper geophysical methods to suit specific problems found in dams and provide them guidelines for drafting the basic planning and requirements of geophysical investigation.

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90 80 70 60 50 40 30 20 ELE. 90 80 70 60 50 40 30 20 ELE. Wenner Pole-Pole E1 E2 E3入滲區?入滲區? E2 E3 E1 棲止水? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 入滲區? 電阻率 ohm-m m E1 (Q斷面) E2 (M斷面) E3 (a) (b)

Figure A-2 Resisitivity map of electromagnetic survey(a) and resisitivity profile of electrical resisitivity testing(b) in Hsinshan Dam.

Figure A-3 Tomography of Xishi Dam

6. Short course

One-day-short-course “Application of Geophysical methods in Dam Safety Evaluation” was held in National Chiao University in September 27, 2012. 39 people from offical agency and consulting company were attended the course and had an ardent disscusion.

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結論與建議

一、結論 (一) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立 1. 在方法的建立上，由臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法進行切入，並透過整理出目前國內及國外常見之大壩安全檢查問題，提供做為水庫管理者進行選用規劃使用。 2. 在方法中，將地球物理探測技術應用之規劃過程簡化為三個步驟，據以建立常見安全檢查問題地球物理探測技術選用索引表。 3. 選用索引表中使用評析後適用的 6 種地球物理探測技術，針對水庫構造物不同位置以及不同問題進行索引，並搭配選用分類進行施作目的考量，另有 18 個國內外案例可供參考。 4. 根據所建立之方法，將其概念落實至導引手冊的建立上，導引手冊內容架構為兩個部分共三章兩個附錄，考量水庫管理人員之需求提供所需內容，便利管理人員做為委託工作說明撰寫之工具手冊使用。 5. 透過新山水庫以及西勢水庫之安全檢查問題的地球物理探測技術選用，以及針對所收集的 18 個應用案例加以測試，結果顯示，本研究所建立之系統化應用方法對水庫管理人員確實具有實用性。 (二) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估 新山水庫：對新山水庫滲流問題進行下列幾點結論與建議 (1) 壩體內部有棲止水存在，應是壩面滲流之水源來源，而

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棲止水之範圍具有局部性。壩體內部棲止水之補充水源推測是為雨水，且其補充點可能主要在於道路系統。 (2) 道路系統可能為棲止水主要補注點，可進一步驗證其可能性。 (3) 在此調查結果中，心層所在位置皆未有出現預期中低電阻之明顯反應，是否因為目前探測深度內之心層位置長期位於水位面以上而有乾燥情形，造成電阻率上升或是其他可能潛在問題，建議可進一步探討。西勢水庫：以調查壩體混凝土強度不足為主，測試結果顯示 (1) 壩體之震波(P)速度低速區多位於下游壩面表層淺部及壩趾區域，波速呈現沿壩軸方向均勻帶狀分布，無明顯因破裂劣化造成之明顯向內部延伸之弱帶出現。 (2) 整體調查結果與西勢水庫第三次安全評估報告相吻合，在下游壩面之混凝土確實有強度較低之情況，然而利用地球物理探測結果更進一步提供壩體內容之強度狀態，顯示下游壩面表層雖受到風化影響而有強度弱化情形，但壩體內部依舊有足夠強度存在。 (3) 壩體標高 63-70 公尺部分區域以及取水工附近壩體下游測皆有較明顯的低速度區或是延伸性低速區出現，值得列為未來持續觀察檢測之區域。 二、建議 (一) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用導引手冊之

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1. 導引手冊規劃之架構與內容，可充分滿足水庫管理人員進行應用方法選用、委託工作說明撰寫以及獲得基本概念之需求，可推廣應用。 2. 建議可將內容建立成為數位內容，除可更有效便利推廣外，透過數位網站持續與使用者進行意見交流，並長時維護增加應用案例收集，使其成為具有參考價值之數位資料庫。 3. 可將成果精簡後於國內外之研討會進行發表推廣，除可收推廣之效外，亦可透過與相關工作專業人士與學術專家之互動改善不足之處。 (二) 地球物理探測技術作為水庫壩體監測技術之研究 1. 地球物理探測技術具有其實用性，然而其除較被動式地作為發現問題後的檢測工具外，其亦可更積極地作為監測工具，有助於提早發現潛在或正在發生之安全檢查問題。 2. 如同一般監測設施之配置，為可使其發揮確切之成效，具系統性地檢討壩體狀態，並以之規劃重要之地球物理探測技術監測斷面至為重要，建議可進行地球物理探測技術於水庫壩體監測系統化規劃之研究。 3. 若考慮國際上此技術應用於大壩監測尚屬發端，一般性之探討其內容恐過於龐大，可選擇恰當場址進行針對性之監測規劃研究，並以其作為未來推廣之示範基礎。

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第壹章前言

一、計畫緣起 目前臺灣地區水庫之安全檢查主要仰賴定期與非定期之水庫安全檢查與評估工作，而此評估工作大部份尚以目視以及監測資料做為最直接之第一手安全診斷基礎，雖然此些資料可做為水庫構造物之安全警示，但其主要為顯露於構造物表面之狀態，無法提供構造物內部之損害情形以及可能損害範圍及其路徑過程，造成安全危害之機制判定不易，影響後續工程改善之成效。對於水庫構造物內部之資訊雖可透過鑽探資料獲得，然而，不論管理單位對於在既有壩體上鑽孔之態度保守與否，其僅能獲得構造物特定數點之資訊不易瞭解整體狀態，且易因鑽孔位置之不當而誤判整體實際情形。在此考量下，具非破壞性且可快速大面積施作之地球物理探測技術實為一有效之輔助工具。雖然地球物理探測技術具有其應用於水庫構造物安全檢查之潛力，但因水庫構造物具有其特殊性，與一般地球物理探測技術所應用之場址有所差異，並且在針對不同問題之選用、可能應用方式以及可能遭遇的問題等尚未有較明確的瞭解，因此規劃辦理本計畫，以期建立一地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之方法，並透過地球物理探測技術提升水庫構造物安全檢查及其維護營運作業之成效。 二、計畫目的 (一) 建立地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之方法。 (二) 透過地球物理探測技術提升水庫構造物安全檢查及其維護營運成效。 三、工作項目及內容

