為瞭解時變性流變特性對土石流體流動及堆積之可能影響情況，本計畫以高 嶺土漿體及不同的顆粒混合漿體，進行不同靜置時間條件下漿體之流動特性及堆 積情況的觀測實驗，藉以探討泥漿體之流動特性及其堆積情況可能受到之影響。
本章首先說明渠道實驗佈置及步驟，然後進行渠道流動實驗，以探討不同濃度及 不同靜置時間條件對漿體流動距離、流動速度、流動深度及堆積形態之影響。
6.1 實驗佈置、步驟以及泥漿體流變特性 (1)實驗渠槽及材料
在渠槽實驗規劃方面，本研究設計了一長200 cm，寬10 cm之透明渠道以及 一個長100cm、寬100 cm之平台。其中本實驗固定渠道之坡度為15度，而平台之 坡度為0度。本實驗於渠道最上游端50 cm處設置一活動隔板，隔板上游50 cm之 區域為漿體放置區；隔板向下至平板處為漿體流動區間。本研究所規劃之實體渠 槽照片詳如圖6.1所示；渠道尺寸詳如圖6.2所示。在實驗材料方面，本實驗中所 採用之細泥漿體為
C = 30 %、27.5 %及25 %之高嶺土漿體；顆粒混合漿體則是vf
以高嶺土漿體為基底漿體(C =27.5%)，將顆粒粒徑Dvf p = 2 mm之粗顆粒，調配成 顆粒濃度Cvp= 15 %及30 %之顆粒混合漿體。
(2)實驗步驟及量測項目
本實驗對於細泥漿體及顆粒混合漿體進行渠道流動實驗，本實驗所採用之細 泥漿體及顆粒混合漿體於調置完成後，先靜置24 小時，而後再以攪拌機持續攪 拌30 分鐘後，再分別靜置 5 分鐘及 180 分鐘，而後進行渠道流動觀測實驗，所 進行渠道實驗條件詳如表6.1 所示。本實驗所調置之顆粒混合漿體於靜置 180 分 後，於漿體表面仍可觀察到部份粗顆粒，顯示並未有明顯顆粒沈降現象。而漿體 於渠道流動時，同時架設二台攝影機以量測泥漿體流動時之距離、深度及時間等 資料，並且於平台上黏貼透明方格，量測平台上泥漿體之堆積形狀，以進一步分 析不同靜置時間對於泥漿體於渠道流動及堆積情況之影響。
在量測項目方面，本研究主要量測泥漿體流動時之流動距離、流動深度、流 動時間以及於平台上之堆積形狀。本計畫所應用之攝影機可於每 1/25 秒擷取一
畫在部份漿體之流動實驗中，有觀察到漿體前端有較明顯之隆起現象，詳如圖 6.3 所示。根據攝影機數次觀察結果顯示，漿體之前端約在 10 ~ 14 cm 之後，漿 體前端所隆起之水深便接近一較平穩的狀態，因而本研究以漿體前端12 cm 處之 漿體深度為流動深度，如圖6.3 所示。此外，本計畫並進一步根據量測二個不同 時間之流動距離差，計算出前端漿體之流速，其流動水深及不同時間之前端距離 示意圖如圖6.4 所示。
圖6.1 渠槽現況圖
圖6.3 高嶺土漿體(Cvf = 25.0 % )流動時所出現前端流動情況
圖6.4 前端隆起深度及不同時間之前端距離示意圖
表6.1 渠槽實驗之實驗條件
體積濃度 顆粒濃度 靜置時間
C = 30.0 % vf Cvp= 0 % 5 分鐘、180 分鐘 C = 27.5 % vf Cvp= 0 % 5 分鐘、180 分鐘 C = 25.0 % vf Cvp= 0 % 5 分鐘、180 分鐘 C = 27.5 % vf Cvp= 15.0 % 5 分鐘、180 分鐘 C = 27.5 % vf Cvp= 30.0 % 5 分鐘、180 分鐘
前端隆起
△L
(3)不同靜置時間後泥漿體之流變特性
