全光纖邊坡穩定系統整合與現地應用測試(4/4)

100-46-7531 MOTC-IOT-99-H1DB007

全光纖式邊坡穩定監測系統整合

與現地應用測試 (4/4)

交 通 部 運 輸 研 究 所

中 華 民 國 100 年 4 月

100-46-7531 MOTC-IOT-99-H1DB007

著者：邱永芳、黃安斌、饒 正、李瑞庭

陳志芳、何彦德

交 通 部 運 輸 研 究 所

中 華 民 國 100 年 4 月

全光纖式邊坡穩定監測系統整合

與現地應用測試 (4/4)

國家圖書館出版品預行編目(CIP)資料 全光纖式邊坡穩定監測系統整合與現地應用測試(4/4) /邱永芳等著. --初版.-- 臺北市：交通部運輸研究所， 民 100.04 面 ； 公分 ISBN 978-986-02-7408-0 (平裝) 1. 防災工程 2. 山坡地 3.光纖感測 445.5 100004828 GPN：1010000558 ISBN：978-986-02-7408-0 (平裝) 著作財產權人：中華民國(代表機關：交通部運輸研究所) 本著作保留所有權利，欲利用本著作全部或部份內容者，須徵求交通部 全光纖式邊坡穩定監測系統整合與現地應用測試(4/4) 著 者：邱永芳、黃安斌、饒 正、李瑞庭、陳志芳、何彦德 出版機關：交通部運輸研究所 地 址：10548 臺北市敦化北路 240 號 網 址：www.ihmt.gov.tw (中文版>中心出版品) 電 話：(04) 26587176 出版年月：中華民國 100 年 4 月 印 刷 者： 版(刷)次冊數： 初版一刷 100 冊 本書同時登載於交通部運輸研究所港灣技術研究中心網站 定 價： 200 元 展 售 處： 交通部運輸研究所運輸資訊組•電話：(02)23496880 國家書店松江門市：10485 臺北市中山區松江路 290 號 F1•電話：(02)2510207 五南文化廣場：40042 臺中市中山路 6 號•電話：(04)22260330

100

全光纖式邊坡穩定監測系統整合與現地應用測試

(4/4)

交通部運輸研究所

GPN：1010000558 定價 200 元

交通部運輸研究所合作研究計畫出版品摘要表

出版品名稱：全光纖式邊坡穩定監測系統整合與現地應用測試(4/4) 國際標準書號（或叢刊號） ISBN978-986-02-7408-0(平裝) 政府出版品統一編號 1010000558 運輸研究所出版品編號 100-46-7531 計畫編號 99-H1DB007 本所主辦單位：港研中心 主管：邱永芳 計畫主持人：饒正 研究人員：陳志芳 聯絡電話：04-26587113 傳真號碼：04-26564418 合作研究單位：國立交通大學防災與水環境研 究中心 計畫主持人：黃安斌 研究人員：黃安斌、李瑞庭、何彥德 地址：300 新竹市大學路 1001 號 聯絡電話：03-5712121 研究期間 自99 年 3 月 至99 年 10 月 關鍵詞：光纖光柵、地下水流模型、邊坡穩定分析、有效應力、地下水 摘要： 傳統邊坡安全監測大多採用傾斜管配合手動式傾斜儀監測地層內滑動面之所在位置及移動 量，地下水位監測則多使用開口式水位計。這些監測儀器幾乎全部使用手工在現場紀錄讀數，在 雨季或邊坡發生滑動時，現場紀錄讀數可能無法進行或非常危險，而這些情況下也可能是最需要 監測儀器讀數的時候。近年來雖有可做自動化監測之電子式監測儀器之研發，但電子式自動化監 測系統具有價格昂貴、易受電磁波干擾、雷擊破壞、且儀器設備若長期處於潮濕環境容易短路故 障等缺點。然而，現場邊坡崩塌機制往往受到地表入滲或側向水流影響，使得土壤有效應力降低 而發生破壞。根據相關研究數值分析顯示，原深層地下水位之邊坡在不同降雨程度下其地下水位 會會有不同程度之上升，受地下水位上方土層為非飽和及滲流的影響，降雨前後地層內水壓分佈 常是非線性的。如使用傳統方法在鑽孔內量測一至兩個深度水壓，再以線性內差的方法來估算水 壓分佈會有明顯的誤差，此現象也顯示設置土層內分佈式水壓監測系統之重要性。 本研究是研發及整合光纖式感測器與自動化解讀/數據傳輸設備，藉由光纖感測器分佈感測 之優點，量測地層水壓及位移分佈，並應用於臺18 線阿里山公路五彎仔路段。計畫期間，經歷 辛樂克、莫拉克與凡那比颱風，都能夠有效發揮監測功能，完整紀錄颱風期間監測點地層內各深 度水壓及位移變化。透水壓監測資料，結合數值分析，建立現場地下水流模型，分析現場邊坡穩 定性並建立預警基準，提供相關單位做決策參考依據。 成果與效益： 1.完成光纖式地滑與水壓監測系統，可供交通部公路總局第五區養護工程處建立該區域地下 水分佈與流向，併作為管理單位研擬安全管理之具體指標。 2.監測系統完成後可加入「公路防救災決策支援系統」供公路管理單位作為防災及減災之功 效。 出版日期 頁數 定價 本 出 版 品 取 得 方 式 100 年 4 月 182 200 凡屬機密性出版品均不對外公開。普通性出版品，公營、公益機關 團體及學校可函洽本所免費贈閱；私人及私營機關團體可按定價價 購。 機密等級： □密□機密 □極機密 □絕對機密 （解密條件：□ 年 月 日解密，□公布後解密，□附件抽存後解密， □工作完成或會議終了時解密，□另行檢討後辦理解密） ▓普通 備註：本研究之結論與建議不代表交通部之意見。

PUBLICATION ABSTRACTS OF RESEARCH PROJECTS INSTITUTE OF TRANSPORTATION

MINISTRY OF TRANSPORTATION AND COMMUNICATIONS

TITLE: Integration and Field Testing of an All Fiber Optic slope stability monitoring system (4/4)

ISBN (OR ISSN) ISBN978-986-02-7408-0

(pbk)

GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER

1010000558 IOT SERIAL NUMBER 100-46-7531 PROJECT NUMBER99-H1DB007

DIVISION: Harbor & Marine Technology Center DIVISION DIRECTOR: Chiu Yung-fang PRINCIPAL INVESTIGATOR: Jao Cheng

PROJECT STAFF: ChenJyh-fang

PHONE: (04) 26587113 FAX: (04) 26564418

PROJECT PERIOD FROM March 2010 TO October 2010 RESEARCH AGENCY: National Chiao Tung University, Disaster Prevention and Water Environment Research Center PRINCIPAL INVESTIGATOR: Huang An-bin

PROJECT STAFF: Huang An-bin, Lee Jui-ting, Ho Yen-te ADDRESS: #1001, Ta Hsueh Rd., Hsin Chu 300, Taiwan, R.O.C PHONE: (03) 5712121

KEY WORDS: Fiber Bragg grating, ground water flow numerical model analysis, Slope stability, Effective stress, Groundwater

ABSTRACT:

