第五章 現地採樣及粒徑影像分析
5.1 研究區域地理位置
本研究區域選定位於北部橫貫公路（省道台七線）復興至巴陵段(參 考圖 5.1 )，二度 TM 座標左上角為 280000，2746000；右下角為 2730000，292000。本區域屬於桃園縣石門水庫集水區內，以大漢溪 流域為區域中心。由於自民國53 年起北橫公路通車多年，雖縮短桃 園、宜蘭縣間的距離，但沿途崩坍及土石流常造成交通中斷的情形，
故本研究將以此路段之材料進行物理模型試驗。
北橫公路由復興（17K）至巴陵橋（48.2K），全長約 31.2 公里，
主要沿大漢溪左岸修築，為區域內主要對外交通通道。區域內交通除 了北橫公路外，僅在羅浮附近有桃-188 號公路通往新竹縣關西鎮，
此外也僅有少數產業道路連接聚落與北橫公路。
５６
圖5.1 北橫公路復興至巴陵段研究區地理位置圖
５７
5.2 研究地點地形概況
從巴陵以下到石門之間為大漢溪的中游，是水庫、攔砂壩等水利 工程集中的河段。在此，大漢溪主流斜切地層走向，向北流經蘇樂、
高義、 榮華、高坡、義興、合流， 並且在合流附近以直角轉向西流，
直抵石門，參照圖5.2。在蘇樂到高坡之間，大漢溪橫切過插天山背 斜構造，而在背斜位置上露出來的岩層，正好是經過輕度變質的堅硬 板岩層。岩性堅硬，維持陡坡而不易崩壞，使得板岩為峽谷的形成提 供了有利的條件。這段河谷深窄，兩岸裸露岩石絕壁，是標準的峽谷 地形，被稱為高坡峽谷。特別是匹亞外到榮華攔砂壩之間的一段，大 漢溪橫切插天山背斜軸部，使得河谷更具峽谷外形。高義與高坡之間 常有堅硬的砂岩構成的山脊突出，形成顯著的交切山腳，位於北橫公 30.5～31 公里、41～45 公里間者最為顯著。至於峽谷的南、北兩端，
巴陵到蘇樂之間以及高坡到羅浮之間，露出來的地層是由砂、頁岩互 層所構成，使得大漢溪在這兩段的河谷，擁有較不穩定的邊坡，河谷 因而比較開闊，並且出現河階地形，例如巴陵、高坡、義興、合流等 地。合流又稱羅浮或拉號，是霞雲坪以南面積最大的河階。從巴陵到 合流的大漢溪河谷， 明顯表現出岩性與河流地形之間的密切關係。
５８
採樣處
圖5.2 北橫公路復興至巴陵段研究區域地形圖
５９
採樣地點如圖 5.1 與 5.2 中紅色星號所標示。土石流源頭地區，
如圖5.3 ~ 5.7 所示。經沿線調查發現，附近岩性十分複雜，沿途出現 頁岩、砂岩、板岩等。甚至於區域一內有二處主要源頭區，由肉眼觀 察顏色的顯著差異，也可判斷為分屬二種不同土石材料，如圖5.4 所 示。本研究採樣一地點為圖5.4 中左側。此區近照如圖 5.5 所示。其 餘之區域二及區域三照片分別為圖5.6 及 5.7 所示，此三區域皆位於 北橫公路沿線。
圖5.3 研究區域一之土石流上游全貌
６０
圖 5.4 研究區域一之二處主要源頭之近照
圖 5.5 研究區域一採樣區域照片
６１
圖 5.6 研究區域二採樣區域照片
圖 5.7 研究區域三採樣區域照片
６２
5.3 研究地點地質概況
本研究區屬於雪山山脈地質區的北部，在何春蓀（1997）的台灣 地質圖概論中提到，雪山山脈地質區屬於中央山脈地質區的西面，通 稱雪山山脈帶，參照圖5.8。雪山是台灣第二高山，約位於本帶的中 央，本帶即因其而得名。本帶長約200 公里，平均寬約 20～25 公里。
東北起自北海岸的福隆，向南延經烏來、雪山、埔里和日月潭地區，
到達玉山山脈南邊的荖濃溪的上游為止，全省最高的玉山山嶺也包括 在本地質亞區之內。雪山山脈帶在西邊以屈尺斷層和西部麓山地質區 分隔，在東邊以梨山斷層和脊樑山脈帶相隔，參照圖5.9。
