南化水庫淤泥作為土石壩心層材料之適用性研究

Abstract

南化水庫淤積快速，已對水資源之利用與南化水庫之功能造成嚴重影響，而為解決淤積問題，防淤與清淤為二項重要方法。惟目前我國水庫清淤後之土石材料並無較佳之處理方式，因此水庫淤泥至今尚無法大量處理。本研究即為尋求淤泥之較佳處理方式，探討以水庫靠近壩址處之淤泥作為新建土石壩心層材料之適用性，且因土石壩之築壩材料需求量龐大，若其可由水庫淤泥安全地取代時，則水庫淤泥資源化利用將成為可行。 本研究係以南化水庫上游原狀土壤與曾文水庫壩址處之淤泥(因南化水庫壩址處水位高，淤泥不易取得，故以曾文水庫替代)，分別代表南化水庫靠近壩址處淤泥工程性質之上、下限，並以室內試驗與數值模擬分析此二種土樣是否能符合要求。 經室內試驗結果顯示南化水庫上游原狀土壤與曾文水庫壩址處之淤泥，在篩除礫石(#4篩以上粒徑)後之土壤分類均為低塑性黏土(CL)，其塑性指數分別為9及19、滲透係數分別為1.64*10-7cm/sec及1.33*10-7cm/sec、剪力強度參數分別為c''＝42kPa，φ''＝24˚及c''＝28kPa，φ''＝22˚等，以上均符合土石壩築壩心層材料之品質要求。而經數值模擬結果顯示心層材料具有前述剪力強度時，可與美濃水庫原規劃借土區之心層材料在同一條件下，維持美濃水庫壩體之安定性。綜上所述，本研究初步評估認為南化水庫靠近壩址處之淤泥，適合作為新建土石壩之築壩心層材料。目 錄 第一章 前言 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究流程與論文內容 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 南化水庫概況 4 2.1.1 地理位置與集水區概況 4 2.1.2 區域地質情況 5 2.1.3 集水區年輸砂量推估 6 2.1.4 現況淤積調查 8 2.1.5 水庫壽命推估 14 2.2 水庫浚渫與淤泥處理 14 2.2.1 現行水庫清淤方法 14 2.2.2 南化水庫清淤對策 15 2.2.3 浚渫後淤泥後續處理 16 2.3 土石壩築壩心層材料之要求與其他可能材料之評估 21 2.3.1 土石壩築壩心層材料品質要求 21 2.3.2 以礫石土作為心層材料之評估 22 2.3.3 以泥岩作為心層材料之評估 25 2.3.4 美濃水庫築壩材料需要量與其調查成果 25 2.3.5 南化加高與美濃水庫心層材料之強度參數 28 第三章 試驗室試驗結果 29 3.1 試驗規劃 29 3.2 材料來源與取樣方法 30 3.2.1 材料來源 30 3.2.2 取樣方法 32 3.3 試驗項目與方法 37 3.3.1 一般物理性質試驗 37 3.3.2 土壤夯實試驗 38 3.3.3 室內透水試驗 39 3.3.4 三軸壓縮試驗 40 3.3.5 單向度壓密試驗 41 3.3.6 擴散性土壤試驗 42 3.4試驗結果與討論 45 第四章 數值模擬 48 4.1 數值模擬方法 48 4.2 數值案例分析 48 4.2.1 案例選擇與分析考量 48 4.2.2 設計參數與條件 49 4.2.3 敏感度分析 62 4.2.4 築壩心層材料之強度變化與壩體安定性之關係 73 4.3 數值模擬結果之討論 78 第五章 綜合討論 79 5.1 試驗室試驗部份 79 5.2 數值模擬部份 82 5.3 水庫淤泥作為土石壩心層材料之其他問題探討 83 第六章 結論與建議 87 6.1 結論 87 6.2 建議 88 參考文獻 89 附錄一、本研究各項試驗之結果 92 表目錄 表2-1南化水庫集水區地形參數 