第二章、 文獻回顧
2.1 岩石河床沖蝕機制
第二章
、文獻回顧
本章針對與本論文相關的文獻進行回顧，回顧內容包括岩石河床 的沖蝕機制，河道沖蝕實驗，試驗量測及分析數據方式等。
2.1 岩石河床沖蝕機制
任何水流造成河道的沖刷不外乎需要考量包含有水流流速、影響 沖刷障礙物大小及形狀、被沖刷對象的性質三種因素（Briaud，2006)。
河道中產生劇烈沖刷處往往在河道坡度劇烈變化或河床構造物存在 處，河床坡降改變了原先平緩的沖刷沈積之平衡狀態，使岩床直接裸 露在河道中。圖 2-1 為嘉義八掌溪五虎寮橋因暴雨造成墩座底下基礎 岩盤劇烈沖刷，導致橋墩基座懸空。若無構造物存在且岩石露頭暴露 的河道，河床可能因水流作用產生程度不一的沖蝕現象。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可區分為岩塊抽離(plucking)、磨蝕 (abrasion)、穴蝕 (cavitation)等三大類，認為岩性、弱面間距、節理、
層面等乃決定主控岩床沖蝕種類之因素。因此影響岩石質河床受沖蝕 作用的因子包括岩體之岩性、地質構造、河道幾何條件以及水文條件 等。各種沖蝕現象將於以下各小節加以說明。
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圖2-1 嘉義八掌溪五虎寮橋(2008.10.08 辛樂克颱風後)
2.1.1 磨蝕沖蝕(abrasion)
河道中水流造成的剪應力使岩石河床表面岩石膠結的顆粒隨著 水流帶走稱為磨蝕沖蝕(abrasion)。河床表面呈現平滑狀成流線，為磨 蝕沖蝕後的最主要特徵。Whipple et al. 認為當岩床岩體之弱面間距大 於1 公尺時，此岩體視為完整岩石，不連續面的存在將不影響沖蝕行 為，岩床沖蝕以磨蝕 (abrasion)為主。
圖2-2 磨蝕沖蝕造成表面磨損（嘉義八掌溪 2008.5.10）
磨蝕沖蝕並非只有在岩石表面磨耗，在河水流況複雜下，會出現 較劇烈的磨蝕沖蝕，而形成滑槽(flute)與壺穴(pothole)等沖蝕現象如圖
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2-2 及 2-3 所示。
圖2-3 土石顆粒磨蝕岩床表面示意圖(Whipple et al. , 2000)
2.1.2 塊體抽離沖蝕(plucking)
Annandale(1995)提出了一個簡單的示意圖(圖 2-4)來解釋岩塊抽 離的過程，圖中顯示一河流流向與岩層呈逆向的岩塊抽離例子，岩塊 抽離的過程為頂開(wedging)、移出(dislodgement)、脫離(displacement) 三個階段。 Whipple, et al. (2000)認為抽離過程中小裂縫經水力作用 擴大為破裂面、隨著河床顆粒逐漸透過磨蝕作用沖蝕弱面、再加上物 理或化學風化作用，讓弱面完全擴展連通，最後終於導致獨立岩塊之 鬆動、脫離(圖 2-4 岩塊抽離示意圖(Annandale,1995)。當岩體內弱面 的間距小於約1 米，岩塊脫離（plucking）就可能成為岩床河道下切 之重要機制。
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圖2-4 岩塊抽離示意圖(Annandale,1995)
2.1.3 穴蝕沖蝕(cavitation)
當水流遭遇到障礙物或階狀落差時，其下游側局部沖蝕特別顯 著。河川中若有障礙物，其下游側較為顯著之岩床沖蝕，則多源自懸 浮載之磨蝕沖蝕貢獻。除了磨蝕損耗，穴蝕(cavitation)之角色也不能 忽視，壺穴與滑槽之構造常與渦流流況下出現之穴蝕沖蝕有關
(Whipple, et al. , 2000)。
懸浮載沖蝕效應會受局部河床地形地貌影響甚大，其原因在於不 規則地貌易於發生渦流，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。由混凝土材料的研究結果顯示，脆性岩石 之穴蝕阻抗與材料之壓縮強度正相關，當膠結破壞，材料中之顆粒就 脫離，因此膠結力(cementation)甚具重要性，顆粒之硬度則無大的影 響（Graham, 1987）。
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磨蝕沖蝕常伴隨穴蝕沖蝕，以至於磨石沖蝕所造成的平滑面上有 大大小小的壺穴，壺穴的外觀如圖 2-5 穴蝕沖蝕外觀所示，會在岩床 上有特別深之圓形凹槽，表面粗糙度如磨蝕沖蝕(abrasion)一樣平滑。
圖2-5 穴蝕沖蝕外觀(大安溪 2010/05/01)
2.1.4 顆粒彈跳造成的沖蝕(saltation)
Whipple & Tucker (1999)討論河床載大顆粒彈跳對沖蝕之貢獻，
認為大顆粒彈跳對節理發達岩體的岩塊抽離機制之重要性可能遠高 於對塊狀完整岩石(massive, unjointed rocks)之沖蝕程度與效應。河床 載磨蝕又可依顆粒撞擊岩床角度區分為，低角度的剪切磨損 (cutting wear)及高角度的變形磨損 (deformation wear)。水流能量帶動礫石以
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低角度約30o向下撞擊彈跳後，以高角度約 60o彈起，岩床連續受彈 跳撞擊後導致岩體弱化，然而當岩石十分軟弱時，即使岩石之弱面不 發達，顆粒彈跳的破壞效果與程度可能仍顯著(Whipple et al., 2000)。
圖 2-6 岩塊抽離機制(Whipple et al., 2000)
沖蝕的發生常存在複合型態，或不同型態交互產生，Whipple et al.
(2000)亦建議可由抽離的岩塊檢視磨損的比例加以決定。他們發現較 大的局部沖蝕量大都來自抽離機制的貢獻。然而他們又發現較大流域
（大於 20 平方公里）的主控沖蝕機制為懸浮載的磨蝕，而較小流域 的主控沖蝕機制則為抽離或河床載的磨蝕。
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