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研究生:洪瑞鍠
研究生(外文):Jui Huang Hung
論文名稱:921集集大地震霧峰鄉自來水管線震害成因分析
論文名稱(外文):The Analysis of Water Pipeline Damages of Wufeng Shiang in the 921 Ji-Ji Earthquake
指導教授:陳偉堯陳偉堯引用關係
指導教授(外文):Walter Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:土木與防災技術研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:201
中文關鍵詞:霧峰鄉自來水災損率集集地震
外文關鍵詞:Wufeng ShiangWater pipelineDamage ratioJi-Ji Earthquake
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1999年9月21日台灣發生了20世紀以來最嚴重的地震災害─集集大地震,該地震共造成全台2,405人死亡及10,718人受傷,除此之外,關係災後救援及災民維生的維生系統如公路橋梁、電信、上下水道、天然氣等系統也在地震下變得柔腸寸斷。在地震發生後,雖然沒有伴隨而來的火災及洪水等二次災害,但是自來水供應的嚴重缺乏卻大大地影響災區居民的日常生活,這也突顯出目前自來水系統的抗震能力不足。
為了探討自來水管線因地震而災損的比例,以汲取經驗,本研究著重在霧峰鄉自來水管線的災損分析,除了將管線位置資料及災損數據數化至電腦,建立完整的資料庫外,本研究亦導出霧峰鄉自來水災損與地震參數的迴歸趨勢,並與國外學者如Toprak在1998年根據美國歷年地震(1994 Northridge、1971 San Fernando、1987 Whittier Narrows 及1989 Loma Prieta)所做的自來水管線災損分析結果及O’Rourke和Ayala在1993依據Barenberg (1988)的結果,加入兩個墨西哥地震及一個美國地震共七筆資料迴歸所得之災損率預測公式進行比較,以作為未來地震作用下自來水管線的災損預測,相信本土研究成果,將對自來水系統之耐震能力的提升有所幫助。
The Ji-Ji earthquake that took place on September 21, 1999 was the most damaging natural disaster that ever happened to Taiwan in the 20th century. It caused 2,405 deaths and 10,718 injuries. In addition, vital lifelines such as highway bridges, telecommunication links, water mains, and natural gas pipelines were severely damaged. Although secondary disasters such as fires and floods were not seen after the quake, the lack of tap water made the daily life difficult and inconvenient. This demonstrated the vulnerability of water supply systems before the earthquake.
In order to study the damage ratios of water pipelines caused by the Ji-Ji earthquake, this research analyzed the water pipeline performance of Wufeng Shiang. In addition to digitizing the distribution of water pipelines, collecting the actual damage data, and establishing a complete GIS database, this study also derived the regression relations between the water pipeline damages and the earthquake parameters. The results were compared with those obtained by Toprak in 1998 (based on the 1994 Northridge, the 1971 San Fernando, the 1987 Whittier Narrows, and the 1989 Loma Prieta earthquakes) and those by O’Rourke and Ayala in 1993 (based on two Mexican and one US earthquake). It was found that the results were quite different, which illustrated the importance of conducting local analysis in Taiwan. Based on these results, future work could be conducted to improve the seismic performance of water supply systems in Taiwan.