圖 5.8 台灣地質分區圖（何春蓀 , 1974）
６３
圖5.9 雪山山脈帶與西部麓山帶和脊樑山脈帶分界圖
（何春蓀 , 1974）
本研究區域的地層為中新世至漸新世的地層，參照圖5.10，其敘 述如下：
【木山層】(MF)
屬中新世地層，本層以厚層之白灰色、黃灰色及白色，細粒至粗 粒砂岩及砂泥岩為主，夾有灰色頁岩，或細粒砂岩及頁岩之互層，偶 夾有薄煤層。砂岩含少量黏土礦物。部分地區有玄武質之火山凝灰岩。
【大寮公館層】(TK)
屬中新世地層，本層以深灰色至黑色頁岩為主，中段夾有灰色細 粒泥質砂岩，部分地區砂岩含有鈣質，常造成懸崖或山脊，部分地區
６４
夾凝灰岩。頁岩中偶夾有薄層細粒砂岩，頁岩風化後呈洋蔥狀之構造。
【媽岡層】(MK)
屬中新世地層，本層應歸為澳底層之上段，由深灰色頁岩夾有灰 色細粒砂岩薄互層組成。這些岩石只受到輕微的變硬作用，葉理結構 並不明顯。
【石底層】(ST)
屬中新世，以厚層或中厚層，淺灰色或黃灰色細粒至中細粒砂岩 為主，夾有薄層頁岩及砂頁岩互層，岩質堅硬緻密，層理發達。
【大桶山層】(TTS)
屬漸新世地層，本層以黑色硬頁岩為主，夾有灰至灰黑色細粒泥 質變質砂岩，所夾之變質砂岩較乾溝層為多，堅硬緻密的泥質粉砂岩 抗蝕力強，常沿河床形成陡壁。此層在許多地方含有狹小的玄武質火 山碎屑岩，或玄武岩流，通常成為不規則體。
【粗窟砂岩】(TSK)
在雪山山脈帶北部，大桶山層的下部岩層中有一厚砂岩段，砂岩 是暗灰色、泥質、細粒，並含有少許硬頁岩的夾層，此砂岩段後來被 命名為粗窟砂岩，屬漸新世，可以成為大桶山層和其下乾溝層分界的 依據。
６５
【乾溝層】(KK)
屬漸新世地層，本層主要是由黑色硬頁岩夾有灰黑色泥質緻密細 粒變質砂岩組成，硬頁岩一般呈厚層狀。本層層理較不清楚。以粗窟 砂岩段和大桶山層分界。
大致而言，霞雲坪至高坡及蘇樂至巴陵間為砂頁岩互層區。而大 灣至高義間及巴陵附近為黑色頁岩與板岩狀黑色頁岩。
圖 5.10 北橫公路復興至巴陵段研究區域地質圖（蔡允瀚，2002）
６６
5.4 粒徑影像分析
本研究於桃園縣復興鄉榮華壩上游之土石流發生地採樣。並將所 採集之土石攜回實驗室，進行室內試驗。土石流材料如圖5.11 所示。
利用影像之分水嶺演算後，再經二值化處理，可獲得圖5.12 之 結果。再以軟體IPTK 進行判識及分析，結果如圖 5.13 所示。最後 經統計影像分析結果，並與土石真實篩分析曲線與比對，可得圖 5.14 之結果。誤差在10％左右，效果不錯。誤差之產生主要來自於（1）
遮蔽效應（2）石頭與土顏色差異：色差越大，較易將石頭獨立分離 出來。（3）形狀規則度：形狀較規則、較無稜角之石頭體積估算較準 確。
圖5.11 土石流材料
６７
圖5.12 影像分析二值化之結果
圖 5.13 IPTK 分析所得之顆粒編號之標註
６８
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sieve analysis Image analysis
Grain size (cm)
Percentage fin er by weight (%)
圖5.14 影像分析與篩分析之比較
６９
第六章 單向度水分傳輸實驗
