石門水庫大壩構造剖析（上）

石門水庫大壩構造剖析（上）(The Profile of Shihmen Dam (Ⅰ))
水利署顧問、前北區水資源局局長 李鐵民

水壩類型

石門水庫大壩是土石壩，是將土石分層輾壓夯實而成。以土石築壩是人類為引水蓄水、調節利用水量，最早採用的築壩自然材料。19 世紀 20 年代發明了水泥，而於 20 世紀初期，才有了完全用混凝土澆築的混凝土壩。一般而言，水壩以築壩材料區分，有土壩、土石壩、堆石壩及混凝土壩，但以水壩抵擋水壓力及地震力的結構力學行為區分，又可分為重力壩，扶壁壩及拱壩。

1924 年土壤力學之父 Carl von Terzaghi 發表了壓密理論，開啟了大地工程研究的蓬勃發展，近百年來，對土壤材料的特性，例如黏滯性、壓縮性、滲透性、安定性、有效應力、剪力強度等，已有充分的研究瞭解，並對各參數賦予科學的定義。故近代土石壩多採用分區型滾壓土石壩，考量大壩內各分區不同的力學行為及阻水、透水、保土、抵抗外力之需求，將不同的土石材料，例如粉土黏土、砂、礫石，塊石等，依其特性及比例分區堆填輾壓，以得到最安全最經濟的大壩構造，石門大壩即是分區輾壓型土石壩。

土石材料的分類

興建土石大壩涉及的科學技術相當廣泛，本文係就土石之一般物理性質來解析分區型土石壩各區所須的材料特性。首先即須瞭解土石材料是如何分類的？填築大壩之土石材料須要給予適當的分類，才能標準化的充分利用不同土石的特性。

1952 年，美國墾務局及陸軍工兵署修正了哈佛大學 Arthur Casagrande 教授之飛機場土壤分類，並命名為統一土壤分類系統 (Unified Soil Classification System ; USCS)。該分類系統為目前台灣大地工程界普遍採用。其分類土壤係考慮兩個要素：

1. 土壤的粒徑分布：粗粒料以美國標準篩來分析土壤粒徑分布，細粒料以比重計分析之，依粒徑分布曲線可瞭解該土壤的級配狀況。
2. 細粒土壤的塑性及壓縮性：以阿太堡限度試驗及 Casagrande 塑性圖來分類。

依圖一之篩網粒徑大小示意說明如下，土石材料一般將 3 吋 (76.2mm) 以上石料歸類為卵石及塊石，3 吋至 4 號篩 (4.75mm) 為礫石，4 號篩以下則歸類為土壤，其為土壤力學主要研究的對象。土石又分粗粒及細粒土料，其粗細分界則以篩網的 200 號篩 (0.075mm) 區別，200 號篩約為肉眼可辨個別顆粒之最小尺寸。

圖一 篩網粒徑大小示意圖(本文作者李鐵民繪)

粗粒土料以標準篩篩分析其粒徑分布，計算該土料的級配狀況，粗粒土料之工程行為主要受級配的影響。若粒徑從最大到最小都分布很平均則稱級配良好 (well graded)，若大多數粒徑均相同則稱均勻級配，缺少了某些中間粒徑則為越級配 (gap graded)，均勻級配及越級配均為不良級配 (poorly graded)。小於 200 號篩的細粒料係屬粉土及黏土，則須以比重計分析其粒徑分布。

此外，通過 200 號篩的細粒土壤具有黏稠性，其工程行為主要受含水量的影響，為瞭解其塑性及壓縮性，以阿太堡限度試驗，依其不同含水量而定義液性限度 (LL)、塑性限度 (PL) 及縮性限度 (SL)。液性限度與塑性限度之差稱為塑性指數 (PI)，黏土為塑性粒料，黏土液性限度 (LL) 越高者越易壓縮，其之塑性指數越大者塑性越高，LL 及 PI 為分類土壤重要之參數依據。

築壩材料的一般物理性質試驗，就是將我們現場所調查採樣的土壤，經過土壤粒徑分布試驗及阿太堡限度試驗兩個過程，就可依統一土壤分類圖表及塑性圖，分別歸類為適當的土壤分類，例如 CL 代表低塑性黏土，MH 代表高塑性粉土，GW 代表良好級配礫石等等，大壩各分區即依此種分類採用最適當的土石料來填築輾壓。

連結：石門水庫大壩構造剖析（下）

參考文獻

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5. Design of Small Dams (2010)，Design of Small Dams, 2nd Indian Reprint，New Delhi，SBS PUBLISHERS & DISTRIBUTORS PVT. LTD.