第一章 緒論
第二節、 相關研究近況與參考資料
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SI1 360 71.79% 75.68% 76.12% 90.91%
SI2、R 440 83.15% 100.00% 100%
SI3 440 87.88% 81.09% 100% 100%
SI4 290 100.00% 100.00% 100%
平均 94.13% 95.66% 100.00% 93.41% 96.87%
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圖1-6 台北市文山區某測試點相對位置關係與紀錄(建研所 2018)
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表1-5 高雄寶山聚落(坡地社區)建議之安全監測管理值(水保局 2014)
圖1-7 103/07/25~103/09/09 BH-5孔口變位與變位速率(水保局 2014) 第三節、工作項目與範圍
本 研 究 之 目 的 在 於 擴 充 與 強 化 過 去 之 整 合 型 監 測 器 ， 加 入 雨 量 計 、 水 位 計 與 地 錨 荷 重 計 ， 建 立 低 功 耗 、 低 成 本 、 高 穩 定 性 與 耐 候 性 之 整 合 型 監 測 器 ， 以 及 對 應 之 傳 輸 系 統 ， 提 供 即 時 、 穩 定 、 可 靠 之 監 測 資 料 傳 輸 系 統，擴 充 防 災 監 控 平 台， 運 用 於 示 範 山 坡 地 社 區，經 由 本 計 畫 之 系 統 蒐 集 示 範 山 坡 地 監 測 資 料，以 推 廣 山 坡 地 社 區 智 慧 型 防 災 系 統 。 本 研 究 工 作 項 目 如 下 ：
1. 篩 選 一 處 坡 地 社 區 地 錨 擋 土 牆，設 置 1只 地 錨 荷 重 計、1只 水 壓 計 與 1只 雨 量 計 進 行 自 動 化 連 續 監 測 。
2. 進 行 整 合 性 監 測 系 統 之 耐 候 性、傳 輸 穩 定 性 與 建 置 成 本 之 研 究 3. 建 置 低 成 本 自 主 供 電 系 統 。
4. 整 合 監 測 數 據 至 建 研 所 防 災 資 訊 平 台 。
5. 辦 理 社 區 說 明 會，並 針 對 完 成 之 自 動 化 監 測 系 統 研 提 推 廣 應 用 機 制 與 途 徑 。
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圖2-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌
圖2-2 達觀鎮社區雨量圖
0 50 100 150 200 250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
降雨量(mm)
Date
每日雨量 累計雨量
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由 上 述 各 事 件 可 知，降 雨 是 觸 發 坡 地 災 害 發 生 最 主 要 的 原 因，而 不 論 是 大 型 崩 塌 或 是 規 模 較 小 的 擋 土 牆 破 壞，皆 可 能 會 對 民 眾 產 生 影 響 ，甚 至 威 脅 到 民 眾 的 生 命 財 產 。目 前 針 對 降 雨 驅 動 的 坡 地 災 害， 大 多 使 用 雨 量 作 為 主 要 警 戒 指 標，但 對 應 各 坡 地 之 地 質 條 件、擋 土 設 施、
排 水 設 施 等 情 況 有 所 不 同，防 災 警 戒 行 動 應 回 歸 到 人 工 擋 土 結 構 之 位 移 變 化 趨 勢，透 過 各 感 測 器 進 行 即 時 監 測，掌 握 人 工 擋 土 結 構 在 觸 崩 因 子 作 用 下 的 滑 動 徵 兆。本 研 究 藉 由 對 於 擋 土 設 施 位 移 情 況、既 有 裂 縫 變 化 情 形 、 背 填 區 土 壤 含 水 量 變 化 等 的 即 時 監 測 數 據 作 為 警 戒 指 標 ， 以 此 達 到 更 好 的 預 警 效 果 。
