(1)橋梁沖刷監測預警系統建置之試驗研究 Experimental Study on Bridge Scour Early Warning System

全文

(1)橋梁沖刷監測預警系統建置之試驗研究 Experimental Study on Bridge Scour Early Warning System. *林其穎. Chi-Ying Lin. **陳俊仲. Chun-Chung Chen. * 國立臺灣大學土木工程學系碩士 **國家地震工程研究中心副研究員 ***國立臺灣大學土木工程學系教授. . ***張國鎮. Kuo-Chun Chang.

(2) 摘要台灣因河流密布、地形破碎，跨河橋梁在交通路網中扮演非常重要之角色，而跨河橋梁普遍存在各種沖刷受災現象，隨全球氣候變遷，颱風及豪雨帶來之雨量及造成的危害一再突破歷史記錄，且許多橋梁亦存在老舊裂化之問題，故需建立一套橋梁監、檢測系統針對橋梁安全性進行即時監測，且自動提供預警而封橋，確保橋梁通行之安全性，保障用路人之人身財產安全。本研究針對現地所使用之沖刷監測系統進行試驗與驗證，利用感測機制相似於現地監測系統之感測計安裝於縮尺模型進行沖刷試驗，以驗證沖刷系統之量測機制及確立其可靠性，此外亦透過縮尺模型之沖刷監測試驗，探討現行橋梁監測所量測得到的資訊所計算出支安全標準警戒值及行動值之合理性。本研究之主軸即針對縮尺橋梁模型進行沖刷試驗，利用壓力感測計、沖刷振動感測計、浮球系統做為沖刷深度量測、觀測之主要沖刷監測系統，而以內視攝影機、手持式水下攝影機及鉛錘作為輔助性之沖刷深度量測，並藉由初步試驗估算土壤參數條件，進行破壞模式之計算，破壞模式區分為土壤承載力破壞、水流作用力傾倒破壞及基礎掏空之不穩定傾倒破壞進行分析，以計算縮尺橋墩於沖刷試驗中達到破壞傾倒時之安全係數是否達臨界標準，介以驗證參數分析及破壞模式之考慮，以提供跨河橋梁安全評估及封橋預警之標準建立。本研究已藉由實驗室重現現地系統沖刷監測之可行性，所使用之安全係數分析理論已可在縮尺沉箱模型之沖刷倒塌破壞試驗中，預測其傾倒破壞時之沖刷深度範圍，且應用於縮尺橋墩模型之沖刷監測計可提供足夠之倒塌預警。關鍵字：沖刷監測、橋梁結構安全性、縮尺模型沖刷試驗、倒塌預警. I .

(3) ABSTRACT Taiwan is the island which is well known for its distinctive topography features. The central mountain range bisects the land from north to south resulting in most rivers have short courses and rapid streams. As a result, the scour effect could be seem as a critical problem for the bridge structure as the scale of natural disasters increase. The growing amount of bridge failure events in Taiwan due to typhoons and floods in recent years causing the public pay more and more attention towards the bridge safety under natural disaster, and the government and related organization also put a lot of efforts on such problem. This dissertation applies five kinds of sensing units which is based on the same sensing mechanism of developed scour monitoring. system. to. laboratory. experiments.. Sensing. units. includes. micro-electro-mechanical systems based pressure sensors, vibration-based detection sensors, floating ball, inner camera and handheld camera. The main purpose of this research is to verify the feasibility of developed monitoring system and to establish a warning benchmark by conducting the various test using reduced scale bridge structure model in laboratory. The feasibility of the developed monitoring system has been verified in laboratory by several experiments. The scour depth measurement by using accelerometers and the floating ball have been successfully applied to experiments, and it could be observed and confirmed that the scour depth can be regarded as the major parameter for the safety evaluation of caisson foundation bridge. Modes of scour failure for bridge structure are complex with many uncertainties, but the proposed sensing mechanisms for scour early warning could be achieved. Keywords: Scour monitoring, Bridge stability, Bridge scour experiment, Safety early warning. II .

(4) 目錄摘要 ....................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................ II 目錄 .................................................................................................................... III 第一章導論 ......................................................................................................... 1 1.1 前言 ......................................................................................................... 1 1.2 研究動機與目的 ..................................................................................... 3 1.3 研究內容架構 ......................................................................................... 6 第二章文獻回顧 ............................................................................................... 10 2.1 國內橋梁沖刷現況 ............................................................................... 10 2.2 沖刷破壞機制 ....................................................................................... 14 2.2.1 河川沖刷基礎受災機制 ........................................................................... 14 2.2.2 橋墩沖刷破壞機制 ................................................................................... 20 2.3 現有沖刷監測技術[6] .......................................................................... 29 第三章縮尺橋墩沖刷試驗建置 ....................................................................... 63 3.1 前言 ....................................................................................................... 63 3.2 試驗環境與模型建置 ........................................................................... 64 3.2.1 現地橋梁地理資料 ................................................................................... 64 3.2.2 水利規劃試驗所模型建置 ....................................................................... 66 3.2.3 台大水工試驗所 ....................................................................................... 68 3.3 監測設備 ............................................................................................... 69 3.3.1 微機電壓力感測器 ................................................................................... 70 3.3.2 沖刷振動感測計 ....................................................................................... 72 3.3.3 浮球 ........................................................................................................... 75 3.3.4 內視攝影機 ............................................................................................... 77 3.3.5 手持式攝影機 ........................................................................................... 78 3.4 壓力感測計校正與訊號測試 ............................................................... 79 3.5 小結 ....................................................................................................... 84 III .

(5) 第四章安全係數計算理論 ............................................................................. 121 4.1 前言 ..................................................................................................... 121 4.2 安全係數計算理論 ............................................................................. 123 4.2.1 土壤承載力破壞 ..................................................................................... 123 4.2.2 水流作用力傾倒破壞 ............................................................................. 131 4.2.3 不穩定傾倒破壞 ..................................................................................... 133 4.3 安全係數計算結果 ............................................................................. 135 第五章縮尺橋墩沖刷試驗結果 ..................................................................... 148 5.1 前言 ..................................................................................................... 148 5.2 單墩試驗概述 ..................................................................................... 149 5.3 沖刷深度歷時量測 ............................................................................. 151 5.4 沖刷試驗與成果 ................................................................................. 154 5.5 全跨橋梁試驗概述 ............................................................................. 157 5.6 小結 ..................................................................................................... 158 第六章結論與建議 ......................................................................................... 179 6.1 結論 ..................................................................................................... 179 6.2 建議 ..................................................................................................... 180 參考文獻 ........................................................................................................... 181. IV .

(6) 第一章導論 1.1 前言台灣地區中央山脈縱列，將全島分為東西兩側，百分之七十一的面積之地形為高山、丘陵及台地組成，僅有百分之二十九的面積低於標高一百公尺之所謂平地，由於山區地勢陡峻，東西方向狹窄，所以大部分河川均呈東西向流向，坡度大流路短，水流湍急，侵蝕劇烈，一旦集水區降下暴雨或豪雨，山洪直瀉而下，導致洪水漲退十分迅速；氣候方面，台灣位處北半球太平洋西側，冬季氣候降雨受東北季風影響，而春季主要的天氣系統為鋒面，因冷氣團與暖氣團交互作用下，暖空氣爬升遇冷凝結而降雨，當冷峰與暖鋒勢力相當時則會形成滯留峰，在交界面形成大範圍且持久之降雨帶，此即為台灣五、六月份梅雨季節成因，而夏季時潮濕的西南氣流常會引起豪大雨，另一主要降雨來源為颱風，北太平洋西部颱風發生的頻率平均為每年 23 個，其中颱風強度達中度颱風者有 16 個，而屬於侵台颱風(中心登陸臺灣或由附近海上通過陸上報出有災情者)者約占 1/8，平均約為 4 個，近 50 年發生的頻率呈每 10 年減少 0.5-0.8 個的趨勢下降，但如就侵台颱風頻率看，則是屬每 10 年增加 0.1-0.3 的趨勢[1]，梅雨及颱風為台灣提供豐富的水資源來源，大量的地表逕流卻也常帶來洪水、土石流等災害。近年來因極端氣候現象日漸顯著，謝龍生等(2004)指出，根據聯合國「政府間氣候變遷問題小組」(IPCC)(1995，1996，2000) 科學家分析，發現全球平均地面氣溫自 19 世紀以來上升了 0.3 至 0.6℃，最近 40 年則上升了 0.2 至 0.3℃，全球平均雨量在 20 世紀增加了 1%。洪水及乾旱等自然災害規模較過去更加劇烈，例如 91 年之旱災缺水事件，89 年象神、90 年潭美、桃芝及納莉等颱洪事件，在無法達成人定勝天之理想目標下，人類如何順應自然能夠事前避免居住生活於危險區域就成為很值得探討的議題，然而，台灣河川及其大小支流密布，跨河橋梁對於聯絡各地交通路網是不可或缺的重要公共設施，面對大自然不可小覷且難以捉摸的力量，如何對橋梁進行監測，在其破壞倒塌前提供預警，避免人民生命財產損失，是非常迫切需要解決的問題。莫拉克颱風於民國 98 年 8 月 4 日在菲律賓東北方約 1000 1 .

