第二章 相關理論及研究
3.1 研究方向
本研究主要藉由現地滲透儀器試驗，量測現地土壤滲透係數，同時利用 有限元素分析軟體，FEMWATER 程式模擬各種滲透係數狀況下現地滲透儀 器滲透情形，與現地量測所得之土壤滲透係數 k 值（ field conductivity ）比 較。計算各種狀況之流量，其所得的數據與現地試驗的數據進行正反比較，
以瞭解各種現地試驗儀器之適用差異與計算結果之可靠性。
3.2 試驗計畫
本研究的實驗計畫，主要分成四個部分，整體流程如圖 3.1：
1. 利用四種現地土壤滲透儀器，分別挑選交通大學工六現地與寶山鄉 三峰國小校地，兩種現地土壤進行試驗，並計算各試驗所得之現地 土壤滲透係數。
2. 現場薄管取樣，在實驗室內利用室內柔性壁三軸滲透儀模擬現地土 壓狀況，測量飽和時之土壤滲透係數 ；另利用 15 Bar Pressure Plate 壓力平板試驗量測土壤之保持曲線。
ks
3. 利用 FEMWATER 此有限元素分析之數值程式，模擬現地試驗狀況，
計算單位時間滲流量；利用試誤法找出不同之土壤滲透係數 k，並調 整kh kv 關係，觀察當模擬之單位時間滲流量相當於現地試驗時之 k 值變化。
4. 將各狀況下程式模擬計算、現地滲透試驗與室內三軸試驗之結果互 相比較，以瞭解各試驗之特性與適用性與準確性。
圖 3.1 研究計畫流程
3.3 試驗土壤
3.3.1 試驗場地
本試驗所選定的現地試驗場所，分別挑選黏土與粉土兩種性質不同土層 來進行試驗。
黏性土壤的試驗地點選定在交通大學光復校區內工程六管施工地點，除 工地已經將地表回填土挖除，可直接在原土層進行施作外，水源也可就近 取得。
粉土地層的試驗地點選在新竹縣寶山鄉三峰國小校地，該校位於新竹縣 寶山鄉內，校園內地表土層為土黃色之粉土夾雜少量礫石，有少量植物，
試驗地點就選在該校之空曠地，水源取得與設備管理較為方便。
3.3.2 土壤基本物理試驗
土壤含水量、飽和度、孔隙比、土壤粒徑分佈和土壤性質分類，對土壤 滲透性質影響極大，在本研究中佔有重要的地位。需要進行的土壤物理性 質試驗均以 ASTM 規範為依據。
1. 土壤含水量試驗﹝ASTM D2216﹞
2. 比重試驗 ﹝ASTM D854﹞
3. 土壤粒徑分析 ﹝ASTM D422﹞
4. 阿太保液、塑性限度 ﹝ASTM D4318﹞
3.3.3 土壤保持特性試驗方法
研究測量土壤保持特性之方法，是採用為 Soil Moisture 公司製造的 Model 1500，15 Bar Pressure Plate Extractor。儀器包含金屬容器、15bar 陶 瓷壓力板、壓力調節閥與空壓系統。陶瓷壓力平板之設計如圖 3.2，整體儀 器裝置如圖 3.3。
圖 3.2 15 Bar Pressure Plate 試驗陶瓷平板結構示意圖
圖 3.3 15bar 壓力平板試驗儀器與陶瓷平板連接試意圖
因儀器設計以壓力排出土壤中之水份，故僅能得到土壤的主要排出曲 線，並無法獲得土壤的主要濕潤曲線。在本試驗中所採取的壓力範圍為 0
～12 bar，分別施加 1、2、3、4、6、8、10、12bar 共八點壓力。因實驗室 內之空壓機僅能穩定提供到 8bar，10、12bar 之壓力則改採高壓氮氣鋼瓶來 進行試驗。
試驗土壤試體以現地取樣之不擾動土樣來進行，將土體由薄管頂出後，
利用取樣環取得試驗土體，取樣環為高 0.8 cm、直徑 5 cm 之橡膠環，將取 樣好之土樣連同取樣環置於陶瓷壓力板之上，置於水槽之中進行飽和，水 槽中保持水面比取樣環略低，應避免土樣流失。試驗進行時，土壤孔隙內 的水分會經由外流管排出，當土壤顆粒氣液介面有效曲率與空氣壓力達到 平衡時，空氣不再突破新的土壤孔隙取代水分，土壤水分便停止流動，而 達到平衡。經由排出管排出之水必須以量筒收集，並避免蒸發散影響讀數，
