15 cm < d

摘要

砌石雖為生態型構造物之主要工法，惟其尺寸性質仍有待調查，

故本文實測不同粒徑卵石之尺寸、單位重及其構造物之單位重、孔隙 率，並建議卵石之投影面積估算公式，以利工程設計參考及後續相關 於卵石力學分析用。

根據試驗結果，於

15 cm < d

₁

< 34 cm

卵石組之(

d

₁

/ d

₂)=1.2~1.8，於

cm d

cm 74

35 <

₁

<

卵石組之(

d

₁

/ d

₂)=1.2~2.0（

d

1：長徑、

d

₂：短徑）。建 議卵石體積

V

_c之估算式為

V

_c

= 0 . 0192 ⋅ ( d

₁

+ d

₂

+ d

₃

)

³

+ 228

，卵石之平均單 位重為 25.04

kN / m

³。卵石牆平均單位重為

^{14 . 15 kN / m}

³、平均孔隙率為 0.378，石籠平均單位重為

^{13 . 61 kN / m}

³、平均孔隙率為 0.384；並建議 了九個卵石投影面積之估算公式。

關鍵詞：生態工法、卵石、砌石構造物、物理性質

Abstract

To the cobble breast method, its dimension and the property still wait to investigate. So the study is going to investigate the dimension and unit weight of the cobbles and the unit weight and porosity of its structure.

And also suggest every computation of its dimensions and property.

The study concludes the following results:

(1) The dimension of cobbles between 15cm and 34cm, its

2 1

/ d

d

=1.2~1.8.

(2) The dimension of cobbles between 35cm and 74cm, its

2 1

/ d

d

=1.2~2.0.

(3) About the volume computation, the equation is

228

) (

0192 .

0 ⋅

₁

+

₂

+

₃ ³

+

= d d d

V

_c .

(4) The unit weight and the porosity of the cobble breast wall are

/

3

15 .

14 kN m

and 0.378.

(5) The unit weight and the porosity of the gabion are

13 . 61 kN / m

³ and 0.384.

(6) To propose nine estimates equations for the projection of cobbles.

Key Words：ecological engineering, cobble , structure of rock breast , property of physical

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 吳淵洵教授、 李煜舲教授、 呂志宗教授等諸 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，有賴先進金亦龍、尤文祥提供許多寶貴意見及 於生活瑣事之解惑，同窗好友國森、銘祥、瑜萱、佳琪、晏誌、振華、

聖彥、羿安在課業上相互支持與鼓勵；學弟妹嘉財、雪蘭、政昭、安 琪、伯偉、育嘉、銘峰、君平、翔鴻、宜興、繼賢、弘志、名宏、育 箖之熱情協助，特別是嘉財、育嘉、翔鴻、銘峰、繼賢、名宏於實驗 上對我的幫助尤多。另外要感謝建榮、宗賢、鴻楷、東有等好友，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。