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(一) 基本資料收集與分析 1. 臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法。 2. 水庫構造物安全檢查常見問題。 3. 地球物理探測技術。 (二) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查適用性評估與分析。 1. 適合應用於水庫構造物安全檢查應用之地球物理探測技術。針對不同水庫構造物之特性以及相對應之常見安全問題進行檢討，選定可應用於水庫構造物安全檢測之地球物理探測方法。 2. 地球物理探測技術應用案例蒐集。針對所選定之地球物理探測技術及水庫安全相關問題，蒐集國內外應用案例。 3. 地球物理探測技術之現地應用問題評析。選定後之地球物理探測技術將其應用至各水庫構造物時，因與一般使用於大地調查之場址有所不同，而可能面臨有應用上的問題，針對此些地球物理探測技術加以進行問題之評論分析與改善建議，以做為應用注意事項及後續研究改善方向之基準。 (三) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立。

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例以及現地評估之工作成果，建立一選擇使用之方法(步驟、流程及注意事項)，並提出水庫構造物安全檢查使用手冊，以提供水庫管理人員參考應用。 (四) 地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估。根據建立之地球物理探測技術安全檢查應用方法，以及對各技術之應用問題探討與改善成果，至少選定 2 座以上的水庫(須經甲方同意)，針對其安全問題進行安全檢查之輔助調查，並提供建議及注意事項。 (五) 水庫構造物安全檢查教育訓練 1. 水庫構造物安全檢查之應用。 2. 使用之方法選定(步驟、流程及注意事項)。 (六) 工作簡報及報告編撰 1. 期初、期中、期末及不定期工作會議。 2. 報告書之編撰及修訂。 四、計畫流程 本計畫工作項目包含有基本資料收集與分析、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查適用性評估、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立、地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估以及水庫構造物安全檢查教育訓練。根據各工作項目之關聯性繪製本年度工作流程圖如圖 1-1 所示，基本資料之收集與分析將首先進行，而後在地球物理探測技術適用性評估與分析中，以所收集之資料，根據常見之安全檢查問題進行適用之地球物理探測技術選擇，並同時進行各國之案例收集，再根據選擇之結果以及案例收集之

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成果，以其所需面臨之水庫構造物環境與施作條件分析此些地球物理探測技術之現地應用問題。由前述之成果，建立一套地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用之方法，並撰寫一本適合臺灣水庫管理人員使用之手冊，以供後續應用。而根據所提之方法，於國內水庫進行現地應用評估，並根據現地應用評估成果回饋修正所提出之方法，以便得現地適用之最佳應用方法，最終將本年度所獲得之成果整理進行教育訓練加以推廣。基本資料收集與分析臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法水庫構造物安全檢查常見問題地球物理探測技術地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查適用性評估與分析適合應用於水庫構造物安全檢查應用之地球物理探測技術地球物理探測技術應用案例蒐集地球物理探測技術之現地應用問題評析地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用方法建立地球物理探測技術於水庫構造物安全檢查應用現地評估水庫構造物安全檢查教育訓練

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第貳章基本資料收集與分析

一、臺灣現行水庫構造物安全檢查程序與方法 (一) 臺灣現行水庫構造物安全檢查相關法規臺灣現行進行水庫構造物之安全檢查是屬於水庫安全評估之一環，其主要是依據民國 97 年公告之水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇)進行，而此一技術規範是根據水利建造物檢查及安全評估辦法第十九條所制定，探其根本法源是來自於水利法第四十九條(如圖 2-1 所示)。在水利法第四十九條條文中說明，「興辦水利事業人經辦之防水、引水、蓄水、洩水之水利建造物及其附屬建造物應維護管理、歲修養護、定期整理或改造應定期及不定期辦理檢查及安全評估，辦法由中央主管機關會商相關機關訂定」，因此經濟部水利署據以訂定水利建造物檢查及安全評估辦法，此辦法主要是針對防水、引水、蓄水、洩水之水利建造物及其附屬建造物訂定，內容分 6 章，共有 29 條條文，其內容主要說明其法源，明訂適用範圍明訂主管機關及其應辦理事項並規範水利建造物興辦人權責。而針對水利建造物之檢查工作，其列舉水利建造物檢查之主要範圍及細目並將檢查分為定期及不定期檢查兩類，另說明水利建造物應編製安全維護手冊、建立安全資料及潰壩緊急應變計畫，並明確規定安全資料應更新並保留舊資料；此外，在水利構造物之安全評估工作上，明確規定水庫及具一定規模以上之防水、引水與洩水建造物應定期辦理安全評估，並列舉安全評估之範圍，規定安全評估與其辦理時機是 1.使用前安全複核； 2.初次使用評估； 3.定期評估；4.特別評估，另加以規範安全評估報告包括內容並要求中央主管機關統一訂定相關技術規範，最末再說明執行程序與經費來源。

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水利法

第49條 第19條 水利建造物檢查及安全評估辦法水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇) 總則權則檢查範圍及細目安全評估範圍及細目執行附則總則安全資料蒐集安全資料建檔安全資料複核與評估現場檢查與評估補充調查與試驗校核分析潰壩演算及災損評估綜合評估及結論與建議安全評估報告之撰寫 圖 2-1 臺灣現行水庫構造物安全檢查之法規關係圖 而由此水利建造物檢查及安全評估辦法中第十九條的規定，「水利建造物安全評估及潰壩（決）演算相關技術規範由中央主管機關定之」，據此訂有「水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇)」。本技術規範內容分為十章進行規範(如圖 2-1 所示)，在總則中其說明本規範之依據、目的、適用範圍、蓄水構造物之分級以及安全評估之延辦及免辦，而在第二章中說明，為求徹底瞭解整個蓄水、引水建造物之狀況以供後續進行複核與評估、建檔、現地檢查、校核分析及綜合評估與建議等工作之用，安全資料蒐集有其必要性，因而於此規範蒐集過去有關該蓄水、引水建造物工程之規劃、設計、施工及運轉維護期間等與蓄水、引水建造物安全有關之各種資料；而在第三章中，針對蒐集到之安全資料該如何進行建檔作業有所規範；接著在第