摘要 iii
Abstract iv
誌謝 v
目次 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
照片目錄 xv
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 文獻回顧 5
1.4.1 破壞機制 5
1.4.2 管線損壞與最大地表加速度之間的關係 6
1.4.3 管線損壞與最大地表速度之間的關係 14
1.4.4 管線損壞與反應譜強度之間的關係 22
1.4.5 管線損壞與永久性地表位移之間的關係 23
第二章 地理資訊系統 26
2.1 簡介 26
2.1.1 地理資訊系統的架構 27
2.1.2 空間資料結構 31
2.2 地理資訊系統軟體 35
2.3 自來水災損資料建置 37
2.4 操作系統簡介 41
第三章 自來水管線系統綱要 ……………. 49
3.1 自來水的發展過程 49
3.2 自來水系統型態 55
3.3 自來水之淨水 58
3.3.1 地面、地下水之淨水 60
3.4 自來水之輸配 63
第四章 集集地震自來水系統災損調查 69
4.1 災損概況 69
4.2 自來水震害模式 74
4.2.1設施震害模式 74
4.2.2管線震害模式 81
4.3 損壞種類及原因分析 88
4.3.1設備損害分析 88
4.3.2管線損害分析 92
4.4 研究區域 101
第五章 震害成因分析 114
5.1 台灣地區自由場強地動觀測網 114
5.2 分析方法 122
5.3 災損與震度 136
5.3.1 管線損壞與最大地表加速度之間的關係 136
5.3.2 管線損壞與最大地表速度之間的關係 152
5.3.3 管線損壞與反應譜強度之間的關係 165
5.3.4 管線損壞與最大地表位移之間的關係 177
5.4 管線損壞與土壤液化之間的關係 190
5.5 總結 188
第六章 結論與建議 193
參考文獻 196
表目錄
表1.1 過去發生地震管線損壞資料與強地動資料關係表 12
表1.2 過去地震與自來水管徑、材質及災損率之統計表 17
表2.1 網格資料與向量資料優缺點之比較 34
表3.1 台灣省自來水公司供水區域範圍 54
表3.2 自來水處理程序表 55
表3.3 台灣省自來水公司歷年自來水管線長度 65
表3.4 配水管管種之特徵比較 66
表3.5 配水管管種之特徵比較(接前頁) 67
表4.1 台灣省自來水公司分支機構一覽表 71
表4.2 9月23日台灣省自來水公司各單位災害情形彙整表 73
表4.3 結構物受災損害之概要 90
表4.4 自來水管線受損分析 94
表4.5 附屬設備受損分析 94
表4.6 自來水管線受損分析(依不同管材) 95
表4.7 自來水管線受損分析(依不同管徑) 96
表4.8 不同材質之管線長度 98
表4.9 不同材質之管線長度綜合分析 99
表4.10 依地震災害分析管線受損機制 100
表5.1 921集集大地震霧峰鄉主震資料 116
表5.2 霧峰鄉對應材質、管徑及地質之災損率(Damage Ratio)值 131
表5.3 災損率(Damage ratio)與地震參數之迴歸相關性 192
圖目錄
圖1.1 自來水災損研究流程圖 4
圖1.2 管線災損和地表最大加速度關係圖 7
圖1.3 Historic地震管線損壞與最大地表加速度之間的關係 9
圖1.4 修正Historic資料,管線損壞與最大地表加速度之間的關係 10
圖1.5 參照表1.1中損壞率與最大水平加速度關係圖 13
圖1.6 管線災損與最大地表加速度之關係 16
圖1.7 管線災損與最大地表速度之關係 18
圖1.8 按照管線管徑劃分管線災損與最大地表加速度之關 19
圖1.9 管線災損與最大地表速度之關係 20
圖1.10 管線災損關係之比較 21
圖1.11 管線損壞與反應譜強度(Spectrum Intensity, SI)之關係 23
圖1.12 地震導致PGD影響下土壤與管線之主要破壞模式 25
圖2.1 地理資料系統架構 28
圖2.2 自來水管線空間及屬性資料 31
圖2.3 向量式及網格式資料比較圖 33
圖2.4 開啟向量底圖 39
圖2.5 設定編修狀態 39
圖2.6 數化及屬性建置 40
圖2.7 數化及屬性建置 41
圖2.8 ArcView中文使用的界面 42
圖2.9 ArcView中文使用的界面 42
圖2.10 霧峰主題圖視窗 43
圖2.11 自來水管線屬性表 44
圖2.12 中文介面內建之模組功能 44
圖2.13 相片連結功能 45
圖2.14 相片連結功能 46
圖2.15 鄉鎮行政區定位功能視窗 47
圖2.16 Open Database Connectivity (ODBC))之設定 48
圖3.1 自來水水源 56
圖3.2 加氯消毒法之淨水流程 58
圖3.3 慢濾池淨水場之一般淨水流程 58
圖3.4 快濾池淨水場之一般淨水流程 59
圖3.5 除鐵錳系統淨水流程 59
圖3.6 石灰蘇打灰軟化廠之一般淨水流程 60
圖3.7 地面水水源之淨水處理流程 60
圖3.8 地下水水源之淨水處理流程 62
圖3.9 台灣省自來水公司歷年自來水管線長度分布曲線 65