目 錄

中文摘要………I 英文摘要………...II 誌謝………..…III 目錄………...………...IV 圖目錄……….………VII 表目錄………...…....X

第一章 緒論...1

1.1 研究背景與目的...1

1.2 研究方法...1

1.3 論文架構...2

第二章 文獻回顧 ...4

2.1 生態工法...4

2.1.1 生態工法之定義：...4

2.1.2 生態工法執行原則...5

2.1.3 生態工法設計原則...6

2.1.4 單元構造...7

2.2 砌石...8

2.2.1 石材...9

2.2.2 卵石力學行為...12

2.2.3 砌石牆...14

2.2.4 石籠...15

2.3 河道特性...16

2.4 河道設計條件...19

2.4.1 流速...19

2.4.2 沖刷...24

2.4.3 外力與壓力...25

2.5 構造物之安全性分析 ...33

第三章 試驗方法 ...38

3.1 取樣...38

3.2 卵石物理性質之試驗方法 ...39

3.2.1 卵石粒徑之試驗方法...39

3.2.2 卵石體積之試驗方法...40

3.2.3 卵石單位重之試驗方法...43

3.2.4 卵石面積之試驗方法...44

3.3 卵石構造物之物理性質試驗方法 ...47

3.3.1 卵石牆單位重之試驗方法...47

3.3.2 石籠單位重之試驗方法...48

3.3.3 卵石牆孔隙率之試驗方法...50

3.3.4 石籠孔隙率之試驗方法...52

第四章 卵石物理性質 ...54

4.1 卵石粒徑...54

4.2 卵石體積...78

4.3 卵石單位重...84

4.4 卵石面積...86

第五章 卵石構造物之物理性質 ...95

5.1 單位重...95

5.1.1 卵石牆單位重...95

5.1.2 石籠單位重...98

5.2 孔隙率...100

5.2.1 卵石牆孔隙率...100

5.2.2 石籠孔隙率...102

第六章 結論與建議 ...104

6.1 結論...104

6.2 建議...105

參考文獻...106

圖目錄

圖 1.1 研究項目與試驗流程 ...3

圖 2.1 卵石置於水中受衝擊之力學行為[Voropayev et al., 2001] ...13

圖 2.2 砌石牆示意圖為……….15

圖 2.3 堤防設施……….17

圖 2.4 塊體投影面積示意 ...29

圖 2.5 靜止狀態之土壓力，水壓力分佈……….31

圖 2.6 作用於護坡工塊體諸力示意 ...32

圖 2.7 作用於擋土型護岸諸力示意 ...33

圖 2.8 捲起破壞模式之力矩平衡示意 ...35

圖 3.1 試驗用卵石 ...38

圖 3.2 定義卵石粒徑示意圖 ...39

圖 3.3 量測卵石粒徑 ...40

圖 3.4 乾砌卵石固床工 ...42

圖 3.5 乾砌卵石堰 ...42

圖 3.6 卵石體積之量測 ...42

圖 3.7 以電子秤測卵石重量 ...43

圖 3.8 作用於水中卵石諸力及其作用面 ...45

圖 3.9 卵石三向投影面積之量測 ...46

圖 3.10 卵石牆物理性質試驗情形（含單位重試驗、孔隙率試驗）….46 圖 3.11 石籠物理性質試驗情形（含單位重試驗、孔隙率試驗）…….51

圖 3.12 求卵石牆孔隙率之試驗情形 ...51

圖 3.13 求石籠孔隙率之試驗情形 ...53

圖 4.1

^{15 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...67

圖 4.2

^{25 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...67

圖 4.3

^{35 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...67

圖 4.4

^{45 cm < d}

¹

^{< 54 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...68

圖 4.5

^{55 cm < d}

¹

^{< 64 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...68

圖 4.6

^{65 cm < d}

¹

^{< 74 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

²)值分佈 ...68

圖 4.7

^{15 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈...70

圖 4.8

^{25 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈 ...70

圖 4.9

^{35 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈 ...70

圖 4.10

^{45 cm < d}

¹

^{< 54 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈 ...71

圖 4.11

^{55 cm < d}

¹

^{< 64 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈 ...71

圖 4.12

^{65 cm < d}

¹

^{< 74 cm}

卵石組之(

^d

¹

^{/ d}

³)值分佈 ...71

圖 4.13

^{15 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...73

圖 4.14

^{25 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...73

圖 4.15

^{35 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...73

圖 4.16

^{45 cm < d}

¹

^{< 54 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...74

圖 4.17

^{55 cm < d}

¹

^{< 64 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...74

圖 4.18

^{65 cm < d}

¹

^{< 74 cm}

卵石組之(

^d

²

^{/ d}

³)值分佈 ...74

圖 4.19 平均(

^d

¹

^{/ d}

²)值與

^d

¹之關係...77

圖 4.20 平均(

^d

¹

^{/ d}

³)值與

^d

¹之關係 ...77

圖 4.21 平均(

d

₂

/ d

₃)值與

d

₁之關係……….77

圖 4.22 卵石之實測體積與其他估算體積之差異性 ...82

圖 4.23 卵石之實測體積與兩種(圓體、長方體)估算體積之差異性….. ...82

圖 4.24 式(4.1)之估算體積與實測體積間之線性廻歸關係 ...83

圖 4.25 式(4.2)之估算體積與實測體積間之線性廻歸關係 ...83

圖 4.26 式(4.5)之估算體積與實測體積間關係...83

圖 4.27

^γ

^cob之值域...84

圖 4.28

^A

¹與(

^d

²

^{× d}

³)值之關係（

^{18 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

） ...91

圖 4.29

^A

²與(

^d

¹

^{× d}

³)值之關係（

^{18 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

）...91

圖 4.30

^A

³與(

^d

¹

^{× d}

²)值之關係（

^{18 cm < d}

¹

^{< 24 cm}

） ...92

圖 4.31

^A

¹與(

^d

²

^{× d}

³)值之關係（

^{27 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

） ...92

圖 4.32

^A

²與(

^d

¹

^{× d}

³)值之關係（

^{27 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

） ...92

圖 4.33

^A

³與(

^d

¹

^{× d}

²)值之關係（

^{27 cm < d}

¹

^{< 34 cm}

）………..….93

圖 4.34

^A

¹與(

^d

²

^{× d}

³)值之關係（

^{36 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

） ...93

圖 4.35

^A

²與(

^d

¹

^{× d}

³)值之關係（

^{36 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

） ...93

圖 4.36

^A

³與(

^d

¹

^{× d}

²)值之關係（

^{36 cm < d}

¹

^{< 44 cm}

） ...94

圖 5.1 實測卵石牆單位重與卵石

^d

¹徑之關係 ...96

圖 5.2 卵石牆(球體牆)示意圖...97

圖 5.3 實測石籠單位重與卵石

^d

¹徑之關係...99

圖 5.4 球體籠示意圖 ...100

圖 5.5 實測卵石牆孔隙率與卵石

^d

¹徑之關係 ...101

圖 5.6 實測石籠孔隙率與卵石

^d

¹徑之關係...103

表目錄

表 2.1 河道特性區段分類及其特徵 ...19

表 2.2 Manning 粗糙係數

ⁿ

值……….….21

表 2.3 美國墾務局建議於緩坡降、直渠道河床質之容許平均流速 22 表 2.4 裸（土）坡工法之容許平均流速流速[水利規劃試驗所，2003] ...22

表 2.5 估算代表流速

^V

^o之修正係數

^α

值……….23

表 2.6 美國墾務局建議於緩坡降、直渠道河床質之臨界掃流應力 27 表 2.7 水利署建議河道工程材料之臨界掃流應力 ...28

表 2.8 混凝土與土壤間之界面摩擦角……….32

表 4.1 卵石粒徑量測數據一覽（

15 cm < d

₁

< 24 cm

） ...55

表 4.2 卵石粒徑量測數據一覽（

25 cm < d

₁

< 34 cm

）...59

表 4.3 卵石粒徑量測數據一覽（

35 cm < d

₁

< 44 cm

）...63

表 4.4 卵石粒徑量測數據一覽（

45 cm < d

₁

< 54 cm

）...65

表 4.5 卵石粒徑量測數據一覽（

55 cm < d

₁

< 64 cm

）...66

表 4.6 卵石粒徑量測數據一覽（

65 cm < d

₁

< 74 cm

）...66

表 4.7 卵石之(

d

₁

/ d

₂)值及其分布...75

表 4.8 卵石之(

d

₁

/ d

₃)值及其分布...76

表 4.9 卵石之(

d

₂

/ d

₃)值及其分布...76

表 4.10 卵石之體積 ...80

表 4.11 卵石之單位重...85

表 4.12 量測卵石面積之相關數據一覽（18

cm

<

d

1< 24

cm

）...88

表 4.13 量測卵石面積之相關數據一覽（27

cm

<

d

1<34

cm

）...89

表 4.14 量測卵石面積之相關數據一覽（36

cm

<

d

1<44

cm

）...90

表 4.15 卵石投影面積與塊體面積之關係一覽 ...91

表 5.1 卵石構造物之單位重 ...96 表 5.2 卵石構造物之孔隙率 ...101

第一章 緒論

1.1 研究背景與目的

生態工法之護岸工程以砌石、石籠及生物材料為主，與以往河川 整治工程之混凝土材料為首大不相同。以往使用混凝土材料除了景觀 上受到衝擊外，其環境生態亦受到影響，若以天然之塊石為基本單元 疊砌，則可營造甚多孔隙，有利動植物生長，對環境景觀之衝擊亦能 減小。河川生態工法以「順河性」、「因地制宜」、「就地取材」為理念，

