115 高普考普通考試 水利工程 水利工程概要 考古題詳解

核心觀念

重力壩主要依靠壩體自重抵抗水壓等外力。分析時先列出各種荷載及其作用方向、作用點，再依不同荷載組合檢核壩體與壩基是否安全。常以壩體橫剖面、每公尺壩長作平面分析。

作用於重力壩的力

常見荷載可依作用性質整理如下：

1. 壩體自重 $W$：垂直向下，是重力壩抵抗滑動與傾覆的主要力量。若壩體斷面積為 $A$、混凝土單位重為 $\gamma_c$，每公尺壩長的自重為 $W=\gamma_c A$，作用點通過壩體形心。
2. 上游水壓：靜水壓力垂直作用於壩面。上游水深為 $H$ 時，垂直壩面上的合力為 $P_u=\frac{1}{2}\gamma_w H^2,$ 作用點在水面下 $H/3$，方向水平指向下游。若壩面傾斜，水壓應分解為水平與垂直分力。
3. 下游水壓：下游有水時，水壓方向與上游水壓相反，會抵銷部分上游水壓；計算合力與力矩時均須納入。
4. 揚壓力（浮力）：水滲入壩體與壩基接觸面後形成向上的水壓，會減少壩體的有效重量及抗滑能力。簡化分析常依上、下游水位及排水幕效果，假設基底揚壓呈梯形或三角形分布。
5. 淤砂壓力：上游泥砂對壩面的側向壓力；視題目資料與設計條件計入。
6. 地震力：包括壩體質量所受的水平與垂直慣性力，以及地震時庫水對壩面的動水壓力。水平慣性力通常依設計地震加速度估算。
7. 其他荷載：如冰壓、波浪壓力、溫度作用，以及閘門、設備等附加荷載；依地點與設計條件取用。

解題方法：逐項列力，再做穩定檢核

先畫壩體自由體圖，標出各荷載的方向、大小、作用點與力矩方向；再依正常蓄水、洪水、下游水位變化、地震等情況組成荷載組合。每一組合分別計算水平力、垂直力及對壩趾或壩踵的力矩。

重力壩穩定性通常檢核下列項目：

1. 抗滑穩定

檢核水平外力是否會使壩體沿壩基或壩體接縫滑動。簡化的安全係數可寫為

其中 $\sum V$ 為向下垂直力總和，$U$ 為揚壓力，$\sum H$ 為使壩體滑動的水平力總和，$\mu$ 為接觸面摩擦係數，$c$ 為黏著力，$A_b$ 為接觸面積。若不計黏著力，令 $c=0$。

核心觀念

本題考查集水區降雨逕流反應的三種特徵時間：集流時間 $t_c$、平衡時間 $t_e$ 與稽延時間 $t_L$。它們都用來描述降雨與出口流量之間的時間關係，但各自描述的現象不同，不能視為同義詞。

解題方法

可從「追蹤一滴水」、「觀察流域是否達到穩定反應」及「比較降雨與逕流的時間位置」三個角度區分：

核心觀念

護岸是保護河岸及堤防坡面、減少水流沖刷與淘刷的河川構造物。設計時不能只看護岸本體是否穩固，還要一併考量河道變動、水流作用、地基與基腳安全，以及護岸與上下游河段的銜接。

本題屬於設計原則題，沒有指定河段、流量或地質資料，無須代入公式；作答時宜從「水理、河道、結構、地基、環境與維護」等面向列出五項。法規部分以命題當年（民國 115 年）規定為準。

解題方法

可依護岸從規劃到使用的設計流程作答：先掌握河道及洪水條件，再選擇合適的護岸型式，檢核護岸本體與基礎安全，最後補充環境、施工及維護考量。以下列出六項，考場擇五項完整說明即可。

1. 調查河道與洪水條件 蒐集河道地形、斷面、河床材料、河岸地質、洪水位、流速及流向等資料，並掌握河道長期沖淤、彎道及局部流況。護岸型式與高度須配合治理計畫及設計洪水條件。

2. 考量河道變動及上下游影響 評估河道可能的側向移動、河床下降或淤積、彎道沖刷，以及上、下游既有工程的影響。護岸端部與相鄰河段須妥善銜接，避免水流繞流、端部淘刷或把沖刷問題移至下游。

3. 檢核護岸本體的水理與結構安全 依設計流速、流向及水位選用適當護面材料與構造，並考量水流衝擊、波浪、漂流物撞擊及洪水退水時的水壓作用。設計應避免護面滑動、傾倒、破壞或掀動。

核心觀念

內水是堤防或護岸臨陸側集水區所產生的逕流；內水排水的目的，是把堤內積水安全排出或暫時調蓄，避免淹水。規劃時先比較堤內水位與堤外水位，再依地形、排水能力及洪水時程，選擇排水方式。

本題屬排水工程概念題，無須引用法條或計算公式。內水排水常見作法可歸納為重力排水、機械抽排、滯洪或蓄洪，以及分流或截流排水。

解題方法：四種方法及適用時機

1. 重力排水 以排水路、涵管或穿堤水門導排，利用堤內水位高於堤外水位的水位差，使內水自然流出。適用於地勢與排水出口高程允許自然排水，且堤外水位低於堤內水位的時段。外水高漲時須關閉水門，防止倒灌。

2. 機械抽排 設置抽水站或移動式抽水機，將堤內水抽送至堤外。適用於低窪地區、感潮區，或外水位高於內水位而無法重力排水的情況；若集水區排水量超過既有排水能力，也可用抽排補足。