防砂壩的數(shù)量課件

專題討論專題討論連續(xù)壩對減緩?fù)潦饔绊懼椒≧abindraOstiandShinjiEgashira7101042001謝政諺7101042002黃保嚴7101042005劉佳勝Hydrol.Process.22,4986-4996(2008)專題討論專題討論7101042001謝政諺Hydrol.大綱內(nèi)容壹、前言貳、試驗樣區(qū)參、研究方法肆、實驗結(jié)果與討論伍、結(jié)論大綱內(nèi)容壹、前言貳、試驗樣區(qū)參、研究方法肆、實驗結(jié)果與討論伍許多研究提出了各種防治土石流方法(Mizuyama等,2000)，並對抵抗土石流的結(jié)構(gòu)物，做出實驗性與數(shù)值模擬的控制方程式(Takahashi等,2001)。其中，雖然防砂壩被廣泛的應(yīng)用，但常無法控制預(yù)期規(guī)模的土石流，可能是壩體先被小規(guī)模的土石流填滿。在許多案例中得知，經(jīng)常性清淤於經(jīng)濟及技術(shù)上都是不可行的。所以應(yīng)該以有效性的設(shè)計技術(shù)，使防砂壩於事件發(fā)生前已經(jīng)淤滿，也能發(fā)揮防災(zāi)的效果。

Osti(2005)等介紹全封閉式防砂壩被填滿時，評估的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)研究結(jié)果，防砂壩斷面的入流沉積量，可以兩個無維參數(shù)求得：(a)相對入流沉積量(b)潛在的存貯容量(可以由最初及平衡後河床沉積坡度定義)壹、前言許多研究提出了各種防治土石流方法(Mizu儘管有許多的理論及試驗結(jié)果，仍難以有效的運用在工程上，因此本篇主要在探討及評估系列防砂壩之控制功能，並以科學(xué)基礎(chǔ)建立防砂壩之規(guī)劃技術(shù)。本研究使用1D數(shù)值模型，對於試驗地點來說，1D數(shù)值模型表現(xiàn)比2D模型好，相關(guān)數(shù)值模型採用Egashira等(1997)所提出的質(zhì)量和動量守衡方程式。

此研究會利用數(shù)值結(jié)果、實地觀察和過往經(jīng)驗，對防砂壩數(shù)量、大小、地點加以討論。壹、前言儘管有許多的理論及試驗結(jié)果，仍難以有效的運用在貳、試驗樣區(qū)居民在沒有土石流和暴洪的預(yù)告下，是災(zāi)情慘重的原因之一。土石流運載的沉積物和直徑10m的巨礫，以幾米的厚度層狀堆積在沖積扇，並毀壞了大量的房屋、橋梁和許多結(jié)構(gòu)物。

1999年12月委內(nèi)瑞拉北海岸的巴爾加斯洲，15、16日由於異常和局部性的豪大雨，發(fā)生大規(guī)模洪水和土石流。超過19000人死亡，經(jīng)濟損失估計為19億美金。許多小河的狹窄沖積扇上密集地居住數(shù)十萬人，首都卡拉卡斯位於山脈南部，這地區(qū)常常遭受土石流及洪水的蹂躪。而這次主要土石流在12月的15日晚上開始持續(xù)到12月的16日下午。聖朱利安沖積扇是這次事件中其中一個損壞嚴重的地區(qū)。貳、試驗樣區(qū)居民在沒有土石流和暴洪的預(yù)告下，是貳、試驗樣區(qū)1999年聖朱利安集水區(qū)土石流災(zāi)情圖貳、試驗樣區(qū)1999年聖朱利安集水區(qū)土石流災(zāi)情圖貳、試驗樣區(qū)1999年聖朱利安集水區(qū)土石流災(zāi)情圖貳、試驗樣區(qū)1999年聖朱利安集水區(qū)土石流災(zāi)情圖貳、試驗樣區(qū)聖朱利安集水區(qū)周遭地形貳、試驗樣區(qū)聖朱利安集水區(qū)周遭地形使用Egashira(1997)等開發(fā)的一維控制連續(xù)方程式進行沉積物和水混合的流體計算。質(zhì)量守恆方程式，在描述水砂混合物(1)和沉積物(2)，可分別表示如下：參、研究方法3.1水文模式ｈ：水深ｔ：時間ｘ：水流方向的座標(biāo)?；形狀因子Ｅ：底床質(zhì)沖蝕速率c：平均深度的體積濃度c＊：底床沉積濃度u：混合物平均深度的速度Ｂ：河寬ｇ：重力加速度ρm：混合物平均深度的質(zhì)量密度

