第三章 大尺寸試驗模型之建置
第二節、 整合型監測器研發
本計畫將延續 107 年度已研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低 成本整合型監測器，包含雙軸向傾斜儀、裂縫量測應變計等，本年度再添 加雨量計、水壓計與定置型孔內傾斜儀。各項監測器說明如下：
1. 雙軸向傾斜儀
傾斜變位計/微機電式傾斜計主要應用於水庫、水壩、堤防之傾斜變位 長期觀測；鄰近開挖工地之建物傾斜監測；連續壁施工監測；橋樑或高架 道路之墩柱及橋面傾斜監測；超抽地下水或潛盾施工引致之地表差異沉陷 引發結構傾斜監測等。本計畫規畫裝設雙軸傾斜儀，為微機電式 MEMS 傾 斜變位計(Micro-Electro-Mechanical-Systems)的設計目的在於永久裝設在結 構物上以求觀測該結構物之長期傾斜變位量。照片如圖 3.2-1 所示，將以自 動量測方式，頻率為每 10 分鐘至少 1 次，若監測期間傾斜儀 5 分鐘變化幅 度大於 1 度時，則改以頻率為每分鐘 1 次。
圖 3.2-1 雙軸傾斜儀 2. 裂縫量測應變計
振弦式裂縫計(拉伸式)係用於監測裂縫的擴張與收縮，包括：水壩混凝 土結構結合處、岩石隧道表面裂縫、橋樑橋墩表面裂縫、捷運高架橋樑柱 表面裂縫、混凝土結構物結合處等。振弦式裂縫計(拉伸式)採用振弦式位移 感測器測量裂縫，裂縫計內部包含一組振動鋼弦敏感元件，鋼弦一端被固 定，另一端則連接到彈簧拉力棒，裂縫變形時帶動拉力棒的移動，使彈簧 改變了鋼弦的振動頻率，這個振動頻率的大小與裂縫開合大小成比例關 係，如圖 3.2-2 所示。
圖 3.2-2 振弦式裂縫計
3. 水壓計
電子式水壓計以自動化監測之方式，即時掌握地下水壓之變化情形，並與 雨量監測之成果進行比對，用以初步推估降雨對於地下水壓之影響。範圍：7.0 kg/cm2、精度：0.025 % FSR解析度：±0.1 % FSR(1kg/cm2=98.1KPa優規)，如圖 3.2-3所示。
圖 3.2-3 水壓計
4. 定置型地中傾斜儀
本計畫使用之定置型傾斜儀為GEOSTAR 8300 MEMS，經由滑輪固定於傾 度管中，採用間隔1m進行監測精度約為±0.01 (±2 arc sec) ，如圖3.2-4所示。
圖 3.2-4 定置型傾斜儀(IPI)
器；其中雨量計規格，量測精度達每降雨累積達50mm 誤差小於1.5mm內。預計 每小時紀錄一筆資料，視需要調整紀錄頻率。相關照片如圖3.2-5所示。
圖 3.2-5 自計式雨量筒
6. 整合式感測器封箱與測試
上述之感測器需透過類比數位轉換器，將類比訊號轉換成數位訊號 後，再利用無線傳輸技術傳送至雲端。除感測器須外露外，其餘元件皆可 整合至一箱體中。現場安裝之配置圖如圖 3.2-6 所示，其中各項重要元件如 通訊元件、雙軸傾斜儀、訊號轉換器、長效電源等皆固定於箱內並進行防 水封裝。未來箱體尺寸、形式與材質皆可因地形條件、監測內容進行調整。
經測試感測儀器可正常動作，並將資料初步已 4G 網路方式上傳至雲端，如 圖 3.2-7 所示。
圖 3.2-6 整合感測器於現場安置完畢示意圖與透視圖
圖 3.2-7 整合感測器回傳測試
通訊元件 雙軸傾斜儀 振弦類比訊號轉換器
長效電源 類比數位訊號轉換器
土壤水分計 裂縫計
整合感測器 人工邊坡擋土設施
水壓計 坡面材料
荷重計 雨量計
埋設深度分別為 2m 以及 1m，接著在傾斜管設置完後，將定置型傾斜儀順 管內槽溝放置於水壓計上方(圖 3.2-9)，A+方向朝向整體邊坡之下方進行監 測。而此土槽目的在於模擬降雨誘發邊坡破壞之情境，並且經由現地監測 設備所回傳數據進行分析，現場裝設完成情形如圖 3.2-10 所示。
圖 3.2-8 傾斜管於埋設前進行開篩