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組件材料、施工工藝及管理維護等因素影響；由於地錨為隱蔽工程，因此，於地 錨施工前或施工階段，須進行現場試驗(例如證明試驗、適用性試驗)，以取得設 計參數或驗證其效果是否能滿足設計需求；此外，於地錨服役後，為驗證設計的 妥適性及掌握工作地錨的服務性能，亦常需進行長期監測或檢測，量測項目一般 包括地錨荷重、位移、應力隨時間的變化、地層的潛變位移等；對於變異性大的 地層或軟弱岩土等，也可能需要更廣泛的監測與檢測計畫。地錨荷重計則擔任重 要的角色，如圖 2-5 所示，由於其長期處於受力狀態，其耐候性與穩定性更需注 意。
圖2-5 本研究採用之地錨荷重計
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第三節、無線傳輸系統技術
隨 著 資 訊 及 通 訊 技 術 (Information and Communication ; ICT)的 發 展，無 線 監 測 網 域 (Wireless Sensor Network；WSN)，指 在 場 域 內 分 散 佈 建 特 殊 功 能 的 感 應 及 傳 輸 元 件 ， 用 來 監 測 和 記 錄 環 境 的 現 況 資 訊 ， 並 將 資 料 透 過 通 訊 技 術 蒐 集 到 遠 端 伺 服 器 來 進 行 分 析 、 判 斷 及 反 應 ， 一 直 都 是 國 內 外 相 關 產 官 學 研 界 積 極 投 入 研 究 發 展 的 領 域，早 期 希 望 各 種 監 測 設 備 所 蒐 集 之 資 訊 能 透 過 不 同 的 無 線 平 台 傳 輸 ， 如 Zigbee、
WiFi 、 2G、 3G或 4G等 ， 但 多 受 到 傳 輸 距 離 、 消 耗 電 力 及 傳 輸 費 用 之 限 制 ， 而 無 法 在 廣 大 的 區 域 來 佈 建 。
近 2~3 年 來 ， 新 發 展 的 低 耗 能 長 距 離 廣 域 無 線 網 路 技 術 ( Low Power Wide Area Network；LPWAN)如 圖 2-6，包 含 LoRa、Sigfox、NB-IoT、Weightless 等 無 線 通 信 技 術 皆 已 逐 漸 成 熟，全 球 的 物 聯 網 與 通 訊 廠 商 也 積 極 廣 設 各 種 跨 域 或 獨 立 的 LPWAN基 地 台 ， 將 長 距 離 、 高 覆 蓋 率、低 功 耗、低 成 本 優 勢 與 高 端 傳 感 器 和 智 慧 裝 置 結 合 ，開 始 提 供 相 關 創 新 服 務 。 因 此 ， 如 能 透 過 此 新 一 代 IoT通 訊 技 術 加 以 實 證 ， 將 可 大 幅 擴 展 物 聯 網 的 應 用 情 境，包 含 應 用 於 各 種 生 活 需 求，改 善 生 活 環 境 。
圖2-6 LPWAN廣域物聯網服務之願景模擬 (資 料 來 源 ： 本 團 隊 整 理 )
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對 於 本 研 究 而 言 ， 無 線 傳 輸 技 術 首 要 難 題 為 建 築 物 屏 蔽 ， 如 圖 2-7，人 工 擋 土 結 構 前 方 大 多 都 有 保 全 對 象 (如 社 區 民 宅 等 )，因 此 感 測 器 之 無 線 傳 輸 訊 號 便 可 能 受 到 障 礙 物 屏 蔽，而 造 成 訊 號 無 法 傳 輸。此 外 接 收 處 需 要 有 穩 定 電 源，而 監 測 器 皆 裝 設 於 人 工 邊 坡 上，兩 者 間 除 存 在 一 定 距 離 外，更 存 在 高 程 差 異。如 圖 2-8所 示 之 山 坡 地 社 區，便 顯 示 了 高 程 落 差 、建 物 屏 蔽、佈 點 位 置 受 限 之 困 難。 因 此 良 好 的 位 置 選 擇 及 傳 輸 技 術 的 優 劣 ， 遂 成 為 智 能 感 測 器 以 無 線 傳 輸 的 關 鍵 。
圖2-7 訊號傳輸示意圖
圖2-8 新店區示範社區 (資料來源：鏡傳媒)
壹、低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Area Network,
LPWAN)
對 應 於 物 聯 網 時 代 大 量 數 據 傳 輸 需 求 之 應 用 情 境，低 耗 能 長 距 離 廣 域 無 線 網 路 系 統 (Low Power Wide Area Network, LPWAN )即 為 近 年
接收站 監測器
