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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 Egashira,7101042001 謝政諺7101042002 黃保嚴7101042005 劉佳勝,Hydrol.Process.22,4986-4996(2008),壹、前言,貳、試驗樣區,参、研究方法,肆、實驗結果與討論,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
2、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,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
3、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,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，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
4、。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,1999年聖朱利安集水區土石流災情圖,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,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,3.1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：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,.(1),.(2),参、研究方法,3.1水
5、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。,.(3),.(4),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。,参、研究方法,3.2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
6、為2.63km2、1.42km2、1.43km2,参、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
7、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,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；：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
8、後的底床坡度。,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()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,3.2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,3.2模式策略,在聖朱利安集水區
9、設置防砂壩點位示意圖,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x=5m、t=0.003s做計算，每次模擬1000s。,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
10、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,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,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,参、研究方法,3.3防砂
11、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,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,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68
12、000 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,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,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
13、.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,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,在大部
14、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。,伍、結
15、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。,參考文獻,Armamini A,Larcher M.2001.Rational criterion for designing opening of slit-check dam.Hydraulic Engineering 127(2):9
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