圖 3.2-9 定置型地中傾斜儀於模擬邊坡裝設
圖 3.2-10 現場設備裝設完成
壹、太陽能發電系統
若預定監測之人工邊坡屬於電力不及或不易取得的區域，則必須就地 採用自然再生能源作為電力來源，由於風力發電較不可預測，故建議以太 陽光電發電做為電力來源，說明如下:
1. 運用型式:獨立型太陽光電發電系統，如圖 3.3-1 所示。
2. 系統設計說明
(1) 無市電備援，設計時須注意發電及蓄電量必須大於用電量
(2) 在最差日照條件下仍需維持系統正常運作，因此蓄電容量必須依設備用 電量有最長連續無日照天數進行設計
(3) 必須提供合理的使用壽命，視地區電池組可將更換週期設計為 2~5 年 (4) 必須考慮太陽光電可能受遮蔭影響之問題
圖 3.3-1 太陽光電發電案例
貳、儲電系統
代了傳統電池。鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池開展而來。所以在介 紹 Li-ion 之前，先介紹鋰電池。舉例來講，扣子式電池就歸於鋰電池。鋰時，則太陽能板發電量需 34.6W。為使整體系統能穩定運行，本研究採用 傳統鉛蓄電池進行實驗，因傳統鉛蓄電池可承受較惡劣的工作環境，且無 須另外加設電池控制器防止電池過放電導致損壞，未來如條件許再逐步採 購不同高效能電池做為儲電系統。
第四章 降雨模擬
第一節、降雨模擬參考情境
自民國 109 年 3 月 1 日起實施，依據中央氣象局「豪大雨雨量分級標 準」，大雨為 24 小時累積雨量達 80 毫米以上，或 1 小時雨量達 40 毫米以 上；豪雨指 24 小時累積雨量達 200 毫米以上，或 3 小時達 100 毫米以上；
若 24 小時累積雨量達 350 毫米以上稱為大豪雨；24 小時累積雨量達 500 毫米以上稱為超大豪雨，如表 4.1-1 所示。
表 4.1-1 豪大雨雨量分級標準(中央氣象局)
分級 說明
大雨 24 小時累積雨量達 80 毫米以上，或時雨量達 40 毫米以上之降雨 現象。
豪雨 24 小時累積雨量達 200 毫米以上，或 3 小時累積雨量達 100 毫米 以上之降雨現象。
大豪雨 24 小時累積雨量達 350 毫米以上，或 3 小時累積雨量達 200 毫米 以上之降雨現象。
超大豪雨 24 小時累積雨量達 500 毫米以上之降雨現象。
本研究以霧化噴頭模擬降雨水源，架設於試驗土槽上方。此降雨模擬 裝置分為蓄水、加壓供水以及灑水三個部分，蓄水部分，是以一 5000L 之 蓄水塔，以確保在進行人工降雨時，有持續穩定且充足的水源供應，並經 由 1 英吋管輸出。另於水源處加裝加壓馬達，以維持噴頭輸出時的水壓(圖 4.2-1)，其加壓馬達最大壓力 4.0kg/cm2、最大水量 48L/min，輸出端以一球 型閥控制水流輸出，可依需求調整為不同雨量，在分接成 4 組 4 分管供應。
為使試驗邊坡範圍內可均勻降雨，本研究採用可調整噴灑模式之霧狀灑水 噴頭，在霧狀模式下，經測試後將噴頭間距調整為 30cm、高度大於 50cm 時，噴灑範圍可完整覆蓋，且無過多重疊，如圖 4.2-2 左下所裝設為一支，
每支為 7 組霧狀灑水噴頭，再同樣以 30cm 間隔共 12 支排列於土槽上方，
總噴頭設置為 7 12 陣列，數量共 84 組，架設完成結果如圖 4.2-3。
圖 4.2-1 降雨模擬裝置之加壓馬達
圖 4.2-2 降雨模擬裝置示意圖
圖 4.2-3 架設完成後現場灑水測試
第三節、大尺寸邊坡降雨模擬破壞試驗
