中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:監測儀器在混凝土拱壩上之應用探討

－以榮華壩為例

系 所 別 ：土木與工程資訊學系 研究生：E09204031 劉政 指導教授：李 錫 霖 博士

中華民國九十八年七月

摘要

本研究係應用現有監測系統，藉以探討目前榮華壩監測系統有無 改善空間。

榮華壩位於大漢溪石門水庫上游約 27 公里處，介於義興壩與巴 陵壩之間為 82 公尺高之雙向變厚度拱型攔砂壩，於民國七十二年四 月完工，集水面積 561.6 平方公里，發電調節池初期容量為 1,000,000 立方公尺，淤滿後之容量為 139,000 立方公尺；目前已接近淤滿階 段，達成攔砂效益 25 設計年，惟民國九十六年同為大漢溪上游之巴 陵壩潰損以後，原大量蓄積之砂石往下游榮華壩推移，且榮華壩下游 之義興壩副壩亦已潰損，壩身掏刷嚴重，致榮華壩的存在價值益形重 要。

榮華壩歷經二十五年運轉，在如此嚴重淤積，無庫容情形下，為 避免發電進水口淤塞，冲砂道需較長時間不定期排砂情況愈加明顯，

致榮華壩下游面常處潮濕狀態及排砂落石阻斷通達觀測步道，使得監 測儀器時常故障，監測系統數據及資料蒐集呈現不穩定及不正常信 號，恐致判讀偏差，徒增監測人員困擾。藉由本研究所蒐集各監測儀 器讀得數據，繪製成歷時曲線加以判讀，以探討榮華壩各監測儀器是 否處於正常狀態，有無改善空間。進而提出淺顯建議，供堰壩管理單 位參考及借鏡。

監測系統的設置屬於長期性的安全管理，因無法對堰壩安全與否 產生立竿見影的成效，使得監測儀器的改善與否往往較不受管理階層 重視；然榮華壩現階段已成為石門水庫上游攔蓄砂石及供給義興電廠 發電水源的中流砥柱；榮華壩監測系統所處環境及力求可靠與穩定的 監測數據資料，已成為管理單位及人員需要面對的重要課題，亦成為 確定堰壩結構是否正常與預警堰壩是否安全的重要指標。

誌謝

本論文承蒙恩師 李錫霖博士，從專業理論的培養到論文研究撰 寫，均蒙老師殷切教誨與細心指導，使學生獲益良多，僅此致上最誠 摯的敬意，師恩浩瀚，學生永誌銘心。

論文口試期間，感謝交通大學 彭耀南博士、高雄市副市長 林仁 益博士、本校 張奇偉博士及翁榮洲博士於百忙中撥冗指正，提供寶 貴意見，使論文益增完善，學生至感銘謝。

本論文得以順利完成，特別感謝同儕友誠、永安及中興工程顧問 社高憲彰、蔡明欣及中興工程顧問公司陳坤泉、曾哲煌等人提供寶貴 意見及熱心支援，讓研究過程所遭遇的問題獲得解決，特此感謝。

最後以感恩的心，感謝我親愛的老婆明美，女兒玲雅和兒子劉 昱，無論在生活與心靈上提供我最堅強的後盾及體諒，你們的支持是 我的最大的支柱，僅將此成果獻給我最親愛的家人及親友分享，感謝 大家，我會更加努力學習成長。