Conventional slope stability monitoring often involves the use of inclinometer casings and open-end piezometers. A plastic or aluminum casing is installed in the ground. An electronic carriage referred to as the inclinometer probe (IP) is lowered into the pre-installed casing to measure the inclinations. The displacement profile of the casing is determined by accumulating relative movements from IP readings. Open-end piezometers are used to monitor the ground water levels. Both sensors are read manually in the field. The safety hazards may prevent the critical instrument readings be taken when they are needed the most. Many automated electronic devices have been developed recently. These devices can be costly and subject to electromagnetic interferences and lightning damage when deployed in the field. In comparison with electronic devices, the optic fiber sensors are passive in nature with no electronic circuitry. The optic signals can be easily transmitted by tens of kilometers through light. Multiple sensors can be connected to a single optic fiber for distributive sensing. The objective of this research is to develop and integrate the optical fiber sensors and the automated interrogation system. The system was deployed at a test site at the Five Turn Point of Highway 18 near Alishan. A series of optic fiber sensors were installed in boreholes to monitor the pore water pressure and ground displacement distribution. The system has survived typhoons Sinlaku, Molake and Fanapi and demonstrated their effectiveness. The overall slope stability can be analyzed by integrating the pore pressure readings and stress analysis. The proximity of failure can be ascertained by comparing the state of effective stress according to the pore pressure measurements and stress analysis and its relationship with the failure envelope. Following this concept, a framework for slope stability warning system has been proposed and experimented.

ACHIEVEMENT AND BENEFIT：

The monitoring system can provide references and applications of the disaster prevention of the roadside slope collapses for the Highway Bureau and parties that may be concerned with promoting disaster prevention technique for the maintenance management of mountain areas in Taiwan.

DATE OF PUBLICATION April 2011 NUMBER OF PAGES 182 PRICE 200 CLASSIFICATION □ RESTRICTED □ CONFIDENTIAL

□ SECRET □ TOP SECRET

▓UNCLASSIFIED

全光纖式邊坡穩定監測系統整合與現地應用測試(4/4)

目 錄

中文摘要...I 英文摘要... II 圖目錄 ... VII 表目錄 ... XIII 第一章 緒 論...1-1 1.1 計畫背景 ...1-1 1.2 計畫工作項目說明 ...1-3 第二章 重要文獻回顧...2-1 2.1 光纖光柵原理簡述 ...2-1 2.2 光纖光柵節理式偏斜儀 ...2-4 2.3 光纖光柵節理式偏斜儀之改良...2-6 2.4 光纖光柵水壓計 ...2-7 2.5 光纖光柵水壓計之改良 ...2-11 2.6 光纖光柵傾斜/加速度感測器...2-14 2.6.1 FBG-I/A 加速度感測原理...2-15 2.6.2 FBG-I/A 傾斜感測原理...2-18 2.7 布里淵（Brillouin）散射原理 ...2-21 2.7.1 激發性 Brillouin 散射原理 ...2-23 2.7.2 自發性 Brillouin 散射原理 ...2-25

2.7.3 低解析可承受大變形之光纖感測器 ...2-26 2.7.4 低解析可承受大變形之光纖感測器之室內標定...2-29 2.7.5 低解析可承受大變形之光纖感測器之室內九米傾斜觀測 管測試 ...2-31 2.8 地下水流數值模擬 ...2-35 第三章 光纖監測系統優化與維護...3-1 3.1 光纖監測系統之孔位位置配置與選定要素說明...3-1 3.2 光纖監測系統目前運作狀況說明...3-2 3.2.1 光纖監測儀器監測數據說明 ...3-2 3.2.2 光纖自動化監測系統優化與維護說明...3-6 第四章 歷年現場監測儀器數據與成果比較...4-1 4.1 辛樂克與莫拉克颱風期間現場監測儀器資料...4-1 4.2 光纖傳感器與傳統監測儀器效能評估...4-13 第五章 研究場址地下水流模擬...5-1 5.1 現場地下水流數值模式簡介...5-1 5.1.1 SEEP/W 程式理論說明...5-1 5.1.2 MODFLOW 程式理論說明 ...5-5 5.2 阿里山公路五彎仔路段全區域地下水流模擬結果說明...5-6 5.3 B-B 剖面地下水流模擬結果說明 ...5-10 5.3.1 辛樂克颱風現場地下水流模擬測試結果...5-11 5.3.2 莫拉克颱風現場地下水流模擬測試結果...5-15 第六章 邊坡穩定分析與破壞潛勢定義說明...6-1 6.1 邊坡破壞模式說明 ...6-1

6.2 邊坡穩定分析方法與室內環剪模擬實驗介紹...6-1 6.2.1 邊坡穩定分析方法介紹 ...6-1 6.2.2 室內環剪模擬實驗介紹 ...6-3 6.3 現場邊坡初始應力狀態之建立...6-7 6.4 邊坡破壞潛勢定義說明 ...6-11 6.5 阿里山公路五彎仔路段邊坡破壞分析...6-14 第七章 光纖式與電子式感測器成本與效益分析...7-1 7.1 光纖式與電子式感測器成本比較...7-1 7.2 光纖式與電子式感測器效益分析...7-1 第八章 結論與建議...8-1 8.1 結論 ...8-1 8.2 建議 ...8-2 參考文獻...參-1 附錄一 期中審查委員意見及辦理概況...附錄 1-1 附錄二 期末審查委員意見及辦理概況...附錄 2-1 附錄三 期中報告簡報資料...附錄 3-1 附錄四 期末報告簡報資料...附錄 4-1

圖 目 錄

圖 2.1 光纖光柵反射原理示意圖 (Kersey, 1992） ...2-3 圖 2.2 光纖光柵感測機制示意圖 (簡旭君, 2003) ...2-3 圖 2.3 FBG 偏斜儀設計示意圖 ...2-5 圖 2.4 節理式設計之訊號放大效應 ...2-5 圖 2.5 鋁擠型偏斜儀支架設計概念圖 ...2-6 圖 2.6 製作完成之鋁擠型偏斜儀支架 ...2-6 圖 2.7 光纖光柵內連續遞增之漸變應變 ...2-7 圖 2.8 連續遞增之漸變應變所產生 FBG 尖峰波長寬度之改變 ...2-8 圖 2.9 FBG 波長飄移分析示意圖 ...2-8 圖 2.10 漸變週期式 FBG 水壓計構造示意圖 ...2-10 圖 2.11 等週期波長式 FBG 水壓計構造示意圖 ...2-10 圖 2.12 等週期波長式 FBG 水壓計標定結果 ...2-11 圖 2.13 FBG 水壓計改良斷面示意圖 ...2-12 圖 2.14 改良式 FBG 水壓計 ...2-12 圖 2.15 大量串接 FBG 水壓計與傳統水位管之比較 ...2-13 圖 2.16 FBG 水壓計現場安裝構想圖...2-14 圖 2.17 FBG-I/A 側面剖示圖 ...2-16 圖 2.18 FFBG-I/A 平面剖示圖...2-16 圖 2.19 FFBG-I/A 傾斜感測示意圖...2-19 圖 2.20 FFBG-I/A 實體 ...2-20 圖 2.21 FBGI/A 傾斜標定...2-20 圖 2.22 Brillouin 散射在纖核(core)中的示意圖(陳進福, 2001)...2-21

