中華民國九十八年二月二十八日

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638

河川取伏流水之工程概述

98年2月15日

賴平雄、蔡篤乾、吳富豊技師

台灣河川坡陡流急，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）。

           圖1 時，半徑之b球將可穿過三個半徑a之球體之空隙

二、河床下之引水構造物

一般河床下之引水構造物常採用：

1.埋管於河床下，管之四周開孔取水；

2.設多層濾層以分析可取水量。

埋管取水屬於另一探討問題，而本計畫採多層濾層作為設計。多層濾層一方面應防止管湧之發生，另一方面需有夠大之透水係數。

（一）防止管湧發生方面

1.與河床質接鄰之第一層濾層，須滿足

（1）Terzaghi 建議

。其中D₁₅：濾層之通過百分比為15時之粒徑；d₈₅：河床質無法形成自濾之最小土壤部分之通過百分比為85時之粒徑。

（2）埋設管時，管上若須開孔或以網袋裝填濾料時，開孔之孔徑或網袋之開孔與其外圍濾層之關係為

。

2.各層濾層間亦須滿足

。其中：：為第二層濾料通過百分比為15時之粒徑；：為第一層濾料通過百分比為85時之粒徑。

惟於濾層粒徑過大致無法堆置及夯實時，須修正此層之粒徑至較小之尺寸。

（二）濾層須有過大之透水係數K或設管路，以取得足夠之水量

1.一般土壤滲流流量，採用Darcy’s law

Q＝KiA。其中：K：透水係數；i  :水力坡度；A：滲流垂直通過之面積。

濾層為碎、卵石級配料(或單一粒徑，依設計而定)利用上述公式來推算尚無異論。而水力坡度

。

其中：h_L：水頭差；L：滲流長度。

一般能量損失較管流(明渠流)為大。

2.設管路以輸送滲流水

管路以明渠流輸送滲流水，流量Q採用曼寧公式。

。其中：n：曼寧糙度係數；光滑鐵管n＝0.014；A：通水面積；R：水力半徑；，P為潤周；。

比較濾層與管之輸水，就水頭損失而言，管可輸送較多之流量。

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

（一）i值由Cederqren建議 。其中：H＝取水之水頭，H＝6公尺；：引水構造物內之水深 ＝2公尺；R：依一般建議值，R＝50～300公尺，可取R＝100公尺；r_o：引水構造物之半長，r_o＝2公尺。

（二）A＝2πr_a×h_a。其中：；。

（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Q_o 。

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。

四、結論

於河川取伏流水作為水資源開發計畫，不影響洪水期間之河川通水斷面，亦不增加對河中既有構造物（如橋墩）之沖刷問題。因於河床內設置構造物，透水係數K、空隙堵塞及可引取水量變化甚大，完成數量甚少。本計畫地點，恰遇礫石土，筆者曾做礫石土之透水性與湧管（81）方面之研究。於其他方案不可行之情況下，有幸做此設計，遂提出本報告，希能獲取指教。