劉政 謹致

目錄

摘要 誌謝

第一章 緒論

1.1 前言………1 1.2 研究動機與目的………2 1.3 研究架構………3 第二章 文獻回顧

2.1 危害堰壩安全的危險因子

一、 堰壩潛在破壞模式………4 二、 混凝土老化檢驗 ………6 三、 現地檢查………6

2.2 混凝土壩常用之監測儀器

一、 混凝土重力壩………8 二、 混凝土拱壩………9 三、 水庫邊坡監測……… 10 2.3 監測儀器量測之原理

2.2.1 變位量測……… 11 2.2.2 力量量測………13

2.2.3 應變量測………14

2.2.4 應力量測………16

2.2.5 校定工作………18

2.3 國內常用監測儀器概述 2.3.1 傾斜儀………19

2.3.2 擺線儀………21

2.3.3 伸縮儀………23

2.3.4 應變計………23

2.3.5 滲漏量水堰………25

2.3.6 地震儀………29

2.3.7 壩頂經緯儀監測系統………31

2.3.8 水壓計………32

2.3.9 土壓計………37

2.4 監測儀器之安裝 2.4.1 傾斜儀安裝………38

2.4.2 擺線儀安裝………39

2.4.3 伸縮儀安裝………41

2.4.4 應變計安裝………43

2.4.5 滲漏量水堰安裝………44

2.4.6 地震儀安裝………45

2.4.7 壩頂經緯儀監測系統安裝………45

2.4.8 水壓計安裝………46

2.4.9 土壓計安裝………47

第三章 榮華壩監測儀器現況 3.1 傾斜儀………49

3.2. 正擺線儀………52

3.3. 岩盤伸縮儀………54

3.4 壩體應變計………56

3.5 滲漏量水堰………57

3.6 地震儀………59

3.7 壩頂經緯儀監測系統………60

3.8 榮華壩警戒值………63

第四章 榮華壩監測資料整理與探討 4.1 監測資料整理………74

4.2 颱風期間監測………89

4.3 混凝土老化檢驗成果………92

4.4 監測資料探討………99

4.5 小 結 … … … 100

第五章 結論與建議

5.1 結 論 … … … 102

5.2 建議……… 103

5.3 未來研究方向……… 103

參考文獻 ……… 104

附錄 A……… 107

圖目錄

圖 2.2.1 混凝土重力壩監測儀器………9

圖 2.2.2 混凝土拱壩監測儀器……… 10

圖 2.2.3 水庫邊坡的監測儀器……… 11

圖 2.3.1 量測項目相互間關係……… 12

圖 2.3.2 機械式位移量測……… 12

圖 2.3.3 LVDT 之線圈與磁心製作示意圖……… 13

圖 2.3.4 線性可變電阻………14

圖 2.3.5 電壓計量測電阻………14

圖 2.3.6 惠斯登電橋………14

圖 2.3.7 電容器位儀量測………14

圖 2.3.8 壓電作用………15

圖 2.3.9 振弦計組合示意圖………16

圖 2.3.10 衡圈………16

圖 2.3.11 衡盒示意圖………16

圖 2.3.12 SR-4 應變計之惠斯登電橋………17

圖 2.3.13 應變計不同安排連結情況………18

圖 2.3.14 應力計………19

圖 2.3.15 氣(液)壓式壓力計………19

圖 2.4.1 傾斜儀構造示意圖 ………21

圖 2.4.2 擺線儀量測系統設置示意圖 ………22

圖 2.4.3 擺線儀量測系統構造圖 ………23

圖 2.4.4 伸縮儀裝設示意圖 ………24

圖 2.4.5 應變計詳圖 ………25

圖 2.4.6 量水堰構造示意圖 ………26

圖 2.4.7 地震儀系統圖 ………31

圖 2.4.8 經緯儀觀測照準覘標 ………32

圖 2.4.9 開口式水壓計構造示意圖 ………33

圖 2.4.10 開口式水壓計指示器………33

圖 2.4.11 氣壓式水壓計構造示意圖………34

圖 2.4.12 水壓式水壓計原理示意圖………35

圖 2.4.13 電阻式水壓計構造示意圖………35

圖 2.4.14 振弦式水壓計構造示意圖………36

圖 2.4.15 震動桿式水壓計構造示意圖………36

圖 2.4.16 土壓計………38

圖 2.5.1 傾斜儀安裝步驟示意圖 ………39

圖 2.5.2 擺線儀動作原理 ………40

圖 2.5.3 電磁式沉陷環安裝步驟示意圖 ………41

圖 2.5.4 Sondex 沉陷環安裝步驟示意圖………42

圖 2.5.5 單點式沉陷桿安裝步驟示意圖 ………42

圖 2.5.6 應變計及應變片構造示意圖 ………44

圖 2.5.7 孔內標準水壓計安裝………46

圖 2.5.8 孔內貫入式水壓計安裝………47

圖 3.1.1 榮華壩現況照片 ………49

圖 3.1.2 榮華壩#2 崩坍地傾斜管裝設位置圖 ………50

圖 3.1.3 榮華壩傾斜儀量測 ………51

圖 3.2.1 榮華壩體正擺線儀 ………52

圖 3.2.2 榮華壩監測儀器裝設位置 ………53

圖 3.3.1 榮華壩岩盤伸縮儀 ………54

圖 3.3.2 榮華壩岩盤伸縮儀及壩頂變位觀測 ………55

圖 3.4.1 榮華壩壩體應變計轉檔軟體畫面 ………56

圖 3.5.1 榮華壩體廊道內量水堰 ………57

圖 3.5.2 榮華壩壩基量水堰裝設位置 ………58

圖3.6.1 榮華壩地震儀 ………59

圖 3.7.1 榮華壩壩頂變位觀測 ………60

圖 3.7.2 榮華壩上游#2 號崩坍地位移沉陷檢測點量測 ………61

圖 3.8.1 傾斜儀(管)歷時曲線警戒斜率圖 ………64

圖 3.8.2 擺線儀警戒界線 ………66

圖 3.8.3 壩頂經緯儀 CS1 之三向變位警戒界限與量測值圖 ………69

圖 3.8.4 壩頂經緯儀 CS2 之三向變位警戒界限與量測值圖 ………70

圖 3.8.5 監測值逾越警戒值處理流程……… 73

圖 4.1.1 邊坡傾斜儀(管)A1 累積變位圖 ………75

圖 4.1.2 邊坡傾斜儀(管)A2 累積變位圖 ………76

圖 4.1.3 邊坡傾斜儀(管)A3 累積變位圖 ………77

圖 4.1.4 正擺線儀監測歷時曲線圖 ………78

圖 4.1.5 榮華壩左右壩座岩盤伸縮儀歷時曲線圖 ………80

圖 4.1.6 榮華壩壩體應變計實際應變量歷時曲線圖 ………83

圖 4.1.7 榮華壩滲漏水自動化量測與與雨量歷時曲線圖 …………85

圖 4.1.8 即時監測三向地震波圖 ………86

圖 4.1.9 榮華壩壩頂變位監測歷時曲線圖 ………87

圖 4.1.10 位移沉陷檢測點監測歷時曲線圖………88

圖 4.2.1 96 年 9 月颱風期間應變計應變量歷時曲線圖 …………89

圖 4.3.1 施密特錘試驗位置 ……… 94

圖 4.3.2 混凝土鑽心取樣 ………………95

表目錄

表 2.1.1 土石壩破壞模式與物理量變化及監測儀器間的關係………4

表 2.1.2 混凝土壩破壞模式與物理量變化及監測儀器間的關係……5

表 2.1.3 堰壩現地檢查表 ………………7

表 2.3.1 各形堰板能測得之流量範圍 ………28

表 2.3.2交通部中央氣象局地震震度分級表 ………30

表 3.7.1 榮華壩定期監測項目及數量 ………62

表 3.8.1 華壩監測儀器警戒值建議一覽表……… 71

表 4.1.1 榮華壩岩盤伸縮儀自動化測值一覽表 ………79

表 4.1.2 榮華壩混凝土應變計初值與量測值一覽表 ………81

表 4.1.3.榮華壩滲漏量自動化測值一覽表 ………84

表 4.2.1 榮華壩現地檢查表（大壩） ………90

表 4.2.1 榮華壩現地檢查表（邊坡） ………91

表 4.3.1 現場施密特錘試驗結果……………… 93

表 4.3.2 混凝土中性化檢驗結果……………… 96

表 4.3.3 混凝土超音波動彈性試驗結果 ………………97

表 4.3.4 混凝土單壓強度試驗結果………………97

表 4.3.5 混凝土試驗項目及數量表………………98

第一章 緒論

國內由於水資源之寶貴且水庫開發利用不易，現有水庫之安全維護 已成為各水庫管理單位非常重要之工作，管理單位定期辦理整體安全檢 查與評估工作，其所需仰賴的參數依據，均需來自於平時之觀測與定期 之安全監測，因此壩體之監測系統所取得之監測數據正確判讀與否將影 響整體安全檢查與評估。

1.1 前言

榮華壩受到民國 93 年 8 月艾利颱風帶來僅次於民國 52 年 9 月葛 樂禮颱風之洪水，經水文資料機率分布法之分析，設計洪水（200 年重 現期）為 7,480 cms ，較以往所推估之結果為大，艾利颱風帶入水庫大 量淤積物，使庫容不大之榮華壩形成淤滿狀態，淤滿後之榮華壩除損失 部分發電效益外， 主要將失去石門水庫上游攔砂之功能， 對石門水庫 淤積將產生重大影響， 且 96 年同為大漢溪上游之巴陵壩潰損以後，原 大量蓄積之砂石往下游推移，致榮華壩的存在價值益形重要，榮華壩排 洪所夾帶之砂石對消能池衝擊將產生不良影響， 亦會影響結構安全，

因此壩體定期檢查，並藉各項預設之儀器監測，掌握結構之變化情形，

以評估其安全性，作為壩體改善或處置之依據。

榮華壩於民國72年4月完工迄今已達成攔砂效益25設計年，屬接近

淤滿階段的老舊堰壩，因此為維護榮華壩之安全，亟需一套穩定度良好 的監測系統，以進行長期之監測與觀測分析，透過現場檢查維護與儀器 監測評析兩大系統相輔運作，以詳實瞭解運轉中大壩之各項結構行為。

現場檢查部分由工程人員依規定頻率，針對大壩、壩基、壩座及各項設 施進行實地結構安全檢查，以充分掌握現地狀況；儀器監測評析部分，

則針對水庫壩體、壩基及壩座內裝設綿密的各種監測儀器進行定時量測 與分析，以充分掌握結構體變化情形。

長期安全監測資料是否有良好的信賴度與穩定性，涉及下列問題包 括：（1）監測系統之選擇（2）監測項目或種類（3）監測儀器之安裝 方式與校正維護（4）監測資料之判讀與詮釋等。故除了定期現地檢查 壩體外觀及結構定性定量分析外，平時利用可靠與穩定的監測系統，為 確定堰壩結構是否正常與預警堰壩是否安全的必要機制。

1.2 研究動機與目的

榮華壩位於大漢溪石門大壩上游約 27 公里處，介於義興壩與巴陵 壩之間為 82 公尺高之雙向變厚度拱型攔砂壩，於民國七十二年四月完 工，集水面積 561.6 平方公里，發電調節池初期容量為 1,000,000 立方 公尺，淤滿後之容量為 139,000 立方公尺，目前已接近淤滿階段。93~97 年期間連續數個颱風侵台，其中 93 年 8 月之艾利颱風及至 96 年 9 月之 韋帕颱風造成上游巴陵壩潰損，原淤積於巴陵壩之大量泥砂被推移至下

游榮華壩，洪流並造成壩區部分監測儀器受損故障，此期間除需人工配 合輔助監測及現地檢測外，故障儀器及何區段儀器受損之檢測判定釐 清，無形中增加人力物力的投入與浪費，如何減少監測儀器因外力因素 故障及降低監測值之偏差，不失為堰壩安全監測人員可探討改善空間，

亦為本研究之首要動機。本論文即藉由榮華壩監測資料數據成果探討現 有監測系統應用於混凝土拱壩上監測，藉由研究結果針對監測儀器應用 於混凝土拱壩上監測技術進行探討與改善建議。

1.3 研究架構

本研究總共分為五個章節，其大綱及內容如下所示:

第一章緒論:主要描述研究動機與目的，並對研究內容做簡單敘 述。第二章文獻回顧:主要介紹監測儀器在混凝土拱壩上應用的現況。

第三章榮華壩監測系統之安裝與現況介紹。第四章整理榮華壩監測資料 與颱風期間觀測資料比對，並加入榮華壩安全評估時所做混凝土老化 檢驗成果紀錄作為輔證資料，以供綜合監測探討分析。第五章結論與建 議：本章節主要是統彙整篇研究，提出結論與建議，使本篇研究更加完 整。

第二章 文獻回顧

堰壩安全管理策略的基本工作，首先須了解危害堰壩安全的危險因 子有哪些？藉由危害堰壩安全性的危險分析與評估，以釐清堰壩潛在破 壞模式及混凝土老化程度，進而對堰壩需設置何種監測儀器及系統，為 如何維護堰壩安全的重要課題。亦為堰壩安全監測的目的。

