岩床河道沖蝕機制

岩床河道沖蝕是眾多複雜的條件交互作用下所造成的結果，包含地質、

地形、塊體板塊運動、河道水文水理、河道輸沙、及氣候條件等等，國外 目前對於河道沖蝕現象的分類及其對沖蝕速率的影響雖然已有甚多探討，

但主要仍以從巨觀尺度的地形變遷作為出發點(Howard et al., 1994; Sklar and Dietrich, 2004; Whipple, et al., 2000; Wohl, 1998)。然而此類文獻甚少以工 程觀點進行沖蝕機制的探討，尤其以軟弱岩床的資料更是缺乏。

彙整國外對於河道沖蝕機制研究之文獻，可將 Whipple et al.(2000)與 Bolleart(2005)所提出之沖蝕機制分為塊體抽離(plucking)、磨蝕(abrasion)、

穴蝕(cavitation)及剝皮沖蝕(peeling off)等四類。而本研究中 Mini Jet 的理論 基礎是依照磨蝕機制來作沖蝕量的估算。

Foley(1980)將磨蝕定義為水中的顆粒與岩床作用所形成，而磨蝕又可 區分為河床載(bed load)磨蝕及懸浮載(suspended load)磨蝕兩類，其中河床載 磨蝕可依照顆粒撞擊岩床時之角度作區分，分別為低角度之切削磨損 (cutting wear)及高角度的變形磨損 (deformation wear)。本研究中將在試驗過 程中加入細粒料，磨蝕侵蝕的主要粒料為懸浮載，故本節將針對懸浮載磨 蝕底床行為作回顧。

2.1.1 磨蝕沖蝕

大部分以磨蝕為主要侵蝕機制的河道常發展出明顯且穩定的不規則地 形，這一類地形易使水流產生漩渦，加快磨蝕破壞及穴蝕作用的發展，而 岩床上逐漸產生流槽(flute)與壺穴等沖蝕構造，且一旦流槽與壺穴形成，明 顯的正向反饋機制起作用後，進而加強穩固水流中的漩渦，使得懸浮載顆 粒對河床的磨蝕更加劇烈。

圖 2-1 為磨蝕沖蝕示意圖 Whipple, et al.(2000)所提出，示意圖的簡譯為 河道中一凸起的岩床，其前緣受到河床質顆粒((bed load))撞擊造成侵蝕，而 水 流 因 受 到 岩 床 面 凸 起 的 擾 動 ， 於 岩 床 的 下 游 側 產 生 紊 流 形 成 壺 穴 (potholing)，且凸起的表面亦會造成流槽(fluting)，如圖 2-2、圖 2-3。

圖 2-1 土石顆粒磨蝕岩床表面示意圖(Whipple, et al. , 2000)

圖 2-2 平溪四廣潭吊橋之壺穴

圖 2-3 大安溪厚層砂岩受水流侵蝕所生成之流槽(flute) (經濟部水利署 水利規劃試驗所，2008)

2.1.2 塊體抽離

無論厚層或薄層之層狀岩石皆可能因解壓或侵蝕，促使節理發展進而 造成岩石塊體鬆脫而發生抽離的現象。

Annandale(1995)以岩層與河流流向呈逆向的狀況說明塊體抽離之過程，

如圖 2-4，岩塊抽離的過程可分為三個階段，依序為頂開、移出、脫離。

圖 2-4 塊體抽離示意圖(Annandale，1995)

Whipple, et al.(2000)則以圖 2-4 說明岩塊抽離的現象。圖 2-5 顯示當岩 盤遭受水流攻擊，使得原本就存在的微小裂縫因水流沖擊及顆粒撞擊令既 有之節理延伸、擴張，當節理連貫時，造成塊體孤立，再由水流拖曳及裂 縫中之水壓將塊體上舉脫離。

圖 2-5 節理延伸造成塊體抽離示意圖(Whipple, et al. , 2000)

2.1.3 穴蝕沖蝕

穴蝕沖蝕的主要成因是當河道存有障礙物或階梯狀落差時，不規則的 地形造成局部區域的流況變化，容易產生渦流，當渦流加劇時即可能發生 穴蝕(圖 2-6)。穴蝕現象常見於大壩溢洪道及輸水隧道，對於工程領域是熟 悉的狀況，但穴蝕現象於自然界河道中所扮演的角色並不明確．目前初步 認定當水流中有渦流的形成，穴蝕現象會強化懸浮載對河床的沖蝕效應。

圖 2-6 八掌溪水流衝擊或渦流造成的穴蝕

2.1.4 剝皮沖蝕

Bollaert(2005)以圖 2-7 首先提出剝皮沖蝕一詞。如圖 2-7 所示，水流 流過水平節理發達的河床，會一層一層的將河床表面的小岩塊帶走，此作 用稱作剝皮沖蝕。

圖 2-7 剝皮法(peeling off)沖蝕示意圖(Bolleart, 2005)

Bolleart 認為跌水作用下會有剝皮沖蝕狀況發生，且跌水之上下游側皆 有可能出現剝皮沖蝕，而跌水會造成周遭之水流不斷循環，加劇岩盤破壞，

如圖 2-8 所示。Bolleart 將此沖蝕型態用於解釋前述地質條件溢洪道下游沖 刷坑的形成。

圖 2-8 剝皮法沖蝕發生於跌水沖刷示意圖(Bolleart, 2005)

2.1.5 懸浮載(suspended load)磨蝕底床行為

當河床底部流況不穩定時，常因床載沉積、底床地形等因素產生渦流，

使原本沉積的床載再次被帶動形成懸浮載，且可能因流況的改變再一次沉 積。因懸浮載的顆粒細小，因此 Sklar & Dietrich (2004)提出懸浮載磨蝕底床 的模式為，在搬運過程中可長時間懸浮於水流中，但隨水流流動而下沉並 磨蝕底床，而在此一動作反覆作用下，而造成底床磨蝕的現象。

Lamb(2008) 對於懸浮載於河床中的磨蝕行為與濃度分佈相關，並透過 實驗數據證明當粒料粒徑小於 0.4mm 時，亦會有磨蝕現象產生。

圖 2-9 各種數值模型模擬粒徑之沖蝕率分佈圖(Lamb，2008)

2.1.6 岩盤沖蝕機制小結

Whipple et al. (2000) 由調查一系列不同的地質條件、流域面積、河床 坡度的河床沖蝕現象，提出岩石河床的沖蝕機制，歸納出磨蝕沖蝕、塊體 抽離、穴蝕沖蝕等三種機制，造成岩盤沖蝕的條件眾多，其中又以地質條 件為控制岩盤沖蝕機制的眾多因素中最為重要的一環，地質條件包含岩性、

弱面間距、節理、層面等。當岩床屬完整岩盤亦或是弱面間距大時，岩床 沖蝕主要透過懸浮載及河床載與岩床作用，或是水流造成岩盤表面之剪應 力提高，帶走岩石膠結之顆粒，此時磨蝕沖蝕為可能之沖蝕機制。當岩石 強度，遠大於節理強度且節理間距在 1m 之內時，水流之作用主要集中在裂 隙中，此時塊體抽離(plucking)常為主控沖蝕之機制。穴蝕現象在河道中所 扮演的腳色尚不完全明確一般認為穴蝕在強烈的渦流產生時，加劇了懸浮 載對沖蝕的影響，使局部沖蝕作用更加顯著。剝皮沖蝕則為水平節理發達 之岩體受到水流衝擊後產生均勻的裂隙，而渦流帶走岩盤表面之岩石碎 屑。