當讀數穩定持續 24 小時以上時即可視為達成平衡。而每階段試驗達成平衡 所需要的時間則視土壤性質而定，通常需要數日甚至數週。當試驗達成平 衡後即可取出取樣環及土樣，秤重烘乾後測量該土壤之含水量；記錄在各 壓力狀況下所得到的含水量，再換算成土壤之體積含水比即為該土壤的保 持曲線。
3.4 現地土壤透水試驗
3.4.1 Guelph Permeameter 試驗
Guelph Permeameter 為加拿大 Guelph 大學之研究人員所研發出來的現 地地表入滲儀器，目前此儀器由美國 Soil Moisture Equipment Corp.所製造。
此試驗可視為 Borehole 定水頭試驗，其理論基礎為，在一鑽孔中之定水頭 狀況下，一特定大小的飽和球體（Bulb）會形成，此球體狀況穩定，形狀 則受土壤種類而影響。此穩定球體產生時，則孔中水之流量會維持為定值，
孔中的水位與流量則可用來求得土壤的滲透係數。
Guelph Permeameter 可以迅速量測得土壤的滲透係數，但是此試驗基本 假設之一是土壤為等向，此假設與現地土壤狀況可能會有出入。
試驗步驟與數據計算：
試驗首先以儀器中特製鑽頭 A（圖 3.4），鑽頭直徑 6 cm，鑽孔至試驗土層 所需之深度，再以鑽頭 B（圖 3.4）將孔底挖平，最後以刷頭（圖 3.4）將 孔壁受擾動的土刷去。將組裝好的儀器架上鑽好的孔中，整體儀器設置完 成簡圖如圖 3.5。將儲水管注滿水，並確定氣管在試驗前有確實抵住儲水管 出口防止儲水管之水流出，並將頂部水頭控制管歸零。儲水管分成內管與 外管，由儲水閥門控制，可選擇僅以內管進行試驗或雙管同時進行，在滲 透係數較小的土層中建議單獨使用內管進行試驗，一方面試驗時間可以縮 短，且讀數也較為精確容易。試驗開始時只需將氣管依照水頭控制管刻度 提高至所需高度即可，依照水流速度定時記讀儲水管讀數，直到連續三次 讀數差相同時即可進行第二階段試驗。
通常第一階段試驗採用 5 cm 定水頭進行試驗，第二階段採取 10 cm 定水頭 試驗，試驗方式只需再將氣管提高 5 cm，則可繼續記讀數據直到末三次讀 數差值相同時，試驗即可停止。利用兩階段穩定時所得時間與滲流量之關 係，再以下列公式可以求得土壤的飽和滲透係數：
(
0.0041)( )
Y( )
R2(
0.0054)( )
Y( )
R1kfs = − （3.1）
上式由（2.16）（2.17）（2.18）三式簡化而來，其中 為現地土壤飽和之滲 透係數；
kfs
R1、R2則分別為階段一與階段二達穩定狀況下儲水管內每分鐘下 降的高度；Y 為儲水管係數，每組 Guelph Permeameter 儀器都有不同的儲水 管係數，係數分為內管係數與雙管係數，視所採取的試驗方式來使用。上 式所得的土壤滲透係數單位為cm/sec。
圖 3.4 Guelph 試驗鑽孔鑽頭 A、B、刷頭
圖 3.5 Guelph permeameter 儀器組立示意圖
3.4.2 Open Double-Ring Infiltrometer 試驗
雙環試驗分為開放式與封閉式，此試驗採取開放式雙環試驗，
實驗
儀 器是採用 Geotest Instrument Corp. 所製做的 Double-Ring Infiltrometer Instrument。儀器規格及實驗方法參考 ASTM D3385 規範。試驗步驟與數據計算：
1. 確認所選定實驗位置後，先以鋤頭等土工器具將所定範圍之雜草、雜物 清除乾淨，並清除地表約 3～5 cm 之表土。
