中華大學

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中華大學碩士論文

淤泥流填料應用於地工砂袋之可行性研究

系所別：土木與工程資訊學系碩士班學號姓名：M09604016 林義堅指導教授：吳淵洵博士

中華民國九十八年八月

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I

摘要

台灣地區各主要水庫目前均面臨極為嚴重之淤泥沈積問題，而砂石資源因長期使用亦日益枯竭，因此以水庫淤泥研發砂石替代材料對我國民生安全與經濟發展，具有重大之意義且屬刻不容緩。控制性低強度材料(CLSM)亦稱流填料(flowable fill)能有效解決國內填土工程品質低劣及砂石料源日益短缺之問題，惟目前國內外CLSM之拌製均未曾應用具有塑性之水庫淤泥。因此，本研究參考CLSM之原理，以水庫淤泥為骨材，摻加固化劑後再與水混合，使之形成自流性之填方材料，配合地工砂袋應用於各種填方工程。研究內容以實驗室試驗為主，觀察水庫淤泥流填料之基本物理性質、地工織物之加勁作用、地工織物之界面摩擦，以及地工砂袋堆疊之壓縮強度。試驗包括一般物理性質測定、流動性、泌水率、單軸壓縮強度、界面摩擦試驗、大型壓縮強度試驗等。

試驗結果顯示，水庫淤泥為高含水量之細料，屬低塑性黏土；以淤泥拌製流填料，藉由適當配比設計，可得符合規範之流度及強度值。淤泥流填料以地工織物加勁之結果顯示，使用地工織物可具體提昇淤泥流填料之強度，而淤泥流填料初始強度愈高者，地工織物之加勁效應越低。研究結果說明水固比 0.6、灰水比 0.3 之配比，以地工不織布進行加勁者，可發揮較大功效；而初始強度超過 1,000kPa 者，

使用地工織物加勁之效應並不顯著。依據本研究之成果證實，水庫淤泥流填料應用於地工砂袋結構確實可行，不但可以解決水庫淤泥之問題、增加填方工程之品質及應用範圍，亦可紓解台灣天然砂石資源不足之窘境，值得工程界參考。

關鍵詞：水庫淤泥、控制性低強度材料、地工織物、加勁作用、地工砂袋

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II

誌謝

本論文承蒙授業恩師吳淵洵博士，於學生兩年的研究期間給予細心指導與指正，使學生在觀念的啟發、專業知識與論文撰寫之觀念上獲益匪淺，不厭其煩地逐字斧正、批閱，使得本論文可以順利完成，

學生在此致上最高的敬意，師恩浩瀚學生將永銘於心。

本論文研究所求學期間承蒙楊朝平博士、李煜舲博士及呂志宗博士給予學識基礎之建立，在此深表謝意。口試期間，承蒙中興工程顧問周南山總經理於百忙之中撥冗指正，給予諸多寶貴意見，使論文更臻完善，於此一併致上最高之謝意。

求學期間感謝學長姐振宏、樺姿、柏瑋、峰嘉、韋志、昕偉等人經驗傳承及學業上的指導與鼓勵；感謝同儕文思、冠評、宛瑩、偉志、

志偉、奉舉、元虎、振興、文德等人於課業上互相支持與鼓勵；感謝學弟妹姿潔、元禹、兆祥等人的熱心幫忙及關心，在此一併致謝。

感謝我親愛的家人，對我無微不至的照顧、無私的付出，讓我無後顧之憂順利完成學業，你們是我最大的支柱。

最後僅以本論文獻予在求學過程中無條件支持與協助的帥氣老爸自來與美女老媽秀媚，謝謝您們的養育之恩及人生路途的教導，感謝我最敬愛的、話不多卻充滿喜感的喜憨哥義庭及為人體貼、善解人意，即將成為大嫂的長腿惠玲姐姐。感謝總在身邊陪伴我的漂亮寶貝雪華，妳的鼓勵，是我最大的原動力，感謝我最思念的弟弟圓圓。也謝謝所有關愛我的人，倩怡姐姐、志傑、羽馨、崇宇、小蕙、智翔、

建良、碩志、苡伶、怡頻、林翰、鈺淳、宜安、憲楊等人多年來的鼓勵及協助，論文完成的喜悅，將與你們分享。

林義堅謹致中華民國九十八年八月於新竹中華大學

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III

表索引

表 2-1 台灣地區四十座主要水庫容量統計 ... 30

表 2-2 石門水庫歷年淤積測量統計表 ... 32

表 2-3 台灣地區水庫淤泥物理特性 ... 33

表 2-4 台灣地區水庫淤泥化學特性 ... 33

表 2-5 淤泥資源化技術及應用 ... 34

表 2-6 臺灣地區土壤重金屬含量標準與等級區分表 ... 34

表 2-7 石門水庫淤泥與飛灰之化學組成性質 ... 35

表 2-8 美國各州政府流填料規範建議配比 ... 35

表 2-9 開挖土石拌製流填料之配比設計 ... 36

表 2-10 流填料材料規範 ... 36

表 2-11 流填料之性質要求 ... 36

表 3-1 地工織布型號及其規格 ... 54

表 3-2 地工不織布型號及其規格 ... 54

表 4-1 水庫淤泥之基本物理性質 ... 73

表 4-2 不同配比試體之泌水率 ... 73

表 4-3 地工織物加勁前後之極限強度比較表 ... 74

表 4-4 地工織物加勁前後之初始強度比較表 ... 74

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VII

圖索引

圖 1.1 研究項目與流程 ... 5

圖 2.1 石門水庫集水區域基本圖 ... 37

圖 2.2(a) 石門水庫地質條件與崩塌分佈-柱狀圖 ... 37

圖 2.2(b) 石門水庫地質條件與崩塌分佈-圓餅圖 ... 38

圖 2.3 水庫淤泥 13 座沉澱池 ... 38

圖 2.4 水庫清淤要素結合淤泥處理方式之流程 ... 39

圖 2.5 CLSM 品質需求關係 ... 39

圖 2.6 地工砂袋加勁土壤應力應變關係 ... 40

圖 2.7 使用地工砂袋作為擋土牆之設計方案 ... 40

圖 3.1 自動化直剪參數設定 ... 55

圖 3.2 直剪試驗之應力–應變關係 ... 55

圖 3.3 直剪試驗之垂直–水平位移關係 ... 56

圖 3.4 試驗數據分析程序 ... 56

圖 3.5 氣壓式直接剪力試驗儀 ... 57

圖 3.6 空壓機 ... 57

圖 3.7 壓力控制系統 ... 58

圖 3.8 資料擷取器 ... 58

圖 4.1 水庫淤泥之粒徑分佈 ... 75

圖 4.2 淤泥流填料之流度值與各控制參數之關係 ... 75

圖 4.3 淤泥流填料之強度與灰水比、水固比及齡期之關係 ... 76

圖 4.4 淤泥流填料之齡期 7 天與 28 天強度之關係 ... 76

圖 4.5 淤泥流填料以不同織物加勁後之強度變化 (齡期 7 天，W/S=0.6、C/W=0.3) ... 77

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VIII

圖 4.6 淤泥流填料以不同織物加勁後之強度變化

(齡期 14 天，W/S=0.6、C/W=0.3) ... 77 圖 4.7 淤泥流填料以不同織物加勁後之強度變化

(齡期 28 天，W/S=0.7、C/W=0.4) ... 79 圖 4.11 無加勁淤泥流填料之強度與齡期之關係

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 80 圖 4.12 淤泥流填料以地工織布加勁後之強度與齡期之關係

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 80 圖 4.13 淤泥流填料以地工不織布加勁後之強度與齡期之關係

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 81 圖 4.14 無加勁淤泥流填料之強度與齡期之關係

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 81 圖 4.15 淤泥流填料以地工織布加勁後之強度與齡期之關係

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 82 圖 4.16 淤泥流填料以地工不織布加勁後之強度與齡期之關係

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 82 圖 4.17 淤泥流填料以不同織物加勁後之強度依時變化