圖 2.23 光纖內的 Rayleigh、Brillouin、Raman 散射的頻譜圖 (陳進福, 2001)...2-22 圖 2.24 Brillouin 散射功率對入射光功率的關係圖...2-23 圖 2.25 (a)SMF 中的背向激發性布里淵散射頻譜 (b)SMF 中的背向 自發性布里淵散射頻譜(陳進福, 2001)...2-26 圖 2.26 光纖拉伸計實體圖 ...2-27 圖 2.27 光纖拉伸計初始與受力後狀態圖 ...2-28 圖 2.28 光纖拉伸計固定於 PVC 管 ...2-28 圖 2.29 光纖拉伸計拉伸測試結果圖 ...2-29 圖 2.30 光纖拉伸計固定於 PVC 管彎曲標定示意圖 ...2-30 圖 2.31 光纖拉伸計固定於 PVC 管之彎曲標定圖 ...2-31 圖 2.32 光纖拉伸計架設於室內九米傾斜觀測管 ...2-32 圖 2.33 對照組傾斜管大肚形變形 ...2-33 圖 2.34 光纖拉伸計(定性)大肚形變形測試結果圖 ...2-33 圖 2.35 對照組傾斜管喇叭形變形圖 ...2-34 圖 2.36 光纖拉伸計(定性)喇叭形變形測試結果圖 ...2-34 圖 2.37 都布假設之非拘限地下水流模型示意圖 ...2-35 圖 2.38 多水層地下水流模型示意圖 ...2-36 圖 2.39 坡地非飽和地下水流模型示意圖 ...2-37 圖 3.1 全光纖式監測儀器配置圖（青山工程顧問公司, 2007） ...3-2 圖 3.2 NCTU-03 60m 光纖光柵水壓監測孔水壓變化圖...3-3 圖 3.3 IHMT-01 200m 光纖光柵傾斜觀測觀變化圖 ...3-4 圖 3.4 NCTU-04 50m 光纖光柵水壓監測孔水壓變化圖...3-4 圖 3.5 NCTU-01 20m 光纖光柵傾斜觀測觀變化圖...3-5

圖 3.6 IHMT-01 200m 光纖光柵傾斜觀測觀變化圖 ...3-5 圖 3.7 自動化光纖光柵解讀系統監測畫面 ...3-7 圖 3.8 光纖感測器自動化擷取系統地層位移畫面 ...3-7 圖 3.9 光纖感測器自動化擷取系統水壓分布及歷時畫面 ...3-8 圖 3.10 自動化光纖解讀系統警訊發送畫面 ...3-8 圖 3.11 低耗電量工業型電腦 ...3-9 圖 3.12 工業級網路路由器 ...3-9 圖 3.13 高供電量(4800W)不斷電系統...3-10 圖 3.14 現場光纖監測儀器擷取系統圖 ...3-11 圖 3.15 台科大網路即時監測畫面圖 ...3-12 圖 4.1 辛樂克與莫拉克颱風期間累積降雨量 ...4-2 圖 4.2 NCTU-03 -14m~-24m 水壓與辛樂克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-3 圖 4.3 NCTU-03 -29m~-39m 水壓與辛樂克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-4 圖 4.4 NCTU-03 -44m~-54m 水壓與辛樂克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-5 圖 4.5 NCTU-03 水壓歷時變化於辛樂克颱風...4-6 圖 4.6 NCTU-03 3D 水壓歷時變化於辛樂克颱風量變化趨勢圖...4-6 圖 4.7 NCTU-03 -14m~-24m 水壓與莫拉克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-8 圖 4.8 NCTU-03 -29m~-39m 水壓與莫拉克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-9 圖 4.9 NCTU-03 -44m~-54m 水壓與莫拉克颱風之累計降雨量變化 趨勢圖 ...4-10

圖 4.10 NCTU-03 水壓歷時變化於莫拉克颱風 ...4-11 圖 4.11 NCTU-03 3D 水壓歷時變化於莫拉克颱風圖 ...4-12 圖 5.1 辛樂克颱風前期現場地下水位高程變化圖 ...5-8 圖 5.2 辛樂克颱風後期現場地下水位高程變化圖 ...5-8 圖 5.3 莫拉克颱風前期現場地下水位高程變化圖 ...5-9 圖 5.4 莫拉克颱風後期現場地下水位高程變化圖 ...5-9 圖 5.5 現場地下水流模型圖 ...5-10 圖 5.6 辛樂克颱風現場降雨量 ...5-12 圖 5.7 NCTU-03 水壓觀測井於辛樂克颱風 3D 歷時變化圖 ...5-13 圖 5.8 考量入滲邊界之 SEEP/W 現場地下水流模型圖...5-13 圖 5.9 低水位穩態狀態於辛樂克颱風之模擬值與實際監測值比較圖 ...5-14 圖 5.10 高水位穩態狀態於辛樂克颱風之模擬值與實際監測值比較圖 ...5-14 圖 5.11 暫態狀態下於辛樂克颱風之模擬值與實際監測值比較圖...5-15 圖 5.12 莫拉克颱風現場降雨量 ...5-16 圖 5.13 NCTU-03 水壓觀測井於莫拉克颱風 3D 歷時變化圖 ...5-17 圖 5.14 低水位穩態狀態於莫拉克颱風之模擬值與實際監測值比較圖 ...5-17 圖 5.15 高水位穩態狀態於莫拉克颱風之模擬值與實際監測值比較圖 ...5-18 圖 5.16 暫態狀態下於莫拉克颱風之模擬值與實際監測值比較圖...5-18 圖 6.1 邊坡坡地崩塌類型圖 ...6-1 圖 6.2 破壞面切片作用力示意圖 ...6-3 圖 6.3 利用環剪試驗模擬邊坡滑動面之應力元素 ...6-4

圖 6.4 應力狀態於實際邊坡與環剪儀器 (Sassa et al.,2004)...6-5 圖 6.5 模擬飽和砂土層於不排水條件下受剪行為 (Sassa et al.,2004)6-5 圖 6.6 Minamata 邊坡斷面圖 (Sassa et al.,2004) ...6-6 圖 6.7 模擬 Minamata 邊坡受剪應力路徑結果 (Sassa et al.,2004) ...6-7 圖 6.8 現場邊坡模型網格示意圖 ...6-8 圖 6.9 模擬邊坡各元素xx應力大小示意圖...6-8 圖 6.10 模擬邊坡各元素yy應力大小示意圖...6-9 圖 6.11 模擬邊坡各元素zz應力大小示意圖 ...6-9 圖 6.12 模擬邊坡各元素_xy應力大小示意圖...6-10 圖 6.13 模擬邊坡各元素 p應力大小示意圖...6-10 圖 6.14 模擬邊坡各元素q應力大小示意圖 ...6-11 圖 6.15 不同摩擦角所對應 p-q 圖之斜率說明...6-12 圖 6.16 邊坡安全預警機制流程圖 ...6-13 圖 6.17 低水位時期 B-B 剖面安全係數等高線(莫拉克颱風)...6-14 圖 6.18 T=14.4hr 時 B-B 剖面安全係數等高線(莫拉克颱風)...6-15 圖 6.19 T=28.8hr 時 B-B 剖面安全係數等高線(莫拉克颱風)...6-15 圖 6.20 T=43.2hr 時 B-B 剖面安全係數等高線(莫拉克颱風)...6-16 圖 6.21 高水位時 B-B 剖面安全係數等高線(莫拉克颱風)...6-16 圖 6.22 SLOPE/W 模擬 B-B 剖面邊坡圖 ...6-17 圖 6.23 NCTU-03 孔位於莫拉克颱風時各深度安全係數變化軌跡圖 ...6-17

