金門大橋興建工程海域3D測量
103至104年度監測成果概述一、海域3D測量監測目的及範圍
金門大橋工程範圍西起烈嶼（小金門）后頭地區、東迄於（大金門）金寧鄉湖下地區，路線全長約5.4km，其中海域長度約4.5km，計有69座橋墩基礎座落海中，且小金端引橋段部分及深槽區橋墩基礎位於海床之上，基樁型式類似座落於海中之柱結構體，因此海工構造物的佈設將改變原海流流場及波浪場之底床泥沙動力條件，產生局部加速度(或減速度)變化或紊流(渦漩)引起局部輸沙能力增強所造成之結構物周遭底床裸露降低現象，且一旦底床沖刷成坑，於坑洞前緣將產生流離現象同時併生混合層之發展，產生更強的紊流強度與進一步之沖刷作用(如圖1所示)，因此本工程於規設階段即考量前述沖刷效應，於深槽區橋墩P42~P50橋墩配置防淘刷保護工設施，其餘橋墩則於結構設計時考量淘刷深度以確保結構安全；另為掌握金門大橋施工期間對鄰近海域及兩岸地形變化之影響程度，每年定期進行海域3D測量監測作業藉以了解前述樁基礎施作後海床之淘刷情形與驗證該防淘刷保護工之效果，並逐年比對海床沖刷與淤積之地形，以監測海床地形變化情形。
本測量作業範圍係考量橋墩設置防淘刷保護工後所影響之沖刷範圍，約橋軸中心線上下游各80m(即帶寬約160m)，故為蒐集較詳細之資料，並利設計階段補充測量成果比對，爰採該沖刷影響帶寬之2.5倍為工作範圍，即測量範圍為大橋路線上下游各200m之區域(即帶寬400m)，測量範圍詳圖2所示，為計畫路線於大、小金端海堤堤線間路段進行五個區域（大金端潮間帶、大金端淺水區、深潮區、小金端淺水區、小金端潮間帶）之各年侵淤變化(測量範圍詳圖2所示；測量作業配置詳見表1)，共計約192.4公頃。
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
![圖1 柱結構體附近之流況與沖刷(Melville,1988)[1]](images/p02-1-b.jpg)
| 表1海域3D測量作業配置表 |
 |
二、海域3D測量作業環境背景資料
本測量作業範圍相關環境背景資料主要為水動力因素特徵，包括海域之潮位、波向、波高、波浪週期與流速等，彙整概述如下：
| 1. | 潮位：依據潮汐觀測資料統計結果得知，金門地區潮汐以半日潮為主，平均潮位為海水面高程EL.0m而言，最高潮位為EL.+3.16m、最低潮位為EL.-3.94、平均高潮位為EL.+1.83m、平均低潮位為EL.-1.76m，若考量颱風引起之暴潮偏差影響，依據1940~2008 年間影響本工程海域之颱風事件(共計79個颱風)，進行各颱風最大暴潮位進行迴歸分析，推估100年迴歸期暴潮偏差推估為1.37m，故最大潮水位為大潮平均高潮位(E.L. +2.24m )+1.37m為 E.L.+3.61m，此高程亦是本工程設計潮位。 |
| 2. | 海潮流：依據「金門港水頭港區民國95~100年環境監測計畫[2]」於水頭港區外海之海流監測統計資料顯示，該海域秋季期間主要流向為SW-NE 向，冬季期間主要流向為WSW-NNE 向，春季期間主要流向為SW-NE 向；另由台灣世曦公司以水力數值模擬軟體結果可知[3]，漲潮階段水流係由外海向廈門灣流動，而退潮時則方向相反，其中以金門島與烈嶼之間的金門港道(即工址區域)及金門島東北側靠近圍頭灣附近之東北水道流速較大，在漲潮時流速約達1.4~1.6m/s；退潮時流速則超過1.6m/s。在低潮位時，金門港道之流速約在0.2~0.4m/s 以下；高潮位時，金門港道流速約0.4~0.6m/s。 |
| 3. | 風速風向：金門地區全年風向以NNE 向為最頻風向。年平均風速約3.8m/sec，月平均風速以10~11月之4.6m/sec 最大，而於7~8月之3m/sec 最小。 |
| 4. | 波浪：大小金門間海域屬於半封閉內灣，其東西兩側各有大小金門島嶼遮蔽，故大浪不易傳遞進來，且雖東北季風期長，惟因海面不大(揚波距離不長)，故不容易形成較大之季風波浪，依據上述水頭港環境監測計畫成果[2]之統計分析資料顯示全年季風發生超越機率90%之波高約為0.63m、週期約為8.3sec；夏季季風期間(6∼8月)波高為0.91m，週期為6.0sec；冬季季風期間(9月∼翌年5月)波高為0.55m，週期為8.3sec，一般而言波高甚少超過1.5m。 |