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物 聯 網 新 發 展 的 重 點 技 術 之 一 ， 現 今 已 廣 泛 應 用 在 智 慧 工 廠 、 城 市 、 社 區 、 農 漁 牧 業 等 領 域 。 本 團 隊 歸 納 主 要 具 備 以 下 5大 優 勢 如 圖 2-9，
且 與 其 他 無 線 技 術 比 較 如 圖 2-10。
1. 低 成 本 ： 適 合 大 量 應 用 ， 減 少 期 初 建 置 與 營 運 成 本 。
2. 大 範 圍：無 需 繁 複 的 基 礎 建 設，具 更 強 的 穿 透 力 與 更 遠 的 傳 輸 距 離 。
3. 低 耗 電：減 少 電 池 能 量 消 耗，以 增 加 裝 置 或 感 測 器 的 使 用 時 間。
4. 非 授 權 頻 率 ： 適 用 於 全 球 各 個 國 家 的 佈 建 。 5. 頻 寬 費 低 ： 使 用 頻 寬 通 訊 費 低 廉 。
圖2-9 LPWAN廣域物聯網路之優勢及IoT頻譜分析 (資料來源：本團隊整理)
圖2-10 LPWAN具長距離低耗能之傳輸特性 (資料來源:正文科技)
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聯 網 器 材 (920∼925MHz)、 以 及 低 功 率 海 上 活 動 示 標 器 (926∼928MHz) 的 使 用 規 定，其 頻 段 的 規 格 與 美 國 相 同，不 同 之 處 在 於 其 上 行 頻 率 高 於 美 國 頻 段 ， 其 下 行 鏈 路 信 道 與 US902~928 MHz頻 段 相 同 。
圖2-11 LoRaWAN 基地台規格特色
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Weightless 為 the Weightless Special Interest Group,SIG 組 織 和 技 術 之 名 稱 。 提 供 低 功 耗 廣 域 網 的 無 線 連 接 技 術 ， 專 為 物 聯 網 而 設 計 ，
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韌 體 升 級 (Firmware Upgrade)等，其 他 技 術 並 不 完 整 支 援 的 功 能，可 以 提 供 接 近 NB-IoT的 網 路 服 務 品 質 。
圖2-13 Weightless的特色 (資料來源:優必闊科技)
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(資料來源: Mobile Expert: Mobile and Wide-Area IoT:LPWA and LTE connectivity.2016)
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第四節、研究區域概述
本 計 畫 之 研 究 區 域 選 定 位 於 新 北 市 新 店 區 某 社 區 之 人 工 邊 坡 進 行 ，以 下 對 於 此 區 域 的 氣 象 、 地 質、社 區 概 況 及 預 訂 監 測 之 人 工 邊 坡 等 進 行 說 明 。
壹、氣象資料
研 究 區 域 之 降 雨 高 峰 期 間 大 致 落 於 每 年 6月 9月，與 一 般 北 部 之 坡 地 社 區 面 對 之 降 雨 條 件 類 似 。 平 均 日 照 時 間 約 2~5小 時 ， 對 於 太 陽 能 發 電 不 太 足 夠 ， 因 此 仍 區 開 發 高 效 能 儲 電 系 統 。
圖2-15 研究區域附近歷年雨量資料(水利署01A410測站)
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產 物。乾 溝 層 加 上 大 桶 山 層 可 以 和 臺 灣 中 部 的 水 長 流 層 對 比，因 為 它 們 的 時 代 和 岩 性 大 致 相 同。這 些 地 層 中 曾 找 到 不 少 的 化 石，包 括 貝 類、
有 孔 蟲 穎，和 海 膽 類。在 標 準 地 點 大 桶 山 東 北 約 三 十 公 里 處 的 魚 行 曾 找 到 很 多 有 孔 蟲 化 石，經 研 究 結 果，都 被 認 為 屬 於 漸 新 世 魚 行 組 化 石 群 ， 也 就 代 表 了 張 麗 旭 (1954) 所 謂 的 漸 新 世 石 槽 階 地 層 。 最 近 微 體 古 生 物 學 家 的 研 究，也 主 張 大 桶 山 層 是 漸 新 世 的 說 法。在 新 的 地 質 圖 上 ， 大 桶 山 層 和 乾 溝 層 (以 及 水 長 流 層 ) 的 時 代 皆 定 為 漸 新 世 。