表 目 錄

表 2-1 光纖式水壓感測器規格說明 ...2-12 表 4-1 光纖傳感器與傳統監測儀器效能評估表 ...4-13 表 5-1 水力傳導係數與體積含水量之預測方法 ...5-3 表 5-2 水力傳導係數與體積含水量之預測方法 ...5-5 表 5-3 Modflow 程式參數設定說明 ...5-6 表 5-4 現場觀測井於辛樂克颱風期間地下水位變化表 (青山顧問報告, 2009)...5-7 表 5-5 現場觀測井於莫拉克颱風期間地下水位變化表 (青山顧問報告, 2009)...5-7 表 5-6 地下水流模型參數說明表 ...5-11 表 6-1 現場邊坡模型參數設定說明 ...6-7 表 6-2 邊坡破壞潛勢範圍大小 ...6-12 表 7-1 光纖感測器與傳統電子感應器成本差異比較 ...7-1 表 7-2 光纖感測器與傳統電子感應器效益比較表 ...7-2

第一章 緒 論

1.1 計畫背景

針對潛在或持續滑動之邊坡的監測，國內外大多採用傳統傾斜管 配合手動式傾斜儀 (Inclinometer probe, IP)，視情況之需要配合開口式 水位管(Open ended piezometer)做地下水位之監測。IP是以手動的方法 放入傾斜管中紀錄讀數，開口式水位管則是以皮尺放入管中決定水位 之深度。國內有許多公路或鐵路（包括高速鐵路）邊坡，由於其位置 偏遠或不易到達，難以使用傳統傾斜管與手動式傾斜儀做邊坡穩定監 測，此類監測系統自動化與遠距離訊號傳輸確實有其必要性。傾斜管 之監測可以用管內傾斜儀（In place inclinometer, IPI）以長期置入的方 法做自動化監測。開口式水位管內可置入電子式水壓計以水壓感測水 位。配合自動資料擷取系統，可自動紀錄IPI與電子式水壓計讀數。但 電子式自動化監測系統具有價格昂貴、易受電磁波干擾、雷擊破壞、 且儀器設備若長期處於潮濕環境容易短路故障等缺點。同時傳統開口 式水位管受其尺寸限制，在同一鑽孔內通常最多安裝兩管，對於地下 水位/水壓之判讀多所限制。 光纖感測技術具有許多傳統電子感應技術沒有的優點，包括(1)體 積小－光纖直徑一般為250μm左右體積甚小；(2)耐久性高－光纖之主 要成份是矽(Silica)為非金屬，可以長期埋在地下而不易腐蝕或改變其 性質；(3)光纖訊號可長（數十公里）距離傳輸而不受電磁波干擾；(4) 可以在同一光纖上做多點分佈式的監測。

近來國內已研發成功光纖光柵（Fiber Bragg grating, FBG）節理式 偏斜儀（FBG segmented deflectometer, FBG-SD），其設計是與傳統傾 斜管匹配，將 FBG-SD 插入固定於地層內之傾斜管，以 FBG-SD 節理 間偏斜角度之改變來估算傾斜管之變形分佈。FBG-SD 已成功的應用於 公路邊坡或地層開挖支撐變形之監測，唯 FBG-SD 感應範圍有限，一 般 FBG-SD 感測範圍為正負 2 度角，光纖光柵拉伸應變量約為正負

3,000 至 4,000με(但可視感測器靈敏度做調整)，若每一感測器間距為 1 公尺長，則單一 FBG-SD 最大可感應位移量為正負 3.14 公分(總位移 量為 6.28 公分)，當邊坡滑動量大於 FBG-SD 允許感測範圍量時，將使 得部分 FBG-SD 可能無法繼續發揮功能(其餘未超過允許量測範圍時， 可繼續感測傾斜觀測管變形量之改變)，此時，若能在傾斜觀測管外側 增加一額外（Redundancy），如光纖拉伸計，一般單模光纖可承受之 應變量為 15,000 至 20,000με，相對於 FBG-SD 其感測靈敏度較低， 感測靈敏度約 30με，對於低靈敏度之光纖光柵拉伸計較能承受大變 形且低成本之配置則更能增加此變形監測系統之有效性與可靠性。也 就是說小變形範圍內由 FBG-SD 所控制；大變形範圍則由光纖拉伸計 所控制，而邊坡破壞經常也涉及地下水壓變化，因此若能同時監測水 壓則更能有效反應地層之破壞潛能。 使用光纖感應系統做邊坡穩定監測需要實用而能夠維持長期穩定 之訊號解讀裝置。市場上現有光纖訊號解讀系統並不一定能夠滿足現 場監測在經濟與穩定性之需求，而必須在軟硬體方面做必要之檢測與 改良。國內外在 FBG 水壓感測技術方面也有初步之發展，但其實用性 仍然有限。 數值分析顯示，原深層地下水位之邊坡在不同降雨程度下其地下 水位會會有不同程度之上升，受地下水位上方土層為非飽和及滲流的 影響，降雨前後地層內水壓分佈常是非線性的。如果使用傳統在鑽孔 內只量測一至兩個深度然後以線性內差的方法來估算水壓分佈的方法 會有明顯的誤差。此一現象也顯示做地層內分佈式水壓監測之重要性。 本計畫之目的是進一步改良光纖地層位移與水壓監測技術之穩定 性與經濟性、將光纖感應水壓計與地層移動監測系統加以整合，如此 可以更充分的發揮邊坡穩定監測之功能。另一方面，本計畫將光纖感 應器之解讀系統、光纖轉換器以及數值訊號傳輸系統做一整合，如此 可以全時間以自動化之方式將數據傳輸至管理單位並與預警機制配合 使用。

本計畫達到之總目標有以下四項： 1. 光纖地層位移與水壓監測系統之整合與必要之改良。 2. 可與 FBG-SD 匹配，低解析度能承受大變形，低成本之光纖地層感 應系統之研發。 3. 光纖感應訊號解析與資料擷取/傳輸系統之整合。 4. 以四年的時間設定測試場所做系統之現場應用測試。 測試地點在第一年選定，每年視研究之需要增加鑽孔及安裝新監 測儀器，在此期間並連續紀錄數據，累積長期之使用經驗。

1.2 計畫工作項目說明

本年度計畫之主要工作項目為： 1. 現場光纖監測感測器與自動化光纖解讀系統量測設備維護與優化。 2. 完成現場數值模擬，包含現場水壓變化與雨量關係等。 3. 光纖監測資料擷取與現場數值分析結果網頁呈現。(利用現場監測資 料輸入至現場數值模擬分析(邊坡穩定分析)，求得雨量與安全係數 之關係，以提供警戒值、行動值與管理值與相關單位(公路局等)， 且該監測資料會與台科大網路系統整合，以網頁方式呈現。 4. 光纖與傳統感應系統結果之比較以及效益評估。