以砌石工法而言，石材之使用則為一大學問，雖人類使用卵石砌築構 造物之歷史已有數千年，但科學化之研究至今仍尚少，其性質仍有待 調查。

於卵石砌築之構造物中，以砌石牆及石籠居多，其安全性分析含 抗滑動、抗傾倒及其基礎的承載力、沉陷量估算等，分析上，不可或 缺之物理量為其單位重；另一方面，砌石工法之生態性意義在於其具 多孔隙易生長植被，吾人可使用孔隙率來量化「多孔隙」之意涵。

基於以上因素，更為了使生態工程之砌石工法能有效施行，本論 文將以卵石為研究對象(卵石樣本取自新竹縣頭前溪產者，其源自上 新-更新世地層苗栗群之頭嵙山層，此岩層多由青灰色砂岩、粉砂岩 和頁岩所組成)，調查其物理性質之各種相互關係、模擬其構造物之 物理性質試驗，並建議各種尺寸性質之估算法，目的是為了實務與分 析上之方便計算，亦可提供於施行生態工法之工程參考。

1.2 研究方法

研究項目及其試驗流程如圖 1.1。卵石樣本取自新竹縣頭前溪產 者，依卵石之較長徑

d

₁之大小分成數組。首先量測卵石之物理性質，

包含卵石粒徑(

d

₁、

d

₂、

d

₃)、卵石體積、卵石單位重及卵石各方向之

投影面積(或稱受力面積)，將此等關係統計回歸，並建議其體積與投 影面積之估算法。同時施作卵石構造物(卵石牆、石籠)之物理性質試 驗，包含單位重與孔隙率試驗，並利用理論方式將卵石視為球體計算 其單位重與孔隙率之理論值，以驗證本文試驗之合理性，續觀察其試 驗值與理論值間之相關性，進而建議具實用性之估算法。

1.3 論文架構

本論文共分六章。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；第三章為試驗方法，所施作試驗包含卵石之 物理性質量測與卵石構造物(卵石牆、石籠)之物理性質試驗；第四章 為卵石之物理性質量測結果，針對各項尺寸性質加以說明分析；第五 章為卵石構造物之物理性質試驗結果並加以分析；第六章為結論與建 議。

圖 1.1 研究項目與試驗流程

體 積 量 測

文獻回顧與資料收集

擬定各種試驗計畫

試驗材料儀器之準備

卵石之物理性質試驗 卵石構造物之物理性質試驗

單 位 重 試 驗 投 影 面 積 量 測 卵 石 牆 之 單 位 重 試 驗 卵 石 牆 之 孔 隙 率 試 驗 石 籠 之 單 位 重 試 驗 石 籠 之 孔 隙 率 試 驗 卵 石 構 造 物 單 位 重 與 孔 隙 率 之

理 論 計 算 訂 定 與 推 導

粒 徑 量 測

試驗結果分析

結論與建議

第二章 文獻回顧

台灣時常為了山坡地之利用與不斷發生土石災害而實施水土保 持、河溪整治等治理方式，卻偏重設計安全、材料堅固、經濟、施工 管理便利的工程設施，反而缺少去配合環境之調和必要所考量的造型 設計、自然材料的選擇、綠美化的運用，雖然保護的目的已達到，但 對環境、生態卻也造成傷害而不自知。因各相關研究專長領域不同，

對水土保持、河溪整治此類理論架構、實務工作及研究範疇之認知差 異甚大。一般而言，河溪生態保育研究或工作人員、自然保護區之研 究人員，較常使用「生態工法」之名稱，以符合實際之工程設計或規 劃理念。

隨著環保意識的提高，與「生態工法」有關的理念已提出不少，

但常將景觀設計、自然工程、親水設施等名詞與之混淆不清，並常未 能因應台灣河溪之特殊性，直接引用國外之設計實例，因而失敗的案 例比比皆是，如民國 93 年 7 月 2 日，敏督利颱風對台灣所造成的土 石流、水災等災害，可見正確地實施符合當地生態工法之重要性。

2.1 生態工法

2.1.1 生態工法之定義：

自德國 Seifert（1938）首先提出「近自然河溪整治」的概念，於 能滿足河溪傳統治理任務的基礎上，可以達到接近自然、廉價並保持 景觀的一種治理方案[高甲榮，1999]。到 Mitsch 及 JØrgensen 首次明 確界定「生態工程」(ecological engineering)的觀念以及適用範疇，生 態工程一名詞才正式誕生，而生態工法亦成為其應用主軸之一[林鎮 洋、邱逸文，2003]。

生態工法在日本稱做「近自然的工事」，或「多自然型建設工法」； 目前尚無有關自然工法明確之定義及適用範圍。因此，行政院公共工 程委員會於 2002 年 8 月，建議國內「生態工法」之統一定義為：

所謂生態工法便是指基於對生態系統之深切認知與落實生物多 樣性保育及永續發展，而採以生態為基礎、安全為導向的工程方法，

以減少對自然環境造成傷害。

所以應用材料應以當地現有之石材、木材或植物材料為上選，如 為混凝土面可配合造型模板、石塊、堆砌或預鑄塊狀體等，柔化工程 之硬質感並利植生復育。而固床工、跌水工等應視當地魚類迴游、遷 徙等生態習性配合魚道設計，增加水體變化、造成深潭水池及增加溶 氧量，以利於水中生物之棲息地保育。

