附錄 V 現地調查資料
照片 4- 11 歷史照片比對-從仁義潭攔河堰下方向上拍
照片 4-11(a) 民國 82 年 (自來水公司) 照片4-11(b) 97.5.10
照片 4-11(c) 82.6.3 (自來水公司) 照片4-11(d) 97.5.10
照片 4-11(e) 97.5.10 拍攝地點:95 斷面下游
經過歷史照片比對可以得到幾個結論如下： 研究蒐集民國72、76、77、78、79 年五個年份的航空照片(各年份航照拍攝日期 如表4-3。透過航空照片立體對判釋繪製在判釋圖上以藍色虛線標示河道高灘地界 線、藍色實線標示航照拍攝當時水流路徑、綠色實線為植生沙洲、黑色表水工構
造物，另外用紅色圈定裸露的岩盤以及可能被侵蝕的河道，在某些年份的航照裡
跡，影響的距離約300 公尺；在下游處的右股流路兩岸岩盤露出明顯增加，河 道略形成深槽。
4. 民國 78 年(圖 4-21)時沖刷坑的發展已呈現類似歷史照片 82(照片 4-11(a))年所看 到的形狀，成條狀分布於第一階淨水池下方，植生沙洲已完全消失，護甲層在 這個河段已經非常薄；在左岸堤防修復與右岸堤防完工後，流路被限制於較狹 窄的範圍內，這種集中的流路可能會使流速增加，加速水流侵蝕；在下游處右 股流路一樣是可以看到裸露的岩盤與深槽河道。
5. 民國 79 年的航空照片可以看到沖刷坑的發展與原本 77 年觀察到的向源侵蝕 部份完全連貫，流路集中於一股，兩側皆為岩盤裸露，侵蝕甚為明顯(圖 4-22)，
可以解釋為沖刷坑對下游影響使侵蝕向下游發展約200~300 公尺，與下游採石 場遷移後岩盤裸露發生向源侵蝕發展約500 公尺的串連。
由航照判釋可得，仁義潭攔河堰下游的侵蝕發展原因為： 1.攔河堰使得上游 礫石材料無法補注到下游護甲層，使下游河道上沙洲漸漸消失護甲層變薄。2.攔 河堰產生抬水的作用使得下方沖刷坑發展，較大的侵蝕能量影響到下游河道，由 照片推估影響範圍約為200~300 公尺。3.河道上的採石採砂行為使護甲層加速消 失，進而岩盤裸露產生突降點而發生向源侵蝕。
表4-3 各年份航照拍攝日期 航空照片立體對編號 拍攝日期
72P33_177.179 72.07.21 76P37_187.188 76.04.26 77P115_132.133 77.11.23 78P93_66.67 78.11.06 79P113_5116.5117 79.12.07
圖 4-18 民國 72 年河道航拍與素描
圖 4-19 民國 76 年河道航拍與素描
圖 4-20 民國 77 年河道航拍與素描
圖 4-21 民國 78 年河道航拍與素描
圖 4-22 民國 79 年河道航拍與素描
4.4.3 仁義潭攔河堰下方侵蝕的演化
由歷史照片及航空照片判釋結果，可見仁義潭攔河堰的侵蝕發生始於民國72 年至民國80 年間，對於攔河堰下方的侵蝕演化過程，本文提出示意圖加以解釋(圖 4-23)，並說明如下：
1. 攔河堰建造前河道穩定，表面覆蓋護甲層，河道寬闊(寬約 200 公尺)。
2. 民國 72 年攔河堰與第一階淨水池完工，施工時在第一階淨水池下方安置混凝 土塊。
3. 混凝土塊遭沖失，使得第一階淨水池下方沖刷坑漸漸形成；下游採石造成護甲 層薄弱甚至消失，岩床裸露。這個時期約為民國72 年至 76 年間。
4. 5.沖蝕坑影響到下游的侵蝕發展，漸漸向下游推進使下游河道侵蝕產生深槽河 道；另一方面下游裸露的岩盤發生向源侵蝕。最終兩個方向的侵蝕連貫，整個 河段下切。此時期約發生於民國76 年至 79 年，如照片 4-9(e)位置。
6. 下游河床高程降低後，於民國 80 年增設第二階與第三階淨水池。
1.攔河堰建造前河道 2.民國 72 年攔河堰
4.5 Erodibility Index 沖蝕指標適用性評估
由歷史照片比對與航空照片判釋的結果發現，仁義潭攔河堰下游於民國76 年 到民國79 年間因為沖刷坑發展與下游護甲層消失產生向源侵蝕，造成民國 72 年 完工時相當於第一階靜水池高度的河床高程在民國76 年至 79 年三年間下降到民 國80 年新設的第三階靜水池尾部高程(圖 4-23)，因此本研究使用沖蝕指標評估方 法，來評估攔河堰正下方在民國76 年至民國 79 年所發生的沖蝕性。