(7) 公里海面上形成，5 日增強為中度颱風向西逼近台灣地區，中央氣象局於 8 月 6 日 8 時發佈陸上颱風警報，8 月 10 日 5 時解除陸上警報，期間帶來大量降雨，許多地區創下打破歷史記錄之累積雨量，其中 7 日至 10 日間於嘉義縣阿里山鄉及竹崎鄉、高雄縣桃源鄉及屏東縣三地門鄉地區累積雨量均高達兩千五百毫米以上，造成中南部山區溪水暴漲及大量山區土石崩塌流失，可稱上台灣近百年來災害最慘重的一次風災，人員傷亡亦十分慘重，洪水及土石流亦沖毀許多道路、河堤、橋梁等許多民生公共設施，還包括大規模滅村的慘劇，此次風災造的災害相較於 85 年賀伯颱風、90 年桃芝颱風、93 年敏督利颱風及 97 年辛樂克颱風皆更加慘重，更突顯大自然的不確定性及建立災害預防機制的重要性。聯合國「政府間氣候變遷問題小組」（IPCC）於 2007 年公佈的「第四次評估報告」顯示，氣候變遷可能對全球帶來衝擊，衝擊幅度主要與暖化程度有關。由於全球暖化氣候變異，未來每年侵臺的颱風數可能增多，且降雨量、降雨強度亦可能超出預期；加上 921 大地震後河川上游土石更加鬆動，豪雨季節的大水挾帶大量土石將造成的衝擊與沖刷現象，以上種種不利因素，如產生超過原先橋梁設計的預期，即可能產生橋梁斷橋事件。交通部原預定 6 年投入 118 億元辦理「省道老舊受損橋梁緊急改建計畫」進行省道老舊或經調查受損之橋梁整建，因 97 年 9 月辛樂克颱風造成后豐大橋斷落事件，行政院將老舊危險橋梁列為施政之重要項目，於是縮短工期並增加經費擴大辦理老舊受損橋梁改建，並於今年三月初完成全省 47 座橋梁老舊橋梁，可見各方壓力下政府已更加重視橋梁安全問題，台灣尚存許多老舊橋梁，且橋基裸露是目前最嚴重的橋梁安全問題，主要肇因為橋墩局部沖刷所引起，監察院調查報告指出河川橋梁之沖刷問題研究，尤其是即時沖刷監測技術之開發非常重要，應特別投入人力與物力進行開發研究；交通部運輸研究所亦指出由於橋梁管理養護及巡查人力有限，及鑑於近年來有用路人於不知已發生斷橋仍繼續進入該橋之情形，而需進行研發橋梁斷橋警示系統，以協助部屬機關橋梁管理養護人員於到達該橋進行相關作業前，提早發揮預警功能告知用路人橋梁已有危險而改道避免通過。 2 .

(8) 1.2 研究動機與目的自古以來人類總是不斷的尋找與拓展熟悉環境外的世界，為了增進生活品質而來往於各地，美麗多變的地形、地貌則將大地雕塑成五彩繽紛、形形色色的樣貌，卻也對欲行走於大江南北的人類提供了不少的挑戰，道路的興建連接起聚落、鄉村、鄉鎮與城市，交通路網隨著路上交通工具的演進而不斷擴增，其中橋梁扮演著跨越河川、峽谷、水路、道路及鐵路等空間障礙的重要角色，台灣四面環海，高山峻嶺、地形崎嶇且溪流密布，依據交通部於 93 年委託台灣營建研究院所做之「高速公路橋梁延壽評估及案例分析」[2]研究報告內容指出，台灣地區約有兩萬零一百八十四座橋梁，於民國 99 年之統計，屬公路總局管轄之橋梁分別為省道橋梁 2696 座、縣道橋梁 1559 座、鄉道橋梁 5307 座及專用橋梁 84 座，國道等級以上之橋梁超過兩千餘座，其中跨河段約一百一十餘座，突顯橋梁在台灣交通路網中的重要性，但除氣候降雨因素外亦因位處颱風路徑要衝，夏秋之際常有豪雨成災、洪水氾濫而致使跨越河川或溪谷之橋梁遭洪水或土石流沖毀，然而，在橋梁破壞卻往往是毫無預警的發生，導致仍在橋梁上行駛之車輛或不清楚橋梁已經損壞之用路人墜入水中，造成無法彌補的悲劇。民國 89 年 8 月碧利斯颱風過境導致高屏大橋無預警之突然陷落導致十六輛車輛墜落高屏溪中，三十人輕重傷；民國 97 年 9 月辛樂克颱風侵台，由於先前同年 7 月卡玫基颱風與鳳凰颱風帶來的豪雨加劇基礎裸露，以及此次颱風造成的洪水，因河床落差與自來水管埋設導致之跌水沖刷最終造成后豐大橋不幸於封橋前倒塌，造成三車六人墜落，震撼全台；民國 98 年莫拉克颱風襲台，致使雙園大橋斷橋四百餘公尺，造成六車十人罹難。一次又一次因無預警導致的悲劇致使政府更加提升對老舊橋梁維護及橋梁健康診斷與長期監測的重視，高屏溪大橋斷橋後，交通部曾對其所管轄的七千五百八十座鐵公路橋梁進行安全檢測，其中公路橋梁有三十四座、鐵路橋梁有七十六座受損，公路橋梁部分僅六座為橋梁裂化、超載或地震造成損傷，期於二十八座受損原因為河川沖刷所至，此外，由公路總局所做之台灣地區省道公路天然災害損失經費統計(圖 1.1)，截至民國 96 年底，橋 3 .

(9) 梁損壞情形及損失程度由歷年颱風及水災所造成者最為嚴重，當集水區降下豪雨匯流成洪衝擊橋梁，在洪水或土石流衝撞下可能因梁結構年老失修，在材料劣化強度不足之情形下發生結構破壞，然對於結構強度完整之橋梁亦會可能因沖刷嚴重而引起不同的破壞模式，水災引發橋梁破壞主要是由於沖刷所致，基礎受到一般沖刷、局部沖刷、束縮沖刷、跌水或水躍沖刷、側向侵蝕或河床之深槽移動等等不同之河川沖刷受災機制之沖刷行為，導致河床面高程下降，最終基礎埋置深度不足而引致橋梁基礎不穩定傾倒，或因土壤貫入深度不足致使承載力不足而破壞，破壞起因並非由一固定單一因素造成，颱洪或豪雨來襲前或於期間之水文及水理情形，橋址處河川水力、地質及地形條件，橋梁本身基礎情形如基礎是否裸露、基礎型式為淺基礎或為擴展基腳、橋梁所處位置是否為河川匯流或彎道處、河道是否有相對侵蝕弱勢面等等複雜且不易精準確實掌握之資訊。影響沖刷致災的變因種類繁多複雜，但最直接影響橋梁結構安全性者即為颱洪及豪雨來襲期間，橋梁之即時沖刷深度，亦及橋梁結構基礎之剩餘覆土、埋置深度，此即關係著橋梁穩定性是否足夠之關鍵，因此國內外專家、學者及研究團隊針對沖刷深度之量測研就已行之有年，一般來說，橋梁系統之橋梁系統之安全監測及預警系統之可靠度與穩定性，涉及監測系統之選擇、監測項目或種類、監測預警基準之研究與探討、感測器之安裝方式與校正維護及量測得之物理量應如何透過經驗或學理分析後之資料詮釋等，本研究即以實驗室沖刷試驗針對以上項目進行探討及驗證。現地跨河橋梁受流水衝擊力量之大小變動不一，以及河床高程變化造成基礎裸露，影響對於結構穩定之相關因素，因現場影響因子及其相對變異性大，實在難以準確掌握預估，因此相關穩定理論欲應用於現地橋梁沖刷災害評估前，需藉由實驗室試驗進行驗證，因此本研究於實驗室建構橋梁結構模型試驗，配合水工模擬，回歸驗證計算分析所採用之基礎穩定理論，並由相關試驗資料，驗證現行橋梁基礎結構防災警戒與行動值訂立之合理性及可行性。本研究試驗裝置包含橋梁基礎結構模型及水工試驗水槽，配合本團隊開發 4 .

(10) 之沖刷監測計之沖刷量測機制量測即時沖刷深度，來界定橋梁結構使用安全程度，確立其安全性標準，針對沖刷監測計所量測得之即時沖刷深度回饋計算得橋梁結構之即時安全係數變化，並可得其臨界破壞狀態時之安全係數以驗證分析計算所考慮之條件、採用之參數與所考慮破壞模式之合理性，如圖 1.2 所示，在沖刷歷程中經由沖刷計可量測得即時沖刷深度，經由計算可得該時間剩餘安全係數，當橋墩倒塌破壞時安全係數理論上應為 1.0，此外實驗過程中沖刷計對沖刷深度之即時量測亦同時驗證本團隊於現地橋梁沖刷監測所使用之沖刷監測設備之可靠性，提供一有力且明確之實驗驗證。本研究於實驗室試驗中應用本團隊所開發之沖刷監測方法，使用浮球、內視攝影機、壓力感測計及以加速度計原理製作之沖刷振動感測計，安裝於沉箱式基礎之縮尺橋墩模型，並於縮尺河道模型中進行沖刷試驗，監測系統之選用是以現地橋梁監測系統之沖刷監測計之量測機制為主，於縮尺模型中實證其沖刷量測機制，並利用無線感測網路技術進行沖刷監測，不同感測器對沖刷深度變化之感測機制不同，由感測器所量得之電壓訊號，經由線路傳輸至資料傳輸節點，再經由無線網路傳輸協定規格為 IEEE802.15.4(ZigBee)之無線傳輸至閘道器傳回主機，經由電腦螢幕觀察即時沖刷深度變化行為，沖刷監測方法示意如圖 1.3 所示。. 5 .

