• 沒有找到結果。

中 華 大 學

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "中 華 大 學"

Copied!
122
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:跨河橋基受損與整治方案探討

系 所 別:土木與工程資訊學系碩士專班 學號姓名:E09104013 白炎典

指導教授:吳淵洵 博士

中華民國 九十七 年 二 月

(2)

誌謝

承蒙恩師 吳淵洵教授的悉心指導與教悔,恩師不但學識淵 博,其為人正直且樂於助人的行為,實令學生深感佩服與景仰。在學 生學習過程中,恩師身體狀況不佳,仍勉力細心且耐心教導,使得本 論文能夠順利完成,實令學生心中萬分感動,恩師教導之情,學生終 不敢忘,學生當以恩師為學習榜樣,盼望自己有一天也能具有足夠能 力幫助別人。此外,感謝周南山博士、李煜舲博士擔任論文審核委員 時,給予諸多指正與建議,使本論文得以更加詳實完備,在此致上最 誠摯的敬意與謝意。

在本研究過程中,感謝諸位在膱學長及同學的鼎力相助,使得 本論文更加充實與完善。在求學期間,感謝系上老師們的諄諄教誨;

感謝德雄、中勇、文祥、俊宏、和榮…給予關心和鼓勵,同窗情誼,

此生難忘。

最後感謝雙親及老婆全力的支持與鼓勵,讓我無後顧之憂,全 心全力的完成學業。僅將本論文獻給我敬愛的雙親以及親愛的老婆

炎典 謹誌 中華民國九十七年二月于斗南

(3)

中文摘要

台灣橋梁基礎裸露情況明顯,常肇因河川上游興建各種水庫或攔 砂壩後,使得河川砂石在上游遭到攔截,導致河川下游段砂石補充來 源大幅減少;又近年來盜採砂石嚴重,致使橋梁墩基地基條件改變,

橋梁基座遭受河水沖刷不利因素增加,嚴重影響橋粱安全。

本研究以層級調查分析問卷調查方式進行分析,藉由問卷所得各 案之相互排序探討跨河橋梁橋基受損之主要原因及其後續橋墩補強 工法種類之影響因素權重及排序。研究成果顯示橋墩沖刷受損主要原 因以天然災害(豪雨、颱風及地震)為主、河川補強工法及河床穩定 工法以混凝土護坦工法。橋基保護工法為包墩或混凝土圍繞工法為 主、橋基結構保護工法則以鋼筋混凝土包覆工法為主。

關鍵字:層級分析法、 橋梁工程、橋墩補強工法、橋墩沖刷

(4)

目錄

誌謝……….……..I 中文摘要……….……….……..II 目錄……….……….……..III 表目錄………...……….……...VI 圖目錄………..………..……….…….VII

第一章 緒論……….……..1

1.1 研究動機………...………..2

1.2 研究目的……….………..3

1.3 研究步驟與流程……….………..3

1.4 研究限制………..……….………5

第二章 文獻回顧..………...……….………6

2.1 多準則決策與層級分析法…….………..6

2.1.1 多準則決策………...……….. …6

2.1.2 層級分析法……...……….…………..7

2.1.3 層級分析法機制...………..……….8

2.1.4 AHP之適用性 ………...… ………..10

2.2 橋墩基遭受災害之因素………….…...……….12

2.2.1 河床沖刷分類………...……….12

2.2.2 河川砂石過度開採所衍生之問題………12

2.2.3 興建河工設施所衍生之問題………13

2.3 橋墩基遭受危害之因應對策……….…17

2.3.1 橋梁耐洪能力補強原則………17

2.3.2 橋梁耐洪補強工法………17

2.3.3 沖刷保護工法之選用………17

(5)

第三章 橋基沖刷及跨河橋梁補強工法………….……….19

3.1 橋基沖刷機制……….………19

3.2 橋基及橋基保護工受危害之因素…….………21

3.3 因應對策……….………...……….31

3.3.1 緊急搶修………...…….31

3.3.2 正式復建………...…….31

3.4 橋梁補強工法……….………32

3.4.1 補強工法-河床穩定工法………...………….32

3.4.2 補強工法-橋基保護工法………...……….36

3.4.3 補強工法-橋基結構補強工法………...……….44

3.4.4 保護工法安全性評估………...49

第四章 層級分析法問卷調查……….…….50

4.1 主要影響因素彙整………..………...…52

4.2 主要影響因素篩選……….…54

4.3 主要影響因素之一致性檢定……….…55

第五章 問卷調查結果………..59

5.1 問卷樣本之擷取……….59

5.1.1 受訪者之選取………...……….59

5.1.2 受訪者基本資料與樣本數…………...……….59

5.2 橋梁橋基受損之主要原因及其後續橋墩補強工法之一致性 檢定..………...………...……..61

5.3 橋梁橋基受損之主要原因及其後續橋墩補強工法之權重計 算及排序…………...………...62

第六章 案例分析……….………….………65

6.1 台一線溪州大橋橋基加固保護工程……….…………65

(6)

6.1.1 工程緣起………...……….65

6.1.2 橋梁災害及修復紀錄………...……….66

6.1.3 施工步驟………...……….67

6.2 中山高速公路中沙大橋橋基加固保護工程……..…...……77

6.2.1 工程緣起………77

6.2.2 橋梁施工及修復紀錄………78

6.2.3 虎尾溪橋橋墩P4支承墊置換工程檢討………97

6.2.4 中沙大橋支承墊置換施工步驟………99

6.3 小結………..…...…..101

第七章 結論與建議………...………..…...……103

7.1 結論………...……103

7.2 建議………...…………104

參考文獻………....105

附錄 研究橋梁橋墩沖刷受損主要原因及其後續橋墩補強工法問 卷...107

(7)

表目錄

表1.1 九十二年底公路橋梁座數概況……..………1

表2.2.1 民國八十五年迄今有沖刷災害之橋梁………..13

表3.1.1 總沖刷之分類...20

表4.1 矩陣大小對應之「隨機不一致性指數」……….…50

表4.1.1 橋梁橋墩受沖刷、受損主要原因…...……….…52

表4.1.2 補強工法-河床穩定工法…...…………..……….…53

表4.1.3 補強工法-橋基保護工法………..……53

表4.1.4 補強工法-橋基結構保護工法………..…54

表5.1.1 受訪者基本資料………..60

表5.3.1 主問卷(橋梁橋墩受沖刷受損主要原因)………..63

表5.3.2 補強工法-河床穩定工法(權重)………..………63

表5.3.3 補強工法-橋基保護工法(權重)………..64

表5.3.4 補強工法-橋基結構保護工法(權重)………..64

表6.2.1 橋面高程觀測紀錄表………..…95

表6.2.2 橫隔樑觀測紀錄表……….………...96

表6.2.3 施工流程時間紀錄表………...96

(8)

圖目錄

圖1.3.1 整體研究概念………....4

圖3.4.1 柔性攔砂堰或潛堰固床工(含消能工)工法……….……….33

圖3.4.2 剛性攔砂堰工法之示意圖………..…34

圖3.4.3 混凝土護坦工法之示意圖………..………35

圖3.4.4 混凝土塊(鼎型塊)製作之示意圖………...37

圖3.4.5 混凝土塊(鼎型塊)排置工法之示意圖………...…38

圖3.4.6 抛石工法之示意圖………..…39

圖3.4.7 橋基拋石保護工法………..……39

圖3.4.8 鐵絲蛇籠示意圖………..………41

圖3.4.9 蛇籠工法示意圖………..…42

圖3.4.10 混凝土(長)方塊製作………..………..……….42

圖3.4.11 混凝土(長)方塊排置……….………...….….43

圖3.4.12 異型塊拋置………43

圖3.4.13 異型塊排置式意圖………44

圖4.2.1 問卷作業整體概念………..54

圖4.3.1 一致性流程圖………..55

圖4.3.2 成對比較矩陣圖………..56

圖5.2.1 橋梁橋基受損之主要原因之一致性檢定結果………..61

圖5.2.2 補強工法-河床穩定工法之一致性檢定結果…...61

圖5.2.3 補強工法-橋基保護工法之一致性檢定結果…………..…62

圖5.2.4 補強工法-橋基結構保護工法之一致性檢定結果………..62

圖6.1.1 橋梁現況………….……….69

圖6.1.2 步驟1:施築直徑150cm全套管基樁並插入鋼柱…………...69

圖6.1.3 步驟2:架設安全支撐購價及帽梁托架………..70

(9)

