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豪雨沖刷 橋梁監測新趨勢

圖為四草大橋橋墩,台灣山高水急,橋墩受沖刷的問題遠比國外的橋梁重要。(圖片來源:Flickr用戶Mariversa)

2013年蘇力颱風過境,新竹縣的舊中正橋因強勁的風雨,7月13日斷裂,數公尺的橋面落入頭前溪,若是當時有人車在橋上,必定造成嚴重傷亡。橋梁監測是結構物監測中的重要項目,國家地震工程研究院的林詠彬研究員指出,相較過去只監測橋粱的受震反應,橋梁在豪雨沖刷下的監測是研究的新趨勢,究竟橋梁沖刷研究如何進行?

結構物監測可以分為「建築物監測」及「橋梁監測」兩種,雖說比起建築物來說,橋梁若因災害而受損,造成的直接損失通常較少,畢竟不是大多數人和資產並非都在災害發生時經過橋上,但是橋梁卻攸關交通線路暢通與否,影響後續救災的物流與人流能否正常運輸,是避免損失擴大的關鍵。

地震、颱風等各類型災害事件並非獨立不相關,有時候會彼此影響或同時發生,造成更複雜、更嚴重的「複合型災害」,因此目前橋梁結構物監測所針對的災害事件並不單是觀測地震時的受震反應,也包括其他變因,例如雨量大的時候,河川水位增加、流速加快使得橋墩下的泥砂被沖刷帶走,造成橋墩裸露而立基不穩,可能造成橋梁倒塌,即便沒有倒塌,也會造成橋梁受震的承載力下降,橋梁更容易在地震發生時損毀。

影響沖刷橋墩的3個參數

橋梁監測的項目非常多,在討論橋梁監測技術之前,要先釐清監測目的是什麼?針對橋梁避震,只需要知道地震發生時的頻率變化就可以來檢測避震效果,如果要說颱風對於橋墩沖刷的影響,則是透過監測3個參數來反算橋墩安全。

第1個參數是沖刷的即時深度,因為洪水來的時候河水非常混濁,難以辨識沖刷深度,因此要透過其他辦法來監測沖刷深度;第2是洪水的流速;第3則是洪水的高度,透過這3個參數,可以進行結構運算來評估橋梁的安全性。

研發監測技術 如何選定實驗橋址?

橋梁的沖刷問題在台灣的坡陡流急的地理環境下特別重要,成為國內近年來在橋梁監測的研究重點。國家地震工程研究中心與交通部合作,在濁水溪流域選定幾個代表的監測橋梁進行橋梁監測,提供技術研發的實驗數據,但是濁水溪有那麼多個橋梁,要怎麼選擇部分作為代表橋梁呢?

以流域的觀點,從上游到下游可以分為卵礫型河床、混和型河床、泥沙型河床3種橋梁可能設置的基地種類,因此代表的橋梁需要包括這3種不同位置,才能推估同樣一場降雨事件,對台灣上中下游的橋梁會造成怎樣不同的影響。

此外,以橋梁的穩定狀況來看,可以分為已部分損壞的「危橋」及「一般橋梁」,以危橋作為優先監測的對象意義不大,危橋需要維修,但如果連一般橋梁應如何設計才有足夠的耐震性、耐沖刷性都還不清楚,如何得知危橋應該維修至什麼狀態?因此會以一般橋梁作為實驗橋址,才能較為全面了解橋梁建設修復後的理想形態。

每個地區有不同的地理環境特性,台灣的橋梁設計不能完全仰賴國外的工程方法,透過研究單位的實驗性計畫,對台灣的橋梁沖刷反應有進一步的掌握,未來在橋梁設計的工程技術上發展適切的台灣模式,才能降低天災造成的重建成本,提升橋梁的安全品質。

延伸學習:

本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

關於作者

慈忻

台大地理所,研究空間分析方法與災害風險。曾擔任防災科普小組編輯、ENSIT電子報主編。偏鄉災害問題與專業/弱勢間的資訊不對等,是我最想解決的問題。