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摘要

本論文之研究目的為探討河道之蜿蜒性質與堤防破壞處所之幾何 關係;調查2004 年夏季水災(七二水災),台中縣旱溪之堤防受損情 形。調查發現七二水災之洪水量大於計畫洪水量,且其估算掃流應力 為28.95kgf / m2~113.73kgf / m2,最大沖刷深Ds為 1.04m~2.51m,致堤 防多處發生破壞。整體而言,於橋樑之上、下游面,為易發生構造物 破壞之位置。所觀察之破壞位置在-21o<β<19o、-0.31<L /R<0.33 範 圍,β為蜿蜒坡峰點至破壞處之角度、L 為蜿蜒坡峰點至破壞處之長 度、R 為蜿蜒曲率半徑。

關鍵字: 洪災、護岸破壞位置、蜿蜒

(7)

Abstract

The study on the relationship between meandering properties and failure locations of levee is a purpose of this thesis. The disasters by the flood in July, 2004 in Han-Kei River were surveyed. It was found that the flood discharge was larger than design high water discharge Q100. And the maximum erosion depth Ds were 1.04m~2.51m . Hence, many failures of levee occurred during flood. The failures of levee tend to occur near at bridge. The failures of levee located at -21o<β<19o、 -0.31<L /R<0.33. Where the symbol β is an angle measured from the peak of meandering to the failure location and L is a length measured from the peak of meandering to the failure location. The symbol R is a radius of meandering.

Key words: Flood disaster, failure location of levee, meandering, Han-Kei River.

(8)

誌謝

由衷感謝恩師 楊朝平教授於治學態度及立身處世上的悉心教 誨,並於論文撰寫期間費心逐字斧正,於此敬上最誠摯的敬意及謝 意,求學期間,承蒙 李煜舲教授、 呂志宗教授、 林文欽教授、 邱 垂德教授等諸位師長,在學識上之傳授與教導,在此一併致上最高謝 意。

於論文研究期間,有賴先進陳禹助、林秀霞、許雄江、鍾承憲提 供許多寶貴意見及於生活瑣事之解惑,同窗好友育嘉、伯偉、翔鴻、

政昭、育箖、繼賢、名宏、銘峰、弘志、維凱、安琪、君平、宜興、

雪蘭課業上相互支持與鼓勵;學弟妹姿亘、逸泓、凱文、柏領之熱情 協助;另外要感謝思嘉、克塵、柱守、輝政、鴻源、信樺等好友,感 謝你們的鼓勵與支持,構逐我難忘的研究所生涯。

最後僅以本論文獻給最親愛的家人,感謝父親、母親的教育之 恩,您們賜予的無限關愛與包容,才讓我無後顧之憂圓滿的完成求學 夢想,在此致上我最深的謝意,於不及備載之好友們也一併獻上千萬 分感謝。

(9)

目 錄

摘要... I 英文摘要...II 誌謝...III 目 錄... IV 圖目錄...VIII 表目錄...X

第一章 緖論...1

1.1 研究背景...1

1.2 研究目的...2

1.3 論文架構...2

第二章 文獻回顧...5

2.1 河道特性分類...5

2.2 蜿蜒...6

2.3 河道整治原則...8

2.4 河道治理構造物...9

2.5 蜿蜒段構造物需要性之判斷...13

2.5.1 護岸需要性判斷...13

(10)

2.5.2 護岸、護坦工之範圍判斷...15

2.6 護岸之設計與施工要領...16

2.6.1 護岸設計資料...16

2.6.2 護岸設計一般注意事項...16

2.6.3 護岸設計施工要點...19

2.7 洪水形成原因...20

2.7.1 天然因素...20

2.7.2 人為因素...21

2.7.3 洪水的類型...23

2.8 防洪的方法...26

第三章 調查河道之河性概述...31

3.1 大里溪...31

3.2 旱溪...32

3.3 烏牛欄溪...34

第四章 河防構造物之安全性分析法...41

4.1 蜿蜒河段之選取與幾何性質計算...41

4.2 沖刷深估算法...42

4.3 基礎工與護坦工之設計...43

4.4 河道輸砂率估算法...44

(11)

4.5 流速估算法...44

4.6 流體力估算法...47

4.7 抗流體力之塊材粒徑分析法...50

第五章 河道特性與護岸安全性之分析結果...57

5.1 蜿蜒段之選取及其幾何性質...57

5.1.1 「松竹橋~金谿橋」之蜿蜒段幾何性質...57

5.1.2 「金谿橋~無名橋二」蜿蜒段之幾何性質...58

5.1.3 「三田橋~東陽橋」烏牛欄溪蜿蜒段之幾何性質....59

5.2 水理資料...59

5.2.1 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段之設計水理因子...60

5.2.2 「金谿橋~無名橋二」蜿蜒段之設計水理因子...63

5.2.3 「三田橋~東陽橋」蜿蜒段之設計水理因子...65

5.3 流速...66

5.4 構造物安全性分析...67

5.4.1 掃流應力...67

5.4.2 河道輸砂率...68

5.4.3 舖石、拋石之石材必要粒徑...69

5.4.4 沖刷深...69

第六章 七二水災堤防破壞之原因探討...79

(12)

6.1 堤防破壞處所...79

6.2 定義破壞點與曲率半徑之關係...80

6.3 「松竹橋~金谿橋」段之堤防破壞原因探討...85

6.4 「金谿橋~無名橋二」段之堤防破壞原因探討...93

6.5 「三田橋~東陽橋」堤防破壞之原因探討...98

第七章 結論與建議...101

7.1 結論...101

7.2 建議...102

參考文獻...103

(13)

圖目錄

圖2.1 河道整治斷面示意 ...29

圖2.2 堤防各部名稱 ...30

圖2.3 丁壩示意 ...30

圖3.1 大里溪流域概況圖 ...38

圖3.2 旱溪流域概況圖 ...39

圖3.3 「松竹橋~金谿橋」之代表粒徑分佈曲線(聚興橋)...40

圖3.4 「金谿橋~無名橋二」之代表粒徑分佈曲(南陽橋)...40

圖3.5 「三田橋~東陽橋」之代表粒徑分佈曲線(三田橋)...40

圖4.1 蜿蜒之幾何性質 ...55

圖4.2 河床掃流應力 ...55

圖4.3 塊體投影面積示意 ...56

圖5.1 「松竹橋~金谿橋」之蜿蜒段選取及堤防破壞處 ...77

圖5.2 「金谿橋~無名橋二」及「三田橋~東陽橋」之蜿蜒段選取及 堤防破壞處...78

圖6.1 表示破壞處位置角度β之定義 ...81

圖6.2 表示破壞處位置距離 L 之定義...81

圖6.3 破壞點 K1...85

(14)

圖6.4 破壞點 K2...86

圖6.5 破壞點 K3...87

圖6.6 破壞點 K4...88

圖6.7 破壞點 K5...89

圖6.8 破壞點 K6...90

圖6.9 破壞點 K7...91

圖6.10 破壞點 BH1...93

圖6.11 破壞點 BH2 ...94

圖6.13 破壞點 BH4...96

圖6.14 破壞點 BH5...97

圖6.16 破壞點 BH7...99

圖6.17 破壞點 BH8...100

(15)

表目錄

表2.1 河道特性區段分類及其特徵 ...29

表3.1 旱溪潭子鄉、豐原市段之主要地點計畫洪水位 ...35

表3.2 旱溪新建防洪工程設施一覽表 ...36

表3.3 分析河段之河床質粒徑分佈特性 ...37

表3.4 烏牛欄溪水理演算結果 ...37

表4.1 Manning 粗糙係數...51

表4.2 美國墾務局建議於緩坡降、直渠道河床質之容許平均流速 52 表4.3 裸(土)坡工法之容許平均流速流速 ...52

表4.4 估算代流速 ...53

表4.5 護岸材料之臨界掃流應力 ...54

表5.1 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段之幾何性質 ...71

表5.2 「金谿橋~無名橋二」及「三田橋~東陽橋」蜿蜒段之幾何性 質...71

表5.3 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段之設計水理資料 ...71

表5.4 「金谿橋~無名橋二」及「三田橋~東陽橋」蜿蜒段之設計水 理資料...72 表5.5 以七二水災實測水深估算洪水量及流速(「松竹橋~金谿橋」)

(16)

