第九章工程地質在壩工與水庫之應用
9-1 壩工之重要工程地質因素
水的光解需要酶吗
在壩工之中，壩址的選擇，壩高的決定，壩型之決定，以及壩基的處理，都是重大問題。而這些問題，受到許多因素的影響，即使從純技術因素而言，也常常要在水庫工程中加以整體考慮，而不單純是壩工設計與施工問題。至於壩址的選擇，將於後續章節介紹，主要因為壩址的選擇在水庫工程的整體考慮上，甚為重要。
純就壩工的工程地質而言，最重要的一些因素是：
(1)地形
(2)地質構造與弱面
(3)壩基與壩翼之力學性質
(4)地震與活斷層
(5)施工材料
一條河川雖然很長，但是未必處處都是建壩的地形。通常，適合建壩的地形，最好兩翼的高度要相稱，至少不能相差太大。河谷是地表上的弱點，水流要在地表上沖刷出一條何道，必然找出最脆弱的地方，而河谷形成之後，因解壓而使兩岸發生開口節理及倒懸現象，使河床隆起而發生空洞…等惡果，使原本為地表弱點的河谷更形惡化，而我們要在河谷建造一座對下游眾多生命財產安全有重大影響的大壩。因此，壩址的地質構造、弱面，對大壩安定、壩基、壩翼的水密性及水壓，都有決定性的影響。
鼻梁上有横纹至於壩基及壩翼岩石或土壤的力學性質，例如強度、變形性、水力學性質，對壩體、壩基與壩翼的設計、施工及造價，關係重大。若瞭解不夠、設計不妥或施工不良，都可能引起大壩的破壞，其中，尤其是瞭解不夠所引起的災變最多。
岩盤或土層中的任何一個小單元(岩石或土壤材質、軟弱夾心中的成分)，如易於風化、易於消散或易於擴散者，則在壩址開挖之後或水庫蓄水之後，可能發生基礎破壞。
至於壩體本身之施工材料，若屬混凝土壩，需要大量礫石材料及砂料；若屬土石壩，所需要的土方更為龐大。因此，土石材料的數量，品質以及分佈，對於壩型之選擇及造價，都有關係。
9-2 壩型之影響因素
9-2-1河谷之形狀對壩型之影響
河谷形狀之分類
Walters(1962)將河谷分成峽谷、狹谷、寬谷與平緩河道等四大類，並以「弦/高」比為小於3、3~6、大於6為前三類之定量分類標準。但河谷形狀，只宜用寬/高比，不宜用弦/高比或弧/高比，因為，河谷既無弦長，亦沒有弧長。只有談到壩的問題，才有弦長與弧長的問題。曲線壩其壩頂弦長等於或大致等於谷寬。因此，Walters(1962)所謂弦/高比應為寬/高比。
不少有關壩工之文獻，談到壩頂長時，若為曲面壩，常指壩頂弧長。
河谷之寬/高比，對壩型之選擇非常重要。舉例而言，寬/高比太大(例如大於6者)之河谷，建築拱壩就比建其他型之壩不經濟。
有人或許說河谷並無一定寬度，其寬度因高程而異。一般而言，水流所沖刷而成之河谷，常呈V型，其寬/高比大致一定。何況水資源寶貴，適合建高壩之位址，若是建了矮壩便難以加高。因此，建壩之時，常儘量利用難得之壩址，建造高壩，尤其是為自來水所建之水庫，益本比不應對壩高造成太大限制。在這種情況之下，壩的弦/高比與河谷的寬/高比，常常被混為一談。
作用在壩體之外力
垂直靜態應力：由蓄水與結構物重量而來。
動態應力：水波、溢流、地震….。
水平應力：蓄水之水平水壓力。学术论文范文
孔隙水壓力：岩盤裂隙水壓力。
滲流應力：滲流產生之應力。
上揚力：壩基下方滲流作用產生。
峽谷之壩
「寬/高」比小於3之峽谷，適合建薄拱壩或薄穹形壩。穹形壩又稱雙曲拱壩，其「厚/高」比常小於蛋殼者。意大利之Vaiont拱壩，壩高超過206 m，壩頂弦/高比約0.7；我國德基拱壩之「弧/高」比為1.6。
狹谷之壩
