¶ 水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)-第八章 河川植生設計(3/24)
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
1 一般規定
1.1 本附錄中只列出最常用的均質土堤的滲流計算,其他類型堤防的滲
流計算可參照有關規定進行。
1.2 一般堤防的擋水是季節性的,在擋水時間內不一定能形成穩定滲流
的浸潤線,滲流計算宜根據實際情況考慮不穩定滲流或穩定滲流情況。
大江大湖的堤防或中、小河湖重要堤段應按穩定滲流計算。
2 不透水堤基均質土堤滲流計算
2.1 下游坡無排水設施或只有坡面排水,計算公式如下(圖1):
圖1 無排水設備土堤計算
q H 12 h02 (1)
k 2( L1 m 2 h0 )
q h0 H 2 H 2 [ 1 ] (2)
k m 2 5.0 m 2 H 2 h0 H 2 2
2 ( m 2 5.0)
L1 L L (3)
m1 L H 1 (4)
2 m1 1
式中, q:單位寬度滲流量[m3/(s․m)];
k:堤身滲透係數(m/s);
H1:上游水位(m);
H2:下游水位(m);
h0:下游逸出點高度(m);
m1:上游坡面斜率;
608 附錄十、滲流計算方法
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m2:下游坡面斜率。
解聯立方程式(1)、(2),即可求得h0 和q/k。解時可用一組h0 值分別
代入以上兩式,得到兩條q/k 與h0 關係曲線,兩曲線的交點即為兩方程
式的解。
浸潤線計算式為:
2 q
y h0 2 x (5)
k
2.2 下游有舖面式排水計算公式如下(圖2):
圖2 有舖面式排水土堤計算
h0 L12 H 12 L1 (6)
q 2 2 h0 L1 H 1 L1 (7)
k
舖面式排水,排水體的工作長度為:
a 0 h0 L12 H 12 L1 (8)
浸潤線計算式為:
y h02 2h0 x (9)
609 附錄十、滲流計算方法
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2.3 有坡趾排水,計算公式如下(圖3):
圖3 有坡趾排水土堤計算
h0 H 2 ( cL1 ) 2 ( H 1 H 2 ) 2 cL1 (10)
q H 12 h02 (11)
k 2L1
式中,係數c 值隨坡趾排水體臨水面斜率m3 而定,其值如下:
m3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ∞
c 1.347 1.248 1.183 1.142 1.115 1.098 1.085 1.000
浸潤線計算式為:
2 q
y h0 2 x (12)
k
3 透水堤基均質土堤滲流計算
3.1 滲流量計算(圖4)
修建在透水性堤基上的均質土壤,滲流量計算方法是將堤身和地基
的滲透量分開計算,總單位寬度滲流量q 為兩者之和:
( H 1 H 2 )T q q D k 0 (13)
L m1 H 1 .0 88T
式中,qD:不透水性地基上求得的相同排水型式的均質土堤單位寬度滲
流量。
610 附錄十、滲流計算方法
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圖4 透水性地基均質土堤計算
3.2 浸潤線計算
透水性地基上的均質土堤,由於地基透水的影響,堤身浸潤線降
低。如按不透水地基的浸潤線計算編於安全。計算浸潤線時,近似考慮
地基透水的影響,有以下各公式。計算時應先計算特徵水深h0,根據不
同的排水型式分為下列情況。
1.下游坡有坡面排水或無排水設施時按下列公式計算:
(1)當 k 0k 時(k 為堤身滲透係數,k0 為地基滲透係數)
k ( m 2 5.0) H 2 h0 H 2 q /{ 1[ ]
m 2 5.0 m 2 H 2 ( m 2 5.0)( h0 H 2 )
2 ( m 2 5.0) (14)
k 0 T }
( m 2 5.0)( h0 H 2 ) m 2 H 2 .0 44T
(2)當 k 0k 時:
k ( m 2 5.0) H 2 h0 H 2 q /{ 1[ ]