(11) 1.3 研究內容架構本研究架構如圖 1.4 所示，首先介紹研究背景與動機，引用參考文獻簡介台灣跨河橋梁受沖刷之嚴重性及歷史重要沖刷導致橋梁破壞之案例，而為減少或降低在災害中人民生命財產損失程度至最低，則突顯出進行沖刷監測以供預警之急迫性及重要性，本研究則針對驗證沖刷監測系統之可靠性及所使用安全係數可行性進行探討，首先以縮尺橋墩模型之倒塌試驗確立其受沖刷下之行為及倒塌機制，運用了五種監測設備以獲得即時沖刷深度資訊，單橋墩之破壞模式確立後及可進行全跨橋梁之沖刷破壞模式探討，最後對於實驗結果進行討論，提供實際應用於跨河橋梁受沖刷下之安全性評估，並且對於橋梁在不同沖刷程度下建立一套安全標準，以提供預警封橋之用。本研究對於上述內容分為六個章節分述如下：第一章導論：介紹研究背景與動機，本研究之研究目的。第二章文獻回顧：本章分為三個部份，首先回顧近十五年來台灣地區橋梁沖刷現況，引用參考文獻舉出較嚴重的沖刷引致橋梁毀壞之案例，而後介紹沖刷致災原因，分為兩個部份分別為沖刷受災機制以及橋墩沖刷破壞機制之整理，最後簡介國內外現有沖刷監測系統。第三章縮尺橋墩沖刷試驗：本章簡介本團隊於國道一號大甲溪橋梁所設置之沖刷監測系統，進而描述縮尺河道及橋墩模型之建置；介紹本研究使用之五種沖刷監測計及設備，並且於水工試驗所進行測試及校正。第四章安全係數計算理論：本章介紹計算破壞模式之參數及細節，對參考文獻中之計算理論增加並作修改符合試驗需求。第五章縮尺橋墩沖刷試驗結果：介紹單墩及全跨橋梁沖刷試驗之試驗配置，並以沖刷深度歷時曲線量測與倒塌破壞案例分析比較以確立沉箱基礎之沖刷破壞模式，及驗證安全係數計算方法是否合理。第六章結論：綜合本研究之論述對前各章節做一總結與討論，並闡述未來研究方向、展望與建議。. 6 .

(12) 圖 1.1 台灣地區省道公路天然災害經費統計[3]. 圖 1.2 沖刷深度對應橋梁結構安全係數評估示意圖. 7 .

(13) 圖 1.3 沖刷監測方法示意圖. 8 .

(14) 背景與動機橋梁監測系統感測系統機制. 安全係數 . 縮尺橋墩模型倒塌試驗 . . . 手持式水下攝影機. 內視攝影機. 浮球系統. 沖刷振動感測計. 壓力感測計. 縮尺全跨橋梁監測預警試驗結果與討論研究應用跨河橋梁安全評估. 封橋預警標準建立. 圖 1.4 論文研究架構示意圖. 9 .

(15) 第二章文獻回顧 2.1 國內橋梁沖刷現況台灣地區地處北半球太平洋海域西側，以北迴歸線為分界以北為亞熱帶氣候，以南為熱帶氣候，在冬季時下雨的主要原因是受到東北季風的影響，在東北部的迎風面下雨的機會最大，西南部降雨較少，為枯水期。春季時主要的天氣系統是鋒面，而夏季時潮濕的西南氣流常會引起豪大雨，到了秋季時天氣又會逐漸開始受到東北季風的影響；五、六月開始的梅雨季，七至九月之颱風季為台灣重要的水資源來源。然而因位處菲律賓海板塊及歐亞大陸板塊交界處，形成中央山脈等高聳陡峭之南北走向山脈系統，河川多呈東西走向且坡陡流急，因河流及其支流密布，橋梁在連接各地的交通路網中扮演極其重要的角色。民國 80 至 86 年間，由於砂石產業以開採河川砂石為主要供應來源，已造成台灣本島西部流域中下游河段河床高程嚴重下降，再加上氣候及地形特性，每逢颱風豪雨侵襲，原已裸露之橋墩基礎更如風中殘燭般危機重重，如造成橋梁傾斜、倒塌至輕則交通中斷，重則對人民生命財產造成莫大的損失。以下參考「鐵路橋梁過河沖刷段橋墩與基礎結構系統檢測技術之研究」[4]，簡述近十五年來台灣橋梁基礎沖刷破壞案例。 (1) 民國 85 年 7 月 31 號至 8 月 1 號賀伯颱風襲台，造成新竹縣內灣支線油羅溪鐵路橋與上坪溪竹東鐵路橋、新竹市北之頭前溪大橋、南投縣信義鄉土石流危險區之十八重溪橋、新興橋、陳有蘭溪橋、神和橋、桐子林橋、隆華橋、高雄縣六龜鄉之寶來一橋、美濃鎮之高美大橋、里港鄉之里港大橋等多座重要橋梁被沖毀、嚴重下陷或傾斜。另外，桃園大溪鎮之台四線大溪橋、武嶺橋、北二高大漢溪橋、柑園大橋；高速公路頭前溪橋、大安溪橋、大甲溪橋；以及濁水溪流域的中沙大橋、溪州大橋、西螺大橋、自強大橋；高屏地區之里嶺大橋、高屏大橋等數十座橋梁均發生橋基嚴重裸露、危及橋梁安全之災情。除因降雨集中(24 小時內帶來 1748.5mm 之雨量) 外，大多肇因於西部主要流域中下游河床面持續下降，致使各大橋梁橋基嚴重裸露而造成洪流下橋梁受損。賀伯颱風過境期間，洪水沖刷屏東縣里 10 .

(16) 港鄉台 3 線里港大橋，嚴重局部沖刷致使橋基裸露，終致橋梁倒塌斷裂，如圖 2.1 所示。賀伯風災過後，可見國道一號橫跨彰化縣溪州鄉與雲林縣西螺鎮之中沙大橋 P34~P39 橋墩，受到洪水侵襲而致保護工受損，如圖 2.2 所示。 (2) 民國 86 年 3 月 14 號位於東勢鎮與石岡鄉間台三線東豐大橋 P4b 淺基礎橋基，因沖刷導致貫入深度相對不足而倒塌，如圖 2.3 所示。 (3) 民國 87 年瑞伯颱風造成新竹縣橫山鄉新興大橋、台 3 線油羅溪大橋、台 3 線竹東大橋、縣 123 線竹林大橋、竹 48 線中正大橋、中山高頭前西橋、台 1 線頭前溪大橋、苗栗縣獅潭鄉舊汶大橋、縣 145 線西螺大橋、台 19 線自強大橋、嘉義縣中埔鄉心上橋及台中縣太麻里鄉北里橋等橋梁受損，北里橋災況如圖 2.4 所示。頭前溪竹林大橋於颱風通過後，橋址處發生側向侵蝕破壞，如圖 2.5。 (4) 民國 89 年 8 月碧利斯侵台，造成縣 145 線西螺大橋、台 19 線自強大橋及台 1 線高屏大等橋梁毀損，其中高屏大橋落橋事件震撼全台，於 8 月 27 號下午三點左右，連接屏東縣、高雄縣市的重要交通孔道高屏大橋位在橋中點處的第二十二號橋墩橋基下陷，並在強勁的河流沖激下移位斷裂，長約 100 公尺的橋面斷裂，衝入河中，其中近高雄縣一側的橋面整個坍落河面，屏東縣側橋面呈現 70 度傾斜伸入河床，橋面上 16 部大小型車輛及一部機車跟著掉落河裡，造成 30 名民眾輕重傷，受災情形如圖 2.6 至圖 2.8 所示。 (5) 民國 90 年 7 月底桃芝颱風過境，造成中二高濁水溪橋、台 21 線新中橫公路十八重溪橋、陳有蘭溪橋、筆石橋、望鄉橋、松泉橋、神和橋、愛玉橋、縣 151 線初鄉橋、縣 145 線西螺大橋、縣 185 甲線高美大橋等橋梁損毀，中二高濁水溪橋 P25L 橋基裸露，且表面受到磨蝕導致鋼筋裸露，如圖 2.9。 (6) 民國 93 年 7 月敏督利颱風造成七二水災，於高屏溪流域高雄縣桃源鄉累積雨量達 2164.5 毫米，造成高雄縣六龜鄉東溪大橋斷裂，六龜大橋 P2 橋墩下陷 25 公分，國道 4 號台中環線神岡高架橋橋基裸露。敏督利颱洪(洪 11 .

(17) 峰流量 8050cms)通過國道一號中沙大橋，因下游側之柔性攔砂堰潰決造成河道向源侵蝕，上下游河床坡度改變以致 P23~P30 橋墩基礎外露 1~4 公尺沖刷深度，如圖 2.10 及圖 2.11 所示；圖 2.12 圖 2.12 為國道 4 號神岡高架橋於颱洪沖刷後基礎裸露及路堤沖刷之情況。 (7) 民國 93 年 8 月艾利颱風造成苗栗縣台 6 線龜山大橋 P2 橋墩下陷 3.1 公尺，造成 50 公尺長之橋面坍塌，如圖 2.13。 (8) 民國 95 年六九豪雨，大台中生活圈與卓蘭鎮的交通樞紐台 3 線蘭勢大橋 P5R 橋墩，承受不住大安溪洪水，倒塌而使橋面斷裂呈 V 型陷落，造成一人死亡，災況如圖 2.14 所示。 (9) 民國 97 年 9 月 14 號辛樂克颱風登陸台灣，在中台灣降下超大豪雨，大甲溪溪水迅速暴漲，水位接近警戒線位置，而 2006 年曾被公路總局列為危橋的后豐大橋，於晚上七點時先封閉往豐原的路段，但是往后里方向的路段未及時封閉，之後不幸前往后里方向的橋墩突然傾斜，約有 40 公尺長， 13.5 公尺寬的路面坍塌，轎車、計程車和休旅車 3 台分別先後隨斷橋掉入湍急的溪中，而大概在晚間九點多，往豐原之路面也部分呈塌陷狀態。造成此次斷橋事件的原因據調查是以河床落差與自來水水管埋設產生的落差約四、五米水躍沖刷加速基礎裸露而使橋墩崩塌可能性居高，截至 9 月 20 日為止 2 死、4 失蹤，災況如圖 2.15。另一方面，由於八掌溪溪水暴漲，造成嘉義台 18 線阿里山公路上五虎寮橋橋梁斷裂，如圖 2.16，另兩座一樣為省道橋梁之台 21 線牛眠橋及台 20 線甲仙橋在此次風災中亦無倖免。 (10) 民國 98 年 8 月 7 號莫拉克颱風於花蓮縣登陸，8 號下午由桃園縣出海，停留時間不長卻造成台灣五十年來最嚴重的水災，又因為在 8 月 8 日莫拉克於中南部多處降下刷新歷史紀錄之豪大雨，故亦稱八八水災。截至 9 月 8 日為止，已至少造成 673 人死亡、26 人失蹤。莫拉克颱風在 6 號至 9 號間為台灣帶來大量降雨，尤其在南台灣，嘉義、高雄及屏東地區累積雨量超過 2500 毫米，接近年平均降雨量，高強度、集中度的降雨造成嚴重土砂及淹水災害，其中高屏溪流域上游區域那瑪夏鄉、甲仙鄉、桃源鄉、六龜鄉及茂林鄉災情相當慘重，沿台 20 線、台 21 線、台 27 線及台 27 甲線等公 12 .

