第三章 分析模式之測詴
3.1 案例設定
3.2.3 降雨特性之影響
與前節同樣選取砂、壤土砂與黏壤土等三種土壤進行分析探討，分別設定貣始水 位為 0.6 m、1.5 m 和 2.4 m 且不隨時間而變動，並考量降雨延時(t, duration)為 12 hr、
雨型為均勻型(uniform pattern)之降雨事件，降雨強度(Ir, rainfall intensity)則分別給予 5、10、20、40、60 與 80 mm/hr 等六種降雨強度。
降雨特性與入滲率之關係
首先，為瞭解水力傳導係數對
FS
計算之影響，茲將三種土壤在貣始水位為 0.6 m 時，不同降雨強度下隨時間變化之平均入滲率(Ra)繪製於圖 3.9。圖 3.9 顯示砂質土壤均可完全入滲，而壤土砂質與黏壤土質土壤在 24 hr 內會發生積水之臨界降雨強度與 延時分別約為 40 mm/hr(4 hr)以及 20 mm/hr(4 hr)，由此可知水力傳導係數越大，降雨 量較易完全入滲至土體。反之，水力傳導係數越小，土體表面較易達飽和而使積水現 象較易發生，積水現象一旦發生，過多的降雨量將直接逕流而不會進入土體，即使降 雨強度增大，土壤入滲率仍維持一定值。圖 3.10 則整理列出三種土壤在不同貣始水位 下，降雨強度與平均入滲率達到穩態(steady state)時的情形，分布在對角線上的點表示 土壤在該降雨強度下可完全入滲，即降雨強度等於入滲率，如圖 3.10(a)可見砂質土壤 在降雨量小於或等於 80 mm/hr 時大致可完全入滲。至於滲透性較差的土壤(壤土砂與 黏壤土)，由圖 3.10(b)與圖 3.10(c)顯示其發生積水之臨界降雨強度亦較低。此外，貣 始地下水位越高，表面土壤較易達飽和，因此臨界降雨強度亦相對偏低。由上述初步 分析結果可知水力傳導係數對土壤入滲率的影響甚大。
對於滲透性較佳的土壤而言，降雨雖較易入滲，但進入河岸土體內部的水亦較易 經由邊界流出，反之亦然。因此，在本小節探討降雨特性對河岸塊體破壞發生的關鍵，
取決於降雨強度、水力傳導係數影響積水現象發生與否以及土體排水效率三者交互作 用下造成孔隙水壓變化的差異。上述的論述可由以下的案例模擬結果加以驗證。
模擬結果
三種土質河岸在不同貣始水位以及降雨強度下，
FS
隨時間變化的模擬結果分別整 理於圖 3.11。由圖 3.11(a1)可見砂質河岸在河川水位維持不變的情況下，降雨強度越大 將促使地下水位越容易上升，因而產生較大之孔隙水壓使FS
下降。另外，當貣始水位 為 0.6 m、1.2 m 與 1.8 m 時，FS
之貣始值分別為 1.43、1.30 與 1.20。上述結果顯示貣 始水位越高，河岸土體內貣始孔隙水壓分布相對越高，故FS
之貣始值越低，若再加上 降雨的影響，將導致FS
下降的速度相對較快，由圖 3.11(a1~a3)比較可瞭解以上之敘 述。另外兩種土質(壤土砂與黏壤土)之河岸，以相同貣始水位(hi = 1.8 m)為例，由圖 3.11(a3)、圖 3.11(b3)與圖 3.11(c3)相互比較可發現，當降雨強度為 80 mm/hr 時，土壤 滲透性越佳之河岸，FS 將在最短時間下降至低於 1.0，如圖 3.11(a3)所示；而當降雨強度為 60 mm/hr、40 mm/hr 與 20 mm/hr 時，
FS
最大驟降幅度則發生於土壤滲透性次大 之砂壤土質河岸且均低於 1.0，見圖 3.11(b3)；而降雨強度為 10 mm/hr 與 5 mm/hr 時，FS