m 2 ( m 2 5.0)( h0 H 2 ) 5.0 H 2
(15)
k 0 T }
m 2 H 0 .0 44T
2.有舖面式排水(H2=0)時按下列公式計算:
q
h0 (16)
k 0 k
.0 44T
3.有坡趾排水時按下列公式計算:
(1)下游有水(H2≠0)
611 附錄十、滲流計算方法
第 159 頁
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求解h0 的方程式為:
( .0 44 k m 3 k 0 ) h02 ( .0 44 qm 3 k 0 m 3 H 2 ) h0 .0 44 kH 22 0 (17)
(2)下游無水(H2=0)
.0 44 qm 3 h0 (18)
.0 44 k m 3 k 0
4.求得特徵水深h0 以後,無論堤身採用何種排水型式,浸潤線均按
下式計算:
y h0 y 2 h02 x k 0T k (19) q 2 q
H 12 h02式中, q k (20)
m1 2( L H 1 m 2 h0 )
2 m1 1
上式中m2,對於採用舖面式排水和坡趾排水的土堤,取m2=0。
上述建立在有限深透水地基上均質土堤滲流計算方法,也可以推廣
應用到無限深透水地基情況的計算。因為地基深度變化引起浸潤線位置
的改變,僅在一定深度範圍內顯著,當地基更深時,浸潤線位置實際上
已不再改變。因此可以根據試驗資料和計算比較,選擇地基的有效深
度,當地基大於有效深度時,浸潤線位置不再改變。地基的有效深度
Te 可取為:
Te ( 5.0 ~ 0.1 )( L m1H 1 ) (21)
因此,當地基的實際深度 T eT ,按實有地基深度T 計算,當 T eT
時,按有效深計 eT 計算。 eT 僅為計算浸潤線位置時使用,計算滲透量仍
按實際深計T 計算。
4 不穩定滲流計算
4.1 堤防在擋水過程中,未能形成穩定滲流的,可按不穩定滲流計算(圖
5)。
計算的基本假定如下:
1.堤基不透水;
2.浸潤線鋒面近似呈直線狀;
3.略去非飽和土的張力勢能。
612 附錄十、滲流計算方法
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圖5 不穩定滲流浸潤線計算
滲流在背水坡坡腳出現所需時間T 為:
n 0 H b 2 T ( m1 m 2 ) (22)
4 k H
n0 n 1( SW %) (23)
式中,k:堤身滲透係數,採用大值平均值或試驗數據中的較大值
(m/s);
n0:土的有效孔隙率;
n:孔隙率;
SW%:飽和度。
4.2 當洪水持續時間 t T 時,需計算浸潤線鋒面距迎水坡腳距離L。
kHt
L 2 (24)
n 0
613 附錄十、滲流計算方法
第 161 頁
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5 背水坡滲流出口比降計算
5.1 滲流出口比降是校核背水坡滲流穩定的重要數據,坡面由於受滲透
力作用產生的局部破壞,極易危及下游坡的整體安全,在設計中應該充
分重視。下游滲流出口比降,精確解計算極為複雜,下面提供的公式是
以某些簡單條件下的精確解和試驗資料為依據,對所研究的問題作近似
假定求得的實用解答。一些公式在靠近水邊線(下游有水)或坡腳(下游無
水)計算得的比降J=∞,這說明這些公式在水邊線或坡腳附近有局限
性,也說明在這些部位的坡面最容易發生滲流破壞,在設計中應加強注
意。
5.2 不透水性地基上均質土堤坡面滲流比降計算。
1.下游無水(H2=0)(圖6):
圖6 下游無水計算(以弧度角計)
滲出點A:
1
J 0 sin (25)
1 m 22
堤坡與不透水面交點B 點:
1
J 0 tg 2 (26)
m
式中,J0:下游無水背水坡出口比降。
A、B 兩點之間呈直線變化。
2.下游有水(圖7):
(1)滲出段AB:
614 附錄十、滲流計算方法
第 162 頁
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圖7 下游有水計算(以弧度角計)
h0 H 2 n J J 0 ( ) (27)
y H 2
( y H 2 , H 2 0 )
式中,J:下游有水背水坡出口比降。
1
J 0 sin (28)
1 m 22