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在未到達現場進行現地檢查前，藉複核過去有關該蓄水、引水建造物工程之規劃、設計、施工及運轉維護期間等各種資料，以求徹底瞭解整個蓄水、引水建造物之狀況，俾利現地檢查之進行，並將其與現行適當方法或標準比較評估後，從中發現可能影響安全之潛在問題。在此規範中第二章至第四章內容主要是水庫安全評估中進行積極式的評估與檢查，希冀在問題未發生前便可透過完善的資料檢核動作防患未然，當進行完這些初步的資料複核工作後，再進一步需要進行現場檢查工作，由第五章開始規範現場檢查與評估作業，現場檢查係由檢查人員以目視或必要機具巡視並檢查所有與建造物安全有關之結構物、設施、基礎、邊坡與周圍環境等，以便及早發現已存在或潛在之缺失或危險因素並及早改善，以維護蓄水建造物之安全；而若在完成安全資料複核及現場檢查工作後，經認定非經補充調查與試驗，無法進一步分析評估時，則應進行補充調查與試驗，相關之調查與試驗方法規範於第六章中；除進行補充調查與試驗提供評估資訊外，當完成建造物相關安全資料複核及現場檢查工作後，或當建造物所處環境或荷重條件已發生變化而與原設計考量不同，認為某些問題必須進一步分析方能加以評估時，應進行第七章中所規範的校核分析工作；而第八章是對於潰壩(決)演算及災損評估方法及要點的說明；第九章及第十章為規範水庫安全評估報告之內容及撰寫方法。對於水庫構造物之安全檢查主要規範在第五章與第六章中，地球物理探測技術之應用也將由此切入，下節中將對此規範之第五、六章的檢查方法做更詳細的介紹，也將對地球物理探測技術如何應用於此中做更進一步的說明。 (二) 水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇) 由上節中可知，目前臺灣水庫構造物安全檢查的進行主要是依據「水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇)」進行，因此

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在本節中，將根據此規範進行說明。如圖 2-2 所示，水庫安全評估的進行應先行進行安全資料蒐集並將其建檔，而後由此些安全資料進行複核與評估，當進行完複核與評估對水庫整體狀況有足夠掌握後，開始進行現場檢查工作，在現場檢查完成並進行評估後，若認為有要進一步進行補充調查以便進行問題釐清或分析之處則再進行補充調查與試驗，除進行補充調查與試驗提供評估資訊外，當完成建造物相關安全資料複核及現場檢查工作後，或當建造物所處環境或荷重條件已發生變化而與原設計考量不同，認為某些問題必須進一步分析方能加以評估時，應進行校核分析工作，而對於某些有重要保存對像象之水庫，需另進行潰壩(決)演算及災損評估，最後再進行水庫安全評估報告之撰寫。由此程序可知，水庫構造物之安全檢查主要是在現場檢查工作以及補充調查與試驗工作中進行。所謂現場檢查工作是由檢查人員以目視或必要機具巡視並檢查所有與水庫構造物安全有關的結構物、設施、基礎、邊坡與周圍環境，根據「水利建造物檢查及安全評估技術規範(蓄水與引水篇)」之說明，其現場檢查內容有(如圖 2-2 所示)：地質：區域地質、基座地質、周邊地質以及集水區地質。壩及堰：應就壩頂、壩體上游面、壩體下游面、壩之上下游地區及壩體內部等範圍，針對壩或堰體表面之問題與缺失、壩或堰體材料之劣化情況、壩或堰體結構之穩定情形、滲水及漏水以及維護上之問題進行檢查。

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安全資料蒐集安全資料建檔安全資料複核與評估現場檢查與評估補充調查與試驗校核分析潰壩(決) 演算及災損評估安全評估報告撰寫水工機械及機電設備操作運轉系統周圍環境監測系統壩基座及周邊邊坡附屬結構物壩及堰地質其它水工機械非破壞性檢測混凝土檢驗大地力學試驗地質調查淤積測量 圖 2-2 水庫安全評估程序 附屬結構物：結構佈置、水理狀況、混凝土狀況、構件與鋼襯之狀況、接縫狀況、回填及基礎之缺失、堵塞情形以及過去之維修狀況。壩基座及周邊邊坡：壩基座廊道結構、壩體與壩基交界處、壩座表面、壩體上下游及靜水池邊坡坡面、壩座及邊坡保護措施等進行檢查，以瞭解壩基座及邊坡之穩定情形。監測系統：儀器設置地點、儀器周圍環境、儀器表面狀況、內部功能與運作、訊號傳輸及記錄設備、量測精度與量測方法正確性等。周圍環境：對外交通狀況、集水區人為開發及水土保持情形、下游河川排洪功能、污染狀況等。操作運轉系統：主要電腦及周邊設備、水文氣象測報系統、通訊網路、傳輸系統、閘門操作監控系統、備用電腦、警報系統、其他設備。

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水工機械及其機電設備：攔污柵及閘門(板)、鋼管及鋼襯、放流閥及閘門、吊門機、驅動機及吊車（含耙污機）、電氣及控制設備以及緊急發電機。而補充調查與試驗之內容有：淤積測量：需辦理水庫安全評估之水庫，其淤積測量至少每 5 年辦理一次，而最近一次淤積測量至今超過 3 年者，且該期間年數乘以前次安全評估推算平均年淤積量之乘積大於水庫呆庫容之 10%者，或者前次淤積測量之後，曾有洪峰量超過 1/2 設計洪峰量之洪水侵襲，又或其他經評估有實際需求者應進行淤積測量，而其工作項目應包含有平面控制測量、高程控制測量、地形測量以及橫斷面測量。地質調查：經基本資料蒐集複核結果，認為有地質資料明顯不足或欠缺時，或者經現場檢查結果，認為有不明地質因素，可能影響水庫安全時，或者對於上一次安全評估結果建議辦理之項目，經檢討認為確需辦理者，又或者其他經評估有實際需求者應進行地質調查，其工作項目包含有堆填壩體材料、壩體與壩基座接合情形、壩基座地層材料、附屬結構物基礎材料以及周邊崩坍地地層特性等。大地力學試驗：進行大地力學試驗之目的主要是為瞭解特定區域之地層構造與材料特性，並且決定地層之材料參數，提供混凝土及地工結構安全校核與分析之用。其進行時機是在經現場檢查結果，認為建造物基礎地層及邊坡材料有劣化或其他潛在問題，可能影響建造物之安全時，或者須進行校核分析之對象或區域，其地層或邊坡材料參數缺乏、不足或既有材料參數經評估已不適用且無法合理假設時，又或者其他經評估有實際需求者。其工作項目包含有標準貫入試驗、土

