岩石河床的沖刷機制

由於岩床上之護甲層若遭過度沖蝕，緊接著河床裸露直接遭到水 流之沖蝕作用，進而構成對河岸上之構造物遭成威脅。而根據過去學 者研究中，河川於岩床河道之下切沖蝕機制雖形成之原因更不同之機 制，但大致可分類為下列型態。底床遭到純水流之剪力作用或是水流 所攜帶之懸浮載(河床載)造成之剪力磨蝕作用(abrasion)，造成顆粒 尺度逐漸磨損作用(wear)、岩床受岩石顆粒彈跳撞擊所造成之撞擊破 壞的磨損作用(saltation)、岩塊抽離（plucking）作用、與穴蝕 (cavitation) 作用。以下章節會對於各種機制做相關的介紹。

2.2.1 磨蝕沖蝕(abrasion)

當岩床為完整岩盤，或是弱面間距相當大(弱面間距>1m)的時 候，此時岩盤沖蝕的主控機制為水流中攜帶懸浮載或河床載，不斷隨 著水流流過磨蝕岩體表面，使得岩體表面膠結的顆粒脫離而造成磨蝕 沖蝕(abrasion)的現象(如圖 2.1)。若是在流況突然改變的情況下，

由於顆粒會隨著水流旋轉磨削，造成局部的磨蝕沖蝕情形更可能會更 加劇烈，此時便容易形成滑槽(flute)與壺穴(pothole)等沖蝕現象。

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圖 2.1 岩床遭流水中懸浮載顆粒磨蝕情況圖(攝於八掌溪)

Whipple et al. (2000)針對阿拉斯加現地岩床沖蝕情況探討中，認 為完整岩盤或是弱面間距大於 1 公尺的岩盤所受之沖蝕現象主要以 磨蝕(abrasion)現象為主，且並藉由水工模型驗證，主要之磨蝕現象 集中於地形改變產生障礙之下游側，河床載磨損岩床表面使得岩盤表 面較亮且光滑，產生了許多的渦流，並且更滑槽(flute)跟壺穴 (pothole) 的情況伴隨之。(如圖 2.2)

圖 2.2 磨蝕沖蝕過程示意圖(WHIPPLE ET AL. ,2000)

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2.2.2 顆粒彈跳撞擊(saltation)

Gilbert(1877)主張在河川沉積料供應中一方面可扮演磨蝕岩床 之工具性效應(tool effect)，另一方面又可扮演覆蓋保護之覆蓋性 效應(cover effect) ，河床載顆粒大小控制著河床受河床載撞擊的 頻率以及水流帶動顆粒運動的軌跡，通常最大岩床磨蝕率也會出現在 相對中等程度之河川沈積料供應條件下。

Whipple & Tucker(1999)探討河床載顆粒彈跳對於岩床沖蝕機制 之影響中，認為大顆粒彈跳對於岩性較軟弱及節理發達岩體的岩塊之 沖蝕程度應遠大於完整岩塊的沖蝕程度。

Sklar & Dietrich(2004)提出一個針對河床載彈跳撞擊

(saltation)所造成的岩床沖蝕模式。其基本假設為岩床磨損率會隨 著河床流量與河床垂直之分量正相關，此模式之基本概念為假設岩床 磨損率^{E V I Fi r e}，式中^Vi為每次顆粒撞擊岩床所損壞分離之岩石量，

Ir為每單位面積每單位時間發生之顆粒撞擊率，^Fe為岩石河床上未被 沖積層覆蓋之比例。

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在 Sklar & Dietrich (2004)的文獻中也提到岩床磨損情況應與 河床載之顆粒彈跳距離相關，最大岩床磨蝕率會出現於中等程度之岩 床面剪應力條件下。相對應 Gilbert(1877)提出河川中沉積料所扮演 之角色，兩者相互呼應下可知，河川沈積料供應量與顆粒大小強烈影 響著岩床下切的速率。

圖 2.3 水夾帶顆粒撞擊岩體之撞痕(攝於大安溪)

2.2.3 塊體抽離(plucking)

Annadale(1995)提出岩塊抽離之過程是由岩塊由節理面或弱面 逐漸頂開(wedging)，接著造成岩塊塊體離開岩床(dislodgement)，

接著岩塊隨著水流被帶走(displacement)。如圖 2.4，此示意圖為一 河流流向與岩床岩層呈逆向的範例來說明岩塊抽離的過程。

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圖 2.4 岩塊抽離示意圖(ANNADALE,1995)

Whipple et al. (2000)觀察到岩體弱為裂隙較多或是節理間距 小於 1 公尺的岩體之沖蝕現象大多皆以岩塊抽離(plucking)的現象 為主。在岩塊抽離的過程中，首先因河床載顆粒彈跳撞擊造成弱面的 間距擴大並且水流中的小砂礫頂開了裂隙，使得裂縫受水力作用而逐 漸擴大裂縫，造成裂隙逐漸擴張延伸至塊體底部，底部的上舉力與表 面之拖曳力形成了壓力差，塊體便逐漸鬆動直至被帶離。(如圖 2.5)

圖 2.5 岩塊抽離機制(WHIPPLE ET AL., 2000)

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若水的侵蝕能量大於岩石抗沖蝕能力時，岩床就更可能產生塊體 抽離的現象。

圖 2.6 現地塊體抽離情形(攝於大安溪)

2.2.4 穴蝕(cavitation)

當水流受到障礙物或階狀落差造成流況改變時，其下游側發生顯 著之岩床沖蝕，大多是源自水流中夾帶懸浮載之磨蝕沖蝕貢獻。懸浮 載沖蝕效應會受局部河床地形地貌影響很大，原因在於不規則地形而 易於發生渦流，而當渦流加劇，穴蝕強化懸浮載沖蝕效應，局部沖蝕 必然也更為顯著，壺穴與滑槽之構造常與渦流流況下出現之穴蝕沖蝕 更關(Whipple, 2000)。

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圖 2.7 八掌溪觸口攔河堰沖蝕情況