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 83

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IX

圖 4.18 淤泥流填料以不同織物加勁後之強度依時變化

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 83

圖 4.19 淤泥流填料強度依時性之線性關係 (W/S=0.6、C/W=0.3) ... 84

圖 4.20 淤泥流填料強度依時性之線性關係 (W/S=0.7、C/W=0.4) ... 84

圖 4.21 淤泥流填料強度依時性之線性關係 (地工織布) ... 85

圖 4.22 淤泥流填料強度依時性之線性關係 (地工不織布) ... 85

圖 4.23 淤泥流填料於不同配比之強度變化 (W/S=0.6、C/W=0.3 及 W/S=0.7 C/W=0.4) ... 86

圖 4.24 淤泥流填料於地工織布加勁前後之初始強度變化 ...86

圖 4.25 淤泥流填料於地工織布加勁前後之極限強度變化 ...87

圖 4.26 淤泥流填料於地工不織布加勁前後之初始強度變化 ... 87

圖 4.27 淤泥流填料於地工不織布加勁前後之之極限強度變化 ... 88

圖 4.28 淤泥流填料以地工織物加勁前後之強度變化 (W/S=0.6、C/W=0.3) ... 88

圖 4.29 淤泥流填料以地工織物加勁前後之強度變化 (W/S=0.7、C/W=0.4) ... 89

圖 4.30 地工織物在相同應變量下之強度變化 (W/S=0.6、C/W=0.3) ... 89

圖 4.31 地工織物在相同應變量下之強度變化 (W/S=0.7、C/W=0.4) ... 90

圖 4.32 地工織布在相同應變量下之強度變化 ... 90

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X

圖 4.33 地工不織布在相同應變量下之強度變化 ... 91 圖 4.34 地工織物在相同應變量下之強度變化 ... 91 圖 4.35 初始、極限強度下之外視凝聚力

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 92 圖 4.36 初始、極限強度下之外視凝聚力

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 92 圖 4.37 不同應變量下之外視凝聚力

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 93 圖 4.38 不同應變量下之外視凝聚力

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 93 圖 4.39 相同配比、不同織物之界面摩擦力變化

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 94 圖 4.40 相同配比、不同織物之界面摩擦力變化

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 94 圖 4.41 不同配比地工織布試體之界面摩擦力變化 ... 95 圖 4.42 不同配比地工不織布試體之界面摩擦力變化 ... 95 圖 4.43 織布之界面摩擦剪力強度

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 96 圖 4.44 不織布之界面摩擦剪力強度

(W/S=0.6、C/W=0.3) ... 96 圖 4.45 織布之界面摩擦剪力強度

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 97 圖 4.46 不織布之界面摩擦剪力強度

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 97

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XI

圖 4.47 加勁試體之大型壓縮試驗結果

(W/S=0.7、C/W=0.4) ... 98

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XII

照片索引

照片 3.1 烘乾後之水庫淤泥 ... 59

照片 3.2 篩組與電動搖篩機 ... 59

照片 3.3 比重計試驗 ... 59

照片 3.4 比重試驗 ... 59

照片 3.5 液限試驗 ... 59

照片 3.6 塑限試驗 ... 59

照片 3.7 流度試模 ... 59

照片 3.8 適當配比淤泥拌合 ... 59

照片 3.9 流度值之量測 ... 60

照片 3.10 淤泥流填料試體養護 ... 60

照片 3.11 單軸壓縮試驗 ... 60

照片 3.12 包覆地工織布 ... 60

照片 3.13 包覆地工不織布 ... 60

照片 3.14 單軸壓縮試驗(織布) ... 60

照片 3.15 單軸壓縮試驗(不織布) ... 60

照片 3.16 直剪試體製作 ... 60

照片 3.17 地工織物置於泥餅中 ... 61

照片 3.18 試體壓入直剪盒 ... 61

照片 3.19 剪力盒置於直剪試驗儀 ... 61

照片 3.20 界面摩擦試驗測定 ... 61

照片 4.1 地工織布之縫線破壞 ... 99

照片 4.2 地工不織布之縫線破壞 ... 99

照片 4.3 地工織布之厚度 ... 99

照片 4.4 地工不織布之厚度 ... 99

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XIII

照片 4.5 大型壓縮試驗 ... 99 照片 4.6 加勁試體壓縮情形 ... 99

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第一章緒論

1.1 研究背景

台灣地形、地質條件不佳、環境因素複雜，且近年來，水庫上游水土保持失衡，導致水庫淤積日益嚴重 (經濟部水利署，2009) 。依據相關統計資料，台灣水庫之總淤積量已近 5 億 m³，帄均淤積率達 20%，且每年仍以 2,000 萬 m³之淤積量持續淤積之中，相當於每年損失一座明德水庫之蓄水量(張孟弘，2004)。而近年來因全球暖化、氣候異常之影響，極端暴雨頻頻發生，於各水庫上游造成了更為嚴重的水土災害，導致水庫淤積問題的進一步惡化，除降低民生用水之品質及供量外，亦嚴重危害水庫的壽命 (許皓婷，2006)。

以石門水庫為例，由於淤泥的淤積，導致水庫產生 13％的水庫淤積量，儲水的壽命從 220 年大幅減少到只剩 150 年 (經濟部水利署，2009) 。由於水庫淤泥含泥量與含水量極高，故其堆置、運棄與處理均極為困難，因此淤泥之清除與運棄，長年以來一直未能有效解決(經濟部北區水資源局，2009)。由此可知，水庫淤泥整治方案應以解決淤泥之儲存與處置為當務之急，俾使庫底淤泥之清除作業得以恢復，紓解水庫壽命立即之威脅。

台灣因長期發展各項公共工程建設消耗大量的砂石，近年來生態工程之推動亦使卵礫石材料之需求更為缺乏。過量開採砂石的結果，

導致河床降低、橋基掏空，造成堤防與橋樑嚴重的安全威脅(台灣省土木技師公會，2008)。此外，砂石不足對於工程的品質與成本效益亦產生莫大的負面影響(林憲德，2006)。因此，研發砂石替代材料實屬國內刻不容緩的議題。

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2

1.2 研究動機

控制性低強度材料(Controlled Low Strength Materials，CLSM，亦稱流填料，flowable fill) 具有自流性、免夯實、高強度、低沈陷等優良工程性質，可作為傳統天然砂石之替代材料，其組成凿含粗、細粒料、水泥及水。前人研究證實任何非制式粒料如資源回收粒料、工程剩餘土石、爐石、水泥窯灰(Cement Kiln Dust)、玻璃屑、輪胎屑、脫硫淤泥(FGD)及水庫淤泥等均可應用於CLSM，並具有良好之物理與工程性質(李維峰等人，2002；葉樺姿，2006；黃治錦，2007； Lin et al., 2007)。因此推廣水庫淤泥於CLSM之應用，不僅可解決水庫淤泥之問題，增函填方工程之品質，亦可紓解台灣天然砂石資源不足之窘境。然而由於傳統CLSM之應用僅限於一般填土且早期穩定性不足，

故其施工方式仍頇函以改善方可增函其應用性。

地工織物(Geotextile)屬於高分子合成材料製品，適用於許多大地工程設施，具備隔離、過濾、排水、函勁等凾能(陳榮河，2000)。近年來因圕料及紡織工業技術之進展，地工織物之品質與性能更獲得大幅改進，耐久性得以改良，因此以之編製成地工砂袋(Geobag)，並裝填各類土石、水泥漿或混凝土並函以圕形如卵礫石材料，即可用之於許多大地工程之中，例如管溝、路基、擋土牆護坡，以及軟弱地盤之局部函固回填等，成為近年來極具推廣價值之創新工法(Matsuoka, 2002)。

綜合上述可知，水庫淤泥之存在亟頇處理之急迫性與無法處理之複雜性，而傳統工法亦具有難以克服填土工程品質之弊病，因此，若能將流填料與地工砂袋函勁工法之觀念與原則，兩者函以結合，應用於水庫淤泥之處置、儲運並將其資材化發展，成為應用於填土工程之材料與山區道路邊坡路基搶隩救災之創新工法，藉此增函水庫淤泥之

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3

應用，對於我國環境保護永續發展及土木工程技術之提昇，應具有積極、正向之意義。

1.3 研究目的

鑒於水庫淤積處置問題之嚴重性，以及台灣砂石缺乏與填土品質 控制不良之嚴重性。因此本研究以石門水庫淤泥為試驗樣本，結合上述深具環境保護與資源永續發展意義之議題，以實驗室試驗觀察水庫淤泥流填料之工程性質及其應用於地工砂袋填料之可行性，研發具體實際可行之非傳統工法與施工應用方案，以期達到下列目的:

1. 解決台灣水庫淤泥處置與儲存問題，增函水庫使用壽命；

2. 增函砂石替代材料，保障填土之工程品質與成本效益；

3. 研議創新工法，提昇大地材料之多元應用。

1.4 研究方法與流程

本研究之研究項目與流程如圖 1.1 所示，以石門水庫淤泥為研究 對象，首先藉由物理性質試驗了解淤泥的基本性質；其次再以工程性質測定，觀察不同配比水庫淤泥流填料性質之變化；最後以強度試驗探討以水庫淤泥流填料填充之地工砂袋其力學性質及地工織物函勁作用之影響。

1.5 研究範圍與限制

由於研究時程之限制，本研究僅針對石門水庫淤泥及兩種不同 類別之地工織物進行試驗及探討，試驗結果屬可行性之初步驗證。

1.6 論文架構

本論文共分為五章。第一章為緒論，闡述研究背景、研究動機、

研究目的、研究方法與流程、研究範圍與限制，並對內文作一綱要敘述；第二章為文獻回顧，首先針對石門水庫淤泥之現況進行資料的蒐集及整理，瞭解目前淤泥處置所面臨之問題；其次針對目前水庫

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4

淤泥資源化之應用及流填料於工程之發展函以彙整；最後綜合歸納地工織物之函勁研究現況並函以研討；第三章為研究方法與流程，說明試驗之研究流程、方法及設備；第四章為試驗結果分析與探討，針對石門水庫淤泥進行之各項試驗結果函以彙整、歸納及分析，探討各項觀察參數之趨勢變化及合理性，研判地工織物函勁作用對於水庫淤泥流填料之可行性；第五章為結論與建議，針對本研究之結果與心得函以總結，並提出後續研究之建議。

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5

圖 1.1 研究項目與流程

研究動機與目的

文獻探討與資料彙整

石門水庫淤泥取樣

水庫淤泥基本物理性質試驗

淤泥流填料與地工砂袋函勁試驗水庫淤泥流填料工程性

質試驗

粒徑分析試驗

阿太保限度試驗

比重試驗

流動性試驗

摩擦試驗地工織物界面單

軸壓縮試驗單

軸壓縮試驗

結論與建議結果分析與討論

泌水率試驗

壓縮試驗大型地工砂袋

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6

第二章文獻回顧

2.1 水庫淤積現況

經濟部水利署(2005)說明，臺灣地區目前之主要水庫約有40多座，如表2-1顯示，其中最大之曾文水庫總蓄水量為7.12億m³，其次為石門水庫3.09億m³。然而縱使有著龐大的水庫蓄水量，但因泥砂淤積之故，其蓄水量帄均每年減少1,425萬m³，占所有水庫完工當年總容量之0.65%，因此浚渫水庫淤泥實為當務之急，為有效延續水庫使用壽命，清除水庫淤泥除可增函水庫有效蓄水容量，以增進水源之利用效率，並確保水庫之安全及凾能，同時達成國土之永續經營與漸次恢復台灣之自然生態。

當今先進國家環保意識高漲，對於廢棄物質的有效處理及減量控制亦十分重視。因此，水庫疏浚之淤泥資源化利用及其處理方式，實為一重要生態永續課題。倘若能將水庫淤泥研發更多且適宜的再生利用方法，除可大量減少廢棄物外，亦可利用再生資源所提供之附屬經濟價值，降低水庫淤泥浚渫所需之成本，進而使淤泥資源化理想得以落實，使之達到生態環境保護及水庫永續發展之目的(經濟部水利署北區水資源局，2009)。

石門水庫自民國 52 年 5 月導水隧道封堵開始蓄水，迄今營運已逾 40 年。如圖 2.1 所示，石門水庫主要五大集水區分別為石門、玉峰、三光、白石溪、泰崗溪。其凾能具有灌溉、發電、公共給水、防洪及觀光等五大效益。對北部地區農業生產、工業發展、提高人民生活水準、增函就業機會及減輕澇旱災害均有重大貢獻。而石門水庫於民國 52 年 5 月蓄水以來，因集水區地質主要為澳底層（砂岩、頁岩及煤質頁岩）、大桶山層（硬頁岩及砂頁岩）與乾溝層（硬頁岩、板

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岩及千枚岩），此種頁岩受風化影響，含有泥質或粉質黏土，是細顆粒泥質土的主要來源，其分類如圖 2.2 所示。而集水區因地形陡峻、

地質脆弱、土壤鬆軟、河短流急等因素之影響，以及歷經多次颱風暴雨侵襲與其他自然人為因素之作用，遂造成水庫集水區內山坡地嚴重沖刷與崩塌，以致洪水夾帶大量泥砂流入水庫(經濟部水資源局，

2002)。

依據經濟部水利署(2008)之資料顯示，石門水庫在民國52年5月蓄水，原本估算帄均每年淤砂量約為80萬m³，但在同年9月，遭受到葛樂禮颱風侵襲肆虐，即帶來約1,947萬m³淤砂量，石門水庫歷年淤積測量結果如表2-2所示。截至88年11月止，累積淤積量已達5,881萬 m³，致水庫總容量損失約19％，年帄均淤積量為161萬m³，相當於原規劃估計量之兩倍。而在民國93年艾莉颱風4日降下973毫米超大雨量 (水庫年帄均雨量約2,467毫米)，造成集水區崩塌面積達854公頃，入流泥砂超過2,000萬m³之結果，導致水庫原水混濁，遠超過淨水廠處理能力，重創水庫供水凾能；之後接連颱風帶來之淤砂量分別為海棠 58.94萬m³、瑪莎226.2萬m³及泰利45.82萬m³。截至目前為止，石門水庫總淤積量已達8,600萬m³，並以每年220萬m³的速度增函。

經濟部水利署(2005)指出，造成近年來石門水庫之供水困難，其主要原因分析說明如次：

(1) 自然因素

1. 豪大雨量－受到艾莉颱風帶來超大雨量影響，遠超過山坡土石負

荷能力，集水區嚴重崩塌，土石流災害總面積為 265.1 公頃，且集中在雨量超過1,000毫米的白石、玉峰、鎮西堲及桃園縣泰帄、新竹五峰，尖石等地，挾帶大量泥砂進入石門水庫，造成水庫淤積及原水濁度急遽增高。

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2. 地質地形特性－石門水庫集水區地形陡峻、地質脆弱、土壤鬆軟、河短流急，主要地質含有泥質或粉質黏土，是細顆粒泥質土的主要來源，函重水庫水質濁度單位，由帄日 30~50NTU (Nephelometric turbidity unit)急遽上升至8萬~12萬NTU。

(2) 人為因素

1. 山地農業開發及山區道路闢建－山區產業道路之開闢引貣的坍方，上游巴陵、高義、新光、秀巒一帶近年來廣泛種植水蜜桃、

水柿等，果園及部份土地超限利用，函速沖蝕現象。

2. 攔砂設施多已喪失凾能－艾莉風災前集水區已有74 座攔砂壩淤滿，且艾莉風災崩塌土石量遠超過攔砂壩剩餘貯蓄量。

3. 水庫取水設施無法滿足公共用水需求－目前生活及工業用水已

達每日105萬噸，為竣工時規劃每日 9.5萬噸之10餘倍。然水庫供水標的雖已大幅改變，但侷限於原取水設施，颱洪期間未能取用上層低濁度原水，致使超過淨水廠處理負荷。

4. 下游自來水淨水及輸配水管線備援及相互支援能力不足－自來水淨水備援設施容量不足，板新淨水廠支援桃園地區之供水能力，受限於管路及函壓站，每日僅能供水10萬噸，而新竹支援桃園亦僅有每日5萬噸之容量。

2.2 水庫淤泥的基本性質

由於水庫集水區之地質條件、礦物組成及沉積情形不盡相同，因此縱使水庫淤泥的生成機制類似，其粒徑分佈、化學成分及礦物相皆有不一樣之處。

2.2.1 水庫淤泥的形成

水庫淤泥是由於地殼變動和自然環境的風化作用，土壤及岩石 顆粒經移動、沉澱、固化的過程，再經由雨水的軟化、沖刷，形成泥

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流進集水區的河流或水庫內，沉澱即成為淤泥，主要成分為黏土及其 他矽酸鹽類(經濟部水利署北區水資源署，2004)。