2.1 危害堰壩安全的危險因子 一、堰壩潛在破壞模式

導致堰壩結構體潛在破壞模式可分為滲漏、管湧、基礎破壞、混凝 土強度（耐磨力）及洪水地震等【1】。茲將堰壩破壞模式依土石壩、

混凝土壩及混凝土拱壩與監測間之關聯性分類如下表 2.1.1 及表 2.1.2：

表 2.1.1 土石壩破壞模式與物理量變化及監測儀器間的關係【1】

項次 破壞模式分類 物理量變化 對應監測項目

一 因溢洪道上障礙或沉陷所 導致之溢流造成之土壩體 侵蝕。

目視檢查 水位高程 沉陷量

現地檢查表

水壓計、水位計、土壓 計、壩頂位移沉陷觀 測、伸縮儀、裂縫計 二 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

目視檢查

壩體水位高程及水壓量測 壩體垂直與水平位移 壩體/基礎滲流滲漏量水

現地檢查表

水壓計、水位計、土壓 計、擺線儀、壩頂位移 沉陷觀測、滲漏量水堰 三 沿出水導管、壩座介面、

混凝土接觸面滲漏或管 湧；壩體本身集中式管湧

目視檢查

壩體水位高程及水壓 滲流滲漏量

水質檢驗

現地檢查表

水壓計、水位計、土壓 計、滲漏量水堰、裂縫 計

四 音透水層、可溶性夾層或 岩層的不連續面所造成之 基礎管湧或滲透

目視檢查 水質檢驗

基礎滲流滲漏量

現地檢查表

水壓計、水位計、土壓 計、滲漏量水堰、應力 應變計

五 因陡坡、滲流壓力及大量 降水所造成之壩體滑動

目視檢查

壩體垂直與水平位移 壩體水位高程及水壓量測

現地檢查表

壩頂位移沉陷觀測、水 壓計、水位計

六 沿基礎黏土裂縫或斷層之 壩體滑動

目視檢查

壩體垂直與水平位移

現地檢查表

壩頂位移沉陷觀測、水 位計、傾斜儀、裂縫計 七 差異呈現造成之裂縫 目視檢查

壩體垂直與水平位移

現地檢查表

壩頂位移沉陷觀測、水 位計、傾斜儀、裂縫計

八 土壤液化 地震強度

壩區總應力及孔隙水壓

強震儀、水壓計、水位 計、土壓計

表 2.1.2 混凝土壩破壞模式與物理量變化及監測儀器間的關係【1】

項次 破壞模式分類 物理量變化 對應監測項目

一 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

目視檢查

壩體垂直與水平位移 壩體應力應變

後拉式預力地錨載重

現地檢查表

擺線儀、壩頂位移沉陷觀 測、應力應變計、傾斜儀

二 因混凝土材料衰壞、工程性 質不足、膠製作業不當及結 構接縫與防水作業處理不 當造成之壩體本身滲漏或 管湧

目視檢查

混凝土入滲強度檢測 水庫水位高層

滲流滲漏量

現地檢查表

混凝土強度老化檢驗 水位計

滲漏量水堰 三 因溢洪道上障礙或設計容

量不當所導致之溢流造成 壩址基礎侵蝕獲壩座沖刷 掏空

目視檢查 水位高程

垂直與水平位移

現地檢查表 水位計

擺線儀、壩頂位移沉陷觀 測

四 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

目視檢查

水位高程及水壓量測 垂直與水平位移 基礎滲流滲流量

現地檢查表

水位計、水壓計、擺線 儀、壩頂位移沉陷、應力 應變計、滲漏量水堰 五 沿基礎軟弱不連續面之滑 壩體垂直與水平位移 擺線儀、壩頂位移沉陷觀

而混凝土拱壩破壞模式除了上列混凝土壩破壞模式中較不重視壩體本 身重量、基礎浮力及水平裂縫外，對壩體傳遞到兩側岩壁及基礎與對壩 體表面破壞有較多的考慮，因此其對應的監測儀器需增設岩盤伸縮儀及 裂縫計等。

二、混凝土老化檢驗

混凝土材料老化檢驗評估之工作方法與項目包括下列各項：

（1） 蒐集及複核堰壩有關混凝土壩體設計及施工有關混凝土品質資 料文件。

（2） 堰壩結構物現地檢查。

（3） 根據目視檢查結果，選定混凝土表面施作施密特錘擊試驗。

（4） 依據施密特錘擊試驗結果，決定混凝土心取樣位置。

（5） 鑽取 NX 口徑混凝土心，辦理中性化試驗及力學性質試驗，以確 認混凝土老化或變質情形及其程度。

綜合上項成果資料，探討數據，提出分析報告。

三、現地檢查

堰壩構造物之現地初步目視檢查，分別從壩頂、壩體下游面及附屬 結構物等人員可接近處，檢查混凝土表面狀況，將是否有 裂、劣化、

表面缺失及滲水等狀況記錄於堰壩現地檢查表如表 2.1.3。

表 2.1.3 堰壩現地檢查表【2】

檢查日期: 年 月 日 檢查者:

水庫水位 ： 氣 候: 晴 陰 雨 頁數：全 1 頁

工程結構/設施 檢查項目 現 況 說 明

裂 …乾 裂 …橫向裂痕 …軸向裂痕；…無 沉 陷 …輕微沉陷 …陷 孔 ；…無 壩 頂

排水狀況 …尚可 …待修 …待換 …良好 坡面不穩定 …滑動 …隆起 … 裂 ；…無 坡面侵蝕 …地面逕流侵蝕 …拋石料劣化；;無 不適當堆積 …有 …無

不適當植生 …有 …無 獸 穴 …有 …無

裂 …乾 裂 …橫向裂痕 …軸向裂痕；…無 壩 面

滲 水 …潮濕 …滲水 濁度_____ 顏色____；…無 滲 水 …潮濕 …滲水 濁度_____ 顏色____；…無 大壩

壩 趾

排水措施 …有損壞 …無

坡面不穩定 …滑動 …隆起 … 裂 ；…無 右壩座

滲水 …潮濕 …滲水 濁度_____ 顏色____；…無 坡面不穩定 …滑動 …隆起 … 裂； …無

壩座

左壩座

滲水 …潮濕 …滲水 濁度_____ 顏色____；…無 裂 …乾裂 …橫向裂痕 …軸向裂痕；…無 混凝土劣化 …剝落 …爆出 …表面下空洞 …鱗狀剝落 …沖蝕 ；…無 溢洪道

滲水 …潮濕 …滲水 濁度_____ 顏色____；…無 裂 …乾裂 …橫向裂痕 …軸向裂痕；…無 左岸護坡 …有損壞 …有流失 …無

附屬 結構

後池堰

（消能池）

右岸護坡 …有損壞 …有流失 …無 其他

2.2 混凝土壩常用之監測儀器

為觀測大壩及兩岸壩座岩盤的微量變化與動態，於壩體內及其周邊 埋設有傾斜儀、擺線儀、伸縮儀、應變計、滲漏量水堰、強震儀、照準 系統、精密水準測量台、溫度計、上舉壓力計、裂縫計、水位計、地下 水位井及地下水壓力井等精密觀測儀器，分別測定壩體的受力變形、位 移、應力、應變、上舉水壓力、滲水量、地震動態反應、壩基岩盤壓縮 量以及壩座岩盤的位移、地下水變化等。

一、混凝土重力壩

常應用於混凝土重力壩的監測儀器有測量傾斜儀、擺線儀、伸縮 儀、應變計、強震儀、壩頂變位覘標的經緯儀、水壓計、土壓計、荷重 計、裂縫計、溫度計等如圖 2.2.1。

圖 2.2.1 混凝土重力壩監測儀器【3】

二、混凝土拱壩

常應用於混凝土重力壩的監測儀器有擺線儀、伸縮儀、混凝土應變計、

量水堰、強震儀、測量壩頂變位覘標的經緯儀、水壓計、水位計、溫度 計、壓力計、裂縫計等如圖 2.2.2。

SP 測量標點 TS 溫度計 W 量水堰 PC 壓力計 PZ 水壓計 EX 伸縮儀 WL 水位計 SM 強震儀

J 接縫（裂縫）計 P 擺線儀

ST 混凝土應變計

圖 2.2.2 混凝土拱壩監測儀器【3】

三、水庫邊坡監測

堰壩、水庫兩測邊坡的狀況對於堰壩結構物的穩定至關重要，爰 此，堰壩邊坡亦往往納入監測範圍；邊坡的監測儀器有水位井、固定式 傾斜儀、雨量計等如圖 2.2.3【3】。