2.1.2 生態工法執行原則

為了有效推廣生態工法，且不違反其基本理念，生態工法之執行 應遵行以下原則[經濟部水利局，2001]：

1. 應遵循生態系統完整性。

2. 尊重自然生態環境原有之多樣性，建設一個良好水循環及安全的 河川環境。

3. 生態工法因涉及之生態環境相關因素眾多，並無一定之施工法可 作依循，因此，必須以個案方式加以評估後，因地制宜以研擬適 當之方式加以施工。

4. 工程施作前應分析其潛在災害性，於災害性較低處，宜運用柔性 材質(如筐、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。對於河溪之 侵蝕岸或岸坡極陡，具深層滑動潛能或側壓較大之河岸，仍需借

重工程材料或擋土結構物，以提供足夠工程穩定性，可以為混凝 土、木材、石材或地工合成材料等。

5. 以大型天然石塊構築於河床中之橫向構造物，設計時應避免全斷 面阻絕，應留有高度較低之水路，以利水生動物於上下水域遷移 之活動。

6. 工料在能符合品管要求下，以採用當地工料為原則，既可降低成 本，又可化阻力為助力。

7. 生態工法設施之管理維護，宜結合中央管理單位、地方。(含鄉鎮 里)政府單位及當地社區居民三方面組成團體實施，而以當地居民 為主體之維護管理較佳。

2.1.3 生態工法設計原則

生態工程是結合人類社會與自然環境的一個維持系統，在生態工 程的設計上必須考慮生物(包含人類)與環境的複雜性、變化性和固有 的不確定因素。在沒有環境原則的限制下，生態工程必須擁有一個設 計的方法論，以下所建議五個設計原則，可給予從事生態工程之工程 參考[Scott et al., 2001]。

1. 必須考慮大自然獨特的行為，把構造物當作是屬於大自然的一部 份而去設計與施工，並非把它當作是個障礙物而想去克服並支配 它；自然生態系統擁有一獨特的性質，就是它混雜各種不穩定的 因素，而這些因素也造就了許多的工程發展機會。

2. 自然生態系統的複雜性取決於各個地區空間變化的差異性，生態 工程所施作的地點都是不一樣的個體，設計上必須考慮到施工地 點的環境變化。在任何一個生態工程施工的地點，我們都應該先 問：

a. 這裡是哪裡？

b. 大自然〝允許〞我們在這裡做什麼？

c. 大自然〝需要〞我們在這裡做什麼？

3.

在設計施工上，生態的複雜性往往無減反增，所以應該預測工程 潛在因素所產生的災害，並採解決方法。

4. 在自然的河川中，必須考慮河川自由流動的最大限度來施作工 程，而且也必須以最低的花費來設計，應該順河性，並非只有將 河川截彎取直才能處理河川問題。

5. 設計者必須要有足夠的經驗，且大部分的工程都已聲明至少應有 責任去服務與保護社會，應更擴大其範圍來維持自然生態系統。

2.1.4 單元構造

於河溪整治中，與河溪生態環境息息相關之構造單元有擋土工、

護岸工、固床工及邊坡整治工程等。根據不同之構造單元及不同之工 法分類，便產生諸多之處理方式[經濟部水利局，2001]。

1. 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，其應為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。

2. 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。

3. 固床工

避免溪床因水流之侵蝕、沖刷而設計之溪床保護工，此處將潛壩 等避免河床受沖蝕之橫向構造物亦歸於此類。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。

4. 邊坡坡面保護

河岸常連接邊坡，此邊坡位於水位線上，故並不需使用護岸加以 扺擋流水沖蝕，但邊坡之穩定及沖蝕問題卻可能影響其下水域環境。

故於邊坡過高、過陡或坡面裸露時，整體坡面穩定及降雨時之雨滴衝 擊或地表逕流將會造成邊坡之破壞或侵蝕。

2.2 砌石

盤古開天以來，人類生存最大的威脅是洪水，有人類即有河防構 造物，土、砂、石則為其主要構築材料。砌石構造物之歷史同長於人 類生存史，雖然古人之砌石技術令人歎為觀止（金字塔、堤堰、城堡、

橋、房舍等），但自進入二十世紀隨著人類大量使用混凝土後，砌石 技術已漸失傳。另一方面，進入科學時代凡事需量化及分析，但因進 入科學時代後人類已少用砌石構造物，故其相關科學化研究亦不多，

有待研究者將砌石之老工法、老材料賦予力學新生命。

2.2.1 石材

天然石材按其生成之原因及特性可分為火成岩、沉積岩與變質岩 等三大類[林信輝、施政育，2003]：

1. 火成岩

係由地球內部之岩漿噴出於地表面，或侵入地殼內部，待冷卻凝 結 後而形成者，如花崗岩、玄武岩、安山岩、流紋岩及凝灰岩等皆 屬之。火成岩之組織常呈一致之現象，亦即礦物成分、大小與相距皆 甚均勻，無層狀、帶狀或片狀之構造。火成岩多為礦物之集合體，僅 有少部分全為玻璃質，或玻璃質與礦物的混合物。

2. 沉積岩

其生成係先由風、水、冰雪、氣候及動植物所造成之物理、化學 及有機作用，將已存在之岩石分解。分解後之物質除一部份溶解於水 外，大部分變成大小不等之碎塊，如卵石、礫石、砂、粉土及黏土等，

隨水流、風及冰川等轉運而沉積於適當地點。此等沉積物初始極為疏 鬆，後由於上層壓力作用，或遇含有碳酸物，其化學成分較火成岩簡 單，且性質較為穩定。此類代表如礫岩、砂岩、頁岩及石灰岩等。

3. 變質岩

係岩石經地內高熱、高壓及水蒸氣的作用，而將其原先之組織及 所含之礦物，完全或部分改變，而成為另一種特異之岩石者。如石灰 岩可變質為大理岩；頁岩可變質為板岩；砂岩可變質為石英岩等。變 質岩之化學成分視原岩之種類而差異甚大，但多數岩石經過變質作用 後，其化學成分甚少改變。變質岩種類如片麻岩、片岩、石英岩、板

岩、千板岩、大理岩、蛇紋岩等皆屬之。

依土木、水利與建築等工程常用岩石種類，可將上述三大類天然 石材概分為砂岩、花崗岩、安山岩、凝灰岩、板岩、大理石類與蛇紋 石類等六大類。自然生態工法常用石材之種類，原則以採取工地現場 石材利用為主，惟為配合結構強度、景觀需求，常需使用外運之石材。