圖4-24 仁義潭攔河堰下游河床高程變化(95 年八掌溪下游沖刷河段治理方案之研 析)
由文獻的兩個國外案例探討，要使用erodibility index 沖蝕指標評估方法，必 須先取得沖蝕指標評分的相關參數，包括強度、不連續面的間距、組數、粗糙度、
位態等，這些參數可由現場調查或得，現場調查表格如表3-1，本研究所有詳細調 查記錄如附錄III。依據這些參數可以由 Annandale(2006)建議的方法得到現地岩石 河床的抗侵蝕指數(erodibility index)，進而由經驗公式(式 2.18)求得該岩石河床的 容許侵蝕能量(Capasity of stream power)；另外必須要有水流的條件，如特定的歷 史洪水事件下水流在某個區域造成的侵蝕能量，與前面求得的容許侵蝕能量比較 之下，便可以得知是否發生沖蝕。
4.5.1 Erodibility Index K
h值的估算
由現場調查所做地質圖與歷史照片比對的結果，仁義潭攔河堰正下方至100 斷面間岩床都是屬於泥質的頁岩，岩層僅存在一組層理，侵蝕機制屬於4.3.1 節所 提水流沿材弱面侵蝕的行為。利用現場調查得參數及表4-4 則可計算出 Erodibility
Index。本研究對每個參數就現場調查的結果求取最大值與最小值做為該區域岩床
1.22 或 1.5。
3. 弱面或顆粒間抗剪強度參數 (Discontinuity/interparticle bond shear strength number, Kd)─Kd值由岩體的節理面粗糙參數(Joint Roughness Number, Jr)與節理 改變參數(Joint Alteration Number, Ja)決定，泥質頁岩層面為連續且光滑的層 面，Jr參數由圖2-9 與表 2-5 得應為 1 至 1.5；而 Ja參數由於不連續面沒有分離 的情形，Ja 應為 1。
4. 地盤構造條件參數(Relative ground structure number, Js)─此參數由節理間距比 r 值、水流方向與岩體在水流縱剖面上的傾角三個要素決定。本例只有一組層
算結果如表4-5。
表4-5 觸口堰下游厚層泥岩沖蝕指數
參數 最小值 最大值
Ms 2.5 3.25
Kb=RQD/Jn 100/2.24=44.64 100/1.22=81.96 Kd=Jr/Ja 1.0/1=1 1.5/1=1.5
25.43~82.58(kW/m2)，相對地較前面泥質頁岩高。
95 號斷面下游的極厚層粉砂岩的抗沖蝕指數：本處岩性屬極厚層砂岩，侵蝕機制 屬於4.3.4 節所提粉砂岩切穿，抗沖蝕指數參數與指數計算評分結果如表 4-6。
表 4-6 95 號斷面下游極厚層粉砂岩沖蝕指數評分
4.5.2 Erodibility Index K
h值與岩層侵蝕速率的比較
由4.5.1 節對三種不同岩層的沖蝕指數(Erodibility Index, Kh)評分比較的結果為
─仁義潭攔河堰下方泥質頁岩(Kh=38.86~96.26)<觸口堰下游厚層泥岩
(Kh=74.77~359.60)<95 號斷面下游極厚層粉砂岩(Kh=83.08~437.05)，而由 4.1.2 節 所得岩層年平均沖蝕速率的結果為─泥質頁岩層(1.4m) >粉砂岩(0.75m)>觸口堰下 游泡水後表面會乾裂的泥岩(0.5m~1m/年)，本文就兩者之關係說明如下：
1. 泥質頁岩層的抗沖蝕力評分(Kh=38.86~96.26)最低，平均侵蝕速率也最快，約為
1.4m/年，符合抗沖蝕力越低越易受沖蝕的原則。
2. 粉砂岩的抗沖蝕力評分(Kh=83.08~437.05)較高，平均侵蝕速率約為 0.75m/年。
3. 觸口堰下游的泥岩抗沖蝕力評分雖然較粉砂岩低，但是年平均沖蝕速率卻有可 能出現比粉砂岩小(0.5m~1m/年)的情況，這可能是受水流條件所影響，在較劇 烈的水流條件下，95 斷面下游的粉砂岩層必須承受較高的水流侵蝕能量，因而 發生沖蝕速率較觸口堰下游泥質岩快的情況；另一方面也可能受沖蝕機制不同 的影響，由4.3 節所提出的軟岩現地沖蝕機制得知，95 斷面下游的粉砂岩沖蝕 機制與觸口堰下游乾濕循環作用下發生乾裂的泥岩沖蝕機制有所不同，沖蝕速 率也有可能是受到機制的影響。
