專題討論

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連續壩對減緩土石流影響之方法Rabindra Osti

and Shinji Egashira

7101042001 謝政諺7101042002 黃保嚴7101042005 劉佳勝

Hydrol. Process. 22, 4986-4996 (2008)

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大綱內容

壹、前言壹、前言

貳、試驗樣區貳、試驗樣區

参、研究方法参、研究方法

肆、實驗結果與討論肆、實驗結果與討論

伍、結論伍、結論

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許多研究提出了各種防治土石流方法 (Mizuyama 等 ,2000) ，並對抵抗土石流的結構物，做出實驗性與數值模擬的控制方程式(Takahashi 等 ,2001) 。

其中，雖然防砂壩被廣泛的應用，但常無法控制預期規模的土石流，可能是壩體先被小規模的土石流填滿。在許多案例中得知，經常性清淤於經濟及技術上都是不可行的。所以應該以有效性的設計技術，使防砂壩於事件發生前已經淤滿，也能發揮防災的效果。 Osti(2005) 等介紹全封閉式防砂壩被填滿時，評估的標準。根據研究結果，防砂壩斷面的入流沉積量，可以兩個無維參數求得：(a) 相對入流沉積量(b) 潛在的存貯容量 ( 可以由最初及平衡後河床沉積坡度定義 )


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儘管有許多的理論及試驗結果，仍難以有效的運用在工程上，因此本篇主要在探討及評估系列防砂壩之控制功能，並以科學基礎建立防砂壩之規劃技術。

本研究使用 1D 數值模型，對於試驗地點來說， 1D 數值模型表現比 2D 模型好，相關數值模型採用 Egashira 等 (1997) 所提出的質量和動量守衡方程式。此研究會利用數值結果、實地觀察和過往經驗，對防砂壩數量、大小、地點加以討論。


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居民在沒有土石流和暴洪的預告下，是災情慘重的原因之一。土石流運載的沉積物和直徑 10m 的巨礫，以幾米的厚度層狀堆積在沖積扇，並毀壞了大量的房屋、橋梁和許多結構物。

1999 年 12 月委內瑞拉北海岸的巴爾加斯洲， 15 、 16日由於異常和局部性的豪大雨，發生大規模洪水和土石流。超過 19000人死亡，經濟損失估計為 19億美金。

許多小河的狹窄沖積扇上密集地居住數十萬人，首都卡拉卡斯位於山脈南部，這地區常常遭受土石流及洪水的蹂躪。而這次主要土石流在 12 月的 15日晚上開始持續到 12 月的 16日下午。聖朱利安沖積扇是這次事件中其中一個損壞嚴重的地區。

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1999年聖朱利安集水區土石流災情圖

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1999年聖朱利安集水區土石流災情圖

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聖朱利安集水區周遭地形

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使用 Egashira(1997) 等開發的一維控制連續方程式進行沉積物和水混合的流體計算。質量守恆方程式，在描述水砂混合物 (1) 和沉積物 (2) ，可分別表示如下：

参、研究方法参、研究方法3.1水文模式

ｈ：水深ｔ：時間ｘ：水流方向的座標 ϒ；形狀因子Ｅ：底床質沖蝕速率 c ：平均深度的體積濃度 c ＊：底床沉積濃度 u ：混合物平均深度的速度Ｂ：河寬ｇ：重力加速度 ρm ：混合物平均深度的質量密度

…..(1)

…..(2)

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参、研究方法参、研究方法3.1水文模式

動量守恆方程式 (3) 和河床高程方程式 (4)

σ ：沉積物的質量密度 ρ ：水含細砂的質量密度 τb ：底床剪力 Zb ：底床高程 θ ：底床坡度 Β ：動量修正因子

上述公式在包含本試驗樣區在內的數個集水區試驗成功。

cos

cossin

*c

E

t

z

x

hghgh

x

uuh

t

uh

b

m

b

…..(3)

…..(4)

