国立台湾大学土木工程学系硕士班

國立台灣大學土木工程學系碩士班民國98年（碩士）學位論文摘要低凝聚力材料趾部受侵蝕崩塌滑動模式研究研究生：簡士堯指導教授：林銘郎一、研究動機與目的石門水庫上游流域沿岸之邊坡，坡腳受到河流侵蝕，容易造成邊坡不穩定而引發再次滑動；回顧近年來台灣坡地災害頻傳，其中黏土質崩積層崩塌之災害事件更是其中大宗，其崩塌量體大往往造成大規模慘重災情，如梨山地區崩塌、紅菜坪崩塌、草嶺、九份二山崩塌形成堰塞湖等事件之慘痛先例，顯見臨河岸的大規模粘土質崩積層崩塌滑動所衍生之後續災害與威脅性實更是不容忽視。本研究探討之現地案例位於桃園縣復興鄉石門水庫大漢溪上游集水區之砂崙仔與下文光兩崩塌地。2004年8月23至2日5的艾利颱風帶來強烈的雨勢，石門水庫集水區平均累積雨量為1700mm。造成砂崙仔與下文光兩處大規模崩塌。兩處崩塌趾部皆有大漢溪支流流經，並且同樣發生在艾利颱風時。推測颱風來襲時，強大的雨勢對於邊坡造成劇烈的侵蝕作用，使得砂崙仔與下文光兩邊坡之坡腳遭受侵蝕，邊坡因此而不穩定而引致破壞。（圖一、圖二）圖一2004年艾利颱風前後砂崙仔圖二2004年艾利颱風前後砂崙仔崩塌發生後之砂崙仔，由航空照片可以見到在崩塌體堆積以上形成之主崩崖有深灰色的斷層泥出露。可以推測砂崙仔崩塌地的組成材料應以細顆粒的土砂材料為主。該崩塌範體上下邊界寬約220公尺左右邊界長約200公尺。而崩塌形成之主崩崖延伸方向大致與支流平行，在主崩崖上方可以發現幾處張力裂縫。而下文光崩塌地在現地觀察中可見得，崩塌發生後出露的地表面殘留較多的風化砂岩塊體，初步研判為淺層崩塌。不同的是，下文光的崩塌滑動寬約200公尺，而長度卻達600公尺，由坡趾的支流一直往上延伸至稜線。經過砂崙仔與下文光崩塌地之現地調查，並配合室內不同時期航照判釋與疊數值高層模型的比較，可以推測艾利颱風帶來的雨勢對於崩塌地趾部造成龐大的侵蝕，可能是引致邊坡破壞的原因。為了進一步瞭解邊坡受侵蝕的過程與崩塌發生之機制，以室內物理模型進行侵蝕模擬的試驗。二、物理模型試驗由數值高層的剖面資料得知砂崙仔坡度約為26度，而下文光為29度；在水土保持規範中屬於五級坡。兩崩塌地的趾部皆有大漢溪支流流經，該支流與邊坡傾度方向約夾45度角。依現地的觀察將邊坡簡化為坡度為25度之連續邊坡，邊坡底部為一木板層，其上方鋪上邊坡顆粒材料。侵蝕來源與傾度方向夾角為45度。邊坡組成材料中常見的有砂土質與黏土質。砂土質邊坡顆粒間沒有凝聚力，邊坡堆積通常小於砂土的安息角；黏土質的顆粒粒徑較小，顆粒間存在凝聚力而使得黏土質自立性佳。為了模擬出邊坡材料之凝聚力，藉由越南砂混合不同比例的海菜粉，在不加入水的情況下使砂土質材料具有一定程度的凝聚力。操做邊坡穩定的物理試驗時，常常需要考慮材料組成、尺寸效應、壓密、孔隙水壓、含水量、滲流等含水的複雜問題與控制變因，而難以研究討論。直接對砂質材料附加凝聚力可以增加試驗的便利性。試驗中利用越南石英砂模擬邊坡組成材料為無凝聚力之土砂，與果凍添加砂模擬低凝聚力之土砂材料。本研究使用的砂為越南石英砂。