茲將河川工程常使用之石材說明如下[林信輝、施政育，2003]：

1. 砂岩

為水成岩中的堆積岩，類別甚多，屬於中等硬度，由於吸水性稍 大，故稍易風化，石質緻密，稍呈鬆軟，易於施工，屬準硬岩類。

2. 花崗岩

為火成岩之一種，粗粒狀石理，種類眾多，現多以一般規格尺寸 由國外進口，結晶顆粒大小因產地的不同，有若干差異；硬度較大，

吸水率較低，惟耐熱力較差，比重介於 2.6-2.75 間，屬硬岩類。

3. 安山岩

為火山岩的噴出岩，種類甚多，大多均可做為土木、造景之用，

以陽明山石及北新庄石最負盛名，具有優異的耐火性，比重介於 2.65-2.75 間，性質堅硬，抗風化力強，其耐久性，屬硬岩類。

4. 凝灰岩

為水成岩之一種，質地甚鬆軟，採石、施工均較容易，多屬於中

硬度軟岩，耐火性較強，吸水較大，易於風化，屬軟岩類。其餘尚有 板岩類及大理石類等，惟一般皆於景觀工程使用之，河川工程使用之 機會較少。

一般工程使用之石材，以其硬度與抵拒破壞力之高低可概分為硬 岩、準硬岩、軟岩。一般以採用比重大、硬度高之硬岩及準硬岩之石

材。惟為配合景觀、植生等視覺變化亦可配合使用軟岩，以收予自然 環境融合之功效。河溪整治工程使用石材，構築相關構造物，依使用

石材數量之多寡，石材來源、加工程度等因素，一般較傳統之 R.C 工 法約增加 10~20%之施工成本[經濟部水利局，2001]。

石材用於砌石之情況，其長徑應為短徑之 1.2~1.8 倍，扁徑應為 橫徑之二分之一以上，扁形及片形者不佳。河防用砌石構造物含擋土 牆、護岸、籠工、落差工、固床工、堰、魚道等，用途甚廣。石材分 天然石（圓石、角石、扁石、斷裂石等）及加工石（立體、長體、楔 形等）兩類，依其粒徑大小可大分成礫石(gravel)、卵石(cobble)、大 石(boulder)等，礫石粒徑約小於 10

cm

、卵石粒徑約為 15

cm

~70

cm

， 更大者為大石[水利局，1968]。

河床質含岩石(Rock)、卵石(Cobble)、礫石(Gravel)、砂(Sand)及 粉粘土(Silt and clay)，其中岩石為尺寸大於 25.6

cm

者、卵石為尺寸介 於 6.4

cm

~25.6

cm

者、礫石尺寸介於 0.2

cm

~6.4

cm

、砂之尺寸介於 0.0125cm~0.2cm [Kemp et al., 2000]。

砌石工法約可分層砌、谷砌及圍砌三種；其中圍砌以六圍砌為原 則，五圍砌、七圍砌尚可，其他不宜採用[農業委員會特有生物研究 保育中心，2003]。若以 1：1 之坡度為區分，可分石積工與石張工，

坡度陡急時為石積工；平緩時則為石張工。石張法之目的為保護坡

面，使用材料有卵石、割石、雜石，分乾砌與漿砌兩種；消能牆之混 凝土面為了與周圍景觀融合為一，混凝土消能牆前面做砌石，其中之 一之手法即為石積法[福留脩文，2003]。而從日本之經驗得知，若能 正確使用砌石技術，應用力學原理，砌石構造物仍可發揮其強度[陳 有棋、陳賜賢，2003]。

2.2.2 卵石力學行為

Batchelor(1967)觀察卵石受波浪沖擊之動力行為，並提出如式(2.1) 之力平衡理論公式[摘自 Voropayev et al.,2001]。

(

c m

) (

m

) F

d

G F

f

Dt M Du dt K

M dU K

M + = 1 + + − ⋅ sin α +

(2.1)

D

：卵石直徑

h

：卵石厚

ρ

c：卵石密度

4

2

h M

_c

= ρ

_c

π D

K

m：卵石的虛質量係數

M

：卵石排開水之質量，

4

2

h

M = ρ

_w

π D

，

ρ

_w：水之密度

)

(t

U

：卵石移動速度

)

, ( x t

u

：水流速度

x u u t u Dt Du

∂ + ∂

∂

= ∂

F

d：拉力

( u U )

U u C S

F

_d

=

_{1 d}

− − 2

1 ρ ⇒ S

₁

= D ⋅ h

、

C

d

= C

d

( ) R

e 、

V U u R

_e

D −

=

G

：卵石重量

α

：斜坡角

F

f：卵石與斜坡之動摩擦力

( )

| cos |

U F U G

KE

F

_f

= − ⋅ α −

_L

K

：動摩擦係數

L

L

or E G F

F G

E = 1 , ⋅ cos α > = 0 , ⋅ cos α ≤ F

L：上舉力

( )

²

2

2

1 S C u U F

_L

= ρ

_L

− ⇒

4

2

2

D

S ₌ π

、

C

_L：上舉係數

(a) 卵石置於水中受衝擊所產生之各種作用力 (b) 卵石尺寸

F

P：增加的壓力、

F

_G

= G × sin α

、

F

_N

= G × con α

圖 2.1 卵石置於水中受衝擊之力學行為[Voropayev et al., 2001]

Luccio et al. (1998) 將圓盤狀的物體置於不透水底層之模型長槽 上，以模擬卵石於受水沖擊地區之動力行為，藉改變式(2.1) 之影響 參數

D

、

α

、

ρ

_c、

u ( x , t )

以觀察卵石移動行為，並與式(2.1) 之理論解 相比較，其結果顯示實驗值與理論解上皆有合理的一致性。Voropayev et al. (2001) 將式(2.1)所表現之力系統繪成圖 2.1， 並於實驗室進行 卵石受水沖擊之水工模型試驗，其結果顯示卵石受同一頻率的浪擊初 期，只震動並未有明顯的位移，但隨著浪擊次數的增加，即可看出其 位移之變化；將實驗值與理論值相互比較後，其兩者間有著相同的趨