「寬/高」比在3至6之間的狹谷，適建厚拱壩、重力式拱壩或重力式壩。某些重力式壩，甚至採用平面曲線式，以增強勁度，但不考慮拱作用。翡翠拱壩之「弧/高」比為4.3。美國奧本(Auburn)拱壩，壩頂長1220m，高約209 m，「弧/高」比已近6，於基礎開挖後停工。重力壩之「寬/高」比有低至4者。
寬谷之壩
第一次煎鸡蛋「寬/高」比大於6之寬谷，除單拱壩之外，適建之壩型有重力壩、垛壩、複拱壩、土石壩、磊壩，由地形以外之因素決定壩型。
埃及尼羅河之阿斯萬壩 (Aswan)，重力壩長500 m，垛壩長1400m，高約46m，長/高比達42之多。
複拱壩，常為垛、拱壩相間連成長壩，拱之側向推力由垛壩承受。此種垛、拱複合之壩最忌不均勻沈陷。
寬谷而基礎較為軟弱者適建土壩或磊壩。
閘建於具有航行價值之河道，如長江之葛洲壩與聖羅倫斯水道，以適於航行。尤其是在某些大河，某些地段河床具有突出之岩灘，水流湍急，不適大船航行，建閘克服之，長江三峽大壩即有此計畫。
平原上河道，有時為抬升水位引水灌溉，便建造有閘門之長壩、閘或堰。
9-2-2 壩型受河谷形狀以外因素影響之介紹
重力壩(Gravity Dam)
岩盤至少能承載8－10 kg/cm2之壓力。河床表面軟弱或破碎之地質材料不宜超過l0m 厚。壩底之上頂水壓對抗滑及抗傾皆極為不利。砂石料用量大，運距不宜太長。重力壩壩頂長度超過壩高5倍以上者，優點特別顯著。
雷姓取名撐牆壩或垛壩(Buttress Dam)
岩盤至少能承載20－30 kg/cm2之壓力。垛壩所需混凝土僅為重力壩之三分之一至三分之二，但模板及技術工人要求高於重力壩。壩高超過15m，垛壩開始具有競爭力。結構分析較重力壩複雜。在強震區較為不利。
複拱壩(Multiple Arch Dams)
岩盤至少能承載20－30 kg/cm2而不產生l0 mm左右以上之沈陷。比垛壩更省材料、更怕不均勻沈陷。
厚拱壩(Thick Arch Dam)
適建於寬/高比介於3至6之間之河谷。岩盤至少能承受30 kg/cm2之壓力。除採理論及數值方法分析之外，常佐以模型試驗。
薄拱壩(Thin Arch Dam)
河谷之寬/高比在3以下者適建薄拱壩。岩盤，尤其是兩翼之岩盤，至少能承受50－70kg/cm2之拱壩推力。
薄拱壩，其壩體上下游面之水位差很大，壩之厚度很小，因此壩基及壩翼岩盤滲流水之水力梯度極大，尤其是在壩翼與河床交會點附近最嚴重，必須特別注意。由於推力及水力梯度都很大，岩盤之堅強及水密性，都極為重要。建壩材料之品質要求水準高。
堆石壩或磊壩(Rock fill Dam)
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磊壩適建於下列條件或情況：
(1)壩基承載混凝土壩之能力不確定或變異性大。
(2)建壩材料可就近取材，通常部分取自溢洪道挖方材料。建壩材料，浸水或暴露空氣中、或在乾濕循環情況下，皆能長期安定者。
(3)若採用黏土作為壩心材料，不但材料來源要充足，當地天氣也要合適。例如，翡翠水庫所在之地區，每年下雨約200天，土壤難於乾燥至最佳含水量，且可用工期太短。惟近年來有採用瀝青混凝土或其他材料，覆於磊壩上游以防漏水者。
(4)工址適於重型機械施工作業。
土石壩(Earth Dam)
於中文翻譯有人把土石壩稱為土壩者，並無不可，因為我們中國人所謂的「土」，實包括土與石。但為避免有人把土壩倒譯為Soil Dam，故採用土石壩以作為Earth Dam之中譯。此外，一般土石壩，石方常多於土方。