第二章 重要文獻回顧

研究團隊在使用光纖感測技術於大地工程監測，以及地下水流數 值模擬方面已有多年之研發經驗。本章針對計畫中將使用之光纖感測 技術原理以及地下水流數值模擬理論做一敘述。

2.1 光纖光柵原理簡述

光纖光柵的製造係利用高能量同調雷射在光纖曝光造成折射率永 久改變，成為一系列週期為的明暗條紋，此稱之為光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）。當一寬頻光耦合進入此一光纖時，除了滿足布拉 格條件（Bragg condition）的特定波長，其餘波長都會因為相位差而相 消(李瑞庭, 2005)。 其布拉格反射波長B為   _B 2n _{... (2-1)} 其中： n = 光纖纖心的有效折射率  = 折射率週期性改變的間距 圖2.1 為光纖光柵反射原理示意圖，光柵中的週期明暗條紋類似在 光纖中製造一系列透鏡組合，當寬頻光束通過這些透鏡組合時，造成 某特定頻率光波被反射，而其他頻率光波則繼續向前傳導，而這些透 鏡的間距不同，則被反射光波頻率亦不相同。 應變與波長飄移關係如圖 2.2 所展示，當光柵受到外力產生應變 時，則造成光纖光柵原本間距的改變增加量為，帶入(2-1)式可以 得到

  _B 2n _{... (2-2)} 根據應變的定義      l l  ... (2-3) 得到 l n n l l B B                           2 2 _{... (2-4)} 因此 B B l l        _{... (2-5)} 當外力施加產生應變後，不只是反射回來的B會改變，光纖的有效 折射率n 也會同時改變。因此上式應該被修正為        K l l K B B ... (2-6) B B K     _{... (2-7)} 當光纖光柵受到溫度變化時，波長飄移量可由下式表示







T  K_T T     ... (2-8) 其中：

 _{= 光纖的熱光係數（Thermal Optical Coefficient）}

α = 光纖的熱膨脹係數（Thermal Expansion Coefficient） KT = 溫度敏感係數

grating

sensor(λ

j

)

λ

I

wavelength

shift decoding

outputs

λ

1

broadband

source

input

spectrum

λ

coupler

I

I

I

λ

returns

λ

wavelength

encoded

λ

2

λ

3

measurand field

圖 2.1 光纖光柵反射原理示意圖 (Kersey, 1992） 布拉格波長飄移並非完全線性，在高溫時溫度變化會使波長飄移較 為顯著，因為在ξ 在 150℃約為 6.9×10-6/℃，450℃時則變為約 9.6×10-6/ ℃，而熱膨脹係數α=0.55~1.1×10-6/℃。然而在室溫條件下，1℃的溫度 變化約使得布拉格飄移約1.1~1.2×10-2nm。 圖 2.2 光纖光柵感測機制示意圖 (簡旭君, 2003)

2.2 光纖光柵節理式偏斜儀

本團隊目前所發展出之FBG 地層監測技術稱之為光纖光柵節理式 偏斜儀(FBG segmented deflectometer, FBG-SD)，能夠與傳統測傾管配 合使用。FBG-SD 是將一長約 215mm，直徑約 10mm，使用塑鋼製成 之柔性軟管(Flexible tube)外，相隔 180 度黏貼成對的光纖光柵。在此 應變感測元件兩端加裝鋁片剛性材料如圖2.3 所示，將兩端剛性材料所 受到的應力傳到中間柔性材料上，此時對柔性材料會有應變集中的現 象，也就會有將應變放大的效果。在應變感測元件兩端加裝鋁片剛性 材料構成節理（Segment）之部分。節理又分量測節理（Measurement segment）與延伸節理（Extension segment）兩部分。量測節理上裝有 支架（Stud），其大小與形狀與傳統測傾管（Inclinometer casing）及其 內部之凹槽相匹配，藉由彈簧（Spring）之拉力來保持支架與傾斜觀測 管凹槽之密合。延伸節理為一硬體，沒有任何自由度，其唯一目的為 根據量測需要來改變或延長量測節理間之距離。量測節理內安裝兩個 軸承，其中一個軸承與監測管方向同軸（軸向軸承，Longitudinal bearing），其目的在於解除感測器受監測管軸向力（包括重力與摩擦力） 與扭力對感測器之影響，另一個軸承與監測管方向垂直（橫向軸承， Lateral bearing），安裝在量測節理之中心點，其目的在於限制量測節理 只能以橫向軸承為中心旋轉而增加結果分析之可靠度。柔性軟管之一 端以雙螺絲固定於量測節理內，另一端插入軸向軸承中，可以延軸向 滑動或轉動，柔性軟管之中心與橫向軸承在同一位置。偏斜儀在現場 組裝，以量測節理與延伸節理交互連接而形成，連結完成之偏斜儀隨 即放入測傾管中（圖 2.4）。傾斜管因為地層滑動或被監測結構體變形 而發生扭曲的時候，變形監測管經由光纖或其他應變感應器量測柔性 軟管彎曲變化量，計算並累積變形監測管因地層移動而造成之彎曲角 度，再根據此角度之變化來計算地層移動量。 在實驗室中可標定出光柵波長改變量與角度變化量的關係，根據標 定結果計算，光柵波長改變1 pm（解析儀所能讀取之最小 FBG 波長改變 量）所對應之，剛性段間之夾角改變量在0.0012 與 0.0018 度之間。在監

測地層滑動時我們可以將多個FBG 偏斜儀串接在一起，並將量測到的角 度換算成側向位移量，偏斜儀能夠容許的彎曲角度可達3.0 度上下。 tube flexible spring stud bearing longitudinal bearing lateral extension

segment measurement segment

45 215 25 78 30 unit: mm 85 175 Top View Side View 圖 2.3 FBG 偏斜儀設計示意圖 monitoring probe segmented deflection casing inclinometer 圖 2.4 節理式設計之訊號放大效應 

2.3 光纖光柵節理式偏斜儀之改良

為便於將來大量安裝，本團隊已將原設計加以改良。偏斜儀支架 改用鋁擠型，支架間之連接使用鋁粉壓鑄成型。改良設計之概念圖如 圖2.5 所示。 圖 2.5 鋁擠型偏斜儀支架設計概念圖 圖2.6 展示製作完成之鋁擠型偏斜儀支架，新型設計之偏斜儀支架 表面經過陽極硬化處理，耐用性更高，同時便於現場安裝。 圖 2.6 製作完成之鋁擠型偏斜儀支架

本計畫所安裝之光纖光柵節理式偏斜儀既將使用改良型之鋁擠型 偏斜儀。

2.4 光纖光柵水壓計

本團隊所研發之水壓計使用光纖光柵（FBG）做水壓計之解析方 法使用FBG 波峰漂移以及波峰寬度改變兩種方法來調解（Modulate）， 這兩種方法分別敘述如下： 漸變週期式 FBG 波峰寬度分析：漸變週期式 FBG 是指 FBG 內的 光柵應變之分部是漸變的（如圖 2.7），假設一原週期均勻分佈之 FBG 當受到外力而產生漸變式應變時其FBG 波峰寬度會變寬如圖 2.8 所示。 圖 2.7 光纖光柵內連續遞增之漸變應變 FBG 波峰飄移分析：FBG 受應變或溫度影響，易產生波長飄移（圖 2.9），假設一個FBG 初始波長為 λ1，當 FBG 受到外力或溫度之影響時， 會使得 FBG 波峰往長波長飄移為 λ2，而此波峰變寬量會正比於 FBG 應變量。

