1.1 研究動機與目的
台灣河川豐、枯水期流量差異甚大，枯水期時兩岸裸露之高灘地 常被開發利用，如：種植作物、闢建停車場、休閒遊憩場所或親水公 園等。每逢颱風豪雨，台灣河川坡陡流急、洪水歷程急促的特性，致 使河岸遭受侵蝕而退縮，將嚴重危及河防建造物之安全或兩岸土地之 安定。因此，瞭解河岸的破壞機制，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降雨強度與河道水位變化引發河岸破壞 之行為，包含降雨強度、土壤滲透性與地下水位與河道水位變動速度 等，並提出河岸發生破壞的機制，本研究成果除可提供未來相關研究 之參酌，並可提供河川治理與管理之參考依據。
1.2 文獻回顧
探討河岸之穩定性，一般常以塊體形式破壞(mass failure)進行分 析，即在不考慮土體的變形下，以莫爾-庫倫破壞準則(Mohr-Coulomb failure criterion)建立土壤之正向應力與抗剪強度之關係，並採用極限 平衡法分析(limited equilibrium analysis)評估其穩定性。Thorne et al.(1981)基於上述分析理論提出河岸高度與坡角之臨界破壞關係曲 線。Osman and Thorne (1988)評估河岸受側向沖刷及河床變動後對河 岸整體穩定性之影響，如圖1-1 所示，但上述研究皆未考量河岸土體
1
地下水或河道水位變化之影響。Simon (1991)以相同之穩定分析理 論，計算河道水位之靜水壓力，分析其對河岸穩定之影響。Darby and Thorne (1996)考量河道沖刷作用下將地下水的影響納入計算，如圖 1-2 所示，其分析結果顯示地下水位對河岸穩定影響甚大。Rinaldi and Casagli (1999)應用 Fredlund et al. (1978)所提出之廣義莫爾-庫倫破壞 準則(extended of Mohr-Coulomb failure criterion)(見圖 1-3)，進一步考 慮土壤未飽和之基質吸力(matric suction)，並提出當地下水位較低 時，基質吸力對河岸穩定之重要性。後續相關研究大多依循上述之理 論進行現地案例之分析，如：Simon et al. (2000)評估美國 Goodwin Creek 長期水位變化下，河岸穩定隨時間變化的情形；Simon et al.
(2002)以美國 Missouri River 為例，同樣探討水位變化下河岸之穩定 性；Dapporto et al. (2003)於義大利 Arno River 歸納河岸坡高與坡度之 臨界關係。
上述相關研究成果雖提出土體之地下水位對河岸穩定性有相當 大之影響，但所考量之地下水卻假想為一水平狀態，此假設雖可快速 分析河岸穩定與否，但並未能反映真實現象。為改良上述缺點，Chiang et al. (2010)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求解地下水面 線，以靜水壓分佈假設計算破壞面上之孔隙壓力分佈，據以進行河岸 穩定之分析。
一般河岸穩定分析中，甚少考慮降雨之因素，然而在大地工程領 域中，已有相當多的研究提出降雨入滲是引發坡地崩塌的主要自然外 在誘因之一。如：Iverson (2000)簡化理查氏方程式(Richards equation) 為一維線性擴散方程式，並結合無限邊坡穩定分析，模擬降雨引致地 下水位上升而引發坡地之崩塌；Collins and Znidarcic (2004)模擬在均
2
勻入滲下，土壤在飽和層與未飽和層不同形式破壞的行為；Tsai (2008) 利用假設案例，進行不同雨型對坡地崩塌之影響分析。
降雨入滲之研究甚多，一般被廣泛應用的包含 Green and Ampt (1911)假設土壤濕峰處為一平整邊界，以解析解方式求得入滲率公 式；Horton (1933)以指數遞減型式來表示入滲率隨時間改變之情形；
Philip (1957)利用 Boltzmann 轉換先求得累積入滲率之近似解再推估 入滲量；Richard (1931)利用達西定律，並定義非飽和土層之總水頭為 位置水頭及張力(負壓)之和，且水力傳導係數為張力水頭之函數，再 根據一維垂向連續方程式，建立未飽和水流之偏微分方程式。相較四 種入滲理論，Green-Ampt 入滲公式具簡單與準確之特點。
1.3 研究方法與步驟
上述文獻回顧中，Chiang et al. (2010)雖能處理河道水位與地下水 位兩者之互制關係，但卻無法反映因降雨產生入滲的真實現象。因此 本研究採用 Green-Ampt 入滲理論計算入滲率，藉以釐清降雨、入滲 與積水三者之關係，並結合 Boussinesq 地下水流方程式計算地下水 面線隨時間變化之情形，以極限平衡法(limited equilibrium analysis) 探討降雨與河道水位變化於河岸穩定之影響。
研究步驟如圖 1-4 所示，首先闡述模式中所採用之理論，包含 Green-Ampt 入滲理論、地下水流控制方程式及河岸穩定分析理論(如 第二章所述) 。理論介紹後，撰寫考量降雨之入滲能力與孔隙壓力變 化之河岸穩定分析模式，並以簡單案例驗證模式之正確性 (如第三章 所述)。應用所建立之模式於不同土壤性質之河岸，在不同降雨強度 和河道水位變化下，探討對河岸穩定性之影響(如第四章所述)。以濁 水溪河段為應用案例，在柯羅莎颱風事件下進行河岸穩定分析與探討
3
(如第五章所述)。最後，對本研究分析統整結論，並提出建議(如第六 章所述)。
1.4 章節介紹
第一章為緒論，闡述本研究的研究動機與目的、文獻回顧，並提 出本研究之方法與步驟。
第二章為理論基礎，介紹所採用之 Green-Ampt 入滲理論、地下 水流控制方程式與河岸穩定分析理論。
第三章為模式建立與驗證，在 Green-Ampt 入滲理論架構下利用 迭代法求解入滲率，以數值方法求得地下水面線，最後以極限平衡法 理論建立安全係數，並分別以簡單案例驗證模式建立之正確性。
第四章為河岸穩定性分析模式之測試，針對不同降雨強度與河道 水位變化，分別探討其對河岸穩定性之影響。
第五章為應用案例，以所建立之模式應用於濁水溪河段，分析在 柯羅莎颱風期間，降雨入滲與河道水位變化對河岸穩定之影響。
第六章為結論與建議，除了對本研究之成果做綜合性之歸納說明
外，並對未來研究方向提出建議。
4