土石壩及磊壩，相當於橋樑工程中之簡支樑結構，適於較差之壩基及地震區。但止水塹(key trench)周圍岩盤之灌漿必須完善；如屬土質或軟岩基礎，須防膨脹性黏土(expansive Clay)及擴散性黏土(dispersive clay)引起裂隙或管湧之害。
複合壩(Multiple Dam)地瓜怎么种植
有些壩址，半邊堅硬者建混凝土重力壩，半邊軟弱者建土石壩，加以適當連接成複合壩，如英國牛綠壩，此外，美國Boone壩，由混凝土重力壩、磊壩及土堤壩連接而成。
9-3 地質材料與壩基
某些壩基，地質構造上的弱面並不發達，則壩基之力學與工程特性，由地質材料之性質控制。此類地質材料例如泥岩、礫岩、集塊岩、崩積土、硬黏土層、某些風化岩石及部份石灰質岩石。
9-3-1 膨脹性黏土礦物與壩基安定
某些岩盤中雖然弱面或弱帶發達，甚至含有軟弱夾心、堅硬充填物或已固結之磨爛岩與壓破岩等。此等夾心或斷層岩石(指磨爛岩與壓破岩)，如含有膨脹性黏土，一旦受水庫蓄水之高水頭作用，致原來不與水份接觸之膨脹性黏土礦物受到水份之滲透，因而發生膨脹，其兩壁之岩盤因而被膨脹壓力所擠開。
至於弱面不發達之岩石，如含有膨脹性黏土礦物，受高壓之水滲入，強度大降、壓縮
性大增，壩基安定可能發生問題。
9-3-2 擴散性黏土與壩基安定
弱岩壩基或土壤壩基，如含有擴散性黏土，此類黏土於水中解凝，易受低速水流之沖蝕(當然更易受高、中速水流之沖蝕)，形成沖蝕管道而終成管湧，造成壩基破壞。
9-3-3 地質材料之風化與壩基開挖
壩基及壩翼開挖之後，若不立即施工，則易於風化之弱岩，應保留一公尺左右至建壩開始(指澆鑄混凝土或填黏土於止水塹)時再予挖除，或挖至預定高程或深度後立即噴以可防止風化之噴凝土30cm保護之。開挖之壩基絕對不得有浸水、滲水等情事發生，以其必然引起弱岩之軟化，砂岩膠結材料之溶解流失。如有浸水、滲水之可能，應在上游灌漿阻水，在暴露之岩盤處排水，在下游導水迅速遠離工址。
何天武
9-3-4 壩基地質材料品質及耐久性
在談到壩基漏水或破壞之時，大家都把注意力放在地質構造與弱面，但最早引起一般大眾及壩工專家注意的壩基破壞(並引起大壩破壞)，問題卻發生在壩基的地質材料。那就是1927年發生在美國加州的St. Francis壩破壞。St. Francis壩為一高61公尺之混凝土壩，中央部份為重力壩，左、右兩部份皆為半徑152 m之拱壩。重力壩部份，壩基砌置深度9m 多，岩石品質較佳；右邊拱壩部份建於礫岩上，砌置深度約3 m；左邊拱壩部份建於片岩上，砌置深度亦在3m之內。該壩破壞之初，右壩基礫岩潰散沖失，致右邊拱壩基礎被淘洗一空，右拱壩壩體被沖至下游。左壩基被來自右方潰潭之洪流回捲，片岩壩基岩盤發生滑動，拱壩翻撲在前方。中央重力壩部份大致未動，左、右之拱壩壩體沿伸縮縫與重力壩分離，下游居民400人喪生。
發生問題之右壩基礫岩，抗壓強度僅35 kg/cm2，拳頭大之礫岩塊浸於水中後，立即吸水逸出氣泡，碎片及顆粒紛紛散落，在15分至一小時之內，岩塊已完全分散為鬆砂、碎片及泥水。此為壩基地質材料品質及耐久性不佳之一例。
9-4 地質對壩基變形之作用
岩石或土壤，其強度與變形原是一件事，將強度與變形分開計算，只是人為的，為求簡化分析與設計工作。
岩石與土壤，受荷重之後，必然變形。拱壩施於壩翼之推力相當高(約50~70 kg/cm2)，已如前述，壩翼之變形必然不小。以剪位移而言，超過10 cm，在這麼大位移量，弱面上的微起伏(或稱二次起伏)必然被剪脫。