H 2 n .0 25 (29)
h0
(2)浸沒段BC:
1 a 0 r 21 J ( ) (30)
H 2 l 1 b0
h0 H 2
1 a 0 y 21 或 J ( ) (31)
H 2 H 2 1 b0
h0 H 2
r y
(30)、(31)式的適用範圍為l 或 H 2 .095 。
式中,a0、b0:係數。
1
a 0 (32)
2( m 2 5.0) 1 m 22
m 2 b0 2 (33)
2 ( m 2 5.0 )
為坡面的坡角(以弧度計)。
615 附錄十、滲流計算方法
第 163 頁
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5.3 透水地基均質土堤坡面滲流比降計算。
1.下游無水(H2=0)(圖8):
圖8 透水地基下游無水計算
沿滲出段AB:
1 h0 .0 25 J ( ) (34)
1 m 22 y
沿地基段BC:
1 h0 J (35)
2 m 2 y
2.下游有水(圖9):
圖9 透水地基下游有水計算(以弧度角計)
(1)沿滲出段AB:
616 附錄十、滲流計算方法
第 164 頁
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採用公式(34)
(2)沿浸沒坡BC:
1 ( h0 H 2 ) J (36)
1 1 2 r 1 )( l r 1 ) ( l1 1 l 2 2
1
1 1 (37)
(3)沿浸沒地基面CD:
1 ( h0 H 2 ) J (38)
1 1 2 x 1 )( l x 1 ) ( l1 1 l 2 2
617 附錄十、滲流計算方法
第 165 頁
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6 水位降落時均質土堤的浸潤線
6.1 當 k / V 1 / 10 時,此時堤身內滲流自由面在水位降落後仍保持有總水
頭的90%左右,故可近似認為堤身浸潤線基本保持原位置不變,這種情
況對上游堤坡的穩定最為不利,為了偏於安全,可以按照水位開始降落
前的浸潤線位置進行堤坡穩定分析。當 k / V 60 時為緩慢下降,此時堤
身滲流自由面保持總水頭10%以下,已不致影響堤坡穩定,因此,一般
不需要進行上游坡的水位降落穩定計算。只有在 1 / 10 k / V 60 的範圍
內,浸潤線的下降介於上述的兩種情況之間,為進行上游坡的穩定分
析,應按照緩降過程計算浸潤線下降的位置(圖10)。
圖10 水位降落退水時浸潤線計算
其中, k:堤身土料的滲透係數(m/d);
V:水位降落的速度(m/d);
μ:土體的給水度,按(39)式計算(表E.6.1 中數值可參考使用)。
n (39)
式中,n:土體的孔隙率;
:百分數;
607 1137. ( .00001175.0) ( 6 lg k )
或, lg 2 . 056 3 . 93 ( 0 . 607 () 6 lg k )
k:滲透係數(cm/s);
以下為均質土堤水位下降時浸潤線位置的近似算式:
h0 (t ) t k 14 1 .031( )( ) (40)
H T V
618 附錄十、滲流計算方法
第 166 頁
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式中,H:降距(圖10)(m);
T:水位從初始位置至降落到堤腳或降落到最大降距所需的時間;
t:要求計算上游浸潤線的時間, t T (s ) 。
求得 h0 (t ) 後,浸潤線按下式計算:
2 q (t h ( x , t ) [ H 0 h0 (t )] 2 x[ ]) (41)
k
h 以上游堤基為基面, q (t ) k 由(42)和(43)兩式聯合求解。
q (t ) [ H 0 h0 (t )] 2 he (t ) 2 (42)
k [2 L m1 he (t )]
q (t ) he (t ) H 0 he (t ) 1[ ln ] (43)
k m1 he (t ) H 0
式中, q (t ) :表示t 時刻由上游坡出滲的流量;
he (t ) :表示t 時刻上游坡出滲點高度。
符號見圖10。
解聯立方程可用一組 he (t ) 值[ H 0 he (t ) ( H 0 h0 )(t ) ],分別代入式(42)
