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耐震防災新科技:橋梁沖刷防災雲端監測技術

橋梁是交通的重要樞紐,橋梁損壞會造成人命及財產的損失,因此不容輕忽。然而現今僅依據經驗,目視水位高程以評估橋基安全,實非長久之計,而有必要發展出適合使用於台灣橋梁複合災害的即時預警監測系統。
 
 
連接公館與永和的永福橋(種子發提供)
▲連接公館與永和的永福橋(種子發提供)
 
台灣除受地震危害之外,平均每年侵襲3.5次的颱風造成的災害更是重大。颱風豪雨不僅沖蝕河床與海岸,更危及跨河構造物與港灣海岸結構,嚴重影響河川與海岸國土地形地貌,並威脅到人民生命財產的安全。

目前台灣大小橋梁有二萬餘座,它們都是交通的重要樞紐。然而有些老舊橋梁除了耐震強度不足外,風雨沖刷所導致的基礎裸露更危害到橋梁的穩定性與承載能力,若損壞會造成人命及財產的損失,這些問題不容輕忽。

橋梁安全的重要性

民國89年碧利斯颱風造成高屏大橋斷落,有22位用路人墜橋受傷;90年桃芝颱風造成台中市東門橋斷裂,有母子二人開車經過而跌落,不幸造成1死1失蹤;97年辛樂克颱風來襲,后豐大橋斷裂造成2人死亡4人失蹤的重大事件;98年8月莫拉克颱風造成台灣中南部一百多座橋梁斷裂,四十多座交通部公路總局管轄的橋梁受創嚴重,其中雙園大橋有16座橋墩被沖垮,橋面斷落460公尺,造成車輛墜河,民眾傷亡失蹤。
 
橋梁在颱洪侵襲期間的沖刷倒塌
▲橋梁在颱洪侵襲期間的沖刷倒塌
 
綜合國內橋梁現有的問題主要是:
(1)橋齡老舊,不同時期建造的橋梁所適用的耐震設計規範不同,老舊的橋梁耐震能力堪虞。
(2)河川上游經常施作水壩及各種攔水設施,改變河川的平衡,致使下游河床流失,影響河道的穩定性。
(3)過度開採砂石使得河床流失、地質脆弱且容易遭受風化及沖蝕,造成橋基裸露,影響橋梁結構的安定性,即使施作橋梁及樁基保護工程也僅能保障短期的安全。
(4)部分縣市政府因經費問題無法設置專人負責橋梁管理,地方政府缺人又缺錢,橋梁維修作業一拖再拖,加上超載車輛過度使用造成橋接裂縫擴大、橋面版經常損毀,影響行車安全。

雲端監測系統

為了讓民眾及政府單位能在第一時間得知橋梁的即時資訊,國家實驗研究院開發了一套監測系統,這系統由國家實驗研究院所屬單位,即國家地震工程研究中心(國震中心)、儀器科技研究中心(儀科中心)、國家奈米元件實驗室(奈米中心)、國家晶片系統設計中心(晶片中心)、台灣颱風洪水研究中心(颱洪中心)及高速網路與計算中心(國網中心)共同開發。

這項研究主要是把橋梁管控系統裝設於濁水溪流域的四座橋,分別是「中沙大橋」、「名竹大橋」、「自強大橋」及「西濱大橋」。在感測器方面,分為橋面下感測與橋面上感測,橋面下感測以國震中心、晶片中心與奈米中心製作的應力感測節點、沖刷量量測計與水壓量測計為主。橋面上感測則包含影像模組、三軸震動計、水位計、流速計四種物理量量測儀。
 
橋梁管控系統與周邊感測器架構圖
▲橋梁管控系統與周邊感測器架構圖
 
感測器安裝完成後由Wi-Fi無線通訊系統傳至堤岸上的中繼點,再以有線網路把資料傳送至國網中心,資料經分析整理後立即與網頁同步,使民眾可以在第一時間得知橋梁的狀況。萬一風災造成斷電,則會啟動備用電源,系統會及時儲存資料,等電力恢復正常後繼續傳輸。

橋墩沖刷監測元件

理想的沖刷監測計應能包括水位高程變化、河床深度變化、基礎沖刷外露高度等主要監測項目。橋墩沖刷監測的方式依感測器的不同而有差異,但最重要的是必須滿足台灣河川沖刷特性的要求,尤其是洪水除了泥沙泥漿外,還包括巨大漂流木、流石的撞擊,即使監測感測元件埋設在橋墩後方,不會正面承受洪水衝擊,橋墩後方的渦流也會帶引流石與流木撞擊監測元件。
 