圖6.1.4 步驟3:裝設橋樑監測系統………..70

圖6.1.5 步驟4:架設千斤頂,進行頂升作業………...….71

圖6.1.6 步驟5:以化學錨栓固定帽梁與帽梁托架………..…71

圖6.1.7 步驟6:以螺栓固定帽梁托架與安全支撐構架………..……72

圖6.1.8 步驟7:拆除原有基礎前,先架設鋼板樁………....72

圖6.1.9 步驟8:拆除原有柱底保護層及底柱………..…73

圖6.1.10 步驟9:拆除原有基礎及裸露之PC樁………..…….73

圖6.1.11 步驟10:基礎開挖至設計高程及架設安全支撐構架最下層 斜撐桿件……….……...74

圖6.1.12 步驟11:新基礎施工………...74

圖6.1.13 步驟12:新底柱施工………..…75

圖6.1.14 步驟13:新、舊柱介面澆注早強無收縮混凝土………75

圖6.1.15 步驟14:拆除安全支撐構架及帽梁托架………..……76

圖6.1.16 步驟15:原有柱以鋼板包覆補強,補強完成…………...….76

圖6.2.1 民國八十三年七月中沙大橋橋墩基樁沖刷情形……..……77

圖6.2.2 混凝土基樁開挖………….………….………....79

圖6.2.3 混凝土基樁吊放鋼筋籠………..…79

圖6.2.4 基樁鋼筋籠箍筋焊接………….………...80

圖6.2.5 基樁混凝土澆置……….…………...………..……80

圖6.2.6 擴展式基礎鋼筋排設情形………..………..…………..……81

圖6.2.7 擴展式基礎混凝土澆注情形…………..………..…..81

圖6.2.8 中層樁帽鋼筋施工…………..………....82

圖6.2.9 中層樁帽混凝土澆注情形………..………82

圖6.2.10 第一期工程完成面……...……….83

圖6.2.11 裂縫壓力灌注修補示意圖………..………..…………83

(10)

圖6.2.12 柱鋼鈑補強工程示意圖…..………..…84

圖6.2.13 帽樑補強工程示意圖…………..………..……84

圖6.2.14 中沙大橋補強前照片………..………..……85

圖6.2.15 帽梁裂縫灌注環氧樹脂………....85

圖6.2.16 柱裂縫灌注環氧樹脂………..………..……86

圖6.2.17 進行鑽心以確實瞭解裂縫灌漿成效……..………..…86

圖6.2.18 混凝土表面以水刀打毛……..………..………87

圖6.2.19 鑽錨栓孔前錨栓以儀器測定鋼筋位置………..………..…87

圖6.2.20 混凝土表面化學錨栓位置鑽孔……..………..…88

圖6.2.21 植入化學錨栓………..……….….…....88

圖6.2.22 包覆鋼板組裝情形………..………..…89

圖6.2.23 鋼板焊接情形………..………..…89

圖6.2.24 焊接點非破壞性檢測………..………..……90

圖6.2.25 包覆鋼板組立完成………..………..90

圖6.2.26 鋼板與混凝土間以環氧樹脂灌注黏著…………..………..91

圖6.2.27 鋼板包覆完成表面噴漆情形圖………..………..91

圖6.2.28 第二期工程鋼板補強完成面…………..………..92

圖6.2.29 虎尾溪橋位置平面圖………..………..…93

圖6.2.30 支撐鋼架詳圖…………..………..93

圖6.2.31 臨時千斤頂支撐鋼架完成面………..………..…94

圖6.2.32 利用橋檢車監控橋樑結構安全………..…………..94

圖6.2.33 千金頂按裝剖面圖………..………..97

圖6.2.34 扁平千斤頂頂升大樑情形………..………..98

圖6.2.35 支承墊置換工程平面圖………..………..98

圖6.2.36 應變計裝置情形………..………..99

(11)

圖6.2.37 置換下之舊支承墊………..100 圖6.2.38 利用小型千斤頂將支承墊頂出………..100

(12)

第一章 緒論

台灣地區地形分布大致可分為山地地區與平原地區,大部分河 川因中央山脈分隔東西兩側而呈東西流向,而人口聚集之平原大多呈 南北走向之狹長形,因此南北公路、鐵路等交通統都必須跨越眾多河 川,依據交通部(2006)的交通統計資料,台灣公路橋梁共有 12,069 座(如表1.1)。

表 1.1 九十二年底公路橋梁座數概況(交通部,2006)

公路橋樑:(座)

合計 國道 省道 縣道 鄉道 專用道路 12,069 1,578 2,976 1,870 5,558 87

橋梁之定義為提供人、車或荷物通過河川、山谷、海峽、湖沼 或跨越其他交通道路所建造之結構物。跨河橋梁則以橋台與橋台間之 結構物稱之。依照AASHTO 之定義,橋梁與箱涵是以六公尺為分界,

長度在六公尺以上者稱為橋梁。目前運輸聯絡網日益發展,全國橋梁 也隨之不斷增加,在可預見的將來,橋梁在鐵、公路系統中所扮演的 角色亦將日趨吃重。

因地形的關係,台灣地區約有四分之三都是山地,河川大多具 有短且急的特性。山脈因常期受河川之切割,所帶來的土石造成的河 床沖淤演變,是天然河川中常見的重要現象,且對橋梁墩基具有穩定 的作用。但台灣河川上游興建各種蓄水或攔砂構造物,使得河川砂石 在上游遭到攔截,此外河川長期超限開採及濫採砂石而形成運補砂量 不足時,則會造成橋墩基礎裸露,此時如受到水流直接衝擊侵蝕,恐 造成橋墩基受損甚而致使橋面坍塌。

(13)

1.1 研究動機

台灣橋梁基礎裸露情況明顯,常肇因河川上游興建各種水庫或 攔砂壩後,使得河川砂石在上游遭到攔截,導致河川下游段砂石補充 來源大幅減少;又因河川中下游砂石濫採造成許多採砂坑,妨礙了河 川砂石流動與補充。河道砂石過度開採及歷次豪雨過後,河水夾雜大 量砂石沖刷河床,造成河床高程逐年下降及對橋梁基礎進一步沖刷與 掏深。如民國 85 年 7 月底賀伯颱風帶來豪雨,使得南投縣陳有蘭溪 沿線橋梁十餘座遭洪水或土石流沖毀;民國 89 年 8 月碧利斯颱風後 數天造成高屏大橋突然橋面崩塌;民國 90 年 7 月桃芝颱風所夾帶的 豪雨造成土石鬆動加上民國 88 年 921 地震影響,造成中台灣二十餘 座橋梁遭洪流或土石流沖毀;民國 93 年 7 月敏督利颱風帶來龐大雨 量,洪水再次重創中南部地區橋梁及山區便橋造成交通中斷(交通部 公路總局,2005)。

依據交通部公路總局委託研究計畫(2005)河川橋梁沖刷並補 強後之安全評估報告指出,近年來由於盜採砂石,使得橋基地基條件 改變,以致於橋基遭受河水沖刷,讓原先規劃的橋梁基礎受力點發生 改變,嚴重影響橋梁安全。以濁水溪沿線橋梁為例,過去十數年間因 不肖砂石業者的濫盜採及颱風夾帶洪水衝擊後,均出現嚴重的橋梁基 樁裸露情況,使得橋梁的使用年限及安全性大打折扣。

對目前橋梁工程技術而言,相關工程建造技術已日趨成熟,設 計及施工時對橋梁的安全程度都能有一定的標準,但是完工後,受各 項因素影響,致使橋墩基受損及其補強工法之方案仍待進一步探討。

(14)

1.2 研究目的

跨河橋墩基礎受損與補強方案需要考量墩基受損之主要原因及 補強工法,其涵蓋範圍包括橋梁受天然災害、盜採砂石、河道改變、

洪水沖刷、重車超載及橋梁老化等因素造成的損壞,以及補強方案中 之河床穩定工法、橋墩基保護工法及橋墩基結構保護工法。

本研究以層級分析法(analytic hierarchy process,AHP)問卷調 查及分析,針對上述問題加以探討,期能達到下列之研究目的:

一、透過各工程單位之監造人員問卷調查,以瞭解現階段橋墩基受損 原因之主要影響因素排序。

二、探討工程人員在執行橋墩基補強完工後,其對補強方案各種工法 之成效見解,以做為橋墩基補強工程執行時之參考。

1.3 研究步驟與流程

本研究分成以下幾個步驟進行,其研究流程說明如次(圖1.3.1): 第一部份:確定研究主題

確定研究問題與研究目的。

第二部份:文獻回顧

透過文獻研讀及探討,整理跨河橋墩基受損原因與補強方 案之影響因素。

第三部份:專家諮詢及問卷建立

建立專家諮詢及討論跨河橋墩基受損原因與補強方案影 響因素問卷。

第四部份:探討跨河橋墩基受損原因與補強方案之影響因素

(15)

計算及彙整各調查問卷結果,精簡跨河橋墩基受損原因與 補強方案之主要類別及因素結構。

第五部份:透過相關工程人員問卷調查,對跨河橋墩基受損主要原因 及其後續橋墩基補強工法,利用層級分析法進行整理與分 析,以獲得影響因素相對權重及其排序。

第六部份:案例分析

分析交通部刻正執行或近期完工之跨河橋墩基受損情況 與補強方案工程案例。

圖1.3.1 整體研究概念

確定跨河橋墩基受損原因與補強方案影響主要類別及因素排序權重 AHP 問卷調查

確定跨河橋墩基受損後續補強工法之影響因素 確定跨河橋墩基受損原因之主要影響因素

相關文獻探討 確定研究主題

橋墩基受損原因 多準則決策、層級分析

(16)