...72 表5.6 以七二水災實測水深估算洪水量及流速(「金谿橋~無名橋 二」、「三田橋~東陽橋」) ...73 表5.7 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段之τ 、τcqb值...73 表5.8 「金谿橋~無名橋二」及「三田橋~東陽橋」蜿蜒段之τ 、τc

qb值...74 表5.9 護岸材料之臨界掃流應力 ...74 表5.10 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段舖石、拋石之石材必要粒徑....75 表5.11 「松竹橋~金谿橋」及「三田橋~東陽橋」蜿蜒段舖石、拋石 之石材必要粒徑...75 表5.12 「松竹橋~金谿橋」蜿蜒段之沖刷深 ...76 表5.13 「金谿橋~無名橋二」及「三田橋~東陽橋」蜿蜒段之沖刷深 ...76 表6.1 破壞因子β與L /R值一覽...83 表6.2 影響破壞因子與破壞區位一覽表 ...84

(17)

第一章 緖論

1.1 研究背景

台灣位於亞熱帶區域,年平均雨量約 2500 公厘;雨量雖充沛,但 降雨時空分配不均,加上地形陡峻,河短流急,暴雨及颱風時易形成 洪水氾濫。因此,長久以來區域防洪安全即為政府施政之主要目標。

台灣地區相關溪流之整治,其規劃方向亦多以治水、利水為主要需求 機能。而忽略治水過程中對溪流生態的影響,導致河溪生態環境遭到 破壞。而生態工法基本上是遵循自然法則,以合乎自然生態環境的概 念,規劃治理工程。以減低治理工程中人工構造物對生態環境之衝 擊。其中溪流治理工程施工時,因河槽斷面範圍幾為全面開挖擾動,

因此,溪流治理工程規劃設計及施工過程之良窳,對溪流自然環境生 態之影響則益形重大。

自古以來,河流兩岸即為人類繁衍生息之所,故河流對人類的影 響極為深遠。由於長期受到流量、輸砂量、掃流應力、地形及地質條 件等因子的相互作用,因此產生了各種不同的河流型態。蜿蜒河川於 外岸側向侵蝕較為嚴重,常常導致河道之變遷。

一般而言,自然發展的河川多呈連續彎曲,事實上,筆直的河道 誠屬罕見。由於自然彎曲為河流本身具有之特性,因此對於該等現象 之研究,在河川治理上遂至為重要。

在此,通常藉由工程方法,如堤防、丁壩,以維持河道之穩定。

(18)

但是,若對侵蝕及蜿蜒之原因不了解.而任意以結構物來改變流路,

其結果可能無法達到穩定河道之效果,甚致釀成更大之災害。本文以 下列作為討論的要點:河川之幾何型態分析、水流之流況條件分析、

泥砂之平衡條件分析、河岸構造物條件分析、河道破壞與蜿蜒之關 係、政府大力推展的生態工法及目前甚少有在力學上作全面性的分 析。

1.2 研究目的

本研究是大里溪及支溪旱溪為研究區域,調查在 2004 年 6 月 30 日(七二水災)之河川地質、河床質、流速、力學性質及蜿蜒特性對河 道的影響,據以分析多樣化生態工法,及破壞處之行為作整體之討 論,進而了解現地破壞處與蜿蜒之關連聯性,以落實因地制宜,考量 生物棲息、就地取材、柔性材質之河川生態工法理念,期獲得河川及 生態資源永續發展。另一方面,因台灣為多都市河川之河性、河床質 雷同於本研究區,故本計畫之實績可供其他河川之設計參考,對落實 本土性河道工法之實務推動以達事半功倍之效,並供水利工作者之參 考。

1.3 論文架構

本文共分為七章。第一章為緒論,說明研究動機、目的及研究流 程;第二章為文獻回顧;第三章為大里溪、旱溪及烏牛欄溪之環境地質

(19)

及水理資料;第四章為河防構造物之安全性分析法;第五章為分河道 特性與護岸安全性之分析結果;第六章為七二水災堤防破壞之原因探 討; 第七章為結論與建議。

(20)

圖 1.1 研究項目與試驗流程 擬定研究主題

堤防破壞位置與蜿蜒性質之探討-台中縣旱溪 (動機研究、目的、區位等)

文獻蒐集資料收集

擬定研究分法

現況水理分析 現況河道

綜合評估 破壞處之討論

結論與建議

流速估算 流體估算 蜿蜒破壞估算 基礎工、護坦工設計 調查區位環境地質

河道特性

水理資料收集

(21)

第二章 文獻回顧

本章內容含河道特性分類、蜿蜒、河道整治原則、河道治理構造 物、蜿蜒段構造物需要性判斷、護岸之設計與施工要領、洪水形成原 因及防洪方法。

2.1 河道特性分類

河道特性為土砂分級作用之產物,具同一特性之河段其河床坡降 相近,河床質之粒徑大小、低水路寬、水深、粗糙性、沙洲發生型態 亦相近,甚至於洪水時之流速、掃流力、沖刷深也約同值,故可將具 相近河床坡降之河川範圍稱為「區段(segment)」。如此般,一旦將河 道區段分類,則可據以整理出河道特性共通點,並且可把經驗適用於 具同一區段分類之他河川處[Hickin,1995]。

欲把握河道特性除需蒐集航照圖、地形圖、河川平面圖、河川縱 斷面圖、河道橫斷面圖、河床質縱斷面分佈、河岸地質、沙洲型態、

河道變遷、既存構造物、洪水量、水深、流速、流況之外,尚需調查 災害案例、災害發生處、沖刷規模等,並參閱其復建工法及觀察現況 機能。有鑑於一蜿蜒波長約低水路寬的 10~15 倍,故建議以構造物 上、下游 15 倍河寬距離為河道特性之調查範圍。茲將日本建設省所 建議之區段分類與特徵示於表2.1,計分類成區段 M、區段 1、區段 2、

區段3 四類如表 2.1 所示[國土開發技術研究センタ一,1999;Rosgen, 1996]。

(22)

2.2 蜿蜒

蜿蜒除會發生於沖積平原之外,也會發生於河谷。發生於河谷處 之蜿蜒是因為河床隆起,河川為保持其線形流路而持續縱向侵蝕峽谷 所致。於沖積平原上的河川,會在曲線段產生不同旋轉方向的螺旋 流,因其掃流應力作用而形成砂礫州蜿蜒遂發達;於流水斷面小流量 少之小河川其蜿蜒範圍小,反之於大河川其蜿蜒範圍大[Daves and Short,1994]。

一安定河道會呈蜿蜒蛇行狀,若人為的違反自然蜿蜒法則,會使 水衝段移動而導致河岸或堤防潰損,亦會於河道內發生偏流而改變其 沖刷、淤積性質;使河道呈蜿蜒狀的主要原因是上游河道彎曲、沙洲、

水制工等[千田 禾念,1993]。

於河道蜿蜒處流心線偏向凹岸為主流,流速最大、沖刷力亦最 強,故凹岸之堤腳常遭沖刷之害。迨至河水減退水位下降,堤岸內積 水流出,凹岸上不懸璧為水流所推移漸塌陷,若土質疏鬆則加速崩 陷,凹岸恆為璧立之之狀;在凸岸泥砂易淤積成為坦坡;於兩段蜿蜒 間之直段,長為淺灘或淺槽,其橫斷面型態呈對稱,水流平均分布,

故兩岸長為坦坡。於凹岸處,為保護河岸宜修建丁壩或順壩。

因蜿蜒河道會降低洪水通水能力而伴隨氾濫危險性,如欲於蜿蜒 顯著河道段築高堤防,可能會引發內水不易排除、促進彎曲段的凸岸 淤積凹岸沖刷等不利情形,此時須考慮設截水路以截彎取直。截水路 雖有降低上游高水位之效果,也會因而提昇下游高水位,致上游掃流 力變大,河床被沖刷其土砂將淤積於下游,故截水路應具緩彎曲形勿 取直線另因水流有沿舊水路之趨勢,故需加強構造物之基礎工[楊朝 平,2004]。

(23)

治理計畫線所圍河道之曲率半徑變化應循正弦曲線形態蜿蜒,蜿 蜒之曲率半徑R過大近似直線,過小近於急灣,均使河道不易固定。

於蜿蜒段流心線偏向凹岸,流心線至凹岸的距離約為B/3~B/4,B為 水面寬B

蜿蜒段與河道穩定性相關性如下[中國土木水利工程學會,

1972]:

1. 若其R /B值小於10 則屬彎曲河段沖刷趨顯著,一般R /B值以 大於5 為宜。

2. 蜿蜒段之圓心角θ 愈大對河川水理影響小,愈有利於河道穩 定。

3. 圓心角為 60o時,對水理影響最大,甚不利於河道之穩定性。

4. 圓心角為 60o~130o時,水流呈強渦流。

5. 圓心角大於 130o時,水流呈等流狀態

另一方面,因彎曲河道對水位上升及泥砂之堆積無法避免,故須 擴大河寬,其擴幅率建議如下 [中國土木水利工程學會,1972]:

1. R /B>10、θ>60o時,需擴幅 10%。

2. R /B<10、θ>60o時,需擴幅 20%。

3. R /B>10、θ<60o時,需擴幅 20%。

4. R /B<10、θ<60o時,需擴幅 30%。

由上述得知,以河寬B 及曲率半徑 R 與蜿蜒特性關係如下為:

1. 流量大之河道,其蜿蜒顯著。

2. 河床坡降大之河道,其蜿蜒波長、振幅大。

3. 最初偏向流作用角度大之河道處,其蜿蜒規模大。

4. 輸砂量大之河道,其蜿蜒快速發達規模亦大。

(24)

5. 一蜿蜒波長約低水路寬的 10~15 倍。

能量坡降、滿岸流量、河床載亦為蜿蜒之主要影響因素,其可能 影響蜿蜒之模式如下[Beven and Kirkby ,1993]:

1. 坡降大處,蜿蜒長度大於河寬。

2. 坡降小處,蜿蜒曲率增大,蜿蜒長亦大。

3. 於支流入口下游,淤砂量比照增加,河寬大,蜿蜒長亦大。

4. 增加河床載使蜿蜒擴大,河槽加寬而淤。

5. 河道下游,如土質堅實不易沖刷則河床載減小,河槽狹而深。

2.3 河道整治原則

參閱圖 2.1,堤頂之堤外肩相連之線為堤防治理線,左右堤防治 理線之間距為行水區(或稱河寬),低水護岸肩部相連之線為低水路 治理線。此等治理線形乃欲使水流平順之曲線,為使河床穩定,其治 理線應順自然河性勿勉強修改,以避免增加工程費或水衝段的移動 [蕭慶章、程桂興, 1997]。

一、河道縱斷形狀

河床質、河床沖刷、漂砂淤積等乃是支配河道縱斷形狀之主要因 素,若河道處於靜態平衡與動態平衡之狀態則其縱斷形狀可維持不 變,其中靜態平衡是指河床質不被掃流之狀態,而動態平衡意指於各 斷面其漂砂量平衡之狀態。因自然河川皆存上游沖刷土砂下游淤積之 現象,故依動態平衡理論來推測河道縱斷形狀比較適宜。為求河道穩 定,計畫河床坡降應仿現存自然者;於坡降急變處應採取充份的距離 設計緩和區間,若設跌水工其高度通常在2m左右;另為使內水易排

(25)

除,在護岸機能許可範圍內應儘量降低計畫河床高。低水路與高灘地 之縱斷變化,亦應注意上下游之連續性[楊朝平,2003]。

二、河道橫斷形狀

河道之計畫橫斷形狀應綜合考慮河川規模、維護難易、用地等,

且充份參酌現況的穩定形狀。一般大流量、用地較寬者採複斷面;低 水路固定困難之急流河川、用地較窄之都市河川、小河等多採單斷 面。若為增加通水斷面者,以拓寬低水路,降低高灘地為宜;惟低水 路較寬時易成亂流發生土砂淤積,高灘地過低時僅有一點水超過即為 氾流高灘地。通常不將河寬縮小而以增加水深與流速來確保必要的通 水斷面積,因為水深、流速變大掃流力亦增大,河床易被沖刷其維護 更加困難,一般河道流速於中小河川以不大於 4m /s為宜[Daves and Short ,1994]。

2.4 河道治理構造物

河川之治理構造物含堤防、邊坡保護工、擋土工、護岸工、固床 工及丁壩等[台灣省水利局, 1968]。

一、堤防

圖2.2為堤防各部名稱,堤頂之堤外肩相連之線稱為堤防治理 線,於決定堤防治理線上需注意:

1. 流水斷面需夠大,俾使計畫高水位之流量能順暢通過。

2. 為期河道安定與確保堤防機能,應重視現有河道之河性。

3. 堤防治理線應順流水方向,曲率半徑儘量大。

(26)

4. 因曲線形河川的流路最安定,故堤防應為凹曲線、凸曲線交雜 之形狀。

5. 為保持流心線(最大水深之於縱向連線)具適當的深度,堤防治 理線的彎曲段長約為10~12 倍河寬最適宜。

6. 堤防治理線彎曲段流心線的最大水深與曲率半徑呈反比。

7. 於急流河川在河道彎曲水衝部,堤防治理線可採直線狀。

8. 堤防治理線儘量與低水路兩側等距離平行。

9. 儘量讓堤防治理線通過良質地盤。

10. 儘量利用舊堤或接山堤。

11. 於主支流合流處,宜讓其以小角度合流。

二、邊坡保護工

河岸常連接堤防或自然邊坡,對於邊坡過高、過陡或坡面裸露之 情況,降雨時之雨滴衝擊或地表逕流將會造成邊坡之破壞或侵蝕;另 需施行整體邊坡的抗滑動、抗滲流之安全性分析。

三、擋土工

當河岸邊坡坡度大時,應施築擋土結構。而為顧及河岸生態之考 量,其應表面具孔隙之重力式擋土結構,重力式擋土結構可避免大量 使用鋼筋混凝土,而可利用當地土體或材料,避免浪費人造資源,且 對整體環境衝擊較小。

四、河床拋石

為營造河槽水域形狀及水流變化時,於河床拋置塊石,因拋石對 流水之阻礙、引導及擾流,將造成溪水流況及溪床底質分佈型態變 化。因此,須注意拋石位置與河槽寬度之關係,拋石位置以不引導水

(27)

流沖蝕兩岸護岸為原則。為避免引導水流刷深溪床,導致護岸基腳裸 露,拋石位置距河岸應有適當之距離,或於岸基相對位置加拋塊石(排 石)補強保護[林鎮洋、邱逸文,2002]。

五、護岸工

護岸係保護河岸避免流水衝擊產生侵蝕之構造物;於河岸坡度較 大之陡坡,擋土牆表面之處理可算為護岸;或於河岸坡度較緩處,保 護河岸而直接構築於岸坡之構造物,以保護河岸及穩定坡腳。護岸之 構造型式、材料之選擇,應依水理特性,單用或兼用植物、木料、石 材等天然資材,以保護河岸,並運用筐、籠、拋石等材料以創造多樣 性之孔隙構造,以創造出適合植生、昆蟲、鳥類、魚類等生存之水邊 環境[林鎮洋、邱逸文,2002]。

六、固床工

固床工乃橫跨河道並固結於溪流兩岸的構造物(可為岩石、木 頭、土壤或其他物質),以提供河床一個堅固點,以抗拒沖蝕區的沖 蝕力,並減少上游能量坡降,避免溪床因水流之侵蝕、沖刷而設計之 溪床保護工,固床工之設置應避免工程結構體對上下游水體造成太大 之落差,其上下游水域單一水位差,應控制在四十公分以下為原則,

結構體表面並應儘量降低斜率並營造粗糙狀態,以避免阻斷水生動物 溯源遷徙之路徑。

溢流口下方水流沖積處,因束縮水流加快流速、水體含氧量較大 且為本流域上游沖激食物較多之地點,一般為成魚聚集覓食之地點。

相對位置下方可配合設置深潭,以營造較深之水域棲地,水面下之結 構體可配合營造巢穴提供水生動物棲息空間。相關構造如以塊石疊砌 時,應以自然型態佈設凹凸高低,以仿自然溪石錯落型式堆疊,堤體

(28)

並可營造曲折蜿蜒,以求型態及水體之變化,並求與自然之溪床景觀 融為一體。固床工一旦構成,除了可降低水流速度,減少河床及河岸 受侵蝕的程度之外,並使河岸也可受到穩固。其應用之範圍及效果如 下:

1. 當現有河床存有嚴重沖蝕現象時,固床工可穩定河床,作為復育 的初始工作。

2. 用來阻止水流淘刷河道。

3. 用來增加受到沖蝕的河床高度。

4. 在受到侵蝕作用溪流裡,藉由減少河岸高度,可增加河岸穩定性。

5. 在上游處形成的水池區可提高低流量的棲地水深。

6. 可能成為低流量時的遷移路障。

7. 如果上游處有大量沈積現象,會造成下游河道沖蝕。

8. 上游處的沈積現象會增加渠道彎曲的趨勢。

9. 選址在設計的過程中相當重要,其需考量土壤機制與地工技術。

10. 固床工需委託有經驗的水利工程師。

七、丁壩

丁壩為凸出於河岸的構造物,但並不完全橫跨河道,因河川水流 具側向沖刷作用,為了固定流路需設丁壩,或當保護堤防之護岸無法 充份防止沖刷時需輔以丁壩。丁壩乃為防止水流衝突保持水路、水 深、河寬之構造物,可將水流之方向由護岸轉向,並集流心於河川中 央,具固定流路、保護堤防、減小流速,促進土砂沉澱之效(見圖 2.3)。唯設置丁壩後將影響上下游段流水性質,因此工法適當時既經 濟且效果顯著,反之將來的維護困難甚造成其他災害,故應謹慎選擇 設置點與工法。古老的丁壩皆以木、石為材料,近代則為提高其耐久

(29)

性普遍改以異形塊為材料,其工法含樁丁壩、沉床丁壩、突堤丁壩、

蛇籠丁壩、框型丁壩、異形塊丁壩等。其應用之範圍及效果如下:

1. 應儘量設置在湍流的下游遠方處,以避免其所產生的迴水,影響 湍流的形成。

2. 尺寸的大小決定於所需的沖刷力。

3. 在不同的河岸可設置一系列的丁壩,以創造蜿蜒之河道及相關的 棲地多樣性(structuraldiversity)。

4. 岩石丁壩或填塞岩石的木構丁壩最為常見。

5. 適用於多樣性不足之物理性棲地的溪流,尤其是缺少穩定水池棲 地的溪流。

6. 在泥質底床的溪流裡,丁壩易因泥砂的沖蝕而沈陷或崩塌。因此,

在此地區的丁壩下,需構置一過濾層或地工織物(geoteXtiIe)。

2.5 蜿蜒段構造物需要性之判斷

河道內洪水作用於堤身發生危險損毀時,臨水面需施設保護工 法(護岸工、護堤工)。作用於護岸工、護堤工外力之抗衡,對其必要 性及優先施工區段(範圍)判定方法,流水外力對於安定且適度具有減 低流速效果之護坡工設計法[Yu Ma ,1995]。

2.5.1 護岸需要性判斷

原則上若不需要就不要設護岸,護岸的需要性可依(一)臨界掃流 應力(二)河岸受沖刷可能性,判釋之[楊朝平,2003]。

(30)

一、依臨界掃流應力判釋護岸需要性:

即依 (堤防坡面、堤腳、低水河岸)臨界掃流應力τc與其所掃流應 力τ 之抗衡關係而定。

1. 於單斷面河道臨水之堤防,若其堤防坡面之τc小於τ,應設堤防護 岸。

2. 臨寬廣高灘地之堤腳,若其τc小於溢流高灘水流之τ,應設高水護 岸。

3. 若河岸之τc皆小於τ ,應設低水護岸。

二、依河岸受沖刷可能性判釋護岸需要性

即區分出護岸需要性之等級,如下所述,屬一級區段建議要設置 護岸;屬二級區段不一定需要設置護岸,可配合高灘地(高於低水位之 行水區)利用或穩定低水路等處理之;屬三級區段幾乎不需要設置護 岸。

一級區段:一次暴雨流出會沖刷河岸,而可能損及堤防安全性之低水 河岸處。

二級區段:一次暴雨流出雖會沖刷河岸,但不至損及堤防安全性之低 水河岸處。

三級區段:暴雨流出幾乎不會發生沖刷之低水河岸處。

區分低水河岸受護岸保護的需要性,是以高灘地寬度主要判釋因 子,因為高灘地的存在可減小洪水流速,防止堤防直接被沖刷。於一 低水河岸,當因一次暴雨流出的最大沖刷寬大於現況高灘地寬度時,

即被判釋為一級區段。最大沖刷寬與河性、河槽斷面、土質等因子有 關不易估算,根據各河槽斷面及受災案例資料,發現最大沖刷寬約為

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低水路肩高 (低水路肩高=高灘地高度-低水路平均河床高度)的五倍;

亦即,高灘地寬度小於五倍高灘地高度之低水河岸將被判釋為一級區 段,建議要設置低水護岸。

2.5.2 護岸、護坦工之範圍判斷

高灘地寬廣之堤防段堤腳附近之堤身與高灘地侵蝕危險度高 時,判斷仍有護岸之需要性,另低水路河岸及鄰近水路之堤防其低水 路河岸之侵蝕能力與外力之大小作為判斷之根據通常河岸之耐侵蝕 力小於外力,故原則上低水流路河岸及鄰接低水流路堤防均施設護 岸,施工時並應注意其施工順序。

護坦工之需要性考慮如下,在洪水中局部刷深雖不致對護岸發生 損壞,但基礎工須設置於比預測刷深更深的位置。僅靠護岸工保護堤 防,在技術上或經濟上均感困難,在這種情況下即以考慮施設護坦工 為前提,而設計護岸工與護坦工。

依護岸工,護腳工之必要性高低順次施工。河道彎曲段之施工順 序考慮如下:彎曲段之河道堤線形,彎曲段之各位置相 2πs/L 表現,式 中S 為曲率最大點起之縱斷距離,L 為曲率最大之點至次曲率為最大 點距離之二倍,護岸工、護坦工優先施工於發生河岸侵蝕危險最高之 處[水資源局,2000]。

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2.6 護岸之設計與施工要領

2.6.1 護岸設計資料

下述資料應予調查,以為護岸設計之依據[水利處,1968]。

1. 河槽平面,縱斷面及橫斷面圖。

2. 水文資料、計畫洪水量、計晝洪水位、低水位及其流速等。

3. 河性及河床、高水位、低水位之坡降。

4. 河床安定調查,含砂礫移動狀況、淤砂量、最大沖刷深度與寬度、

河床平衡坡降、流路變動情形等。

5. 河槽現狀調查,含河寬、低水路寬、彎度、上下游已設河防構造 物及其相關性等。

6. 河床與河岸的土質及地質。

7. 河水化學性質,如酸、鹼性,有無工業廢水及污染情形。

8. 飄流物的多寡及種類。

9. 高莖作物,其他已設河防構造物或阻礙物及支流之合流等事項。

10. 河域動植物種類、習性調查。

11. 考慮河域的社會多功能性。

12. 同河性已設護岸設計圖之參考資料及其現況。

13. 其他相關文獻及設計資料。

2.6.2 護岸設計一般注意事項

以下說明於護岸設計的一般注意事項 [水利處,1968;高獺信忠,

1983]:

(33)

一、資料研討

如對河性、水流、沖刷、現地可利用材料、生態、已設構造物 效果等,均需詳加研究,以便採用適應河性、生態且最經濟的有效工 法。應循護岸佈置需要性判釋原則,來選定護岸施設地點。於護岸興 建後,應續觀察其保護河岸效果、影響水衝點變化、對生態環境的衝 擊等[林鎮洋、邱逸文,2003]。

二、經驗判斷

如其他河防構造物般,於護岸之設計上,經驗判斷往往較固定之 定理與公式更為重要。蓋因定理與公式多屬經驗式,除含特定之假定 與限制外,其係數多屬來自某地之實驗或經驗,不盡可能符合對象河 性。如國外文獻所列之曳引力、沖刷等公式之係數,在臺灣河川能否 採用,所以本研究在第四章說明水理的分析。此外,住處溫、熱帶島 國之臺灣,其河川生態迴異於大陸地域,更何況於臺灣島內每一條河 皆各有其特質性,故不宜照本抄襲。因此應多參考本島過去採用之工 法,觀察其效果,檢討失敗之原因,謀求改進之道,方能助益於護岸 設計工作[林鎮洋、邱逸文,2002]。

