高公局中分局陳志遠/撰稿及圖片提供
為瞭解颱洪時現地河床即時動態沖刷過程，本分局與中興大學合作藉「無線追蹤粒子動態監測技術」進行河床監測，以即時了解橋梁基礎沖刷深度(目視無法判定)，並作為橋梁基礎保護工(鼎塊或固床工)之設置或維護之參考。
「無線追蹤粒子動態監測技術」係採主動式無線電射頻RF原理，將各自獨立之漂浮式裝置(亦即移動端「無線追蹤粒子」，設備規格如表1)，於河道擇點垂直埋入河床，並記錄其埋設時相應之頂部河床高程及深度。於颱洪、驟雨或惡劣天候致流況猛烈變化下，裝置被沖刷出河床並開始啟動電力，浮出水面漂向下游，發送無線電波傳送編碼(ID)與累積沖刷時間(t, sec)等資訊。透過橋梁或堤岸之監測端接收站「遠端資料記錄傳輸系統」，記錄監測訊號日期(D)、時間(T)、無線追蹤粒子編碼(ID)、接收無線電訊號強度(RSSI)與累積沖刷時間(t, sec)等資訊，並將之傳輸至雲端網路，以手機或電腦可遠端即時直接觀測河床沖刷高程/深度，原理如圖1所示。
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圖1 監測技術原理
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| 產品名稱 |
無線追蹤粒子(Wireless Tracer)動態沖刷監測漂浮式設備(float-out device) |
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| 產品型號 |
WT-256-M |
| 定址空間 |
自行製作可編碼256碼(0~255)訊號各自獨立之PCB板 |
| 監測範圍 |
700m~2km，925 MHz固定頻率長距離無線數據收發器(視流場與天候環境而定) |
| 電源供應 |
磁簧電力控制開關，9V普通電池，耗電功率小於1W |
| 尺寸重量 |
高12.7cm直徑9.3cm重量約365 gw高水密性耐壓之厚塑膠浮體 |
| 多工操作 |
無線電數據器可同時接收多個設備訊號，單具監測系統可同時監測河道多處或多隻橋基之遠端即時動態沖刷資訊 |
有關無線追蹤粒子埋設方式，原則可採改良鋼圓管進行埋設，如現地為於卵礫石河段，可採厚塑膠圓管，並由挖土機明挖協作；如為砂質河段，可採中空圓鋼管配合底部分離圓鋼尖錐，以破碎機貫入河床方式埋設(示意如圖2所示，實例如本分局105年於國1中沙大橋橋墩P22上游埋設)；若欲監測較深之河床橋基沖刷深度，可採鑽堡機鑽孔方式辦理。於圓管埋設後，依序填裝無線追蹤粒子(含外圍保護裝置)與編碼砂罐，拉出圓管，即完成埋設工作。
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圖2 砂質河床破碎機貫入厚中空圓鋼管示意
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無線追蹤粒子之埋設位置可依監測需求評判，例如欲監測橋梁基礎局部沖刷者，可埋設於橋墩上游；如欲監測溯源沖刷者，可埋於橋墩或固床工下游；如欲監測河道深槽沖刷者，可埋於兩橋墩間，惟可依現地狀況作必要之調整。
至於其埋設深度建議至少為5m，各無線追蹤粒子間隔原則為0.5m(沖刷精度考量)；如埋設於橋墩上下游或橋墩間，其沖刷超過4m者，建議重新埋設至橋墩基礎裸露程度嚴重值(如表2)，如判斷具極嚴重沖刷之虞者，得逕埋設至橋墩基礎裸露程度極嚴重值(如表2)。
| 基礎型式 |
沉箱基礎 |
全套管基礎 |
| 基礎裸露程度 |
| 輕微值 |
>1/4Hp |
>1/5Hp |
| 嚴重值 |
>1/2Hp |
>2/5Hp |
| 極嚴重值 |
>2/3Hp |
>1/2Hp |
「無線追蹤粒子動態監測技術」已廣泛利用於本分局具沖刷潛勢之橋梁(如國道1號中沙大橋、國道3號濁水溪橋、國道1號大甲溪橋及國道3號大甲溪橋等)，並建置其監測網頁以即時監河床刷深情形(如圖3所示)，配合分局建置之水位計及CCTV觀測站，將有利於橋基安全應變作業之執行；其特點及優點並如表3所示。
