地工合成材護岸之沖蝕行為研究

河川堤岸之不當沖蝕往往會影響河岸邊坡之穩定性並危及鄰近建築物的安全,而且被沖蝕崩落並堆積於河道中之土石材料也可能誘發土石流,因此須施以人工整治,以提高其穩定性,降低災害的發生。目前對於河川的治理大都採行構築高水堤防,並且採用混凝土為築堤材料,對生態環境之衝擊甚大,且對於河川長期沖蝕下之穩定性勘慮,因此尋求其他更合適的材料來替代混凝土築堤,且能同時兼具安全性及生態考量,是一個刻不容緩的問題。

採行地工合成材保護河岸除了具有生態環境營造上的優點之外,若與混凝土堤防護岸相比,其長期穩定性亦較優越,但是如果設計不良則可能造成河岸土壤大量流失進而破壞,目前對於地工合成材護岸之沖蝕行為的研究眾多,且亦已發展出相關之設計準則,然均只針對單向水流行為進行研究,而實際情況下之地工合成材護岸的水流行為複雜,本研究將其區分為單向水流作用區、雙向循環水流作用區及切向水流作用區等三區。

在本計畫中主要以試驗的方式,針對三區不同之水流條件而發展出相應之試驗設備以分別探討無凝聚性或低凝聚性土壤之沖蝕行為。

經研究結果顯示,位於單向水流作用區之地下水滲流會引起土壤內部沖蝕,其中一部份的土壤顆粒會穿過地工合成材而流失,另一部份則可能堵塞於地工合成材內部纖維或堆積於地工合成材後方形成自然土壤過濾層並造成滲流速度下降,一旦滲流速度低於臨界流速(vc),土壤內部沖蝕便會停止。循環水流作用區可依水流循環週期而區分為短週期及長週期循環水流,二種水流情況作用下之土壤沖蝕行為各異。因此,本研究各自發展出不同之試驗設備。採用大型水槽試驗針對短週期循環水流情況進行研究後得知,位於循環水流作用區之上部區域的土壤容易受水流反覆的作用而誘發較高的超額孔隙水壓力並引致崩潰破壞,中間區域則因水流沿著河岸邊坡產生切向流動而沖刷土壤表面,並帶至下部區域堆積,研究結果亦顯示除了地工合成材之開孔徑外,覆蓋於地工合成材上方之塊石覆蓋面積亦是控制土壤沖蝕的關鍵因素之一。

在長週期循環水流作用下,經由雙向循環水流試驗儀之試驗結果得知,若循環水流的週期甚長(600 sec/cycle),則土壤內部之滲流流速緩慢,不足以使土壤顆粒產生移動,因此並無土壤沖蝕之虞;然一旦流速加快,則土壤因滲流水壓力的提高而造成有效應力下降,並可能產生土壤砂湧而誘發大量的土壤流失及沉陷,且影響護岸土壤的深度較短週期循環水流者為深。再者,分析位於地工合成材上下二水壓計之水力梯度比,及以電子顯微鏡觀察地工合成材內部纖維構造可以發現,土壤顆粒堵塞的情形並不如單向水流之作用嚴重。切向水流作用區之土壤沖蝕行為研究則採用平行沖蝕試驗儀進行,研究結果顯示,土壤表面之切向沖蝕行為可以依水流流速加以區分,若流速低於臨界流速(vc),則土壤無沖蝕之虞;介於臨界流速與破壞流速(vf)之間,土壤產生穩定沖蝕;一旦流速大於臨界流速,土壤便會產生劇烈沖蝕,並可能引起護岸沖蝕破壞,再者,於護岸表面有無舖設地工合成材所產生之土壤沖蝕行為亦不盡相同,無舖設地工合成材之護岸可能產生無止盡的土壤沖蝕,直到護岸因坡趾淘空而破壞,若舖設合宜之地工合成材則可以避免此一現象,並可能在地工合成材下方形成一自然過濾層,進而防止土壤繼續遭受沖蝕,一旦自然過濾層完全形成,護岸便可趨於穩定。

作者:何嘉浚