在進行不同靜置時間下泥漿體流動及堆積實驗之前，本研究首先進行不同靜 置時間後高嶺土漿體之流變特性量測。首先將高嶺土漿體(Cvf = 30.0 %)持續攪拌 30分鐘後，分別設定不同的靜置時間，再進行增加剪切率之流變實驗，所量測出 之流型曲線如圖6.5所示。由圖6.5可看出，在持續攪拌30分鐘後，因泥漿體內部 之絮網結構遭持續破壞，因而在靜置時間為5 分鐘情況下所量測出之剪應力值較 小；而隨著時間逐漸增長，在靜置時間為60分鐘時，在相同剪切率下所量測出之 剪應力值明顯變大。而靜置120分鐘後泥漿體之剪應力亦較靜置60分鐘之泥漿體 剪應力大，然而其增加幅度已明顯變小許多；靜置180分鐘之泥漿體剪應力又較 靜置120分鐘後之泥漿體剪應力大。顯示高嶺土漿體流變特性具有隨著受剪時間 增長而恢復之特性，而且其恢復情況於前60分鐘較為快速，而後則較為穩定的持 續恢復。
0 4 8 12 16 20 24
Shear rate (1/s)
0 10 20 30 40
Shear stress (Pa)
Resting time = 5 min Resting time = 60 min Resting time = 120 min Resting time = 180 min
圖6.5 不同靜置時間後高嶺土漿體(Cvf = 30.0 %)之流型曲線
6.2 渠道流動實驗觀察結果
根據本研究前述之研究結果顯示，泥漿體在持續攪動情況下，其流變參數會 隨著受剪時間增長而遞減；而在靜置一段時間後，其流變關係會再逐漸恢復到原 有情況。為瞭解此種時變性流變關係對於泥漿體流動特性及堆積特性之影響，本 研究進行不同靜置時間後泥漿體之流動及堆積特性觀測實驗。本研究於實驗觀測 中發現靜置時間較長之細泥漿體(Cvf = 30 %)於渠道中途便停止流動之現象，部份 漿體亦有較明顯之泥漿團和前端漿體隆起，以及前端漿體所造成之堆積特性，分 別說明如下：
(1)細泥漿體流動停止
本研究於體積濃度Cvf = 30.0 %之高嶺土漿體流動實驗中，觀測到靜置5分鐘 後之高嶺土漿體持續緩慢地流動至堆積區，如圖6.6所示；而靜置時間為180分 鐘之高嶺土漿體卻流動至渠道中途便停止，如圖6.7所示。此一現象可推論為靜 置180分鐘之泥漿體，因其絮網結構已恢復到較緊密之情況下，泥漿體之屈服應 力及黏滯度較大(其流型曲線詳如圖6.5所示)，維持泥漿體持續流動所需之剪應 力較大，因而造成泥漿體於渠道中流動到中途便停止之現象；反之，靜置時間5 分鐘之泥漿體，其屈服應力及黏滯度較小，因而可持續緩慢流動完全程。此一 現象也具體反應了時變性流變特性對於泥漿體持續流動情況之影響。
圖6.6 靜置 5 分鐘後之高嶺土漿體(Cvf = 30.0 %)有持續緩慢流動至堆積區
圖6.7 靜置 180 分鐘後之高嶺土漿體(Cvf = 30.0 %)流動至渠道中途便停止 (2)泥漿體之泥漿團及前端隆起現象
本計畫於實驗中，透過攝影機所擷取出的畫面觀察到部份泥漿體於流動時，
其流動波前端會出現一較明顯的前端水波，詳如圖6.3所示。此一前端水波有時 會出現波速減慢後，因後端漿體持續向前擠壓，而再次向前加速之現象。而此 一前端水波進入到水平之堆積區後，首先會先衝出一長度較長，而寬度較窄的 堆積範圍，而後續流出之漿體則覆蓋到前端漿體所堆積之土體上，之後才逐漸 向二側溢淹，造成二側之堆積，其所形成堆積情況示意圖如圖6.8所示。另外，
並可於堆積區之平台上發現較明顯之泥漿團塊，其泥漿團如圖6.8所示。
