淺談混凝土塊丁壩佈設

為了減少因水流直沖並為加強保護護坦 丁壩的設置應是立竿見影的不二選擇

本文以位於荖濃溪大津護岸設計案為例,說明混凝土丁壩之佈設方法。荖濃溪大津護岸由於坡陡流急致河道變化,舉凡汛期期間水利單位列為加強巡視之保護區段,而水流直沖對堤防基腳及底部蛇籠護岸有漸掏刷以致堤防遭衝毀之影響,故為了減少因水流直沖並為加強保護護坦,因此,丁壩的設置應是立竿見影的不二選擇,爰以決議以具立即效果性之丁壩工法挑流予以保護,利用丁壩挑流特性在原水流直沖處依設置原則(流向、角度、長度、間距等),適當挑離直沖水流,減緩堤防基腳掏刷,以達到掛淤、造灘之效,防患於未然。

並借助丁壩群挑流機制達到掛淤、挑流、避免水流直沖護岸,以達保護基腳疏導河道減少災損之目的。本文內容分述如下:

一、工程簡介(如下表說明)

1.位置 本工程位於高雄縣六龜鄉,荖濃溪下游臨新設之鋼構彩虹橋上游。(現況流路如下照片1、2)
2.型式 T型。
3.構造(如下斷面圖) 1.  基底等距(橫向約2.5m、縱向約3.5m)打設L=5m之H型鋼樁(300×300×10×15mm),並設置框型混凝土基座(斷面2m×2m)將鋼樁包裹,並預埋鋼索(8m/條)與蛇籠及頂部20t消波塊連結以加固丁壩穩定性。
2.  底鋪塊石並整平,舖設蛇籠。
3.頂部為20t消波塊整齊排列成階梯狀。
4.再以鋼索、鋼索夾連結混凝土塊。
4.結構屬性 屬透水性丁壩。
5.長度 約50m。
6.丁壩頂高程 EL=158~156m(上游至下游)。
7.距離堤肩 約17~25公尺。
8.特點 1.減緩流速較挑流效果佳。
2.穩定性高。
9. 工程費 新臺幣約25,000,000元整。
10. 工期 150日曆天。

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照片1
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照片2

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丁壩斷面圖

二、丁壩特性

所謂丁壩依水土保持技術規範第106條係指:「由河岸向河心方向構築,藉以達到掛淤、造灘、挑流或護岸之構造物」。

2.1丁壩設置目的

在於希望改變水流流向以保護河岸,並建立正常河寬誘聚河灘堆積物,及建立新河岸疏導河道。而依所欲達之主要功用以決定所需丁壩之結構與工法等。

2.2丁壩功用

1.強化護岸:丁壩群使流速減緩,促進造淤掛灘以防河床沖刷。
2.維護岸線:順導或挑改流軸導流入流槽維護岸線,建立正常河寬。
3.束縮工程:增加低水槽水深以利航運。
4.導流集水以利取水。
2.3丁壩結構形式

有透水性丁壩(permeable dike)與不透水性丁壩(impermeable dike) (亦稱固體丁壩),茲就結構特點如下表說明:

 

透水性丁壩

不透水性丁壩

挑流效果

不透水性丁壩較透水性丁壩為佳。

同左。

減緩流速

透水性丁壩較不透水性丁壩為佳。

同左。

功能

1.    達成減緩流速而挑離水流則次之。

1.    主要在挑流惟因其不透水之特性所受水能反作用力大。

2.    具較佳之透水性對水流抵抗較小安全性相對較高

2.在激流沖蝕漩渦下恐致丁壩底部產生大量沖刷。

3.    促進丁壩下游壅水區域泥砂淤積而達到減速、挑流、造淤保護基腳之目的。

3.在溢流情況下,在丁壩下游側及壩頭處發生刷深情形,不溢流時河水將沿丁壩壩體流向河心,致使壩頭發生亂流與激烈沖刷現象。

4.    挾帶懸移值多之河流更見成效。

 

加固方式

1.  以消波塊整齊排列於丁壩四周,再以鋼索、鋼索夾連結形成丁壩左、右翼屬撓性之席式構造。

同左。

2.  舖設箱籠或蛇籠於丁壩左、右翼。

3.  打設鋼樁或混凝土樁以增加丁壩之固定強度。

其中以透水性丁壩為目前丁壩設計之主流方式,丁壩的工法傳統上有混凝土、蛇籠、排樁、馬槎及拋石所構築之丁壩等型式,而經時代變遷挑流丁壩則以消波塊、箱籠、漿砌大塊石、混凝土等構築之丁壩較多見,本案例丁壩即是由消波塊與大塊石組合。

三、設計準則
1.方向:丁壩壩軸與水流之交角可分為向上游、直交與向下游三種(如下示意圖)。本案例因荖濃溪該段水流現象與特性,屬水流散亂或流向變遷無常之河段,這種情況丁壩的設置與水流方向,一般最常採用直交丁壩。而在此如以向上游之丁壩佈設,則較易致水流趨向河心使掛淤較速,且壩頭底部則因垂直漩渦常沖刷成深塘,情況較直交型式劇烈。又如以向下游之丁壩佈設則水流越過壩體時會增加下游岸腳之沖刷,向下游之丁壩除非壩距較密可免水流直衝岸腳,或為特殊理由容許引導進水以維持水深者,否則不宜隨意採用。

