淺談新型態跨河橋梁災害之防治與管理 以莫拉克颱風受災橋梁為例

謝世圳 （攝於2013.7.1317:00pm蘇力颱風過境，頭前溪中正大橋） 洪健豪 （攝於2013.7.13 17:00pm蘇力颱風過境，頭前溪中正大橋）   自民國85年賀伯風災以來，台灣地區跨河橋梁基礎與公路路堤沖刷災害時有所聞，造成本島多處省縣道公路之跨河橋梁損毀，阻斷橋梁兩岸之聯絡交通。民國97年9月辛樂克颱洪挾帶大量豪雨造成省道13號后豐大橋、台21線牛眠橋、台18線五虎寮橋及台20線甲仙大橋倒塌，嚴重影響人民之交通與生活，其中后豐大橋更造成3輛車掉落湍急的大甲溪並導致6人死亡。此外民國98年8月侵台之莫拉克颱風，更造成中、南部地區重大洪水氾濫、土石流沖刷，諸多道路與橋梁因而沖毀及倒塌等重大災情。 莫拉克颱洪之超大雨量，除造成山區發生多起坡地崩坍、土石流、堰塞湖等災害外，並產生大量之漂流木順流而下，對跨河橋梁造成諸多新型態之災害。因而面對未來全球氣候變遷時代之來臨，吾人必需積極面對該類複合型災害並及早作出因應。爰此，本文嘗試根據現場調查與災害機制分析之結果，對於橋梁遭受水利災害，提出防治技術與管理策略，並研擬未來所須因應之課題與方向，以供相關單位參考。

一、橋梁設計、養護、維修工程等技術方面：

1. 水位高於大梁底部時，流場與河床沖刷特性

Guo et al. (2009)於美國聯邦公路總署之報告中指出，當洪水水位高於橋梁之大梁底部[圖1(a)]及溢淹超過橋面版時[圖1(b)]，水流對橋梁將形成所謂壓力流(pressure flow)流況，並於橋梁下方產生潛沒式射流(submerged jet)，此等潛沒射流將形成額外之束縮沖刷，加深橋址處之總沖刷深度。莫拉克颱風期間於南部多座橋梁可發現多處相似之災情，此亦為橋梁受損之主要原因。究其原因，實乃洪水量(水位)過大或河床堆高，造成水流對橋面版產生強大之側向力(與水流同向)及升力(垂直水流方向)，因阻水所產生的潛沒射流亦將對河床或基礎造成嚴重沖刷，影響橋梁穩定性。故對於水位高於橋梁底部時之橋梁周邊流場特性、河床沖刷特性及水流對橋梁結構之影響…等，亟需進一步之研擬。另外，諸如下游尾水高低、橋孔寬與橋墩寬之比值…等參數對潛沒射流流場特性之影響，亦為研究重點之一。林呈等人(2010)曾以質點影像流速儀(Particle Image Velocimetry, PIV)針對水流通過橋面版之潛沒射流流況進行研究，如圖2所示。其觀測之速度場及相對應之底床剪應力分布對於後續新建橋梁設計上頗有助益。

(a)

(b)

圖1 水位高達橋梁底部及溢淹橋面版後之流況及沖刷示意圖。【Guo et al.，2009】

(a)

(b)

圖2  水位高達橋梁底部及溢淹橋面版後之流場可視化及PIV速度場精密量測結果。【林呈，2010】

2. 堰塞湖潰壩後形成湧波對橋梁沖刷與其安全之影響

堰塞湖潰壩流為近年所見之新型態災害原因之一，然有關潰壩流對跨河橋梁影響之相關研究仍有所欠缺。潰壩流除可快速抬升河道水位(增加垂直抬升力)，且潰壩後所產生之湧波(水平作用力)對橋梁之沖擊與影響，亦為釐清橋梁受災機制之重要參考。圖3(a)及3(b)分別為一般海洋波浪對橋梁沖擊及作用力分佈示意圖與美國海岸邊橋梁因波浪作用而產生落橋災害之實例。波浪對橋面之作用與潰壩流湧波之情況相似，均可能對橋面版產生極大之瞬間升力與彎矩，造成橋面版倒塌或流失。