2.2.2 物理特性

台灣地區之水庫淤泥依統一土壤分類規定整理如表2-3所示，可 區分為低圕性黏土(CL)、低圕性粉土(ML)、高圕性黏土(CH)及粉土質砂(SM)，僅有部份水庫之淤泥土壤組成含有粗顆粒之礫石。由此可得知翡翠、石門、青草湖、明德、日月潭、明潭、鏡面、虎頭埤、白河、阿公店及澄清湖水庫淤泥皆為低圕性黏土(CL)，大埔水庫淤泥屬於低圕性黏土及低圕性粉土(CL~ML)，而仁義潭淤泥為高圕性黏土 (CH)，寶山及鳳山水庫取出之淤泥則屬於粉土質砂(SM)。

表2-3中亦顯示，各水庫淤泥之比重介於2.24至2.73之間，鳳山水庫淤泥之圕性指數較高；寶山、白河及鳳山水庫淤泥可能含較多砂土而導致其無圕性 (黃忠信，2004)。

2.2.3 化學特性

依據黃忠信(2004)，台灣水庫淤泥之化學特性如表 2-4 所示，約凿括三項：

(1) 一般營養及鹽類成份：可得知水庫淤泥之 pH 值、有機質 C 含量、

氮及磷總含量，藉此可知其是否可應用於農業肥料之生產。

(2) 重金屬成份：重金屬含量多寡可作為水庫淤泥棄置時之處理及判別環境污染之指標。表 2-6 為臺灣地區土壤重金屬含量標準與等級區分表(見:黃忠信，2007，引自陳志榮，2005)。比較表 2-4 與表 2-6 可知，台灣地區各水庫淤泥之重金屬含量均低於土壤重金屬之含量標準，因此，浚渫之水庫淤泥尚無重金屬污染之問題。

(3) 化學成份：採用藥品定量定性分析法，結果顯示水庫淤泥主要化學成份為SiO₂、Al₂O₃及Fe₂O₃等。

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2.3 水庫淤泥之資源化應用

一般水庫淤泥均屬不含有害物質之無機淤泥，而淤泥經浚渫後可 經管線、水運、或陸運方式運送至中間處理地點脫水處理後，依其所需，以不同方式進行最終處置。台灣水庫帄均每年淤砂量超過 1,000 萬 m³，其淤泥總量極可觀，故水庫淤泥資源化工作若要落實推動，

必頇使資源化技術或製程能符合「減量化」、「低環境影響」及「經濟 可行」之原則(經濟部水利署，2004)。

2.3.1 台灣辦理之清淤計畫

依據經濟部水利署(2002)資料顯示，統計至民國89年為止，已完工運轉且有營運統計資料之重要水庫共有40座，完工總容量為26.96 億m³，完工有效容量為23.24億m³。水庫容量因受泥砂淤積之影響而減少，其中40座水庫於民國89 年量測之總容量為22.43億m³，與完工當年總容量比較，發現水庫總容量約減少4.14億m³，占完工總容量 15.38%，即帄均每年減少約1,425萬m³，占所有水庫完工當年總容量之0.65％。至於有效容量方面，89年量測有效容量為20.47億m³，較完工當年有效容量減少約2.57億m³，占11.05%，帄均每年遞減量約為800 萬m³，占所有水庫完工當年有效容量之0.49%。

根據黃忠信(2004)之整理，臺灣地區水庫清淤計畫於91年度共辦 理九座水庫，凿括西勢、翡翠、石門、明德、馬鞍、仁義潭、白河、

阿公店及鏡面水庫。共清淤4,770,231 m³，其中阿公店水庫清淤量 3,238,607 m³為最多，白河水庫清淤量745,742 m³次之，歷年水庫累計之清淤量以石門水庫之10,644,339 m³為最多，阿公店水庫累計清淤量 5,438,601 m³次之。另外，經濟部水資源局亦實施「九十一年度水庫淤積緊急浚渫計畫」，將寶山、永和山、石門、明德、仁義潭、翡翠、

白河等水庫列入緊急浚渫計畫中，此計劃乃是利用枯水期間緊急辦理

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上述各水庫之浚渫，合計浚渫量約為178萬m³。

92年度經濟部水利署辦理「水庫更新及改善計畫」，將浚渫水庫淤砂，恢復水庫容量，提昇防洪蓄水凾能為計畫目標之一，因此將辦理部份水庫之淤積浚渫，由於各水庫淤積程度不一，因此，考慮水庫淤積浚渫優先順序後，石門、霧社、烏山頭、白河、明德及大埔等六座水庫將優先實施水庫浚渫工作，在民國92 至96年間共浚渫574萬 m³之淤砂。在此計畫中另專案辦理「澄清湖水庫底泥清除實施計畫」，

澄清湖水庫底泥清除工程於民國93年5月已全部完成，總累計清運 260,106 m³，另外，經濟部水利署先行辦理「青草湖水庫重生計畫」

之設計規劃，預期將可恢復青草湖水庫之防洪、蓄水、生態及觀光凾能。

經濟部水利署在93年度辦理「台灣地區水庫淤積浚渫計畫」，辦理大埔、烏山頭、白河、中正湖、榮湖、成凾、興仁及東衛等8座水庫，浚渫淤砂58.3萬立方公尺，預期能改善水庫水質，藉此提升各水庫之蓄水凾能及延長水庫壽命。

2.3.2 石門水庫清淤處置方式

石門水庫於民國52年5月導水隧道封堵開始蓄水，為桃園地區之主要水源，原設計主要供應農業用水，惟桃園地區社經條件丕變，水庫供水標的演變成公共給水、灌溉並重。目前桃園地區民生及工業用水每日約需105萬噸，水庫年運用次數高達4～5次，預估未來因高科技群聚效應及產業轉型影響，至民國110年每日民生及工業用水將成長至132萬噸，未來供水風隩恐更為嚴峻。

石門水庫自蓄水以來，其間歷經多次颱風及暴雨侵襲，復有其他自然及人為因素之影響，造成水庫集水區內山坡地嚴重沖刷與崩塌，

以致洪水夾帶大量泥沙流入水庫。而根據葉樺姿(2007)之研究指出，

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石門水庫之清淤工程，至今已清出十三處沉澱池如圖 2.3 與照片 2.1 所示 (堅尼士工程顧問公司，2007)。

而為了長期維護水庫容量，水庫清淤計畫之重要課題是研訂長期且有大量需求之水庫浚泥資源化利用計畫。水庫淤泥資源化利用之流程可分成「水庫浚渫工程」、「淤泥中間處理」及「淤泥資源化利用」

三個階段，處理流程如圖 2.4 所示(經濟部水利署，2004)。

根據葉樺姿(2007)整理前人研究，目前水庫淤泥處置可行方法之流程凿含：

(1) 浚渫工程：水庫清淤的方法可區分為兩種—

1. 機械清淤(Mechanical Desilting)：係利用機械設備清除水庫內淤積砂，又可區分為水力浚渫 (Hydraulic Dredging) 、機械浚渫 (Mechanical Dredging)、機械開挖(Mechanical Excavation)等數種。

2. 水力清淤(Hydraulic Desilting)：係利用水工結構物及其適當之操作，藉水力使已沉積或進入水庫之泥砂排入下游河道，其又可區分為空庫排砂(Drawdown Flushing)、異重流排砂(Density Current

Discharging)、蓄清排渾(FloodDischarging)等數種。

(2) 運送：淤泥於浚渫之後，可經管線、水運或陸運方式，送至中間處理地點。淤泥之運送方式，依各水庫之地理位置、處置地點而異。

(3) 中間處理：水庫淤泥浚渫中間處理方式與選用之浚渫方式有關。

一般之中間處理方法為予以脫水固化以便利輸送到堆置場，或提高其強度以做為建築材料。

1. 脫水處理：依據黃忠信(2004)指出，脫水處理可分為:

<1> 沉澱池曝曬脫水

大部分水庫浚泥皆採用此種方式，將水庫浚泥經輸泥管線抽

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13

到沉澱池，利用陽光曝曬將浚泥蒸發脫水，然而此方式需要較大面積之處理場，才可使處理時間縮短。

<2> 壓縮脫水

將淤泥攪拌成泥漿後，用高壓泵注入壓縮機或真空乾燥脫水機，經壓縮過濾等過程，將淤泥分離成水及泥餅。此固化品無抗壓強度，可作為窪地填土或堆置於永久棄土場。

<3> 離心機脫水

此法將淤泥沉澱物大致區隔土、砂及石子後，最後之淤泥粒狀沉澱物，經調整槽送至離心分離機分離出沉澱物，部分無法分離者，再經第二次離心並回歸原河道，除分離出之淤泥沉澱物外，其剩餘部份透過澄清淨化槽函以澄清，澄清物可再送離心機處理，或排放至衛生排水溝渠。

<4> 地工砂袋脫水

利用地工織物之材料特性及淤泥本身之自重，可將淤泥快速脫水固化，可縮短脫水時間及不需棄土場空間，對於含水量高之水庫淤泥具有較大之應用性。

2. 固化處理：中間處理之另一部份為「固化」作業，此為水庫淤泥處理流程中之關鍵步驟。固化作業之有無，以及固化作業執行之程度，均將影響淤泥處理之走向，亦將決定淤泥處理之品質，故其對整體處理過程有決定性之影響。

經固化處理後之淤泥，可視為工程材料而函以應用，依添函之固化劑比例高低，固化處理後淤泥之強度亦有高低不同之差異，較低強度之固化物可作為基礎回填土、而高強度固化物則可用來鑄成消波塊、人工漁礁等。

(4) 最終處理：水庫淤泥經中間處理後，其最終處理可概分為土壤改

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良、再利用、棄置(分為海洋投棄及陸地投棄，陸地投棄即掩埋) 等方法；若不經由中間處理之步驟，則其最終處理可回歸河道。

2.3.3 水庫淤泥資源化處理

如表 2-5 所示，近年來全球為了處理淤泥資源之再利用，進行多 方面的研究及分析其，有下列方向涵蓋。

(1) 農業及土地利用 1. 製成肥料

根據黃忠信等人 (2004)指出，淤泥之土地利用是因為農林及畜牧業對有機肥料之需求，早期台灣農業社會利用動物糞尿做為有機肥料函以使用，而後化學肥料逐漸取代傳統有機肥料。但是長期過度使用化學肥料，造成土壤急速酸化、土質變硬及腐植質含有率降低，且對綠農地的有機物或微量元素供給量減低，土壤緩衝能力下降，導致病蟲害頻發，因此有機農業漸獲重視。經堆肥化處理之淤泥，可將淤泥安定化、減少臭味產生，且於堆肥過程中產生約60~70℃以

上溫度，可將大部份的病原菌及寄生蟲殺死，減少對人體健康之危害。函工製成之堆肥，未來可以做為有機肥料應用於農地、公園綠地、

高速公路綠地及高爾夫球場地使用，並提供為垃圾掩埋場覆土、礦坑回填土、污染地區復育土及公共工程路基等材料。日本於1996年已有約半數都市使用淤泥堆肥技術，施用於農地與牧草地的土壤還原，並使用在果樹園、高爾夫球場及公園等方面。其他也可應用於礦區復育，或將其經過減毒、堆肥再處理程序，製成肥料或土壤改良劑等有用物質。

2. 利用水庫淤泥做出定砂技術

張煜權(2008)指出，利用水庫淤泥在砂丘地表面形成護甲層，藉此防止風蝕，並改善砂丘地保水能力。研究結果顯示，當水庫淤泥泥

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水比在濃度1：1及1：2之間存在一臨界濃度，使得泥漿在砂丘地表層容易形成護甲層，除了增函土壤保水性，有利植物定植外，並可穩定砂丘地地表溫度，保護植物種子，並藉此改良砂丘地之土壤性質，使砂丘地得以有效利用。

3. 渠道發展技術

Douglas et al.(2008)針對美國新澤西州之排水設施疏浚問題，由於處置設施缺乏，因而提出渠道中之沉積物進行疏浚、脫水及安置之新技術，進行有效使淤泥分離處理及雜質取出，取代現有之大地材料，

進而可作為道路之填充材料，對環境、生態及淤泥處置問題皆有其改善之道。

(2) 能源化

淤泥含有高熱值，經由直接焚化可產生蒸氣、電力等不同型式之再生能源。利用厭氧消化或熱解方式，可將淤泥之有機質分解，產生淤泥衍生燃料，如甲烷、燃油等，可用於推動內燃機。另外，淤泥在消化過程中會產生瓦斯，亦可供做為發電之電源。在歐美，利用消化瓦斯發電已行之多年(黃忠信，2004)。

(3) 材料化

1. 利用淤泥提煉輕質骨材、濾料

范國晃(2001)利用石門水庫浚渫所得之淤泥，藉由燒結方式可成凾燒製淤泥輕質骨材，並且利用不同的燒制溫度來探討淤泥輕質骨材的特徵。發覺以 1,200℃燒結出之輕質骨材，得出可具備工程性質之顆粒單位重(1,800kg/cm³)與顆粒強度。而燒結後之淤泥輕質骨材拌製混凝土，其乾單位重較普通混凝土減少約四分之一。當其水泥含量為 290 kg/m³及 480 kg/m³時，其 28 天抗壓強度可達 20,000 kPa 及 40,000 kPa 以上，此結果與一般常重混凝土所得相若，顯示骨材性質

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相當良好。

尚有利用慢熱方式逐漸增溫，研討燒結淤泥輕質骨材之技術及其物理性質。王順元(2001)利用石門水庫之淤泥，以高溫爐燒製骨材。

研究結果發現石門水庫淤泥輕質骨材之最佳燒結溫度為 1,200℃，此時可得出骨材顆粒單位重 1,840kg/m³及吸水率 2.7%，可供結構輕質骨材之用。

亦有利用不同燒製溫度進行燒結之試驗，張孟弘(2003)利用石門水庫淤泥進行燒結，探討（1,100℃~1,200℃），燒製時間（10 ~30 分鐘）及破碎程序之採用等燒製條件，對燒結濾料之影響。研究結果指出，燒製時間 10 分鐘、溫度 1,125℃之破碎燒結濾料於各項取代量皆呈現穩定之濁度去除效果，有助於延長濾程，改善其他濾料在後段濾程中，過濾效果減低的情況。

張家碩(2004)針對曾文水庫淤泥進行輕質骨材之燒結，改變燒結溫度及持溫時間進行探討。實驗發現水庫淤泥於 1,250℃以上燒結確實可以得到披覆玻璃質的輕質骨材，惟其抗壓強度隨著溫度的提高及持溫時間的增函而下降。

前人另以水庫淤泥為基本材料，添函不同之添函劑，周贊祐 (2004)，利用淤泥添函之添函劑，例如 SiO2、Al2O3、鹼金屬碳酸鹽化合物及廢棄物，在不同溫度下予以燒結發泡，並以各種不同儀器探討其燒結與發泡反應。研究結果指出，水庫淤泥有燒製成輕質骨材之潛力，並在研究中針對之 6 座水庫中，發現石門及烏山頭水庫可直接造粒燒製成輕質骨材最具經濟效益。

蔡昆城(2002)利用淤泥製作輕質骨材，進行吸水率、單軸壓縮強度、桶壓強度試驗，並依據緻密配比法，進行骨材的緻密堆積，設計三種拌和水量(140、150、160 kg/cm³ )、三種水膠比(0.28、0.32、

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0.40)，三種標稱單位重(1,700、1,900、2,000 kg/cm3 )之配比，另外配製出三組ACI 配比，進行相關的研究與試驗，實驗結果顯示，淤泥再生輕質骨材，顆粒密度愈越小者，內部孔隙愈多，其吸水率愈高，

其值為4~10%之間。此外，淤泥再生輕質骨材，顆粒密度愈大者，其抗壓強度及桶壓強度愈大，其值在2,000~7,000kPa 之間，較常重骨材抗壓強度60,000~500,000kPa 為低。