圖 2.2.3 水庫邊坡的監測儀器【3】

2.3 監測儀器量測之原理

監測儀器所欲得之量測項目，如位移、應力等，其數值是非常微小，

往往無法直接明視判讀，必須以感應器將所欲量測項目，根據其所引起 的反應及變化，加以感應並轉換及放大成具體可讀的數值。不同的量測 項目，因其引起的反應不同，而可以不同的感應器來量取之，同一量測 項目也可使用不同原理之感應器量取。

監測儀器量測，如圖 2.3.1【4】所示，主要包括變位、力量、應變 及應力。其中任何ㄧ向皆可為因，而引起其他項目的變化。在量測方面 以位移變化量最為具體，其他項目則比較抽象。譬如ㄧ物體所受應力大 小，吾人只能從其變形或破壞來估計，而不能直接得知其應力。因此通 常量測位移，而根據其與其他項目之關係，轉換為所欲求項目之數值。

例如所加之荷重及其所引起之位移，以下將分別敘述量測各種項目所使 用的感應器之原理【4】。

圖 2.3.1 量測項目相互間關係【4】 圖 2.3.2 機械式位移量測【4】

2.3.1 變位量測

ㄧ般變位量大時，可以尺度量測而精密度高者，可使用測微尺量 測，但在許多情形中，欲測微小變位，則必須將其變位放大，才能顯現 可測讀之數據。目前變位量測常用於儀器的方式有：

一.機械式

此為直接簡單的方式。如圖 2.3.2 所示【4】，以槓桿原理依桿臂長 短關係產生放大作用。依此原理，亦可如圖 2.3.2（b）以不同大小齒輪 相連，再以指針顯示放大之值，即一般常見之測微表。其可量測之變位 比槓桿作用大很多。

二.電氣式

（一）感應性

主要為線性差動變壓器（LVDT），包括兩部份，一為線圈內含一個 主線圈與兩個次線圈，一為磁心，為高導磁性之鎳鐵合金所製，其組合 示意如圖 2.3.3（a）。當主線圈通以交流電時，則因變壓器原理，次線 圈將受感應而生交流電壓。因磁心介於其中而影響線圈之感應性。磁心 之位置不同，感應性則不同，而次線圈所感應之電壓則有變化。磁心再 兩個次線圈之中間位置時，兩個次線圈所感應電壓相同，因此兩者間電 壓差為零。若磁心不在中央，則兩次線圈之感應電壓不同，而有電壓差。

此電壓差因磁心位移而呈線性變化，由此可量出磁心之位移。實際 LVDT 之線圈與磁心之製作組合如圖 2.3.3（b）所示。LVDT 之線圈與磁心可 以完全分離，故無摩擦存在。而且對位移量測之精準度甚高，為目前最 佳且常用之位移感應器【4】。

（a）高導磁性製作原理 （b）線圈與磁心組合圖 圖 2.3.3 LVDT 之線圈與磁心製作示意圖【4】

基本上是利用位移與電阻變化的關係。通常使用線性變化電阻，如 圖 2.3.4 因 A,B 兩點間距離不同而其間電阻亦隨之線性變化。至於電阻 變化之量取可用：

（1） 電表—精度不高，使用不廣。

（2） 電壓計—如圖 2.3.5 之聯結，可以電壓計量測電阻變化而得知位 移。

惠斯登電橋原理，如圖 2.3.6 可以電壓計算得

) , , , ,

( _{1 1 2 3 4}

0 V f R R R R R

V =

• ∆

R

圖 2.3.4 線性可變電阻【4】 圖 2.3.5 電壓計量測電阻【4】

圖 2.3.6 惠斯登電橋【4】 圖 2.3.7 電容器位儀量測【4】

圖 2.3.8 壓電作用【4】

（三）電容

如圖 2.3.7 電容器之電容大小與二極之間距離有關。量測其電容變 化，則可得位移。 一般位移不能太大，多用於動力試驗。

（四）壓電

利用晶體受壓變形而產生電流的特性，所產生電壓大小求其變形而 得位移如圖 2.3.8，多用於動力試驗。

三.光學式

最常見者為利用光彈性原理之感應器。而近年來雷射及光纖等光電 學之應用逐漸應用於量測儀器。

四. 振波式

最常見的振弦計，如圖 2.3.9，當鋼弦有變位時，所受張力跟著改 變，張力不同，鋼弦振動頻率亦將不同。根據振動頻率之變化可求得變 位。此種感應器需附有外力使其振動以測得頻率之設備，例如圖 2.3.9

【4】。

圖 2.3.9 振弦計組合示意圖【4】

2.3.2 力量量測

衡圈是最常見而且使用最久的力量量測感應器。它利用鋼圈受力產 生超出彈性範圍之變位量，推算其所受承載力（圖 2.3.10）。因此鋼圈 兩端間位移（以測微表量之）與其所受承載力有線性關係。

衡盒是另ㄧ種力量感應器，使用日漸普遍。其基本原理如圖 2.3.11 所示，利用量測金屬體受力所產生的變位而求得所受承載力。此種變形 可以靈敏度極高的應變計或變位感應器量測。

圖 2.3.10 衡圈 【4】 圖 2.3.11 衡盒示意圖【4】

2.3.3 應變量測

應變之量測以兩點間位移 d，除以兩點間原距離

l

l

= d /

ε 。前述量測位移之方式皆可引用為應變之量測，亦可由其所得之 應變求得位移。常用的應變感應器有電阻式應變計及振弦應變計。振弦 應變計之原理如 2.3.1 所述，以鋼弦因應變改變張力而引起振動頻率之 變化來量測應變。

圖 2.3.12 SR-4 應變計之惠斯登電橋【4】

電阻式應變計為一般實驗室中最常見之應變計。電阻式應變計主要 利用金屬絲受應變時，其電阻因而引起線性變化的原理，即ε

= ∆ R / GR

3 4 2

1/

R R

R

R

圖 2.3.12 中四個電阻有任何變化，而

R

R

R

R

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ∆

∆ −

∆ +

∆ −

≈

4 4 3

3 2

2 1

1 0

4 1

R R R

R R

R R

R V

V

in

（2.3.2）

一般應變計之製造，R 值常為相同（有 120Ω及 350Ω兩種），

當

R

= R

= R

= R

= R

[

]

0

4

1

R R R R R

V V

in

∆

−

∆ +

∆

−

∆

= （2.3.3）

[

]

0

4

ε

ε

ε

ε

=

G V

V

in

（2.3.4）

在實際應用時，可依需要採取如圖 2.3.13 所示各種安排。將應變 直接顯示出來【4】。

電阻式應變計因應變而引起之電阻變化非常小， 因此在整個量測 系統中任何部份，因受潮溫度變化或其他因素而使電阻有變化時，皆可 能影響量測之正確性。因此在工程現場安裝時必須注意。

圖 2.3.13 應變計不同安排連結情況【4】

2.3.4 應力量測

一般應力的量測無法直接得到應力數值，必須先以應力感應器，如 應力計量測在應力作用下之應變，再依應力計之應變應力或變位應力關 係推算所受應力。應力計之構成通常如圖 2.3.14 所示。根據力學原理，

t/D 愈小愈能得精確之垂直於此平面的應力【4】。

圖 2.3.14 應力計【4】

圖 2.3.15 氣(液)壓式壓力計【4】

壓力感應器為量取受壓力而產生的應變或位移，亦可以氣（液）壓 方式如圖 2.3.15 所示，當外加壓力達到欲量測處所受壓力時，則氣（液）

體將擠開薄模而從廻路管流出，如此外加壓力值即為所欲測得之壓力。

2.3.5 儀器校正

儀器之量測首重校正，前述之感應器所讀之數值，常非所欲量測項 目之值，因此必先做校正，以求讀數與量測值之間的關係。如此測得的 數據方有意義。

在監測作業中所遇量測者，主要包括變位、力量、應變及應力。其 中以變位最直接可觀測得到者，各種量測項目皆有許多不同方式及原理 之感應器來量測，根據這些感應器之原理，可選擇合乎要求且經濟之儀 器，對量測數據之研判，也有相當助益。