三、材料適應性

護岸材料需能抵禦水流之曳引力、揚力及河床沖刷,以就地取材 較為經濟。原則上,上游宜用耐流水衝擊之材料,下游之材料需富饒 性以適應河床變動。又水流變化情形、保護之久暫、地區重要性、水 質等,與採用之材料有關。另一方面,為兼顧親水、生態,護岸材料 宜多用自然材,若為混凝土製品應為多孔隙,並採用籠類、框類、地 工織物類之柔性擋土牆[林鎮洋、邱逸文,2003]。

(34)

四、護岸破壞原因

護岸設計首重安全性,其常見之破壞原因如下:

1. 由於基礎工伸入河床深度不足,或基礎工寬度不足,而在岸趾處 受水流沖刷毀壞。

2. 基礎工過輕或其構件間楔合、連結不佳,致被水流沖走。

3. 由於濾材不佳,滲水回流洗出坡後土層細料而崩壞。

4. 由於排水不佳,岸背積水增大水壓,土層強度減弱,致護岸移動。

5. 低水護岸之岸頂保護工不佳,溢流水回流沖刷岸背土層而毀損。

6. 因護坡工強度不足,遭水流、流木、流石等集中衝擊而毀損。

7. 材料缺柔性及有饒性或粗糙度不足,無法發揮摩擦力以禦流勢。

8. 材料銹蝕未修,因局部破損而擴大成全部毀損。

9. 因連結工或端工處理不當,致因被水捲起而毀壞。

10. 因偷工減料結構不佳或其他不可抗之災害。

護岸之破壞原因中尤以基礎部被淘空最常見,因多在水中補修較 困難,故對於基礎工、護坦工之設計應予特別重視。基礎工與護坦工 不宜固結,以免因基礎工下沉時拉扯護坡工。應處理好護岸之連結工 及端工,以免護坡工被水流捲起而發生端部破損。低水護岸應注意施 設岸頂保護工,以防溢流水回流之沖刷。護坡工之表面應具凹凸,以 增大粗糙度減殺流勢;若表面太平滑,將誘導水流增加流速而助長沖 刷力。整體而言,護岸應具撓性,使其能隨河床的變動而調整;對急 流河川之護岸其耐磨性甚重要;而耐久性則關係著護岸之基本壽命[林 鎮洋等人,2004]。

五、生態

因為水際是水域中植物繁生處,而為動物的覓食、棲息、產卵、

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避難處,故建於水際之「護岸」宛如動、植物的家。設計護岸時宜調 查對象河段之動、植物種類、習性,俾降低環境衝擊於最低[Manning, 1999]。

2.6.3 護岸設計施工要點

護岸之設計、施工要點為[水利處,1968]:

1. 原則上護岸係重點式的設於水衝部,唯於急流河川或都市區若其 堤防坡度為1:2(垂直:水平)較陡時,應施設於全堤防區。

2. 設置護岸時其水衝部份會向下移動,需具足夠的常度。

3. 於橋樑或閘門等構造物上下游,應佈置相當長度之護岸。

4. 護岸治理線應平順。

5. 為不使水流於高水位時沖刷堤防,低水護岸線應順流心線。

6. 與堰或固床工接頭之護岸應順堤線,以減少漩渦或死水域。

7. 護岸頂部高程應同計晝高水位。

8. 會起波浪處護岸應輔至堤頂。

9. 近河口附近容許越波時,護岸有必要覆蓋堤頂及堤內坡。

10. 低水護岸頂部高程應同高灘地,需設置混凝土緣等以防沖刷。

11. 護岸之上下游起迄點,應以蛇籠等柔性工法銜接。

12. 因水流沿護岸而流動,應設法增大護岸坡面粗糙度,以降低流速。

13. 堤防護岸的坡度原則上應同堤防斷面坡度,唯於石材鋪面的護岸 其坡度應緩於 1:1.5,而於水泥固結砌石鋪面的護岸,其坡度不宜 大於 1:1.5,唯當坡度越緩時其鋪石作業趨困難應注意。

14. 於瀝青混凝土鋪面護岸工,因需輾壓其坡度應緩於 1:2.0。

15. 於護岸旁之流速如太大,易衝傷坡面且會吸出背面土砂,應增加 護岸坡面粗糙度,如為混凝土鋪面可設棧或埋石等突出物,唯此

(36)

等突出物因易受流物衝擊而破損需注意其強度。

16. 於急流河川會因沖刷而河床下降,應設基礎工與護坦工。

17. 低 水 護 岸 的 基 礎 工 深 度 應 比 計 畫 河 床 低 , 於 中 小 河 川 為 50cm~100cm,於大河川為 100cm~150cm,特別是於急流河川其 基礎工應較深且全區設置。

18. 一般而言,護坦工之寬度(垂直護岸方向之長度)要求為 4.5~12m,

為使其具屈撓性至少應在3 塊以上;護坦工不宜太厚,以避免於前 方誘發渦流助長沖刷。

19. 護坦工施工時應與護腳工分離,才不會因護坦工之移動而損及護 腳工。

2.7 洪水形成原因

洪水發生的主要原因為暴雨,以及其他如泥砂量大、河道短促等 不利的自然條件,再如上許多人為因素之影響,就使得災害程度更加 的嚴重。故洪水的災害通常可以從「天災」加上「人禍」而得到結果,

不是單一因素造成的,茲將洪災的重要原因如下所示[水利局,1968]。

2.7.1 天然因素

一、過多的雨量

台灣為島嶼國家,每年五、六月的梅雨及六月至十月的颱風季,

通常帶來十分驚人的雨量。尤其每小時之雨量強度大,更是形成洪水

(37)

的主因。

二、能量坡降

台灣的集水區小及能量坡降大,且河道無法大量積蓄水量,上游 的溪水在短時間內便會流至下游,造成大量洪水一次在某一個斷出 現。

三、表面的土壤沖刷量大

台灣的集水區土壤脆弱,平均每年土壤沖蝕率為 2 至 20 公厘,

是中國黃河流域之 5 至 70 倍、美國密西西比河流域之 30 至 300 倍。

大量的泥砂隨著洪流而下,沈積在河道內,自然會影響河道排洪之能 力。

2.7.2 人為因素

一、與水爭地

許多大都市均沿著河川發展,往日河川的洪泛區(洪水來臨時會 淹沒的土地)被大量開墾利用,甚至蓋起大樓,與水爭地的結果,造 成的是洪水來臨時,即容易遭受洪患。許多窪地、濕地原本是儲存地 表逕流的地區,一旦被填平利用,洪水只好到處流竄,若防洪排水系 統做得不完善,即易造成嚴重之洪患。

二、都市化及集水區的開發

(38)

在某個地區一旦都市化,森林、草地會減少,代之而起的是柏油 馬路、不透水的人行道及停車場,使得大多數的降雨無法入滲到地 下,只好在都市地面流動,造成地面逕流量增如,引起水災的機會也 自然提高許多。都市化後,也使得水流在路面及雨水下水道內流速比 未開發前之林地、草地還快,增加了都市下游河川的洪峰,集流時間 變短,增加下游洪災機會。

同樣的道理,如果河川上游的集水區開發成農場、果園、社區、

高爾夫球場等,則會產生類似都市化的情形,下雨後的入滲水量將減 少,地表逕流量一旦增加,河川的洪峰便跟著提前到達。

三、水土保持之破壞

台灣的集水區上游有不少濫墾、濫伐及超限利用的情況,水土的 流失情況嚴重,泥砂產量也增加,使下游河川及排水道淤積,不利於 洪水之宣洩。社區、高爾夫球場的開發,若做好沈砂池、調洪池等水 土保持設施,雖然可以減少對下游的影響,但是真正治本的方法,仍 應保持集水區原有的林木覆蓋情況,不做開發利用,所謂「種樹救水 源」及保有「青山綠水」,即是這個道理。

集水區被破壞後,入滲並補充地下水的量將減少,在乾季不下雨 時,河川之基流量將顯著降低,影響水資源之利用。上游集水區若能 保持原貌,將有一個「活水源頭」,源遠而流長。

四、其他

人類因為與水爭地而居住於河邊或利用洪泛區、闢地開墾,故築 堤防以防洪水。

(39)