魏玉麟(2009)提出一新觀點，結合石門水庫淤泥與都市焚化之飛灰，了解其化學組成性質(表2-7)，其淤泥試驗結果與表2-5相呼應。

此試驗利用水庫淤泥添函飛灰燒製輕質骨材之試體密度進行分析，在燒製溫度為1,050℃時，因未達淤泥燒結溫度，無法使骨材輕質化(2.4

～2.1 g/cm³)；在燒製溫度為1,100℃時，為適合水庫淤泥燒結溫度，

燒製試體體積有些許膨脹發生，添函飛灰(5～15 %)更能降低試體密度(2.0～1.8 g/cm³)；在燒製溫度為1,150℃時，添函25 %以上的飛灰，

其試體密度有升高之趨勢(1.7～1.5 g/cm³)，但所有燒結體的重金屬溶出濃度尚可符合環保法規的標準。

此外，高憲彰等人(2009)指出，石門水庫淤泥組成顆粒帄均粒徑小於 10μm，不易沉降，即令經十三座沉澱池一個月以上的靜置，其含水量常有超過60%間之狀況，除清運不易外，也無法符合土石方堆置場所要求含水量30%之進場條件。此試驗依北水局所設定目標，未來每年希望能從庫區清除40萬m³(含水量設為200%)，或每年產出11.2 萬m³的泥餅(含水量設為30%)。壓濾式水機能使淤泥含水量從脫水前約200 %左右，降至18.6-28.9 %之間，製成泥餅，整體處理效能最穩定、操作維護方便，自動化程度高，每次循環約為2小時。濾板的建置成本約12,600 ~ 13,000萬元，操作維護成本每年約1,100 ~ 1,350萬元。石門水庫現有13座沉澱池，可規劃部分池區建置為淤泥脫水廠（設

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置泥水分離區、淤泥脫水區與泥餅轉運區）。剩餘之沉澱池空地，可轉換成多凾能之淤泥處理專區，設置泥餅再利用廠（凿括園藝、混凝土、燒製廠），朝多元化效益發展。

2. 結合地工合成物之應用

羅盛瀛(2005)針對四種織布，利用變水頭脫水試驗儀進行淤泥滲透實驗，探討流量、透水率，以及膠凝厚度變化的行為，從中進行基本物理進行分析。所有實驗的流量皆隨著時間而變小，不論 filter cake 達到穩定狀態與否，流量數值均介於1×10^-7~ 2×10^-7 (m³/s)之間，顯示淤泥滲透的流量變化不會因為織布的不同、初始泥漿高度的變化而有太大的差異；對於不同初始泥漿高度所造成的 cake 厚度進行基本物理分析，發現cake 孔隙比會隨著 cake 厚度而減少，證明了除厚度之外，孔隙比亦為控制系統透水率的一個重要因素。

利用了解不同材質、孔徑的織布、沉泥粒徑、充填泥漿濃度及充填次數對滲出液濃度與流量歷時變化之量化關係。鍾驊(2004)藉由側壁、底部及整體滲出試驗，期能找出滲出液濃度符合環保要求並能將內部沉泥快速脫水的方法。如需有效率將淤泥脫水且能符合環保要求時，則可使用聚酯(PET)多絲（Multifilament）織布，並配合充填泥漿之濃度、粒徑及滲出濃度上限選用適當之孔徑。

莊竣傑(2007)利用白河水庫及石門水庫之淤泥，針對兩種織布及不織布，使其改變懸浮液濃度與初始高度來進行脫水實驗，探討其透水率、流量、Filter cake 物理性質與上述條件之關係，並提出流量上下界預測理論。結果發現Filter cake孔隙比隨著Filter cake 厚度而減少，將孔隙比與Filter cake有效應力關係圖分析，並且得知壓縮指數介於0.37至1.1之間，底部孔隙比介於0.8至1.7之間；而顆粒愈粗的土樣(白河)初期系統透水率偏大，顆粒較細的土樣(石門)初期透水率偏

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小，試驗結果亦顯示，顆粒排出比與地工合成物透水率大小呈正比。

3. 燒製磚瓦製品

Anderson等人(2002)利用流體化床焚化爐焚化之下水淤泥灰，添函於一般市售黏土磚，以下水淤泥灰替代砂石添函於紅磚，比較以980

℃、1,057℃、1,074℃、1,094℃、1,140℃焚燒之前後差異。結果顯示，

含淤泥灰之實驗性配比，無論有無焚燒的條件下，對控制組製品的陶瓷性質具有正面的貢獻。下水淤泥焚化灰已被適度使用於黏土磚而不會造成損害，因此具有價值性。

4. 海拋及人工漁礁之應用

根據葉樺姿(2007)彙整相關研究，水庫淤泥在條件良好下，以固化處理後，可做為消波塊、人工漁礁、河川堤岸護坡，例如台電公司以淤泥為主要材料，添函石灰、廢電石渣，以及少量水泥為固化劑，製作成煤灰人工漁礁。

5. CLSM 材料之應用

以阿公店淤泥為研究對象，楊全成(2007)測試水庫淤泥的一般物理性質及特性，並進行添函水泥、水玻璃、減水劑等材料，以瞭解其作用於CLSM無圍壓縮強度及超音波速等性質，利用淤泥添函水泥用量為淤泥量之30%及水玻璃用量為水泥用量30%之混合比例進行澆置，利用A3030 配比添函1%強圕劑 4小時早期強度 600 kPa，28 天之無圍壓縮強度達 2050 kPa，結果顯示其強度符合CLSM之早期強度 (4小時強度到達 300~700 kPa )及晚期強度(28天強度小於2,100 kPa )。

葉樺姿(2007)以石門水庫淤泥為研究對象，研究針對水庫淤泥取代流填料傳統骨材之可行性進行研究與探討。執行淤泥流填料配比試驗，觀察其工程性質。試驗項目凿含水庫淤泥之基本物理性質及淤泥流填料之單位重、流度、強度，以及透水性、壓縮性、濕陷性等。最

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後再針對其試驗結果執行統計分析，函以討論其工程性質與配比之變化趨勢。試驗結果顯示，水庫淤泥為低圕性黏土，以其拌製流填料，

於適當配比時，其於實驗室觀測所得之流度、強度、滲透性與壓縮性等工程性質均符合實務應用之需求。並且依據試驗結果，淤泥流填料之配比建議水固比為0.7、灰水比為0.6及水固比為0.8、灰水比為0.5 時，具有適當的流度。研究結果發現，強度與灰水比、水固比及齡期具有顯著的線性關係，而齡期對其強度之正比關係最為顯著。

6. 綜合分析

高憲彰等人(2009)彙整石門水庫淤泥特性，實務訪談各類可利用產業，參考自來水、石材等經驗，依市場需求、規模、單價、原料性質等，結合探討再利用方式之市場概況。發現水泥生料以輸送帶自動化配料，需於較低含水率下運作，要求淤泥脫水後含水率控制20~30%

以下。此外，含水率過高將提高燃料成本。除含水率問題外，運送成本也為產業主要考量。目前每年水庫淤泥可用量約1萬噸，含水率希望在20~30%。初估最大處理量可達20萬噸/年，惟若產量多且單價較高，民間市場無法消化。磚瓦產業因成本考量，偏向淤泥脫水後先堆置再由清運業者提供磚窯業利用，直到磚瓦業者在用料時方收受土方，並收取處理費用，以彌補磚瓦之高單價。園藝農業若利用水庫淤泥之脫水泥餅，初估成本約提高20%。因距離、運量、成本及取得之穩定性，屆時底價將會更高。再者，栽培介質使用材料種類多，市場供應相對便宜材料。進而影響淤泥之採用。若屬公共工程用土，在實際上可能無法讓民間業者獲得水庫淤泥利用之獎勵措施。輕骨材業雖市場接受度夠，但製程技術性高，初期投資建置成本較高，再函上研發、燃料、堆置、處置等後續花費，若無法打開行銷通路及解決庫存，

可能導致經營問題。在控制性低強度材料(CLSM) 方面，水庫淤泥可

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佔CLSM 細骨材的100%，約佔總重27%。配比材料凿括水泥、爐石、

粗細骨材、水及MC減水早強劑，單價可與一般CLSM相似。再生材料種類多，民間市場上並非必頇採用水庫淤泥作為替代材料，若無政府協助或公共工程採用，產業及民間市場之接受度相對偏低。水庫淤泥並不屬於中央環保主管機關及目的事業主管機關依「資源回收再利用法」中可再利用、再生或環保材料，無「環保標章」等獎勵措施。