(18) 路多座橋梁受損或沖毀、流失。截至 98 年 8 月 20 日止全台統計毀損橋梁數量共 114 橋梁受損，其中斷橋即高達 58 座，包括省道橋梁 47 座、縣道橋梁 3 座、鄉道橋梁 2 座及鐵路橋梁 6 座。其中，雙園大橋斷橋事件震撼國內外，雙園大橋全長共 2083 公尺長，在洪災中橋樑受洪水沖斷的部分，第一次是先從中間的 P5 橋面到 P15 的橋面遭洪水沖斷，到了凌晨 4 時左右 P2 到 P5 的橋面也被洪水沖垮，全長總共斷了 465 公尺、14 個橋墩、15 個橋面，災況如圖 2.17 及圖 2.18。. 13 .

(19) 2.2 沖刷破壞機制 2.2.1 河川沖刷基礎受災機制一般而言，橋梁基礎破壞主要乃因橋基處河床遭水流掏刷導致橋基裸露，造成基礎受力行為與初始設計行為不同，當超過其容許應力或承載條件時橋墩即達破壞，故本節首先概略介紹河床沖刷行為，河床沖刷大致可初步分為一般沖刷與局部沖刷，無論河道中是否有結構物或任何阻擋在水流作用下均會產生一般沖刷，當水流至橋墩前緣，因向下射流產生局部沖刷對橋基安全性影響甚大，此外水流經橋墩中間則因通水面積減小而產生束縮，此部分一般歸類於局部沖刷內，沖刷分量及示意圖如圖 2.19 及圖 2.20 所示。根據林呈於 1998 年接受交通部運輸研究所委託研究而提出之「本省西部重要河川橋梁基礎災害分析與橋基保護工資料庫系統之建立」[5]報告，目前國內河川橋梁常遭遇之沖刷危害原因可大致分為：砂石開採、一般沖刷、局部沖刷、束縮沖刷或保護工未合攏、跌水沖刷、向源侵蝕、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、開挖導水路導致河道變遷、軟岩之風化與沖蝕、河道匯流、橋基貫入深度相對不足、導水路之開挖挑水等因素，就各項致災原因根據此報以及范文綱論文「橋梁基礎局部沖刷監測與安全預警系統」[6]簡要說明如後。 (1) 砂石濫、盜(超)開採：砂石開採對橋基與橋基保護工最重要之負面影響，為河床的下降導致橋基的嚴重裸露甚至破壞與橋基保護工的崩毀或受損。這是由於多數河段之砂石濫開採形成多處的採砂坑，這些採砂坑使上游隨洪水流動的卵礫砂石大量沈積於採砂坑內；相對而言採砂坑下游處之河床砂石來源的補充減少，又洪流通過採砂坑下游部分時水深由大變小產生水流加速及沖刷下游河床，而造成多數河段河床高程下降。 (2) 一般沖刷：不論有無橋墩或水中結構物之設置，水流對河床造成河段之高程下降的情形，可分為短期或長期的沖刷。其中短期的一般沖刷為在單一個或數個接連的洪水事件沖刷下，所形成的河床下降，此一類型的之沖 14 .

(20) 刷成因包括：河川砂石開採、水流聚合與河川淨寬不足、辮狀河道中發生之深槽移動及底床型式之遷移改變。至於長期的一般沖刷則相對具較長之時間尺度，其成因可能與河川取水工或堰壩之設立，造成輸砂來源減少，或下游側放水沖刷、長期高流速的自然侵蝕、河川砂石開採、或保護工之設置不當、截彎取直後導致河川坡度的增加、河川地進行墾殖或動物隻放牧豢養、郊野都市化後之逕流增加等因素相關。 (3) 局部沖刷：是指由於橋墩或水中結構物的存在對水流產生局部阻礙或干擾的現象，並進而造成局部河床之沖刷侵蝕與高程下降的情形。若就橋基或橋台的局部沖刷而言，則專指橋基或橋台對水流造成的干涉作用，當水流流經橋墩，因為橋墩阻礙了水流，使得水流結構發生了變化，並導致局部沖刷的發生。橋墩附近之流場大致可分為下列四種流況： 1. 墩前壅水: 沿橋墩迎水面，水流受阻後部分動能轉換為位能，由縱剖面來看，水流將形成一分界面，分界面以上的水流受阻後導向水面，造成接近水面處湧波的發生，其後隨著水流改變方向而形成小型漩渦。 2. 向下射流：當水流衝擊橋墩時，會在橋墩面上產生一停滯壓力，且由於垂直流速分佈由水面向下遞減，故壓力亦向下遞減而造成一壓力梯度，因而形成一向下射流。 3. 馬蹄形渦流：由向下射流與受橋墩影響而改變方向的二次橫向水流相互作用，所產生之三維性渦流，其由橋墩迎水面開始產生，沿著橋墩邊緣向下游傳遞，因流線形狀之故稱之為馬蹄形渦流。 4. 尾跡渦流：當水流流經橋墩後，在墩後下游側壁面會產生分離現象，導致速度剖面發生不連續面，而出現小渦流，在靠近底床處，此種渦流和馬蹄形渦流交互作用，使得水流尾跡產生側向與垂直方向之游移擺動。此種渦流系統產生的低壓中心，可將泥沙顆粒向上帶起而帶至下游處淤積，稱為尾跡渦流。上述四種流況中以向下射流與馬蹄形渦流為造成橋墩局部沖刷主因，裸露橋基沖刷流況如圖 2.21 所示。 (4) 束縮沖刷：束縮沖刷一般係指橋梁的引道與橋台延伸進入河川之行水區 15 .

(21) 域內以致佔據部分之河寬，或由於橋基、橋墩之設置形成阻水效應，造成水流之通水斷面積減小，因而導致迴水效應，且通過橋址處之流速增加，進而對河床所衍生之沖刷現象。另外橋基保護工在施工期間甚至是完工後存在保護工未合攏或存在缺口，又遭遇梅雨颱風所帶來的洪水沖擊的情況下，由於已施作保護工之區域是為抵抗洪流沖刷之強勢區域，而未合攏段則為抵禦沖刷之弱勢區域，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一般，因而在未合攏段或缺口處亦具有束縮沖刷的效應存在，如圖 2.22 所示。 (5) 跌水或水躍沖刷：橋基保護工的設置若是不妥當，可能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，但在下游側卻由於保護工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導致跌水沖刷、水躍沖刷而形成沖刷坑的現象，可能因此引致保護工或堰體破壞，跌水沖刷如圖 2.23 所示，因跌水導致剛性堰體破壞情形如圖 2.24 所示。 (6) 向源侵蝕：係由於河床受水流的侵蝕作用為由下游往上游方向發展而稱之。向源侵蝕常伴隨某些外在條件發生，並非大多是在水流沖刷下直接形成的結果。如中下游河段因一般沖刷而造成河床下降，亦造成河川上游段的坡度調整及高程變化；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；束縮沖刷或保護工未合攏形成缺口導致深槽向上游側延伸發展；河道通水斷面嚴重不足形成水流加快，增加沖刷潛能，導致向上游側刷深河床；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；其他如河床上軟岩風化沖蝕與河道匯流也可能會造成向源侵蝕的現象，典型向源侵蝕致災示意如圖 2.25。 (7) 側向侵蝕：側向侵蝕係指水流朝岸側方向侵蝕的情形。一般沖刷所造成之縱向河床刷深，亦常伴隨側向侵蝕的情形，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，隨著兩側高灘地流失，水流加速沖蝕保護工兩側形成缺口處，將引致保護工破壞及岸側集中沖刷現象，如圖 2.26 所示。前述大量開採砂石形成的採砂坑，除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 16 .