1.4 研究限制

ㄧ、本研究僅對本文中跨河橋墩基受損原因與補強方案做一整體性的 實證分析,尚未對其他橋梁做一探討,此部份可留作下一階段之 研究。

二、本研究僅探討監造人員就其工作歷練對跨河橋墩基受損原因與補 強方案所提見解,對於營造廠商所需具備之專業能力,則不在本 研究範圍內。

三、本研究調查之對象為交通部暨所屬機關工程單位之工程人員,由 於其他橋梁施工性質及補強工法可能有所不同,因此本研究之結 果對於其它橋梁適用性需進一步調整。

(17)

第二章 文獻回顧

本章說明多準則決策與層級分析法,其次回顧橋墩基遭遇危害 之影響因素及因應對策之相關文獻。

2.1 多準則決策與層級分析法

2.1.1 多準則決策

在生活當中,經常要面對許多需要評估的問題,而所遇到的決 策問題之解答多具有相互衝突的考量因子。在多重準則考量因子間其 因子多為多重屬性,同時也兼受各不同屬性的影響,因此對相關屬性 有必要進行整體考量與綜合性評估(呂守陞、余壬癸,2002)。多準 則決策方法,起源於數學大師Koopmans 所提出有效向量的觀念;決 策理論(decision theory)已有愈來愈明顯的趨勢,在下決策時所面對 的不僅是單一之準則或目標函數,而是多重的。發展至今,已有許多 研究將其應用於設計、選擇或評估方面的問題。在替代方案已知下,

由決策者表達其偏好結構(preferences structure),然後求其非劣解

(non-inferior solutions),或排定其他方案優先順序,這種數量評估 方 法 稱 為 多 重 準 則 決 策 (multi-criteria decision making method,

MCDM)(王小璠,2005)。

多重屬性決策之基本原則說明如次:

設 x=﹛xi﹜,i=1,2,….n,是一個可以判斷各選擇個體之有限集 合;G=﹛gi﹜,i=1,2,….m,是可判斷各選擇個體之有限屬性(或準 則)之集合。而多重屬性決策即可進行綜合評判而決定最佳選擇 gi, 也就是考量所有準則之後挑選出最高評選之個體。欲依各屬性評估選

(18)

擇個體時,尚須考量屬性之重要程度,依目的對各準則賦予相對重要 性權數,亦即建立判斷準則間之權重體系是有其必要。

在工程監造者的決策領域中,其所處理的問題多為包含多重評 估準則的,而這些準則卻多為相互衝突,像是業主的要求、承包商之 利潤、工進、品質、安全衛生、物價波動、生態環境保育、施工用地 等評估屬性。以往許多的工程監造者,通常以承商最小成本或業主最 大效益之單一指標為衡量標準。但在現今複雜的工程環境中,工程監 造者面臨之決策問題日趨複雜,也常在諸多之衝突目標中做權衡取 捨。在多準則決策之方法中,層級分析法具有將複雜問題系統化的特 性,且容易操作。透過 AHP 之一致性檢定,可顯示工程監造人員間 之決策準則間的比較是否具有連貫性與邏輯性,並建立權重體系。

2.1.2 層級分析法

層級分析法發展之目的,是將複雜的問題系統加以簡化,利用 層級結構將不同的層面給予層級分解,量化判斷後加以綜合評估,提 供適當的方案供決策者更充份之資訊,減少錯誤的風險。

AHP 亦為全球學術界及政府部門用來評選重大政策計畫方案的 理論工具。流程包括建立分析既有文獻及資料庫、專家意見整合之調 查、架構合理分析層級等,不但能增加方案評選的效能,也可降低評 選的成本與爭議,更能強化政府決策的品質及公信力,可以建立相對 值評估模式及找出合理提昇品質因素配置模式(張北葉,2003)。

(19)

2.1.3 層級分析法機制

ㄧ、層級分析法之評估尺度

AHP 利用尺度比例推導成對比較矩陣的主要特徵向量,找出評 比項目層級架構下各準則間的相對權重。其評估尺度的基本劃分包括 同等「重要」、「稍重要」、「頗重要」、「極重要」、「絕對重要」,

並被賦予1、3、5、7、9 的衡量值;另有四項介於五個基本尺度之間,

並賦予2、4、6、8 的衡量值;於表 2.1.1 列出各尺度所代表的意義(鄧 振源、曾國雄,1989)。

選擇1~9 的評估尺度其理由在於(Saaty, 1986):

1. 人類對尺寸的反應在尺度成一固定比例增加時,能注意到增加 部份所產生的改變。

2. 人類對間斷的算術序列,能夠注意當中不同的地方。

3. 人類無法同時對七種以上的事物進行比較(或 7±2),為避免 混淆採用9 為最高上限。

4. 人類對於「值」的區別能力,以利用「等強」、「稍強」、「頗 強」、「極強」與「絕對強」,五個屬性值加以表示較好;為 更精確起見,宜在相鄰二個屬性間有一折衷值,以便得到更加 之連續性,因此共須9 個屬性值。

二、AHP 之基本假設

AHP 的基本假設包括下列九項(謝思慧,1995):

1. 一個系統可被分解成許多種類(classes)或成分(components),

形成一網狀層級結構。

2. 層 級 結 構 中 每 一 層 級 的 要 素 , 均 需 有 互 相 及 獨 立 性

(20)

3. 每一層級內之要素,可用上一層級某些或所有要素作為評準,

進行評估。

4. 比較評估時,以絕對數值尺度轉換成比例尺度(ratio scale)。

5. 成對比較(pairwise comparison)後,可使用正倒值矩陣(positive reciprocal matrix)處理。

6. 偏好關係滿足遞移性(transitivity)。不僅「優劣關係」滿足 遞移性(A 優於 B,B 優於 C,則 A 優於 C),「強度關係」

也滿足遞移性(A 優於 B 二倍,B 優於 C 三倍,則 A 優於 C 六倍)。

7. 完全具遞移性不易存在,故可容許不具遞移性的存在,但必須 測試其一致性(consistency)的程度。

8. 要素的優勢程度可用加權法則(weighting principle)求得。

9. 任何要素只要出現在階層結構中,不論其優勢程度如何,均被 認為與整個評估結構有關,並非檢核階層結構的獨立性。

三、AHP 應用模式執行流程

AHP 主要應用於不確定情況及具有多個評估準則之決策問題

(decision making problems)。AHP 係將複雜的決策問題,由較高層 級的項目,予以分解成數個細項的層級。AHP 所決定的權重,係由 評估者或決策者調查所建構的成對比較資料計算,以展現兩評估準則 間的重要性。例如,如果有n 個評分項目,決策者須建立 Cn 2 =n(n-1)

/2 項成對比較資料,並檢測其一致性指數(consistency ratio,C.R.),

再進一步於某不一致性程度要求的條件下,由這些成對比較資料推導 各評估項目的相對重要性(黃建勳,2003),可概分為四階段進行:

(21)

1. 第一階段:建立層級結構

2. 第二階段;各層級要素間權重的計算 3. 第三階段:檢定一致性

4. 第四階段:整體層級權重的計算

2.1.4 AHP 之適用性

層級分析法之相關性質說明如次:

ㄧ、AHP 之應用範圍

AHP 主要應用於決策問題,依據 Saaty(1986)的建議,AHP 可用於以下的十二類決策問題:

1. 規劃(planning)

2. 替代方案之產生(generating a set of alternatives)

3. 優先順序之決定(setting priorities)

4. 選擇最佳方案或政策(choosing a best alternatives /policy)

5. 資源分配(allocating resources)

6. 決定需求(determining requirements)

7. 預測結果或風險評估(predicting outcomes/risk assessment)

8. 系統設計(designing a system)

9. 績效評量(measuring prformance)

10.確保系統穩定性(ensuring system stability)

11.最適化(optimizing)

12.衝突解決(conflict resolution)

二、AHP 之優點

建立層級結構具有以下優點:

(22)

2. 有助於描述高層級要素對低層級要素的影響程度。

3. 對整個系統的結構面與功能面,能詳細的描述。

4. 自然系統都是以層級的方式組合而成,而且是一種有效的方 式。

5. 層級具有穩定性與賦彈性,亦即微量的改變能形成微量的影 響;同時新層級的加入,對一結構良好的層級而言,並不會影 響整個系統的有效性(尤文祥,2004)。

三、AHP 之缺點 1. 不精確問題

AHP 並未直接利用模糊(fuzzy)的觀念或方法解決這個不確 定性(模糊)的問題,僅以相對比較之比例衡量專家於兩因素 間之重要性看法,使得評估結果常與現實問題有所差異(Belton

& Gear,1985)。

2. 平均數缺乏各權重之分佈資訊

層級分析法之評估結果乃為權重之平均數,然而平均數缺乏 各權重之分佈資訊,是一種不可靠的統計指標(徐村和,1998)。

3. 層級數增加,導致效率降低

如採用層級分析法,當層級數增加時,則所需的因素間兩兩比 較次數將呈指數成長,容易使填答者因問題過多,而思緒混 淆,降低模式效率(Millet & Harker,1990)。

