1. 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
現地河道安裝柔性欄阻網進行土石流防治功效評估
Flexible retaining structure for evaluation of debris-flow hazards mitigation
計畫編號︰NSC 95-2622-E-324-009
執行期限︰95 年 11 月 01 日~ 96 年 10 月 31 日
主持人︰林基源 朝陽科技大學營建工程研究所
產學合作廠商:豐欣營造有限公司
摘要
Abstract
本研究所採用之攔截網為兼具透過性柔
The retaining structure adopted by this
性吸能構造物與透水石籠壩之功能,當土石 research has both functions of a permeably
尚未堆滿攔截網時為柔性吸能網之功能;當 flexible energy dissipation structure and a
土石堆滿攔截網時則以其自重形成石籠壩。 previous rock gabion dam. As it is not full of
soils and sediments in the retaining structure,
研究並於南投縣水里鄉上安村三廍坑溪上游 then it is the function of flexible energy
現地架設土石流攔截網,進行土石流攔阻功 dissipation structure. As it is full of soils and
效評估,並將攔截網縮小尺寸,移至室內做 sediments in the retaining structure, then it
becomes the function of rock gabion dam
土石流水槽試驗。 naturally. In coordination with the Program to
本試驗現地所採用鋼索組成之柔性攔截 Upgrade Industrial Technology and Enhance
網,已發揮其柔性、吸能、高透水之特色, Human Resources of National Science Council,
we set up an on-site debris-flow retaining
成功攔截梧提颱風等數波土石流。室內水槽
structure in the upstream of Shan Pu Keng
試驗結果顯示,在體積濃度減少率方面,各 River, Shanan Village, Shueili Township,
組 試 驗 過 攔 截 網 後 體 積 濃 度 都 降 到 0.3 以 Nantou County to assess the effect of such
下,在初始體積濃度為0.45及0.55時,體積濃 debris-flow retaining structure and to shrink its
size to move to the indoor for a test of
度減少率都有80%以上;初始體積濃度0.35 debris-flow tank.
時體積濃度減少率為60.3%。而體積過網率隨 For the volume concentration reduction rate,
體積濃度增加而減少,在土石未堆滿之前都 the result of indoor tank test shows that the
volume concentration for all cases after passing
低於40%。貯砂率為高體積濃度時候最佳, the dam is reduced to below 03.As the initial
體 積 濃 度 在 0.65 的 時 候 貯 砂 率 可 達 到 volume concentration is 0.45 and 0.55, the
98.88%;在體積濃度為0.35時,貯砂率下降 volume concentration reduction rate is more
than 80%.For the initial volume concentration
至60%。位移計及震動計主要用於量測在多
of 0.35, then the reduction rate is 60.3%.The
次土石流衝擊下攔截網的位移及加速度之變 dam-passing rate will be reduced as increasing
化,結果發現,當有土石堆積於攔截網前時, the volume concentration, which is less than
40% before the dam reaches the full level. The
攔截網所受的衝擊力及加速度明顯降低。
higher the volume concentration is, then the
關鍵字:土石流、柔性攔截網、積濃度減少 better the grain deposition rate is. As the
volume concentration is 0.65, the grain
率、過壩率、貯砂率 deposition rate can reach 98.88%. And as the
1
2. volume concentration is 0.35, the grain 性防砂壩 (a)重力式防砂壩 與透過性防砂壩
,
deposition rate will be down to 60%. Under the (b)梳子壩;(c)切口壩;(d)水平透水柵;(e)
strike of debris-flow again and again, we use
the displacement meter and the vibration meter 立體格子壩等兩種型式。
to measure the impact fore of sediments in the
auxiliary dam and in front of the dam and the
acceleration of sediments in the dam and find
that they are significantly reduced. Therefore,
through the test, we can find that we can truly 透過性 抑制工法
攔阻工法
make use of the characteristics of a retaining
structure to retain & deposit the debris flow.