(22) 沖蝕後崩塌流走，此因也是側向侵蝕的一種特殊過程。 (8) 大尺度二次流侵蝕：係指由於保護工的施作造成側向侵蝕，或由於洪汎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。 (9) 通水斷面不足或通水寬度太小：一般在河道窄縮處或主河道之深槽區寬度僅佔整個河寬的小部分時，就容易形成通水斷面不足或通水寬度太小的情形。其結果常導致洪峰通過時水位暴漲及水流加速的情形，因而伴隨形成一般沖刷、局部沖刷、束縮沖刷、或側向侵蝕等致災因素。當兩岸皆以設施堤防或導流工或有延伸進入河道之引道或橋台，即兩岸皆已受侷限時，洪水通過橋址時甚易造成水流速度的加快，此即增加局部沖刷潛能。 (10) 流石或流木之撞擊與磨損：上游山區粒徑較大之岩石及落入水中之巨木及樹枝被水流帶往下游，或是在高速洪流的作用下河床上之卵礫石被帶動翻滾，以懸浮載或推移載的方式往河川下游輸送，以山區或卵礫石層所構成之河床上的橋基或橋基保護工，容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 基樁作為橋梁之基礎構成極大的威脅，漂流木淤掛於橋墩可能阻擋水流下造成水對橋梁的推力增加，此外亦可能會造成局部沖刷效應加強，加劇基礎裸露程度，危及橋墩穩定性。 (11) 位於河川彎道處或挑水效應：天然河道的形成常反應出對於存在水流運動與泥砂搬運的環境條件下一種適應過程，易言之，沖積河流通常經由自我調整機制(self-regulatory mechanism)來因應、反應環境的變化。這些變化可能是大自然所引致的，例如氣候或植被的改變，亦可能為人類活動所造成的，例如河道整治、截彎取直、興築堰壩、越域引水、砂石開採、渠道化、河岸保護、橋梁與公路之建設…。這些變化改變河川之平衡狀態，在重新建立平衡的過程中，河川會改變其本身的坡降、粗糙度、底床質粒徑、橫斷面形狀或蜿蜒型式等因素以適應新的環境，維持河川輸砂能力與上游的泥砂供給之間的平衡。大多數的河流具有河彎形態，且其尺寸沿著 17 .

(23) 河道改變，換言之，彎曲河川乃具有沿河道改變幾何狀態、曲率、及水流漸變的特徵。 (12) 軟岩之風化與沖蝕：台灣西部多數流域的中、下游河床質，早期皆是由卵礫石層所構成，厚度一般介於數公尺至數十公尺間。但近十餘年砂石的過量開採或濫盜採與洪水沖刷，導致許多河流流域之主河道河床持續下降甚至岩盤裸露。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，在乾燥或壓密狀態下相當堅硬。因砂石開採及河床下降形同部份解壓狀態，且在乾旱季節時為乾燥風化狀態，而雨季時洪水期間浸沒在水中為濕潤狀態，這樣乾溼交互變化的影響下，乃產生風化與回脹崩解的現象。崩解後之岩體表層已呈支離破碎之片層或塊粒狀，在高速洪水流動作用下易造成表層沖蝕剝離，岩體遭沖蝕後河床高程因而下降。這種情形以軟弱泥岩層遇水不久即行軟化尤為顯著劇烈，在短時間內高速洪流沖蝕下，容易形成縱向河道的急遽深槽化及橫向河道之崩塌，加速縱向及側向侵蝕。 (13) 河道匯流：係指河流的支流與支(幹)流交會處形成水流匯聚增加沖刷潛能的現象。就匯流後之河道兩岸側受制(如已設置堤防)、或河道深槽化的情形來說，常導致水位抬升或流速增大而增加沖刷的潛能，因而形成一般沖刷或向源侵蝕之河床下降，或側向侵蝕岸側灘地使之崩塌流失，而於匯流區域更易造成附近構造物周圍之局部沖刷更加劇烈。 (14) 橋基貫入深度相對不足：就國內早期興建橋梁之時空背景而言，當時無論是處於在沖淤平衡段或是淤積段之主河道，河床高程較高，與當今河床已然大幅下降情形不可同日而語。在當時利用較淺之沉箱基礎或擴展式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情況下，更凸顯出橋基穩定性有所不足，嚴重者尚須進行橋基保護措施。 (15) 導水路之開挖、挑水：此為河川中各種工事所常需進行的前置作業，尤以沿橋址施作橋基保護工時，常將水流挑向另一尚未施作保護工但已開挖導水路的區段或高灘地帶，工程施作期間遭逢豪雨颱洪而未及時完工復原時洪水則會匯聚於相對較深槽的導水路，使人工開挖之導水路因集中水 18 .

(24) 流作用寬深擴大，此可能造成河流改道甚至導致未施作保護工之區段或高灘地帶的橋基嚴重裸露引致災害。此外，施工完成後於橋址處進行回填導水路，如回填作業僅限於橋址附近，對相對以深槽化的導水流路而言，局部回填段以外的下流區域在颱洪中可能因回填段與未回填段之落差引致跌水沖刷或側向侵蝕，而終形成向源侵蝕刷深河床引致橋基災害。 (16) 尾跡渦流沖刷：尾跡渦流一般而言並不會對橋積的穩定性或河床刷深構成威脅，然而當一座橋比鄰另一座橋而建，或同一座橋梁之兩相鄰橋基由於過於接近，或是具有較大之迎水面積及較大攻角時，尾跡渦流造成的沖刷將是一項必須考量的因素，尤其在兩座橋基所產生的尾跡渦流交會處附近的尾跡渦流沖刷效應將會大幅的提升。以上為常見沖刷受災因素，由此可見影響河床沖刷深度及河道變遷的因素極為複雜且又環環相扣，目前計算精度及分析能力尚不足夠涵蓋到所有面向，橋梁設計所採用的原始斷面皆為建橋前所測量的低水或枯水斷面，跨河橋梁設計中，一般不採用上述橋梁跨河處實測斷面，而採用附近水深較大的斷面作為設計斷面，並以斷面最大水深或最大單寬流量作為設計依據，隨著不同沖刷受災機制的發生對橋墩基礎結構造成的影響亦與沖刷水流情況有關，如果沖刷時上游來清水，此時河床必須沖深到流速小於起動流速時沖刷才會終止，故最大沖刷深度應按床沙起動流速計算。另一種是上游來滓水，此時必須通過河床的沖深使水流挾沙能力降低到恢復原有的輸砂平衡，沖刷才會終止，故最大沖刷深度應按水流輸砂平衡計算。隨著沖刷的發展，橋下游河床加深因而過水面積增大，造成流速逐漸下降，待達到新的輸砂平衡狀態或橋下流速降低到土的容許不沖刷流速時，沖刷才算是停止並達到平衡狀態。橋梁基礎沖刷如任由其自然演變不加以治導補救，則在淤積段河道其通洪斷面可能不足，將會危及河道防洪標準及影響橋梁行車安全；如為刷深型河段，水流集中沖刷將造成橋梁基礎深度不足，影響橋梁結構安全。本研究針將對刷深型河段沖刷深度增加對結構安全的危害，在下一小節中將簡介各種因河流沖刷導致橋梁基礎破壞之機制。 19 .

(25) 2.2.2 橋墩沖刷破壞機制跨河橋梁結構體沖刷破壞的起因係基礎周圍河床遭水流沖刷後而造成，橋墩基礎處河床沖刷導致河床面下降，土壤承載力因為有效覆土深度減小而降低，則可能因土壤承載力不足而造成承載力破壞，亦可能在土壤承載力尚未發揮至極限時因基礎掏空而破壞；在颱洪期間除加強局部沖刷作用外，洪水作用力亦會對橋梁結構夠成威脅，如基礎本身設計剪力強度不足以抵抗水流力作用下之側力，或因在水流力作用及河床刷深交互影響下造成橋梁在水流作用力下傾倒破壞；此外，河床沖刷導致橋梁基礎裸露對於以基樁為基礎之橋梁可能在刷沖深度及基礎裸露長度增加的情況下形成挫曲破壞或彎矩破壞，可見橋墩與基礎結構物處河床沖刷深度與橋梁本身安全性及破壞模式息息相關。根據交通部臺灣區國道高速公路局「高科技橋梁檢測系統建置試辦計畫期中報告」[7]及交通部高速鐵路工程局「鐵路橋梁過河沖刷段橋墩與基礎結構系統檢測技術之研究」[4]內對於樁式基礎橋梁破壞模式評估所做的整理，主要可分為基樁承載破壞、基樁周圍土壤剪力破壞、基樁挫曲破壞及剪力、彎矩破壞幾種，分別簡述如下： (1) 基樁承載力不足：樁承載力乃是由樁側的摩擦力及樁底端的點承力所提供，如圖 2.27，極限承載力與樁的斷面積、承載層、樁側之土壤特性及樁的埋設深度等有關，當樁埋設於土壤的深度隨著沖刷深度的增加而減少，使得原本提供抵抗軸向荷重的樁側摩擦力亦隨之減少，在軸力及側向摩擦力間彼此消長的情況如圖 2.28 所示，一旦荷重超過樁的極限承載力時，結構隨即發生不穩定。可用的分析方式有：靜力學分析法─此為由土壤承載力公式及摩擦力貢獻所共同組成基樁極限承載力；現地試驗經驗法─藉由標準貫入試驗或圓錐貫入試驗獲得的土壤性質帶入經驗公式求得；樁載重試驗法─以現場樁進行載重試驗可得直接可靠的結果，然因荷重設備與試樁費用的限制，實際試驗通常無法達破壞之極限狀態，需輔以經驗法則判斷降伏承載力及極限承載力。 (2) 基樁周圍土壤剪力破壞：土壤本身具有抵抗剪力的潛在能力，當土壤抗 20 .