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混凝土檢驗：混凝土檢驗之主要目的是為瞭解混凝土材料老化、劣化或組成構造之情形，並瞭解混凝土強度是否符合原設計之要求，另方面是欲瞭解混凝土本身裂縫、空洞或混凝土與土壤或岩盤界面分離或淘空之情形。當經現場檢查結果，混凝土材料有老化或劣化之虞，或混凝土強度疑似不足等情況，或者經現場檢查結果，混凝土表面出現不正常裂縫、滲水或與土壤或岩盤界面疑似有分離或淘空等情況，又或者其他經評估有實際需求者。其施作項目有施密特錘擊試驗、物理性試驗、中性化試驗、其他試驗以及非破壞性檢測。水工機械非破壞性檢測：此檢測之主要目的在於瞭解水工機械及其吊門機(含驅動機及吊車)等設備之構件與銲道瑕庛、構件厚度、實際受力與振動情形，通常在依據現場檢查結果，當發現構件有缺陷，或設備現場環境惡劣而疑有損傷顧慮，且缺乏足夠現況資料可供評估時，或者閘門、閥、鋼管於運轉過程有振動情形或構件強度有不足之疑慮時，又或者其他經評估有實際需求者會進行此項檢測。其工作項目有銲道及構件探傷、構件厚度檢測、應力檢測以及振動檢測。由此一規範之內容可知其基本精神是以安全資料複核進行積極的安全檢查動作，希冀在問題未發生前便可防患於未然，透過現場檢查工作，以詳細的檢查在問題剛發生或未擴大以前獲得控制，以降低安全問題的發生率，而若有些規模較大或其發生機制較不明確的異常現象發生時，則透過補充調查與試驗對異常之問題進行深入的瞭解，以便後續進行校核分析時，可充份掌握安全問題分析所需之參數，以獲得最貼近現狀之評估結果，得以進行後續的改善整治或應變措施。在此一系統化之安全檢查措施中，現場檢查工作極為重要，其是將已發生或發生中的安全問題進行控制的重要關鍵，然而，雖然在規範中說明其檢查是以目視或必要機具為主進行檢查，但大多數還是以

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目視為最主要作業方式。採用目視的最主要問題在於其僅能觀察到位於表面的異常狀態，對於內部的情形無法獲得瞭解，此外，許多安全問題的發生並不一定發始於表面，如滲流或掏刷等現象常是由內部開始發生，等到可由表面觀察到時，其可能已發展到一定程度之影響，而無法達到防微杜漸之目標，因此，在現場檢查工作中，地球物理探測技術可採用非破壞性的方法協助瞭解水庫構造物內部之情況，而可更有助於對安全問題的先期瞭解與控制，更明確一點的說明，在現場檢查之工作項目中，地球物理探測技術可有效用於協助地質、壩與堰、附屬結構物以及壩基座及周邊邊坡之應用上(如圖 2-2 所示)。此為第一項地球物理探測技術可應用於水庫構造物安全檢查之處，是為較積極的主動調查部份。另一項地球物理探測技術可加以應用之處在於補充調查與試驗中。由前述可知，此處的補充調查與試驗主要是在經過現場檢查後認為水庫構造物之材料性質或環境條件有所變動時，又或是對於所檢查到之問題不經過補充調查與試驗無法進一步分析評估時進行，在此地球物理探測技術可做為較被動的針對已發現之問題點進行深入的調查，以瞭解異常現象於整個水庫結構物之影響範圍與情形，甚或加以釐清異常現象之發生機制作為改善規劃支用，此外，透過適當的地球物理探測技術選用，以此調查所得結果尚可獲得後續校核分析所需之材料參數(如楊氏模數或剪力模數)，以規範中所列之補充調查與試驗項目，可透過地球物理探測技術進行應用者有地質調查、大地力學試驗以及混凝土試驗(如圖 2-2 所示)，本計畫將針對此部分進行系統化之方法建構。 二、水庫構造物安全檢查常見問題

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查上，首先應當先行瞭解常見之水庫構造物安全檢查問題為何，為此，本計畫將臺灣地區以及世界其他國家之安全檢查問題進行整理歸納於下兩節中所說明。 (一) 臺灣地區水庫安全檢查常見問題根據民國 95-100 年間曾進行過安全評估或安全複查之水庫進行大壩安全檢查問題之整理(除溢洪道外，未將水工機械及附屬結構物之安全檢查問題納入)，國內具有安全檢查問題之水庫壩體資料表列如表 2.1 所示，其分布情況如圖 2.3 所示由圖表中可見，水庫大壩檢查發現潛在問題之水庫共有 27 座，其中 18 座為土石壩，9 座為混凝土壩，台灣本島西部在北中南皆有具安全檢查問題之土石壩，而混凝土壩主要分布在北部與中部，另在澎湖亦有一座水庫具大壩安全檢查問題；而由其安全檢查之問題來看，在土石壩主要是壩體滲漏以及溢洪道滲漏或混凝土損壞之問題，而在混凝土壩中則主要是混凝土劣化之疑慮。土石壩混凝土壩圖例 N 圖 2.3 具大壩安全檢查問題水庫分布圖

