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河川橋樑破壞原因探討-以莫拉克颱風雙園大橋為例

陳 賜 賢

台灣省水利技師公會榮譽理事長

一、前言

2009 年莫拉克颱風在南部地區降下

約 3000mm 之雨量，因豪雨及上游堰塞湖潰

壩衍生之土石流及漂流木沖淤，造成下游

129 座橋梁嚴重毀損及破壞。其中較嚴重

為連絡高屏之間的雙園大橋因北上車道

N0.1~ N0.14 橋墩被沖毀，橋面塌落長度

約428m及南下車道N0.1~ N0.16橋墩被沖

毀，橋面塌落長度約 459m，造成 8 車 12

人落橋失蹤，監察院因此斷橋事件對交通

部公路總局及經濟部水利署提出糾正。因

異常氣候或河川環境之變遷對橋梁所造成

之影響，有必要加以正視及注意，本文僅

就水利觀點提出初步看法。

二、常見河川橋樑破壞類型

一般而言，橋樑因洪水而發生災害機制(圖 1)及類型(圖 2-圖 11)包括如下:

水流經過河川橋墩因通水斷面束縮引起之沖刷機制(圖 1)

 

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1.橋墩或橋台因束縮水流沖刷(scouring)而產生破壞(圖 2)

圖 2

2.與橋台平行堤岸之侵蝕沖刷破壞導致橋台產生破壞 (圖 3)

圖 3

 

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3.因洪水超過橋樑底設計高度(over-topping)溢出產生破壞(圖 4)

圖 4

4.長期河床縱剖面下降(degradation)產生破壞(圖 5)

圖 5

 

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5.河川深槽縱橫向移動產生破壞(圖 6)

圖 6

6.土石或漂流物外力衝擊產生破壞(圖 7)

圖 7

 

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7.由於土石或漂流物等雜物堵塞造成主流方向改變產生破壞(圖 8)

圖 8

8.土石或漂流物等對橋墩磨損產生之破壞(圖 9)

圖 9

 

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9.因河川環境變遷(上游構造物)等對下游橋墩產生之破壞(圖 10)

圖 10

10.因錯誤之橋墩補強方式導致二次災害之破壞(圖 11)

圖 11

 

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三、雙園大橋破壞原因探討

本次莫拉克颱風所造成林園堤防局部

潰堤及雙園大橋部分沖毀之災害，由現場

調查及相關資料分別探討如下：

(一)漂流木影響:

包括上游旗山溪及下游出海口皆有許

多尺寸巨大之漂流木，有關漂流木是否影

響雙園大橋，以該橋全長 2.8 公里，有高

達 68 個跨距 ( span ) ，跨距愈多，代表

設在河道中之橋墩數量愈多，橋墩受水沖

刷，致水流受阻，因斷面束縮流速增加，

而該橋為新舊兩排橋墩並列，當水流方向

改變，其入射角(Angle of attack)易使漂

流木卡帶於橋墩上，形成漂流木堆積團

(debris accumulates)，阻礙水流，更使

橋墩水位上升，同時造成衝擊力易使橋墩

倒塌(詳圖 12~圖 24)

上游旗山溪兩岸之漂流木散佈情況(圖 12)

下游高屏溪出海口之漂流木(圖 13)

 

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下游高屏溪出海口之漂流木 (圖 14)

雙園大橋之兩排橋墩密集排列易卡住漂流木(圖 14)

雙園大橋之兩排橋墩密集排列易因漂流木形成遮蔽(圖 15)

 

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雙園大橋橋墩密集水流方

向與橋墩平行時(圖 16)

水流方向與橋墩成不同角度之入射角

時易卡住漂流木形成遮幕(圖 17)

 

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高屏溪上游地景橋上游漂流木形成之遮幕(周文祥理事長拍攝) (圖 18)

基隆八堵鐵路橋受漂流貨櫃卡住形成之遮幕情況(納莉颱風) (圖 19)

高屏溪上游旗尾橋受漂流木推移情況(上游) (圖 20)

 

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高屏溪上游旗尾橋受漂流木推移情況(底部側面) (圖 21)

旗尾橋受漂流木推移情況(橋墩及橋台) (圖 22)

高屏溪上游旗尾橋橋墩受漂流木推移情況(橋墩) (圖 23)

 

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高屏溪上游旗尾橋受漂流木推移情況(橋台) (圖 24)

有關漂流木形成之推阻力(drag force)常用公式如下:

 

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由上式單一橋墩所受推阻力(drag force):

P=(0.91)*9810*(3.0*6)*(3*3/2*9.8)=147.57kN

即在無漂流木堆積團影響下單一橋墩至少

受 147.57 kN 推力，若加上漂流木堆積團

其影響力更大，此可由上游大津橋施工鋼

構 I 型鋼樑受彎矩力剪斷情況判斷漂流木

堆積團對橋樑破壞情況(詳圖 25-圖 29)。

高屏溪上游大津橋漂流木堆積團掛附淤於橋墩情況(圖 25)

大津橋漂流木堆積團將施工便橋彎曲情況(圖 26)

 

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高屏溪上游大津橋漂流木堆積團溢出於橋墩情況(圖 27)

高屏溪上游漂流木堆積團將施工便橋 I型鋼樑彎曲破壞情況(圖 28)

高屏溪上游漂流木堆積團對橋樑 I型鋼樑破壞情況(圖 29)

 

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(二)長時間高流量對河床沖刷破壞

 

雙園大橋於莫拉克颱風受水流沖刷情況(資料來源:Taipei times) 圖 30

有關可能沖刷深度由 HEC-RAS 程式及其內

建之橋墩沖刷分析模組進行推估局部沖刷

(Local scour)值約 3.71 m，另參酌公路

總局委託之跨河橋樑沖刷變化歷史資料冊

建立計畫，林呈教授於 99 年 7 月 30 日量

測 p5 橋墩值為=-6.3m，另依據一般橋樑沖

刷經驗公式 Lacey's formula 說明如下:

 

得 d=0.473*(34790/f)^1/3=13.8m

 

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同時參酌 FHWA 美國聯邦公路局 HEC-18 橋樑沖刷經驗計算如下:

 

 

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四、結論與建議:

由上述相關數據研判，在莫拉克颱洪時河

川為動床沖淤情況，其深度應有 7 m 以上

沖刷坑洞形成，加上漂流木累積團形成衝

擊力，對長時間裸露基樁形成側向彎矩剪

力破壞，亦即雙園大橋斷橋機制『漂流木

累積團形成動水壓衝擊力對裸露基樁形成

側向剪力彎矩破壞』應為橋樑破壞主要原

因。

漂流木累積團形成動水壓衝擊力對裸露基樁形成剪力彎矩破壞(圖 31)

有關於河川橋樑防止漂流木對策，國內目

前皆無此考量及設計，在大陸型河川之國

家如美國其橋樑管理單位聯邦公路總署有

出版相關防止漂流木之評估設計(Debris

Control Structures Evaluation and

Countermeasures)，其防止方式如圖 32-

圖 33，而在易發生土石流及河床變動激烈

之台灣相關河川，建議在河川橋樑評估及

設計應重視水利工程師共同參與，以提昇

橋樑安全性。

 

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防止漂流木之清掃器安裝於橋墩前緣圖32

(資料來源:U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration Hydraulic

Engineering Circular No. 9)

防止漂流木之清掃詳圖33(資料來源:同上)

收稿：100年 4月 28日修改：100年 5月 4日 接受：100年 5月 10日