經前述土槽模擬邊坡的建置、邊坡上方監測儀器安裝，與降雨模擬裝 置組裝與測試後，隨即對人工邊坡進行降雨模擬破壞試驗。在降雨模擬開 始前，為避免人工降雨量大時，造成大量逕流水沖刷邊坡表面，較難達到 預期的破壞，便於邊坡表面以長草覆蓋，模擬在有植生保護之邊坡情境(圖 4.3-1)。降雨部分，先將噴灑量調整為最大，並持續 1 小時時間，一來為了 測試此降雨模擬裝置可產生之最大降雨量，二來使邊坡破壞速度加速，即 可由監測所得成果進行分析比對，試驗過程以錄影及拍照方式記錄，圖 4.3-2 左為降雨模擬開始，右為降雨 1 小時後情形。
圖 4.3-2 邊坡模擬降雨開始與結束
在降雨結束後靜置一段時間後，肉眼觀察表面整體並無明顯變化，但 再翻開覆蓋草皮後，可明顯看到許多張力裂縫以及沉陷的跡象(圖 4.3-3)，
裂縫大小與沉陷量大約為 4-6cm，其結果顯示降雨已對此邊坡有潛在的破 壞發生。
圖 4.3-3 草皮下方裂縫發展情形
第五章 邊坡穩定模擬與數值分析
本研究進行大尺寸邊坡穩定模型示意圖如圖 5-1 所示，並以此進行邊 坡穩定分析。
儲水桶
降雨模擬器
降雨模擬器
擋土設施
壹、邊坡穩定模擬方式說明
本案採用 GeoStudio 套裝軟體中之 SLOPE/W 模組進行邊坡穩定分析。
GeoStudio 由加拿大 Calgary 大學研發，經過數十年時間，已成為國際間廣 為採用之的邊坡穩定性分析軟體，適合於分析模擬土壤、岩石等大地材料 的力學行為。SLOPE/W 模組主要運用極限平衡理論，針對不同土壤類型、
複雜地層和各種滑動面形狀的邊坡，孔隙水壓力分布狀況進行建構模式分 析。分析方法包括 Morgenstern-Price、GLE、Spencer、Bishop、Ordinary、
Janbu、Sarma、Corps of Engineering、Lowe-Karafiath 等分析方法。土壤強 度破壞準則包含莫耳庫侖(Mohr-Coulomb)模式、雙線性(Bilinear)模式、不 排水(Undrained)模式、非等向性(Anisotropic)模式、Hoek and Brown 模式等。
孔隙水壓力模型包括 Ru 係數、壓力線、等壓力線、水力梯度值、透過有限 元素計算的壓力和壓力水頭。滑動面分析可透過同心圓和半徑線、滑移面
前端的塊體或全部指定的形狀定義搜尋可能滑移面；針對各種土體特性和 承載條件的分布函數來進行隨機近似分析。
針對本案，SLOPE/W 模組使用於邊坡穩定分析時，可達到之目的為針 對岩盤上覆蓋軟弱土層在坡頂有張力裂縫，複合式滑動面等各種情況下，
可使用 Spencer、Ordinary、Bishop、Janbu 及 Morgenstern-Price 等切片法分 析邊坡穩定的安全係數。另外對於邊坡穩定治理方法中，適用於有外力荷
表 5.1-1 簡化材料參數表
層次 材料 單位重
(kN/m3)
C (kN/m2)
(o)1 土壤 17 35~93 26~34
2 岩盤 22 1000* 40*
*為假設值
圖 5.1-2 邊坡穩定模擬剖面圖
貳、邊坡穩定模擬成果
本計畫將邊坡穩定模擬分為不同情境下，極限平衡法所得到之安全係 數值，分別為模擬自然邊坡情況下地下水位由模擬岩盤面上升 50cm 以及 100cm 時、水位上升 50cm 且於擋土構造後方蓄積時以及邊坡覆蓋至擋土構 造後方時，地下水位上升 50cm，共四種，其模擬成果如下：
Distance [m]
0 1 2 3 4 5
Elevation [m]
0 1 2 3 4
圖 5.1-3 邊坡下水位上升 50cm 模擬剖面圖
2、地下水位上升 100cm，FS=0.692。
圖 5.1-4 邊坡下水位上升 100cm 模擬剖面圖
3、地下水位上升 50cm 且於擋土構造後方蓄積，FS=0.840。
圖 5.1-5 邊坡下水位上升 50cm 且於擋土構造後方蓄積模擬剖面圖
圖 5.1-5 邊坡下水位上升 50cm 且於擋土構造後方蓄積模擬剖面圖