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壩址邊坡監測與水砂觀測分析(以丁子蘭溪為例)水利規劃試驗所

  發刊期數:第0385期/ 發布日期:109/05/29

一、 前言

本研究為針對雙溪水庫址邊坡及水觀測進行相關分析,除針對集水區進行崩塌分析外,另透過設置各項監測儀器,即時監控邊坡穩定情況,並再融入物聯網,產製智慧網絡平台,達成智慧防災效益。

二、 址邊坡水文地質調查

水規所於鄰近址範圍進行了許多地質調查鑽孔,但位於靜水池上邊坡地質敏感區僅有一鑽孔,因此需要進行補充。新設鑽孔106-BH-1位置如圖1所示,鑽探深度達40公尺深度,於鑽探完成後進行現地水文地質試驗及傾斜管及水壓計埋設工作,可提供未來細部設計或施工管理階段之參考。

調查之鑽孔挖掘至地表下1公尺即為岩盤,整孔岩性以灰黑色及灰白色之頁岩互層或是灰白色岩夾灰黑色細粒岩為主,與鄰近鑽孔之調查結果一致,而地表下19公尺後岩心甚為完整,RQD介於60至100之間,而鑽探過程之水位約為地表下5.2公尺,於鑽探完畢後緩慢上升至地表。

此外,現地水文地質試驗包含孔內攝影、孔內井徑、孔內波速、孔內流速與電測分析等,並將鑽探所取之岩心編排合適之岩石力學試驗。圖2為各試驗成果整合。經過一系列之試驗結果可知,此邊坡地層以岩為主,岩心大致完整,破碎區段有銹染情形,破裂面乾淨並未夾泥。根據地下水流速調查結果,破碎區段為地下水補注區段,由於不連續面多為沿層面之開裂面,加以此邊坡為順向坡,因此補注應為沿邊坡含水層而下。然地下水位多於地表下1公尺至地表面,雨季時亦僅自孔口緩緩流出,研判其裂隙並未大範圍延伸,且連通性不佳。

  • 圖1 既有鑽孔與新設鑽孔佈設位置圖圖1 既有鑽孔與新設鑽孔佈設位置圖
  • 圖2 水文地質調查成果整合圖圖2 水文地質調查成果整合圖

三、 水觀測調查

本研究為了配合雙溪水庫各項規劃檢討及環境影響評估所需,於丁子蘭溪總共進行了40次水觀測、1次全洪程觀測、3次河道斷面測量,以建立水位-流量及流量-含砂量率定曲線及河段斷面資料更新,以瞭解河道變化情形及特性。流速觀測係利用旋杯式流速儀進行施測,最後以流速-面積法計算出總流量。常時測量於民國106年7月3日至民國107年9月17日之間進行,全洪程量測則在瑪莉亞颱風侵襲期間進行(民國107年7月10日至11日),以取得高流量之水位資料。

總計41次的量測成果顯示丁蘭大橋之水位高程介於20.25公尺至20.73公尺之間、流速介於0.001公尺/秒至0.46公尺/秒之間、流量則介於0.006立方公尺/秒至3.768立方公尺/秒。3次的河道斷面測量,顯示各河道斷面之通水面積變化量約在10%以內,顯示河道底床呈現穩定狀態。結合本計畫所測得的常時及全洪程觀測結果,建立丁蘭大橋水位流量率定曲線為19.0(H-20.12)3.21,如圖3 所示。丁子蘭溪之含濃度則由現地所採集之水樣進行烘乾試驗,求得濃度介於0至457ppm,推估輸量為0噸/天至82.04噸/天之間。經過多次現地量測及採集資料,結合105年之結果,建立丁蘭大橋的含濃度-率定公式為Q=13.304Q1.07(見圖4 )。

四、 數值地形產製與地形差異分析

本研究為了解丁子蘭溪集水區潛在活動邊坡區位以及歷史崩塌地邊坡現況,利用UAV空拍兩次與地形測繪技術以產製正射航照與數值地表地形,以更進一步探討丁子蘭溪集水區民國106年至107年間的地形差異。比較了兩期(民國106年與107年)的正射影像(圖5),可發現丁子蘭溪集水區內並沒有產生新增崩塌地。而圖中紅色圈繪處為丁子蘭溪集水區10處歷史崩塌地(民國90年至105年),從影像中亦可發現崩塌地目前已復育,坡面上覆蓋著植披。

  • 圖5 民國106(第一次)與107(第二次)年兩期正射影像圖5 民國106(第一次)與107(第二次)年兩期正射影像

五、 址邊坡監測物聯網規劃與平台建置

本研究為建立監測資料即時回傳,以提供管理單位即時監控邊坡狀態。針對址邊坡監測共裝設8項監測儀器,其中傾斜儀*4、地表位移計*1與雨量筒*1,共六項儀器可納入本計畫監測物聯網架構,而部分新設監測儀器(如地中傾斜管與地下水位計)因受到環境影響(地表下無線訊號較易遭受到阻擋,而導致訊號封閉),故較難以進行聯網設定。本研究為形成監測物聯網之應用,運用現代網站開發技術建置雲端網絡平台(見圖6),以供各水資源局及各河川局水庫集水區施工中與營運中管理參考。

  • 圖6 壩址邊坡監測物聯網平台首頁圖6 址邊坡監測物聯網平台首頁

透過監測物聯網雲端網絡平台,可利用地圖圖台呈現邊坡監測儀器點位與其它丁子蘭溪集水區相關圖層(如歷年崩塌地崩塌地滑地質敏感區與水庫規劃等)。網站介面亦可即時查看監測物聯網監測值,並透過資料視覺化與警戒管理值設定,方便判斷邊坡穩定狀況。除整合佈建的址邊坡監測物聯網與現地既有監測資料外,本研究更透過大數據分析技術建置「址邊坡智慧防災網絡評估模式」,此模式可結合現地雨量資訊去動態地預測集水區內各邊坡崩塌潛感的等級,將有利於管理人員監控各邊坡狀況。

  • 圖7  監測物聯網時間序列折線圖圖7  監測物聯網時間序列折線圖
  • 圖8  崩塌預測模式於壩址邊坡監測物聯網的整合應用圖8  崩塌預測模式於址邊坡監測物聯網的整合應用