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水利工程

灣河川坡陡流急,人口密度高,各項公共設施與河川關係密切,如橋梁跨越河川,橋墩(台)之設置;引水計畫興建攔河埧(堰)等,並且又或多或少引起問題,如橋基沖刷,橋、埧(堰)下游河床之刷深。河川之沖刷特性理論繁多,門派亦多,兼又涉及法律觀點不同之刑事調查,更阻礙公務人員抉擇之理論依據。

 位於台中市高速鐵路西側,為都市更新之需而辦理重劃,重劃區內灌溉水路影響整體開發計畫,遂有於其舊有水源之筏子溪興建取伏流水之引水計畫。

於河川取水,一般可分為取地面水及河床下伏流水。

本文主要談於河床下取伏流水所須面對之工程問題。與河川有關於河床下取伏流水之工程問題:

1.河床質之透水性及管湧。

2.河床下之引水構造物。

3.伏流水之可取水量。

茲分析如下:

一、河床質之透水性及粒徑分佈影響因素

(一)河床之水平透水係數K值

台灣河床之河床質之透水係數K值如為

1.砂質粉土  K=1×10-4 cm/s;

2.砂質土壤  K=1×10-2 cm/s;

3.礫土石    K=1~10 cm/s。

由於粒徑之大小而使透水係數K之變化範圍相當大,另外礫石其組成隨其最大粒徑及小於#4篩含量而有所區別,本引水計畫為筏子溪,其通過百分比為15之粒徑D15為13~60mm,為其透水係數依sherard(1984)計算得:

K=0.2-0.6 D152    (D15,單位mm),取K=1~10cm/s分析。

(二)河床質之粒徑分佈

台灣河川河床質於下游為砂質土壤,中游為卵石土,上游為大卵石至巨石,於中、上游隨粒徑之增大,中間粒徑較缺少,屬於跳躍級配,其本身無法形成自濾之作用,亦即受水流之作用,細粒徑可於其大粒徑之空隙中穿過,隨著小於#4篩含量之減少,其現象更顯著。據文獻顯示當大於#4篩含量小於20%時,本身無法產生自濾作用,於設計此種礫石土之濾料(Filter)時,應以較小粒徑之部分,作為濾層之設計。惟由於大粒徑非經過篩選、夯實,產生嚴重分離現象,即當最大、最小粒徑之比例大於2以上,分離之現象即會發生,此種現象造成許多之工程問題,必須設計多層次濾料,以防管湧之發生。本計畫地點筏子溪為大肚山台地礫石地區所形成之河川,為防止於礫石上進行回填而造成日後沉陷(細粒徑陷入分離之礫石空隙),回填料(或多層之濾料)採用最小粒徑為最大礫石粒徑之1/4,而非泰勒氏(Taylor,1948)之1/6.5(詳圖1)。

 

三、伏流水可取之水量

多濾層之引水構造物之集水系統詳圖2,可引取之水量之入滲橫縱面圖詳圖3。

圖2  進水斷面圖

 

圖3  入滲之橫斷面圖

可引取之水量,利用Darcy’s law。Q=KiA 三)可引水量Q。可引水量Q分為三部分:(1)側向引水量;(2)頂部引水量;(3)底部引水量。

此三部分之引水量,均以Darcy’s law來計算,以不同之K、i、A值求算Qo 。

本計畫引水量經分析約可取1.0cms之水量,於河川取伏流水,計畫上須滿足經濟部河川管理辦法。包括:

1.引水構造物之頂部,須低於河床之最低點。

2.引水構造物之底部,須低於防洪構造物(如堤防)之最低點。

計畫完成後,付諸實施前,尚須向有關單位申請:

1.水資源開發計畫之許可。

2.河川公地之許可。

3.破堤計畫之許可。

於河川取伏流水計畫適用於:

1.河床質屬於滲流量較大之地區。

2.含泥量(由小於#200篩)較少之地區。

理論上小於#200篩大於30%以上,河床質如同不透水層。依美國統一土壤分類法:

(1)小於#200篩含量小於5%為透水性土壤。

(2)小於#200篩含量介於5%~12%為半透水土壤。

(3)小於#200含量大於12%以上為不透水土壤。

於河川取伏流水計畫之優缺點

1.優點

(1)引水構造物均置於河床下,不影響洪汛期河川之通水斷面。

(2)不影響其下游河中構造物(如橋梁)之沖刷及下游河床之沖刷行為。

(3)引水構造物可設計為透水性構造,構造物安定分析之穩定性甚高。

(4)可取得優質之水質。

2.缺點

(1)於河床下取滲流水,依Darcy’s 公式可取得之水量,較取水地面水利用曼寧公式(Manning’s)者少甚多。

(2)須抽水或埋設較長之管路,以供應地形上允許重力供水之地區。

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