添加的海菜粉為工業上作為黏貼磁磚時加入水泥砂漿之緩凝劑。工業用海菜粉與果凍原料食用洋菜粉的差異為前者可以省略滾水加熱至溶解的過程，減少加熱過程中水分蒸發的不確定性。海菜粉與水依1：80的比例混合後，靜置四小時即可得到如果凍般凝膠狀的物質。將凝膠狀物質與越南石英砂攪拌至均勻即可得到具有低凝聚力之土砂材料─果凍添加砂。本研究所使用的海菜粉、水與越南石英砂重量的比例為：1；80；45000。為了模擬支流下切對於邊坡的影響，卻要排除侵蝕過程中對於邊坡材料擾動而影響強度的可能性。本研究採用吸塵器作為侵蝕來源，其優點為吸塵器吸嘴可以在一定的距離之內就將邊坡材料帶離邊坡本體，在該距離之外的邊坡材料則不受影響，而不會對於侵蝕處造成擾動與衝擊，將此距離定義為有效侵蝕距離。為了模擬支流的侵蝕，選用寬扁型的吸嘴：寬13公分，長2公分。河流的侵蝕可以使河谷加深（下切，UnderCut（圖三））、加長和加寬（側蝕，SideCut（圖三））。為了瞭解侵蝕角度改變、下切、側蝕和邊坡材料是否具有凝聚力在侵蝕試驗中對於邊坡崩塌運動行為的影響，設共設計八組試驗，如表一。(a)(b)圖三河流侵蝕(a)下切；(b)側蝕表一試驗規劃侵蝕力與坡向夾角試驗組數果凍添加砂乾砂下切側蝕下切側蝕452221902221三、張力裂縫發展與崩塌滑動模式具有凝聚力之果凍添加砂邊坡侵蝕試驗中，可以見到發生崩塌之前，冠部會先有張力裂縫的發展。而依張力裂縫發展的方向來區分，在侵蝕力與邊坡傾度方向夾45度的下切與側蝕試驗中，可以看見主要由兩個方向的線段組成，一組為平行吸嘴長軸方向，為侵蝕力引致的裂縫（侵蝕力主控）；另一組則為垂直於邊坡傾度最大的方向（坡面傾度主控），即邊坡傾角為25度的方向。侵蝕力主控的張力裂縫取下切試驗張力裂縫發展前兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可以發現裂縫發展前吸嘴右方上邊坡之速度向量主要分別垂直於扁吸嘴長軸與短軸的方向，速度場分佈圖中還可以明確辨識出即將形成張力裂縫後的分離塊體。坡面傾度主控的張力裂縫取下切試驗張力裂縫發展前兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可以發現裂縫發展前吸嘴左方上邊坡之速度向量大致垂直於邊坡傾度方向，速度場分佈圖中還可以明確辨識出即將形成張力裂縫後的分離塊體。在侵蝕力與邊坡傾度方向夾90度的下切與側蝕試驗中，則主要能看到一組垂直於坡面傾度方向同時也是平行於扁吸嘴長軸方向之張力裂縫。具有凝聚力之果凍添加砂邊坡侵蝕試驗中，由冠部之張力裂縫將一部分的邊坡材料獨立於邊坡，形成分離塊體。隨著侵蝕進行，塊體開始產生運動，形成崩塌，原張力裂縫位置則成為崩塌以後的崩崖崖線。將張力裂縫發展以後造成塊體分離到形成塊體運動時的兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可以發現無論是侵蝕力主控或坡面傾度主控的張力裂縫，塊體皆沿著重力方向運動。