4.5.3 水流流功(Stream power)的計算
由第三章流量觀測資料可知，在民國76 年至 79 三年間，最大洪峰流量為民 國78 年 9 月 10 日莎拉颱風所造成接近 800cms 瞬時流量。因此本研究仁義潭下游 水流侵蝕能量計算參考八掌溪仁義潭攔河堰下游沖刷河段治理方案之研析報告裡 所作水理分析(附錄 IV)，以該報告內所提民國 77 年軍輝橋最大瞬時流量 887cms 為計算所用流量，依Annandale(2006)建議的水流越頂(Headcuts)模式(圖 4-25)進行 水流侵蝕能量計算，詳細方法見2.2.3 節。
圖4-25 Heardcut 下游水流的侵蝕(Annandale, 1995)
高度為1.64m，所以後續分析取 Vc=4m/s，越頂水流高度 yc為1.64m。
下游受水流衝擊泥質頁岩Kh值的評分為38.86~96.26 之間，在 Kh值大於1 的條件
0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 SP(kW/m2) Kh值與水流侵蝕能量位於Annandale(2006)侵蝕評估方法的哪一個位置。由前面所 算得的Kh值(表 4-4、表 4-5、表 4-6)可以知道研究區域內不論是泥質頁岩、厚層
泥岩、極厚層粉砂岩，Kh值約略在40 到 400 之間，配合水流侵蝕能量的計算結 果40~550kW/m2可以在圖 4-27 上劃定出八掌溪研究區域的沖蝕指標評估區塊，可 以看出若岩體為抗侵蝕度較高的粉砂岩(Kh=400)時，在最小的侵蝕能量(40kW/m2) 下不會發生侵蝕。
圖4-27 八掌溪研究區域的沖蝕指標評估區塊
4.5.5 沖蝕指標方法的適用性討論
由4.5.3 節圖 4-27 的結果，研究區域發生侵蝕的行為符合 Annandale(2006)沖 蝕指標評估方法的預期，結果上看來本方法是合理的，但是在本研究使用沖蝕指 標方法來對沖蝕進行評估時，主要的問題能分為兩個部份，一是沖蝕指標評分(Kh 值)的問題，另一是水流侵蝕能量(Stream Power)計算的問題，以下分別討論之：
1. 沖蝕指標評分(Kh值)的討論：在 4.5.1 小節的沖蝕指標評分裡，由於現場調查的 紀錄要點是參考過文獻回顧後設計的，所以參數的給予，依Annandale(2006)
提供的制式表格配合現場調查資料查表，使用上甚為簡便。但是在軟岩地區的 岩層節理不發達，造成幾項與節理有關的參數沒有變異性，如岩體的節理面粗 糙參數(Joint Roughness Number, Jr)與節理改變參數(Joint Alteration Number, Ja) 通常只能定為 1，使得代表弱面或顆粒間抗剪強度參數 Kd值無法發揮；另外
2. 水流侵蝕能量(Stream Power)計算：在 Annandale(2006)提出建議的水流侵蝕能 量計算(如突降點的計算)，第二章提到需要有人為工程上的判斷轉移區的範 圍，增加了公式使用上的不確定性；本研究使用水流越過一跌水構造物的計算 方式計算仁義潭攔河堰下方沖蝕坑的侵蝕能量，在表4-7 的表現上符合常理，
即水流產生侵蝕的能量隨著跌水高度的增加而遞增。
總觀4.5，Erodibility Index 沖蝕指標評估方法的使用上，配合現場的調查與水 流資料的搜集能做到與文獻回顧案例探討相近的現地沖蝕評估，所做結果也如現
場觀察，河床會產生侵蝕，但是在軟岩地區的岩體特性會使得沖蝕指標評分在參 數給定上少掉某些重要參數，所以在軟岩地區是否制定新的參數加入沖蝕指標方 法可能為往後研究一重要的課題。
第五章、結論與建議
至民國80 年間，對於攔河堰下方的侵蝕演化過程，主要為沖蝕坑的向下發展 與下游岩床裸露的向源侵蝕兩個部份。
4. 對各岩層所做抗沖蝕指數評分為：仁義潭攔河堰下方泥質頁岩
(Kh=38.86~96.26)<觸口堰下游厚層泥岩(Kh=74.77~359.60)<95 號斷面下游極 厚層粉砂岩(Kh=83.08~437.05)，此結果與相對應的岩層平均侵蝕速率─泥質頁
(Kh=38.86~96.26)<觸口堰下游厚層泥岩(Kh=74.77~359.60)<95 號斷面下游極 厚層粉砂岩(Kh=83.08~437.05)，此結果與相對應的岩層平均侵蝕速率─泥質頁