…..(1)…..(2)使用Egashira(1997)等開發(fā)的一維參、研究方法3.1水文模式動量守恆方程式(3)和河床高程方程式(4)σ：沉積物的質(zhì)量密度ρ：水含細砂的質(zhì)量密度τb：底床剪力Zb：底床高程θ：底床坡度

Β：動量修正因子上述公式在包含本試驗樣區(qū)在內(nèi)的數(shù)個集水區(qū)試驗成功?！?.(3)…..(4)參、研究方法3.1水文模式動量守恆方程式(3參、研究方法3.2模式策略推估沒有預(yù)防對策下的土石流生產(chǎn)量風(fēng)險度評估估計須控制土砂總量決定防砂壩的地點、數(shù)量、規(guī)模和高度應(yīng)用數(shù)值模式推估有防砂壩時之泥沙產(chǎn)量逐漸增加防砂壩的數(shù)量及高度，直到土石流達預(yù)期控制。參、研究方法3.2模式策略推估沒有預(yù)防對策下的土石流生產(chǎn)量風(fēng)防砂壩的數(shù)量課件參、研究方法3.2模式策略觀測1999年土石流前底床縱剖面，如下圖：T1、T2、T3上游邊界到河口

分別為8210m、7560m、6140m集水區(qū)面積分別為2.63km2、1.42km2、1.43km2參、研究方法3.2模式策略觀測1999年土石參、研究方法3.2模式策略支流重要參數(shù)有河寬、沉積物的物理特性、潛在的沖刷深度，其決定於野外調(diào)查、實驗、前例、專家意見或周邊的數(shù)據(jù)。河床質(zhì)的特色：均質(zhì)粒徑d=20cm、內(nèi)摩擦角Φs=34°、質(zhì)量密度ρ=1.33gcm-3、底床材料濃度c*=0.52(Egashira等,2003)、潛在的沖刷深度(Dp)經(jīng)專家估計為10m，且由另外的河斷面作確認。河寬(B)對三個上游邊界點到其匯流點5100m時為20m，從匯流點向下游為40m。上邊界的排水量以合理化公式估計:

根據(jù)1999年12月的水文氣象資料記錄，降雨強度50mmh-1假設(shè)在集水區(qū)均勻降雨。其邊界排水量估計為T1：21.9m3s-1、T2：11.8m3s-1、T3：11.9m3s-1。fp：逕流係數(shù)、r：降雨強度、A：排水面積參、研究方法3.2模式策略支流重要參數(shù)有河寬參、研究方法3.2模式策略

首先模擬土石流在沒有防砂壩時於支流的流程，以及計算被支流帶到?jīng)_積扇的沉積量。然後再依照(a)計算且模擬最初的底床、(b)降雨逕流、(c)底床潛在的侵蝕深度，來模擬有防砂壩時的流程(同1999年事件)。

防砂壩的控制方程評估為假設(shè)防洪壩最初為淤滿，根據(jù)潛在的存貯容量Vp(Osti等，2005)估計防砂壩的沉積量，可以由最初及平衡後河床沉積坡度定義。Hd：壩高；B：河寬；θ：原始水流坡度；θo：土石流前儲存區(qū)的底床坡度；θｅ：土石流沉積平衡後的底床坡度。參、研究方法3.2模式策略首先模擬土石流在沒參、研究方法3.2模式策略土石流平均含砂量，決定於含砂量在每個防砂壩斷面，隨著時間的改變量。平衡後底床坡度(θｅ)則由各段面沉積量決定。