圖2-16 研究區域位置圖(底圖取自1/25000經建版地形圖4版)
圖2-17 研究區域地質分布圖(底圖取自中央地調所)
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參、現況照片
社 區 南 側 為 三 個 單 為 組 成 之 地 錨 擋 土 牆，目 前 社 區 委 託 某 顧 問 公 司 進 行 週 期 半 年 之 定 期 監 測 。 照 片 如 圖 2-18所 示 。
( a ) 計 畫 團 隊 與 擋 土 牆 ( b ) 擋 土 牆 已 明 顯 變 形 且 滲 水
( c ) 擋 土 牆 後 之 自 然 岩 層 ( d ) 擋 土 牆 非 常 高 聳 且 緊 貼 社 區 建 物
圖2-18 研究區域現況照片(108/03/21)
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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所 示 。
圖3-2 振弦式裂縫計
3. 土 壤 水 分 計
一 般 傳 統 土 壤 水 份 量 測 為 利 用 土 壤 變 乾 ， 水 會 被 土 壤 從 張 力 計 內 的 管 柱 抽 出；當 下 雨 或 灌 溉 時 則 產 生 反 轉 的 動 作。然 而 為 量 測 到 更 精 確 的 土 壤 中 水 份 變 化 ， 改 以 量 測 土 壤 的 介 電 常 數 (即 電 容 )變 化，而 換 算 成 土 壤 含 水 量。探 針 式 電 容 感 應 器 能 敏 感 地 量 測 土 中 電 容 變 化，並 將 土 壤 模 擬 成 電 阻 (R)與 電 容 (C)的 並 聯 等 效 電 路 ， 以 換 算 成 水 份 含 量 。 其 形 式 為 Capacitance Probe (CP) 多 節 式 電 容 土 壤 水 份 感 測 器 ， 為 一 單 感 多 節 式 土 壤 水 份 感 測 器，多 點 感 測 環 可 依 實 驗 所 需 深 度 進 行 調 整，量 測 資
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料 經 由 介 面 卡 與 資 料 收 集 處 理 器 (Data logger)所 收 集 。 感 測 原 理 採 高 頻 電 容 式 (High Frequency Capacitance)，反 應 時 間 約 1.1 秒 ， 精 確 度 0.008%Vol。 儀 器 如 圖 3-3所 示 。
圖3-3 土壤水分計 4. 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 3-4所 示 。
圖3-4 水壓計 5. 雨 量 計
採 用 自 計 傾 倒 式 雨 量 計，以 0.5mm為 單 位，並 連 結 自 動 監 測 站 內 資 料 記 錄 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 3-5所 示 。
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圖3-5 自計式雨量筒 6. 地 錨 荷 重 計
地 錨 荷 重 計 用 於 監 測 擋 土 牆 或 邊 坡 上 地 錨 或 岩 錨 之 預 力 變 化，也 可 應 用 於 地 下 開 挖、靜 力 試 樁、托 底 之 支 撐 等。本 研 究 採 用 振 弦 式 地 錨 荷 重 計 ， 容 量 為 100T， 靈 敏 度 <0.025%FS。
內 部 包 含 3~6個 振 弦 式 感 應 器 ， 等 距 離 圍 繞 軸 心 安 裝 在 一 個 合 金 鋼 圓 柱 體 內，並 在 上 下 配 備 荷 重 承 壓 板，地 錨 荷 重 計 內 部 的 振 弦 式 感 應 器 透 過 多 芯 電 纜 線 連 接 到 讀 數 儀 或 自 動 化 集 錄 器 上 可 以 精 確 快 速 反 應 荷 重 計 本 體 當 下 所 承 受 的 預 力 。 相 關 照 片 如 圖 3-6所 示 。
圖3-6 地錨荷重計 7. 整 合 式 感 測 器 封 箱 與 測 試
圖3-6 地錨荷重計 7. 整 合 式 感 測 器 封 箱 與 測 試