4 表2-2南化水庫集水區年地表沖蝕量估計 6 表2-3無防砂措施之南化水庫有用壽命計算表 13 表2-4築壩心層材料品質要求 21 表3-1試驗成果表 47 表4-1集集地震對國內土石堆填壩之影響 50 表4-2美濃壩體受震水平反應加速度(中興) 51 表4-3安定分析之材料設計參數 51 表4-4靜態安定分析之材料設計參數 56 表4-5美濃水庫土石壩邊坡安定性分析結果(中興) 59 表4-6美濃水庫於不同條件下之安定性分析結果(萬鼎) 60 表4-7荷重情況與規定之最小安全係數(中興) 60 表4-8各階段分析之最小安全係數(USBR) 61 表4-9設計地震係數與壩體安全係數關係表 63 表4-10壩體上游邊坡坡度與壩體安全係數之關係表 64 表4-11上游殼層材料剪力強度c''值與壩體安全係數關係表 (φ''=33.5˚) 66 表4-12上游殼層材料剪力強度φ''值與壩體安全係數關係表 (c''=50.8 kPa) 67 表4-13下游殼層材料剪力強度與壩體安全係數關係表 67 表4-14心層材料剪力強度c´值與壩體安全係數關係表(φ''=24.4˚) 71 表4-15心層材料剪力強度φ´值與壩體安全係數關係表(c''=26kPa) 72 表4-16夯實土之平均有效應力強度參數（USBR） 75 圖目錄 圖1-1 研究流程圖 3 圖2-1台灣地質圖(圖幅局部放大) 5 圖2-2台灣南部水庫集水區年地表刷深與集水面積對應關係圖 7 圖2-3南化水庫等深線圖 9 圖2-4南化水庫深槽平面圖 10 圖2-5南化水庫深槽剖面圖 11 圖2-6南化水庫淤積嚴重區域圖 12 圖2-7南化水庫水力抽泥適用範圍 17 圖2-8美國華盛頓州處理湖泊底泥之機械脫水流程圖 19 圖2-9德國漢堡港污染浚泥處理過程圖 20 圖2-10礫石含量與滲透係數之關係 24 圖2-11細料含量與滲透係數之關係 24 圖2-12美濃水庫築壩材料調配圖 27 圖3-1南化水庫取土地點示意圖 33 圖4-1心層參數分析結果 (S11, S12, LI ) 53 圖4-2上游殼層參數分析結果（SR-1） 54 圖4-3下游殼層與擋水壩參數分析結果（S1, SR-2, SR-3, QR-up） 55 圖4-4土石壩於各階段之剪力強度、孔隙水壓力及安全係數示意圖 57 圖4-5設計地震係數與壩體安全係數關係圖 63 圖4-6壩體上游邊坡坡度與壩體安全係數之關係圖(急洩降) 65 圖4-7壩體上游邊坡坡度與壩體安全係數之關係圖(穩態滲流) 65 圖4-8上游殼層材料剪力強度與壩體安全係數之關係圖(急洩降) 68 圖4-9上游殼層材料剪力強度與壩體安全係數之關係圖(穩態滲流) 69 圖4-10下游殼層材料剪力強度與壩體安全係數之關係圖(穩態滲流) 70 圖4-11模擬簡化 Bishop法破壞圓弧通過壩體示意圖 72 圖4-12 壩體維持規定安全係數時之心層料剪力強度需求曲線 (上游邊坡急洩降條件) 76 圖4-13壩體維持規定安全係數時之心層料剪力強度需求曲線 (下游邊坡穩態滲流條件) 77 圖5-1 Newmark位移法積分過程示意圖 83 照片目錄 照片一、取南化水庫淹沒區中游河道淤泥土樣 34 照片二、曾文水庫壩頂俯瞰圖淤泥堆積情形 34 照片三、曾文水庫壩址淤泥取土地點通達道路 35 照片四、曾文水庫壩址處之淤泥堆積情形 35 照片五、曾文水庫通達道路旁岀露之淤泥呈層狀分佈 36 照片六、以鐵鏟開挖試坑並取曾文水庫壩址處淤泥土樣 36 照片七、電動搖篩機 43 照片八、中小型三軸剪力試驗儀 43 照片九、變水頭透水試驗儀 44 照片十、土壤擴散性試驗之針孔試驗儀 4