2.4 常用監測儀器概述 2.4.1 傾斜儀

傾斜儀係用以量測傾斜管角度之儀器，用於量測堰壩壩體或邊坡等 之水平變位，以瞭解地表內或地層間之相對位移。依量測原理之不同，

一般傾斜儀之型式可概分為振弦式、電阻式及伺服加速計等數種。任何 種型式之傾斜儀，基本上由雙向固定軌道觀測管、觀測管接頭及保護蓋 所組成屬變位量測。觀測管壁內含兩組正交軌道凹槽之鋁管或塑膠管或 ABS 管【5】；觀測管接頭為銜接兩支固定軌道觀測管之用，有固定式接 頭及活動式接頭兩種類型，固定式接頭僅作銜接之用，活動式接頭具有 銜接功能及伸縮功能，可兼測土層壓縮量；保護蓋則用以封閉觀測管底 部及蓋位觀測管頂部，傾斜儀構造示意如圖 2.4.1。

(a) 觀測管內透視圖 (c)傾斜儀導桿

圖 2.4.1 傾斜儀構造示意圖【6】

2.4.2擺線儀

擺線儀量測系統，屬電氣式變位量測，其利用鉛垂腺之移動測定壩

體變位之裝置屬變位量測。分正擺線儀及逆擺線儀兩種。前者係垂線上 端固定，下端擺動，而後者則相反，即上端浮動，下端固定之裝置，其

(b)觀測管剖面圖

設置及組成如圖 2.4.2 所示，即以壩頂為固定端，通過埋在壩體中鍍鋅 鐵管，吊下鉛垂線，於個廊道內設測讀站，觀測壩各高度間之相對位移 量以求取整個壩體之變位，主要測量水庫內部 X , Y 軸向相對水平的變 位量，以輔助堰壩結構安全評估。

圖 2.4.2 擺線儀量測系統設置示意圖【7】

嚴格的說擺線儀並非單項的觀測儀器，而是一組監測系統如圖 2.4.3，每ㄧ組包含下列組件及功用【8】：

1. 絞盤：作為固定垂線上端及懸吊重鎚用，並可調整垂線位置。

2. 鉛垂線：直徑 0.8mm 之不鏽鋼線，上繫於絞盤，下懸重錘作為計測線。

3. 防滴傘：裝於測讀站上方之套管末端，已截止延套管內壁流下之滴 水，以免妨害觀測工作。

4. 防震油槽：有阻尼作用，可制止鉛垂線擺動，以利觀測。

5. 重錘：為直徑 10.5cm 長 20cm 重約 14kg 之鋼製圓錘體，拉緊線襬，

增加觀測精度及使垂線成為自由活動體。

6. 觀測用儀器有座標儀及電氣式位移偵測儀。

圖 2.4.3 擺線儀量測系統構造圖【8】

2.4.3 伸縮儀

伸縮儀及應變計可以量測錨定在鑽孔中已知兩點間所連接的鋼索 或鋼桿的長度變化情況，應用於監測土壤或岩石之位移、沉陷、隆起及 側向變位，並藉此間接判斷結構體受力狀況及安全程度【5】，屬變位 量測。最容易的量測方法就是使用刻度尺或測微計，而線性變形的變換

器如電壓計或震動線圈等也可以當成感測器，其準確度已足夠應用於對 變位的量測。伸縮儀如下圖 2.4.4（a）單點式沉陷伸縮儀及（b）水平 桿式伸縮儀【6】。

（a）單點式沉陷伸縮儀 （b）水平桿式伸縮儀 圖 2.4.4 伸縮儀裝設示意圖【6】

2.4.4 應變計

當伸縮儀量測的長度小於或等於一公尺時稱為應變計。因此，在一 個用水泥漿固定的三公尺長結合鋼棒並具有 25 公釐的伸張儀中，使用 相對較便宜的儀器就可以量測到單位應變達到 0.0001 之解析度。這類 裝置通常被稱為應變計【5】。應變計係利用應變規中金屬導線電阻值 之變化來量測應變量屬應變量測，常應用於結構橋樑桿件之應力、開挖 支撐系統之應力、基樁支應力分佈、鋼筋混凝土之應力應變等，如圖 2.4.5 所示【6】。

（a）側視圖

（b）上視圖

圖 2.4.5 應變計詳圖【6】

2.4.5 滲漏量水堰

滲漏量測係用以量壩體、大壩基礎岩盤之滲漏情形。滲漏水經匯集 後，用集水管導送至量水堰，記錄量水堰之水位高度以公式換算可得欲 量測地區之滲流量。同時可查看滲漏水色是無混濁現象，以做為分析壩 體安全評估參數。

量水堰一般可分為 V 型堰及矩形堰兩種，採用人工或自動方式量測，人 工量測係利用不銹鋼尺直接測讀量水堰開口上方之水位高度，以堰流公 式計算其滲流量，而自動量測則利用安裝於量水堰中之精密型電子式水 壓計，依水深自動換算滲流量，惟自動量測時人員必須至量水堰測站查 看滲漏水色【5】。量水堰構造示意如圖 2.4.6【10】。

（a）V 型堰 （b）矩形堰

（c）量水堰導流體剖面 圖 2.4.6 量水堰構造示意圖【10】

滲漏量測原理係以特定形狀、尺寸之堰板安裝於渠道中，測定水頭 高度，進而計算出流量屬變位量測。簡易測定法如下【11】：

一.水頭零點水位測定值：在堰板上面上游 3h'至 B 且高於水面之渠道 側壁處置一標誌，在側壁上作一通過標誌且與水流方向成垂直之基線。

當渠道中之水正好接觸到堰頂時，以直尺沿基線測定水面至標誌之垂直 距離為（a）。

二.水頭之測定：測定流量時，以直尺沿基線測定水面至標誌之垂直距 離為（b）。計算 a－b ，即為水頭（h）。計算公式如下：

（一）直角三角堰

（2.4.1）

Q：流量(m³ / min) h：水頭(m)

K：流量係數

（2.4.2）

B：渠道寬度(m)

D：渠道底面至堰頂之垂直距離(m)

（二）矩形堰

（2.4.3）

（2.4.4）

（三）全寬形堰

（2.4.5）

（2.4.6）

各型堰板所能測得之流量範圍如表 2.4.1 所示。

表 2.4.1 各形堰板能測得之流量範圍【12】

堰板之形 式

寬度(m) B×b

水頭範圍(m) h

流量範圍(m³/min) Q

直角三角 0.60 0.070～0.200 0.108～0.96

形 直角三角

形 0.80 0.070～0.260 0.108～2.88 矩形 0.9×0.36 0.030～0.270 0.21～5.52 矩形 1.2×0.48 0.030～0.312 0.282～9 全寬形 0.6 0.030～0.150 0.36～4.02 全寬形 1.5 0.030～0.375 0.9～42 全寬形 3.0 0.030～0.750 1.8～237 全寬形 8.0 0.030～0.800 4.8～671

2.4.6 地震儀

地震儀之設置目的在於記錄地震時壩體及基礎岩盤之受震程度及反 應，以瞭解地震引起壩體及壩基之地震行為，如加速度、速度及振幅，

並可透過設定地震強度的自動化量測設備，紀錄壩體及壩基監測儀器之 數據，作為研判安定分析之參數【5】。

量測地震的基本原理，是利用懸掛重錘的慣性，重錘懸空，在地震 時，地面上的一切東西都隨之運動，只有地震儀的重錘並不移動，於是 地面與重錘間出現相對運動。把這相對運動記錄下來，就是地震波的紀 錄。一般地震儀主要由感應器(受波器)及記錄系統兩個部份所組成，其 中感應器係感應地震之大小及變化屬應力量測，而記錄系統則記錄受波 器感應之地震動大小及變化。新式之電磁式地震儀除利用慣性定律外，

