沖蝕率特性討論

圖4-13 為彙整本研究清水試驗結果結果及郭炳宏(2010)至 Briaud (2008)土堤鑽探試體之沖蝕試驗結果對數圖。

圖4-3 軟岩沖蝕試驗結果與 Briaud (2008)試驗結果(藍色菱形點為

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Briaud (2008)，紅色方框內三角形點為本研究數據，黑色方框為泥岩 沖蝕率，藍色方框內圓點為郭炳宏(2010)沖蝕結果，綠色方框內方形

點為人造砂岩試驗結果，並將管流流速換算為試體表面流速) Briaud (2008)由土堤鑽探取得的試體進行 EFA 試驗結果中，針對 試驗土壤性質包含土壤塑性、緊密程度詳盡分類，並將夯實程度、密 度、土壤粒徑等因素趨勢化，使土壤的沖蝕特性整理為分區性的沖蝕 指數，由高至低分類為(I~VI)六個區塊，並推估節理岩體沖刷速率於 (III~VI)區域中，將岩石節理間距由小至大排序(圖 4-14)。

圖4-4 沖蝕率趨勢分區圖(Briued，2008)

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本研究將試驗結果匯整至Briaud (2008) EFA 試驗結果圖中，以 岩性、管流流速、岩石表面抗沖蝕強度等沖蝕條件進行比較與討論。

圖4-15 中 Briaud (2008)土壤沖蝕率皆落於高沖蝕率(I、II、III)區域中，

軟岩沖蝕率結果於沖蝕率趨勢圖中多數落於低沖蝕率(Very Low Erodibility)V 區域中，可以得知土壤與岩石受水流磨蝕的沖蝕速度有 明顯差距，且各類岩性也有相當的差異。

圖4-5 磨蝕沖蝕試驗試體沖蝕率趨勢圖(清水試驗)

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Briaud (2008)土堤鑽心的 EFA 試驗流速範圍為 0.34 ~ 7.40m/s，

試驗沖蝕率範圍落於678.57 ~ 0.1mm/hr；本研究軟岩沖刷試驗流速範 圍為0.54m/s ~ 15.04m/s，軟岩磨蝕沖蝕率的大小為，人造砂岩＞泥 岩＞砂岩＞頁岩，郭炳宏(2010)人造砂岩沖蝕率接近土壤試體之沖蝕 率高沖蝕率區域(II)中，泥岩沖蝕率於中等沖蝕力(III)區域，砂岩沖蝕 率多落在低沖蝕力(IV)區域，頁岩則為非常低沖蝕力(V)區域中。

岩心試體的沖蝕率試驗結果於圖4-15 中，砂岩沖蝕率介於 0.0170

～0.0455 (mm/hr)之間，頁岩沖蝕率介於 0.0045(mm/hr) ～0.0085 (mm/hr)之間，泥岩沖蝕率為 0.638~0.894(mm/hr)；相較人造砂岩沖蝕 率為20(mm/hr) ～220(mm/hr)明顯高出許多，因人造砂岩材料較不均 質且無法反應完整的岩化作用，表面顆粒之間凝聚性較差，且試驗過 程中會由於顆粒差異及膠結力弱化之影響會於短時間內產生較高之 沖蝕率，導致結果比較接近於Briuad (2008)土壤試體沖刷速率。

試驗過程中由透明試驗段觀察，人造砂岩試體於試驗段類似土壤 顆粒狀的消散，其中試體中較大顆粒亦於周圍高程降低後受水流衝擊 帶走；泥岩試體因遇水表面容易呈現泥漿糊狀，以手觸摸有黏稠感，

故試驗步驟中先置於試驗段中使表面飽合，表面沖蝕呈現以極微小的 類似薄片狀被水流帶走，砂岩及頁岩試體則在試驗進行中以肉眼無法 觀察到試體沖刷行為，試驗結束後觀察試體發現砂岩試體表面呈現粗

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糙狀，以手觸摸有粗顆粒感，頁岩則感到滑順。(由第五章移至此) 本試驗試體表面於飽和後於試驗時間內連續接觸水平向水流衝 擊，而岩石耐久性試驗以小型鼓輪使試體乾濕循環並磨擦撞擊，故於 此以消散耐久性進行比較討論。大安溪、集集、石岡壩軟岩皆為砂岩 耐久性較差，而頁岩為中至高耐久性。人造砂岩及泥岩試體進行耐久 性試驗結果顯示耐久性相當差，試體遇水岩石顆粒間的鍵結力降低，

