1、專題討論專題討論連續壩對減緩土石流影響之方法Rabindra Osti and Shinji Egashira7101042001 謝政諺7101042002 黃保嚴7101042005 劉佳勝Hydrol. Process. 22, 4986-4996 (2008) 大綱大綱內容內容壹、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 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
2、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)壹、前言壹、前言 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
3、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。壹、前言壹、前言貳、試驗樣區貳、試驗樣區 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
4、，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。貳、試驗樣區貳、試驗樣區1999年聖朱利安集水區土石流災情圖貳、試驗樣區貳、試驗樣區1999年聖朱利安集水區土石流災情圖貳、試驗樣區貳、試驗樣區聖朱利安集水區周遭地形 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水文模式水文模式 ：水深 ：時間 ：水流方向的座標 ?；形狀因子 ：底床質沖蝕速率 c
5、：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 ：河寬 ：重力加速度 m：混合物平均深度的質量密度 ExhBucBthccExhBuBth11*.(1).(2)参、研究方法参、研究方法3.1水文模式水文模式 動量守恆方程式(3)和河床高程方程式(4) ：沉積物的質量密度 ：水含細砂的質量密度 b：底床剪力 Zb：底床高程 ：底床坡度 ：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。coscossin*cEtzxhghghxuuhtuhbmbcoscossin*cEtzxhghghxuuhtuhbmb.(3).(4)参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策
6、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。参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策略 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、1.43km2参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策略 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
7、摩擦角s=34、質量密度=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rAfQp6 . 31rAfQp6 . 31参、研究方法参、研究方法3.2模式策略
8、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； ：原始水流坡度；o：土石流前儲存區的底床坡度；：土石流沉積平衡後的底床坡度。)tan(1)tan(12)cos(02edpBHV参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策略 土石流平均含砂量，決定於含砂量在每個防
9、砂壩斷面，隨著時間的改變量。平衡後底床坡度()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1、2的擴展距離c、d：分別為o、e的跨距h：防砂壩高 参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策略 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2030%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%。 参、研究方法参、研究方法3.2模式策略模式策略在聖朱利安集水區設置防砂壩點位示意圖参、研究方法参、研究方法3.2
10、模式策略模式策略 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x=5m、t=0.003s做計算，每次模擬1000s。参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計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
11、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。 参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計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参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計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
12、緩坡交界處設置防砂壩示意圖参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計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 e ：平衡底床斜率)tan(edHL)tan(edHL参、研究方法参、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設計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(Vinflo
13、w)，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。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。肆、結果與討論肆、結果與討論 若於1999年12月前設
14、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)肆、結
15、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)肆、結果與討論肆、結果與討論l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。l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。l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。l為了評估土石流
16、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。l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。伍、結論伍、結論l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。l 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。l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
17、。參考文獻參考文獻Armamini A, Larcher M. 2001. Rational criterion for designing opening of slit-check dam. Hydraulic Engineering 127(2): 94104. Barbolini M, Gruber U, Keylock CJ, Naaim N, Savi F. 2000. Applicationof statistical and hydraulic-continuum dense-snow avalanche models to 5 real European sites. Col
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