最小值則發生於黏壤土質河岸，如圖 3.11(c3)所示。結合前述之推論與本節的模擬 結果可知，降雨強度、降雨延時與水力傳導係數之間存在某一臨界組合，當達此一臨 界組合時，水份進入河岸土體的流入量將大於流出量，致使孔隙水壓上升，進而導致FS
下降。破壞包絡線之建立
以下將本節所分析之三種土壤在不同貣始水位條件下，降雨強度(Ir)與降雨延時(t) 之臨界安全係數分布整理於圖 3.12，並將降雨延時增長至 48 hr，以便更清楚地瞭解降 雨強度與降雨延時兩者的臨界關係。圖中標示點表示在特定的降雨強度與降雨延時組 合時，
FS 1 . 0
之模擬結果，將各點連線則可得破壞包絡線。破壞包絡線左下方範圍 表示FS 1 . 0
；右上方範圍表示FS 1 . 0
。由圖 3.12 可發現，破壞包絡線涵蓋FS 1 . 0
的 範圍將隨貣始水位越高而越窄，符合前節所述之模擬結果趨勢。另外，圖 3.12(a)顯示，砂質河岸在貣始水位為 0.6 m，其破壞包絡線呈現隨著降雨強度降低而降雨延時增加之 趨勢。然而，當降雨強度約低於 60 mm/hr 時，破壞包絡線將不因降雨延時而有所變化，
其現象顯示不論降雨延時的長短，
FS
均大於 1.0。以貣始水位 0.6m 為例，圖 3.13 至 圖 3.15 分別展示砂質河岸在不同降雨強度下，隨時間變化之壓力水頭與地下水流場分 布。圖中可見當降雨強度較小時，所入滲的水量可迅速排出，因此壓力水頭並未大幅 上升。然而，當降雨強度增大至 60 mm/hr 時，此時因降雨的流入量遠大於流出量，因 此，在第 16.2 hr 即達破壞(FS 1 . 0
)。而當降雨強度為 80 mm/hr 時，圖 3.15(b)顯示地 下水流動甚快，入滲量更能迅速反映引致孔隙水壓的上升，導致其破壞縮短在第 9.3 hr 發生。至於滲透性較差之河岸，以圖 3.12(c)中黏壤土質河岸且貣始水位 0.6 m 為例，當 降雨強度大於 40 mm/hr 時，大部分降雨量因積水現象而並未入滲至土體(參見圖 3.9)，
因此其達破壞時所需的降雨延時幾近相同(約為 21 hr)。承上，即使降雨強度增大，若
未達到臨界降雨延時，破壞仍不會發生。相對地，若降雨延時長至足以使得孔隙水壓 持續上升，即使降雨強度不大，破壞仍有可能會發生，如圖 3.12(c)中顯示降雨強度為 10 mm/h 時，其臨界降雨延時約為 32.4 hr。圖 3.16 至圖 3.18 分別為黏壤土質河岸在不 同降雨強度下，隨時間變化之壓力水頭與地下水流場分布情形。與前述砂質河岸相較 下(圖 3.13 至圖 3.15)，地下水流動較緩導致孔隙水壓不易宣洩，地下水面線易於上升 而致
FS 1 . 0
。另外，因積水現象的影響，當降雨強度大於 40 mm/hr 時，其壓力水頭 分布隨時間的變化幾乎相同，如同前述，其達破壞的時間亦極為相近。以下進一步探討總累積降雨量(Pt)與破壞包絡線之關係。以貣始水位(hi = 0.6 m)為 例，將前述三種土壤分別在 48 hr 總累積降雨量達 200、400、800 mm 與其破壞包絡線 的關係分別整理於圖 3.19。在所探討的降雨強度與降雨延時的範疇內，以總累積降雨 量 800 mm 為例，砂質河岸在降雨強度須達約 80 mm/hr 以上破壞才會發生，而壤土砂 質以及黏壤土質河岸的破壞發生則是降雨延時分別須達約 9.5 hr 與 23 hr 以上。因此，
由圖 3.19 可知，即使在相同的總累積降雨量下，因土壤滲透性以及降雨強度與降雨延 時組合的不同，對於塊體破壞發生與否均具決定性的影響。