2. 利用土樣採樣器取土樣，以供實驗室進行土壤基本性質試驗。
3. 將地表土壤整平後，將外環打進土層約 15 cm（敲打過程先將外環蓋上 蓋子，並在蓋子上墊上木塊，用鎯頭敲擊一至兩下，繞著蓋子敲打，直 到外環打入土層約達 15 cm）。
4. 將內環中心，對準外環，再將內環打入土層約 10 cm（敲打過程同上述 3
之方法）。
5. 將量筒支架固定於適當位置，並維持水平。將大、小量筒架設好，大量 筒用水管接至外環，小量筒用水管接至內環，如圖 3.5。
6. 決定內外環水位高度（內外環水位高度需相等），可視現地土壤種類而調 整，其水位高度範圍大致為 2 cm～15 cm。
7. 將內外環進水浮板調整至步驟 6 所決定之內外環水位高度。並分別將水 管接至內外環浮板之進水口。
8. 分別同時於大小量筒注水，直至大小量筒注滿水（即大小量筒內之水位 均達刻度 0 之位置，並儘量縮短注水時間，減少實驗誤差）。
9. 於步驟 8 將水注滿大小量筒後，開始計時。並量測記錄水溫、土溫、水 ph 值、天氣狀況、地下水位（若附近有地下水觀測井）。記錄大、小量 筒讀數，於實驗開始第一小時內，每隔 15 分鐘記錄一次，第二小時起，
每隔 30 分鐘記錄一次，第三小時起至第六小時每隔 60 分鐘記錄一次，
記錄的頻率則視試驗滲流量的狀況增加或減少。
10. 儀器架設完成如圖 3.6，試驗數據結果僅借助於假設的水頭狀況來計算水 力梯度，並利用達西公式（3.2）計算現地飽和滲透係數。假設欲計算地 表 A 點與地表下 B 點間的水力梯度，則所利用的基本公式如下（3.3）
kiA
Q = （3.2）
D H
i= HA − B （3.3）
在此計算 i 值之方式採外視導水度法：
外視導水度（Apparent Hydraulic Conductivity），是較為簡易方便的水力梯 度求取方式，假設地表下 B 點為基準點，其水頭為 0；故地表 A 點之總水 頭即為（H+D），可得水力梯度為，
D D
i= H+ （3.4）
當控制雙環試驗之試驗水位較小時，即 H 很小，則水力梯度可以假設為 1。
若試驗水位較高時，將無法假設 i 為 1，也無法求得 i 值。在一般之土層狀 況下，水力梯度 i 會略大於 1，所以利用此假設方式求得的飽和土壤滲透係 數將較實際值為高。
圖 3.6 Double-Ring Infiltrometer 儀器架設完成圖
3.4.3 Two-Stage Borehole Permeameter 試驗
Two-Stage Borehole Permeameter 試驗簡稱為 TSB 試驗，試驗可同時求 得土層之水平與垂直向滲透係數。此試驗由 Boutwell 所發展出來 （Soil Testing Engineers, 1983）。基本的試驗概念是，藉由兩個階段的試驗，各自 的飽和球體不同，導致垂直向和水平向滲透係數對入滲率之影響不同，分 別利用兩階段試驗所得的結果，可以求出垂直向和水平向之滲透係數。
試驗步驟與數據計算：
第一階段試驗，首先利用特製鑽頭，鑽頭直徑約 15 cm，在試驗土層鑽 孔至試驗深度，將孔底清理整平之後，放入套管，套管直徑 10.2 cm，孔與 套管之間之空隙則以皂土確實填充，以避免水從孔與套管間溢流。慢慢將 水注滿套管，盡量以不擾動孔底土壤為優，套上上蓋與量管，打開注水管，
第一階段試驗，首先利用特製鑽頭，鑽頭直徑約 15 cm，在試驗土層鑽 孔至試驗深度，將孔底清理整平之後，放入套管，套管直徑 10.2 cm，孔與 套管之間之空隙則以皂土確實填充，以避免水從孔與套管間溢流。慢慢將 水注滿套管，盡量以不擾動孔底土壤為優，套上上蓋與量管，打開注水管，