4. 群體決策問題

在整合群體意見時,其所使用之幾何平均數不適用於決策者認 知差異過大之情況,會使部份評估者觀點無法反應在評估結果 之問題上,造成無法接受評估之結果,導致計畫難以被執行。

(23)

5. 缺乏部分訊息

AHP 法對於群體的評估結果是採以權重的平均值,若僅以平 均值表示準則之權重,則失去該準則權重所含之部分訊息(呂 守陞、余壬癸,2002)。

2.2 橋墩基遭受災害之因素

2.2.1 河床沖刷分類:

局部沖刷:橋梁對水流產生局部阻礙或干擾,故橋墩周圍河床 發生局部沖刷,沖刷深度與橋墩形狀、橋墩群佈置、

河床性質、水流狀況等均有關,但有極限沖刷深度,

可於設計時納入考量或施予有效之橋基保護工程,不 致影響橋梁安全(李有豐、林安彥,2000)。

一般沖刷:由於河川上游興建攔砂壩、水庫等因素,導致砂源減 少,河川砂石過度開採或不當開採引起一般沖刷,若 上述原因長期持續存在,則河床下降深度亦持續增 加,也使河性改變,因而影響橋梁安全,減少橋梁使 用年限(李有豐、林安彥,2000)。

2.2.2 河川砂石過度開採所衍生之問題

台灣地區早期砂石需求量不大,西部各大河川尚面臨河道淤積 問題,惟自60 年代起,隨著各項經濟建設相繼推動,砂石需求殷切,

且始終以河川砂石為主要來源,致各大河川砂石遭大量開採,尤以西 部河川為嚴重。

(24)

根據監察院民國90 年 8 月 8 日通過之第 113 號糾正案指出:台 灣地區民國 81 年至 85 年間,河川砂石平均年產量為 8766 萬立方公 尺,惟同期間河川砂石平均許可開採量僅約 2625 萬立方公尺,故有 70%之河川砂石供應源,為業者超限開採或盜濫採(監察院,2001)。

2.2.3 興建河工設施所衍生之問題

近十餘年來,河川上常興建各種水庫或攔砂構造物及低水護岸 等,除將導致河川下游段砂石補充來源大幅減少外,如未整合規劃致 相互干擾,將造成河川水理條件改變,影響橋梁安全。

經彙整民國85 年迄今有沖刷災害之橋梁,詳表 2.2.1(梁樾、何 鴻文、朱育正,2002)。

表2.2.1 民國八十五年迄今有沖刷災害之橋梁

(梁樾、何鴻文、朱育正,2002)

河川名稱 橋梁名稱 轄管單位 1 淡水河、基隆河 中山高基隆河三號橋 高公局

中山高淡水橋

2 大漢溪 北二高大漢溪橋 高公局 台四線大溪橋 公路總局 台三線武嶺橋

北 110 線三鶯大橋

(25)

表 2.2.1 民國八十五年迄今有沖刷災害之橋梁(續)

(梁樾、何鴻文、朱育正,2002)

河川名稱 橋梁名稱 轄管單位 3 頭前溪(含油羅溪與上坪

溪支流)

中山高頭前溪橋 公路總局 內支線鐵路橫山大橋

內支線鐵路竹東大橋 縱貫鐵路頭前溪橋 台三線油羅溪大橋 台三線竹東大橋 123 線竹林大橋 台一線頭前溪大橋 竹 48 線中正大橋 溪州大橋

4 大安溪 山線縱貫鐵路大安溪 橋(單軌)

鐵路局

中山高大安溪橋 高公局 台一線大安溪橋 公路總局 5 大甲溪 山線縱貫鐵路大甲溪

橋(單軌)

鐵路局

山線縱貫鐵路大甲溪 橋(雙軌)

中山高大甲溪橋 高公局 台三線東豐大橋 公路總局 台 13 線后豐大橋

台一線大甲溪橋

(26)

表 2.2.1 民國八十五年迄今有沖刷災害之橋梁(續)

(梁樾、何鴻文、朱育正,2002)

河川名稱 橋梁名稱 轄管單位 6 烏溪(含大里溪等各支

流)

中山高烏溪橋 高公局 山線縱貫鐵路筏子溪橋 鐵路局 台21 線牛眠橋 公路總局 136 線乾峰橋

129 線一江橋 台17 線中彰大橋 台一線烏溪(大度)橋

東門橋(中市) 台 中 市 政 府

水堀頭四號橋(中市)

7 濁水溪 中山高中沙大橋 高公局 中山高濁水溪橋

台三線名竹大橋 公路總局 台三線南雲大橋

台一線溪州大橋 145 線西螺大橋 台19 線自強大橋 台17 線西濱大橋

8 朴子溪 159 線月眉潭橋 公路總局 台19 線朴子溪橋

9 八掌溪 台18 線軍暉橋 台18 線五虎寮橋 台19 線厚生橋

(27)

表 2.2.1 民國八十五年迄今有沖刷災害之橋梁(續)

(梁樾、何鴻文、朱育正,2002)

河川名稱 橋梁名稱 轄管單位 10 曾文溪 台一線曾文溪橋二號橋 公路總局

11 二仁溪 二仁溪橋 高公局

12 官田溪 官田溪橋 13 高屏溪(含旗山溪、荖

濃溪、隘寮溪等支流)

國道三號高屏溪橋 公路總局 台 17 線雙園大橋

台 20 線甲仙橋 台 21 線月眉橋 台 20 線寶來一號橋 184 乙線高美大橋 台 27 線南華大橋 台 22 線高樹大橋 台 3 線里港大橋 台 22 線里嶺大橋 台一線高屏大橋

14 林邊溪 丹林大橋 屏東縣政府 台一線新埤大橋 公路總局 15 卑南溪 台九線武陵橋 公路總局

台九線鹿鳴橋

台 11 乙線台東大橋

16 知本溪 南迴鐵路知本溪橋 鐵路局

(28)

2.3 橋墩基遭受危害之因應對策

2.3.1 橋梁耐洪能力補強原則

李有豐、林安彥(2000)說明橋梁耐洪能力之補強原則如次:

一、橋基保護工法及保護範圍應審慎評估

不當之橋基補強,可能改變河道、河相、或流向,產生新的弱勢 河床面,造成局部沖刷加劇,危及橋基穩定性。

二、河床保護工應以橋群為單位

河床保護工,應以整個河段或河系,統籌考量;避免保護上游橋 梁,致下游橋梁河床降低,顧此失彼。

三、橋基補強時,應同時考量橋基耐震能力之提昇。

河床沖刷深度增加,將降低基礎之耐震能力,故提昇耐洪能力 時,應檢核耐震能力。

四、河床保護工宜設於河床下,避免形成阻水構造物。

五、應審慎評估河川與橋梁之便異性及可施工性。

2.3.2 橋梁耐洪補強工法

針對橋梁耐洪補強工法,原則上可依照橋梁結構位置分成:橋 基保護工法、橋基結構補強工法及河床保護工法等三種。

2.3.3 沖刷保護工法之選用

依據交通部委託研究計畫(2001)橋台及橋墩沖刷防治工法之 探討,合適保護工法之選用常因地制宜,且與水流狀況息息相關,並

(29)

無一標之工法可適用於任何橋址。,一般而言,在河床嚴重下降之橋 址下游以佈設剛性攔砂堰或柔性攔砂堰加跌水消能工為主。束縮沖刷 則採保護導流或護坦等工法。側向侵蝕嚴重則須以丁壩挑流或以導流 堤整順流路,並配合護岸工以確保邊坡穩定。各國對於保護工法亦有 不同之觀點及做法。

例如:美國橋梁管理單位於 1995 年,依橋基保護工法之使用比 率對 34,462 座橋梁進行調查結果,其中橋梁監測沖刷深度亦為保護 工法之一,且其使用比率 76.22%也最大。紐西蘭將所使用的橋基保 護工法之經費比率加以統計整理,其中抛石搭配其他保護工法比率 33.4%為最高。日本有為數不少之案例係用混凝土塊排置工法施作橋 基保護工,以防制沖刷、穩固河床;現地施設案如:長野縣大町市跨 越鹿島川之鹿島大橋、靜岡縣連接富士市與富士川町之縣396 線富士 川公路橋、靜岡縣跨越富士川之東海道本線鐵路橋及靜岡縣跨越富士 川之東海道新幹線富士川鐵路橋。目前台灣常用之一般橋基保護工 法,大致上可予以歸類為:抛石工法、蛇籠工法、鼎形(或元鼎)塊 排置工法、異形塊排置工法、混凝土(長)方塊工法、包墩或混凝土 圍繞工法、混凝土護坦工法、排樁工法、柔性攔砂堰或濳堰(含消能 工)工法、剛性攔砂堰(含消能工)工法、複合式工法等十一種方法。

(30)

第三章 橋基沖刷及跨河橋梁補強工法

3.1 橋基沖刷機制

目前國內對於橋梁墩柱基礎之沖刷模擬試驗相當積極,但大部 分皆為實驗室之研究,現地之實際驗證仍顯不足。基於此,對於國內 河川實際沖淤型態,仍有待長期監測資料之建立,以提供更完備資訊。