勢結果。

2.2.3 砌石牆

於坡面過大之邊坡斜坡底以塊石堆疊而成的矮牆，如圖 2.2 所 示。目的在防止填土或開挖面崩塌及穩定邊坡[洪勇善，2003]。

砌石工施工時應注意下列事項[經濟部水利局，2001]：

1. 塊(卵)石應質地堅硬、耐久且無裂縫及風化現象，混凝土砌塊(卵) 石應用乾淨塊石，不得沾有污泥。

2. 塊(卵)石之大小，除設計圖另有規定外，其大小不得相差過鉅，

以不超過百分之五十為宜。設計圖所指大小係指塊(卵)石之長徑。

3. 牆面石塊應砌築平整，其長徑應與牆面垂直。

4. 砌石工程於基礎開挖完成經檢查合格後，應依圖示之建造位置及 斜度設置樣板。兩端均應設置樣板，直線部分之樣板間隔不得超 過五公尺，曲線部分並應視需要增設樣板。

5. 樣板應以平直之木板製成，並應釘紮牢固，以免走樣。

6. 設置樣板，應經工地監工檢驗相符，始得開始施工。

乾砌塊石施工時應注意下列事項：

1. 塊石應分層砌築，不得以大小相差懸殊之石塊砌築於一處，較大 之石塊應砌築於下層。

2. 每一石塊應與鄰近之石塊相互交錯聯鎖緊密，各石縫不得成一直 線或近似一直線，以六圍砌為原則，不得使用橫砌、立砌、四圍 砌或八圍砌。

3. 砌石內部空隙及不平穩之處，應以適宜之小石塊嵌塞之，不得有 鬆動之情形。所砌石塊如有可抽動之處，應拆除重砌。

4. 砌石每次所砌高度，乾砌石不得超過 1.5 公尺；漿砌及混凝土砌

塊石，不得超過 2 公尺。當日未完部分應留階段接縫。

5. 砌石之基礎應在實土上為原則，若其下有混凝土基礎，則底面第 一個石塊應嵌入混凝土中。

1~2

6 最大牆高 6m

最少 30cm 2 1

或更平緩

5~10 cm 之礫石回填料，細礫 料含量需小於 5%，回填寬度 至少 2.5 m

原始穩定削坡線

使用較大之回填 料，直徑 15 cm

圖 2.2 砌石牆示意圖[洪勇善，2003]

2.2.4 石籠

石籠為於編成六角狀之鉛絲籠中填入石塊之工法。石籠相連接 後，填入10~30公分大小之卵石約籠高2/3後，以鋼絲在各方向加固，

以免填築石塊完成後，造成石籠的鼓脹。最簡單之石籠為1公尺高之 石籠牆，僅用一層石籠，石籠規格可依所需情況加以設計，並無一定 尺寸。欲增加石籠高度，可於第一層石籠上再堆疊石籠，每層石籠堆 疊時些許向後退。一般而言，高度超過2公尺之石籠即必須另外加以 設計，愈高則須愈大之基礎寬度，或使用護牆來抵抗背填土之傾倒彎 矩[洪勇善，2003]。

其施工時應注意以下事項：

1. 籠內石料填實，以長徑 25cm 至 35cm 為原則，但為確實填實及填 平起見，應依監工人員指示，於其空隙內酌包填 22cm 以下 10cm 以上之塊石。所用塊石應具級配約：直徑 25cm 至 35cm 者，佔

80%；15 至 25cm 者，佔 15%；10cm 至 15cm 者，佔 5%。

2. 為使石籠不易相互分離，於適當間隔，須以鐵絲連結，籠端以兩 條鐵絲結牢。其重要部份亦應結牢。

3. 石籠長度應以塊石填滿後，量其中心長度為準。

4. 石籠編餘之鉛頭廢料，不得超出 20cm。

5. 機器編網石籠應附廠品規格說明。

2.3 河道特性

生態工程之整體發展，乃以河川的治理計畫、水土保持為主要考 量，並以自然生態為主要出發點來依循法則，提供民親近溪水之機 會，進而激發民眾愛護環境之意識。由於生態工程在國外早已在野溪 之治理上應用相當廣泛，國內近年來也逐漸意識到生態河川之資源，

進而積極對於水資源區與集水區之河川生態進行整治，有關河川水文 保育理論亦被推展，而達到相關之規劃設計，以求河川水域之永續經 營發展。以下將針對河道特性加以說明。

一、河道形狀

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 2

m

左右；另為使內水易排 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。

圖 2.3 為堤防設施斷面圖，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。

圖 2.3 堤防設施[經濟部水資源局， 2000]

二、蜿蜒

安定河道會呈蜿蜒狀，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。

蜿蜒特性為[水利局，1968]：

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。

5. 一蜿蜒波長約低水路寬的 10~15 倍。

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，故需加強截水路新堤之基礎工。

三、河道區段分類

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，故吾人可 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其他河川處。

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。有鑑於一蛇行波長約低水路寬的 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 [國土開發技術研究センタ一，1999]。

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

d

R(

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

蛇行規模 多樣 少彎曲 蛇行規模大 蛇行規模或

大或小 沖刷程度 非常大 非常大 普通、

d

_R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

d

R：於河床質之粒徑分佈曲線上對應於累積百分比 60%之粒徑

2.4 河道設計條件

2.4.1 流速

一、設計水深

H

_d

探討河防構造物安全性之首要工作是釐訂式(2.2)之設計水深

H

d，再據此估算流速、掃流應力( shear stress )、曳引力 ( drag force )、

揚力 (uplift force)等流水力 [國土開發技術研究センタ一，1999]。

H

d = H.W.L.-

Z

(

m

) (2.2)