故從塊體運動方向可得知，張力裂縫的生成只是把塊體獨立出來，一旦塊體脫離邊坡以後，崩塌運動的方向主要是受重力的影響。圖四侵蝕力主控之張力裂縫發展圖五坡面傾度主控之張力裂縫發展乾砂不具有凝聚力，所以顆粒與顆粒之間是分離的。所以當侵蝕力有效侵蝕距離之內接觸到邊坡材料時，便對吸嘴前方的範圍造成影響。由試驗的連續過程來看，侵蝕力影響範圍內逐漸形成砂表層排列角度變大以至於產生吸嘴前方乾砂之滑移現象，而由於侵蝕力不斷作用，乾砂之滑移現象也就不間斷地進行。而最終砂顆粒堆排角度即為越南石英砂之安息角，可見顆粒運動的主因應為乾砂受侵蝕使得堆排角度大於安息角，引致表層乾砂產生重新排列至維持穩定的狀態（安息角）。四、物理模型試驗與現地案例比對1.砂崙仔由於砂崙仔崩塌發生可以在剪出面上發現有斷層泥，故利用果凍添加砂作為邊坡材料，以模擬具有凝聚力之邊坡受侵蝕行為的探討。由2004年艾利颱風發生崩塌後的照片來看，如圖六，以藍色線段線表示支流的發展，棕色箭頭為砂崙仔坡面傾度最大的方向，黃色虛線為崩塌範圍，紅色虛線為現地張力裂縫發展的位置。崩塌範圍近似一梯形，其主崩崖為一近乎平行支流的線型。在崩塌邊界往上邊坡可以找到幾組平行於支流方向的張力裂縫。對照物理模型試驗過程中主崩崖發展情形有幾何上之相似性。圖六砂崙仔崩塌地與物理模型試驗比對2.下文光下文光在2004艾利颱風後之崩塌則以砂岩為主，崩塌深度也較淺，崩塌主崖線在邊坡稜線處，兩翼崖線也較長，圖七。物理模型試驗中使用不添加果凍之越南石英砂作為邊坡材料。在下切侵蝕試驗中，吸嘴前端的有效侵蝕距離一接觸到坡面，即造成越南沙堆排角度由原本坡度25度瞬間增加。而受侵蝕後邊坡角度只要大於安息角35度，變引發上下邊坡材料的連續運動，往坡度為安息角做堆疊調整，故最終之崩塌範圍為上下延伸很長，左右邊界較短之形狀。由於下切試驗連續的進行，使得邊坡材料重新排列的行為也不間斷地運動。運動過程中，並沒有見到如果凍添加砂下切試驗的分次多次崩塌以及張力裂縫的發展。圖七下文光崩塌地與物理模型試驗比對五、數值模擬根據室內物理模型的尺度來設計PFC3D數值模型，仿照物理模型製作出一個包含五面牆（Wall）的模型，分別為左右側牆、上下側牆與底牆。五個牆高為6公分，左右邊界寬為39公分，上下邊界長為44公分，底牆的傾斜角度為25度。果凍添加砂試驗模擬「侵蝕力與邊坡傾度方向夾45度的果凍添加砂下切試驗」，模擬該試驗主要原因為希望可以觀察到侵蝕力主控與坡面傾度方向主控的速度分量，與觀察塊體運動時的方向。試驗中，將下切的深度分次討論，看在不同的下切深度中，會引發邊坡四周什麼樣的速度場分佈。乾砂試驗則操作「侵蝕力與邊坡傾度方向夾90度的乾砂下切試驗」，主要是為了觀察顆粒堆積的情況，故選擇乾砂物理模型試驗中排列較為單純的試驗進行模擬。果凍添加砂具有凝聚力，所以圓球顆粒與顆粒之間需要加入鍵結強度來模擬凝聚力的作用；而由於加入鍵結需計算顆粒和顆粒之間受力後是否會造成鍵結的破壞，相對耗費電腦硬體資源，故模擬果凍添加砂時，將圓球顆粒的半徑加大，設定為5公釐，在數值模型中總顆粒數為7000顆。