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表 2.1 國內水庫與大壩安全檢查發現可能潛在問題整理表 序號壩型壩長 (m) 壩寬 (m) 壩高 (m) 安全檢查問題 1 碾壓式土壩 262 10 66 1. 壩體滲漏； 2. 溢洪道表面剝落、裂縫與滲漏 3. 壩趾區濕潤 2 土石壩 360 11.2 133.1 1. 溢洪道混凝土開裂及側牆濕滲； 2. 排水廊道滲水； 3. 右山脊排水廊道裂縫； 3 土堰壩 260 10 34.5 1. 壩體下游趾部滲漏 2. 壩體下游右側坡面局部下陷，有淘空之虞。 4 滾壓式土壩 340 12 62.5 1. 溢洪道滲漏 5 土壩 187 10 35.5 1. 大壩下游趾部滲漏； 2. 溢洪道左側平台滲水 6 滾壓土石壩 235 10 96 1. 右山脊滲水量偏多 2. 大壩右廊道滲水量較大 7 土壩 64 8 12 1. 溢流堰頂混凝土剝落及滲水； 8 滾壓式土壩 546 8 31 1. 壩體滲漏； 2. 左山脊滲漏； 3. 溢洪道混凝土版底部疑似積水 9 土石壩 1535 9 28 1. 西山脊近溢洪道下游坡趾滲漏； 2. 培厚區拋石坡坡趾滲漏； 3. 溢洪道混凝土版底部疑似孔洞或積水 10 土壩 255.6 6 30 1. 溢洪道混凝土強度不足 2. 壩體具液化之疑慮 11 滾壓式土壩 420 6 8.5 1. 溢洪道混凝土強度不足 12 土壩 470 5.5 15.3 1. 甲仙地震造成之嚴重張力裂縫； 2. 溢洪道混凝土強度不足； 3. 壩體下游坡面滲漏 13 滾壓式土壩 2380 8 31 1. 下游壩趾滲漏 14 滾壓式土壩 325 9 39.5 1. 左山脊滲漏 2. 壩頂沉陷量過大 15 土石壩 445.6 10 65 1. 溢流堰有地下水滲出 16 土石壩 172 3 26 1. 壩體下游趾部滲漏 17 土石壩 245 6 16 1. 壩體滲流； 2. 左壩墩面版龜裂； 3. 壩體有滔空之虞

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序號壩型壩長 (m) 壩寬 (m) 壩高 (m) 安全檢查問題 2. 陡槽左側培厚區滲水 20 混凝土重力壩 102.4 3.4 29.6 1. 壩體混凝土有劣化之虞； 2. 壩體具裂縫 3. 溢洪道裂縫、滲水 21 混凝土拱壩 510 7 122.5 1. 廊道混凝土爆出 22 混凝土拱壩 290 4.5 180 1. 壩面局部混凝土強度不足(且具白華現象) 23 混凝土重力壩 205 7 114 1. 壩面局部滲漏； 2. 左壩座滲水； 3. 大壩下游右岸滲水； 4. 溢洪道左側滲漏 24 混凝土堰 117 5 12.5 1. 壩體具裂縫 25 混凝土拱壩 57.2 2 27.3 1. 左右壩座滲水； 2. 混凝土有劣化之虞 26 混凝土重力壩 83 5.5 29.5 1. 混凝土有劣化之虞 27 混凝土箱型 114 5 33.2 1. 混凝土老舊強度具疑慮

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(二) 國際水庫安全檢查常見問題除於上節對臺灣地區之大壩安全檢查問題進行整理外，本節中將考量之範圍擴大至國際以期更加完備對常見安全檢查問題之收集，詳細說明如下：林俊宏等(2008)根據國際大壩委員(ICOLD，1984)會、美國大壩委員會（USCOLD，1975）以及美國土木工程師協會（ASCE，1988）所收集到全世界 626 座曾發生破壞之案例中，以混凝土壩以及土石壩的差異歸納水庫構造物常見的潛在破壞模式共有 13 項，如表 2-所示，其中發生於混凝土壩者有 5 項：1. 因結構接縫型式不良、應力集中或壩體形狀及設計位置不當等因素造成混凝土結構行為不良所導致之壩體破壞。2. 因混凝土材料衰減、工程性質不足、澆置作業不當及結構結構接縫與防水作業處理不當造成之壩體本身滲漏或管湧。3. 因溢洪道上障礙或設計容量不當所導致之溢流造成壩趾基礎侵蝕或壩座沖刷掏空。4. 因透水層、可溶性夾層或岩層的不連續面所造成之基礎管湧或滲漏。5. 沿基礎軟弱不連續面之滑動。土石壩主要之潛在破壞模式有八種：1. 因溢洪道上障礙、設計容量不當或沉陷所導致之溢流造成土石壩體侵蝕。2. 因溢洪道破壞、輸水管線破壞變形造成之管湧或滲漏及基礎破壞造成之土石壩侵蝕。3. 沿出水導管、壩座界面、混凝土接觸面滲露或管湧；壩體本身集中式管湧。4. 因透水層、可溶性夾層或岩層的不連續面所造成之基礎管湧或滲漏。5. 因陡坡、滲流壓力及大量降水所造成之壩體滑動。6. 沿基礎中黏土裂縫或斷層之壩體滑動。7. 差異沉陷造成之裂縫。8. 土壤液化。

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現之問題(如因結構行為不良或溢洪道設計不當等設計原因)，可將其簡化為 11 項常見之安全檢查問題：在混凝土壩中分別有壩體之變形或裂縫、壩體之滲漏或管湧、壩址基礎或壩座之侵蝕掏空、壩基的滲漏或管湧以及壩基滑動，而在土石壩中有壩體侵蝕、壩座或介面之滲漏或管湧、基礎滲漏或管湧、壩體滑動、壩基滑動以及結構體之裂縫。 表 2-2 混凝土壩與土石壩常見之潛在破壞模式(修改自林俊宏 等，2008) 潛在破壞模式 安全檢查問題成因案例混凝土壩因結構接縫型式配置不良、應力集中或壩體形狀及設置位置不當等因素造成混凝土結構行為不良所導致之壩體破壞。壩體之變形或裂縫設計不良或設計外力因子變化南非 Groendal Dam 因混凝土材料衰壞、工程性質不足、澆置作業不當及結構接縫與防水作業處理不當造成之壩體本身滲漏或管湧。壩體之滲漏或管湧混凝土材料衰壞、工程性質不足、澆置作業不當及結構接縫與防水作業處理不當澳洲 Burrinjuck Dam 因溢洪道上障礙或設計容量不當所導致之溢流造成之壩趾基礎侵蝕或壩座沖刷掏空。壩址基礎或壩座之侵蝕掏空因溢洪道上障礙或設計容量不當所導致之溢流美國 Glen Canyon Dam