綜合上述觀察結果，初步推論泥漿體在靜置較長時間後，漿體內部產生較緊 密之絮凝結構，因而形成較濃稠之泥漿團塊。因此在隔板一開始抽出時，泥漿團 會快速地衝出，若其位於漿體前端，便會形成較明顯之漿體隆起現象。而較濃稠 之泥漿團因屈服應力與黏滯力較大，其流速持續變慢之後，後端漿體持續向前擠 壓，造成漿體再次加速向下移動。而泥漿團流入水平的堆積區之後，因其濃度較 為濃稠，因而衝出一長度較長而寬度較小之堆積範圍，而後續之漿體再持續流 入，因而造成兩側較大之溢淹情況。
停止流動
圖6.8 高嶺土漿體前端漿體與後續漿體所造成之堆積範圍示意圖
6.3 流動及堆積實驗結果分析
本研究採用細泥漿體(Cvf = 30 %、27.5 %及25 %)以及以玻璃珠(Dp = 2 mm) 及高嶺土漿體(Cvf = 27.5 %)調製而成的顆粒混合漿體(Cvp =15 %、30 %)，進行 進行渠道流動及堆積觀察實驗，以探討不同靜置時間下泥漿體之流動情況及堆 積特性差異。實驗中量測泥漿體之流動距離、深度及時間等資料。所量測細泥 漿體之前端流動水深及流速資料詳如表6.2所示；顆粒混合漿體之資料則詳如表 6.3所示。本節根據所量測之結果探討不同濃度及靜置時間條件下泥漿體之流動 及堆積特性變化，說明如下：
(1)靜置時間對流動水深之影響
本研究根據所量測之結果，繪製在相同靜置時間下，不同濃度泥漿體流動水 深隨流動距離之變動情況圖，詳如圖6.9所示。由圖6.9可看出不同濃度細泥漿體 以及顆粒混合漿體之流動水深均會隨著流動距離的增長而遞減，而其水深大多 介於4.5 cm ~ 1cm之間。此外，在圖6.9a及圖6.9b中可看出，不同體積濃度漿體
後續漿體堆積範圍
前端漿體衝出堆積範圍
後續漿體堆積情況 泥漿團
之水深整體差異不大，顯示不同體積濃度對於細泥漿體之流動水深影響不大。
然而在圖6.9c及圖6.9d中，則可比較出顆粒濃度Cvp = 30 %漿體於流動時之水深 則略較Cvp = 15 %漿體之水深大。此外，圖中亦可比較出不同靜置時間之顆粒混 合漿體之流動水深，在相同流動距離情況下較無明顯差異。顯示不同靜置時間 對於顆粒混合漿體之流動水深影響不大，反而粗顆粒含量對其流動水深影響較 大；當顆粒濃度較高時，顆粒混合漿體之流動水深亦較深。
(2)靜置時間對流動速度之影響
本研究根據所量測結果繪製在相同濃度下，不同靜置時間之泥漿體流速隨流 動距離之變動情況圖，詳如圖6.10所示。由圖6.10可看出，不同漿體之流速量測 會出現跳動之情況，然而整體而言，仍可看出靜置時間180分鐘之泥漿體流動速 度較靜置時間5分鐘之泥漿體流動速度快，不同漿體流速之平均值詳如表6.2及 6.3所示。此現象可推論在靜置時間180分鐘後，泥漿體因絮網結構較緊密，會 形成較濃稠之泥漿團，因而流動時，漿體內部所形成之泥漿團受重力影響而形 成較快的流速。在不同濃度之比較方面，可看出體積濃度Cvf = 25 %之細泥漿體
本研究根據所量測結果繪製在相同濃度下，不同靜置時間之泥漿體流速隨流 動距離之變動情況圖，詳如圖6.10所示。由圖6.10可看出，不同漿體之流速量測 會出現跳動之情況，然而整體而言，仍可看出靜置時間180分鐘之泥漿體流動速 度較靜置時間5分鐘之泥漿體流動速度快，不同漿體流速之平均值詳如表6.2及 6.3所示。此現象可推論在靜置時間180分鐘後，泥漿體因絮網結構較緊密，會 形成較濃稠之泥漿團，因而流動時，漿體內部所形成之泥漿團受重力影響而形 成較快的流速。在不同濃度之比較方面，可看出體積濃度Cvf = 25 %之細泥漿體