圖4.1 自來水管線受損分析 94
圖4.2 自來水管線受損分析(依不同管材) 95
圖4.3 自來水管線受損分析(依不同管型) 97
圖4.4 不同管型自來水管受損綜合分析 97
圖4.5 依地震災害分析管線受損機制 99
圖4.6 霧峰鄉地理位置圖 102
圖4.7 921地震霧峰鄉土讓液化相關位置圖 105
圖4.8 霧峰鄉自來水災損與管線分佈圖 110
圖4.9 霧峰鄉自來水災損分佈圖(依材質分類) 111
圖4.10 霧峰鄉自來水災損分佈圖(依管徑分類) 112
圖4.11 霧峰鄉自來水災損分佈圖(依地質分類) 113
圖5.1 台灣自由場強地動觀測站分佈圖 115
圖5.2 霧峰國小站加速度波形記錄 117
圖5.3 霧峰國小站反應譜記錄 118
圖5.4 中部地區加速度等震圖 119
圖5.5 集集地震自由場強震站永久位移分佈圖 120
圖5.6 霧峰鄉自來水管線及災損分佈圖 121
圖5.7 霧峰鄉1km*1km的網格 123
圖5.8 地質與自來水災損之關係 125
圖5.9 自來水災損率與地質之關係 125
圖5.10 霧峰鄉自來水管線材質分類所佔白分比 127
圖5.11 自來水管線材質與災損率之關係 127
圖5.12 集集地震霧峰鄉自來水管線管徑與災損率之關係 129
圖5.13 1995神戶地震自來水管線管徑與災損率之關係 129
圖5.14 霧峰鄉災損數目、地質及管徑分佈之關係 132
圖5.15 霧峰鄉災損率、地質及管徑分佈之關係 133
圖5.16 霧峰鄉災損數目、地質及材質分佈之關係 134
圖5.17 霧峰鄉災損率、地質及材質分佈之關係 135
圖5.18 引起自來水管線破壞的原因 137
圖5.19 霧峰鄉之幾何平均(Geometric mean) PGA與災損率迴歸線 138
圖5.20 霧峰鄉之最大(Maximum) PGA與災損率迴歸線 139
圖5.21 霧峰鄉之最大向量(Maximum vector magnitude) PGA與災損率
迴歸線 140
圖5.22 霧峰鄉之DR contours (all)& E-W PGA contours 141
圖5.23 霧峰鄉之DR contours (all)& E-W PGA contours與地形圖 141
圖5.24 霧峰鄉之DR contours (PVCP)& E-W PGA contours 142
圖5.25 霧峰鄉之DR contours (PVCP)& E-W PGA contours與地形
圖 142
圖5.26 霧峰鄉之DR contours (DIP)& E-W PGA contours 143
圖5.27 霧峰鄉之DR contours (DIP)& E-W PGA contours與地形圖 143
圖5.28 霧峰鄉之DR contours (CIP)& E-W PGA contours 144
圖5.29 霧峰鄉之DR contours (CIP)& E-W PGA contours與地形圖 144
圖5.30 霧峰鄉之DR contours(用戶接管)& E-W PGA contours 145
圖5.31 霧峰鄉之DR contours (用戶接管) & E-W PGA contours與地形
圖 145
圖5.32 霧峰鄉之DR contours (幹管) & E-W PGA contours 146
圖5.33 霧峰鄉之DR contours(幹管)& E-W PGA contours與地形
圖 146
圖5.34 霧峰鄉 PGA & DR(不分管徑、材質)迴歸線 148
圖5.35 霧峰鄉自來水管線幹管、用戶接管災損迴歸線
(PGA & DR) 149
圖5.36 霧峰鄉自來水管線材質分類災損迴歸線(PGA & DR) 150
圖5.37 霧峰鄉CI材質管線災損迴歸線與Toprak (1998)迴歸線之
比較 151
圖5.38 霧峰鄉之DR contours (all) & E-W PGV contours 153
圖5.39 霧峰鄉之DR contours (all) & E-W PGV contours與地形圖 153
圖5.40 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & E-W PGV contours 154
圖5.41 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & E-W PGV contours與地形
圖 154
圖5.42 霧峰鄉之DR contours (DIP) & E-W PGV contours 155
圖5.43 霧峰鄉之DR contours (DIP) & E-W PGV contours與地形
圖 155
圖5.44 霧峰鄉之DR contours (CIP) & E-W PGV contours 156
圖5.45 霧峰鄉之DR contours (CIP) & E-W PGV contours與地形圖 156
圖5.46 霧峰鄉之DR contours (用戶接管) & E-W PGV contours 157
圖5.47 霧峰鄉之DR contours (用戶接管) & E-W PGV contours與地形
圖 157
圖5.48 霧峰鄉之DR contours (幹管) & E-W PGV contours 158
圖5.49 霧峰鄉之DR contours (幹管) & E-W PGV contours與地形
圖 158
圖5.50 霧峰鄉 PGV & DR(不分管徑、材質)迴歸線 160