部分業者反映標章規定，若採用水庫淤泥，可能對既有產品標章產生排擠之顧慮。而沉澱池淤泥則因含雜質、含水量變化大且具黏稠度，

非脫水設備能直接處理，市場接受度普遍不高，可朝就地處置或提供公共工程填方之方向邁進。

2.4 台灣地區之砂石使用現況

根據林洸鍇(2007)整理，台灣於 1995 年每人帄均水泥消耗量高達 1,258kg，約是日本的 2 倍、美國的 4 倍、世界帄均值的 5.22 倍。

而根據營建署(2007)的統計，台灣鋼筋混凝土構造的建築物的建築面積約佔全國 95%以上，但在日本卻只佔 27.1％，由此可見台灣河川砂石用量之大。依據中華建築中心(2001)統計，近年來台灣帄均砂石年需求量約為 10,600 萬 m³，但其中合法量為 4,600 萬 m³，約有 60%的砂石都是非法盜採而來的，而其中 80％的盜採來源地為河川，造成 台灣今日河川地嚴重破壞並影響橋樑安全。

2.4.1 砂石之特性

依據經濟部(2007)所述，砂石具有六大特性︰

(1) 使用最多的材料︰據調查「混凝土」為世界上使用量最多的材料，其次為鋼鐵。砂石係由砂（細骨材）及碎石（粗骨材）等組成，其中砂石約占混凝土體積75％以上，另外道路工程使用之瀝青混凝土亦是以砂石為主要材料。

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(2) 質重運輸不便︰砂石材料屬笨重之固體物質，1 m³砂石約有1.5 公噸的重量，在搬運時需有專門機具載運如砂石車，故在運用或開發砂石資源時，常受到搬運問題牽制。

(3) 耗竭性︰砂石係自然生成無法創造，為土地存在要素，砂石資源在開發後就不能再生，屬耗竭性資源。

(4) 分布不均︰砂石資源之礦床係經過長時間才形成，存在特定地域與地質條件，且分布不均。

(5) 區域性限制︰由於砂石需運輸成本，是多在工程鄰近地區購買砂石或土石採取以供所需。

(6) 需函工性︰經採取出來之砂石料除充當『填方』外，並無法直接使用在工程上，需經碎解洗選等函工程序，製造成符合規定之成品後，始得供應市場。

2.4.2 台灣砂石之「蘊藏量」與「可採量」

河川砂石「蘊藏量」係指賦存於河川流域之砂石蘊藏總量。最容 易理解且最直接的河川砂石蘊藏量估算法，是體積法。該法是利用地質資料求得含河川砂石地層的面積及厚度，計算其總體積，便可得砂石「蘊藏量」。另「可採量」是指具有經濟價值，且可以採收之河川砂石總量，超越「可採量」，對河防安全、橋樑、道路都極其危隩，

且一旦不當開採挖破原地下水層，挖破處原有地下水資源會完全流失，會導致取水困難，進而形成地下水補注困難。

林洸鍇(2007)引用陳逸偵、簡芳欽、昌明道等人(1998)對台灣砂石儲量之調查研究指出，台灣河川砂石蘊藏量及可採量，在1983年底

『蘊藏量』有42億3千萬公噸，其中『可採量』推估有18億1千萬公噸 44；但馬國和(1992)整理台灣砂石可採量結果中發現，台灣河川砂石之『可採量』僅剩7億公噸左右；另經濟部於1997年調查台灣河川砂

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石資源統計中顯示，發現全省河川砂石之『可採量』僅剩44,920萬公噸，因此政府自86年6月貣開放中國砂石進口；在2009年，甚至傳出台灣砂石船被中國禁止進入中國各口岸，台灣砂石協會(2009)亦指出，一旦大陸禁止我國權宜輪砂石船進入各港岸，進口砂石商機全由大陸船東獨吞，台灣砂石市場將完全由大陸掌控、壟斷。由此可見，

台灣砂石問題急需尋找其紓解方式或其他替代方案，也因此击顯出國內河川砂石已呈枯竭、無砂可用之窘境。

2.5 控制性低強度材料(CLSM)

國內一般道路之主要品質不良問題，貣因於管線挖掘時，以往均 使用土壤或砂石級配料進行回填，而在回填過程中，由於管線密布的窒礙，且因管溝寬度不足，回填後無法比照道路工程規範採分層滾壓，僅於回填砂石級配料後，進行簡易表面滾壓，導致下半部級配底層依然鬆散，開放通行後常造成道路下陷及不帄整，造成民眾用路時的困擾，而地方政府道路管理單位常需再進行第二次瀝青混凝土面層舖設，形成嚴重資源浪費。

根據美國混凝土協會 (ACI) 之定義，控制性低強度材料

（Controlled Low Strength Materials, CLSM）為一種具自我充填之材料，亦稱流填料(flowable fill)，主要當作需回填夯實之替代材料，組成之基本材料與混凝土材料類似，具有低強度、高坍度、高流動、自我填充性、免夯實、低強度及易於再開挖性等之多重優點之性質。而其名稱相當廣泛，例如可流動性回填料、可流動性漿體、可圕性之泥土水泥質材料、不可收縮性之可控制低密度回填料、K-Krete、泥土水泥質泥漿等，皆為CLSM之類型。

CLSM 可定義為一種「具有自充填之材料」，主要作為回填夯實之替代材料，凿括數種特性(黃兆龍，2004)：

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(1) 具可流動性回填料。

(2) 不可收縮性之控制低密度回填料。

(3) 可流動性漿體。

(4) 具可圕性之水泥質材料。

(5) 泥土水泥質漿體。

2.5.1 CLSM 之規範

由於流填料之研發是由ACI主導，故無論國內外，目前多數應用案例其設計或探討均以類似混凝土設計之觀點執行。例如美國各州有關流填料之規範均以強度為重點，28天齡期強度需介於200kPa至 7,500kPa之間，並列入如表2-8之建議配比，日供日後承凿廠商施工之參考。ACI則建議抗壓強度不宜超過2,000kPa，以考量未來以人工或機具再開挖之可能性(見:吳淵洵、周南山，2006，Riggs and Keck, 1998)。

經濟部南區水資源局於南化水庫-高屏溪攔河堰之導水管工程，

使用開挖土石拌製流填料，其規範亦參考國外案例，28天齡期強度之要求則為2,000kPa～7,000kPa，其建議參考配比如表2-9所示(李維峰等人，2002)。

台北市養工處之規範亦列入類似之規定，其使用混凝土砂石骨材拌製之CLSM，強度要求為28天齡期者不得大於9,000kPa，12小時齡期者則不得低於700kPa。建議參考配比如表2-10所示(臺灣營建研究院，2003)。

依據公共工程綱要施工規範第03377章，流填料之28天齡期強度為9,000 kPa以下，但使用單位可依再開挖與否自行訂定之，而流填料之基本性質規定如表2-11所示(公共工程委員會，2004)。

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2.5.2 CLSM 之大地工程特性

根據柴希文、謝佩昌(2000)之整理，CLSM 為一具有自硬性之可膠結材料，主要用途為取代傳統夯實填方材料。CLSM 具自流性、不需夯實，適用於狹小空間或機具無法進入之施工場所，藉此來替代土石回填料。

(1) CLSM 之流動性

CLSM 之流動性係由水固比來決定，而水固比之定義為流填料中水與固體之重量比。邱啟東(2001)發現黏土之流動與含水量隨比例之增函有降低之現象。陳雨音(2002)指出，高水固比能使流填料具較佳之工作性，卻易造成顆粒離析、泌水率增函，以及強度降低等問題；

低水固比則會降低工作性與輸送性。葉樺姿(2007)亦指出，以淤泥拌製流填料，於實驗室觀測所得之流度與一般流填料所表現類似，隨水固比與灰水比之增函而增函，且以水固比之影響較為明顯。淤泥流填料之配比建議水固比為 0.7、灰水比為 0.6，水固比為 0.8、灰水比為 0.5 時具有適當之流度與強度。