並配合電磁感應原理，利用掛於彈簧及阻尼器上之磁鐵作為慣性擺，當

地震作用時，因磁鐵與線圈之相互作用將產生感應電壓，記錄此感應電 壓之大小及變化，即可換算地震大小及歷程【13】。地震分級表如表 2.4.2。地震儀示意如圖 2.4.7【14】。

表 2.4.2交通部中央氣象局地震震度分級表(2000 年 8 月 1 日公告)【15】

震度分級 地動加速度

(cm/s²,Gal) 人的感受 屋內情形 屋外情形

0 無感 0.8 以下 人無感覺。

1 微震 0.8~2.5 人靜止時可感覺微小搖晃。

2 輕震 2.5~8.0 大多數的人可感到搖晃，睡眠

中的人有部分會醒來。 電燈等懸掛物有小搖晃。 靜止的汽車輕輕搖晃，類似 卡車經過，但歷時很短。

3 弱震 8~25 幾乎所有的人都感覺搖晃，有 的人會有恐懼感。

房屋震動，碗盤門窗發出聲 音，懸掛物搖擺。

靜止的汽車明顯搖動，電線 略有搖晃。

4 中震 25~80

有相當程度的恐懼感，部分的 人會尋求躲避的地方，睡眠中 的人幾乎都會驚醒。

房屋搖動甚烈，底座不穩物 品傾倒，較重傢俱移動，可 能有輕微災害。

汽車駕駛人略微有感，電線 明顯搖晃，步行中的人也感 到搖晃。

5 強震 80~250 大多數人會感到驚嚇恐慌。 部分牆壁產生裂痕，重傢俱 可能翻倒。

汽車駕駛人明顯感覺地 震，有些牌坊煙囪傾倒。

6 烈震 250~400 搖晃劇烈以致站立困難。 部分建築物受損，重傢俱翻 倒，門窗扭曲變形。

汽車駕駛人開車困難，出現 噴沙噴泥現象。

7 劇震 400 以上 搖晃劇烈以致無法依意志行 動。

部分建築物受損嚴重或倒 塌，幾乎所有傢俱都大幅移 位或摔落地面。

山崩地裂，鐵軌彎曲，地下 管線破壞。

（a）地震儀 （b）記錄器 圖 2.4.7 地震儀系統圖【14】

2.4.7 壩頂經緯儀監測系統（Settlement Mark System）

壩頂經緯儀監測系統分為壩頂變位觀測及位移沉陷檢測點觀測。壩 頂變位觀測係以經緯儀測量方式用以量測壩面或結構物表面之沉陷及 位移量，以瞭解監控地區土地或建物位移、沉陷等的變形情況，必須設 定固定不動的參考點做為基準，壩頂的位置部設數個不能任意改變的菱 鏡覘標於堰壩完成時即埋設並觀測其初始值，作為往後歷次觀測的依 據。表面沉陷點可採人工或自動方式量測，人工量測為由監測人員攜帶 經緯儀與水準儀測讀埋設之表面沉陷點(基樁)沉陷及位移量，屬變位量 測。自動量測則由設置之 ATS 系統及稜鏡以紅外線遙測方式量測，其觀 測如圖 2.4.8。另位移沉陷檢測點觀測原理同壩頂變位觀測，利用沉陷 觀測點以水準測量方式觀測邊坡滑動或基地四周因開挖、抽水或等作業 所造成之沉陷【16】。邊坡表面的垂直及水平位移可以在各測點利用經 緯儀採水準及定點測量，測點型式種類可為塔式，或是在邊坡上任何指 定的地點，這些測點的位移量測必須參考一個或數個不動點，這些不動 點必須在邊坡破壞影響範圍之外。若需自動化則可考慮電子經緯儀加全 功能測站，利用可程式化之電子式經緯儀，將特殊稜鏡設置於邊坡或擋 土牆上，並設定電子式經緯儀之掃瞄頻率，自動測讀計算各點之三向度 位移，屬變位量測。邊坡或擋土牆在滑動的過程中，可能會產生向下之 位移(沈陷)，藉此作為沉陷量之監測。

圖 2.4.8 經緯儀觀測照準覘標【17】

2.4.8 水壓計

（Piezometers）

設置水壓計之目的為量測堰壩施工期間及蓄水初期壩基或壩體內 土壤間之孔隙水壓力。壩體施工期間，當孔隙水壓力超過設計值時，可 根據量測之壓力數據控制填方速度，以免壩體發生滑動，亦可評估隔幕 灌漿之阻水功能。堰壩完工蓄水後，水壓計可量測壩體滲流之變化情 況，以作為安全評估之參考。一般水壓計之型式可概分為標準式、氣壓 式、水壓式、電子式等數種屬變位量測，並說明構造、原理、特性如后

【5】。

一.標準式(開口式)

開口式水壓計係利用探測器以人工於孔口放入管中量測壩體之地 下水位，或於管中埋設 1 組至多組電子式水壓計利用電子量測器自動量 取地下水位。開口式水壓計構造示意如圖 2.4.9。其構造及原理與水位觀 測井相同，特性在透水性低的土壤中不能夠測量負的孔隙壓力需要轉換 器方能自動化，在施工時宜小心安置，水壓計的指示器如圖 2.4.10 位於 頂端位置容易被人為損害。

圖 2.4.9 開口式水壓計構造示意圖【6】

圖 2.4.10 開口式水壓計指示器【6】

二.氣壓式水壓計

氣壓式水壓計係一個裝設並密封於鑽孔內或插入在軟土中之透水 頭，經由兩條塑膠氣導管連接至測讀器。水壓計頭部之感應器基本上 由一個被柔性隔膜分成兩區(感應區及量測區)之剛性框架所構成。在 感應區，水壓計外部之孔隙水壓透過濾石並作用至隔膜上。隔膜另一 側緊貼在含有兩個小孔(進氣及回氣孔)之平坦防水壁上以構成儀器之 氣壓區(量測區)，並以兩氣導管分別連接進氣孔及回氣孔至測讀器。

氣壓式水壓計之測讀係採用氣壓式測讀器。測讀時，高壓氣體經由進 氣管送至儀器之量測室並作用於隔膜上，當供氣壓力足夠平衡作用在 隔膜上之液壓時，隔膜即產生彎曲變形使進氣管與回氣管形成通路，

使多餘之氣體經由回氣管排至測讀器上之回氣偵測器，此平衡壓力即 可由測讀器上之壓力錶或數位顯示器測得。氣壓式水壓計構造示意如 圖 2.4.11。

圖 2.4.11 氣壓式水壓計構造示意圖【6】

其特性簡單又可靠沒有長期的漂移，測讀位置可於遠方沒干擾，構 造比其他類型的橫隔膜水壓計便宜，無冰凍凝固損害在低透水性的土壤 反應良好，測讀時間隨管線長度長度增加（一般長度小於 300m），需要 氮氣的供給自動化必須轉換器且較昂貴【5】。

三.水壓式水壓計

水壓式水壓計之構造及原理與氣壓式水壓計類似，僅氣壓式水壓計 量測時採用高壓氣體而水壓式水壓計採用高壓水。其特性必須定期除 氣且費時的，觀測室或壓力表室必須有除氣設備及測讀設備，不宜設 置在冰點以下，容易被凝固損害。水壓式水壓計原理示意如圖 2.4.12。

圖 2.4.12 水壓式水壓計原理示意圖【6】

四.電子式水壓計

電阻式、振弦式及震動桿式水壓計可統稱為電子式水壓計，電阻式 水壓計之原理係當感應器內部電阻受到外力而展開或收縮時，藉以偵測 其電阻變化量，經轉換計算土層之孔隙水壓力。電阻式水壓計構造示意 如圖 2.3.13。

圖 2.4.13 電阻式水壓計構造示意圖【6】

其特性容易自動化，監測井需設有通氣孔，動態的測讀（每秒 12 次），

測讀位置可於遠方無干擾處，檢測部分被隱藏，較其他水壓計昂貴。振 弦式水壓計構造示意如圖 2.4.14

圖 2.4.14 振弦式水壓計構造示意圖【6】

其特性測讀位置可於遠方無干擾處，在低透水性的土壤反應良 好，容易自動化，檢測部分被隱藏，低壓時解析度較差，高精度 時需有溫度修正。震動桿式水壓計構造示意如圖 2.4.15

