二維水力力學耦合數值分析

由於無限邊坡分析僅適用於一維案例，且無法得到位移分佈、大 小與方向及時間歷時，不利於監測點決定及位移量預測，因此前期研 究引入結合土中入滲分析及飽和土層非線性有效應力分析，利用相同

的網格，於進行滲流分析時，將孔隙水壓傳遞給相同網格之土壤進行 力學分析，入滲分析之結果可用於更新飽和土壤之彈性及強度，此程 序可近似模擬水力力學耦合耦合分析。

為進行初始非飽和土層水力力學耦合分析，本研究以 FLAC 程式 中之兩相流模組(Two-phase flow module)進行初始為非飽和入滲轉換 至飽和滲流分析狀態之模擬，並開啟力學分析功能，於暫態入滲分析 關係以van Genuchten (1980)建議之關係式表示如下:

1/ (1 )

式中k 為相對滲透係數，不同飽和度滲透係數( (_r k S 與飽和滲透係數_e) k 為: (sat k S_e) k_r*k_sat (2.21)

分析時採用之力學邊界為兩側垂直邊界於水平向固定，底部則為 雙向固定。水力邊界則以底部為垂直不透水滲流邊界，坡頂表面設為 保持飽和狀態並固定其孔隙水壓力為0，設定初始基質吸力，初始飽和 度為滑動土層之平均值，以此初始與邊界條件進行水力力學耦合模擬

，分析時監測上下邊坡交界處不同深度之反應。

甲仙監測場址二維維水力力學耦合分析其網格如圖 2.15 所示，其 力學邊界為兩側垂直邊界於水平向固定，底部則為雙向固定。模擬初 始階段孔隙水壓及水分子流動向量如圖 2.16 所示，第一階段水由地表 以垂直向下流動進行入滲(infiltration)及滲漏(percolation)。不同深度土 層基質吸力降低，當土層飽和後其基質吸力為 0 並產生正的孔隙水壓 力，第二階段為當飽和土層達到一定厚度後開始產生約略平行坡面之 滲流，此時孔隙水壓因滲流大幅增加，同一剖面但不同深度孔隙水壓 時間歷時如圖 2.17 所示，此時孔隙水壓因滲流而大幅增加，且此時因 孔隙水壓增加導致土體產生顯著運動，其地表位移與傾角歷時如圖 2.18 所示，與不同深度達到飽和時產生對應之運動量得到驗證。分析 結果顯示，可預測於持續降雨入滲下於產生滑動時間，滑動時時土層 均達到飽和，且地表開始有顯著倾角變化，因滑動面由淺層轉為深層

，傾角為先正(順時針)後負，深層滑動量較大時淺層所測之角度轉為逆 時針。

圖

2.15 數值分析模型

圖

2.16 入滲開始後 900 秒後孔隙水壓分布與流動向量

-40x10³

Pore Pressure (Pa)

2.5x10⁵ 2.0

1.5 1.0

0.5 0.0

Time (sec)

0.7 m 2.20 所示，由破壞時間(42hr)往前推算可決定不同時間所對應之體積含 水量，若以破壞前24 小時為預警時間，則所對應之體積含水量為 0.22

，可由現地於 0.75m 量測之含水量作為發布預警作為之依據，而不同 階段預警值亦可由圖2.18 推估。

-4x10^-2 -2 0 2 4

Displacement (m)

2.5x10⁵ 2.0

1.5 1.0

0.5 0.0

Time (sec)

-2.5

Pressure head (m) 4

3 2 1 0

Graph 1 0.56 hr Failure

圖

2.19 室內模型試驗壓力水頭與破壞包絡線

Volumetric water content

圖

2.20 深度 0.75m 體積含水量變化及依時預警概念

而二維案例以甲仙場址上邊坡為例，由VG model 可推估其體積含 水量變化，深度 1.5m 處含水量歷時如圖 2.21 所示，推估破壞時間為 61 小時，因此往前推算 24 小時所對應之體積含水量為 0.52，因此時已 接近飽和，此數值較不可靠，此乃因所選場址土層厚度僅約 2.5m，且 地下水位位於土層底部，破壞型態較接近平行滲流引致之深層滑動，

但地表傾度觀測結果如圖2.22 所示，滑動破壞前 24 小時其地表傾角開 始顯著變化，因此此類邊坡較適宜以地表傾角作為訂定依時預警之物 理量。

由無限邊坡與二維分析結果顯示非飽和水力分析中滲透係數對破 壞時間預測具有重要影響，但是此類參數求取不易，且會受降雨前地 下水位或基質吸力大小之影響，因此相當複雜，而解決途徑之一為於 降雨時進行現地監測水分變化，由其表層入滲流況推估，並可據以更 新破壞時間推估曲線，精進以即時監測分層含水量作為警戒之用。

0.1 1 10 100

Time (hr)

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Depth=1.5 m

Failure (61 hr) 24 hr warning

圖

2.21 甲仙上邊坡深度 1.5 m 體積含水量變化依時預警概念

圖

2.22 甲仙上邊坡表面傾角變化依時預警概念

若現地符合無限邊坡條件，則可由現地土層參數及量測推估之滲