3. 漂流木掛淤於橋墩對橋基沖刷之影響

颱洪豪雨期間自坡面沖蝕而下之樹木或樹枝漂浮於河道形成所謂之漂流木，當其匯聚在橋址處，除縮減通水斷面致使通過橋孔處之水流加速造成束縮沖刷外，漂浮木掛淤之面積加大亦增加橋墩之阻水面積，增加局部沖刷深度。此外，原先橋梁設計時未將上述漂浮木阻水所造成之額外沖刷量列入考量，可能成為橋梁損壞、坍塌的主要成因。圖4所示則為Melville & Dongol (1992)針對橋墩掛淤與局部沖刷量之實驗結果，顯示橋墩局部沖刷隨漂流木之掛淤面積增加而加深。

4. 高水位、堰塞湖湧波及漂流木等複合型災害之相互影響

莫拉克颱洪造成大規模之橋梁災害多屬上述三類災害之複合或多重型災害，即此三類災害一般均伴隨發生，故有必要對於高水位、堰塞湖湧浪及漂流木作用間之相互關係及影響進行研究。

5. 水流過彎之流速與沖刷力特性分佈

根據過去對現場實際調查之結果可知，水流與高灘地或河岸間之相互影響，主要在於河岸崩退等側向侵蝕作用。然而在此過程中，水流流心往往集中於此類崩退之彎曲河岸岸壁，集中之水流常順河岸彎曲線而發生挑流現象，此一挑流挾強大之沖刷力沖刷河床、造成鄰近之橋梁或堤岸遭受嚴重災損。因此，對於水流過彎及挑流過程中，河道流速與沖刷特性分佈，實有進一步研究之必要。

6. 水流與橋梁間攻角效應對基礎沖刷與橋梁結構之影響

如第5項所述，河道深槽常因河岸崩退或河道中江心洲之浸沒與否而遷移。若橋樑基礎型態非為圓形橋墩，則水流流向與橋梁基礎間因攻角之存在，進而縮小通水面積，擴大橋墩基礎之阻水效應並加劇沖刷或改變沖刷坑型態(改變最大沖刷深度發生位置)等不利橋基安全與橋梁監測預警之現象。圖5所示即為攻角效應所造成最大沖刷深度由墩柱上游端移至下游端之實驗結果，該試驗顯示若將沖刷監測系統安裝於此類橋墩而未考量最大沖刷深度發生位置之改變，則監測系統非但無法觀測到實際最大沖刷深度，亦可能延遲發布預警，造成無可彌補的遺憾。

7. 土石流堆積、堵塞河道對洪水流路、河道沖刷之影響

一般而言，主河道旁之野溪(小支流)若曾發生土石流災害，大量暫時堆積之土石可能因豪雨沖蝕隨野溪順流而下另行堆積於主河道中，形成土石流堆積扇，此將堵塞部分或全部河道，影響或改變河道中之洪水(主深槽)流路。即如第5項中所述，水流流路主要受河道岸壁、灘地等邊界之影響，此類土石堆積現象則大幅改變原有水流邊界，造成洪水流路及河道沖刷機制急遽變遷，危急橋梁或堤岸等構造物安全。

(a)

(b)

圖3 (a)  波浪對橋梁之作用力分析示意圖; (b) 美國Bay St. Louis Bridge於卡翠納颶風後因波浪作用而產生之落橋災害。 【Douglass et al.，2006】

(a)

(b)

圖4  漂流木掛淤橋墩與沖刷深度間之關係。【摘自：Bridge scour，Melville and Coleman，2000】

(a)                                     (b)

圖5  不同水流攻角下沖刷坑之情形。(a) 水流攻角0度；(b) 水流攻角30度。【林等人，2004】

二、橋梁管理策略：

1. 重要橋梁沖刷歷史資料庫之建置

圖6為高公局中區工程處所建置轄內重要跨河橋梁沖刷歷史資料庫系統。該橋梁沖刷歷史資料庫，方便橋梁管理單位於洪水或災損發生前，即根據橋基沖刷災害之相關歷史資料，獲得歷次災損成因分析與評估，對具有沖刷潛勢之橋梁，予以快速研擬因應對策，以達到防微杜漸之防災目的。此外更可於災害發生後，快速查詢相關橋梁資料，迅速地設計最佳之救災修護工法與因應對策。