非透過性
Key Word:Debris Flow, Flexible Retaining 攔阻工法
Structure, Volume Concentration Reduction 淤積
Rate, Dam-passing Rate, Grain Deposition Rate 工法
緩衝 疏導工法
林帶
一、前言
土石流的破壞力來自於其大量的土砂與 圖2-1各種工法之配置圖
快速的運動衝力,傳統的攔阻工法是以混凝
非透過性防砂壩主要為攔蓄及調節河道
土結構剛性抵擋的觀念設計,如攔石柵欄或
泥砂、穩定河床防止縱向侵蝕、保護側岸、
鋼筋混凝土之重力壩等較為剛性的防護設
抑制土石流、轉化土砂搬運形式等;當壩體
備,但皆耗費相當大之經費,其結構安全考
上游淤滿之後,其計畫淤砂坡度較原溪床坡
量必須特別注意;而柔性攔阻系統於歐美各
度為緩和,可有效地減緩土石流之流速,降
國已使用有年,除落石災害防治外,亦使用
低其撞擊之力量。
於雪崩及土石流等災害,在國內使用柔性攔
透過性防砂壩具有遲滯洪水或蓄積土石
阻系統攔阻土石流實為少見,故本研究將柔
流所挾帶大量砂石之能力,降低土石流總流
性攔阻系統作進一步之研究探討。
出量,因透水性佳可利用水利將被壩體淤積
二、文獻回顧 之泥砂顆粒以個別搬運方式帶往下游,並減
少對壩址下游河床局部之沖刷現象,壩體受
2.1土石流危害 力面積較非透過性防砂壩小,所受土石流之
土石流由於本身之規模、性質、地形條 衝擊力量亦小,固有較好之受力條件,且因
件和受害對象的不同,土石流危害也有所不 土砂和水可自由穿過壩體有助於溪流魚類生
同。常見之危害方式有淤埋、沖刷、撞擊、 態與土砂輸移之平衡。
磨蝕、堵塞、漫流改道、彎道超高及擠壓主
河道等。
2.2土石流防治工法
土石流防治硬體措施,依水土保持手冊
(1992)之說明可分為抑制、攔阻、疏導、
淤積、緩衝等方式,如圖2-1。
2.3壩體相關研究 圖 2-2 各式防砂壩(a)重力式防砂壩;(b)梳子
壩;(c)切口壩;(d)水平透水柵;(e)
防砂壩如圖2-2,依其屬性可分為非透過 立體格子壩
2
3. 蘆田和男(1980)利用室內模型試驗, 石流衝擊能量。
探 討 立 體 格 子 型 攔 砂 壩 (grid-type sabo
2.4柔性系統消能特性
dam),如圖 2-3。其根據試驗結果認為,
L / Dmax =1.5 ~2.0 時對於土石攔阻效果較 連炳順(1999)能量是量化落石或土石流
佳,且立體格子型攔砂壩之 L / Dmax 值與土石 的一種方法,對落石而言,落石的質量、移
流之攔阻效果有密切關係。 動的速度、慣性矩、轉動的速度等是決定落
實能量的規模:
L:格子間距 1 2 1
Dmax:土石流流動礫石之最大粒徑 E= mv + Iϖ 2 ………………… (2-3)
2 2
m [kg] :Mass
L L L L v [m/s] :Velocity
I [mkg] :Rotation Mass of Inertia
圖 2-3 立體格子壩形狀示意圖 ω [l/s] :Rotation Velocity
李明晃(1989)以立體格子型壩防治土 對防護系統而言,必須能將落石所產生
石流功效之試驗,當L為格子間距; Dmax 為土 的能量吸收,且結構體不破壞,方可視為有
效的防護。根據傳統運動學對衝量(Impluse)
石流最大粒徑,求得下列之結果:
的定義,同一撞擊條件下撞擊接觸時間越
(1)立體格子壩之隔子間距設計會影響土石流 短,產生平均力越大。
尖峰濃度 C p ,其尖峰濃度 C p 隨 L / Dmax 之 Δp
Fav = ………………… (2-4)
減少而減低。 Δt
(2)立體格子壩之隔子間距 L 會影響壩體之 其中
貯砂效率 R (%)。 Δp = Δt 時間內的動量差值
Δt =時間的變化
R = 53.4318(L / Dmax )
−0.81601
…………(2-1) Fav =Δt 時間內之平均力
其中, R:壩體上游貯砂量除以試驗總砂 故如攔石柵欄或鋼筋混凝土牆等屬性的
石量。 防護結構,由於本身勁度大,受落石撞擊後
岩塊隨即反彈,撞擊時間相當短,對結構體
(3)立體格子型壩可消滅土石流尖峰流量,具
勢必施以極大的載重,就能量的觀點,落石
有調節土石流流量之功效。
運動時產生的能量藉由撞擊作用傳遞至防護
Qp ⎛ L ⎞ 系統,若防護系統之彈性勁度太大,能量無
= 0.6126 + 0.6429⎜
⎜ D ⎟ ………… (2-2)
⎟ 法由結構體變形而消散時,巨量累計的應變
Qw ⎝ max ⎠ 能將使結構破壞,此種「硬碰硬」的方式攔
Q p :為土石流尖峰流量 阻落石,致使目前山區使用的攔石柵欄或其
他較為剛性防護設備,其使用壽命不長。柔
Qw :供水流量 性系統由環圈及鋼索等柔性構件組成,其特
殊的組成方式,使該系統於防治落石衝擊的
(4)立體格子壩可分離土石流粗礫石,將土石
應用上較佳。
流之集體運動型態轉換為一般土砂流出型
態。 三、研究區域
(5)當 L / Dmax < 2.0 時,對削減土石流衝擊能 3.1區域調查
量有顯著之功效,且其相對消能效果
3.1.1地形與水系
ΔE k
( )將可達到50% 以上,其中 E k 1 為土 上安村位於南投縣水里鄉南端,陳有蘭
Ek 1
3