(26) 剪能力完全發揮時，此時土壤就處於剪力破壞的極限狀態，此時的剪應力同時也會達極限，這個極限值即是土壤的抗剪強度。如果土體內某一部分的土壤達到其抗剪強度，該部分即開始產生剪力破壞，當載重持續增加則破壞的範圍也相對的逐漸增加，最終在土體內部產生連續的破壞面，此時整體土壤結構即喪失其穩定性。有關抗剪能力的決定若是無黏性土壤如砂土，其重要因素為其顆粒間的緊密狀態，若為黏性土壤則為軟硬程度亦及與含水量關係密切，一般以莫爾-庫侖的破壞應力包絡線來決定土體元素的受力狀態並判斷是否達破壞狀況，土體應力達極限平衡狀態示意圖如圖 2.29 及圖 2.30 所示。 (3) 基樁挫曲破壞：對橋梁基礎而言，基礎河床土壤受洪水沖刷造成樁帽以下基樁裸露未受束制，使得基樁處於半埋置狀態，當樁帽及包含上構的重量大於樁身臨界挫曲載重作用時則產生挫曲破壞，影響原因主要為軸向荷載力大小、基樁未束制長度及土層種類。 (4) 樁身軀體強度不足破壞：樁基構材主要承受軸力、剪力及彎矩聯合作用，分別依力平衡方程式、材料組成率與變形諧和等力學三大原理，探討樁基礎軸力彎矩及軸力與剪力等之互制特性，並依此發展其間之合成效應，以做為樁體軀體破壞的判定依據。樁主要承受軸力壓力，當側向力作用同時樁所承的彎矩同時也會受到影響，上圖 2.31 為典型 RC 受壓構材的軸力與彎矩交互影響圖，圖中 A 點與 F 點分為代表純軸力及純彎矩作用下之狀態， D 點為平衡破壞即混凝土之極限壓應變與鋼筋降伏同時發生的情況， AD 區間及 DF 區間分屬混凝土受壓破壞控制模式及鋼筋受拉降伏控制模式。沖刷坑形成致使樁基礎增加曝露在水中的面積，水壓力對樁基礎的作用力隨著沖刷坑的深度增加而變大，在垂直作用力改變不大的情況下隨著水流作用力對樁所形成的彎矩增加，軸力彎矩合成效應一旦超出樁體本身的 P-M 交互影響圖則會產生樁體驅體的破壞，如圖 2.32，因此在探討基樁失去穩定性因子時有必要將樁體驅體破壞加以考量。本研究主要研究探討對象為跨河橋之沉箱式基礎，如此可簡化分析且實驗模型建製亦較有代表性，因基礎形狀因素會較群樁式橋墩基礎對不同案例 21 .

(27) 之結果影響較小，並且主要考慮的破壞模式為水流作用力下傾倒破壞及基礎土壤承載力不足破壞兩種，針對此兩種破壞模式進行探討及實驗，以確立分析方法及破壞條件之合理性。本節整理此兩種破壞模式相關的分析方法主要參考蔡益超教授及其學生林高玄、顏宏宇與王仲宇教授及其學生范文綱的文獻[8][9][6]。 (1) 基礎土壤承載力不足破壞：與基樁式基礎不同的地方是就幾何形狀而言沉箱式基礎因其底面積較前者大，因承載面積大則相對而言由底部土壤所提供的承載力貢獻較樁身側壁摩擦力來的明顯許多，因此可忽略樁身側壁與土壤間的摩擦力，如同一般結構物土壤承載力分析程序即可。一般以土壤垂直極限承載力與土壤垂直反應力之比值為安全係數判斷土壤承載力是否足夠；土壤垂直極限承載力的計算則根據內政部營建署之建築物基礎構造設計規範計算。 (S .F .) B . qu q max. (2.1). 其中， (S.F .) B ：安全係數； qu ：土壤垂直極限承載力( tf / m2 )； qmax ：最大土壤垂直反應力( tf / m2 )。. 理論上在傳遞至橋墩基礎底部總垂直作用力造成的反應力等於此時之土壤垂直承載力時，基礎底部部份土壤將達到極限平衡狀態，亦即臨界破壞狀態，安全係數等於 1.0 的情形，應力莫爾圓洽與破壞包絡線相切，基礎底部土壤即將達剪力破壞，而依據不同緊密程度的土壤會有不同的破壞型態，對於緊密砂土或堅硬黏土而言，其破壞方式呈現全面剪力破壞，可能產生連續滑動面延伸至地表，基礎將會傾斜並且周圍地表會有隆起現象；對於疏鬆土壤如緊密度低之砂土或高靈敏性黏土，其會以貫穿剪力破壞之模式破壞，無明顯的剪切滑動面，基礎呈現近乎垂直的方式向地表下貫入，如同產生一瞬時沉陷。使用此公式判斷土壤是否達極限承載狀態之精髓即為如何準確的估算土壤極限承載力及土壤反應力。顏宏宇論文「河川橋梁下部結構之整體耐洪能力評估」[6]中提供了一個針對沉箱式基礎之土壤承 22 .

(28) 載力分析流程，如圖 2.33 所示：上構傳遞至基礎之載重並非只有垂直分力而是因水流力、風力、地震力或橋面之非均勻荷載而在基礎底面形成一反力彎矩，此反力彎矩與垂直載重可等效為一具偏心作用的垂直載重，合理計算基礎底部反應力則必須考慮因偏心作用而減少的有效承載面積 Aeff ，有效承載面積減小是因為此等效垂直載重偏心作用使底部承載面積需跟著調整形心位置於偏心作用載重底下；偏心距 e 等於計算所得基礎底部總彎矩 M 除以計算所得基礎底部總垂直力P 。為得到合理之基礎底部總彎矩 M ，除了計算時考慮的上部結構構各項側向作用力外，亦必須求得基礎側壁之土壤反力分佈，由林高玄[8]開始的研究及顏宏宇[9]的修正，先計算各種作用力及模擬土壤反作用力之土壤彈簧常數輸入 SAP2000 進行有限元素結構分析 53 座橋梁，歸納出沉箱基礎旋轉中心相對於剩餘覆土深度 hleft 與沉箱直徑 D 之比值之間的關係。沉箱基礎在受側向力作用下沉箱頂部總位移量等於整體水平位移 x1 與其整體旋轉角度  造成之頂部水平位移，如圖 2.34 所示，定義一旋轉中心，在其所在深度距離沉箱頂部 x2 的位置為轉點旋轉一旋轉角  造成的沉箱頂部位移為前述之總位移量，即〝整體水平位移 x1 + 整體旋轉角  造成之沉箱頂部位移 = 待求旋轉點距沉箱底深度 x2 * 旋轉角  〞，而後只需考慮沉箱基礎由轉點旋轉  角所造成的合效應即可推之在剩餘深度內之沉箱位移，進而可得知土壤反力，如圖 2.35 所示。跟據顏宏宇[9]分析結果可得此旋轉中心位置與. hleft D. 呈線性關係，故只要得知兩特定. hleft D. 比值下之旋轉中心位置. 即可知整個沖刷深度變化歷程中旋轉點的線性移動關係。林高玄[8]及顏宏宇[9]對於基礎旋轉時側向土壓分佈三角形之底邊土壓數值比例關係歸納出三種情況(如圖 2.36 到圖 2.38)：Case1: 0. 3 . hleft D.  1.3 ；Case3:. hleft D.  1.3 。第一種情況中發現當. hleft D. hleft D.  0.3 ；Case2:.  0.3 時旋轉中心洽. 位於基礎底部；而當在第三種情況下，上部及下部側向土壓分佈三角形之底邊土壓數值為 2:1 之關係，則可知此時轉點位於剩餘覆土深度 hleft 中，距 23 .

(29) 2 3. 1 3. 河床面 hleft 、距沉箱底面 hleft 之位置，根據線性內差可求得各沖刷深度下轉點位置，進而求得剩餘土壤沿深度變化下之側向土壓力大小，旋轉點深度 hr 在. hleft D.  1.3 的情形下皆可由內插或外插求得： 1 h  0 .3 D hr  hc  ( left )1.3 D 3 0 .3 D  1 .3 D. (2.2). 其中， hr ：轉點(旋轉中心)至沉箱頂部距離( m )； hc ：沉箱高( m )； hleft ：河床面至基礎底部距離(沉箱剩餘埋置深度) ( m )； D ：沉箱直徑( m )。. 以下則整理顏宏宇所提出之修正沉箱式基礎快速計算分析法： Case1：. hleft D.  0.3 (圖 2.36). 在這種情況下，旋轉中心的位置位於沉箱底部下方，未知數為 x c1、 xc 2 、 M. ，線性分佈關係可分別求得 xc1 與 xc 2 之關係， xc 2 . hr  hc xc1 hleft  hc  hr. (2.3). 求得沉箱在剩餘埋置深度範圍內之位移分佈後則可以地盤反力係數求得沿深度內之土壤反力， Fc1  K H  ( Bc  xc1 ). (2.4). Fc 2  K H  ( Bc  xc 2 ). (2.5). FH  KS  ( Ac  xc 2 ). (2.6). 利用水平力平衡  Fx  0 ，求出未知數 x c1 ， 1  Fw  Fp  Fc  ( Fc1  Fc 2 )hleft  FH  0 2. 再利用彎矩力平衡  M y  0 ，求出未知數 M ， 24 . (2.7).

(30) 1 M  Fw (hw  hp  hc )  Fp ( hpw  hc ) 2  1 1 2  Fc  (hc  hleft )  (2 Fc1  Fc 2 )hleft 2 6. (2.8). 其中， Fw ：風作用之合力 ( tf )； Fp. ：水流作用在橋柱之合力 ( tf )；. Fc ：水流作用在沉箱之合力 ( tf )； Fc1 ：在河床表面的土壤反力 ( tf m )； Fc 2 ：在基礎底部的土壤反力 ( tf m )；. FH ：在基礎底部的水平土壤摩擦力 ( tf )； hw ：風力之合力中心距離橋柱頂部位置的高度 ( m )； hp ：橋柱高. ( m )；. hc ：沉箱高 ( m )； h pw ：洪水位距離沉箱頂部位置高度. ( m )；. hr ：旋轉中心到沉箱頂部位置的高度 ( m )； xc1 ：基礎在河床表面的水平位移量 ( m )； xc 2 ：基礎在底部的水平位移量 ( m )； M. ：作用在沉箱底部的彎矩 ( tf  m )；. Bc ：沉箱式基礎在行車向的寬度 ( m )； D ：沉箱式基礎在垂直行車向的深度. ( m )；. KH ：水平土壤彈簧之地盤反力係數； K S ：沉箱底部水平摩擦彈簧之地盤反力係數； Ac ：沉箱底部的斷面積 ( m 2 )。. Case2： 0.3 . hleft D.  1.3 (圖 2.37). 在這情況下，轉點位置已經回到沉箱深度範圍內，故求取未知數 x c1 及 xc 2 之式 2.2 有稍微修改。待求未知數為 x c1 、 xc 2 、 M ，利用線性分佈關係，. 25 .