| 5. | 漂砂：依據「金門水頭商港環境影響說明書」調查結果顯示[4]，於海底底質0~15m間之平均粒徑以冬季粒徑(0.45~0.9mm)最大，其餘各季介於0.16~0.65mm間；底質黏稠性不佳，顏色為灰棕色或紅棕色，含有大量花崗岩碎屑或石英結晶體顆粒。另由懸浮底質調查結果顯示，金烈水道之懸浮底質活動量以冬季最強，夏、秋季次之，春季最弱。水頭海域漂砂特性於漲潮時流向約略朝北，退潮時流向約略朝西南金烈水道之方向，且退潮時攜帶漂砂能力隨流速較大而較強；另夏季大陸沿岸河口輸砂以懸浮方式受潮流作用由金烈水道攜帶向南移動，而冬季更受東北季風影響使漂砂活動亦向南移動。考量金烈水道之潮溝地形、砂舌方向、水道兩端潮口淺灘之分布及風向特性，本工區海域漂砂活動係由北向南為主，惟因地形影響，波高不大，對漂砂輸送能力較為緩和。 |
本測量作業方式係藉由地面3D雷射(地面光達，儀器規格詳如表2)掃瞄儀進行高精度及高密度點雲掃瞄，結合單、多音束水深測量成果，以完整測繪地形並建置測量資料供地形海床地形監測比對。大金端潮間帶高程範圍由-1m至+3m與小金端潮間帶高程範圍則由-3m至+3m皆為陸域地形測量之範疇，以3D雷射掃描儀獲得高精度之地形模型，另大小金端淺水區及深槽區之海域地形測量則分別採用單音束水深測量(水深5m內)及多音束水深(水深超過5m者)之測量方式施測，水深測點間距小於10m，並繪製等深間距1公尺之等深線圖。相關作業方式說明如下：
| 1. | 陸域地形測量：首先將3D雷射掃描儀頂端安裝衛星定位器，以GPS即時動態定位法(RTK Real-time kinematic)求得掃描站座標，完成控制測量作為爾後掃描儀測量之轉換空間座標。於測區以3D雷射掃描儀進行高密度掃描並由發射雷射撞擊至測點反射回感應器之往返飛行時間(Time-of-light)，藉以計算掃瞄頭至待測點之距離觀測量而獲得該點坐標位置，測區銜接則以各測站所收集到的點雲資料加以計算求出可利用之共軛三角中心(地物特徵)，再將相鄰站資料加以比對向量關係進行匹配完成多站結合，故可迅速測得現地即時且完整的3D環場地形資料並以雷射點雲的方式數位儲存(3D雷射掃描作業及點雲圖照片分別詳如圖3及圖4，作業流程圖詳如圖5)。當外業測量所得之點雲資料結合完成後，利用多重回波(Full Waveform)之特性以過濾地表植被求取原地面高程點，並將點雲掃瞄之假設坐標系統與控制測量所得圖根點坐標系統進行轉換，轉換後套圖誤差精度可於±1cm以下之精度(3D雷射掃瞄資料處理流程，詳如圖6)。可產生CAD圖檔或進行物件模型化。 |
| 2. | 海域地形測量：測量外業主要是以單音束測深儀(儀器規格詳見表3)或多音束測深儀(儀器規格詳見表4)進行，配合RTK即時動態衛星定位，於陸上控制點架設GPS固定基站(詳如圖7)，施測前以岸上控制點進行定位檢測(平面位置較差須小於30cm)，測量作業進行時配合船隻運動姿態感測器、水中聲速剖面儀、潮位觀測儀等周邊修正補償儀器併同施測，各項主要修正補償測量作業概述如下： A.船隻姿態角觀測：實施單音束水深測量配置湧浪補償儀記錄船隻上下起伏高度(heave)，多音束水深測量需配置船隻運動姿態感測器及電羅經以記錄船隻的前後傾斜(pitch)、左右搖擺(roll)、船向(yaw)之角度及上下起伏(heave)之高度，如圖8。 B.水中聲速剖面量測：在每日進行水深測量的作業範圍內，選取較深位置量取水中聲速剖面變化。若有氣候或溫度變化遽烈情況，則需增加量測次數以求精確修正水深測量成果(量測聲速之最小紀錄單位可達0.1m/sec，水中聲速量測如圖9)。另本測量所使用之聲速儀為直接量測式，取樣間隔約在1公尺內。 C.潮位觀測：以水頭港碼頭旁設置一臨時驗潮站BMA(詳如圖10)，驗潮站高程為4.062m(內政部金門一等水準高程系統)，以每6分鐘量測一次潮位高，用以修正水深測量作業時的水位變化，並化算水深成果套用於本案高程系統上。 水深測量資料處理先藉由專業之測量軟體整合前述各項即時之觀測資料，並加以潮位修正、水中聲速修正、湧浪高程修正與船隻姿態角修正後，可得歸算後之海域地形成果。水深測量作業流程(作業情形詳如圖11)及資料處理流程分別如圖12及圖13 。 |
