重力塊體運動

表2.1列出常用於工程目的的不同類型塊體運動分類。由冰和雪所引起的塊體運動，如冰瀑

（Icafall）、雪崩和雪層滑動（Snow Slide），並不屬於目前的研究範圍。主要集中在土壤和 岩石物質的塊體運動。而它們與表2.1的塊體運動分類相似。

表2.1：Varnes塊體運動分類[102]。

過程 材質

基岩 土壤和沉積物

墜落 岩石／岩塊墜落 土壤墜落 滑動 岩石／岩塊滑動 土石滑動

流動 岩屑流動（乾） 土石流和泥流（濕）

重力塊體運動是由於力平衡的改變所造成，如減速力和加速力之間的關係，這是屬於物理和 化學過程的結果[17]。水通常扮演著決定性的角色，因為它能透過各種方式降低穩定性，如物 質的內部摩擦力和內聚力（Cohesion）。「塊體運動」比常用詞彙「山崩（Landslide）」一詞 更常使用，因為山崩不包括墜落、傾覆（Toppling）和較慢的過程，如潛移（Creep）和側滑

（Spread）[19]。

8 WSL Berichte, Heft 44, 2016 2 土石流

從地形學的角度來看，所有過程都是由重力驅動。重力也有助於河流（流動的水中）、冰川

（冰中）和風成（eolian，因為風所造成）過程；然而這些並不稱為重力過程，因為其它力，或 者其它介質（水、冰和風）在雕刻作用（Sculpting Process）中更有著決定性的作用。所以，從 地形學的角度來看，因重力塊體運動所造成的雕刻作用，是指造成岩石和土壤塊體在缺乏其它 力與介質的貢獻下，所產生沖蝕作用的過程[65]。地形學指的是造成地球表面沖蝕的大多數塊體 運動，又稱作剝蝕作用（Denudation）。這個概念性術語（Unbrella Term）描述了山坡和坡面的 地表侵沖蝕累積效應（Cumulative Effect），不論造成它的地形過程類型為何。它指的是所有的 地形作用，由於重力、破碎的岩石以及風化作用（包括斜坡土石）從地球表面剝去一層的過 程。這就是為什麼地形學家將這些過程稱之為剝蝕塊體作用，而不是重力—土石緩滑或是重力

—低溫（由低溫—土壤動力學引起）塊體運動。重力塊體運動以墜落、滑動和潛移的形式發 生，而一種過程可能轉變成另一種過程。岩崩（Rock Avalanche）、崖崩（Cliff Collapse）和岩 塊滑動通常因為墜落被稱作剝蝕作用；而因為滑動造成的剝蝕作用稱為滑動，土石流則是兩者 的組合；最後較緩慢的潛移作用（Creeping Process）稱為因潛移所造成的剝蝕作用。

岩石墜落、岩石滑動和岩崩

墜落屬於快速類型的塊體運動，其間物質從岩層分離，並沿著分離面（層理、板岩、節理或 破裂面）行進，並且墜落大部分的距離[17]。它們可以細分成四項：岩石墜落和岩塊墜落、岩 石滑動和岩崩。分類主要取決於分離岩石物質的尺寸和體積。 岩塊墜落和岩石墜落通常是>

50cm的岩塊和< 50cm的岩石單獨墜落。這個過程經常隨著季節變化和風化的控制。落石速度 範圍為5−30 m/s，取決於墜落運動是滾動、彈跳或是墜落。傾斜角度小於28◦以及樹木或是防 護林在下降過程會產生能量消散的效果。

在岩石滑動過程中，體積介於100—100,000 m³的整個岩塊與岩層分離，儘管偶爾也可能有更 大的體積。它們的速度通常在10−40m/s之間。

即便是更大的岩體，從1百萬到數十億m³，都能突然地從岩層中分離，也就是所謂的岩崩。後 續的運動過程通常依賴地形，速度也是如此。速度通常大於40m/s，其位移距離達數公里的情 況相當常見。岩崩通常會明顯地改變高山景觀，而岩崩物質可能會阻塞溪流和河流，而造成 洪水。

WSL Berichte, Heft 44, 2016 9

2.1 重力塊體運動

滑動

滑動為穩固和鬆動石頭物體的向下滑動運動（Downslop-gliding）[17]。由於剪力崩裂（Sheer Frcture）主要形成在中等斜坡到陡坡（Steep Slope）上產生。 水在滑動過程中起著重要的作 用，因為它可以藉由孔隙水壓力（Pore-water Pressure）、滲流（Seepage Flow），以及黏土礦 物的膨脹特性（Expanding Property）來降低內摩擦角（Angle of internal Friction）和物質的內 聚性。基於運動類型和剪力平面（Shear Plane）的幾何形狀，滑動通常可以細分為兩類。