但是大雨來時,河川洪水位仍有可能比堤防還高,但這些土堤、

防洪牆均有一定的設計標準,能保護的程度畢竟有限,著碰上極端異 常的暴雨及洪水,仍會發生洪患,堤防一旦潰決,財產、生命的損失 往往比未築堤防還嚴重。

若溪流下游因為泥砂淤積嚴重,河床不斷升高,保護河川兩岸的 堤防也需跟著加高,但是堤防太高,洪水來時潰堤的機會就會增加,

對堤防內的農地、房舍造成莫大的威脅。

在都市地區,與水爭地的情況更為嚴重,因此都市外圍必須築起 高高的混凝土護岸堤防,而且都市雨水下水道收集的雨水也得依賴抽 水站才能排往河川。如在洪災時,一但防洪牆破壞或抽水站功能不 彰,其損失程度往往十分慘重。

都市的雨水下水道及抽水站等排水設施,因為都市的雨水下水道 容易淤積、沈陷,使功能喪失,導致淹水。另外,抽水站若操作不當 或維修不妥,也會導致水量沒有辨法排出,無法及時渲洩,而造成都 會區之積水現象。

2.7.3 洪水的類型

當一流域上游發生暴雨或高山冰雪融解時,則流域中各地的地面 逕流就會向下游河道出口集中。靠近下游河道出口處的逕流最先到達 出口處,於是河川水位開始上漲,這就是洪水的上漲時刻。隨後,流 域中遠處的逕流也到達下游出口處,這時河川水位達到最高,此名為 洪峰水位。再之後,洪水位開始下降。在暴雨停止後一段時間,水位

(40)

又再降回到上漲以前的狀態,這就是洪水消退了。根據降水因素的不 同,洪水大致有下列數種類型:

一、暴雨型洪水

在熱帶和溫帶地區,大多數洪水都是屬於這一種類型。小的集水 區因為面積小,河川蓄水能力小,因此一場暴雨就會造成一次洪峰,

而且是暴漲暴落。若流域面積大,支流多,則不同暴雨會在不同支流 形成多次洪峰,不同洪峰到達下游的時間也不同。再加上大流域中常 有湖泊或水庫調節蓄水,因此洪水次數通常較少,但是經歷的時間卻 比較長。

台灣河川短促,流域面積不大,且支流也少,故每逢暴雨自然會 產生洪峰。再加上台灣河川坡度陡,山坡地又大量開發,上游森林已 遭砍伐,下游氾濫平原及河床地又被大量用做都市建地,因而洪水問 題非常嚴重。

台灣因為位於北太平洋副熱帶季風區,水氣豐沛,所以是全球暴 雨最頻繁的地區之一。

台灣的暴雨紀錄大都很接近世界紀錄,其 90 中分鐘、2 小時及 3 小時的降雨量更是保持世界紀錄。

暴雨是造成洪水的根本原因。台灣的暴雨可分為三大類:即是氣 候性暴雨、對流性暴雨和地形性暴雨。每年五〜六月是梅雨鋒面滯留 台灣的時節,氣旋過境經常會有豪雨,形成水災。例如七十三年的「六 三水災」即是最佳例子。

每年七〜九月底是熱帶氣旋最活躍的季節,熱帶氣旋再發展即成 颱風。每年侵襲台灣的颱風平均為 3.2 個,幾乎每個颱風都會帶來豐

(41)

沛降雨,並造成洪水。七十一年的西仕颱風和七十八年的莎拉颱風及 九十三年的敏督利颱風(七二水災)都造成巨大災害。

對流性暴雨都發生在夏季,因為夏季輻射強、溫度高,空氣對流 旺盛,因此容易產生雷雨,造成短暫的洪水。高山地區的迎風面,因 為強迫水氣上升,所以雨量多而且降雨時間長,容易在下游造成洪 水。蘭陽平原多洪患和山區多雨有密切關係。

二、凌汎型洪水

在北半球中高緯度地區,許多河流是自南向北流。冬季時,北部 河段開始結冰,而南部尚在流水,這些向北流動的河川受到冰的阻 擋,因此水位升高,造成洪水,此名為「凌汎型」洪水。同樣,春季 時,南部河段解凍,而北部河段仍為冰雪封凍,故南部河段河水受阻,

又再升高水位,再造成凌汎型洪水。我國大陸北方多這種類型洪水,

如松花江下游地區。台灣地區並無此種類型洪水。

三、融雪(或冰)型洪水

在高緯度寒冷地區,冬季積雪(或冰)較厚,俟春季來臨,溫度 升高,各地積雪(或冰)乃同時大量融化,於是形成洪水。我國東北、

加拿大和蘇聯多此種類型洪水。

四、融雪融冰和暴雨混合型洪水

在美國西部地區,春季降雨量大,而且此時地面積雪也開始融 解,因此造成混合性的洪水。

根據以上所述,很明顯的可以看出台灣的洪水都是屬於暴雨型的 洪水,而且又以氣旋性的暴雨洪水最頻繁和最嚴重。

(42)

2.8 防洪的方法

防治洪水的方法有不少,但是一條河川其最經濟、最佳之防洪工 程,通常是以下各工程項目之組合,而非僅採用一項而已[水利局,

1968]。

一、堤防

在郊區,堤防大都為土堤,因為土堤需較多的地來興建,而郊區 地價較低,而且土堤容易綠化、較美觀。而在市區,由於土地昂貴,

且混凝土設施較堅固,所以以防洪牆為主。

從風險的角度來研究,興建堤防並不是一勞永逸的方法,原因是 堤防把水流聚集在縮小的河道內,會抬高洪水位,讓淹水的風險重新 分配至河道上下游其他地方。另一方面水流被約束在兩岸的堤防中 間,使水流速度加大,沖刷力增加,尤其在彎道的河岸更顯著,增加 了堤防被沖壞的機會。

二、水庫

水庫可預留某些空間儲存洪水,減少下游發生洪患的機會,以保 護城鎮、都市的安全。

從代價高昂的度角來研究,在台灣興建水庫的成本高昂,水庫容 量一般不大,何況水庫給水的功能與防洪衝突。對給水功能而言,水 庫平日需儘量蓄滿,以便旱季時放水供下游使用,所以沒有空間可以 儲洪,因此水庫不易有太大的防洪功能。例如石門水庫在雨季時(每

(43)

年 5 月至 10 月期間)就有部份防洪的功用,水庫最高蓄水位規定比 其它時間還低,以備儲洪水之用。

三、河道疏濬

河道疏濬工程包括浚渫河川或整理河川,以增加排洪的斷面面積 與排洪能力。

四、疏洪道

疏洪道(或稱分洪道)能夠使一部份洪水經由疏洪道排入本流下 游或排至其他流域,因此有分散洪水的效果。

五、都市排水設施

都市的排水設施包括雨水下水道和抽水站的設置,可迅速將都市 的地面逕流排走,減少路面、街道的積水。

在下游的影響和補救辦法都將都市的水排入河川之後,卻會使得 位於都市下游的河川流量增加,洪峰提前來臨。補救的方法例如,可 以設置調洪池(即蓄洪池),先將洪水暫存起來,過一段時間後再排 走。另外,也可以設法增加地面逕流下滲到地下的機會,減少雨水下 水道及河川的負擔。山坡地開發,也應設置蓄洪池,使下游的逕流不 會比未開發前還大,另外需再設置沈砂地,使沖蝕的泥沙不會往平地 移動而造成災害。

六、其他防洪方法

其他非工程手段來達到防洪效果的方法,包括洪水平原管制,管 制人為的開發活動,以及建立防洪預警、疏散制度,實施防洪保險制

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度等。其他像都市透水性路面的設置,綠地的保存,濕地、窪地的保 留也都是很好的方法。這些非工程上的防洪方法,其重要性並不亞於 工程上的方法,值得加強實施,以減少洪患損失。

台灣許多河川因為盜採砂石而使河床被刷深、河道改變,除了橋 樑的安全受到威脅外,堤防也受到沖蝕的影響。許多鄉鎮把垃圾、廢 土往河床上任意棄置,減少河道排洪能力,增加水患機會,因此也應 該嚴禁盜採砂石及傾倒廢土。

(45)

表 2.1 河道特性區段分類及其特徵[國土開發技術研究センタ一,

1999]

項 目

區段 M

(山地)

區段1

(扇狀地、谷 底平原)

區段 2

(谷底平原、自 然堤、三角州)

區段 3

(三角州)

河床質代 表粒徑dR

(mm)