(31) xc 2 . hc  hr xc1 hleft  hc  hr. (2.9). 而利用位移關係求取土壤反力之關係與前例相同，見式 2.4~式 2.6，此不再重複引述，利用水平力平衡  Fx  0 ，求出未知數 x c1 ， 1 1  Fw  Fp  Fc  Fc1 (hleft  hc  hr )  Fc 2 (hc  hr )  FH  0 2 2. (2.10). 再利用彎矩力平衡  M y  0 ，求出未知數 M ， 1 1 M  Fw (hw  h p  hc )  Fp ( h pw  hc )  Fc  (hc  hleft ) 2 2  1 1  Fc1 (2hleft  hc  hr )(hleft  hc  hr )  Fc 2 (hc  hr ) 2 6 6. (2.11). 符號同前。 Case3：. hleft D.  1.3 (圖 2.38). 在這情況下，轉點位於距底部沉箱剩餘埋置深度三分之一的位置，土壤反力分佈三角形底邊壓力大小比值， Fc1 ： Fc 2 = 2：1，沉箱在剩餘埋置深度內頂部位移比底部位移 xc1 ： xc 2 = 2：1， xc 2 . 1 xc1 2. (2.12). 以位移分佈求取土壤反力，利用水平力平衡  Fx  0 ，求出未知數 x c1 ， 1 2 1 2  Fw  Fp  Fc  (2Fc 2 )( hleft )  Fc 2 ( hleft )  FH  0 2 3 2 3. 再利用彎矩力平衡  M y  0 ，求出未知數 M ，. 26 . (2.13).

(32) 1 M  Fw (hw  hp  hc )  Fp ( hpw  hc ) 2  1 1 2  Fc  (hc  hleft )  Fc 2 hleft 2 2. (2.14). 符號同前。在上述三種情形下可計算該沉箱基礎橋墩在特定沖刷深度下出對應的沉箱底部彎矩 M ，除以垂直載重 P 後可得偏心距 e 。以偏心距查表或以公式計算出剩餘有效承載面積 Aeff ，計算出基底土壤反力 q ，除上土壤極限承載力 qu 可得在該沖刷深度下之安全係數 S.F.，藉由訂立安全係數標準來決定結構危害程度。 (2) 水流作用力下傾倒破壞橋墩基礎在水流作用力下之行為已於前敘述，分析時忽略整體水平位移而是採橋墩相對於旋轉中心旋轉  角的方式，推估側壁土壓力分佈，唯與前例不同處是，在計算土壓力時，因破壞模式為傾倒破壞，認定其側壁土壓力皆達被動土壓力，亦即土體內剪應力已達臨界狀態，以被動土壓力公式計算臨界狀態下之土壤壓力分佈，而非如同前例以地盤反力係數模擬彈性狀態下之土壤彈簧。而安全係數定義亦不同，以抗傾倒彎矩與總傾倒作用彎矩之比值為安全係數。 ( S .F .) T . Mr Md. (2.15). 其中， ( S .F .)T ：安全係數； Mr ：被動土壓力所能提供之抗傾倒彎矩( tf  m )； M d ：總傾倒作用彎矩( tf  m )。. 此外，范文鋼對[6]水位高低不同區分為兩種情況，Case1 為水位高於沉箱頂頂部，Case2 為水位低於沉箱頂頂部，受沖刷之橋墩基礎臨界傾倒破壞之系統自由體圖如圖 2.39 所示，以下引述並整理、簡化范文綱[6]論文對抗傾倒檢核之分析，並與前例所用符號統一以便第四章之分析使用。 Case1：水位高於基礎頂部 27 .

(33)  Dc K p d12 d1 2 d d 2   Dc K p d1d 2  2   2 3 2 2 3 (hc  hleft ) h pw M d  Fw (hw  h p  hr )  Fp (  hr )  Fc [  d1 ] 2 2. Mr .  Dc K p d 22. . (2.16) (2.17). Case2：水位低於基礎頂部抗傾倒彎矩 Mr 與 Case1 相同，傾倒作用彎矩部份因水位低於沉箱頂部故無作用於橋柱部份的水流力，作用於沉箱之水流力合力位於一半水深處。 M d  Fw (hw  h p  hr )  Fc [. dw  d1 ] 2. (2.18). 其中，  ：土體單位重 ( tf / m3 )； D c ：基礎迎水面寬度 ( m )； K p ：Rankine. 被動土壓力係數， K p .  1  sin   tan 2 (45  ) ； 1  sin  2.  ：土壤內摩擦角 (°)；. d1 ：河床面到旋轉點之距離 ( m )； d2 ：旋轉點到沉箱底部之距離 ( m )； d w ：水位相對於河床面高 ( m )；. 藉由在分析極限土壤承載力時計算所得之旋轉點深度，可區分出被動土壓作用區域，以計算抗傾倒彎矩，推得在特定沖刷深度、水位、流速下之抗傾倒安全係數。在抗傾倒彎矩部份因沉箱兩側之靜態水壓力相等故互相抵消，計算時必須使用有效應力分析，計算被動土壓力部份需使用土壤浸水單位重，即必須扣除水壓效應。此土壓力分佈在旋轉點上下左右四個方位皆有土壓，其分佈方式如圖 2.40 所示，此部分的分析是忽略主動土壓的部分，唯主動土壓力為傾倒作用力的一部份，故簡化分析結果可能偏不保守，考慮主動土壓力之分析會在第四章介紹，此外，也會考慮土壤極限承載力分析中之沉箱底部摩擦力效應。. 28 .

(34) 2.3 現有沖刷監測技術[6] 即時獲得橋梁沖刷深度資訊是得知橋梁受沖刷安全與否的充分條件，現場橋梁無法如同實驗室般控制各種參數及條件，包括水流、泥沙與礫石顆粒粒徑分佈、橋梁及其基礎型式、載重條件及安全且準確的量測或觀察得知橋梁即時沖刷深度等等，而現場之橋梁之沖刷監測除無前述條件外亦包含了許多大自然的不確定因素，以及對於現場人工量測具高度危險性，洪水期間上游奔騰而下巨大的洪流與夾帶的泥砂，常在整個沖刷歷程中洪水歷線上升段或洪峰處快速達到最大沖刷深度，而當洪水退去時則因流速減慢，顆粒沉積填補而有回淤現象，使沖刷坑範圍與沖刷深度縮小，故若於事後進行量測，則所得之沖刷深度可能過份低估，而可能忽視該次洪災沖刷對橋梁安全的危害性，未對橋梁基礎沖刷進行足夠適當的補救措施。因此，沖刷監測系統與觀測技術若能達成即時監控橋梁安全性，在洪水沖刷中穩定獲得準確且可靠的沖刷狀況資訊是十分重要的。一般來說，建置橋梁結構之長期安全監測及預警系統，是否具有可靠度與穩定性，涉及下列問題包括[10]：（1）監測系統之選擇；（2）監測項目或種類；（3）監測預警基準之研究與探討；（4）感測器之安裝方式與校正維護；（5）量測得之物理量應如何詮釋。目前橋梁監測常使用的感測儀器大約包括加速度計、應變計、位移計、傾斜計、沈陷計、水位計、流速計等儀器，以便對橋梁之地震振動及自然頻率、橋梁結構相對變位、傾斜、基礎沈陷等資料，及河道橋梁斷面處之水文資料進行自動量測，常見河川沖刷監測系統如表 2.1 所示。對於沖刷量測傳統上以標記或人工測桿來記錄沖刷深度的方式精度不佳，量測資料之可靠度不高，且人工監測對工程人員存在著高度風險，近年來國內外針對沖刷深度自動監測儀器主要分為預先埋入式及透過非接觸式進行量測之方法，主要是藉由電磁感應之原理進行橋基沖刷深度量測，另外常用之沖刷深度量測技術有聲納(Falco，2002)、雷達(Millard，1998 及 Forde， 1999)、時域反射(Yankielun，1999)等，近期也有採用光纖感測器進行沖刷量測的技術被開發(Lin，2005)。分別簡述如下： 29 .