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2.間距:丁壩間距決定方式可概分為分析法與經驗法兩種。
分析法中有德國水利專家恩格爾氏及學者Winkel之研究分析法二種,其中後者之分析法係考慮當堤岸為平行或不平行流動之水流的情況做分析,因河道變化萬千如就後者分析法布設,容易導致施作時可能河道變化與設計時不同之情況,在此筆者建議丁壩的設置以參考前者來布設應可達較佳的效果。以下僅就前者分析法簡述如下:
(a)恩格爾氏:依德國水利專家恩格爾氏之試驗結果顯示,假設丁壩之間距為D,長度為L,高度為H,則丁壩設計時可依如下D、L、H之關係以決定採用之間距。如下表說明:

D/H (間距/高度) 效果
D/H=10 在丁壩群中可得最佳減速效果
D/H小於10 效果差且不經濟
D/H大於30 減速效果減少且所受外力較大

於實際設計上丁壩以D/H=10~30為適當

  D/L(間距/長度)
直岸 D/L =2~3
凹岸 D/L =1.5~2
凸岸 D/L =2.5~3.5

另在經驗法中,國內的經驗一般以依水土保持技術規範第107條規定設置,此則同德國水利專家恩格爾氏之試驗成果。而國外經驗方面,在鄰近亞洲國家日本建設省曾針對境內190處丁壩調查,其中壩距為壩長2~3倍約佔50%以上,歐美國家如:美國密西西比河中游段丁壩間距一般採用1.5倍壩長,歐洲萊茵河目前一般壩距採1.0~1.5倍壩長,其他歐洲河流於凹岸時壩距為壩長1.0~2.5倍,凸岸時為壩長之4~8倍,順直段時為3~4倍。
其中,亞洲國家日本-丁壩壩距為壩長的2~3倍約佔50%以上,足見日本亦普遍採用恩格爾氏之試驗成果來設計丁壩。
3. 壩長、壩寬、壩坡、壩高:
壩長、壩寬、壩坡、壩高依河川流量、比降、挾砂情況及其施設目的、河寬情形、考慮上下游、對岸之影響及本身之安全而定,茲就壩長、壩寬、壩坡、壩高之國內一般設計原則說明如下表:

  壩長L 壩寬W 壩坡S 壩高H
說明 1.保護堤岸為目的者一般以20~40m考量。 1.一般採4~6公尺。 由壩根向河心之縱坡,考慮河床橫斷面與洪水坡降,一般採用1/30~1/100。 依其型式並參考計畫洪水位及河床之地形高度而定,以能達到其設施之目的。
2.較長之丁壩則對上下游及對岸護岸有受災之虞。 2.對大河川或流速大之河段則採10~20m考量。

4.壩根護岸:丁壩壩根如不與堤防或護岸相接時,應施設壩根護岸,以免洪水繞襲壩後,以致丁壩孤立河中。其長度一般以上下游15公尺為度或不得少於壩長2/3。其高度宜在水位以上。
5.壩頭:壩頭基礎應考慮其可能沖刷深度而加深,並採用較平緩之坡度或較低之高度以減低對水流之阻力。
6.護坦:宜採用串連之混凝土塊,或鉛絲蛇籠等具有屈撓性及整體性之構造物;為防止與壩體脫離,亦可考量與壩體聯結。
適當之丁壩間距,應能使下游丁壩的壅水,剛好淹沒上一個丁壩,以防在上游丁壩下方發生跌水掏刷現象,又丁壩設置時應以構造物的稜線迎向水流,而構造物之排列,自上游向下游應逐漸遠離岸腳,並考量錯開排列,另在壩身基礎四周須考量有截牆之設計。
四、分析

相關資料:本案例位於荖濃溪,其丁霸型式及現況河段屬性等資料,依上述設計準則表列如下:

1.型式 T型
2.方向 直交丁壩
3.岸別 凹岸
4.流速 屬流速大之河段

 

丁壩構造資料 間距D 壩長L 壩高H 壩寬W 壩坡S D/h D/L
簡算結果 80m 52.5 3.5m 24m 1月30日 22.8 1.52
核算分析           ok ok

分析結果:
依設計原則分析
*D/H=22.8介於10~30之間
*D/L=1.52介於凹岸D/L=1.5~2之間
*W=24m,本段屬流速大之河段依設計原則W=10~20之間既可,故24m相對較保守,經依上述分析可知該丁壩設置符合設計準則符合規定。
五、後語

丁壩為由河岸向河心方向構築,藉以達到留淤、造灘、導流或護岸之構造物。丁壩周圍由於土砂堆積或水流沖刷,形成深淺灘及濕地等,可創造出多樣性之水邊環境。設計上除依上述準則須特別考量外,於設計時亦應考慮減低丁壩區域之流勢、土砂沉澱淤積情形、河岸不致於發生侵蝕、丁壩間距過大則形同單坐丁壩般無法達到群壩的效果而丁壩間距過小則有過於浪費的現象。

而丁壩形式的取用主要有透水與不透水兩大類,然取用之鑰在於務需了解「水之為物,素以柔弱著稱」。然其雖柔弱卻能以「滴水穿石之恆,無孔不入之力,無堅不摧之姿」,而消融萬物,正如老子道德經一書所云:「夫唯不爭,故天下莫能與之爭」,因此應對此「上善之物」惟以「善柔」之策方有建樹,故當以透水性丁壩為首選。

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