乾砂則不具有凝聚力，所以圓球顆粒與顆粒之間獨立分離，不需加入鍵結強度。模擬乾砂試驗時，設定圓球顆粒之半徑為3公釐，在數值模型中總顆粒數為40000顆。果洞添加砂試驗在，在500個timestep時，可以見到受侵蝕的上邊坡（長方形長軸左上方與短軸右上方）約5公分內有明顯的速度場分佈。上邊坡鄰近侵蝕力位置的顆粒有垂直於侵蝕力長短軸方向的速度場分佈，而再往上的部份主要有垂直侵蝕力長短軸方向與重力方向兩者混雜的向量分佈。由垂直於侵蝕力方向與沿重力方向兩個速度分佈來看，應是造成下切較深時，上邊坡可以見到對應至物理模型試驗中侵蝕力主控與坡面傾度主控張力裂縫的現象。2000個timestep時，原本垂直於侵蝕力長短軸方向的速度向量開始往重力方向開始轉向，形成包含兩者之合向量速度分佈，使得上邊坡往重力方向的速度向量增加，且速度場的分佈由侵蝕力向上形狀近似梯形。此時，上邊坡的顆粒也開始運動，向邊坡因下切而下凹的部份崩塌運動。由側視方向來看速度場分佈，可以發現靠近上邊坡速度場的分佈方向類似弧形滑動的線形，而下邊坡速度場範圍較小也包含較大的重力方向分量。6000個timestep時，上個階段產生崩塌運動之塊體速度已經減緩，即將停止。(a)(b)圖八果凍添加砂下切試驗，下切深度6公分（a）timestep＝500；（b）timestep＝2000乾砂試驗，是由刪除球顆利的方式模擬下切的行為。分析時每個timestep代表0.0001秒，每2000個timestep則進行一次侵蝕，由表層開始每次侵蝕2公分，共侵蝕2400次後，再往第2～4公分侵蝕，依此類推侵蝕至5～6公分的深度，共進行約八百萬個timestep。由於在數值模型中的球顆粒不易辨別堆排的情況，故在模型中定義幾個長條形的範圍，使其顏色不同作為輔助用。由圖九中可見在下切接近底層時，上下邊坡上的堆排角度形成簡單的線形，上邊坡與下邊坡顆粒排列的角度約為33度。受侵蝕部位的左右兩側顆粒堆積的角度約為33度。圖九乾砂試驗長軸方向剖面六、結論黏土質崩積層邊坡若遭遇坡腳侵蝕之問題，坡腳能提供支撐力大幅減小，是為邊坡不安定之危險因子，易引致大規模深層滑動，如砂崙仔崩塌地。本研究以物理模型試驗與數值模擬皆確認侵蝕力作用會造成邊坡之不穩定，而不同邊坡組成材料趾部受侵蝕時，破壞的產狀也有所不同。本研究將越南石英砂加入以海菜粉與水，製作成果凍添加砂以模擬具凝聚力之邊坡材料。本研究使用海菜粉：水：砂＝1：80：4500的配比作試驗，可以觀察到試驗邊坡崩塌發生前的張力裂縫發展與崩塌發生後塊體運動行為。果凍添加砂的試驗中，比較受侵蝕後隨即發展上邊坡崩塌之張力裂縫的關係，可以發現侵蝕距離（下切深度或側蝕距離）比較小的時候，崩塌發生位置距離扁吸嘴前端不遠處，隨著侵蝕距離增加，張力裂縫會從上邊坡較遠的位置開始發展，且上邊坡出現較長張力裂縫的期望值也較高；但是上邊坡仍會不時出現小規模（張力裂縫分離的塊體較小）的崩塌，張力裂縫位置便距離扁吸嘴較近。在本案例中，比起側蝕距離，下切至一