因透水層、可溶性夾層或岩層的不連續面所造成之基礎管湧或滲漏。壩基的滲漏或管湧因透水層、可溶性夾層或岩層不連續面的存在日本 Nakaiwa Dam 沿基礎軟弱不連續面之滑動。壩基之滑動壩基軟弱不連續面的存在巴西 Dom Marco Dam 土石壩因溢洪道上障礙、設計容量不當或沉陷所導致之溢流造成之土石壩體侵蝕。壩體侵蝕溢洪道上障礙、設計容量不當或沉陷的發生所導美國 Kelly Barnes Dam

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潛在破壞模式 安全檢查問題成因案例致之溢流因溢洪道破壞、輸水管線破壞變形造成之管湧或滲漏及基礎破壞造成之土石壩體侵蝕。壩體侵蝕因溢洪道破壞、輸水管線破壞變形造成之管湧或滲漏美國 East Fork Dam

沿出水導管、壩座界面、混凝土接觸面滲漏或管湧；壩體本身集中式管湧。壩座或介面之滲漏或管湧沿出水導管、壩座界面、混凝土接觸面滲漏或管湧美國 Dix Dam 因透水層、可溶性夾層或岩層的不連續面所造成之基礎管湧或滲漏。基礎滲漏或管湧因透水層、可溶性夾層或岩層不連續面的存在美國 Red Bluff Dam 因陡坡、滲流壓力及大量降水所造成之壩體滑動。壩體滑動因存在陡坡或滲流壓力增加及大量降水的發生美國 Alum Creek Dam 沿基礎中黏土裂縫或斷層之

壩體滑動。壩基滑動

基礎中黏土裂縫或斷層的存在

美國 San Luis Dam

差異沉陷造成之裂縫。結構體之

裂縫

壩基地層材料的不均勻性

美國 Storrie Lake Dam

土壤液化。地表沉陷壩體或壩基材料之強度不足美國 Addicks Dam (三) 安全檢查常見問題綜合整理比較前兩節所整理出之安全檢查問題可知，除與基礎材料或壩體材料有關之問題外，國內大壩常見之安全檢查問題大多囊括在世界破壞案例之問題中，這亦顯示不應輕忽目前正常營運中之大壩安全檢查問題，此些問題皆有發展成足以造成壩體破壞之可能。整合上兩節之

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之位置及問題進行整合，整合結果如表 2-3 所示。在混凝土壩中之安全檢查問題主要發生在壩體、壩趾、壩基、壩座以及溢洪道五處，在壩體常見之安全檢查問題有裂縫、滲漏以及混凝土強度不足；在壩趾處有淘空之安全檢查問題；在壩基有滲漏以及滑動的問題；在壩座有淘空以及滲漏之問題；而在溢洪道處有滲漏以及裂縫之安全檢查問題。在土石壩中之常見安全檢查問題主要發生在壩體/壩頂、壩趾、壩基、壩座、溢洪道、排水廊道以及培厚區七處，在壩體或壩頂者有裂縫、差異沉陷、坡面滑動、土壤液化、滲漏以及淘空；在壩趾處有滲漏之問題；在壩基處有滑動以及土壤液化之問題；在壩座有滲漏之問題；在溢洪道有底版下淘空或積水、滲漏、裂縫或混凝土強度不足之問題；在排水廊道有滲漏以及裂縫之問題；在培厚區有滲漏之問題。 表 2-3 混凝土壩與土石壩常見之安全檢查問題 壩型位置 安全檢查問題 混凝土壩壩體裂縫滲漏混凝土強度不足壩趾淘空壩基滲漏滑動壩座淘空滲漏溢洪道滲漏裂縫土石壩壩體/壩頂裂縫差異沉陷壩體坡面滑動土壤液化滲漏淘空

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壩趾滲漏壩基滑動土壤液化壩座滲漏溢洪道底版下積水/淘空滲漏裂縫混凝土強度不足排水廊道滲漏裂縫培厚區滲漏 * 本表主要以大壩之安全檢查問題進行整理，未將水工機械及附屬結構物之安全檢查問題納入。 三、地球物理探測技術 地球物理探測技術是一種非破壞性的檢測技術，其可快速且大量地在檢測物體表面上或孔內進行施作，因此近來年已漸漸廣泛應用至土木、地工、環境與水利工程等領域，在應用上，地球物理探測技術主要於施測後獲得檢測物體之不同物理量，而後由不同問題所反應之物理量變化間接推估工程問題之解答。目前地球物理探測技術可測得之物理量大致有電阻率、介電度、電容、磁化率、重力、彈性波速以及地層反射性等，由此些不同之物理量以及不同之分析理論，已成熟可應用之地球物理探測技術有地電阻影像探測法(Electrical Resistivity Method)、自然電位法(Self-potential method)、感應極化法(Induced Polarization Method)、透地雷達探測法 (Ground Penetrating Method )、電磁探測法(Electromagnetic Method)、重力探測法 (Gravity Method) 、彈性波層析成像法 (Elastic Waves