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

V

_m

為估算流水力需先求得平均流速

V

_m，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

V

_m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，

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(2.3)計算。

2 1 3

1

2

e d

m

H I

V = n ⋅ ⋅

(

m / s

) (2.3)

n

：Manning 粗糙係數

H

d ：設計水深

I

e：能量坡降(

m

)，於斷面急變處可以水面坡降充當

I

_e，於定量 流區間亦可以河床坡降代替

I

_e

使用式(2.3)之主要困難在於 Manning 粗糙係數

n

值的正確選擇，

影響

n

值的因素有渠床粗糙度、植生情況、渠道通水斷面形狀、沖淤 情況、障礙物、水位、流量、既存構造物等，雖有理論公式可用以估 算

n

值，唯經驗性的研判與由實測水理因素推演的

n

值仍甚具參考價 值，表 2.2 列出美國墾務局、臺灣省水利處所建議之

n

值。另一方面，

表 2.3 列出美國墾務局，所建議於緩坡降、直渠道河床質之容許平均 流速，表 2.4 列出水利署水利規劃試驗所，所建議各種工程材料之容 許平均流速，以供參考。

表 2.2 Manning 粗糙係數

ⁿ

值[易任，1976、水利處，1997]

美國墾務局

（緩坡降、直渠道） 臺灣省水利處

河床質 n 值 河床狀況及所用材料 n 值

膠質細砂 0.020 玻離面、塑膠面、機械磨平之金屬面 0.010 砂質壤土 0.020 刨平木材面、接縫磨平 0.011 泥質壤土 0.020 鋸出之木板面、接縫不平 0.014 無膠質淤積泥質土壤 0.020 水泥沙漿磨面 0.011 含膠質淤積泥質土壤 0.025 混凝土、木模型板拆除後抹面 0.012 火成岩灰土 0.020 混凝土、木模型板拆除無抹面 0.014

硬粘土 0.020 噴漿水泥面 0.016

硬壤土 0.020 磚砌工或平整之圬工材料面 0.014

岩盤 0.025 塊石水泥砌面 0.017

細卵石 0.025 土渠、光滑面、無水草 0.020

級配壤土與圓石 0.030 土渠、有石塊及水草 0.025

級配泥土與圓石 0.030 潔淨平整之自然直河道 0.027

粗卵石 0.035 自然灣曲河道有深潭及淺灘 0.037

圓石與砂石 0.035 灣曲及雜草叢生之自然河道 0.11

表 2.3 美國墾務局建議於緩坡降、直渠道河床質之容許平均流速 [易任,1976]

清水 渠水夾膠質泥砂

河床質

容許流速( m / s ) 容許流速( m / s )

含膠質細砂 0.46 0.76

砂質壤土 0.53 0.76

泥質壤土 0.61 0.91

無膠質淤積泥質土壤 0.61 1.07

含膠質淤積泥質土壤 1.14 1.52

硬壤土 0.76 1.07

火成岩灰土 0.76 1.07

硬粘土 1.14 1.52

岩盤 1.83 1.83

細卵石 0.76 1.52

級配壤土與圓石 1.14 1.52

級配泥土與圓石 1.22 1.68

粗卵石 1.22 1.83

圓石與砂石 1.52 1.68

表 2.4 裸（土）坡工法之容許平均流速流速[水利規劃試驗所，2003]

清水 渠水夾膠質泥砂

河床質

容許流速( m / s ) 容許流速( m / s )

含膠質細砂 0.46 0.76

砂質壤土 0.53 0.76

泥質壤土 0.61 0.91

無膠質淤積泥質土壤 0.61 1.07

含膠質淤積泥質土壤 1.14 1.52

硬壤土 0.76 1.07

火成岩灰土 0.76 1.07

硬粘土 1.14 1.52

岩盤 1.83 1.83

細卵石 0.76 1.52

級配壤土與圓石 1.14 1.52

級配泥土與圓石 1.22 1.68

粗卵石 1.22 1.83

圓石與砂石 1.52 1.68

三、代表流速

V

_o

考慮河道蜿蜒及護岸之存在對流速的影響，需將

V

_m修正為代表流 速

V

_o，其值依式(2.4)計算，表 2.5 列出

α

值之估算法[國土開發技術研 究センタ一，1999]。

V

_o

= α ⋅ V

_m(

m / s

) (2.4)

表 2.5 估算代表流速

^V

^o之修正係數

^α

值[國土開發技術研究 センタ一,1999]

項 目

α

值 無基礎工

α

=

H

d

Z 1 2

1

+ ∆

α =

（

α ≤

2）

∆ Z

=平均河床高程-最深河床高程 低水護岸及

堤防護岸

有基礎工

α

=

α

₁

× α

₂ 0.9<

α

₂<1 直

線 河 段

高水護岸 1<

α

<1.23

無足夠寬度之基礎工

凹岸

α

=1+

r B 2 ≤

2

B

：低水路寬；

r

：曲率半俓 凸岸

α

=1+

H

d

Z 2

∆

+

r B 2 ≤

2 低水護岸及

堤防護岸

有足夠寬度之基礎工

凹岸

α

=

α ×

₂ (1+

r B 2

⁾ 凸岸

α

=

α ×

₂ (1+

H

d

Z 2

∆

+

r B 2

⁾ 高灘地寬

α

=1+

r B 2

彎

曲 河 段

高水護岸

高灘地窄

α

=

ξ

(1+

r

B

2

⁾ 1<

ξ

<1.23 低水護岸之岸頂保護工處 1.3<

α

<1.7

四、接近流速

V

_d

在估算流水作用於護岸構材之曳引力、揚力時需使用接近流速

V

_d， 可依式(2.5)估算

V

_d[國土開發技術研究センタ一，1999]。

o s d

s b

d

V

k H

k V t

) / ( log 75 . 5 0 . 6

) / ( log 75 . 5 5 . 8

10 10

+

= +

(

m / s

) (2.5)

t

b：塊材厚

k

s：相當粗度（

k

_s<20

cm

）

自然河岸之表面粗糙在被施工後將變小，易引起水流集中增加外 力，故需設置適當之粗糙物以達減速效果，相當粗度

k

_s不宜大於 20

cm

。

2.4.2 沖刷

當河川渠道化之後，由於水流強度增大，加上自河岸補給的泥砂 量減少只能沖刷河床。一般是以設置固床工來固定河床沖刷基準面，

俾調整河床坡降以降低河床沖刷。唯此措施有時反會加大流速、湍 流，而造成其下游河床之局部沖刷，亦即固床工是通過轉化河床沖 刷，來緩和特定區域的底床泥沙沖刷。局部沖刷是由於河道局部縮窄