多樣 >20 3~30 <3

河岸地質

河床河岸多 岩石裸露

同河床質、表 層為沙、泥土

細沙、泥土、粘 土之混合物;下 層同河床質

泥土、粘土之 混合物

河床坡降 多樣 1/60~1/400 1/400~1/5000 <1/5000 蜿蜒規模 多樣 少彎曲 蜿蜒規模大 蜿蜒規模或

大或小 沖刷程度 非常大 非常大 普通、dR大者流

心線不穩定

小、流心線穩 定

低水路平

均水深(m) 多樣 0.5~3 2~8 3~8

dR:於河床質之粒徑分佈曲線上對應於累積百分比60%之粒徑

圖 2.1 河道整治斷面示意[經濟部水資源局, 2000]

(46)

圖 2.2 堤防各部名稱[蕭慶章、程桂興,1997]

(a) 丁壩之配置

(b) 丁壩之機能

圖 2.3 丁壩示意[高瀨信忠,1983]

(47)

第三章 調查河道之河性概述

本章主要說明大里溪支流旱溪之河道特性及基本的水理(流域面 積、流域長河床平均坡降及河床質)資料,敘述其河道的特性。

3.1 大里溪

旱溪屬於大里溪水系,而大里溪為烏溪中游之一大支流。大里 溪流域東起大橫屏山山麓,南迄乾溪流域,西以烏溪為界,北繞豐原 市,流域面積400.7km2,平地面積約佔二分之一強,山區地形坡降地 形約1/60,平地地形坡降約1/320[台灣省水利局,1989;經濟部水利 署第三河川局,2004 ]。見圖3.1,其主要分歧水源有

大坑溪:流域面積32.5km2、流域長15.8km、河床平均坡降1/80。

廓于溪:流域長11.5km、河床平均坡降 1/50。

旱溪:流域面積121.5km2、流域長33.5km

頭汴坑溪:流域面積96.48km2、流域長22.3km、河床平均坡降1/110。

草湖溪:流域面積47.8km2、流長14.9km公里、河床平均坡降1/90。

乾溪:流域面積29.8km2、流域長15.0km、河床平均坡降1/70。

上述各分岐水源分別注入台中盆地,先後入大里溪後,西流至台 中縣烏日鄉而入烏溪。此流域之年平均雨量約1,900公厘,年平均逕 流量於大里溪幹流溪南橋站約四億八千萬立方公尺,河川用水以農業 為主,近年來灌溉面積正逐年減少,故全區總灌溉面積增加之可能性

(48)

不大。由於台中市及其近郊部分衛星鄉鎮近年來工商業發展迅速,人 口不斷增加,故迫切需要增加供水的標的將為工業用水及公共給水。

大里溪各支流均源短流急,蜿蜒曲折,平地區域河幅寬狹不一,

部分河段且無固定河槽,每遇洪水,常致遍地亂流氾濫成災。近年,

更因台中地區人口劇增發展過於迅速,難以配合都市建設發展趨勢而 擬定防洪排水全盤計畫,原有田野自然排水系統或河川行水區域甚多 被侵佔利用或破壞,洪災潛在威脅日益嚴重。其基本計畫原則為兼治 山洪與平地排水,除導山洪於大里溪幹流直達烏溪,減輕各支流洪水 負荷外;並整治平地區域河川之分岐亂流,以利平地排水並免洪水氾 濫。為配合都市發展、土地利用及現有堤防,計畫以束洪、導洪並用,

兩岸築堤,並配合河道整理、局部截彎取直及支流改道等方式施行。

3.2 旱溪

旱溪為大里溪水系最長之水源,發源於大橫屏山山脈之觀音山番 社嶺,標高 620m,流域長 33.5km、流域面積 121.48km2,河床平均 坡降於山地為 1/60、平地為 1/190,年平均逕流量於旱溪自治橋約三 億五千萬立方公尺。該溪由發源地向西北流至上南坑附近,出山口後 而入台中盆地,再折向西行至鐮村里附近,溪道被利用為八寶灌溉圳 引水道。繼南行與縱貫山線鐵路平行,此段河幅廣狹不一,流路變遷 無恒,至台中市東門橋附近又改西南行,右納豐原、潭子與台中市都 排水後,再下行至烏日附近,匯入大里溪幹流入烏溪。

旱溪中下游環繞台中市東南部,因河幅寬狹不一、流路變遷不 定,對台中市之發展影響頗大,而計畫於東門橋下游現有東門堤防附

(49)

近開闢一條新河道長約900m,將旱溪中上游之洪水導入大里溪。旱 溪 上 游 舊 社 橋 附 近 , 擬 配 合 台 中 市 都 市 計 畫 予 以 截 彎 取 直 長 約 500m。其上游自金谿橋至南陽橋河段,將採用豐原市都市計畫劃設 之河道用地,現有堤防高度大部分均不足。

旱溪上游段自豐田堤防至南陽橋位於台中縣豐原市都市計畫範 圍內,台中縣政府於都市計畫通盤檢討時,需將計畫道路用地改為計 畫道路兼堤防用地。表3.1為各主要地點計畫洪水位;擬新建防洪工 程及現有堤防加高加強工程內容列如表3.2。

本研究之主要調查區段為潭子鄉、豐原市轄區之松竹橋~中正公 園(無名橋二)段。旱溪計畫洪水量採用100年頻率洪峰流量,其畫 洪水量於松竹橋~聚興橋段為1060cms、聚興橋~金谿橋段為710cms、 金谿橋~南陽橋段為368cms、南陽橋~無名橋二段為186cms。圖3.2為 松竹橋~金谿橋段的代表粒徑分佈曲線,其對應於過篩百分比10%之 粒徑D10為12mm、對應於過篩百分比50%之粒徑D50為93.4mm、對應 於過篩百分比60%之粒徑D60為127.2mm、均勻係數Cu(=D60÷D10)為 10.6。圖3.3為金谿橋~無名橋二段的代表粒徑分佈曲線,其D10為 11.0mmD50為118.7mmD60為149.4mmCu為13.6。

生態型工法乃是以「就地取材」為大原則,且河床質之沖淤現象 亦取決於粒徑大小,故調查河床質之粒徑分布至為重要。該河段之河 床質粒徑分佈曲線如圖3.2、圖 3.3 及圖 3.4 整理如下表 3.3。

河床質依其流域地質、河床坡降而異,於上游多岩石(粒徑 D 大 於 25cm)、卵石(6cm<D<25cm),於中游多礫石(0.5cm<D<6cm)、

砂(0.0074cm<D<0.5cm),於下游多砂及粉粘土(D<0.0074cm)。

(50)

3.3 烏牛欄溪

烏牛欄溪為普通河川,位於旱溪水系之東北方,自東南向西北 流,於豐原市之東南方金谿橋上游 100m處匯入旱溪,流域面積約 6.7km2、長度約 6.0km、河道之平均坡降為 1/46。本研究之主要調查 區段為豐原市轄區之三田橋~東陽橋段。計畫洪水量採 25 年頻率洪水 量,於旱溪匯流口處為153cms,其水理演算結果示於表 3.4[台灣省水 利局,1989]。

烏牛欄溪之集水區大部份屬上新世地層,即由頁岩沉積物組成或 由砂岩,粉砂岩、泥岩和頁岩互層組成。由地形圖觀之,東陽橋以上 皆山谷地形,河道幅地狹小,流速湍急,河道切割地表形成單一主深 槽,流路變遷不大。河床質皆屬粗粒卵石及塊石河床,圖3.4為其河 床質之代表粒徑分佈曲線,其D10為13.0mmD50為68.0mmD60為 105.0mmCu為8.1。

(51)

表 3.1 旱溪潭子鄉、豐原市段之主要地點計畫洪水位 溪 別 位 置 自河口起距離

(km)

計畫洪水位標高 (m)

松竹橋舊 社 橋 6.85 135.03

聚 興 橋 9.97 165.71

嘉 新 橋 11.57 179.56

金 谿 橋 14.12 204.28

朝 陽 橋 14.59 208.92

旱 溪

南 陽 橋 15.21 216.52

(52)

表 3.2 旱溪新建防洪工程設施一覽表 溪

岸 別

號 工 程 名 稱 長度(m)

19 東新堤防 968

21 旱溪堤防 1,400 23 新光堤防 2,490 25 水景堤防 1,000 27 九甲寮堤防 1,454 29 聚興堤防 1,908 31 新田堤防 2,252 33 鎌村堤防 1,032 左 岸

35 朝陽堤防 1,072 20 東門堤防 1,488 22 北屯堤防 2,698

24 倡和堤防 532

26 舊社堤防 2,602 28 舊 堤防 1,490 旱 溪

右 岸

30 馬嗚埔堤防 468

(53)

