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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. Hydrol. Process. 22, 4986-4996 (2008). 7101042001 謝政諺 7101042002 黃保嚴 7101042005 劉佳勝. 內容. 大綱. 壹、前言. 貳、試驗樣區. 参、研究方法. 肆、實驗結果與討論. 伍、結論. 壹、前言.

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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

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

7101042001 謝政諺

7101042002 黃保嚴

7101042005 劉佳勝

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內容

大綱

壹、前言

貳、試驗樣區

参、研究方法

肆、實驗結果與討論

伍、結論

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壹、前言

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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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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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。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。

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。

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貳、試驗樣區

1999年聖朱利安集水區土石流災情圖

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貳、試驗樣區

1999年聖朱利安集水區土石流災情圖

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貳、試驗樣區

聖朱利安集水區周遭地形

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3.1水文模式

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

…..(1)

…..(2)

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

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3.1水文模式

動量守恆方程式(3)和河床高程方程式(4)

…..(3)

参、研究方法

…..(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。

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3.2模式策略

推估沒有預防對策下的土石流生產量

参、研究方法

風險度評估

估計須控制土砂總量

逐漸增加防砂壩的數量及高度,直到土石流達預期控制。

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

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3.2模式策略

觀測1999年土石流前底床縱剖面,如下圖:

参、研究方法

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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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。

参、研究方法

fp:逕流係數、r:降雨強度、A:排水面積

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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。

参、研究方法

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;

θe:土石流沉積平衡後的底床坡度。

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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(θe)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:

参、研究方法

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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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20–30%為估計沉積量(Osti等,2007)。

参、研究方法

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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3.2模式策略

参、研究方法

在聖朱利安集水區設置防砂壩點位示意圖

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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。

参、研究方法

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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。

参、研究方法

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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。

参、研究方法

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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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。

参、研究方法

T1支流在陡坡緩坡交界處設置防砂壩示意圖

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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:

参、研究方法

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

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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

参、研究方法

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支流T1在1999年12月的總沉積容量(Vinflow),沒有防砂壩時估計為109000m3,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68000m3(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

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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

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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。

肆、結果與討論

← 表1 ↓ 表2

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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

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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

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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。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。

肆、結果與討論

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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。

伍、結論

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