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参、研究方法参、研究方法3.2模式策略

推估沒有預防對策下的土石流生產量

風險度評估

估計須控制土砂總量

決定防砂壩的地點、數量、規模和高度

應用數值模式推估有防砂壩時之泥沙產量

逐漸增加防砂壩的數量及高度，直到土石流達預期控制。

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1313


觀測 1999年土石流前底床縱剖面，如下圖：

T1 、 T2 、 T3 上游邊界到河口分別為8210m 、 7560m 、 6140m

集水區面積分別為 2.63km2 、 1.42km2 、 1.43km2

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参、研究方法参、研究方法3.2模式策略支流重要參數有河寬、沉積物的物理特性、潛在的沖刷深度，其決定於野外調查、實驗、前例、專家意見或周邊的數據。河床質的特色：均質粒徑 d=20cm 、內摩擦角Φs=34° 、質量密度 ρ=1.33gcm-3 、底床材料濃度 c*=0.52(Egashira等 ,2003) 、潛在的沖刷深度 (Dp) 經專家估計為 10m ，且由另外的河斷面作確認。河寬 (B) 對三個上游邊界點到其匯流點 5100m時為 20m ，從匯流點向下游為 40m 。上邊界的排水量以合理化公式估計 :

根據 1999 年 12 月的水文氣象資料記錄，降雨強度50mmh-1假設在集水區均勻降雨。其邊界排水量估計為

T1 ： 21.9m3s-1 、 T2 ： 11.8m3s-1 、 T3 ： 11.9m3s-1 。

fp ：逕流係數、 r：降雨強度、 A ：排水面積

rAfQ p6.3

1

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参、研究方法参、研究方法3.2模式策略首先模擬土石流在沒有防砂壩時於支流的流程，以及計算被支流帶到沖積扇的沉積量。然後再依照 (a) 計算且模擬最初的底床、(b)降雨逕流、 (c)底床潛在的侵蝕深度，來模擬有防砂壩時的流程( 同 1999年事件 ) 。防砂壩的控制方程評估為假設防洪壩最初為淤滿，根據潛在的存貯容量 Vp (Osti 等， 2005) 估計防砂壩的沉積量，可以由最初及平衡後河床沉積坡度定義。

Hd ：壩高； B ：河寬； θ ：原始水流坡度；θo ：土石流前儲存區的底床坡度；θ ｅ：土石流沉積平衡後的底床坡度。

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参、研究方法参、研究方法3.2模式策略土石流平均含砂量，決定於含砂量在每個防砂壩斷面，隨著時間的改變量。平衡後底床坡度 (θ ｅ ) 則由各段面沉積量決定。當計算各個防砂壩的 Vp 時，需考慮現地地形情況，尤其是底床坡度不一致之情形。參照下圖：

x 、 y ：底床坡度 θ1 、 θ2 的擴展距離c 、 d ：分別為 θo 、 θe 的跨距h ：防砂壩高

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防砂壩的 Vp只有在土石流均勻流動且無限量供應時才會完全淤滿，在自然界是很少發生。因此根據以往不同經驗，而以 Vp 之 20–

30%為估計沉積量 (Osti 等 ,2007) 。

本研究估計防砂壩限制沉積量佔潛在儲存容積的 20% 。

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在聖朱利安集水區設置防砂壩點位示意圖

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参、研究方法参、研究方法3.2模式策略試驗操作方法為，防砂壩各項條件維持不變，只有特定的防砂壩高度增加。

為了簡化試驗，防砂壩被連續地設置在各支流上游末端，同一支流內壩高一致。決定防砂壩的地點、數量、尺寸後，數值模擬將證實其效率。

對於數值模擬，每個防洪壩頂部為對應的底床海拔加上防砂壩高度。以 Δx=5m 、 Δt=0.003s 做計算，每次模擬 1000s 。

2020

参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計一系列的防砂壩適合設置在土石流的輸送帶，可以增加沉積量並且穩定坡度，進而降低土石流的大小。

但是建造大量的壩昂貴且費時，因此，有適當儲存容積的個別壩為較合理之方法。而且，防砂壩的功能性不只是建立在數量及大小，地點也是主要考量因素。

防砂壩地點的選擇有許多標準，以下針對委內瑞拉的聖朱利安河流域進行研究並驗證。

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参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計 (a) 防砂壩設置在嚴重沉積或易侵蝕區域的下游處最好，可以顯

著減少底床侵蝕造成的土石流。

T1支流土石流事件後坡度變化圖

T1支流在 2100m處底床高程時間變化圖

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参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計

(b) 土石流坡度從陡峭到平緩時，存在自然沉積的趨勢，這時防砂壩設置在附近時，沒有顯著的效益。但若在緩和的斜坡延伸一段頗長的距離下，會產生可觀的沉積量，此時設置防砂壩是必要的。