q (t )和式(43),分別畫出兩條曲線,曲線的交點及為解,可求得 he (t ) 和 。 k
表1 各種岩土的給水度值
岩土類別 滲透係數(cm/s) 孔隙率(n) 給水度(μ)
礫 2.4×102 0.371 0.354
粗砂 1.6×101 0.431 0.338
砂礫 7.6×10-1 0.327 0.251
砂礫 1.7×10-1 0.265 0.182
砂礫 7.2×10-2 0.335 0.161
中粗砂 4.8×10-2 0.394 0.18
砂礫 2.4×10-3 0.302 0.078
中細砂d50=0.2mm 1.7×10-3~6.1×10-4 0.438~0.392 0.074~0.039
含粘土的砂 1.1×10-4 0.397 0.0052
含粘土(1%)的砂礫 2.3×10-5 0.394 0.0036
含粘土(16%)的砂 2.5×10-6 0.342 0.0021
619 附錄十、滲流計算方法
第 167 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳
細工作項目及參考方法、文獻、資料
620附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作
項目及參考方法、文獻、資料
第 168 頁
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工作項目 工作規範、方法、文獻、資料
本規範相關
編號 項目 細項 參考方法、文獻或資料
條文
(1) 查核河川治理基本計畫及相關規劃報告,瞭解設施的位置
治理基本計畫、規劃報告、
1 設施位置及範圍確認 及範圍 5.2.3
現勘確認
(2) 現地勘查確認設施位置及範圍
計畫範圍、一般基本資料及生 (1) 一般基本資料蒐集瞭解 規劃報告、補充蒐集資料及
2 5.2.1
態環境資料蒐集瞭解 (2) 生態環境資料及需保護情形瞭解 現勘資料
(1) 防洪、環境營造、生態保護、配合社會需求的休閒遊憩其
及他規劃目標的瞭解 2.3.4 治理基本計畫、規劃報告、
3 目標及設施應具備工程的瞭解
(2) 洪災及需保護對象的瞭解 5.2.2 現勘瞭解
(3) 設施應具備功能的瞭解
(1) 瞭解綜合治水整體規劃情形
瞭解本項工程設施在綜合治水 5.2.1
4 (2) 瞭解本項工程單元在綜合治水諸元考量中的角色及應具 規劃報告
整體考量中的角色及功能 5.2.9
備功能
(1) 主要設施種類如堤防、護岸、丁壩、固床工、閘門、抽水
站等之採用考量及確認 5.2.2
規劃報告、現勘確認及
5 工程及設施種類確認 (2) 河川環境營造包括生態保護、綠美化、休閒遊憩等相關設 5.2.10
現勘確認
施之考量及確認 2.1.6
(3) 配套關聯工程及設施之考量及確認
621附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 169 頁
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(1) 蒐集相關報告及圖說資料
(2) 檢視河川治理基本計畫及規劃報告內可供設計依據的資
設計條件相關資料初步檢視及 規劃報告、補充蒐集資料並
6 料及數據 5.2.1
蒐集 依實際需要研判
(3) 蒐集附近既有設施設計資料以供參考
(4) 初步研判需補充調查檢討事項
地形圖、地籍圖及其他測量圖 (1) 蒐集工程用地範圍、地形圖、地籍圖及相關圖資 5.2.1
7 補充蒐集資料、現地勘查
資蒐集 (2) 地形現地勘查及指界 5.2.3
(1) 測量地形圖,比例尺約1/1000 ~ 1/2500,供堤線布置設計
之用
(2) 測量地形圖,比例尺約1/200 ~ 1/500,供建造物布置設計
8 地形測量 之用 5.2.5 辦理地形測量
(3) 堤線縱橫斷面測量比例尺約1/1000(L)、1/100(H),橫斷面
間距約㈰~100 公尺,供斷面布置及土方計算之用
規劃報告及依實際情況檢
(1) 計畫洪水位及流速的檢討確認 5.2.11
討
2.1.4
9 水文水理設計條件取得 (2) 設計範圍河床斷面及深水流路變化情形瞭解 比對規劃報告及現地情形
5.5.4
2.3.2