台灣舊有之河川橋梁係因其周遭河床遭受沖刷下降,而造成基 礎裸露,危害橋梁安全,所以在設計及施作橋梁基礎保護工時,必須 先了解橋梁周遭河床沖刷下降之成因(表3.1.1)。

一座橋梁斷面可能遭受之總沖刷深度,大致上可分為全面沖刷

(general Scour)及局部沖刷(localized sour)兩大型態之組合。

全面沖刷係指因自然或人為之因素,使得河川之河床料搬運喪 失平衡,而造成河床面的沖刷下降現象,例如水壩之築建、河道蜿蜒 及河床形態之變遷、流水通路位移、匯流沖刷及河槽變寬(窄)化等。

局部沖刷則指因橋梁之設置造成之河床沖刷,可再區分為束縮 沖刷及部分沖刷。其中束縮沖刷係指因橋梁的設置造成河川水流通水 斷面減小,流速增加而引起的河床沖刷現象;部分沖刷係指河水流經 橋墩或橋台周圍時,產生之渦流侵蝕其橋基周圍河川底床,導致橋墩 或橋台周圍淘刷的現象。

(31)

表3.1.1 總沖刷分類(交通部,2001)

總沖刷

全面沖刷

局部沖刷

長期性 一般沖刷

短期性 一般沖刷

河床整體漸次 的下降或升高

河槽變寬化

河道蜿蜒變遷

匯流沖刷

河道深槽化、彎道、

辮狀及流路位移

河床形態變遷

部分沖刷 束縮沖刷

橋墩沖刷

橋臺沖刷

(32)

3.2 橋基及橋基保護工受危害之因素

依據台灣重要河川橋梁之橋基及其保護工的災害調查及實驗分 析,國內目前常遭遇之危害因素,可大致分為:砂石開採、一般沖刷、

局部沖刷、束縮沖刷、跌水沖刷、白浪侵蝕、側向侵蝕、大尺度二次 流侵蝕、通水斷面或寬度不足、流石或流木之撞擊與磨損、位於河川 彎道處或挑水效應、軟岩之風化與沖蝕、河道匯流、橋基貫入深度相 對不足等因素(交通部,2001)。各項致災原因簡要說明如次:

1. 砂石開採:

台灣目前各項公共建設所需之砂石料數量極為龐大,在河床上 開採砂石,為主要砂石來源之一,但由於砂石濫肆開採並缺乏 管理,多數河段之河床上常存有數量不清而形狀、大小不同之 採砂坑。

由於採砂坑的深度一般比河床低 3 至 5 公尺,甚者可達 6 至 15 公尺,而採砂坑的長度與寬度一般也分別有 50 公尺至數公 里。這些人為不當採砂所造成之局部坑洞的存在,使得上游隨 洪流運動的卵礫砂石,因通過採砂坑時流速變緩,而大量沈積 於採砂坑內,此種現象,對採砂坑下游處之河床而言,因上游 大量砂石已被攔阻於坑內,砂石來源的補充相對減少,後因稍 具規模以上洪水作用,洪流通過採砂坑下游端之通水面積減 少,水深因此由大變小,產生水流加速及沖刷下游河床之效 應,繼而造成多數河段河床高程下降的情事。

這種情形若未能有效的改善,將對河道的平衡穩定與河相的改 變、河防與跨溪河構造物的安全、生態的破壞等均將造成相當 不良的後果。

(33)

就河川砂石開採之效應而言,若在橋梁上下游之主河道上進行 長期的砂石開採,則於洪流沖刷後常導致該河段之主河道河床 的逐年下降,因而形成全面沖刷的情形;若僅於橋梁下游側進 行砂石開採者,對橋址處之河床而言,則可形成向源侵蝕(head cutting)的致災機理。綜而言之,砂石開採對橋梁之影響,係為 河床的下降進而導致橋基的嚴重裸露與橋基保護工的崩毀或 受損。

2. 全面沖刷(general scour):

係通指由於河川砂石的開採、水流之聚集或分流、河道淨寬度 的窄縮或寬化、河道中之深槽移動、底床形態之變遷、水中結 構物之不當設置造成輸砂失衡、河道截彎取直導致河床坡度的 增加、河川取水工或堰壩之設立造成輸砂來源的減少等因素作 用下,河水水流對河床沖刷所造成河段長期或短期之高程下降 的現象。

3. 部分沖刷(local scour):

是指由於水流流經橋基、橋台、橋墩或水中結構物時,因結構 物對水流產生局部阻礙,致使水流結構形成強烈向下降水流、

馬蹄形渦流、水表面渦流、尾跡渦流,最後形成局部沖刷坑,

進而造成局部河床之沖刷侵蝕與高程下降的現象。

4. 束縮沖刷(constriction scour):

束縮沖刷一般係指橋梁的引道與橋台延伸進入河川之洪水平 原內以致佔據部分之河寬或由於橋基(或墩)之設置形成阻水 效應,造成水流之通水斷面束縮,因而導致迴水(backwater)效 應,通過橋址處之流速增加,進而對河床所衍生之沖刷現象。

另由於目前西部各大流域多數河段之河床高程已然下降,造成

(34)

橋基的嚴重裸露,為保護橋梁之安全,各橋梁養護單位莫不於 這些橋址處或橋梁下游側興築橋基保護工。其中有些工程由於 施工範圍廣、施工期長、受限於經費申撥與發包程序、百姓抗 爭等因素的影響下,無法順利地在最易興工之枯水期間趕工,

因而常在施工期間形成保護工未合攏,又遭遇梅雨颱風所帶來 的洪水沖擊的情事。

由於已施作保護工之區域是為抵抗洪流沖刷之強勢面,而未合 攏(或缺口)段則為抵禦沖刷之弱勢面,且為宣洩大量洪流的必 經通道,此一情形近似橋梁之引道大幅延伸佔據河寬般,因而 亦具有束縮沖刷的效應存在。

整體而言,渠等可造成大尺度二次流侵蝕(erosion caused by large scalesecondary flow)、向源侵蝕、橋基裸露程度加大、未 合攏段附近已興築之保護工的傾倒沉陷或流失及新深槽的形 成等現象。

民國 85 年賀伯颱洪通過中沙大橋下游處之未合攏的柔性攔砂 堰(潛堰固床工)及民國 86 年 6 月 10 日前後一週豪雨洪水流經 中山高大甲溪橋之未能合攏的鼎塊橋基保護工時,均曾造成上 述各種現象的發生。

5. 跌水或水躍沖刷(scour caused by free overfall or hydraulic Jump):

近年來,由於西部各大流域之多數河段的河床高程已然下降,

乃造成橋基的嚴重裸露,為保護橋基安全,各橋梁養護單位莫 不於橋址處或橋梁下游側構築橋基保護工。例如:蛇籠工、鼎 形或元鼎塊、混凝土(長)方塊、混凝土護坦、柔性或剛性攔砂 壩等工法之運用。

(35)

在目前橋址上下游之河床已刷深而橋基已裸露的情況下,管理 單位為不使橋基裸露或降低裸露的程度,遂常將橋址處所施作 之橋基保護工頂面提高至相當的程度,當橋基保護工完工後乃 形成一近似阻牆的作用,雖在上游側可發揮淤積砂石的功用,

然而,在下游側卻由於保護工最頂面與原河床面間存在相當的 落差,因而再促使水流加速沖擊河床引致跌水或水躍沖刷,形 成沖刷坑的現象。若是在橋址下游不遠處之主河道上曾經或刻 正進行大規模之砂石開採行為,由於採砂坑的效應及跌水或水 躍沖刷的聯合作用,將促使河床坡度大幅改變及橋址下游處之 大量砂石流失情形更為嚴重,進而向源侵蝕導致保護工的破壞 及橋基的再次裸露。同理,若是在橋址下游興築柔性或剛性攔 砂堰壩之後,亦因堰壩之阻牆效應,上游側發生砂石淤積,下 游側形成跌水或水躍沖刷現象。

總而言之,跌水或水躍沖刷除可能引致向源侵蝕外,尚會造成 下游河床局部刷深(形成沖刷坑)、保護工或消能工之受損沈陷 或流失、沖刷坑或深槽往下游方向延伸(尤其是在鬆軟的地層 上最為明顯)、河床質與橋基保護工或攔砂堰壩(含消能工)之填 縫料的流失等。

另外,在卵礫砂石質之河川上,若保護工最頂面與下游側原河 床面間存在著相當的落差時,部分隨洪水運移的卵礫石,會越 過橋基保護工頂面直接加速撞擊於較下游側所施作之保護工 (例如蛇籠工)。由民國 86 年溫妮颱風與安珀颱風之現場觀測 經驗得知,即使在不甚大的水流作用下,即可輕易造成蛇籠工 的嚴重磨損或破裂,進而向源侵蝕導致橋址處之橋基保護工的 破壞與橋基的再次裸露。

(36)

6. 向源侵蝕(head cutting or headward erosion):