圖 2.8 連續遞增之漸變應變所產生 FBG 尖峰波長寬度之改變

採用漸變週期式 FBG 來製作水壓計如圖 2.10 所示。將 FBG 貼於 圓形薄片上，可隨著所需要量測的範圍調整薄片的厚度，根據彈性力 學分析，當此圓形薄片受到垂直於平面的壓力時，從圓心到邊界的應 變會呈現先受伸張再受壓縮分布，因此貼於圓板上的FBG 會發生漸變 的型式，光柵所反射的頻譜會以較寬的形勢顯示，其波形反應會產生 如圖 2.8 之現象，而其波峰寬度與壓力成正比。此設計之優點是 FBG 反應不受溫度變化之影響而結構簡單。 圖2.11 展示使用等週期式使用 FBG 波峰飄移與壓力間之關係來設 計。將FBG 光纖之一端固定於水壓計底部使其不產生位移，另一端則 黏著於於一彈性金屬薄膜上，當水壓計內部受壓力作用改變時金屬膜 隨之變形，因此FBG 所感受之應變也隨之變化。當金屬膜仍在彈性限 度內，FBG 即呈現等週期式之變化，FBG 波峰值與壓力有一線性關係。 但此一設計無法隔離溫度改變對FBG 波峰值之影響，因此必須加入另 一呆（Dummy）FBG 做為感應溫度變化之用。 圖2.12 展示等週期式 FBG 水壓計之標定結果。結果顯示，在 0 至 500kPa 範圍內讀數與壓力間有高度之線性關係，其相關係數（R2）在 0.998 以上，效果非常良好。等週期式 FBG 水壓計體積小直徑小於 1.5mm，適合於現階段安裝於現有之開孔式水位計內。 表2-1 為說明光纖式水壓計量測範圍、感測器靈敏度及精度。

8m

m

Section view

Bottom view Top view

base and frame stainless steel FBG porous stone protection sheath optic fiber w/ 30m m 圖 2.10 漸變週期式 FBG 水壓計構造示意圖 透水石 鋼模片 封膠 光纖光柵 圖 2.11 等週期波長式 FBG 水壓計構造示意圖

0 2000 4000 6000 8000 Wavelength shift, pm 0 200 400 600 P res su re, kPa R2 _{= 0.9998} Temperature = 25o_C 圖 2.12 等週期波長式 FBG 水壓計標定結果 表 2-1 光纖式水壓感測器規格說明 項 目 光纖式水壓感測器 量測範圍 0~1 MPa 感測器靈敏度 0.1 kPa 感測器精度 ±0.434% 量測範圍

2.5 光纖光柵水壓計之改良

本計畫使用如圖 2.11 所示之等週期波長式 FBG 水壓計。根據圖 2.12 所示 FBG 水壓計標定結果，其靈敏度為 0.285 kPa/pm，也就是說， 當FBG 水壓計能感測外側 28.5 mm 以上水頭變化。 由於FBG 水壓計之量測訊號是藉由光纖傳輸線來傳輸，當於現場 裝設時，可能因人為因素而造成損壞，所以本團隊將FBG 水壓計裝置

於長50 cm，直徑為 27 mm 之 PVC 管內，如圖 2.13、圖 2.14 所示。而 FBG 水壓計本體位於兩側阻絕層之內並固定於 PVC 管之中心處，於該 PVC 管外圍施作間距 5 mm 寬 2 mm 的篩孔及包裹不織布，使得 FBG 水壓計能感測外圍水壓或水位的變化。 圖 2.13 FBG 水壓計改良斷面示意圖 圖 2.14 改良式 FBG 水壓計 使用PVC 管包覆的另一原因是本次安裝最多使用 10 個水壓計串 連在一起，在監測技術上將是一創新。此一安裝與傳統鑽孔（直徑約 100mm）中最多只安裝兩個水位管間之比較展示於圖 2.15。為確保封 層（使用白皂土顆粒）施工順利，PVC 管外圍必須保持平直而無凸出 接頭，這是將FBG 水壓計置入 PVC 管之另一原因。

圖 2.15 大量串接 FBG 水壓計與傳統水位管之比較 本計畫採取的方式是首先將 FBG 水壓計固定於長 0.5 m、直徑為 27 mm（約 1 英吋）的 PVC 管內，而 PVC 管外將予以打孔且外圍包裹 不織布如圖 2.14 所示，使得該範圍透水，而該部分稱為感測單元。至 於連接部份，以相同直徑大小之PVC 管作銜接以保護光纖傳輸線，其 在鑽孔內之裝設示意圖如圖 2.16 所示。感測單元周圍之鑽孔以透水材 料（例如礫石）回填，連接部份周圍則以不透水材料（白皂土）回填， 如圖2.16 所示。

圖 2.16 FBG 水壓計現場安裝構想圖

2.6 光纖光柵傾斜/加速度感測器

本 團 隊 所 研 發 雙 質 量 光 纖 光 柵 加 速 度 傾 斜 感 測 裝 置 （FBG inclinometer/accelerometer, FBG-I/A）之整體構件如圖 2.17 與圖 2.18 所 示(黃安斌、何彥德, 2008)。加速度量測單元是由兩質量相同幾何形狀

對稱之重塊以彈簧片連接而形成。彈簧片之彈力將分別黏著於固定夾 塊上下之兩個光纖光柵（FBG1 與 FBG2）拉緊，固定夾塊以螺絲固定 於支架上。彈簧片透過軸承套與軸承支撐於支架上。重塊、彈簧片與 光纖光柵所形成之組合體可以軸承為軸心旋轉但無法做線性位移。 2.6.1 FBG-I/A 加速度感測原理 當感測裝置相對於支架垂直方向（x 方向）產生加速度 ax時（如圖 2.17 所示），感測器之系統運動公式如下：



r_sK_s r_FK_F



x Ma_x x M 2 2    _{... (2-9)} 其中： M =重塊質量 x _{= x 方向位移對時間之二次微分} KS = 彈簧片扭轉方向之勁度 KF = 光纖光柵張力方向之勁度 rs = 彈簧片扭轉與 x 向位移之轉換係數 rF = 光纖光柵張力方向 x 向位移之轉換係數

軸承 重塊一 重塊二 FBG 1 FBG 2 光纖 固定夾塊 軸承套 彈簧片 固定支架 外殼 x y 圖 2.17 FBG-I/A 側面剖示圖 外殼 軸承 軸承套 彈簧片 固定支架 固定夾塊 重塊 圖 2.18 FFBG-I/A 平面剖示圖