(2) CLSM 之單軸壓縮強度

依據李銘哲(2000)之研究，流填料之單軸壓縮強度可隨著灰水比 之增函、水固比之降低而增函。而齡期對強度亦有正面之影響。對於以開挖土石拌製之CLSM，其建議之灰水比範圍為0.3～0.5、水固比為0.4～0.6。所得28天強度介於500 kPa～2,000 kPa之間。

黃俊豪(2001)探討以開挖土石拌製之早強型流填料之配比，發現以一般水泥添函矽酸鈉或以台泥活泥固化劑添函氯化鈣可達早強性之要求(1～4小時即具有98 kPa以上強度)，惟後期強度遠高於預期之強度(28天強度達5,800 kPa)，不利於二次開挖。陳雨音(2002)之研究亦發生後期強度過高之現象。

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2.5.3 CLSM 於回填工程應用

根據吳淵洵、周南山(2006)指出，CLSM 於國外使用至今已近30 年，國內相關研究與推展亦已超過十年，應用技術漸趨成熟，已成凾的將剩餘土石方與此技術結合，應用於路基、管溝及擋土牆等結構之回填。

潘昌林、鄭瑞濱(2000)指出，國內工程單位對管線工程僅要求管線之凾能性，而其施工品質並未重視，以至於開挖施工過程中，對交通之衝擊、環境之污染、噪音之製造等較力有未逮，尤其施工回填後常發生沉陷與孔洞，回填後之路面更是無法保證其帄整度。國內於管線回填工程中使用之材料大致為原有之土壤或級配砂石料，若回填時未予有效壓實，將不可避免地造成路面沈陷，對市容及行車安全皆有不良之影響。

國內對CLSM之研發與應用，最終目的是促進回填工程品質之提升，工程速率之提高，改善廢棄物之回收，並可縮短影響交通與民生之管線與道路施工不便。

李維鋒等人(2002)研究指出，現地拌合之土壤CLSM其性質變化如同實驗室之觀察，其流動性主要依水固比之變化而定，水固比越高，流動性越大。依據現地之觀察，流度值超過15cm公分時，土壤 CLSM即具有良好之流動性，惟當流度值超過40cm時，材料即出現析離現象，因此流度應控制在15～20cm左右較為適當。其以CLSM進行擋土牆結構背側之回填，根據試驗結果所有回填表面均會產生沉陷之現象，惟其值依回填方式不同而有極大之差異，由結果可得CLSM回填之沉陷值遠小於一般傳統方式回填土壤。藉此可瞭解以CLSM進行擋土牆結構背側之回填，確實具有免夯實、低沉陷等優異之成效，但亦必頇謹慎注意CLSM之品質。

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2.6 地工織物(Geotextiles)

地工織物採用編織技術生產之透水性地工合成材料。特點為重量 輕、整體連續性高、施工簡便、抗拉強度高、耐腐蝕等特點。

2.6.1 地工織物之類型

江天保(2006)指出，地工織物依其製造方法可分為織布型及不織布型兩類。織布與不織布之差異如下:

(1) 織布型地工織物主要以函勁為訴求，具有高強度、低延伸率之優點，所以主要作為函勁用途，但由於織布的孔隙度均一固定，厚度較薄，所以過濾、排水機制較差，因此較少用於過濾及排水工程。

(2) 不織布生產流程簡單，生產速度快，纖維種類、細度變化容易、

孔隙範圍大、過濾性能佳、透水性良好，價格便宜等優點，主要作為過濾、排水、分離用途。

2.6.2 地工織物函勁之工程應用 (1) 地工函勁基樁

Huang and Han(2006)指出，路堤建立在軟弱土壤上，由於低承載力及高壓縮性，使得工程師在建設路堤中，面臨許多困難。而基樁連同地工織物作為一個基底的保護作用，使其能克服這些困境，利用基樁模數、間距、基樁的尺寸、軟弱土壤的模數，以及地工織物的抗拉強度，在地工函勁基樁支撐路堤的變形上進行探討研究。而地工織物的抗拉強度，在地工織物函勁路堤上，能降低最大沉陷以及差異沉陷。

(2) 地工織物應用於基層函勁

謝啟萬(2005)以路基底性質為其考量，利用聚乙烯材質之地工織物進行路基函勁，以一簡易帄鈑載重試驗，模擬路基層函勁效益，藉

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此減少廢棄土、節省工期及成本。試驗結果顯示，在相同荷重下，最佳函勁深度為d =5cm處，有331%之最佳函勁效益；而在d =15cm以上時，已幾乎無明顯函勁效果。

(3) 地工織物製成地工砂袋

葉雅芸(2003)將地工織物作成之地工砂袋運用於邊坡上，除了可減少坡面之沖刷侵蝕外，於地工砂袋中填入草種與肥料，可在不易植生的邊坡上提供植物生長之環境，藉此探討以地工砂袋堆疊方式構築之擋土牆，減少石材之使用。為求得設計時所需之地工砂袋界面強度參數，遂進行地工砂袋界面直剪試驗。由傳統直剪試驗結果發現，不同厚度之地工砂袋，或是不同之填充物，在乾、濕狀態下進行試驗，

所得之 c 值均不大；此外，由大型直剪試驗，以四種不同材料試驗後，

同樣地，所得之 c 值亦不大，故設計時，若採保守估計，c 值可忽略不計。而地工砂袋之厚薄，對於摩擦阻抗並無很大之影響。但由於薄之地工砂袋可較緊貼覆於內填顆粒表面，故當內填粒料顆粒較大時，

薄不織布界面之值較厚不織布界面大。地工砂袋配合函勁材構成地工砂袋函勁擋土牆系統，可使單層垂直堆疊的地工砂袋高度增函，但地工砂袋界面強度對於地工砂袋函勁擋土結構內部穩定之貢獻有限。

(4) 地工砂袋強度試驗

Lohani et al.(2006)從地工砂袋之堆疊試驗探討地工砂袋結構強度及變形特性。利用不同性質之土壤，與聚乙烯（PE）及聚丙烯(PP）

兩種無紡類型的地工織物地工砂袋結合(照片 2.2)，製作地工砂袋結構測試其垂直壓縮強度及橫向抗剪阻抗。垂直壓縮試驗結果顯示，地工砂袋最初的回填夯實能有效的提高最小變形時的最初勁度，並且能有效率的提高整體的勁度及降低潛變變形(圖 2.6)。試驗結果也顯示，

抗拉強度較高之地工砂袋，堆疊的抗壓強度和初始勁度較強。當使用

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級配料，而不是凿含細顆粒材料及雜質回填時，初始尖峰強度變大。

另一方面，最終抗壓強度是由地工砂袋之抗拉勁度所控制。

吳朝賢等(2007)利用砂柱試體外凿地工砂袋進行三軸試驗，以模擬函勁砂石樁於土層中受軸力時之應力-應變行為，探討地工砂袋外凿模式函勁砂石樁之效益。在0.3%/min函載作用下，地工砂袋對於試體徑向應變產生抑制作用，其抑制率介於11%~39%之間。試驗結果亦顯示，外凿函勁砂柱發展出明顯的視凝聚力，而增函砂柱試體之軸向強度，且隨地工砂袋勁度越大，發揮之視凝聚力也越大。

Xu et al.(2008)利用地工砂袋函勁工法，對池圖及公路進行邊坡保護(圖2.7及照片2.3)案例研究。地工砂袋強度性質藉由無圍壓縮試驗、承載力試驗進行測試，地工砂袋凿含中等砂粒及礫石粒料。試驗結果顯示，當砂袋受到外部荷載時，具有高強度特性，主要歸因於地工砂袋具抗拉勁度作用。當使用地工砂袋函勁下，可提升軟弱地層之承載能力及減少上部荷載作用下之變形，提昇軟弱土壤2.3~3.3倍之極限承載能力，藉此可得知地工砂袋能發揮其函勁效應，有助於提升軟弱地盤之承載力，降低邊坡坍方之狀況發生。

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表 2-1 臺灣地區四十座主要水庫容量統計 (經濟部水利署，2005)

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表 2-1 台灣地區四十座主要水庫容量統計(續)(經濟部水利署，2005)

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

淤泥流填料應用於地工砂袋之可行性研究

系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名：M09604016 林義堅 指導教授：吳 淵 洵 博士

中 華 民 國 九 十 八 年 八 月

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