係專指河床受水流的侵蝕作用為由下游往上游方向發展之 謂。向源侵蝕並非大多是在水流沖刷下直接形成的結果,相反 的,它是在某些外在條件下才會伴隨著發生,例如:砂石開採 的效應;中下游河段因一般沖刷造成河床下降,亦造成河川上 游段的坡度調整及高程變化;束縮沖刷或保護工未合攏形成缺 口導致深槽向上游側發展延伸;跌水或水躍沖刷造成沖刷坑的 擴大延伸至橋址或橋基保護工施作處;側向高灘地弱勢面(未 施作保護工)的侵蝕形成水流繞道、向上(下)游側刷深河床;

河道通水斷面嚴重不足形成水流加快、沖刷潛能增加,導致向 上游側刷深河床;其他如河床上之軟岩風化沖蝕與河道匯流也 可能會造成向源侵蝕的現象。

經典案例如民國 85 之賀伯颱洪,造成嘉義八掌溪台 3 線吳鳳 橋下游側之仁義潭取水堰堰體的局部向源侵蝕破壞及新竹頭 前溪竹縣 48 線中正大橋由橋址上游連接至下游側之混凝土護 坦工的大區域向源侵蝕破壞。

7. 側向侵蝕(lateral erosion):

是指水流朝岸側方向侵蝕的情形之謂。於前述(1)項中曾提 及:由於全面沖刷所造成之(縱向)河床刷深,亦常衍生出側

(橫)向侵蝕的情形,其最顯著之特徵為主河道深槽區變寬、

或主河道兩岸高灘地因沖蝕崩塌而流失的現象。另外大量砂石 開採所形成採砂坑效應,除了造成主河道河床高程的下降外,

亦常因採砂坑之順水流方向的坑壁於浸水或洪水沖蝕後,即行 崩塌流走,這也是側向侵蝕的一種特殊過程。

鑑於西部各大流域多數河段之河床高程已然下降,並危及橋基

(37)

或水中結構物的安全,近年來橋梁管理養護單位乃興築了各式 各樣凸出於原河床面之橋基保護工或固床工。惟可能受限於預 算規模或工程師較欠缺水利方面的認知,除了在溪河寬度不大 時有施作跨越全溪河寬度之保護工外,大多是僅在主河道(深 槽區)內興築。保護工施作後,施作區內相對已成為抵抗水流 沖刷的強勢面,然而保護工施作至主河道兩岸的高灘地時,若 未進行完善的護坡工程,由於保護工一般係凸出河床面,遂形 成了近似阻牆,改變上下游側水位的作用,而迫使水流更易逼 近已施作保護工及未施作護坡工之高灘地交界處,造成沖刷的 弱勢面,進而導致高灘地基部受洪流側向沖蝕崩塌而流失的情 形。

隨著洪流的持績沖刷,侵蝕崩塌而流失的範圍可能愈為擴大,

甚者導致大量的洪水經由崩塌流失地繞流通過,形成類似保護 工未合攏之束縮效應,除了造成所施作之保護工破壞及橋基再 次裸露外,亦進而引致上下游深槽區的遷移。由於河道的河相 已嚴重的改變,若不能洞察其中之機理,並適度採取一些因應 作為,則不但會增維修養護之工作負荷,而且仍舊無法有效達 到確保橋基安全的目的。

經典案例如:民國 85 年賀伯颱洪造成北二高大漢溪橋、台 3 線竹東大橋及內灣支線鐵路竹東大橋、台l 線高屏大橋、高縣 188 線里嶺大橋及民國 86 年 6 月 10 日前後一週豪雨洪水引致 中山高大安溪橋;民國 86 溫妮颱洪導致台 3 線竹東大橋等橋 基災害。

就橋基與橋基保護工而言,側向侵蝕的發生,除上述一般沖刷 及水流沖蝕施作保護工與未施作保護工之交界弱勢面外,其他

(38)

可能的因素尚包含:跌水沖刷或向源侵蝕、通水斷面不足、位 於河道轉彎處、軟岩風化沖蝕、河道匯流等。

8. 大尺度二次流侵蝕(erosion caused by large 濕 scale secondary flow):

係指由於保護工的施作造成側向侵蝕,或由於洪汛期前保護工 未合攏形成束縮沖刷,再導致平行於橋軸或結構物軸線之水流 沿結構物上游面流動而刷深河床的情形。另外一種情形是水流 過彎時亦會形成橫向水流沖刷河床的二次流機制,一般於橋址 處或橋梁下游所興建之各項橋基保護工(或固床工),大多是 用以抵抗順流向水流之沖刷或促使砂石淤積於施作地帶之上 游面,因此大多並無設計用以抵抗橫向(平行於橋軸方向)沖 刷的防護工。惟當上述兩種狀況發生時,常可見"幾近平行"於 橋梁或保護工軸線的上游面,洪水洶湧流動刷深河床,並導致 上游端所施作之保護工嚴重破壞的結果。

例如:中山高大甲溪橋民國 86 年 3 月 10 日至 8 月 29 日間,因 鼎塊保護工無法合攏而形成大尺度二次流的侵蝕,造成上游面 之蛇籠工大量拉扯破壞的情形。民國 85 年賀伯颱洪侵襲,中 山高中沙大橋下游潛堰固床工之南端轉接段未及合攏完工,導 致大量巨型混凝土塊向上游面傾倒、沈陷的情形;高屏溪里嶺 大橋及高屏大橋處亦發生洪水側向侵蝕高灘地,導致大尺度二 次流刷深河床。

9. 通水斷面不足或通水寬度太小:

一般在河道窄縮處,或即使是寬廣的河床,然而主河道或深槽 區的寬度僅佔整個河寬的小部分時,相對來說,就容易形成通 水斷面不足或通水寬度太小的情形。其結果常導致洪峰水位暴

(39)

漲水流加速的情形,因而也常伴隨著形成一般沖刷、局部沖 刷、束縮沖刷、或側向侵蝕等致災因素。

例如:主河道的深槽化,迫使大部分洪流集中在深槽區內,當 洪水位逐漸上升階段時,深槽區兩岸側之高灘地亦因緊臨洪水 而被沖蝕崩塌,乃漸發展為側向侵蝕的致災模式。或因通水寬 度不足,且兩岸皆已施設堤防或導流工或有延伸進入河道之引 道與橋台至兩岸皆已受侷限,在洪水通過橋址時,其易造成水 流速度的加快,益增局部沖刷的潛能。

經典案例:頭前溪之竹縣123 線竹林大橋,該橋長 881 公尺、

河寬約有800 公尺,目前之主河道位於 P3 至 P7 間、寬約 150 公尺,若扣除數支沉箱橋基之迎水面寬度約 30 公尺,則水流 之淨寬僅餘120 公尺。惟該橋上游 1.7 公里處即為頭前溪上游 之油羅溪與上坪溪匯流點,台3 線油羅溪大橋與竹東大橋之主 河道寬度分別約為140 與 200 公尺。由以上這些數據的比較,

即可初步瞭解洪水通過竹林大橋之湍急與可能之致災情形。

10. 流石或流木之撞擊與磨損:

在高速洪流的作用下河床上之卵礫砂石常會被帶動翻滾,以懸 浮載或推移載的方式往河川下游輸送,其中尤以山區或卵礫石 層所構成之河床上所施建之橋基或橋基保護工,最易受到流石 的直接撞擊與磨損、甚至毀壞。另外一種情形是在湍急洪流的 水面附近亦常伴隨著高速運動的流木,此對於西部地區中下游 河段已大幅下降之河床,且以PC 基樁作為橋梁之橋基者莫不 構成極大的威脅。

民國85 年 7 月 31 日至 85 年 8 月 1 日賀伯颱洪引致南投縣水 里鄉與信義鄉(即台 21 線沿線)內發生多處之洪水與土石流

(40)

災害,造成多起之箱涵結構及橋梁基礎遭受流石(或土石流)的 撞擊、磨蝕、甚至導致完全崩毀破壞的災況。再者,因遭受賀 伯颱洪所攜運之高速流木的撞擊,橫跨濁水溪之台 19 線自強 大橋 P9 橋基(PC 基樁群所構成)曾發生兩支基樁斷裂的情 事。另者,於山區河川或卵礫石河床上所施建之橋梁的墩柱或

(沈箱)橋基迎水面(即上游面),常常可見包覆有防撞擊用 的鋼鈑以保護結構體。惟於墩柱或(沈箱)橋基的背水面(即 下游面),常因橋基周邊之部分沖刷特性如(3)項所陳述之 強烈下降流、馬蹄型渦流、迴流區與尾跡渦流等,其高速紊亂 水流所挾帶之卵礫石,經由橋基與河床面交界處之馬蹄型渦流 與上層周邊之尾跡渦流的作用,輸送至逆向流動的迴流區內撞 擊背水面的墩柱或橋基表面,造成混凝土的保護層被磨蝕,再 導致鋼筋裸露的情形。

11. 軟岩之風化與沖蝕:

台灣西部多數流域中、下游的河床質,在早期的砂石開採階段 大都是由卵礫砂石層所構成,厚度一般是介於數公尺至數十公 尺之間。惟近十餘年砂石的過量開採、或濫盜採、與洪水沖刷

(某些河段是完全由於水庫或攔水壩下游的跌水沖刷),而導 致許多流域之主河道河床持續下降至今日岩盤裸露的地步。

這些淺層岩盤大都是由成岩時間較短、且強度較低之泥(頁)

