土樣準備與試驗儀器及配置

本研究砂箱試驗，使用寶山第二水庫庫區粉質砂土為其實驗土樣，其 粒徑分佈曲線如圖3- 7 所示，而土壤先以#4 標準篩來過濾較大礫石塊之土 樣進行試驗，過篩後的土樣將其放置於室溫下自然烘乾數天，以模擬現地 初始的乾燥狀態。砂箱的尺寸大小為 60cm×60cm×60cm，為了降低砂箱邊 界對於地電阻量測時的電流場產生邊界效應的影響，填入土樣深度應盡可 能等於電探測線展距；預計砂箱中的電探測線展距約在50cm 左右，此外必

雨模擬所建立的率定關係得以和率定模的基本率定結果做相關的比對與驗 證，因此固定砂箱土樣與率定模土樣在約略相同乾密度γ_d =15.5kN/m³ 的土 層條件下，將自然乾燥後的寶二水庫土樣，以大型夯錘分層均勻夯入約50cm 深的土壤厚度，如圖3- 8。

圖3- 7 寶二水庫土樣粒徑分布曲線

圖 3- 8 大型夯錘將土樣分層夯入砂箱

在砂箱試驗中所使用到的主要相關儀器設備共分為三類，即TDR 量測 系統、張力計以及地電阻量測系統，首先對各實驗儀器設備做一簡單說明。

研 究 中 所 使 用 的 TDR 量 測 設 備 為 美 國 Campbell 公 司 所 生 產 的 TDR100，如圖 3- 9 所示，可配合多工器（Multiplexer）同時量測不同 TDR 感測器，並搭配資料擷取器（Datalogger）具有可程式化、自動化量測的功 能來輔助降雨初期的資料密集量測。至於TDR 感測器方面則是如前述章節 在率定土樣基本關係時所使用的小型TDR cone 感測器；貫入式探頭有利於 感測器置入砂箱進行資料量測，又其本身貫入土壤中所佔體積較小，故可 降低感測器本身材料電阻對於地電阻量測時的電場影響。

圖3- 9 Campbell TDR 100 量測儀

張力計為美國加州 Irrometer 公司所生產的 Watermark 土壤水分感應 器，如圖3- 10，屬於電阻式張力計，感應器長 8 公分，直徑 2 公分，由粒 基質（Granular Matrix）為其多孔塊材料並在內部植入兩片同心電極，量測 原理為利用感應器吸水和放水來與周圍土壤水分平衡後，量取電極之間的 電阻值，再以Shock et al.（1988）所提出的非線性迴歸公式，將電阻值轉 換成土壤基質吸力，而其吸力的量測範圍為0~200 kPa（centibar）。使用上 則透過手拿式Watermark 土壤水分測定儀，如圖 3- 11，來量取感應器的電 阻值，並且可以輸入待測土壤溫度 Ts 進行溫度修正，修正範圍為 5℃~40

℃，最後於LCD 顯示屏幕上直接顯示土壤吸力值（kPa）。

圖3- 10 Watermark 土壤水分感測器

圖 3- 11 Watermark 土壤水分測定儀

在地電阻量測系統方面，本研究所使用的地電阻探測儀器為法國 IRIS 公司所生產的SYSCAL PRO Switch 48，如圖 3- 12 所示，可連接 48 頻道電

供應器（booster），在電源供應部分可視施測的需求外接直流式電源提供更 大電流，另外為了達到需求範圍的二維或三維施測配置，可以利用 Switch Pro box 外接更多電極纜線以達需求。由於本研究為小尺寸室內砂箱模擬，

因此在連結的傳輸纜線與電極棒方面，使用 24 頻道集線器兩個，如圖 3- 13，共 48 頻道搭配 2.5 公分不銹鋼釘為電極棒來進行地電阻量測。研究預 計 以 三 維 電 探 進 行 砂 箱 試 驗 之 探 測 ， 因 此 使 用 三 維 反 算 軟 體 AGI EarthImager 3D Ver. 1.3.7，將電探主機所量得視電阻率分佈（Apparent Resistivity）經過反算最佳化分析後，以獲得砂箱內土壤真實的電阻率分布 情形。

圖 3- 12 地電阻探測儀-SYSCAL PRO Switch 48

圖3- 13 ERT 24 頻道集線器

各實驗儀器的詳細配置如圖3- 14 所示。砂箱內地電阻的佈線展距下，

可探測的深度約為10cm，因此在地電阻可探測範圍內的 5cm 深處，於砂箱 左右兩側中點各配置了一組水平貫入的TDR cone 及 Watermark 電阻式張力 計。在砂箱模擬降雨的過程中利用TDR cone 來量取土壤導電度與體積含水 量，而以張力計量測土體隨毛細作用而變化的土壤基質吸力。砂箱表層則 佈設三維地電阻測線，嘗試以探測區域較為廣闊的三維施測方式進行地電 阻調查與監測，以對於電探結果所推求砂箱模擬土層的含水特性更為精確 的掌握，其詳細相關佈線位置如圖3- 15 所示，表 3- 1 為砂箱地電阻施測參 數。最後在降雨的裝置方面，使用一人工加壓式的氣壓式灑水器來模擬砂 箱降雨行為，將其灑水噴頭固定於砂箱表土上方約 100cm 處，以確保噴頭

勻降雨入滲的目的。各試驗儀器於實驗室配置完成結果如圖3- 16。

表 3- 1 砂箱地電阻施測參數

電極間距 (cm) X 向：5cm，Y 向：5cm 電極數目 48 支

測線展距 (cm) X 向：15cm，Y 向：55 cm 施測方式 Dipole-Dipole equatorial

圖3- 14 砂箱試驗儀器配置示意圖

圖3- 15 砂箱三維地電阻測線示意圖