無法進行消散耐久性試驗，故於沖蝕率比砂岩頁岩等岩性高出許多。

故本研究認定表面的磨蝕沖蝕率與軟岩遇水後之性質以及長期於飽 和狀態下，岩石孔隙受水流壓力滲入而表面弱化，而受水流拖曳力帶 走細小岩屑，而岩石遇水弱化的程度與岩石消散耐久性有很大的相關 性。

針對不同地層試體沖蝕率作比較，卓蘭層屬於上新世晚期至更新 世早期堆積成的沉積岩層(地質年代約一百五十萬年前)，而頭嵙山層 為更新世相對地質年代較為年輕，試驗結果顯示沖蝕率為集集(頭嵙 山層)砂岩>(大安溪、石岡壩)卓蘭層砂岩。從沈積岩的結構特徵來看，

岩石是由碎屑及膠結物兩部份組成，砂岩顆粒較大表面較為粗糙，礦 物組成主要為石英及長石，頁岩則屬於碎屑顆粒很細而與膠結物組成 (陳汝勤，莊文星，1992)，故沖蝕試驗後觸摸時有滑膩感。古亭坑層 泥岩屬於上新世晚期至更新世早期之沉積岩層，泥岩的粉土黏土含量

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與砂岩成分比例相異，礦物成分大部份是由黏土礦物，且具有微量膨 脹性黏土成分(葉峻維，2008)。人造砂岩是將岩屑研磨過後過篩，以 濕篩法將粗顆粒與細顆粒依照比例拌合，達成膠結物的特性，經過有 限的時間內壓密固結雖達軟岩的強度，但遇水則失去原先岩石固結的 特性。因此推斷岩石的岩化型態不同造成岩石表面抵抗磨蝕能力之差 異，壓密固結應力較大，作用時間也較久，且地質年代久遠的岩石固 結性較佳，就膠結性而言，膠結性排序為矽質膠結>輕度變質>石灰質 膠結>黏土膠結>粉土膠結。因此推估為岩石成岩型態、礦物含量比 例、土壤含量比例、膠結型態不同，亦產生不同的沖蝕率試驗結果。

含泥砂水流沖蝕率為0.2216~0.5752(mm/hr)， 圖 4-12 結果顯示，

於相同試體及流速條件下，含泥砂水流沖蝕率>清水試驗沖蝕率，加 入泥砂之濃度與試體沖蝕率有正相關，而以相同試體、流速、濃度下，

沖蝕率為渥太華砂(粒徑為#40~#60 篩)>寶二水庫土壤(粒徑為過#200 篩)，於本試驗選取模擬懸浮載之顆粒粒徑範圍中，粒徑與沖蝕率有 正相關。

本研究將所有試驗流速為10m/s 的沖蝕試驗沖蝕率結果比較，如 圖4-16 所示。

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圖4-16 相同流速沖蝕率比較圖

圖4-16 可以由砂岩及頁岩沖蝕率發現，砂岩沖蝕率為頁岩的 3-4 倍。砂岩試體在加入過#200 號篩土讓後，1000ppm 濃度試驗與清水 試驗之沖蝕率接近，而5000ppm 及 10000ppm 沖蝕率結果為清水試驗 之2 倍及 3 倍；而加入#40~#60 號篩的渥太華砂 (粒徑

0.25~0.42mm)5000ppm 後，沖蝕率與加入過#200 號篩土壤及清水試 驗作比較，沖蝕率為相同濃度過#200 號篩土壤沖蝕率的 1.5 倍，清水 試驗沖蝕率的3.2 倍。

磨蝕沖蝕的量測由試體表面高程差決定其沖刷量，岩石表面所受 水流拖曳力或含砂水流中的懸浮載撞擊磨擦力大於岩體本身的膠結

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力，則造成岩心表面顆粒遭水流帶走的現象。依據試體表面的狀況、

沖蝕率數據分佈、岩石性質比較推估，本研究認為，使用水平向紊流 沖蝕岩心試體的試驗方式，試體之岩性為影響沖蝕率之主要因素。岩 石表面顆粒膠結力及成岩的特性因岩性而異，故抵抗水流沖刷能力因 岩性有所差異；而含泥砂水流試驗，試驗水流濃度與出蝕率正相關，

控制粒徑模擬懸浮載的沖蝕模式，於本試驗使用的粒徑範圍內，粒徑 與沖蝕率正相關，故本研究認為試驗水流控制的濃度及模擬懸浮載之 粒徑皆為重要控制沖蝕率的因素。

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