圖 2.4.15 震動桿式水壓計構造示意圖【6】

其特點性為穩定，低壓時可獲得最高精度，長期無漂移及溫度效應，測 讀位置可於遠方無干擾處，在低透水性的土壤反應良好，容易自動化，

檢測部分被隱藏，為昂貴最水壓計【5】。

2.4.9 土壓計

土壓計（總壓力計）係設計用來量測有效應力與孔隙水壓力之總和以及 庫倫應力以量測土體內部總壓力分佈或土體與混凝土或其他剛性結構 物接觸壓力大小之儀器。一般可將數個總壓力計於水平方向排成一列，

以測定土體內部拱效應之大小或將數個總壓力計不同角度埋設在同一 處，以測定該處之應力狀態【6】。土壓計之安裝目的

在於量測大壩填方在施工時及蓄水後之應力狀況，作為評估壩體安全之 參考。依壓力量測方法之不同，一般土壓計之型式可概分為氣壓式、油 壓式、電阻式及振弦式等數種，僅就應用較為廣泛之氣壓式及振弦式土 壓計構造及原理說明如下：

一.氣壓式土壓計

氣壓式土壓計係由兩片圓形之薄鋼板所組成，其圓周以氬電弧銲 接，並以鋼管與氣壓式感應器連接。氣壓式土壓計之原理為利用外加氣 壓來平衡壓力計內部之液壓。

二.振弦式土壓計

振弦式土壓計本體係由兩片不同厚度之圓形鋼板以氬電弧銲接而 成之承壓鈑，並於圓周設置一道凹槽以減少土壓計本體之慣量，承壓鈑 內則以液壓油充填，並以管連接至振弦式感應器，感應器為一剛性框 架，與振弦式水壓計相同，內部以柔性薄膜分隔成感應區及量測區，土 體壓力即透過充填之液壓油傳遞至薄膜上；當薄膜受壓產生變形時將改 變鋼弦之張力，因而導致鋼弦振動頻率改變，量測鋼弦振動頻率之變化 情形，再依據出廠時率定之振動頻率與壓力之關係，可算出外部壓力之 大小【5】。土壓計構造示意如圖 2.4.16。

（a）土壓計實體圖 （b）土壓計構造示意圖 圖 2.4.16 土壓計【6】

2.5 監測儀器之安裝

前一節之各項監測儀器，其安裝方式如下。

2.5.1 傾斜儀安裝

傾斜儀安裝之目的在於量測壩體內部之側向變位情形，以評估有無 潛在滑動面發生。傾斜儀安裝【18】如圖 2.5.1：

一.於選定位置，以鑽機鑽掘一直徑約 15cm 之垂直孔至設計深度，鑽掘 時孔壁應視需要以套管保護，以防坍塌。

二.將接妥之傾斜管封上底蓋後，垂直放入孔鑽孔中，並須注意維持管 內之乾淨。組合傾斜管時，每節導管及接頭之槽溝(Groove)須對正，

使傾斜管之槽溝能連續且不偏斜，以使雙軸感應器能在管內順利滑 動。

三.塑膠套管底端到達孔底後，應適當調整，使一組導向溝槽與開挖坡 面走向垂直後固定之。

四.傾斜管與鑽孔間由底部向上分層回填潔淨砂或灌填皂土水泥漿。

五.傾斜管之頂端須加保護蓋，周圍並加以適當之保護措施及警示標誌。

圖 2.5.1 傾斜儀安裝步驟示意圖【6】

2.5.2 擺線儀安裝

正擺線儀安裝分為套管、擺線儀量測系統及電氣式位移偵測儀三部 份。

套管系以直徑 30cm 之鍍鋅鐵管，在預定的位置依壩體混凝土之升層澆 置分配埋設，每節長 2.5 公尺，埋設時必須嚴格控制其鉛垂度，規定其 偏差值不得大於 1.2 公分，為達到這目的，須利用支線來調整並加以固 定。調整鉛垂度之方法為先在套管底端之廊道仰拱上釘一鐵釘為中心基 點，然後自每節套管上端中心吊垂線，對準此其點調整之，固定完妥之 鐵管經混凝土澆置後，即埋設於其中。其施工順序如下【8】： 一.建一混凝土座，安裝絞盤於其上。

二.在測讀站上方混凝土頂拱之套管末端，裝上防滴傘。

三.將垂線上端固定於絞盤後，讓垂線穿過套管，至測讀站，並繫於重 錘，調整絞盤使垂線通過套管中心，調整油槽位置至垂線大致通過 油槽口中心。

四.轉動絞盤至重錘底離油槽底面約 3 公分高後，將#30 機油注入油槽

內。

五.鎖緊絞盤之固定螺絲。

其觀測系統部份為電氣式位移偵測儀是自動計測儀器，其觀測方法 即以儀器動作原理說明如圖 2.4.2。即當壩體產生變位時，擺線儀之錘 線隨即移動，帶動懸垂於差動變壓器中間之高導磁合金棒，由於此項移 動，差動變壓器感應並輸出 X 及 Y 之位移信號，經過放大器放大，供給 伺服電動機去控制同步電動機之轉軸，並推動可動台，至高導磁合金棒 位於差動變壓器之中，可動台始停止，此時同步電動機亦同時完成信號 變換器(Date Converter)出現並可讀出，此數據即為大壩之水平變位 量，同時經過分壓器作用，使變位量變成電量，再經過放大器放大，而 輸出 X 及 Y 成分之 0~±1 伏特的直流電壓，至自動遙測資料處理系統計 錄及印表，而告完成。

圖 2.5.2 擺線儀動作原理【8】

2.5.3 伸縮儀安裝

伸縮儀的安装如下【19】（圖 2.5.3、2.5.4 及圖 2.5.5）

一.用鑽孔機在場地中預定鑽孔。根據各個測點的不同觀測目的，考慮 到上部結構的重量分布及結構形式以及實際土壓力影響深度，綜合 取定各孔深尺寸及伸縮儀在孔中的埋沒位置。

二.用 PVC 塑膠管做為磁性探頭的通道(稱為導管)，導管兩端沒有底蓋 和封頂。將第一個磁性圈環安裝在塑膠管的端部，放入鑽孔中。待 端部抵達孔底時，將環圈上的卡爪彈開，由於卡爪打開後無法收回，

故這種環圈是一次性的，不能重複使用，安裝時必須格外小心。

三.將需安裝的磁性圓環套在塑膠管上，依次放大孔中預定深度。確認 磁性環位置正確後，彈開卡爪。測量點為要綜合考慮基底壓力影響 深度曲線和地質探勘報告中有關土層的分布情況。

四.固定探頭導管，將導管與鑽孔之間的空隙用砂填實。

五.固定孔口，製作鋼筋混泥土孔口保護圈。

六.測量孔口標記三次，以平均值作為各環所在位置的穩定標高。

圖 2.5.3 電磁式沉陷環安裝步驟示意圖【6】

圖 2.5.4 Sondex 沉陷環安裝步驟示意圖【6】

圖 2.5.5 單點式沉陷桿安裝步驟示意圖【6】

2.5.4 應變計安裝

應變計的主要構造為應變片如圖 2.5.6，其安裝方式如下【20】

一.量測點表面清理,對過於光滑的加工表面,用細砂布打出與應變片軸 線成 45°的交叉線路。

二.在進行應變片粘貼前,用沾有丙酮的脫脂棉球,擦去試件上的油污, 直至棉球擦完不污為止，塗膠粘貼，在清理過的表面上塗一層厚約 為 0.2 毫米的膠,並立即將應變片不加壓放在上面,輕拿引出線將應 變片移動到正確的位置。

三.用一小片濾紙覆蓋應變片上並用手指輕輕將多餘的膠從應變片下擠 出來,另換一張薄濾紙.其大小伸出應變片的邊緣 5~10 毫米,左手的 中指和食指通過濾紙按緊應變片的引出線區,與此同時,右手的食指 像棍子一樣沿應變片的縱向滾壓,將空氣和多餘的膠全部擠跑.最後, 在其上加重塊以施加壓力，粘合層的固化和乾燥,五分鐘後取去壓塊, 應變片的膠層進入固化階段,覆蓋在其上的濾紙可不用除去,只是將 引出線區將濾紙排開,使引線翹起,不與試件表面接觸即可。