將公式兩邊除以2M，得到： x ox a x2   _{... (2-10)} 其中：



r_sK_s r_FK_F



M o  2  _{... (2-11)} 代表此加速度儀之天然頻率。當加速度儀受一x 向週期性振波，其 迴旋角度頻率為時： t i x x A e a   _{... (2-12)} 其中： Ax = 振幅 重塊質量所對應之週期性振波為： t i Xe x  _{... (2-13)} 將公式(2-12)與(2-13)重塊振幅代入公式(2-9)即可得到重塊質量振 幅X： x o o A X 2 2 1 1             ... (2-14) 光纖光柵所受應變_FBG與X 關係為： X r_F FBG   _{... (2-15)} 因此透過高頻FBG之擷取，即可計算振幅X 隨時間之變化，而得到 量 測 之 目 的 。 當 重 塊 受 重 力 影 響 使 得 此 組 合 體 受 逆 時 針 方 力 矩

（Moment）而有旋轉之傾向，此一逆時針方力矩（Mccw）為：





w ccw Mg d M  2  _{... (2-16)} 其中： g = 重力加速度 dw = 重塊相對於軸承之力臂 2.6.2 FBG-I/A 傾斜感測原理 在無傾斜時dw 與重塊重塊重塊重心軸向至軸承間延垂直於支架方 向之距離 dM 相等。光纖光柵透過固定夾塊受制於支架產生反作用拉 力與順時針方向之力矩（Mcw）為：



FBG



FBG CW F d M  2  _{... (2-17)} 其中： FFBG = 光纖光柵所受拉力之改變 dFBG = 光纖光柵相對於軸承之力臂 Mccw 與 Mcw 大小相同方向相反，因此組合體無法旋轉。當感測 裝置相對於重力方向產生傾斜角度時（如圖 2.19 所示），dw 隨傾斜 角度改變，但dFBG 及 dM 維持不變。此時與FFBG有以下之關係式： FBG M FBG d Mgd F  cos ... (2-18) 在固定夾塊上下方之光纖光柵所受拉力改變 FFBG 大小相同正負 相反。利用此一特性可以抵銷溫度效應，因為溫度對固定夾塊上下方 之光纖光柵所產生拉力改變 FFBG 大小與正負都相同。將固定夾塊上 下方光纖光柵所量得拉力改變FBG 數值相減即可將溫度效應消除。

如圖 2.20 所示每一 FBG-I/A 單元上下配有滾輪，可以配合放入傳 統傾斜管中，當地層滑動時 FBG-I/A 可經由傾斜角度變化量來計算單 組FBG 測傾儀側向移動量，最後累積計算出變形監測管因地層移動而 造成之側向位移。在實驗室中可標定出光柵波長改變量與角度變化量 的關係（圖 2.21），根據標定結果計算，FBG 波長改變 1 pm（解析儀 所能讀取之最小FBG 波長改變量）所對應之角度變化量，傾斜角度精 度在0.002 與 0.004 度之間。在監測地層滑動時我們可以將多個 FBG-I/A 串接在一起，並將量測到的角度換算成側向位移量，單組FBG 測傾儀 能夠容許的傾斜角度在-5o至+5o之間。 d d  d 圖 2.19 FFBG-I/A 傾斜感測示意圖

圖 2.20 FFBG-I/A 實體 -2000 -1000 0 1000 2000 Wavelength change, pm -6 -4 -2 0 2 4 6 An gl e, d eg ree Y=0.0029X+0.0794 R2_=0.9998 圖 2.21 FBGI/A 傾斜標定

2.7 布里淵（Brillouin）散射原理

Brillouin 效應，首先是由法國物理學家 Leon Brillouin（1889~1969） 於西元1920 年所發現。在他的發現當中，最主要是說明散射光的頻率 受到改變，所以這個效應就以他為名，稱為Brillouin 散射。而且當時 就僅在學術及研究領域上討論，直到1970 年之後，雷射和光纖應用在 光纖通信系統之後，這個效應才逐漸受到重視。 Brillouin 散射效應，主要是因為入射光打到原子與原子的鍵結，造 成原子與原子的振動，而在光纖纖核中激發出音波而造成折射率的變 動，因此會有散射的現象產生。而此音波在纖核當中，類似一個往前 移動性的布拉格光柵，當入射光與音波互相作用時，會有一部份的光 被往後散射（180 度的散射），並且因為都卜勒效應（Doppler effect） 的緣故，使得散射光會比入射光低一個頻率值，這樣的散射現象，我 們就稱為布里淵散射（Brillouin Scattering），此時所降低的頻率值稱為 Brillouin 頻率 νB 如圖 2.22 所示。 圖 2.22 Brillouin 散射在纖核(core)中的示意圖（陳進福, 2001）

如果就量子振動的觀點來看，散射現象可視為光子與聲子之間的互 相作用。在兩者互相作用過程中，光子可能會產生聲子，也可能會吸 收聲子，而造成光子能量的改變。如果是產生聲子的話，則光子的能 量會減少，其頻率也會減少，在這種情況下，我們稱為史多克漂移 （Stokes shift）；如果是吸收聲子，則光子的能量和頻率都會增加，在 這種情況下，我們稱為反史多克漂移（Anti-Stokes shift）。若是由光聲 子造成的散射現象，我們稱為拉曼散射（Raman Scattering）;而若是由 音聲子造成的散射現象，我們稱為布里淵散射（Brillouin Scattering）。 可由下圖 2.23 所示，為光纖內的 Rayleigh、Brillouin、Raman 散射的 頻譜圖。 圖 2.23 光纖內的 Rayleigh、Brillouin、Raman 散射的頻譜圖 （陳進福, 2001） 而就散射頻譜來說，Brillouin 散射與光載波約有 11GHz 的最大頻 率漂移量及約有 40MHz 的頻寬；而 Raman 散射頻譜，則與光載波約 有 13.2THz(440cm-1)的最大頻率漂移量。兩者除了散射頻譜的差異之 外，Brillouin 散射與光子的散射角度也有關；在向後散射時，其頻率漂

移量為最大，此時的最大頻率漂移值稱為 Brillouin 頻率，在向前散射 時則降為零。而且Brillouin 散射之光強度又比 Raman 散射光為大，所 以Brillouin 散射效應應用於分佈型光纖感測領域就比較有其發展性。

另外，在Brillouin 散射過程中，依其入射光強度的大小可分為兩大 類：(1)激發性 Brillouin 散射（Stimulated Brillouin Scattering）效應，表 示入射光強度超過某個臨限值（Threshold value）時，則幾乎所有的入 射光都會被反射回輸入端；(2)自發性 Brillouin 散射（Spontaneous BrillouinScattering）效應，表示入射光低於此臨界值時，其本身自己就 會存在的輻射能量返回於反射端，並造成的光頻率漂移量，我們可由 圖2.24 可看出，Brillouin 散射功率對入射光功率的關係圖。 圖 2.24 Brillouin 散射功率對入射光功率的關係圖（陳進福, 2001） 2.7.1 激發性 Brillouin 散射原理 激發性Brillouin散射主要是由泵激光波（Pump wave），探測光波 （Probewave）及音波（Acoustic wave）三者互相作用產生的結果。 Pumpwave和Probe wave 在光纖當中，是互為相反方向傳輸，再透過電 致伸縮（Electrostriction）效應激發出音波，使得光纖折射率受到週期