沖刷監測系統安裝示意圖
▲沖刷監測系統安裝示意圖
 
目前開發的水下感測器節點已能夠克服流石與流木撞擊的問題,其主要技術是把感測器節點裝設在金屬球中,再把金屬球鎖在鋼構管上並埋設在橋墩下的泥沙中。當金屬球因洪水沖刷而裸露時,由金屬球量測到的加速度訊號就可判斷目前沖刷的深度,這樣新型的鋼構管也有隨時可抽換的優點,增加後續維護工作的方便性。在現地橋墩上也安裝了網路攝影機,由傳回的即時畫面可以得知當前的水位高度,為橋梁的安全多一份保障。
 
水下感測器節點
▲水下感測器節點
 
監測系統現地安裝

為了建置現地橋墩量測機制,必須安裝橋梁安全預警的感測器,並確保現地量測的穩定性。從感測器取得的資料可分析不同的即時沖刷監測系統效能,互為印證即時沖刷深度量測資料,以做為颱洪期間河川水位與沖刷深度的即時監測,並掌握橋梁基礎發生不安全狀態的臨界值,提供橋梁管理單位採取緊急應變作業的判斷,藉以改善目前僅以水位高低做為封橋依據的不足,對於提升國內橋梁耐洪能力的維護管理有所助益。
 
橋墩沖刷監測系統安裝位置示意圖
▲橋墩沖刷監測系統安裝位置示意圖
 
建構的沖刷監測系統會先以橋梁基本結構尺寸及土壤參數輸入分析,求得可能發生流速及水位高所對應的沖刷深度,建立水位高、流速及沖刷深度數據資料,由監測系統即時量測的數據可有效掌握橋梁穩定狀態,提供橋梁管理單位洪水期間橋梁管理時的重要參考訊息及依據,並在適當時機啟動緊急應變措施,如封橋撤離等,避免橋梁無預警破壞或倒塌。

值得一提的是,為了能夠準確獲得沖刷深度,在橋墩下每50公分裝置一顆金屬球,每顆金屬球都由網路線連接到POE網路供電設備,接收到即時訊號後再傳輸至國網中心。
 
橋墩沖刷監測系統
▲橋墩沖刷監測系統
 
監測儀器雲端監控

目前監控平台設計是每10分鐘就自動利用網路、影像、數據等參數檢測感測器與監視系統的運作狀況,若發生異常時會自動以E-mail通報給相關人員,待處理完畢後再回報給國網中心,由國網中心確認運作是否正常。
 
檢測與通報流程圖
▲檢測與通報流程圖
 
目前也完成了網頁以及手機、平板電腦的APP,網頁部分可即時展示橋體三軸感測器、水位、流速、橋墩加速度沖刷監測等歷線圖,並設有現場影像、不同顏色的警示燈號,以及水位、流速的動畫,讓一般民眾可以清楚得知目前橋梁的安全狀況,網頁中也有快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)分析圖供專家學者參考。
 
雲端即時橋梁安全監測網頁
▲雲端即時橋梁安全監測網頁
 
手機及平板電腦部分目前只有安卓(Android)系統開放下載行動APP裝置,可透過手機、平板電腦監看即時監測資料、現場影像,以及調閱歷史資料,同時可顯示橋梁的安全狀況
 
行動介面展示
▲行動介面展示
 
橋梁是交通的重要樞紐,洪水沖刷會使基礎裸露危害橋梁的穩定性與承載能力,導致橋梁損壞造成人命及財產的損失,因此不容輕忽。然而現今僅依據經驗,目視水位高程以評估橋基安全,實非長久之計,有必要發展出適合使用於台灣橋梁複合災害的即時預警監測系統。

考量現地施工環境、洪水衝擊等諸多因素,國家實驗研究院已在大甲溪、濁水溪、高屏溪三大流域裝設橋梁複合災害即時預警監測系統,透過地震和洪水沖刷與橋梁基礎的穩定性及安全性能資料進行分析。藉由數據比對與數值模型的逐次修正,期望發展出適用於本土橋梁與流域特性的橋梁危害分析模型,配合即時監測預警系統的建置,提供橋梁與流域更多的安全。

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