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圖3 無線追蹤粒子監測網頁影像擷取(綠色表示為未沖刷，沖刷出則顯示為紅色)
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| ▼ 表3 無線追蹤粒子河床橋基動態沖刷監測技術(a)特點(b)優點
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| 特點 |
說明 |
| 1 |
直接觀測技術 |
由埋設獨立編碼漂浮式設備其河床高程/深度佈置，沖刷後迅即直接得知動態沖刷資訊。毋需間接辨識訊號與耗時繁瑣分析，便捷機關實務應用。 |
| 2 |
連續洪水沖刷監測 |
單場颱洪沖刷後，退水段回淤層雖無法觀測，然未受沖刷層仍可持續橋梁安全警戒臨界沖刷河床高程，作為危橋封橋/危堤撤離防災預警應用。 |
| 3 |
節能低耗電及資料量精簡 |
惟有設備被洪水刷出充電，被監測端偵測才會接收並紀錄訊號。河道未發生洪水時，毋需紀錄任何訊號，節能、精簡資料量與網路傳輸量。 |
| 4 |
多工監測端 |
無線傳輸毋需配線，單具監測端可同時監測深槽多根橋墩沖刷資訊。 |
| 5 |
自動化水文觀測應用 |
(i)遠端監測沖刷砂位。
(ii)間接觀測表面流速。
(iii)結合雷達波自記水位計可得知沖刷水深。
(iv)計算急遽上水沖刷段防災流量。
(v)偵測上游沖刷後漂來設備，由監測時間或累積充電時間，可得知洪水波資訊。
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| 6 |
輔助其他間接辨識技術 |
其他間接觀測技術，觀測結果率定驗證檢校。 |
| 優點 |
說明 |
| 1 |
高精確性 |
直接讀取編碼，遠端可靠即時得知底床沖刷高程，毋須耗時分析辨識訊號。 |
| 2 |
高適用性 |
適用間歇性卵礫石、砂質河道任意點沖刷觀測，埋設簡易省工。毋需架設/依附於構造物，不受結構體外型限制。 |
| 3 |
高耐用性、耐候性 |
可埋設結構物來流迎水面河床，非侵入式設備未干擾流場，不怕受洪水挾帶雜草、漂流木撞擊毀壞。 |
| 4 |
高穩定性 |
不受高泥砂濃度、高流速干擾影響，克服颱風強風驟雨惡劣天候訊號接收問題。 |
| 5 |
高性價比 |
國內自製，較國外價廉。材料少，低成本，體積小，具商品模組化潛力。 |
| 6 |
高節能性 |
於河床監測設備毋需供電，具節能優點。 |
| 7 |
高實務應用性 |
達成遠端即時自動化水文觀測，操作簡單，易於學習使用，適宜實務推廣，達成防災物聯網應用。 |
| 節錄自「國道1號濁水溪中沙大橋無線追蹤粒子設置工程河床埋設報告」(106.4) |
本分局自105年監測至今於國道1號中沙大橋已有相當實績如下：(1)P22墩柱上游埋設之無線追蹤粒子，於105年9月29日因梅姬颱風影響沖出，沖刷深度1.25m；後續於106年6月3日因豪雨影響被沖出，沖刷深度累積達3.0m(沖刷高程至E.L.21.62m，容許沖刷高程為E.L.11.81m)；(2)南端固床工下游埋設之無線追蹤粒子，106年5月30日因降雨影響被沖出，沖刷深度0.4m；後續於106年6月2日因豪雨影響被沖出，沖刷深度累積達2.9m(沖刷高程約至E.L.23.1m，容許沖刷高程為E.L.20m)；(3)北端固床工下游埋設之無線追蹤粒子，106年6月3日因豪雨影響被沖出，沖刷深度1.0m(沖刷高程約至E.L.25.0m，容許沖刷高程為E.L.20.1m)。
本分局將持續進行無線追蹤粒子沖刷監測，以於颱洪時即時瞭解橋墩基礎沖刷情形，並配合監控上游特徵雨量站、水位計、河床CCTV監看及人員現場巡查、檢測，俾確保國道橋梁安全。