圖5.51 霧峰鄉PGV & DR(不分管徑、材質)迴歸線與HAZUS公
式之比較 161
圖5.52 霧峰鄉幹管、用戶接管迴歸線之比較
(PGV & DR) 162
圖5.53 霧峰鄉不同材質迴歸線與HAZUS公式之比較
(PGV & DR) 163
圖5.54 霧峰鄉CI管線材質災損迴歸線與Toprak (1998)迴歸線之
比較 164
圖5.55 霧峰鄉之DR contours (all) & SI contours 166
圖5.56 霧峰鄉之DR contours (all) & SI contours與地形圖 166
圖5.57 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & SI contours 167
圖5.58 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & SI contours與地形圖 167
圖5.59 霧峰鄉之DR contours (DIP) & SI contours 168
圖5.60 霧峰鄉之DR contours (DIP) & SI contours與地形圖 168
圖5.61 霧峰鄉之DR contours (CIP) & SI contours 169
圖5.62 霧峰鄉之DR contours (CIP) & SI contours與地形圖 169
圖5.63 霧峰鄉之DR contours(用戶接管)& SI contours 170
圖5.64 霧峰鄉之DR contours(用戶接管)& SI contours與地形
圖 170
圖5.65 霧峰鄉之DR contours(幹管)& SI contours 171
圖5.66 霧峰鄉之DR contours(幹管)& SI contours與地形圖 171
圖5.67 霧峰鄉 SI & DR(不分管徑、材質)迴歸線 173
圖5.68 霧峰鄉管線幹管、用戶接管災損迴歸線 (SI & DR) 174
圖5.69 霧峰鄉不同管線材質分類災損迴歸線 (SI & DR) 175
圖5.70 霧峰鄉CI材質管線災損迴歸線與Toprak (1998)迴歸線之比
較 176
圖5.71 霧峰鄉之DR contours (all) & PGD contours 178
圖5.72 霧峰鄉之DR contours (all) & PGD contours與地形圖 178
圖5.73 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & PGD contours 179
圖5.74 霧峰鄉之DR contours (PVCP) & PGD contours與地形圖 179
圖5.75 霧峰鄉之DR contours (DIP) & PGD contours 180
圖5.76 霧峰鄉之DR contours (DIP) & PGD contours與地形圖 180
圖5.77 霧峰鄉之DR contours (CIP) & PGD contours 181
圖5.78 霧峰鄉之DR contours (CIP) & PGD contours與地形圖 181
圖5.79 霧峰鄉之DR contours(用戶接管)PGD contours 182
圖5.80 霧峰鄉之DR contours(用戶接管)& PGD contours與地形
圖 182
圖5.81 霧峰鄉之DR contours(幹管)& PGD contours 183
圖5.82 霧峰鄉之DR contours(幹管)& PGD contours與地形圖 183
圖5.83 霧峰鄉 PGD & DR(不分管徑、材質)迴歸線 185
圖5.84 霧峰鄉自來水管線幹管、用戶接管災損迴歸線
(PGD & DR) 186
圖5.85 霧峰鄉自來水管線材質分類災損迴歸線(PGD & DR) 187
圖5.86 霧峰鄉液化區域與自來水災損點之分佈圖 189
圖5.87 DR contours 與液化區域之關係 190
照片目錄
照片4.1 攔污柵柵棒毀損及設施主結構傾倒 75
照片4.2 膠凝池機械攪拌器破損 76
照片4.3 沈澱池傾斜板斷裂 76
照片4.4 沈澱池傾斜板斷裂 77
照片4.5 沈澱池底刮泥設備及收集器破壞 77
照片4.6 沈澱池底監測設施受損 78
照片4.7 快砂濾池集水系統及沖水系統配管受損 78
照片4.8 清水池混凝土壁體裂損 79
照片4.9 清水池頂蓋坍陷水廠運作停擺 79
照片4.10 清水池坍陷水廠運作停擺 80
照片4.11 深井破壞 80
照片4.12 管線挫曲斷裂 82
照片4.13 2000mm輸水管線挫曲 82
照片4.14 橋台下陷管線破裂 83
照片4.15 橋台下陷管線破裂 83
照片4.16 法蘭毀損 84
照片4.17 法蘭毀損 84
照片4.18 延性鑄鐵管斷裂 85
照片4.19 延性鑄鐵管斷裂 85
照片4.20 鑄鐵管受壓內縮變形 86
照片4.21 鑄鐵管受壓內縮變形 86
照片4.22 鋼製可橈管受壓破壞 87
照片4.23 鋼製可橈管受壓破壞 87
照片4.24 霧峰鄉中正路土壤液化造成地基失效 106
照片4.25 霧峰鄉省諮議會停車場因側向擴展致堤防坍落鴿鳥坑溪
中 106
照片4.26 霧峰鄉太子城堡因液化造成流潰現象 107
照片4.27 霧峰鄉太子城堡液化噴砂造成房屋傾斜破壞 107
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