(3) 附近既有防洪設施沖刷破壞情形瞭解 規劃報告及補充蒐集資料
5.4.1
堤後排水及其他環境因素調查 (1) 堤後現有排水情況調查 5.4.1 規劃報告及現地勘查
10
研處 (2) 居民對堤後排水、植栽綠化及其他需求意見訪查 2.1.5 現地查訪
622附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 170 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
(3) 地下水位調查瞭解 2.1.4 規劃報告及現地勘查
(4) 研判堤後附近地區排水是否需與水防道路邊溝排水結合
5.4.1 現地勘查研判
(5) 研判堤防護岸設計如何配合堤後排水穿越
(1) 調查工程用地範圍附近既有設施、道路及建物分佈情形
配合現地測量辦理調查
計畫範圍既有設施道路及建物 (2) 既有堤防護岸尺寸、結構及堪用情形調查
11 5.4.1
調查研處 (3) 研判堤防護岸布置與附近既有設施、道路及建物需要互相
規劃報告及現地勘查研判
配合情形
(1) 附近既有工程地質資料蒐集 規劃報告及補充蒐集資料
(2) 瞭解附近既有堤防護岸安定情形 現地勘查瞭解
12 地質調查鑽探試驗 5.2.7
(3) 地層承載力貫入試驗 辦理地質調查試驗
(4) 地質鑽探及試驗 辦理地質鑽探試驗
(1) 工程材料來源及數量調查 辦理工程材料調查
13 工程材料調查試驗 5.2.6
(2) 工程材料試驗分析及適用性評估 辦理試驗評估
(1) 原則上依河川治理基本計畫布置堤防護岸及其他防洪建
造物
(2) 考量現況地形、地質、水理要素、生態保護、河川環境營
堤防護岸及其他防洪建造物整
14 造、公私有地分佈、居民意見訪查及相關既有設施銜接配 5.3.2 辦理工程系統整體布置
體平面布置
合等因素修正或微調堤防護岸及其他防洪建造物布置
(3) 完成設計河段堤防護岸及其他防洪建造物整體平面布置
圖。河段兩岸新建及既有設施均應在平面圖上顯示
623附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 171 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
(1) 出水高、堤頂高程、堤頂寬、邊坡斜率等之決定
(2) 水防道路高程、寬度、舖面之決定
5.4.1 規劃報告及依實際情況
(3) 邊坡容量是否包括附近地區排水量之決定
15 堤防斷面設計 (4) 堤頂舖面及邊坡保護方式之決定
(5) 植栽用於坡面保護之考量與設計 5.8.3 規劃報告及本規範附錄五
(6) 斷面安定分析評估 規劃報告及本規範附錄六
5.4.1
(7) 堤防滲流分析評估 規劃報告及本規範附錄八
(1) 堤防護岸基礎設計
(2) 基腳保護需要性評估
16 基礎處理及基腳保護 5.4.1 規劃報告及依實際情況
(3) 基腳保護方式的選擇及設計(含採用生態工程護腳的考量
及設計)
1.0.9
(1) 採生態工程方式設計的需要性考量 5.4.1
5.7.3
配合生態保護及河川環境營造 1.0.9
(2) 生態工程設計 規劃報告及本規範附錄五
17 需要的生態工程及特殊設施設 5.4.1
計 5.8.2
(3) 植栽綠化設計 5.8.3
5.8.4
(4) 其他特殊設施設計如生物通道設計 5.7.6 同上及本規範附錄十
(1) 依工程會PCCES 軟體編製預算書(含總表、詳細價目表、
18 工程預算書及發包文件研擬 5.3.7 水利署河川局工程預算書
單價分析表、資源統計表、設計圖說)
624附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 172 頁
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(2) 發包文件(依機關單位製作)
A. 空白標單
B. 設計圖說
C. 施工說明書
D. 施工補充說明書
E. 工程施工規範
F. 特訂條款 公共工程會施工規範章節
G. 投標須知
625附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 173 頁