當(dāng)計算各個防砂壩的Vp時，需考慮現(xiàn)地地形情況，尤其是底床坡度不一致之情形。參照下圖：x、y：底床坡度θ1、θ2的擴展距離c、d：分別為θo、θe的跨距h：防砂壩高參、研究方法3.2模式策略土石流平均含砂量，參、研究方法3.2模式策略防砂壩的Vp只有在土石流均勻流動且無限量供應(yīng)時才會完全淤滿，在自然界是很少發(fā)生。因此根據(jù)以往不同經(jīng)驗，而以Vp之20–30%為估計沉積量(Osti等,2007)。本研究估計防砂壩限制沉積量佔潛在儲存容積的20%。參、研究方法3.2模式策略防砂壩的Vp只有在參、研究方法3.2模式策略在聖朱利安集水區(qū)設(shè)置防砂壩點位示意圖參、研究方法3.2模式策略在聖朱利安集水區(qū)設(shè)置防砂壩點位示意參、研究方法3.2模式策略試驗操作方法為，防砂壩各項條件維持不變，只有特定的防砂壩高度增加。

為了簡化試驗，防砂壩被連續(xù)地設(shè)置在各支流上游末端，同一支流內(nèi)壩高一致。決定防砂壩的地點、數(shù)量、尺寸後，數(shù)值模擬將證實其效率。

對於數(shù)值模擬，每個防洪壩頂部為對應(yīng)的底床海拔加上防砂壩高度。以Δx=5m、Δt=0.003s做計算，每次模擬1000s。參、研究方法3.2模式策略試驗操作方法為，防參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計一系列的防砂壩適合設(shè)置在土石流的輸送帶，可以增加沉積量並且穩(wěn)定坡度，進而降低土石流的大小。但是建造大量的壩昂貴且費時，因此，有適當(dāng)儲存容積的個別壩為較合理之方法。而且，防砂壩的功能性不只是建立在數(shù)量及大小，地點也是主要考量因素。防砂壩地點的選擇有許多標(biāo)準(zhǔn)，以下針對委內(nèi)瑞拉的聖朱利安河流域進行研究並驗證。

參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計一系列參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計

(a)防砂壩設(shè)置在嚴重沉積或易侵蝕區(qū)域的下游處最好，可以顯

著減少底床侵蝕造成的土石流。T1支流土石流事件後坡度變化圖T1支流在2100m處底床高程時間變化圖參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計(a)參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計(b)土石流坡度從陡峭到平緩時，存在自然沉積的趨勢，這時防砂壩設(shè)置在附近時，沒有顯著的效益。但若在緩和的斜坡延伸一段頗長的距離下，會產(chǎn)生可觀的沉積量，此時設(shè)置防砂壩是必要的。T1支流在陡坡緩坡交界處設(shè)置防砂壩示意圖參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計(b)土石流坡度從陡峭參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計

(c)現(xiàn)有的洪流底床斜率影響防砂壩的沉積量。

(d)當(dāng)兩座防砂壩設(shè)置上下游附近時，儲存量可能重疊。二個防砂壩之間最小的間距(L)估計如下:

Hd：下游防砂壩的高度：兩個防砂壩間的平均底床斜率

θe

：平衡底床斜率參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計(c)參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計

(e)如果經(jīng)費不足以設(shè)置大量連續(xù)性防砂壩時，少量甚至是單一的經(jīng)過設(shè)計規(guī)範(fàn)的防砂壩也能產(chǎn)生良好的效果參、研究方法3.3防砂壩壩址最佳化設(shè)計(e)肆、結(jié)果與討論支流T1在1999年12月的總沉積容量(Vinflow)，沒有防砂壩時估計為109000