旋滑(rotational slide，旋轉式滑動)發生在當滑動表面產生圓弧形滑動，而斷裂物垂直落下。儘 管旋滑也能發生在岩石地形中，但通常由黏土泥狀的物質所組成。滑塊頭部通常可以觀察到 所謂的張力裂隙（Tension Fissure）（見圖2.1左）。如果水飽和度很高，旋滑可能發展成泥流 滑動（坡面型土石流（Hillslope Bebris Flow）；見圖2.1右）。

圖2.1：伯恩州哈斯利貝格（Hasliberg）的滑動（左）和坡面型土石流琉森州弗呂利（Flu¨hli）北方

（右）。

在平移式滑動（Translational Slide）時，整層或是整個岩層向下滑動到先前存在的弱化區

（Zone of Weakness）。這滑動的尺寸介於數平方米到數平方公里。連續滑體的平均滑動速度 為每年數釐米，而活動滑體可達每年數公分。滑塊的潛在損害取決於兩個參數：體積和流動 速度。由於有相當高的供水量可以讓滑動變成流動，流水和滑塊之間的互相作用必須納入考 量。其結果可能導致大量的河床載（Bedload）物質沉積在河流中，最終導致土石流。考量上 述所有因素時，顯然各個過程能轉變成其它過程，例如滑動可能因暴雨先變成坡面型土石 流，隨後進入附近的溪流。由於物質沉積，最終可能變成土石流（見圖.2.1）。

WSL Berichte, Heft 44, 2016 2 土石流

土石流

土石流為水、碎石、沉積物及木材快速流動下的混合物，其高固體濃度約為30−70％[16]。它 們主要發生高山地區，其易受沖蝕的基質提供了大量鬆散的岩石物質，此外，取決於物質的 摩擦角（Friction Angle），還需要河道斜率超過25至30％。再者，需要大量的水作為觸發者

（Initiator），例如強降雨或融雪來移動這些鬆散的固態物質。一旦土石流開始移動，速度可 達到15m/s、密度介於1,600−2,300 kg/m³。土石流所移動的體積可達到數十萬立方公尺。由於 強大的沖蝕力，土石流的沉積發生在當土石流從河床溢出或從堤岸（Embankment）側向漫 出。（圖2.2中土石流的沉積區域）。更多土石流過程的細節將在第2.2節中敘述。

圖2.2：尼泊爾喜瑪拉雅山的藍塘（Langtang）區，一條寬數公里的土石流沉積區。

土石流的一個次類別包括俗稱的坡面型土石流（Hillslop Debris Flows, HDF），也稱作崩塌滑 動（Flow Slides)。一個鬆散固體（主要為土壤和植物冠層）以及水所組成的超級混合物，這 類型的塊體運動[17]。儘管沒有明顯的滑動表面，坡面型土石流主要發生在相對陡峭的斜坡上

（超過30^◦）。移動的體積通常有限，達20,000m³。如同土石流，它的移動速度大多取決於含 水量，但通常範圍介於1到10 m/s。如果坡面型土石流流入流動的水中，將會變成土石流，並 提供後續過程所需的材料。

WSL Berichte, Heft 44, 2016 件包括已知的降雨事件（Incidient Preciptation），定義為降雨或降雨量直到觸發土石流。這可 以是持續1到4小時，以雷雨為主的短暫降雨，或是持續12到24小時的長時間降雨。觸發土石 流的長時間降雨主要發生在阿爾卑斯山（Alps）深處或是南側山脈；而觸發土石流活動的雷雨 則主要發生在阿爾卑斯山腳以及阿爾卑斯山脈。

圖2.3顯示出三條分界線，說明臨界降雨強度 I [mm/h]（Critical Precipitation Intensity）和需要 觸發土石流的持續時間 D [h]。在這些分界以上，土石流活動可（但未必）發生；分界以下，

通常只會發生洪水事件。基於 [18]所表明的一個全球範圍，說明了通常被認為是觸發土石流或 是坡面型土石流所需的東西。根據[120]，瑞士阿爾卑斯地區適用於持續1小時，大約40 mm/h 的臨界降雨。24小時長時間降雨的最低水量要求約為2.5 mm/h，或總降雨量為60 mm。以區域 作為例子，在Illgraben（瑞士瓦萊州一個活躍的土石流河道以及WSL的一個土石流觀測站[68, 69]）為

I = 10 · D^−0.85 (2.1)

其中 D 為降雨事件的持續時間，而 I 則為平均降雨強度。有關於Illgraben的當地土石流研究的 詳細資料將會在第4章中提供。

圖2.3中，Illgraben降雨強度的極限曲線比另外兩個曲線低。顯示出Illgraben的反應速度比其它 土石流系統來得快。在極限曲線之上，Illgraben的土石流事件發生率為50％

除了足夠的水飽和外，還需要足夠的風化量和鬆散固態物質；此外，也需要足夠的位能

（Potential Energy）來轉化成為動能，以推動這些物質（見第2.2.3節）。下列三個參數構成了 土石流事件的觸發要素。