4. 設計水理分析
 

然河道與平順之人工RC結構河道之水理現象不同,自然河道蜿蜒、流況豐富。透過適當河道結構物可以改變流況、流場、流速、水深、水力停留時間等水理參數。近年來德國、日本及台灣有許多案例,以河床拋石、石梁工法、導流裝置(deflector)及砌石護岸,增加流況岐異度、產生水潭/急流、抬高水位、增加下游流速、提供魚類避難場所及達到穩定河床等功能,參閱圖3-4。以下分別敘述河道中常用之結構物及其水理分析。

圖3-4 士林平菁街野溪

一、拋石工法

河床拋石為在河道中將阻流石不規則於分佈河床,如圖3-4所示,因為河床粗糙度與阻流石影響,河道中之流速必須考慮河床與阻流石之抗阻係數。德國農工學會(DVWK, 1991)提出下列式子計算河道之流速與流量:

圖3-5 河床拋石工法於河道河床阻流石之配置

其中,

(水力半徑)=

A:斷面積

:潤周

:抗阻係數

:河床坡度

河道之流量為:

(一)河床抗阻係數(

不同河床狀況下之河床抗阻係數

1. 粒徑較小 , 當 ,

2. 粒徑|較大 ,

:1:8~1:15

:0.6~1.2公尺

平均水深

圖3-6 河床拋石工法於河道河床阻流石之配置剖面圖

(二)阻流石抗阻係數(

(形狀係數)

流體衝擊阻流石之表面積

(三)河道總抗阻係數(

其中,

簡易計算時,可省略 效應(約8%誤差):

其中,

(四)最大流速

(五)流況

以福碌數( )判定流況,小於1為常流況(亞臨界流),大於1會產生奔騰現象(超臨界流)。

為水面寬。

(六)設計參數

表3-4 拋石設計參數

設計參數
數值
石子間隔
= =1.5~3
- >0.3m
水深
坡度
I 1:20

二、石樑工法

石樑工法為在河道中以大型天然石材構築,坡度較陡處可以連續設置,形成階梯式淺潭(step pool)及淺瀨,使上游流速降低,沈降性增加,具有攔砂性質,在低流量時可保有一定水位,在高流量時可形成保護魚類之避難所。

圖3-7 石樑工法

圖3-8 石樑工法橫斷面圖

(一)流量 石樑工法因為越流及逆流影響,形成上下游水位差,逆流係數 與石樑下游上游水深比 ,如圖3-8,Perissler(1992)推求流量公式如下:

其中,

:流量係數

:逆流係數

:通水寬度總和

:上游水位

:下游水位

:水位差

流量係數受到堰頂石材形狀影響,一般有兩種分類:

石材形狀銳利:

≒0.5~0.6

石材形狀圓滑

: ≒0.6~0.8

(二)流速

石樑工法產生最大流速

(三)流況

連續石樑間形成之水力衝擊,以逸散率E表示,當E介於150~200 ,可形成適當之魚類避難場所。

:平均水深

:平均寬度

:橫斷面積

:內側長(

:連續石樑工法間隔長

(四)常態水量溢水口

魚類跳躍高度研究顯示,針對不同水位差以台灣石賓為試驗對象,瞭解水位差( )超過35公分時,魚類通過率( )明顯降低,水位差與跳躍通過隔版之通過率表如下(胡通哲,1999):

表3-5 台灣石賓之跳躍通過隔版通過率與水位差表

水位差( , cm)
通過率(%)
27
34
35
32
45
10
55
0

圖3-9 頂石斜面石以銜接上下游落差與水位差示意圖

三、導流裝置(deflectors)

導流裝置(側堰)目的在增加多樣化流況,藉由限制溪段寬度提高流速、改變流向及形成深潭/淺灘等棲地功能。另外,導流裝置亦有消能降低河岸沖刷,其大小形狀依實際地勢設計,設計角度30°~60°,以三角形導流側堰較佳,可避免洪峰流量對側堰之沖蝕。

圖3-10 導流設施設置

側堰形成水位上昇

:側堰所形成之上昇水位

:上游平均流速

:阻流係數

:河川斷面積

:側堰斷面積

四、護岸塊石之疊砌

有關暴雨洪水流量時對護岸之沖刷影響,依據日本國土開發技術研究中心編著"護岸之力學設計法"(山海堂平成10年出版),對位於溪床或岸坡鬆散或一體性較弱之塊石能抵抗曳引力(掃流力),而不發生移動之最小粒徑可由下式決定:

Dm:塊石之平均粒徑(m)

Vo:代表流速(m/sec)

Ps:塊石之密度)kg/m3), 一般用2.65。

g:重力加速度(m/ sec2)

Pw:水之密度(kg/m3)

Ei:亂流影響係數(E=1.2~0.86,亂流小係數值大,反之則小)

上式為水平時所用,若坡面之傾角為θ時則塊石粒徑加以修正,其修正值為K。

:材料於水中之安息角;自然石塊一般38°,碎石41°。

計算釋例

台灣中部某一集水區欲整治河溪沖蝕護岸約150公尺長,以塊石疊砌(塊石乾砌法),若以25頻率年暴雨洪水為設計目標,護岸高達3.5公尺以上,其最大流速將達每秒6.18 公尺。試估計可抵抗沖刷曳引力下,推估疊砌塊石之最小粒徑。(經現場量測此區域平均坡度為22°,另亂流之影響採用Ei=1.0)

修正後 Dm=1.25×1.18=1.475m

因此本工程護岸採用砌塊石保護時,其粒徑宜採用1.5公尺。

 
 
 
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