表 3.3 分析河段之河床質粒徑分佈特性 項目 旱溪「松竹橋~

金谿橋」 旱溪「金谿橋~無

名橋二」 旱溪「三田橋~

東陽橋」

d10(mm) 11 12 13

d50(mm) 118.7 93.35 68 d60(mm) 149.4 127.2 105 均勻係數

C u 13.58 10.60 8.08

表 3.4 烏牛欄溪水理演算結果 橋樑現況 橋樑名稱 河道

斷面 數

計畫 河寬

計畫 洪水 位

計畫 堤頂

高 橋長 樑底標 高

橋墩寬

三田橋 3 24 210.62 211.62 23.0 210.75 1.2*1.0

東陽橋 6 24 219.80 220.80 25.0 224.23

(54)

圖 3.1 大里溪流域概況圖

(55)

圖 3.2 旱溪流域概況圖

(56)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 10

100

1000 Particle diameter (mm)

Percent finer (%)

Jiu-shing Bridge

圖 3.3 「松竹橋~金谿橋」之代表粒徑分佈曲線(聚興橋)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 10

100

1000 Particle diameter (mm)

Percent finer (%)

Nan-yonug Bridge

圖 3.4 「金谿橋~無名橋二」之代表粒徑分佈曲(南陽橋)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 10

100

1000 Particle diameter (mm)

Percent finer (%)

San- tiau Bridge

圖 3.5 「三田橋~東陽橋」之代表粒徑分佈曲線(三田橋)

(57)

第四章 河防構造物之安全性分析法

於本章之分析方法說明含蜿蜒河段之幾何性質計算、沖刷深估算 法、基礎工與護坦工之設計法、河道輸砂率估算法、流速估算法、流 體力估算法、抗流體力之塊材粒徑分析法,七大項。

4.1 蜿蜒河段之選取與幾何性質計算

治理計畫線所圍河道之曲率半徑R變化應循正弦曲線形態蜿 蜒,蜿蜒之曲率半徑R過大近似直線,過小近於急灣,均使河道不易 固定。蜿蜒段之圓心角θ 愈大對河川水理影響小,愈有利於河道穩 定。曲率半徑與圓心角為分析河道一個重要指標[王永珍、梁昇,

2003]。單位河段亦可定義為波峰與波隆間、波谷與波谷間及反曲點 至反曲點,起迄點除依上述三種原則外,另應儘量選擇靠近己測設完 成之斷面。

河道蜿蜒段之曲率半徑求法如以下三點所示[黃進坤,劉長齡,

1997]:

1. 河川沿下游往上游以圖 4.1(a)依其流路路徑逐一選取各弧,但流路 角度呈直角或銳角轉彎而非圓弧狀時則略過不取,以免誤差過 大,影響分析之準確性。

2. 以量角器逐一量測各圓弧之左右兩切線之夾角及以比例尺量取切 線長,再依 r=p*tan(θ/2),其中 r 為該弧之曲率半徑,p 為切線長,

(58)

θ為兩切線夾角。

3. 流路呈不規則狀時以流心為準取弧。

4. 上述曲率半徑R製作原則如圖4.1(b)所示。

4.2 沖刷深估算法

河道彎曲部之凹岸或水衝部份於洪水時亦會發生局部沖刷而使 其河床高程大為降低,臺灣多數護岸、堤防之損毀乃肇因於此類局部 沖刷,故於護岸、堤防設計上需預測洪水時之最大沖刷深;預測最大 沖刷深Ds之方法如式(4.1)[水利局,1968;Yalin et al., 1999]。

Ds=χ ( )1/3 f

Q ( ft) (4.1)

Q:計畫洪水量(

s

ft3 ); f =1.76 dR(mm):淤積係數 於河道彎曲處:χ=0.71~0.82

於橋址下游:χ=1.9 於橋墩周圍:χ=0.95 於大半徑導岸鼻端:χ=1.3

於指向上游之直丁壩附近、其首端具陡坡者(1.5:1)χ=1.8 於指向上游之直丁壩附近、其首端具長坡者(20:1)χ=1.3 於沿岸之丁壩:χ=0.81~1.8

(59)

4.3 基礎工與護坦工之設計

在河川防洪或低水治理工事中,常見之治洪方法有蓄滯洪、導洪 與禦洪,而築堤防護岸是用於防禦洪水,導水路之興築即為低水治理 的基本理念。因此,堤防與護岸係用於防禦洪水之主要構造物,其安 全性設計為最重要訴求,要能承受河川水力之靜力與水動力之沖擊作 用,但經濟性亦須考量(減少浪費),有效性(指壽命及適用性)更不可 或缺。至於必須使用鋼筋混凝土或混凝土坡面之情況下,可再考慮外 覆柔性或饒性材料或覆土植生,以維護生態需求。一般防洪構造物以 臨水面而言,可分為、基礎、及護床兩者,其主要考量原則如下 [Das,1998]:

一、基礎工

主要用在增大堤身之安全性,延長滲透線,降低水力坡降,然而 一般基腳工未能完全在最低河床標高之下,易受沖刷,因此要用耐久 耐磨、富撓屈性之工法為宜,一般考量「有鋼筋混凝土」及「混凝土 背砌塊石」兩工法,而且要有護坦工配合[王傳益等人,2003;Koerner, 1997]。

二、護坦工

若堤身護坡工為個體性者,則不必要有護坦工之設計,惟現今一 般之護坦工多為整體性者,故有必要設計護坦工,以將堤本身之作用 力傳到送土壤中,並可以加長流線,減少滲透性水壓及上舉力。一般 堤身基腳及均無法全部在最低河床下,故必須加設護坦工,以保護並 安定基腳及堤身,以使其免於受河水之沖刷而變形及破壞[王傳益等

(60)

人,2003;Koerner, 1997]。

4.4 河道輸砂率估算法

若τ >τc則河床質開始移動,影響河道輸砂率之因素頗多,如砂 礫源、含砂量、河道幾何因素(水深、河寬、斷面形狀、平面形狀等)

及水理因素(坡降、水力半徑、流量、流速、流況)等,至為複雜。

Rouse 所建議單位寬度輸砂率qb估算式為式(4.2) [Parker, 1990]:

3010 50( )

3

mm qb d

= ⋅ τ (m sec/3/ m) (4.2)

4.5 流速估算法

本節所言之流速分平均流速Vm、代表流速Vo及接近流速Vd三種,

而為估算VoVd須先求得Vm。河道任一斷面的流速分佈因其斷面形 狀、邊界粗糙性、坡降、水深等而異。流速於橫斷方向兩岸低於中流;

於垂直方向的流速分佈,河面河底低於河心,在 0.2H(H:水深)處 最大,平均流速出現在 0.6H 處。一般設計上,平均流速Vm意指近堤 外坡腳處(高水護岸設計)或低水河槽斷面(低水、堤防護岸設計)

之平均流速,此處茲以水理分析所得之平均流速為Vm[經濟部水利署,

2004]。

(61)

一、設計水深Hd

探討水理性力學物理量的首要工作是釐定式(4.3)之設計水深 Hd ,再據此估算流速、流體力等(參閱圖2.1)。

Hd = H.W.L.-Z (m) (4.3) H.W.L. = 計畫洪水位高程

a.於高水護岸之設計:

Z=近堤外坡腳之高灘地高程 b.於岸頂工設計:

Z=近低水路肩之高灘地高程 c.於低水護岸、堤防護岸之設計:

Z=低水路的現況平均河床高程或計畫平均河床高程兩者中較小者。

二、平均流速Vm

為估算流水力需先求得平均流速Vm,再據以計算代表流速和接近 流速。河渠任一斷面的流速分佈因其斷面形狀、邊界粗糙性、坡降、

水深等而異。流速於橫斷方向兩岸低於中流;於垂直方向的流速分 佈,河面河底低於河心,在0.2H(H:水深)處最大,平均流速出現 在 0.6H 處。一般設計上,平均流速Vm意指近堤外坡腳處(高水護岸 設計)或低水河槽斷面(低水、堤防護岸設計)之平均流速。於明渠 之平均流速可直接量測、將計畫洪水量除以通水面積求得或依愛爾蘭 工程師Robert Manning(1889)氏所提之式(4.4)計算[中國土木水利工 程學會,1972]。

參考文獻

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