（如橋墩斷面）和水工構造物（如閘、堰、固床工）下游，流速、湍 流被局部強化，沖刷河床而成沖刷坑。局部沖刷分橋墩沖刷、尾流沖 刷、消能沖刷、縮窄沖刷等；局部沖刷的範圍不大，一般與產生沖刷 構造物的幾何尺度同一量級。

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、堤防設計上需估算洪水時之最大沖刷深

D

_s,max，可 依式(2.6) 估算

D

_s,max [水利局，1968]。

max ,

D

s =

χ ( )

^1/3

f

Q ( ft )

(2.6)

Q

：計畫洪水量(

s ft

³

)

f

=1.76

d

_R

(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

於丁壩橫工附近、其首端具陡坡者(1.5:1)

χ

=1.8 於丁壩橫工附近、其首端具長坡者(20:1)

χ

=1.3 於丁壩縱工附近：

χ

=0.81~1.8

2.4.3 外力與壓力 一、掃流應力

水利局「防洪工程設計手冊」(1968)所建議估算河道相關掃流應 力之經驗法則如下：

1. 直河道之河床掃流應力

在深度均勻之直河道中水流加於河床之平均剪應力稱之，其方向 同水流，則河床上每單位面積所受之河床掃流應力

τ

，依式(2.7)估算 之。

τ

=

γ

w

H

_d

I

_e(

kgf / m

²) (2.7)

γ

_w：水單位重（於

20

^o

C

，

γ

_w=997.07 ₃

m kgf

）

2. 彎曲河道之河床掃流應力

在同一河床質之條件下，與直線段相比較，河道彎曲段之河床掃 流應力較大。

微彎河道之河床掃流應力=1.11

τ

中等微曲河道之河床掃流應力=1.33

τ

極彎河道之河床掃流應力=1.67

τ

3. 河床質之臨界掃流應力

水流使河床質、拋石發生移動之臨界值稱臨界掃流應力

τ

_c，而

τ

_c 的支配因素是河床質粒徑分佈；Kramerg 氏所提出之臨界掃流應力估 算公式為式(2.8)[ 水利局，1968]；表 2.6 列出美國墾務局所建議於緩 坡降、直渠道河床質之臨界掃流應力，以供參考。

u w s

c

C

d 6

) (

100 − ⋅

₅₀

= γ γ

τ

(

kgf / m

²) (2.8)

γ

s：土砂單位重(

kgf / m

³)

d

50：河床質平均粒徑(

m

)

C

u：河床質粒徑分佈曲線之均勻係數

表 2.6 美國墾務局建議於緩坡降、直渠道河床質之臨界掃流應力 [易任,1976]

清水 渠水夾膠質泥砂

河床質 容許掃流應力 ( kgf / m

²

)

容許掃流應力 ( kgf / m

²

)

含膠質細砂 0.13 0.37

砂質壤土 0.18 0.37

泥質壤土 0.23 0.54

無膠質淤積泥質

土壤 0.23 0.73

硬壤土 0.37 0.73

火成岩灰土 0.37 0.73

硬粘土 1.27 2.24

含膠質淤積泥質

土壤 1.27 2.24

岩盤 3.27 3.27

細卵石 0.37 1.56

級配壤土與圓石 1.85 3.22

級配泥土與圓石 2.10 3.90

粗卵石 1.46 3.27

圓石與砂石 4.44 5.37

4. 工程材料之臨界掃流應力

護岸必需具有某種程度之強度以抵抗河水掃流，茲將各類護岸材 料之參考臨界掃流應力值示於表 2.7。

表 2.7 水利署建議河道工程材料之臨界掃流應力 [水利局，1968；水利規劃試驗所，2003]

護岸材料 臨界掃流應力( kgf / m

²

)

柳柵間砂粒 1.0

柳柵間卵石 1.5

植生草 2.0~3.0

平行或偏斜於流向之柳柵 5.0

舖磚 10.0

舖石 16.0

大碎石之拋石 24.0

木格床乾石工 60.0

混凝土舖面 60.0

石籠 <150

密集的草生地 1.73

5.0 cm 卵礫石砌平台 3.36 以百慕達草地造成之粘土平台、

高度<12 cm 4.49

12.5 cm 卵礫石砌平台、種植草木

而無助於抗力增加 4.49

以百慕達草地造成之優良平台、

高度<12 cm 5.50

順著洪水流向生長的長草或豆科

蔓莖植物 6.93

15.0 cm 卵礫石砌平台 9.99 密集的草生地、非腐質土壤

(1.9 m / s ) 10.50 百慕達草地平台、高度 20 cm 13.46 以百慕達草地造成之優良平台、

高度 20 cm 13.97

以百慕達草地造成之優良平台、

高度>20 cm 15.90

30.0 cm 卵礫石砌平台 19.98 人工渠道試驗，於 50 小時後人工

加強植生網(2.2 m / s ) 24.87 百慕達草及含 7.5 cm 厚腐質土、2

小時後 34.86

人工渠道試驗，於 8 小時後人工

加強植生網(2.2 m / s ) 39.86 百慕達草及 2 小時後人工加強植

生網 42.41

二、揚力

流水作用於塊體之揚力

L

(upliftfprce)可依式(2.9)估算之，此式是 以能量方程式所導出之動能來表示力的形式[國土開發技術研究 センタ一， 1999]。

) 2 (

2

V kgf A L

^w

⋅ C

^L

⋅

^b

⋅

^d

= ρ

(2.9)

ρ

w：水的密度

C

L：揚力係數（平舖塊體

C

_L

≅

0.18、群塊體

C

_L

≅

1.0 之上限值）

A

b：受揚力之塊體投影面積（參閱圖 2.4）

圖 2.4 塊體投影面積示意

三、推力

水流觸及塊體產生之曳引力

D

(thrust)依式(2.10)估算之，此式亦 是以動能來表示力的形式。