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及反射震測法(Seismic Reflection Method)等九種，這些方法主要有於表面上進行施測的非破壞性方法，亦可應用於孔內施測，本節將就此九種方法以表面施測方法為主進行介紹與說明。地電阻影像探測法：地電阻探測法是在地表上利用兩根電極棒將直流電灌入地下，而後在地表上量測另兩根電極棒間的電壓差，此法是量測大範圍的電阻值，此電阻與土層的組成、飽和度以及土層孔隙中流體的導電度有關，透過反算技巧可獲得電阻之深度 2D(如圖 2-4 所示)或 3D 剖面，藉著所得之剖面可應用於地層、壩體含水特性之變化調查。此法於高電阻環境中亦能有效量測，可探測較大孔洞，但於高導電性環境下效果不佳(尤其是表面高導電)。此外，量測需確保電極與地表有良好耦合以免獲得錯誤數據，亦要注意反算所得之結果於深層有較差解析度。 圖 2-4 電阻率影像剖面圖 (新山水庫) 自然電位法：自然電位法是量測存在於地表的自然電位，通常在量測上是以兩個電極與地面接處，以其中一個電極做為參考點，而後移動另一個電極，量測此兩點間的電壓差。此電壓差的產生與地層所含有之化學成份、金屬礦物或是電耦(dipole)之運動有關。在水庫壩體之應用上，主要是欲獲得因水流動（電耦運動）而產生的電壓差，對於所測得之結果最後以電壓差之平面空間分佈表示(如圖 2-5 所示)，由此一平面差異圖可應用於水庫或破碎岩層之滲流路徑偵測。以此種檢

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測方式可迅速便利完成施測，並且有利於調察地下水滲流狀況，惟其空間解析及辨識能力較差，不適用探測空氣孔洞。 圖 2-5 自然電位影像平面圖 (Johansson et al., 2005) 感應極化法：感應極化資料是使用四個電極棒中的兩個將一電流導入地面，然後快速地關閉，在這電流關閉的時間內，另外兩支電極量測電流引致的電壓(resulting voltage)，假使感應極化效應存在，當電流關閉時跨越電極間的電壓不會突然變回零值，而是在一段時間週期 (time period)內，通常是幾秒鐘，逐漸減低至零值，此時間週期與地層材料之電容性有關，用來量測此效應的單位稱為可充電性 (chargeability)，其單位可採用 mV/V 或 msec，將所量測得之資料進行反算分析可獲得地層的可充電性性質影像剖面(如圖 2-6 所示)。此方法普遍地用在礦業中探查含金屬的硫化物，如黃鐵礦(pyrite)、黃銅礦 (chalcopyrite)與其他含金屬礦物的定位，另方面也可用於污染物調查與黏土層調查上，只是在反算分析上需同時配合地電阻探測法之資料進行，無法單讀反算判釋。

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圖 2-6 感應極化法影像剖面圖 (Advanced Geosciences Inc., 2010) 透地雷達探測法：透地雷達主要可提供測線地表下高解析度之二維反射面影像，其檢測原理是利用發射天線發出高頻電磁波（10-3000mHz）用以穿透地層或被探測體，電磁波在兩個不同電性介質的界面(如：地層層面、空洞與岩層等等)產生反射訊號，再由接收天線接收反射訊號進而分析處理。將多個 2D 影像依空間位置整合後可得 3D 之立體影像(如圖 2-7 所示)，由所得之地層構造可應用於地層、壩體內部異常區域偵測。透地雷達檢測技術施測作業迅速便利且解析度及辨識能力高，適用於複雜構造、混凝土結構、鋪面以及地下孔洞探測。惟其探測深度受導電環境(如黏土礦物)影響甚鉅，一般小於 10 公尺，且其不易估計電磁波速以得到構造深度。 圖 2-7 透地雷達 3D 影像(大觀電廠溢洪道) 電磁探測法：電磁探測法是在地表利用線圈使其通過一週期性電流，當電流在降至零的過程中，根據法拉第定律(Faraday’s Law)會使得在線圈中所產生的磁通量有所變化，而產生有電磁波向下傳遞，地層的材料亦會受到此電磁波所產生的磁通量變化，而又引發另一個電磁

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發向上下傳遞，當位於地表的接收線圈感應到此感應電流，便可量測得其感應電位，而此一感應電位與地層材料之電阻率或導電率相關，透過接收此一電位值便可獲得地表下電阻率之分布情形，對於探測之結果可直接以所測得之電壓平面分布進行判釋(如圖 2-8 所示)，或在必要時可將所得之電壓值換算為視電阻率再進行剖面之反算。距離, m 距離 , m 圖 2-8 電磁探測法平面影像圖(改繪自邱維宣等，2009) 重力探測法：重力探測法是量測在不同空間中的微小重力差異，譬如岩盤與覆土具有不同密度，則重力牽引將在岩盤的地形特徵下有所改變，岩盤構造凹陷或凸起下的不規則重力場取決於凹陷程度的大小、寬度與深度、以及覆土與岩盤之間的密度對比，伴隨顯著巨大密度對比的岩盤地形將產生巨大的重力不規則；相反地，深度中的小型構造，即使伴隨巨大密度對比，或許僅能產生微小的不規則。通常對於獲得之結果可直接以其空間分布進行判釋，若有數條測線資料，可產生重力場圖(如圖 2-9 所示)，由此結果可推估地下構造之可能平面位置，但若欲獲得其深度及其深度分布情況，則需進行反算分析。

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圖 2-9 重力探測法平面影像圖(Spicer et al., 2011)

彈性波層析成像法：彈性波層析成像法是藉由在地表面設置接收器，用以紀錄由人造震源所產生之震波的傳遞時間（travel time）又稱做初達波走時(first arrival time，即最先到達之波動)，被接收之震波包含直接震波(direct acoustic wave)及受到地層變化而折射回地表之折射震波(refracted acoustic wave)。初達波走時的不同與地層壓縮波波速、地形以及地層結構有關，透過反算可獲得地層之壓縮波速分佈（如圖

2-10 所示）。此法對於飽和土壤及土壤與岩石界面探測甚佳，可估計材

料波速，然而在其本身原理的先天限制下，若僅採用同一平面之接收器收錄資料，其無法探測軟弱夾層及厚層中夾帶薄層材料；此外，對於含有孔洞之場址，可能會造成走時異常，但無法直接測繪。

