1.1 研究動機與目的
臺灣本島為歐亞板塊及菲律賓海板塊相互擠壓而形成，地震發生頻繁、地形 陡峭、地質脆弱、河川短而湍急、豪雨集中且延時長之自然環境特性，使得河岸 易受崩塌、沖蝕等破壞。在天然情況下，河流總是處在不斷的變化與發展過程之 中。但隨著社會的發展需求、人為活動頻繁、跨河建造物之興建如：水庫、攔河 設施、橋梁、固床工等造成河川流況不穩定，河川形態隨天然演變之規則，因而 河道沖刷、淤積、擺盪行為變異頗大，影響兩岸的防洪、工農業生産及岸邊生態 環境。於颱洪時期，更由於坡陡流急，洪水歷程急促，導致河道水位變化劇烈，
危及河防建造物之安全及兩岸土地之安定。因此，了解河岸的破壞機制，不論就 河川治理規劃方面，如治理計畫線之擬定；或河川管理方面，如高灘地利用管理，
都已成為重要的研究課題。
本研究之目的在於探討河道水位變化引發岸壁破壞之行為，考量不同岸壁幾 何特性與河道水位變化等條件，藉由水槽試驗釐清岸壁崩塌造成的河岸破壞機 制，並加入數值模式依據試驗案例條件進行模擬，比對分析模擬結果與試驗量測 值，相互驗證結果之合理性。
1.2 文獻回顧
在岸壁穩定相關試驗研究方面，依據岸壁發生破壞的方式主要可分為水流沖 蝕與水位變化造成岸壁穩定性降低等兩大類型。水流沖蝕作用為近岸水流直接沖 刷岸壁坡趾，導致上方土層因重力作用而發生崩落，如簡氏(2009)將具黏性海菜 粉加入砂質材料進行混合，模擬低凝聚性岸壁之土壤組成，並以吸塵器作為侵蝕 來源，模擬河流的下切作用與側向侵蝕岸壁坡趾對岸壁穩定的影響，並將試驗結 果與現地崩塌照片進行比對分析，如圖1.1 所示，由試驗結果指出相較於側向侵 蝕，河流的下切作用對於岸壁破壞影響較為顯著；游氏(2010)以不透水層滑動面
坡度 65°、45°及 35°三種情況，模擬不同土體堆積型態之岸壁模型試驗，探討坡 趾直接受水流沖刷對岸壁破壞機制所造成的影響，最後歸納出當滑動面坡度若愈 小，滑動面上方土體體積愈大，則岸壁崩壞滑移速度愈快。然而，水流沖蝕雖然 為影響岸壁穩定的重要因素，但此岸壁破壞方式為長時間的水流沖刷行為，Thorne (1982)以及 Darby et al. (2010)指出欲探討長期的岸壁穩定機制，河道水流造成坡 趾的掏刷為其關鍵因素。 過後的河川水位洩降過程(Springer et al., 1985；Stypula et al., 1993；Lawler et al., 1997)，在過去相關研究甚少針對其進行分析研究。
在數值模式方面，目前文獻中已有許多解析理論與數值模式發展來探討岸壁 崩塌破壞現象，分析方法多採用大地工程邊坡穩定的理論架構，以莫爾-庫倫破壞 準則(Mohr-Coulomb failure criterion)分析作用於均質土體且不考慮其變形下之土 體正向應力與剪力強度，當正向應力超過土體之剪力強度時即發生崩塌。Thorne et al. (1981)基於上述分析理論提出河岸高度與坡度之臨界破壞關係曲線。Chen (1975)依據現地調查之資料，以臨界坡高及不同河岸坡度來評估邊坡的穩定性，
彙整結果如圖1.2 所示，圖中橫軸岸壁坡度，縱軸為穩定數(stability number)，當
評估岸壁受水流沖蝕後對河岸穩定之影響，但上述研究皆未考量岸壁內地下水位 及河道水位變化之影響，因此，Huang (1983)考量土體內孔隙水壓比對岸壁穩定 之影響。Darby et al. (1996)建立河岸穩定分析理論，與現地資料及前人分析方法 進行比較，進一步考量河道水流沖刷作用下對岸壁穩定之影響並且將地下水的影 響納入計算。Rinaldi and Casagli (1999)加入考慮未飽和土壤之基質吸力，並說明 了基質吸力對岸壁穩定之重要性。Dapporto et al. (2001、2003)採用義大利亞諾河 (Arno River)的河岸調查資料與穩定性分析之結果做比較，建立評估岸壁穩定的方 法，並歸納出岸壁坡高與坡面角度之臨界關係。Simon et al. (2002)以美國 Missouri River 為例，探討河道水位變化下岸壁之穩定性。上述研究雖提出土體之地下水 位對岸壁穩定有相當大的影響，但所考量之地下水面線卻簡化為一水平狀態，此 假設雖可快速分析岸壁穩定與否，但卻無法反映實際岸壁內地下水位分佈情況對 岸壁穩定之影響。因此，Chiang et al. (2011)利用一維非穩態 Boussinesq 地下水流 方程式，將河道水位視為邊界條件，並考量河道水位與地下水位的互制關係，計 算岸壁內地下水位分佈，據以進行岸壁穩定之分析，惟受限於過去文獻中並無相 關試驗研究，僅能藉由設計案例定性探討岸壁穩定機制。
綜觀上述回顧，目前並無相關試驗研究探討河道水位與地下水位升降對岸壁 崩塌破壞的影響，因此本研究藉由進行水槽試驗分析地下水位及河道水位互制對 岸壁穩定之影響。數值模擬部分，本研究採用Chiang (2011)發展具有河道水位與 地下水位升降參數的岸壁崩塌模式進行模擬比對分析，定量驗證模式發展的合理
第三章為試驗規劃，首先介紹試驗水槽與試驗流程，試驗流程規劃分為前置 作業與試驗過程，接著再分別詳細說明試驗內容。
第四章為試驗結果分析，針對試驗案例之控制條件改變，探討岸壁在河道水 位變化下，土體崩塌破壞之機制。
第五章為數值模式比對分析，以數值模式依據試驗案例探討岸壁穩定性之影 響，並將模擬結果與試驗結果比對分析。
第六章為結論與建議，總結研究成果做綜合性之歸納說明，並對不盡完備或 日後可改進之處提出建議。
1
資料來源：Chien (2009)
圖1.1 現地崩塌照片與模型試驗比對
γ
資料來源：Hagerty (1991)
圖1.2 邊坡臨界高度與坡度關係示意圖