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一般堤防護岸工程設計可參考文獻及資料
文獻編號 著作者或刊印機關 參考文獻及資料名稱 刊印日期
1 經濟部水利署水利規劃試驗所 河川治理及環境營造規劃參考手冊 民國95 年6 月
2 經濟部水利署水利規劃試驗所 區域排水整治及環境營造規劃參考手冊 民國95 年6 月
3 經濟部水利署 河川區域種植規定 民國95 年3 月
4 蕭慶章財團法人成大水利海洋研究發展文教基金會 實用河川工程(上、下) 民國93 年
5 經濟部水資源局 水文設計應用手冊 民國90 年12 月
6 經濟部水利署水利規劃試驗所 河川情勢調查作業要點() 民國93 年
7 經濟部水利署水利規劃試驗所 測量工作規範
8 台灣省水利局 防洪工程規劃講義 民國70 年4 月
9 經濟部水利署 生態工法分析模式及設計要點研究(2/2) 民國94 年11 月
10 經濟部水利署 集水區生態工法技術參考手冊 民國92 年11 月
11 經濟部水利署 河川生態工法及其應用(1/3、2/3、3/3) 民國91 年 ~ 94 年
12 經濟部水利署 河川生態工法及其應用實務手冊() 民國94 年5 月
13 中國土木水利學會 中國工程師手冊-水利類 民國73 年
14 台灣省水利局 灌溉排水工程設計 民國67 年12 月
15 交通部幼獅文化事業公司 公路排水設計規範 民國90 年1 月
16 行政院農業委員會水土保持局 水土保持技術規範 民國92 年11 月
中華人民共和國水利部國際合作與科技司、中國水利水電
17 堤防工程技術標準匯編 民國87 年10 月
出版社
18 日本河川協會 河川管理設施等構造令 HS.5
626附錄十一、一般堤防護岸工程設計作業詳細工作項目及參考方法、文獻、資料
第 174 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
附錄十二、改善魚類上溯下降環境的建議
(本附錄經財團法人七星農田水利研究發展基金會
「(96)七星研發會字第021 號」同意全文刊錄)
627 附錄十二、改善魚類上溯下降環境的建議
第 175 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
改善魚類上溯下降環境的建議
本附錄為「日本河川整備中心出版品推廣計畫」叢書NO.2
財團法人七星農田水利研究發展基金會中文編譯
經財團法人七星農田水利研究發展基金會「(96)七星研發會字第021 號」同意全文刊錄
1.讓魚類集中且易於進入魚道
(1)魚道的設置位置需考慮生息的魚種及河床特性
(2)毗鄰河岸之魚道設置考量事項
(3)魚道入口不應突出於攔河堰本體下游端
(4)魚道的下游端入口處需預估沖刷情況以確保魚道入口基盤
(5)注意魚道下游周邊之障礙
2.讓魚類易於上溯
(攔河構造物本體)
(1)攔河堰本體在設置魚道時,其橫斷面之形狀需配合流況,
以形成魚類移動所需的水深及流速
(2)為避免水躍發生而設置消波塊時,應避免發生伏流現象
(3)攔河構造物的溢流部份,需注意避免產生水深不足及流
速過大
(4)依河道環境情況,亦可將水道型全斷面式魚道列為選擇項
目加以探討
(5)攔河構造物不應使用透水性材料
(6)規劃設置橡膠膜布材質之起伏堰橡皮埧時,需充分考量魚
道之功能設計
(魚道技術)
(1)魚道之平面線形應儘可能平緩
(2)魚道彎曲時,需在彎曲部設置適當游水池
(3)階梯式(Setback)魚道兩側高壁應避免產生橫越流
628 附錄十二、改善魚類上溯下降環境的建議
第 176 頁
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水利工程技術規範-河川治理篇(下冊)第五篇 設計
(4)設置於魚道下游端的副壩,需避免影響魚類上溯
(5)不銜接不同型式之魚道
(6)扇型魚道不可規劃成上溯時流速會增大的構造
(7)甲殼類上溯而設置之繩索需避免在水中振動
(8)魚道上游端儘可能與取水口分離
3.規劃成魚類容易下降的環境
(1)避免下降魚種受到落下衝擊的構造
(2)舖設粗石魚道需使用圓石而非尖石
4.追蹤調查
為檢討魚道效果,應落實追蹤調查
引用及參考之文獻
相片明細表
適於魚類生活的河川研究會
629 附錄十二、改善魚類上溯下降環境的建議