本研究製作一可同時模擬降雨入滲，及不同地下水湧昇情形之模 型試驗，以量測土體水壓及含水量變化的情形，相關配置情形如圖 6.1 所示。由此簡易之物理試驗可清楚地了解在不同地下水位，及不 同雨量情況下土體之反應情形。另外，藉由此一簡易模型試驗，亦可 驗證相關入滲公式之合理性，並透過保水曲線之碎形模式，以同時考 慮毛細現象之影響。因此，可對由於降雨入滲及地下水湧昇對土石流 之發生做一全面性的探討。
圖6.1 模型試驗配置示意圖
７０
定滑輪 吊掛系統
水箱
試體室
定滑輪 控制轉盤
水箱
上部 供水裝置
下部 供水裝置
試體室
圖6.2 實驗設置全景
6.1 實驗設備
茲將實驗設備各部份，如圖6.2，並略述如下：
(1) 圓型壓克力試體室
本次研究由於採用土石流之材料，故需採用較大尺寸之亞克力環 裝置土壤試體，並參考ASTM 規範採用直徑 30 cm、高度 30 cm、厚 度1.5 cm 之亞克力環裝置試體。本設備採分層裝置，分為七層。分 層裝置之優點如下：可考慮夯實能量之影響及控制、裝置試體之方便
７１
性，並可視其需要調整不同高度施作，此項設備尚包含有層與層之間 連接螺栓等。
(2) 定滑輪裝置
二定滑輪裝置設置於天花板上，以便藉由地面控制之轉盤將水箱 高度改變。透過水箱高度變化可調整供水量，並控制地下水位上升與 入滲之速度。定滑輪裝置最大的優點在於機動性高，且與傳統固定於 牆壁之升降裝置相比，價格便宜許多。施作上，需特別注意吊掛系統 之安全性，並保持適當之淨空。
(3) 上部水箱
上部供水設施主要用於供應模擬上部降雨所需水量，其中除了進 水與出水閥門之外，尚包含一定水頭之溢流出水口，用以穩定水頭。
此外，上部水箱與定滑輪裝置連結，用以控制出水量之大小。本實驗 之注水口與循環水流連結，故可將溢流之水流重新注入，以節省水量。
(4) 下部水箱
下部供水設施有二項工作，一是模擬地下水位面上升時，進行供 水。二是探討入滲影響時，進行排水。下部水箱之上方尚設置一極密 之不銹鋼網以防止土石流入。
(5) 循環水流系統
降雨模擬最重要的便是穩定供水，尤其長時間實驗下，如何能持
７２
續並穩定地提供水量為重要考量。本實驗於地面設置一方型水箱，並 以低流量之抽水馬達將水抽入上部水箱中，再配合上部水箱之定水頭 溢流裝置，可提供穩定之水流系統。
(6) 上部降雨模擬系統
本系統包含不銹鋼微型套管與不銹鋼針頭等。模擬降雨所設計之 上部構造：將上部壓克力座台鑽孔，並埋置特別訂作之不銹鋼微型套 管，圖6.3 為其近照。將 26 號不銹鋼針頭裝置於微型小套管上，如 圖6.4 所示。透過水箱與上部構造閥之開關控制上部供水量，上部供 水再透過不銹鋼針頭形成均勻之降雨，如圖6.5 所示。此降雨模擬較 一般傳統只用鑽孔方式之供水設置更接近自然界狀況，因為供水穩定 且對土層擾動程度小很多，因此可將因注水所造成對土體之衝擊量降 至最低的程度。同時透過針頭可將供水進行微量調整，避免因為供水 過多，使地表土體因入滲不及，形成漫地流之不合理情況。透過壓克
本系統包含不銹鋼微型套管與不銹鋼針頭等。模擬降雨所設計之 上部構造：將上部壓克力座台鑽孔，並埋置特別訂作之不銹鋼微型套 管，圖6.3 為其近照。將 26 號不銹鋼針頭裝置於微型小套管上，如 圖6.4 所示。透過水箱與上部構造閥之開關控制上部供水量，上部供 水再透過不銹鋼針頭形成均勻之降雨，如圖6.5 所示。此降雨模擬較 一般傳統只用鑽孔方式之供水設置更接近自然界狀況，因為供水穩定 且對土層擾動程度小很多，因此可將因注水所造成對土體之衝擊量降 至最低的程度。同時透過針頭可將供水進行微量調整，避免因為供水 過多，使地表土體因入滲不及，形成漫地流之不合理情況。透過壓克