| 表2 3D雷射掃描儀器(RIEGL VZ-1000)規格表 |
 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 表3 單音束水深測量(RESON NaiSound 215型)探測機規格表 |
 |
| 表4 多音束水深測量(R2 SONIC 2024)探測機規格表 |
 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |
|
| ▲ | 圖9 水中聲速量測作業情形 |
 |
|
| ▲ | 圖10 驗潮站架設情形 |
 |
|
| ▲ | 圖11 水深測量工作情形 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
四、3D地形測量成果與地形侵淤變化研析
金門大橋工程海域3D測量103年度(外業施測期程為103年10月15~26日)測量成果所得地形總圖詳見圖14，三維色階地形展示如圖15所示，圖16及圖17為光影投射平行與垂直測線方向之三維色階地形圖。另將103與99年度之測量成果資料套疊比較其差異量，繪製成地形變化色階圖(詳見圖18–地形侵淤變化圖)，在地形變化色階圖中，左方色階顏色的變化對應地形侵淤變化之量級，數字由0開始，數字為正值（暖色系色階）代表淤積，數字為負值（冷色系色階）代表沖刷，侵淤變化量單位為公尺，由此地形變化色階圖可以判斷地形淤積或沖刷的變化趨勢、分布區域及淤積沖刷的量級大小，另白色部分係因施測時該區域正進行施工無法進行量測之故。
此外將測區依照前章所述作業分區分為大金端潮間帶、大金端淺水區、深潮區、小金端淺水區及小金端潮間帶共五個區域，五區分區界線如圖19所示，並將五個區域的侵淤比較各別計算出淤積和沖刷體積，再算出五區之平均侵淤量。於103年度與99年度期間整體工區侵淤變化量均在-0.5m~+0.5m之間，並無太大顯著的變化。另由各分區侵淤量統計表(詳見表5)及表6所列出各區之彩色變異圖，顯示大金端潮間帶平均侵淤量為-0.03m，其侵淤分布平均，惟較靠岸上堤防之處淤積量級稍大約為0m~0.5m間，較少部分淤積量級為近1m；大金端淺水區因面積較小，侵淤分布亦平均，平均侵淤量為-0.03m，該測量成果顯示大金端海域墩柱僅完成P70~P72，且施工棧橋鋼管樁徑小(直徑80cm；共120排，每排間距約為15m，除KT01~04為3隻/排外，其餘為4隻/排)並位於潮間帶，因此該年度海工構造物之佈設對於海流流場及海床泥沙動力變化影響較小；深潮區面積較廣，平均侵淤量為-0.05m，惟靠大金地區淤積面積較廣，淤積量級落在0m~0.5m之間屬自然現象，其餘處侵淤分布量略呈平均之勢，亦符合該年度於此區域無施工之緣故；小金端淺水區涵蓋地區因該年度正在進行棧橋施工，故中間有一帶狀因無法施測而沒有測量數據，該區域南側(約在P10至P15橋墩RT側)有兩個淤積處，淤積量級約為0m~0.5m，而在兩淤積處之間，則有約-1m的侵蝕區，平均侵淤量為-0.17m，應須於後續監測中持續注意；小金端潮間帶因水深較淺，故利用退潮時採用3D雷射掃描測量地形，此區越靠近陸域地區越呈淤積現象，但總體平均侵淤量僅為-0.07m，五區總和淨侵淤積體積為-125,228.71立方公尺，總面積為2,351,520平方公尺，平均侵淤量為-0.05m。
104年度(外業施測期程為104年12月21~23日)測量成果之地形總圖詳見圖20所示，三維色階地形展示如圖21所示，另圖22及圖23為光影投射平行與垂直測線方向之三維色階地形圖。有關104年度測量成果與103年度之成果資料套疊繪製地形侵淤變化圖(詳見圖24)顯示侵淤化平均在-0.5m~+0.5m之間變化，地形上亦無太大之明顯侵淤變化。
