第二章 文獻回顧
2.1 岩盤沖蝕機制
台灣山區的河道坡降大，湍急的水流使河床表面的沉積物快速帶至 下游，不容易形成護甲層，使底床岩盤裸露造成沖蝕。在不同現地條件 下，對岩盤造成的沖蝕機制亦不相同，彙整國外對於岩床河道沖蝕機制 研究之文獻（Whipple et al., 2000與Bolleart, 2005），主要沖蝕機制可分為 磨蝕沖蝕（abrasion）、塊體抽離沖蝕（plucking）、穴蝕沖蝕（cavitation）、
及剝皮沖蝕（peeling off）等四種。以下將各沖蝕行為詳細介紹。
2.1.1 磨蝕沖蝕
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磨蝕沖蝕是因水或水中的泥、砂、石對河床的作用，使河床逐漸磨 耗，磨蝕包括顆粒高角度的彈跳（deformation wear, saltation）及低角度 的磨損（cutting wear）。強烈水流使懸浮載砂質或礫石顆粒被帶起、跳 動，連同流水逐漸磨蝕岩床表面，一顆粒一顆粒沿著岩石表面磨下碎屑，
凸起的岩床面前緣受到床質顆粒衝擊而發生侵蝕，水流受到岩床面凸起 的擾動，於其後面產生紊流造成壺穴（Potholing），凸起的表面也會造 成滑槽（fluting），如圖2-2。
圖 2-1 岩體磨蝕機制示意圖（Whipple et al., 2000）
2.1.2 塊體抽離沖蝕
Whipple et al（2000）認為岩盤遭受水流衝擊時，小裂縫經由水力推 張擴大為破裂面，接著河床載大顆粒撞擊河床並且連續彈跳，使岩體經 過連續撞擊後弱化，再加上物理或化學的風化作用，讓弱面完全擴展連 通，導致獨立岩塊最後鬆動、脫離（圖2-2）。圖2-4為塊體獨立後被攜出 之過程，水流沖擊瞬間能量造成岩盤內部受力不勻的作用應力，使得垂 直及水平向裂縫逐漸延伸發展，裂隙間因波動壓力作用，使得塊體上浮
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力大於自重及側邊摩擦力時，塊體則發生拉拔作用而脫離岩床（圖2-2、
2-3）。
圖 2-2 岩床侵蝕的裂隙延伸機制示意圖（Whipple et al., 2000）
Annandale（1995）另以一河流流向與岩層呈逆向的岩塊抽離例子，
岩塊抽離的過程分為頂開（wedging）、移出（dislodgement）、脫離
（displacement）三個階段（圖2-5）。
圖 2-3 岩塊抽離示意圖（Annandale,1995）
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圖 2-4 岩塊攜出作用力示意圖（Annandale,1995）
Fup=上舉力 Fdown=水壓 Wg=塊體質量 Fs*=側邊抗剪力
2.1.3 穴蝕沖蝕
穴蝕沖蝕主要是水流受到障礙物或階狀落差的影響，不規則的地形 使下游側局部區域的流況產生變化，容易造成渦流的現象，而當渦流加 劇，穴蝕強化懸浮載沖蝕效應，使局部沖蝕更加顯著，進而形成孔洞狀 的沖蝕痕跡。圖2-5為大安溪中頁岩岩床穴蝕破壞，流體中懸浮載的增加
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影響穴蝕甚大，加劇渦流對於岩床的侵蝕。
圖 2-5 八掌溪頁岩岩床穴蝕破壞（羅楚鈞,2011）
2.1.4 剝皮沖蝕
Bolleart（2005）提出此種沖蝕形式，沖刷過程如圖2-6所示，若地層 為水平且節理發達，水流沿河床表面一層層將較小的岩塊帶往下游，會 呈現剝皮（peeling off）的現象。
圖 2-6 剝皮法（peeling off）沖蝕示意圖（Bolleart, 2005）
跌水沖蝕亦會發生剝皮沖蝕的情形（圖2-7），跌水的上游及下游側 皆會發生沖蝕，而跌水會使周遭水流不斷循環，讓水平且節理發達的的
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岩層，破壞的更加快速。
圖 2-7 剝皮法沖蝕發生於跌水沖刷示意圖（Bolleart, 2005）
2.1.5 岩盤沖蝕機制小結
台灣攔河堰下游引致沖刷坑形成的沖蝕型態，根據交通大學（經濟 部水利署水利規劃詴驗所，2010，Cheng等人，2010)研究結果認為，
主要因地質條件（岩性、節理、層面等）而異。就該計畫的調查，將台 灣主要的攔河堰的沖蝕行為分為三種，即磨石沖刷、塊體抽離型沖刷和 槽溝下切型。磨蝕沖刷型式的特徵為岩盤屬於節理不發達的厚層頁岩，
或是強度較弱的砂岩及粉砂岩，以觸口攔河堰為例，下游岩盤強度較弱 且節理不發達，即產生磨蝕與剝皮法兩種破壞形式；塊體抽離型沖刷機
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制的特徵為岩盤單壓強度強且遠大於節理面強度、岩體節理發達，以義 興壩下游為例，河床之岩石強度較強，磨蝕侵蝕不易形成，但因節理發 達經水流衝擊造成節理延伸及連通後，岩塊經水壓壓力放大效應向上脫 離且被水流拖曳帶走，故塊體抽離破壞為下游沖蝕坑形成的主要機制；
槽溝下切型的特徵為岩層的抗沖蝕能力更強更弱，此抗沖蝕能力之差異，
使的抗沖蝕能力較弱的岩層，沖刷速率較快，造成如溝槽狀的河道，以 後村堰為例，此區岩性主要以厚層砂岩、砂頁岩互層、夾煤層為主，砂 岩的抗沖蝕能力較強，其餘岩層的抗沖蝕能力較弱，此抗沖蝕能力之差 異，造成此區域產生差異侵蝕，形成如溝槽狀的河道。
本研究以射流形態對在尾水下的岩石進行沖刷詴驗，沖蝕模式為磨 蝕及剝皮沖刷，模擬現地的沖刷情形，所以瞭解河道沖蝕機制相當重要，
若能將現地詴體於室內施做沖蝕詴驗，控制已知參數（流速、流功、落 距、尾水高等）再與詴驗成果（沖蝕量、沖蝕率、沖蝕坑形狀）做比較，
即可更合理推估出現地岩盤之沖刷情形（沖刷坑形狀、大小、深度）。