淺談堤防護岸設計
今天要來探討的是土堤的設計
土堤顧名思義主要是由土壤構成的堤防
但是呢在為了保護脆弱的內在下
往往給予較堅硬的外殼保護稱之為坡面(工)結構
畢竟所用的大宗材料還是土壤
比起高聳的台北防洪牆而言
土堤的成本可說是便宜多了
但是相對的就會消耗比較多的空間
(畢竟土坡要靠著土壤，防洪牆可以直直的自己站著
考量防洪牆不必承受背填土壓，相對的址版長度可以較為縮減
完工後址版上面的空間也可以利用)
一般的土堤坡面工法主流的大概有2種類型
1.塊(卵)石混凝土
塊(卵)石混凝土的分類又有很多種
可以施作的坡度從1:0.3~1:1.5都還可以處理
一階的垂直高度則是建議5公尺以內
2.混凝土坡面工
混凝土坡面工坡度，考量混凝土的流動性
建議是比1:1.5緩的坡度來施作
一階的垂直高度也建議不宜過高(5公尺左右)
(個人認為大範圍透水性結構其實有點危險)
一般而言土堤的破壞主要有兩種
1.滑動破壞
2.河床刷深破壞
造成滑動破壞不外乎就是邊坡穩定性不足
然而因河床刷深導致基礎失去落腳處斷裂
導致水流直接入侵裂面 把坡面結構由內而外推走的情況
也不在少數
所以在設計土堤上就有兩點是很重要的考量因素
1.沖刷深度
2.坡面穩定
關於沖刷深度的探討
在之前的文章曾提及過
https://terrylove12.blogspot.com/2018/07/blog-post.html
就不再贅述
接著就進入這篇文章的重點
一般在設計土堤時可以的話 要先得到設計洪水量 水位 甚至流速等等的數據
除了高度要符合計畫洪水位或計畫堤頂高外
其他的數據都能幫助你去估計沖刷深度
另外除了堤防本身結構外 護坦工 也是很重要的腳色
護坦工是保護堤坊基礎的設施
在河床沖刷時 它能夠隨之下沉
成為保護基礎避免沖刷延伸至基礎設施的外殼
要決定護坦工的長度有2個數據要先獲取
1.沖刷深度 2.河岸平衡坡度
沖刷深度可以用公式算
河岸平衡坡度呢，可以找一次大水後去觀察設計河段凹岸的河岸坡度
有了這兩者，就可以評估護坦工的長度
所以實務上可以採用2~3倍的沖刷深度去估計
再者就是基礎深度
一般而言以水利署的建議是
基腳深度中小河川應採用低於河床面50～100cm
大河川應採用低於河床面100～ 150cm
不論基礎是否需要做到計算的沖刷深度
或者為了避免大開挖而不做那麼深
護坦工還是建議要謹慎設計長度
讓它作為遭於洪水時身先士卒的腳色
上面談到了基礎
那麼就該來談談基礎本身的穩定性
在設計基礎尺寸時
建議把基礎視為一擋土結構
去做滑動跟傾倒的分析
而且建議設定為前河床已經刷深至基礎底面的狀況
這樣子的設定可以讓土堤結構有良好的自立性
而不是只是靠河床的覆土來得以讓堤身穩定
當真的遇到大水時河床刷深
如果底面還沒刷到基礎下
只要堤防還沒變位 修起來就比較容易不是嗎
所以基礎的抗滑動 抗傾倒是有其檢核的重要性
建議只要分析到緊挨著基礎的下階坡面結構就好
因為上下階坡面通常會隔著戧台(一水平坡面結構)
上階結構的作用力通常會靠著戧台的自重與土壤摩擦力去平衡掉
至於坡面結構的強度
可以透過水流掃流應力的分析
來決定所用的材料強度及厚度
τ = ρ *u^2
τ：單位面積河床上之掃流剪應力
ρ：水之比重
u：摩擦速度， u = V0/φ0
V0：設計代表流速
φ0：流速係數， φ0=6.0 +5.75log(Hd
/Ks)
Hd：為設計水深
Ks：為坡面粗糙高度，可假設為Dm(最小平均粒徑)，最大可假設為2.5 Dm
整體的坡面結構設計完成後
有辦法的話 也要做一下滲流分析
堤後水位為背填土高
堤前水位為基礎高
這樣的設計比較極端
就像是下了場很久的雨 土壤的水還沒消退
後面的水還積了一大片
然後河川異常退水快速XD
水頭落差大的情況下 滲流水壓就會比較大
對於坡面穩定也會較差
(如果堤身內填的是砂土
建議針對基礎利用流線跟勢能線圖做管湧分析
確定管湧的FS是安全的)
接著可以把滲流的成果帶入坡面穩定分析
如果沒有問題的話
基本上土堤的設計就就此結束了~~~
題外話一番假設工址現場需要開挖大量土方打開河道斷面的話
建議把堤防設計成複式斷面
然後在重現期2年的水位下做低水流路的保護(低水護岸)
並設計較為寬廣的灘地(一樣是重現期2年的水位的高度)
這樣一來主要堤身的基礎就可以拉高一些
不一定說就要深入河床下多少深度了
只是每逢大水 可能要去檢查一下灘地跟低水護岸的狀況
時時維護 確保安全~
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