四.粘合質量的檢驗.用萬用表測量線柵的電阻看有無斷路現象;其次, 用萬用表檢查引出線與試件間的電阻看有無短路現象(一般絕緣電 阻在 500M 以上).最後看應變片貼得是否良好,如有氣泡存在,應取下 另貼新片。

五.連接線的安裝.應變片的引線通常用錫銲與 0.12mm×7 或 0.18mm×12 的銅導線相接.銲點要牢固,切勿有虛銲.銲接前,必須將導線固定在 試件上,防止應變片引出線受力而被拉斷.焊完後,再檢查一遍。長期 使用時的保護方法,可在應變片所在的部位上塗上一層石蠟或凡士 林,以防受潮失效。

應變計和應變片之間用導線連接，需根據環境與設計的要求選用導

時，需用屏蔽線。銲接導線前，先用萬用電錶檢查導線有否斷路，然後 在每根導線的兩端貼上同樣的號碼標籤，避免測點多時造成差錯。在應 變計引出線下，貼上膠帶紙，以免應變計引出線與被測試物接觸造成短 路。然後把導線與應變計引線銲在一起，銲接時注意防止假銲。銲完後 用萬用電錶再導線另一端檢查使否接通。

為防止在導線被拉動時導引線被拉壞，可使用接線端子，接線端子相當 於接線柱，使用時先用膠水把它黏在應變計引出線前端，然後把應變計 引出線及導線分別銲於接線端子的兩端，以保護應變計【21】。

（a）應變片 （b）應變計 圖 2.5.6 應變計及應變片構造示意圖【7】

2.5.5 滲漏量水堰安裝

1.兩堰緣夾角及安置角度須正確，並使銳緣向上游。

2.堰板本身應平直，且垂直於渠道流向。

3.下游渠道最高水位不可超過堰口尖端以免發生潛流。

4.堰口尖端至渠道底面及二側最少等於二倍最大設計水頭。

5.量水堰依據原有排水廊道量水堰位置設置，設置前應先將周圍之污 泥、雜草及石塊清除；現有廊道排水溝尺寸如無法安放量水堰與水位 計時，應於廊道適當位置敲除部份混凝土後，施作靜水槽，將靜水槽 裝置於排水溝內，並以水泥固定之，須確定安裝方向正確。

6.將低容量式水位計固定於靜水槽內並鎖緊確認量測頭至三角堰口之 高度。

7.量測安裝後水位初值並對照實際水槽內水位以校正讀。

8.將水位計之信號線延伸至信號掃瞄箱內之輸入接點上，以供自動化測 讀【12】。

2.5.6 地震儀的安裝

地震儀的安裝方式類似伸縮儀安裝，於鑽井完成至儀器安裝深度及 套管封固後，進行下列步驟。

1. 首先以孔底灌漿器將不收縮水泥灌到孔底。

2. 後馬上以捲揚機將地殼應變儀徐徐放入井中，訊號電纜線亦連應變計 放入井中。

3. 應變儀放置孔底定位後，完全沉入水泥之中。待不收縮水泥隔天硬 化。再以灌漿管伸至孔底，計算好數量之水泥漿灌入，將剩餘之空間 填滿至井口，即告完成。

4.裝設所有儀器之訊號線於觀測室中資料擷取器連接，將所有資料作一 系統整合，提供目前最先進之地殼應變計及相關資料之擷取電腦軟體 及硬體設備數據【14】。

2.5.7 壩頂經緯儀監測系統安裝

壩頂變位觀測設置之目的係用以量測壩面或結構物表面之沉陷及位 移量。其安裝步驟如下：

1.首先選擇不動點作為後視觀測基準點並於埋設水泥樁上置不繡鋼釘 以標示。

2.選擇欲觀測沉陷點或變位點作為前視觀測之固定點。

3.人工量測由監測人員攜帶經緯儀與水準儀測讀後視基準點歸零並照 準前視固定點，做一次倒鏡再照準前視以平差觀測值與初始觀測值比 對量測表面沉陷點(基樁)沉陷及位移量。亦可採自動方式量測，自動 量測則由設置之 ATS 系統及稜鏡以紅外線遙測方式量測，全自動三維 全測站可觀測地表測點 X、Y 方向的位移量，並配合傾斜管加裝覘標

以監測垂直變位。而位移沉陷檢測點觀測設置之目的原理及步驟均同 壩頂變位觀測方式藉以量測不穩定坡面或結構物表面觀測點之沉陷 及位移變化量。

2.5.8 水壓計安裝

水壓計安裝如下【21】（圖 2.5.7 及圖 2.5.8）：

1.於選定位置鑽掘直徑至少 8cm（1 支水壓計）之鑽孔，鑽孔壁必要時 以套管保護，並應鑽孔至預定埋設深度下約 40cm 處。

2.鑽孔完成後於孔底回填約 40cm 之潔淨砂料。

3.將水壓計放入孔中，使水壓計本體底部位於埋設深度處，再回填透水 砂料至水壓計頂部上方約 40cm 後，再回填厚約 100cm 之皂土。

4.以透水砂料或類同於該處土層之土壤回填其餘部分至地表面為止，

5.水壓計埋設完成後再作適當之防護措施。

圖 2.5.7 孔內標準水壓計安裝【6】

圖 2.5.8 孔內貫入式水壓計安裝【6】

2.5.9 土壓計安裝

按施工製造圖說所示尺寸及標高【5】

一.在已填築之壩體開挖電纜管線主溝及歧溝﹐管溝坡度宜平順﹐歧溝 應與主溝正交且溝底標高宜相同，並將土壓計及電纜管線裝置於歧 溝底。填築壩體心層之電纜管線主溝每隔 15 公尺設截水牆一處﹐其 牆厚至少 30 公分（牆高 60 公分）﹐嵌進溝底與溝側至少有 15 公分。

當電纜管線溝經過不同填料分區面時﹐截水牆應設於介面且沿溝方 向各設於不同填料至少有 60 公分厚。所有截水牆回填依下述(4)項 之規定辦理。

二.依施工圖將主溝及歧溝之電纜管線分層安裝。每條電纜管線每隔約 5 公尺間距用金屬標籤或塑膠標籤標示儀器編號以便識別，電纜管線需 疏鬆平舖於主溝，並有實長約 10﹪餘裕長度（經過濾層需有實長約 20﹪餘裕長度），且蛇形配管（線）不得折疊。

三.電纜管線豎管主要用於埋設於壩體不同標高之土壓計﹐其間電纜管 束應裝置在直徑約 50cm 之垂直豎管中心內﹐從水平管溝導進垂直豎 管之管束應有至少 60 公分彎曲半徑之迴環﹐在此變換段之導管不得 有張力產生且蛇形配管（線）不得折疊，豎管隨壩體填築升高逐漸 升高，最後再將其移除，豎管與電纜管線間隙裝填１比３之硼土砂，

並加夯實。豎管之外圍 100 公分徑環帶範圍之填築以手動夯實機特 殊夯實方式施工。

四.回填裝置土壓計電纜管之主歧溝，管溝之截水牆及主溝底部 30 公分 厚以１比３硼土和混凝土用砂之混合料回填；歧溝底部 30 公分厚以 該區填築材料小於４號篩之細料填築並予特殊夯實，其餘部份以該區 填築材料回填並特殊夯實達溝頂面。

五.每支土壓計安裝於不同深度靜水中或以呆重加壓進行檢測，如其精 度超過規定（±0.1%FS）必須更換。

第三章 榮華壩監測儀器現況

榮華壩主要工程結構物包括大壩、消能池、副壩、壩頂溢洪道、壩 身沖刷道、進水口、輸水隧道、沉砂池等設施，其監測儀器包括傾斜儀、

正擺線儀、岩盤伸縮儀、壩體應變計、無應力應變計、壩體及壩座量水 堰、地震儀及壩頂經緯儀系統等，其監測目的、頻率及儀器規格說明如 下【22】：

3.1傾斜儀

榮華壩如圖3.1.1，其上游舊崩坍地主要有5處，其中以#2號崩坍地規 模最大，針對該處進行地質鑽探調查時，裝設A1、A2及A3等三支傾斜 管位置如圖3.1.2，傾斜儀量測如圖3.1.3所示。

圖3.1.1榮華壩現況照片