m3，主要目標(biāo)為找出，如果1999年12月前修建防砂壩的結(jié)果。由高6M之系列防砂壩(No.1-9)攔阻的估計累積沉積量為68000

m3(防砂壩累積潛在存貯容量的20%)。Vstored/Vinflow則表示相對沉積量，即防洪壩1-9在T1估計控制62%土石流量。肆、結(jié)果與討論支流T1在1999年12月的總沉積容量(肆、結(jié)果與討論1999年土石流事件，如果支流T1有九個6m高的防砂壩在350、850、1150、1550、1850、2150、2350、2650和2850m，土石流可顯著地減少運輸?shù)某辽傲?表I)和最大流量，且延後洪峰到達時間。肆、結(jié)果與討論1999年土石流事件，如果支流T1有九個6m高肆、結(jié)果與討論若於1999年12月前設(shè)置9個防砂壩，支流T1到?jīng)_積扇的總沉積量大約48000m3，而不是109000m3；最大流量可能減至五分之一。表I中九個防洪壩的控制比率估計是0.62，而控制比率之計算結(jié)果在表II是0.56(即Voutflow/Vinflow=0.44)，指出結(jié)果與估計值相近?！?↓表2肆、結(jié)果與討論若於1999年12月前設(shè)置9個防砂肆、結(jié)果與討論在支流T1測試不同的組合的防砂壩：

(a)5個防砂壩，每個3m(b)10個防砂壩，每個3m(c)在2300m的單一15m高防砂壩結(jié)果表示，最大流量和總沉積量以不同規(guī)模顯著降低。因此為了最佳控制系統(tǒng)，有必要試驗最有效的防洪壩組合。(本例為任意於潛在區(qū)選擇一個地點，並且依據(jù)地點調(diào)整高度)肆、結(jié)果與討論在支流T1測試不同的組合的防砂壩：結(jié)果表示，肆、結(jié)果與討論以相同方法計算T2的任意組合，在無防砂壩的情況下，於沖積扇頭沉積量為47000m3，比防砂壩的預(yù)估控制量53000m3少，因此土石流可以被充分控制。(T3亦同)肆、結(jié)果與討論以相同方法計算T2的任意組合，在無肆、結(jié)果與討論在大部分情況下，計算值與估計值一致。少部分情形會有有不一致的現(xiàn)象，特別是防砂壩之落點位在較陡處。因此建議防砂壩若位於較陡處，則應(yīng)提高潛在存貯容量(20%)之估計值。除上述外，造成估計值和計算值差異之原因，還有土石流流入的平均含砂量之預(yù)估，以及縮短模擬之所需時間以便於計算。根據(jù)潛在存貯量的分析，即使缺乏複雜的數(shù)值模擬，其結(jié)果仍可應(yīng)用在防砂壩控制功能之工程領(lǐng)域上。為了評估土石流是否可由現(xiàn)有的防砂壩系統(tǒng)控制，了解系統(tǒng)潛在的存貯量是必要的，而存貯量可由原始坡度及預(yù)計沉砂量估得。雖然可藉調(diào)查底床坡度及不穩(wěn)定堆積層之潛在沖蝕深度，以得知潛在存貯量及土石流之含砂量，但仍必須施行經(jīng)常性監(jiān)測以便於評估及控制。肆、結(jié)果與討論在大部分情況下，計算值與估計值一致。少部分情形伍、結(jié)論土石流不能完全地防止，但建造防砂壩可以降低衝擊。防砂壩的數(shù)量、大小和地點取決於自然、經(jīng)濟和環(huán)境等因素。規(guī)劃防砂壩時應(yīng)參考理論分析及實際經(jīng)驗。例如，本篇以各種不同的組合探討其對水位歷線、最大流量、沉積容量等之影響。結(jié)果表示，若於事件前建造防砂壩，則當(dāng)時的土石流不會這麼嚴重。且發(fā)現(xiàn)有效控制土石流，不僅要增加防洪壩的數(shù)量和大小，更要選擇適當(dāng)?shù)牡攸c。伍、結(jié)論土石流不能完全地防止，但建造防砂壩可以降低衝擊。防參考文獻●ArmaminiA,LarcherM.2001.Rationalcriterionfordesigningopening

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