另地形侵淤計算分區圖及表分別詳見圖25及表7並參照表8之各分區侵淤彩色變異表，顯示大金端潮間帶平均侵淤量為-0.08m，其侵淤分布平均，海域面積以沖刷面積佔大多數，量級約0m~-0.5m間，大金端淺水區地形均呈沖刷現象，平均侵淤量為-0.31m，顯示因104年度於大金端區海域墩柱完成有P52~P69等共18墩，該墩柱之基礎坐落於海床上造成流場微小變化，因此沖刷量稍大於前述103年度與99年度期間之變化量；深潮區整體平均侵淤量級為-0.25m，此區域靠大金地區沖刷面積佔大多數，推測係因部分橋墩於該年度進行外套鋼管打設工程，沖刷量級落在0m~-0.5m之間，其餘處有零星淤積分布，量級為0m~0.5m，另深潮區靠小金區有工程進行因素亦有一帶狀因無法進行水深測量作業，爰無法獲得比較資料；另查深槽區部分橋墩(P42~P50橋墩)因於104年期間進行拋放地工織物袋填充卵石防淘刷作業，該部分亦較無法由該年度測量資料從而分析比較，故可由爾後監測成果持續觀察至大橋完工後前述橋墩基礎周遭海床沖淤變化情形以驗證防淘刷保護工之效果；小金端淺水區涵蓋地區因103~104年度持續進行施工棧橋及橋墩基礎等施工，爰部分區域無法施測而沒有測量數據以供比較，另該區域南側(約在P10至P15橋墩RT側)除原兩個淤積處(淤積量級約為0m~0.5m)外，其餘地區均呈沖刷現象，平均侵淤量為-0.11m，有減緩跡象；小金端潮間帶大部分區域係以淤積為主，總體平均侵淤量為0.10m，相較於103年度與99年度期間之變化量明顯由沖刷轉化為淤積現象，推測應是近岸搶灘碼頭及運輸便道等附屬設施建立所致；五區總和淨侵淤積體積為-400,429.92立方公尺，總面積為2,096,912.5平方公尺，平均侵淤量為-0.19m，總體而言沖刷量略有增加，符合施工期間海中結構物增加之趨勢。
五、總結
本海域地形監測計畫可針對歷年之海床地形量測資料進行施工期間各年度侵淤土方量比較，並逐年比對海床地形變化情形，依據監測成果可提供施工團隊掌握橋墩基礎施作後海床之淘刷深度以確保結構安全。希期本大橋施工團隊通力合作努力突破瓶頸，早日完成金門大橋工程，並經本海域3D測量作業分析深槽區之基樁及防淘刷設施完成後之海床地形變化，據以驗證規設階段所做之縮尺水工試驗成果及防淘刷保護工之效果，及研判金門大橋興建後對鄰近海域及兩岸地形變化影響程度。
 |
|
| ▲ | 圖14 103年度海域3D測量成果之地形圖總圖 |
 |
|
| ▲ | 圖15 103年度海域3D測量成果之三維色階地形圖 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |
|
| ▲ | 圖18地形侵淤變化圖(103與99年度測量成果比較) |
| 表5 金門大橋各分區侵淤量統計表(103與99年度測量成果比較) |
 |
| 表6 金門大橋各分區侵淤彩色變異表(103與99年度測量成果比較) |
 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |
|
| ▲ | 圖21 104年度海域3D測量成果之三維色階地形圖 |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |
|
| ▲ | 圖24 地形侵淤變化圖(104與103年度測量成果比較) |
| 表7金門大橋各分區侵淤量統計表(104與103年度測量成果比較) |
 |
| 表8金門大橋各分區侵淤彩色變異表(104與103年度測量成果比較) |
 |
 |
|
| ▲ | 圖25地形侵淤計算分區圖(104與103年度測量成果比較) |
六、參考文獻
[1] Melville, B.W. and Sutherland, A.J. (1988): Design method for local scour at bridge piers. Journal
[2] 「金門港水頭港區民國95~100年度環境監測工作(第21季監測報告書)」，金門縣政府，2011年。
[3]「金門大橋興建工程我脫設計及配合工作-水工模型試驗報告」，台灣世曦工程顧問股份有限公司，民國100年8月。
[4]「金門水頭商港整體開發計畫環境影響說明書」，中興工程顧問股份有限公司，民國87年7月。