T1支流在陡坡緩坡交界處設置防砂壩示意圖

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参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計 (c) 現有的洪流底床斜率影響防砂壩的沉積量。

(d)當兩座防砂壩設置上下游附近時，儲存量可能重疊。二個防砂壩之間最小的間距 (L) 估計如下 :

Hd ：下游防砂壩的高度：兩個防砂壩間的平均底床斜率 θe ：平衡底床斜率

)tan( e

dHL

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参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計 (e)如果經費不足以設置大量連續性防砂壩時，少量甚至是單一的經過設計規範的防砂壩也能產生良好的效果

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肆、結果與討論肆、結果與討論支流 T1 在 1999 年 12 月的總沉積容量 (Vinflow) ，沒有防砂壩時估計為 109000 m3 ，主要目標為找出，如果 1999 年 12 月前修建防砂壩的結果。

由高 6M 之系列防砂壩 (No.1-9) 攔阻的估計累積沉積量為68000 m3( 防砂壩累積潛在存貯容量的 20%) 。Vstored/Vinflow則表示相對沉積量，即防洪壩 1-9 在 T1 估計控制62% 土石流量。

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肆、結果與討論肆、結果與討論1999年土石流事件，如果支流 T1 有九個 6m高的防砂壩在350 、 850 、 1150 、 1550 、 1850 、 2150 、 2350 、 2650 和 2850 m ，土石流可顯著地減少運輸的沉砂量 ( 表 I) 和最大流量，且延後洪峰到達時間。

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肆、結果與討論肆、結果與討論若於 1999 年 12 月前設置 9 個防砂壩，支流 T1 到沖積扇的總沉積

量大約 48000m3 ，而不是 109000m3 ；最大流量可能減至五分之一。表 I 中九個防洪壩的控制比率估計是 0.62 ，而控制比率之計算結果在表 II 是 0.56 ( 即 Voutflow/Vinflow=0.44) ，指出結果與估計值相近。

← 表 1 ↓ 表 2

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肆、結果與討論肆、結果與討論在支流 T1 測試不同的組合的防砂壩：

(a)5 個防砂壩，每個 3m

(b)10 個防砂壩，每個 3m

(c) 在 2300 m 的單一 15m高防砂壩

結果表示，最大流量和總沉積量以不同規模顯著降低。因此為了最佳控制系統，有必要試驗最有效的防洪壩組合。( 本例為任意於潛在區選擇一個地點，並且依據地點調整高度 )

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肆、結果與討論肆、結果與討論以相同方法計算 T2 的任意組合，在無防砂壩的情況下，於沖積扇頭沉

積量為 47000 m3 ，比防砂壩的預估控制量 53000m3 少，因此土石流可以被充分控制。 (T3 亦同 )

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肆、結果與討論肆、結果與討論在大部分情況下，計算值與估計值一致。少部分情形會有有不一致

的現象，特別是防砂壩之落點位在較陡處。因此建議防砂壩若位於較陡處，則應提高潛在存貯容量 (20%) 之估計值。

除上述外，造成估計值和計算值差異之原因，還有土石流流入的平均含砂量之預估，以及縮短模擬之所需時間以便於計算。

根據潛在存貯量的分析，即使缺乏複雜的數值模擬，其結果仍可應用在防砂壩控制功能之工程領域上。

為了評估土石流是否可由現有的防砂壩系統控制，了解系統潛在的存貯量是必要的，而存貯量可由原始坡度及預計沉砂量估得。

雖然可藉調查底床坡度及不穩定堆積層之潛在沖蝕深度，以得知潛在存貯量及土石流之含砂量，但仍必須施行經常性監測以便於評估及控制。

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伍、結論伍、結論

土石流不能完全地防止，但建造防砂壩可以降低衝擊。防砂壩的數量、大小和地點取決於自然、經濟和環境等因素。規劃防砂壩時應參考理論分析及實際經驗。例如，本篇以各種不同的組合探討其對水位歷線、最大流量、沉積容量等之影響。結果表示，若於事件前建造防砂壩，則當時的土石流不會這麼嚴重。且發現有效控制土石流，不僅要增加防洪壩的數量和大小，更要選擇適當的地點。

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