(35) (1) 埋設橋址之磚塊：將特別標註之磚塊事先埋設於橋址處附近之河道中，藉由洪水過後沖刷流失磚塊之數量估算河床遭沖刷之深度，屬於早期無任何適當儀器可使用方法，名竹大橋沖刷磚監測配置如圖 2.41。 (2) 無線電小型訊號器：監測儀器具無線電發射功能之小型訊號器，將如同上一方法將之事先埋於河道中。在靜止狀態時不會發出信號，表示該位置尚未受洪水沖刷，經洪水沖刷浮出後，內建機械裝置將觸動體內發報系統，送出無線電密碼，由接受器接收後予以解碼、傳輸，進而辨識出河床之沖刷深度。 (3) 超音波沖刷測深計：其原理和無線電發報機類似，係藉由超音波方式直接讀取沖刷深度，由接受器接收後予以解碼、傳輸，進而辨識出河床之沖刷深度，如圖 2.42 所示。為應用現代科技所組成，具有相當可行性，也是目前國外普遍使用之方法，然而，洪流暴雨挾雜許多污泥與石塊等漂流物，若無適當之保護可能沖毀，且污泥與流石等漂流物也可能影響其訊號之接收，因此，此等儀器大都使用於洪水過後之河川量測用，尚無法有效應用於即時沖刷監測。 (4) 埋入型沖刷測深計：埋入型之設備包括感應器、顯示器、資料彙集盒及自動數據紀錄器等所組成，其中感應器是裝設在橋墩基礎上，對於新建橋梁之規劃佈置較為合宜，較不適合既有橋梁之監測系統使用。比較重要者為光時域反射技術(Time Domain Reflectometer, TDR)之研究，國外有專門為此一技術之發展所組成之固定研討會，相關學者也利用此一技術開發許多專利，然而，因為諸如電磁效應之干擾等問題，仍有賴進一步之研究後，才能於實際的應用上發揮適當的功能，此儀器原本應用於農業領域，為測得土壤含水量，以及得知該土層土壤之介電常數，藉由量測電磁波沿土壤內已知長度導線傳輸所需時間計算得之，如圖 2.43 所示。另一常見的埋入型沖刷感測器為磁性滑動套環，在橋墩周圍欲量測沖刷深度之位置設置內有磁通開關之長套管，放置磁性套環於其上滑動，受沖刷河床面下降時套環因而跟著改變高度，藉電磁感應原理得知其沖刷深度變化，然而回淤時套環並無法隨之上升，故只能量測最大沖刷深度，其佈置如圖 2.44 所示。 30 .

(36) (5) 表面型沖刷測深計：表面型設備則是利用重力式探頭、重力式漏斗，以直接方式紀錄河床高程，進而測知河床深度變化。 (6) 重錘式沖刷測深計：原理是藉由重錘自由落下時牽引一捲取器，此捲起機內有一數位編碼器，當此重錘由馬達上下捲取時，編碼器便有一數位訊號輸出，經由微電腦控制器讀取，此資料經過計算得出重錘上升下降距離，如圖 2.45 所示。另有防撞式重錘沖刷監測設備，前利用鋼纜垂吊重錘式沖刷探測計之方法在洪水沖擊下不易確保量測值為欲量取位置之沖刷深度，而防撞式重錘沖刷監測，利用一鋼管本身自重做為重錘，可隨沖刷深度下降而量測沖刷深度，如圖 2.46 所示。 (7) 非接觸式沖刷測深：此一非接觸式河川沖刷測深方法，包括定期河床溫度量測、透地雷達及影像量測如水下攝影機等方式，係利用一小船定期掃瞄河床深度之溫差效應或是河床高程，以判別河川橋梁之沖刷、淤積情形。水下攝影機河川沖刷監測實景如圖 2.47 所示，利用即時影像得知拍攝位置之沖刷現況。 (8) 溫度式沖刷監測計：河水與砂土層因比熱及接收熱量來源不同，在不同的環境溫度條件下會呈現不同的溫度分佈，藉由埋置量測溫度之沖刷計，量測該位置不同溫度分佈來判斷河床與河水交界面得知沖刷深度，如圖 2.48(a)~(c)所示。 (9) 光纖沖刷計：光纖感測監測系統具有無雜訊與多點量測之優點，國內、外發展中也是最常用之光纖感測器為光纖光柵感測器（Fiber Bragg Grating sensor, FBG）和藉由布理淵散射所做成之布理淵散射儀（Brillouin Optical Time Domain Refectometer, BOTDR）。應用光纖感測計量測沖刷深度，其量測機制為將不同波長的 FBG 埋置安裝於橋梁基礎不同高程，藉由河床沖刷深度變化，不同高程光纖感測計所量測得到的訊號不同來識別量測結果。已有量測應用案例，驗證光纖沖刷量測之機制，可於現地橋梁量測得颱風洪峰時之河床沖刷深度變化歷程，顯示此機制具有進一步被發展及應用的潛力，如圖 2.49 及圖 2.50 所示。中央大學王仲宇教授 [6]針對各種沖刷監測儀器設備之優劣進行比較整 31 .

(37) 理，如表 2.2，其中比較了六項特性：即時性為是否能於沖刷歷程中即時取得沖刷深度數據；回淤監測則是該監測設備在洪峰退去，沖刷坑開始回淤時是否能量得其土壤深度變化；在洪水來襲時，河水中流木、石塊衝擊，以及混濁泥沙之水流能見度及低之惡劣環境下是否影響其監測訊號之準確性及監測系統的可靠性；監測系統量測的數據是否易於處理分析，能夠更迅速且直接得知沖刷現況；監測系統是否需要電力供應驅動系統，於颱洪惡劣天候中如無法確保電力供應穩定則無法確保沖刷監測之可靠性；整體設備價格以 50 萬元為分界，大於則屬昂貴，以具經濟性及可靠性的沖刷監測系統進行沖刷監測以利封橋預警，實屬實務應用最重要的課題。. 32 .

(38) 表 2.1 傳統河川沖刷監測系統[10] 沖刷深度. 水位. 水流流速. 埋設於橋址之磚塊. 超音波水位計. 鉛魚. 無線電小型訊號器. 自計式水位計. 聲波杜普勒剖面儀. 超音波沖刷測深計. 電波測速儀. 表面型沖刷測深計. 螺旋、旋杯測速儀. 重錘式沖刷測深計. 電磁測速儀. 埋入型沖刷測深計. 電磁測速儀. 33 .

(39) 表 2.2 沖刷儀器比較[6]. 性能比較. 即時性 (Immediacy). 回淤監測 (Silt up). 電源供應 (Power Supply). 費用 (Cost). 重複性 (Repeatability). 智慧感測網路橋梁沖刷防災系統. ○. ○. ○. ○. ○. △. ○. 光纖沖刷計(FBG). ○. ○. ○. ○. ○. △. ○. 橋址磚塊(Brick). X. X. ○. ○. X. ○. X. 無線電小型訊號器 (Transmitter). ○. X. ○. ○. ○. ○. X. 聲納 (Sonar). ○. X. △. △. ○. △. ○. 透地雷達(Radar). X. X. △. △. ○. △. ○. ○. ○. ○. ○. ○. △. ○. ○. ○. ○. ○. △. ○. ○. ○. X. △. ○. X. ○. X. ○. ○. △. ○. ○. ○. ○. X. X. △. ○. X. ○. X. 沖刷計. 電磁式時域反射儀 (TDR) 壓電式沖刷監測計 (Piezoelectric) 磁性滑動套環 (Sliding Collar) 水下相(攝影)機 (Camera) 重捶式沖刷計 (Hammer). 惡劣河域環境工作性資料判讀 (Durability) (Data Interpretation). 註：○-good for use；ᇞ-Fair for use；X-Not good for use/Not needed。. 34 .

(40) 圖 2.1 台 3 線里港大橋橋梁倒塌斷裂[5](林呈，1996/08/06). (a) P34及其右側之蛇籠工已流失. (b)由側面所見P34~P35之災情. (c)P35 ~ P38之包墩已沖毀流失圖 2.2 國道 1 號中沙大橋 P34~P39 橋基保護工受損[4] 35 .

(41) 圖 2.3 台 3 線東豐大橋 P4b 橋墩倒塌[4]. (a)引道伸入河道中導致上游壅水、高灘地崩塌. (b)橋址處因束縮沖刷破壞情形圖 2.4 台東縣北里橋破壞情形[5]. 36 .

(42) (a)颱洪前. (b)颱洪後圖 2.5 竹林大橋於瑞伯颱風破壞情形[4]. 圖 2.6 高屏大橋斷橋事故[11]. 圖 2.7 高屏大橋斷橋事故(續)[11]. 37 .

(43) [6] 圖 2.8 高屏大橋斷裂落橋事件（林呈教授空拍，2000/8/28）. 圖 2.9 中二高濁水溪橋基樁受磨蝕鋼筋外露[4](2001/08/02 台灣營建研究院). 38 .

(44) 圖 2.10 國道 1 號中沙大橋橋基裸露情形[6]. 圖 2.11 國道 1 號中沙大橋 P30 橋墩基礎裸露情形[4](2004/8/11 台灣營建研究院). [5] 圖 2.12 國道 4 號神岡高架橋基礎裸露情形（林呈教授空拍，. 39 .

(45) 2004/7/6）. [5] 圖 2.13 台 6 線龜山大橋 P2 橋墩下陷（林呈教授空拍，2004/8/30）. [5] 圖 2.14 台 3 線蘭勢大橋落橋事件（林呈教授拍攝）. 40 .

(46) 圖 2.15 台 13 線后豐大橋斷落事件[6]. 圖 2.16 台 18 線五虎寮橋斷橋[12]. 41 .

(47) 圖 2.17 雙園大橋斷橋空拍[13]. 圖 2.18 雙園大橋斷橋(新園端)[13]. 42 .

(48) 總沖刷. 一般沖刷. 局部化沖刷. 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. 匯流沖刷. 河槽變寬化. 河道深槽化、彎道、辮狀及側向侵蝕. 河道蜿蜒變遷. 河床型態變遷. 束縮沖刷. 局部沖刷. 橋墩沖刷. 橋台沖刷. 保護工之跌水或水躍沖刷. 圖 2.19 河床沖刷分量 (周獻德等，2001). 43 .

(49) 圖 2.20 橋墩沖刷示意圖(李俊穎，2005). 圖 2.21 裸露橋基沖刷流況示意圖 (林呈，1998). 44 .

(50) (a) 洪汛期前，保護工未合攏，大部分水流經過未合攏區. 圖 2.22 (a)~(e)因保護工造成之束縮沖刷示意圖[14]. 圖 2.23 跌水沖刷示意圖[14]. 45 .