岩層、或砂岩層、或泥(頁)岩與砂岩互層所構成,它們在乾 燥條件、或壓密狀態下可展現相當堅硬的質地。

因砂石開採,河床下降形同部分解壓作用;又因乾旱季節時為 乾燥風化狀態而豐水季節及洪水期間係浸沒在水中之濕潤狀 態,在這樣乾濕交互變化的影響下,乃產生風化與回脹崩解的

(41)

現象。

崩解後之表層岩體已呈支離破碎之片層或塊粒狀,在高速洪流 作用下甚易造成表層被沖蝕而剝離,岩體的高程因而下降,再 形成另一層新的裸露岩體,並周而復始地重複整個濕乾季節的 回脹崩解與洪水沖蝕剝離過程。這種情形以軟弱泥岩層過水不 久即行軟化尤為嚴重,即使在短時間內高速洪流沖蝕下,其易 形成縱向河槽的急遽深槽化及橫向河槽之崩塌。

經典案例如:八掌溪仁義潭取水堰堰體下游至心上橋間長約數 公里之深長狀峽谷及鐵路雙軌化工程大甲溪橋 P5 附近的侵蝕 情形。

12. 河道匯流(flow confluence):

係指於河流的支流與支流交會處或於支流與本(幹)流會合處 所形成之水流匯聚現象,由於每一分支流於洪峰時均有其貢獻 的流量,此乃是河道匯流後流量增加的原因。就匯流後之河道 兩岸側已受制約(如已設置堤防)或河道已深槽化的情形來 說,常導致水位的抬升、或流速的變大而益增沖刷的潛能,因 而可能形成一般沖刷或向源侵蝕之河床下降或側向侵蝕之岸 側灘地的崩塌流;而於匯流處更易造成附近構造物周圍之局部 沖刷的加劇。

13. 橋基貫入深度相對不足:

就早期國內橋梁之興建時空背景而言,當時無論是處在沖淤平 衡段或是淤積段之主河道,河床高程較高,相較於目前河床已 然大幅下降的情形,可謂不可同日而語。即在當時利用較淺之 沉箱橋基或擴展基腳所構成之穩固橋基,於目前多數河段之河 床高程已大幅下降的事實下,今日觀之更凸顯出橋基之穩定性

(42)

有不足之慮,嚴重者尚須進行橋基保護措施。這種情形尤以沉 箱深度僅 8.4 及 9.5 公尺之台 l 線頭前溪大橋及具有淺基礎開 挖之擴展基腳的橋梁(例如:台 3 線東豐大橋、中縣太平市縣 129 線一江橋、台 20 線甲仙大橋、台 21 線月眉橋)更是深受 洪水沖刷的威脅。

另外除上述原因外,重車超載及橋梁老化等問題,對於裸露後 之橋基亦有相當程度影響。

通常各項橋基或橋基保護工受損致災成因是相互關連的,即於 現場所調查之災因非僅由單獨某項災因所造成,而是具有數項致災機 理同時發生,相互影響。

3.3 因應對策

3.3.1 緊急搶修

民國 82 年至 87 年間,國內對於洪水來襲時,由於橋基保護工 程未及施作,在已遭受沖刷橋基嚴重裸露之橋梁,進行之緊急搶救工 作,大部分係於橋面上直接拋擲大型塊石、混凝土塊致橋梁基礎週遭 下游側作為臨時緊急之保護工。

3.3.2 正式復建

橋梁在受到嚴重的破壞下必須利用補強工法以保護橋基的安 全,其補強工法計有抛石工法、蛇籠工法、鼎形(或元鼎)塊排置工 法、異形塊排置工法、混凝土(長)方塊工法、包墩或混凝土圍繞工 法、混凝土護坦工法、加樁工法、柔性攔砂堰或濳堰(含消能工)工

(43)

法、剛性攔砂堰(含消能工)工法、河道整治、鋼筋混凝土包覆工法、

鋼鈑圍繞加固法、擴大基礎加固法、換底工法、複合式工法等方法。

3.4 橋梁補強工法

本節整理跨河橋梁補強工法,並依河床穩定工法、橋基保護工法 及橋基結構補強工法分述如後。

3.4.1 補強工法-河床穩定工法

對河床進行保護,主要以攔砂方式防止河床下降,間接保護橋 基。河床遭刷深時,若承載能力及強度尚符合需求,為免日後沖刷越 深,造成承載能力及強度不足,可採用本法。一般多於上游設置壩堤,

下游設置攔砂堰、潛堰固床工等制水設備。

一、柔性攔砂堰工法

柔性攔砂堰或潛堰固床工(含消能工)工法(圖 3.4.1):使用 相當多之巨大混凝土長方塊(邊長一般介於2 至 5 公尺),於橋梁下 游不遠處跨溪河築建,採相鄰兩列交錯排開混凝土塊間以鋼筋連結,

其中間隙再以卵石回填方式部設排置,使其兼具固床工之功用,惟混 凝土塊最後一列的下游側尚需設置相當規模之消能工。

一般混凝土塊之最上游側參考頂面高程比主河道(或深槽區)河 床高程高出數公尺然後上游至下游各列混凝土頂面高層大多採逐階 下降以利減消水流動能,本工法施作後,由於在洪水沖過程中可允許 混凝土塊的局部變位或傾斜,利用巨積型陣列式混凝土塊的阻擋作

(44)

而達到暨固床又保護橋基的目的。

另由於高出原刷深河床數公尺之混凝土塊陣列佈設後,下游側勢 必跌水沖刷,而掏深下游側的河床或向源侵蝕造成攔砂堰的崩壞毀 損,有鑑於此,一般在攔砂堰的下游帶狀區域內尚佈設有底層之地工 織布、中間層之回填卵石及上層之蜂巢塊與鼎塊的消能工。

圖3.4.1 柔性攔砂堰或潛堰固床工(含消能工)工法示意圖

(高速公路局,2000)

二、剛性攔砂堰(含消能工)工法

剛性攔砂堰(含消能工)工法係利用基樁深入河床用以支撐上部 之(鋼筋)混凝土結構物的重量,或係直接開挖河床將堰基座落於較 深層或堅硬的河床上而後再構築堰身。

一般興築的位置大多是位在橋梁的下游側,由於施作剛性堰之費 用相對高昂,除非是在不寬的溪流中橫跨整個寬度施建,否則在較大 流域之寛廣河道內僅在深槽區及其附近興築一段長度,兩端再鋪設導 流牆或護坡工。

剛性攔砂堰依據採用之基礎形式在設計上大致分為:(1)基樁 式;(2)重力式,較為明顯之兩種類型,圖 3.4.2 為剛性攔砂堰工法 之示意圖。

(45)

所謂的基樁式即是在主要的剛性壩體是以樁基礎作支撐,並配合 其他工法進行消能及保護壩體本身的穏定;而重力式剛性攔砂壩即是 採用壩體自重座落在較堅硬主河床上,並配合消能池、柔性工法及單 階或多階跌水之工法進行消能。一般在河流上游坡度較為陡急且河床 地質穏固,多採用消能池或跌水式之重力壩作為設計;而在河流下游 由於河道較寬且地質較軟弱,則採用基樁式並配合大量的柔性消能工 來進行設計。

剛性攔砂堰的頂面高程一般也比原已遭沖蝕淘深的河床高出數 公尺,利用巨型混凝土結構之興建橫置於河道中,以期將運移之砂石 攔阻,並逐漸回淤擴及橋基處之河床,進而達到穩固河床及保護橋基 的目的。另外,由於高出原刷深河床數公尺之堰體佈設後,下游側勢 必如同柔性攔砂堰般產生跌水或水躍沖刷,淘深下游側的河床,甚至 向源侵蝕而造成堰體的破壞。故一般剛性堰下游側尚會設置由混凝土 塊所構成之固床工,另外有些改善的案例尚採用多階跌水與多道消能 池併用的理念來減消洪流動能,進而抑制下游側的沖刷潛能。

圖 3.4.2 剛性攔砂堰(含消能工)工法(交通部,2001)

三、混凝土護坦工法

混凝土護坦工法,廣義而言即在河床上之某一區域,抛置石塊層 或佈設帶狀之混凝土塊群或施設蛇籠工並於上方鋪設混凝土版,形成 護坦(甲)的作用以穩固河床,保護橋基安全之工法。本文中為便於

(46)

區分各種工法的不同,特別將在河床上鋪設帶狀或片狀之(鋼筋)混 凝土版且厚度達 8 至 10 公分以上之構造稱為混凝土護坦工(相較於 一般於蛇籠工上噴注薄層混凝土的目的是在於增加蛇籠網目之抗锈 蝕與抗磨蝕的能力,而非依賴混凝土的直接保護作用)。混凝土護坦 工的下方亦有可能埋置早期所施作之蛇籠工、鼎形(或元鼎)塊、混 凝土(長)方塊、異形塊或回填抛石。另外,混凝土層所埋設之鋼筋 也可能是使用已廢棄之鋼軌或型鋼等,而在常有巨石或塊石撞擊、磨 損之河段(河川上游段),亦有於混凝土護坦工表面加裝防撞鋼板或 橡膠輪胎等方式增加抵抗河川流石撞擊及磨損能力。圖 3.4.3 為混凝 土護坦工法之示意圖。