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圖 2-10 壓縮波波速影像剖面圖(石門水庫廊道) 表面波震測法：在地表面製造一振動，在地表處會有一受擾動之質點是逆著其行進方向以一橢圓形軌跡滾動是為表面波。表面波傳遞時波傳影響範圍大約侷限於一個波長之深度內，因此，各個不同波長的表面波其所反映之地層深度特性將有所不同，亦即表面波影響深度隨頻率之不同而有差異。當土層剪力模數隨著深度變化，不同頻率所造成的表面波波速便有所不同，此一特性稱之為頻散現象，將不同頻率所對應之表面波波速集合，可得一曲線，稱之為頻散曲線(dispersion curve)。表面波震測即是於地表佈設受波器，收錄表面波訊號，藉由量測表面波於不同頻率之相位速度，獲得其頻散曲線後再進行剪力波速度層構造之反算解析可得剪力波速剖面以人造震源產生地表振動後將其收錄，透過訊號分析技術分析歷時振幅，再以反算技巧獲得不同深度的剪力波速剖面(如圖 2-11 所示)，由此剪力波速剖面便可應用至地層或壩體的動態性質推估。此法較適用於側向變化不明顯的地層剪力波速量測，其深層解析度較差，又因為土壤剪力波速不受地下水存在之影響，因此此法無法探測地下水位。此法可探測孔洞存在，但無法準確直接測繪。

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圖 2-11 剪力波波速影像剖面(新山水庫壩基) 反射震測法：當地表有一振動發生時，會有一彈性波的訊號傳遞出去，當地層材料的彈性波速有所差異時，便會於界面產生反射波以及折射波，而後此波動會被地表之接收器所接收，反射震測法便是直接根據所收錄得之反射波訊號進行分析，而由於地表所接收到之波動常是綜合反射波、折射波以及表面波，因此在採用反射震測法分析時，需先對原始訊號進行一系列的濾波動作，以便僅保留反射波之訊號而有利於辨識，其一波濾波後之結果如圖 2-12 所示，透過直接對此圖之界面判識，即可獲得地下構造之空間分布情形。 圖 2-12 反射震測法影像剖面(Sloan et al., 2007) 由前述內容可將各地球物理技術以其量測資料、所得物理性質以

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及所得物理模型進行表列整理如表 2-4 所示，由表中可明確得知不同之地球物理探測技術可量測得不同物理性質，而此些物理性質之存在與否便是各地球物理探測技術應用於不同安全檢查問題之關鍵所在，在第參章第一節第一小節中將更進一步說明。 表 2-4 地球物理探測技術量測物理量 地球物理探測技術 量測資料 所得物理性質 所得物理模型 地電阻影像探測法人造電流造成之電位差電阻率電阻率 2 維深度剖面或 3 維深度剖面自然電位法地中自然電位差自然電位差電位差 2 維平面分布感應極化法人造電壓消散速度電容性電阻率 2 維深度剖面透地雷達探測法電磁波之反射歷時及振幅電學性質不連續面反射層之 2 維深度或 3 維深度剖面電磁探測法感應電位電阻率電阻率 2 維平面剖面或 3 維深度剖面微重力探測法重力值重力值重力 2 維平面分布彈性波層析成像法壓縮波之初達波走時壓縮波速壓縮波速 2 維剖面多頻道表面波震測法彈性波歷時振幅剪力波速剪力波速 1 維深度剖面反射震測法彈性波之反射歷時及振幅力學性質不連續面反射層之 2 維深度或 3 維深度剖面由此節可知，目前已有眾多地球物理探測技術可供應用，但是光是欲瞭解其最基本之應用原理便需花費許多時間，更何況還需先行針對不同的水庫結構物安全問題之可能的反應物理量進行瞭解後，再進行不同地球物理探測技術之選擇，且此中還牽涉各地球物理探測技術之解析以及感測能力，甚或施作條件等操作上之問題，此些種種皆為水庫管理人員應用上之障礙，也因此在國際上已有多份應用手冊之編撰用以降低此些阻礙。下節中將就國際地球物理方法應用手冊及導引進行簡單介紹。 四、國際地球物理方法應用手冊及導引介紹

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決上，部份學術教學用書籍（Telford et al., 1990; Reynolds, 1997; Sharma, 1997 等）出版，藉以培養工程地球物理技術人材，然而，對於水庫管理人員而言，了解各地球物理技術之特性以及如何為欲解決之工程問題選用適當技術遠較了解其分析過程更為重要。各國在此一議題上，針對不同應用領域已開始投入建立導引手冊的工作，而根據對於設定之閱覽讀者的不同，各版本有其編輯與內容摘選之差異，本中心目前收集有三本手冊，一為美國聯邦高速公路部門（Federal HighwayAdministration, 2003）針對非破壞性檢測法於高速公路相關問題之應用所做之手冊；一為美國 ASTM 在其標準試驗手冊 D6429-99(2011) 一篇中對選用各非破壞性檢測法所提出的導引 (guildline) ；另一為日本地球探勘物理學家協會（ The Societyof Exploration Geophysicists of Japan, 2004）針對非破壞性檢測法於工程以及環工問題之應用所做之手冊。本小節將對已收集到的手冊進行內容規劃比較。 (一) 美國聯邦高速公路部門手冊在美國聯邦高速公路部門所撰寫之手冊(2003)中，其將手冊內容分做三部份，第一部份僅有一章是為總論，簡單說明此手冊之用途與內容規劃；第二部份是以調查之目標物為索引，再以問題做導向，將高速公路分為橋粱地下結構、橋樑主結構、鋪面、道路沉陷、地質調查以及振動等六種目標物，而後針對各目標物所遭受之問題提出適用之非破壞性檢測或地球物理探測技術，在所提之方法之下有簡單的方法介紹；而第三部份是以非破壞性檢測方法以及地球物理探測技術為導向，介紹非破壞性檢測方法以及地球物理探測技術所獲得之物理量，而後依其為地表施測或孔內施測再分別進行各非破壞性方法的介紹，介紹中包括有方法的概念與原理、施測法以及優缺點。