2. 現有國內橋梁規範之重新檢討

有鑑於諸多新型態橋墩沖刷災害之顯現，國內現階段相關橋梁設計規範之規定，能否滿足現地環境之需求，實有必要加以檢討。如現行設計規範中針對自由流流況下(橋梁上部結構未潛沒於水體中)，僅考慮靜水壓力及流水動壓力(現行規範之流水動壓力係利用平均水流速估算)對橋墩作用力之影響，並未考量流水動態之瞬時作用特性，更未提及水位溢淹橋面版以上之作用力情形。規範中雖已規定橋梁之梁底高程需高於兩岸河堤，理論上應不致於發生水流溢淹等現象，然於莫拉克颱洪期間調查之結果顯示，水流溢流橋面等現象已發生於多座橋梁處，尤其是山區橋梁，且現行設計規範中對於動態水流對橋梁上部結構(橋面版及大梁)之拖曳力、升力等特性並未考量。若未來有相同情況發生時，仍可能重複同樣之破壞模式。因此，對於現行橋梁設計、養護及維修等規範，實有必要進一步檢討。
此外，橋梁設計單位目前多參考歐美設計規範，對於台灣特殊地質及河道特性之考量極其有限，一則野外觀測數據缺乏，二則橋梁衝殺歷史資料庫及其欠缺。建議相關主管機關加強現地沖刷觀測，建立本土沖刷資料庫；此外，針對新進人員加強對所屬河段水流及沖刷特性之了解，以利後續橋梁維護及防減災之參考。

3. 橋梁封橋水位、預警通報系統等研擬

為應付日趨惡化的氣候環境變遷，及降低災害發生時之人命傷亡，國內各橋梁管理單位積極投入封橋水位及預警通報系統等研究，惟目前封橋水位等研究範疇僅拘限於利用一般洪水之沖刷機制進行研判。即透過對橋梁之水理、沖刷及結構分析作業進行封橋水位之訂定，然該分析結果並無法反應上述等各項新的橋梁破壞機制，尚須透過特殊流況之觀測與現場判斷，作為封橋之依據。因此，上述橋梁致災機制之影響實有必要進一步納入特殊流況之內容，並針對各機制產生之影響進一步進行評估，而非僅以水位作為封橋、預警之依據。

4. 災害敏感帶於國土規劃上之檢討

透過莫拉克颱洪勘災可知，因地球暖化及全球氣候變遷，類此破歷年紀錄之降雨事件可能再次發生，故此氣候環境惡化對人類生活所產生之影響已然成為必須嚴正面對之課題。未來相關單位除須面對可能之超大降雨、海平面上升、地層下陷…等諸多問題外，對於諸如此次災區等災害敏感地區，除應加強防災建設與管理外，亦可透過現行之國土利用與規劃等檢討，重新訂定相關土地利用與規範，期可有效避免災害之發生與擴大，實為未來應重視的課題。

本文提出之可繼續研擬有關橋梁相關工程、防災、管理及維修等課題及課題間相互關係彙整如圖7所示。

圖6  跨河橋梁沖刷歷史資料庫系統範例(林2009)

圖7  未來研擬課題與課題間之相互關係圖

參考文獻

1. 林 呈、何宗浚、李秉融：桃芝颱洪引致東門橋塌陷之成因探討，中華水土保持學報，Vol. 34, No. 4, pp. 317 ~ 329，2004。
2. 林 呈：國道跨河橋梁之沖刷歷史資料庫建置計畫委託專業技術服務(一∼三冊)，交通部台灣區國道高速公路局中區工程處，2009。
3. 蔡清標、林 呈：莫拉克颱風造成主要橋梁損壞之現地調查及災因分析，交通部運輸研究所，2010。
4. Douglass, S. L., Chen, Q. J., Olsen J. M., Edge, B. L., and Brown, D., “Wave forces on bridge decks,” Report of Federal Highway Administration, U.S., 2006.
5. Guo, J., Kerenyi, K., and Pagan-Ortiz, J. E., “Bridge Pressure Flow Scour for Clear Water Conditions,” Report of Federal Highway Administration, U.S., 2009.
6. Melville, B. W., and Coleman, S. E., “Bridge Scour,” Water Resources Publications, 2000.