石門水庫大壩構造剖析（下）

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

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石門大壩橫剖面解析

石門大壩座落在大漢溪中游一處石門隘口，大壩將左右兩岸聯結，從左右壩座沿壩頂中心畫ㄧ條中軸線稱為壩軸，來控制大壩填築的方位。在壩軸中央河床最深處橫切一個剖面，就如圖二所示為最大橫剖面。圖中可看出有幾個分區，最中央的是心層，心層兩側有濾層，再向上下游各有殼層，下游殼層又鋪築了好幾層的排水層，最底下靠近基礎面則鋪設排水道，在上下游坡面頂部鋪設拋石層，上游拋石層和殼層間另設有濾層，也稱過渡層，可避免粗細懸殊土石之流失。壩基礎還有隔幕灌漿。這麼多分區土石，究竟可分別發揮甚麼功能呢？首先我們要瞭解攔河築壩蓄水須要抵抗哪些外力？這些分區土石有何特性可抵抗這些外力呢？

有哪些外力？

主要外力來自於水壓力、淤砂土壓力及地震力。可細分為蓄水之高水頭壓力，庫水滲流經大壩底部會產生上頂水壓力，庫水流經壩體也會產生滲流壓力，壩前淤砂的土壓力。另外，地震發生時對壩體之地震力（水平和垂直），庫水和淤砂在地震時所產生的動水壓力及動土壓力，還有地震時壩體之異常沉陷、壩坡面之滑坡變形、甚至是否會發生壩體土壤液化等皆須考慮計算。

如何抵抗外力：石門大壩為分區輾壓土石壩，如何抵抗上述的外力呢？

由圖二大壩橫剖面圖，可瞭解分區型土石壩主要由心層、殼層、濾層、排水層、及拋石層所組成，以下就各土石層的功能說明。

圖二 石門大壩橫剖面圖(水利署北區水資源局提供)

1.大壩須有足夠的安定性不會滑動坍塌變形：

石門壩體最大斷面底寬 520m，高 133.1m，壩頂全長 360m，上游坡面 2.5 : 1（水平），下游坡面 2 : 1，壩體總體積 706 萬立方公尺。其主要的體積是由殼層所填築，殼層材料主要是由小於 3 吋 (76.2mm) 之礫石及砂組成，具有透水性。整體大壩龐大土石之本身自重即承擔了抵抗外力最基本的安定力量。當然，壩體土石要有足夠的抗剪強度，遇強烈地震時也不會坍塌變形等，在安定分析時都是最基本的考量。此外，我們也須對基礎地質有充分的調查，岩盤強度須能承受龐大壩體自重的壓力，使得基礎不至被壓碎而失穩滑動。不過因為土石壩的底面積相當大，對基礎的壓力都不高，土石料又能適應較大的變形，所以對基礎承載力的要求不若混凝土壩那麼高。

2.大壩須能阻水：

我們的壩體是土石填築而成，本身即是會滲水的，不像混凝土壩有很高的水密性，所以土石壩的構造就要考慮採用防止滲水的土料。心層即擔負防滲阻水的任務，其係以具有較高的塑性，滲透係數很低的粉土黏土為主之細粒土料填築輾壓而成，可使絕大部分滲流水都被心層阻擋。

3.壩體須能排除入滲的水壓力，避免發生管湧

心層雖然可阻水，但水庫蓄水高水頭之下仍有少部分水會通過心層往下游滲流，入滲壩體的水要設法儘速排除，以降低滲流壓力，此時就有賴心層背後的濾層及殼層內的排水層，來導引水流至壩體基礎面上的排水道排出至下游，以降低滲流的水力坡降。心層背後的濾層除了有排水功能外，還有保土的功用，如此，通過心層的滲流就不會帶出細粒土料，如果心層及殼層土料被滲流帶出就有可能形成管湧而造成潰壩（土粒被滲流水帶走，導致土中形成集中水流的通道如管者，稱為管湧。可見參考條目第四項洪如江教授所編寫的連結。），濾層要能防止管湧，須具有透水及保土的功能，其土石料多採用小於 4 號篩的粗砂及細砂混合，200 號以下的粉土黏土不得大於 5%。而排水層則可加入部分較粗的礫石。

滲流水也會通過壩的基礎向下游流動而造成對壩體的上頂水壓力，會增加壩體的不安定或形成管湧，故在基礎都會施作截水設施，使增加滲流路徑，降低滲流的水力坡降。一般多採隔幕灌漿形成截水幕，也有採截水牆的（例如湖山水庫大壩），或兩個方法皆採用，須經壩基地質調查來決定。

4.庫水洩降時要能防止壩體滑坡及管湧

水庫的運用係蓄豐濟枯，故水庫蓄滿水後會放水利用，水位逐漸下降，長時間蓄滿水時，心層及上游殼層是飽和含水狀態，當水位降低時，壩體內的水會向臨水面滲流，便會造成壩體材料流失，壩坡面變形，甚至管湧滑坡。故在心層上游面及殼層與上游拋石層的交界面亦鋪築濾層，這些濾層都是有透水及保土的功能，可防止坡面管湧變形滑坡。又，水庫遇緊急狀況而須在短時間緊急洩降水位以確保大壩安全時，這些濾層更是保護大壩避免發生管湧的保障。

5.壩坡面要能抵抗庫水風浪衝擊及雨水沖蝕以保護壩體

壩體全部填築輾壓完成後，在壩體的上下游坡面以 30 公分至 100 公分左右的塊石鋪面，不須滾壓。石門大壩上下游坡面均採拋石。近年來興建土石壩之下游坡面多採植草綠化，以降低視覺景觀衝擊。

6.庫水不允許自壩頂溢流

庫水若越過土石壩頂漫溢向下游，則可能發生潰壩情事，故須有溢洪設施洩放洪水，以避免庫水自壩頂溢流。土石壩壩體非屬剛體，會有不均勻沉陷，壩體上不可興建溢洪道，故於大壩左右岸山頭開挖另建溢洪道或排洪隧道。混凝土重力壩（如霧社壩）或拱壩（如翡翠及德基拱壩）則將溢洪道直接興建在壩頂。

以上的解析僅是針對壩體填築之土石一般物理性質及其如何抵抗外力說明。當然，要建造一座土石壩的材料調查絕非這麼簡單，壩址庫區周邊的材料數量是否足夠？各類土石特性是否滿足需求？築壩材料的物理性質只是調查試驗的起步，還須進一步進行強度試驗、壓密試驗、透水試驗、夯實試驗、化學性質試驗等。始能對築壩之土石材料有充分的瞭解。

參考文獻

1. 陳利明（2005）。壩工程。中興工程科技研究發展基金會
2. 潘家錚（2001）。千秋功罪話水壩。牛頓出版股分有限公司
3. 朱詩鰲（2008）。壩工縱談。北京：中國水利水電出版社
4. 洪如江。管湧｜中華百科全書：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9073
5. Design of Small Dams (2010)，Design of Small Dams, 2nd Indian Reprint，New Delhi，SBS PUBLISHERS & DISTRIBUTORS PVT. LTD.