圖 3.4.3 混凝土護坦工法示意圖(高速公路局,1997)

四、河道整治 1. 護岸工

凡於天然河川臨水面處構築人工建築物以抵擋水流衝擊,防止 河岸因水流沖刷作用而掏空,穩定河床及堤岸之安全者均稱為 護岸工。而其可依照構造形式及保護的位置做區分。

構造型式可分為緩坡式、陡坡式及直立式,依照護坡坡面與水

(47)

平面所成夾角與河岸土質內部摩擦角度(安息角)而定,護坡 較陡之陡坡式除了要承受水流沖刷力之外,還需要抵抗土壓 力。而直立式則更需要特殊的鋼板樁或是鋼筋混凝土構造才能 達到預期的功效。

依照其保護河岸的位置不同來分類,可分為護坡工、基腳工及 護腳工。護坡工為保護河岸及堤防的坡面部份;基腳工為護坡 工的基礎部份;護腳工為保護基腳工及護坡工之工法,其深入 至河床面下,可防止河床遭受水流沖刷。

2. 丁壩工

丁壩係為將壩之根部深埋於於河岸內,而壩身自河岸突出並直 深入水流之水工構造物。除可用來達到掛淤造灘或挑流護岸等 目的外,並可防治河岸崩退。

為避免河道高灘遭水流直接沖刷,造成河道向凹岸退縮,危及 橋墩或橋台結構之安全,可在橋梁上游側凹岸端,設置丁壩挑 流工,改變水流流向,避免水流直接衝擊凹岸側。

3.4.2 補強工法-橋基保護工法

橋基保護工法,一般有:混凝土塊(如鼎型塊)排置工法、抛石 工法、包墩或混凝土圍繞工法、蛇籠工法、混凝土長(方)塊與異型 塊排置工法。此五種保護工法內容說明如次:

ㄧ、混凝土塊(如鼎型塊)排置工法

鼎塊排置工法係指利用鑄造或焊接成型之大量鋼模具(組合後其 外型近似三腳鼎型),於現場大量組立後、進行灌漿結固、再拆除鋼

(48)

元鼎塊,圖3.4.4 及圖 3.4.5 為混凝土塊(鼎型塊)製作及排置工法之 示意圖。

一般此種混凝土塊於灌漿前並未排置鋼筋於模具內,惟為考量於 爾後施作於各種結構物周邊能夠發揮混凝土塊之整體連結效果,大部 分在表面其中數面可穿插近似 U 型狀的鋼筋或預先置放鋼索穿插於 模具內外,以利連結。目前國內利用鼎形(或元鼎)塊排置工法來保 護橋基的案例中,大都是在主河道或深槽區及其附近沿著橋軸方向,

施作一帶狀單層或多層且整齊排列之(連結)混凝土塊,在水流方向 之施作寬度大多超出橋梁的寬度。

採用此工法之目的是利用(連結)混凝土塊群間所發揮之群體穩 定效果與粗糙表面,來抑制沖刷減消水流動能,以達成固床的功用,

並進而保護水中結構物的安全。

針對全省各地之海岸侵蝕、農田水利設施、河海堤護岸工、丁壩 工等概況的瞭解,發現本工法除了應用在橋基之保護外,亦廣泛地運 用在港彎之防波堤工與潛堤工、海岸之海堤護基工與離岸堤工及突堤 工(以消減波能、抑制海岸侵蝕)、河川之堤防護基與丁壩工及導流 堤工、山區沖蝕河川之固床工、防砂或取水攔河堰工程之護基坦工或 護基消能工等。

(49)

圖 3.4.5 混凝土鼎塊排置

二、拋石工法

抛石(placing riprap)工法係指利用具相當重量之卵石、岩塊、混 凝土碎塊等,全面鋪設於遭沖蝕刷深的河床或局部抛置於已裸露之橋 基與河床接觸的周邊範圍,藉由抛石之近似保護層作用,以增強河床 對水流之抗沖刷能力,下圖3.4.6 及圖 3.4.7 為抛石工法之示意圖。橋 基之周邊若已被洪水淘深而形成沖刷坑時,一般係以河床之天然砂石 料進行回填,為考慮河床料易被水流攜走,而再鋪設中小卵石於其上 作為濾層,最後再抛設較大的卵(塊)石。

由於抛石之個體與個體間無連結性,所能發揮之整體性護床或護 基功效較差,除非抛石之體積或重量甚大,否則在較高的流速下甚易 被沖失,這種情形特別以台灣各大流域中、下游之主河道的河床大幅 下降、水流集中及某些坡陡流急的河段最易發生。因此本工法較適用 於河道較為寬廣、水深不大、坡小流緩(流速小於1.5 公尺/秒以下)

之砂質河床或流量不大之渠道。

台灣西部河川之河床具有劇降、坡陡流急特性,近年來單純以抛

(50)

石工法作為橋基保護工的案例已相當稀少,然而在大部分之其他橋基 工法施作前,利用抛填粒徑20 至 60 公分之卵石以抬高橋址處之河床 高程的案例卻是相當多,其中尤以利用蛇籠工施作橋基保護時,先行 抛填卵石於河床之案例最多。

圖3.4.6 拋石工法示意圖(交通部公路總局,2005)

圖3.4.7 橋基拋石保護工法(交通部公路總局,2005)

三、包墩或混凝土圍繞工法

包墩或混凝土圍繞工法是指於已遭刷深而裸露之橋基周邊,利用

(鋼筋)混凝土灌注所包圍而成之結構來局部保護橋基的方法。至於 灌注(鋼筋)混凝土所形成之圍繞結構可能是版狀(或近似擋土牆狀)

或實心狀(即與原橋基結構連結為一體),前二者所圍繞的區域內可

(51)

就近年來台灣應用本工法施作之概況而言,一般對於沈箱式橋基 係採實心狀或版狀(再回填卵礫石);基樁式橋基則採版狀(再填充 卵礫石或蛇籠工);而擴展基腳式之橋基為使用實心狀灌槳與原橋基 連結為一體,期能發揮穩固橋基的功用。利用本工法所圍繞而成的結 構,若因結構的前緣外形過於鈍體化(即非流線形)或阻水面積過大,

將造成局部沖刷效應的加劇與阻水效應的增大,而導致洪流通過橋址 時局部之流速變大,增加沖刷的潛能。這種情形對橋軸沿線臨近未施 作保護工的河床(尤以臨接砂質或卵礫石之高灘地)或橋基,會造成 極為嚴重的側向侵蝕作用。

四、蛇籠工法

橋墩在河水沖刷之下造成基礎裸露,由上游而來之石塊亦會直接 衝擊到橋墩基礎,危害到橋梁本身之安全。此時往往需要一些補救措 施,以維持安全。通常之補救方法為以類似蛇籠之結構物放置橋墩周 圍最為常見,其最主要的目的為防止橋墩基礎砂石繼續被掏空及石塊 之撞擊。

蛇籠(gabion)為利用直徑介於 3.9 至 4.2 公厘之鍍鋅鐵絲,經由人 工或機械編織而成之金屬網目,在內包卵石所構成之長條石籠。國內 常見之型式大致可分為甲種與乙種蛇籠工,渠等之網目構造,亦即兩 者最大的差異為甲種蛇籠之近似橢圓狀的斷面尺寸為60 公分×100 公 分,而乙種者則為40 公分×67 公分,至於兩者之間隔網目則皆相同。

其中以甲種蛇籠工用於國內橋基保護、堤防護坡(基)與公路邊坡穩 定之情況較為普遍。另外,亦有為抵抗鍍鋅鐵絲之鏽蝕而於鐵絲之外 表再被覆塑膠膜者。不織布蛇籠乃是以不織布作成支圓管,並抽河底 淤泥或泥沙於管內以替代傳統蛇籠之功用,其節省施工時間與經費達

參考文獻

相關文件

《科學消遣》 。而且英國數學家哈代發明過 一道與華容道極為相似的滑板遊戲…三角 旗遊戲,在 1907 申請專利,1912

※道路交通安全規則§ 102-1-2 :行至無號誌或號誌故障

(三)一般規劃設計案件補助上限以新臺幣 200 萬元為原則;全

The resulting color at a spot reveals the relative levels of expression of a particular gene in the two samples, which may be from different tissues or the same tissue under

自中山高速公路 →於南屯交流道出口下交流道→於五權西路二段/136 縣道向左轉,沿五權西

空氣中存在許多污染物,其中漂浮在空氣中類似灰塵的粒狀物稱為懸浮微粒(particulate matter, PM),PM 粒徑大小有別,小於或等於

第二支線步道、好漢坡、二漢坡及環潭公路所組成,步

F385 弘道大樓一樓 普通閱覽室 高中職 林欣樺 明道中學 F386 弘道大樓一樓 普通閱覽室 高中職 王怡文 明道中學 F387 弘道大樓一樓 普通閱覽室 高中職 袁姵欣 明道中學