性調變而散射入射的泵激光，此時光的能量由泵激光波轉移到探測光 波，被散射光會因為都卜勒效應以及音速（Acoustic velocity）VA移動 的光柵兩者的關係，而向下漂移某個頻率值νB，在整個聲光作用的過 程期間，都必須保持能量守恆及動量守恆，而其能量守恆關係式如下： S P A      ... (2-19) 而其動量守恆關係式如下： S P A k k k   ... (2-20) 其中

ωA：the frequency of the Pump wave ωP：the frequency of the Stokes wave ωS：the frequency of the Acoustic wave kA：the wave vector of the Pump wave kP：the wave vector of the Stokes wave kS：the wave vector of the Acoustic wave

另外，在Brillouin 增益頻譜中，其頻率的漂移量νB，可用下式表示： P A B nV    2 ... (2-21) 其中可以觀察到一點是nB與λp成反比，及與材料的有效折射率n， 及音波音速VA成正比，而λp為入射光脈波。由於光纖材料的電致伸縮 （Electrostriction）效應的作用，就會影響Brillouin散射增益值gB，而 Brillouin散射增益值gB與材料的特性及電致伸縮係數γe有關，而光纖的 Brillouin 增益係數gB(ν)可用羅倫茲（Lorentzian）方程式來描述：

 

B A P e B nV c g         0 2 2 0 0 2 2 _{... (2-22)}

其中γe為電致伸縮係數(e /)，ρ₀為材料密度，λp為泵激光 波長，ΔνB為頻譜寬度（FWHM linewidth），εo為真空的介電常數，n 為有效的折射係數，VA為音波的速度，其一般gB≒ 5×10-11 m/W。而 且電致伸縮對介質的影響會增加材料密度，所以介電常數需要下列的 修正： 2 2 1 2 0 2 E C e          ... (2-23) 其中C為介質壓縮係數(C P/)，P為光彈係數，而電致伸縮也 會對折射係數造成影響，其關係如下： 其中I為光強度





2 0 0c / E2 n I   ，E為電場，co為光傳輸速度。 I c n C n n e 0 2 0 2 2 4 1           ... (2-24) 在Brillouin增益頻譜來看，其頻譜寬度ΔνB很小，約40MHz左右， 而線寬與音波的阻尼時間（Damping time）和聲子的生命週期（Lifetime） τB有關，其表示式為ΔνB=(πτB)-1。 2.7.2 自發性 Brillouin 散射原理

自發性Brillouin 散射主要是由泵激光波（Pump wave），史多克波 （Stokes wave）及音波（Acoustic wave）三者互相作用產生的結果。 此現象一般只需要很低的功率就會產生，所以對於光纖通信在長途的 傳輸及高密度分波多工（DWDM）的系統上會造成嚴重的影響。而自 發性Brillouin 散射效應的作用原理與激發性Brillouin 散射效應相同， 只是光強度大小有所差別，這也是自發性布里淵散射現象應用在感測 系統會比較廣泛的原因，分析原因主要是激發性Brillouin 散射效應會 在整個聲光作用的過程產生放大作用，使得感測的物理量變得不準 確。圖2.25為單模光纖的背向布里淵散射頻譜，圖2.25 (a)所示為激發性

布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering）頻譜，及圖2.25 (b)所示為 自發性布里淵散射（Spontaneous BrillouinScattering）頻譜。 圖 2.25 (a) SMF 中的背向激發性布里淵散射頻譜 (b)SMF 中的背向自發性布里淵散射頻譜(陳進福, 2001) 2.7.3 低解析可承受大變形之光纖感測器 根據青山顧問公司(2006)針對台18線五彎仔路段研究報告指出，該 地區共可分為八個滑動塊體，且這些滑動塊體在雨季期間中，滑動量 可達到每月1.5公分以上之滑動量，另外，地下水位變化可達數十公尺。 因此，分布在該區域之監測孔位與儀器，大部分都無法再繼續使用， 尤其為傾斜觀測管大多因過大變形，使得測傾儀(Inclinometer Probe, IP) 無法通過較大之彎曲曲率，而無法持續監測該區域滑動塊體之滑動量 大小。所以，本研究團隊為了使得該區域傾斜觀測管繼續發揮其功能， 並利用光纖本身之特性，如體積小、不受電磁波影響及耐久度高等， 加上光纖每一公里單價非常便宜（5000m單模光纖售價新台幣3000 元），並以布理淵散射原理來做為低解析度可承受大變形的光纖感測 器，而光纖感測器主要感測機制為將一長為1.2m的單模光纖先固定於 長5cm，直徑為4cm的螺桿上，再將其套入一長為1.3公尺，內徑為4cm、

外徑為6cm的尼龍套管，以保護光纖不受到外在環境所破壞，稱此低解 析度可承受大變形之光纖感測器為光纖拉伸計，如圖2.26所示，圖2.27 為當光纖拉伸計受一張力時，所產生之變化。而藉由上述光纖拉伸計 之特性，將其固定於28mm直徑PVC管上並兩邊對稱，每一PVC管長約 為1.9m長，相鄰兩PVC管則利用具有導輪，長20公分的PVC管相接一 起，當PVC管受到外力彎曲時，則一邊會產生拉力，另一邊則產生壓 力，故即可判斷傾斜觀測管再次發生變形之位址。圖2.28為將光纖拉伸 計固定於PVC管上之示意圖。 圖 2.26 光纖拉伸計實體圖

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 Distance (m) -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 -0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 St rain ( % ) Original Deformation 圖 2.27 光纖拉伸計初始與受力後狀態圖 圖 2.28 光纖拉伸計固定於 PVC 管

2.7.4 低解析可承受大變形之光纖感測器之室內標定 低解析度可承受大變形之光纖感測器之研發分為兩方向，一為定 性化，另一則為定量化。在定性化方面，目前本研究團隊已完成初步 成果，可由圖2.27所示。而定量化方面，目前以拉伸與彎曲兩種方法進 行測試，在光纖拉伸計之拉伸測試中，先將光纖拉伸計一端固定於光 學桌板上，而另一端固定於光學桌面上之螺旋測微計上，以每5mm之 拉伸量做為測試，圖2.29為光纖拉伸計拉伸測試結果，由結果顯示光纖 拉伸計變形沿軸向方向有良好之重覆性，其R-square為0.9972，每一微 應變可感應0.01mm。 圖2.30為光纖拉伸計固定於PVC管彎曲標定示意圖，而標定前先將 兩組光纖拉伸計固定於PVC管上並相互對稱，偶後將PVC管之一端固 定於光學桌面上，使其為一懸臂量狀態，另一自由端則以間隔為25mm 之位移量來回前後施加，圖2.31為自由端前後位移量與應變之關係圖， 其R-square為0.9958，每一微應變可感應0.39mm。 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Strain, % -2 0 2 4 6 8 Displace m ent, cm Y = 10.85 X - 3.151 R2 _{= 0.9972} 圖 2.29 光纖拉伸計拉伸測試結果圖

圖 2.30 光纖拉伸計固定於 PVC 管彎曲標定示意圖

固定端鋁塊 PVC 管

光纖拉伸計

側 視 平 面 圖

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Strain, % -20 -10 0 10 20 Dis placem ent, cm Y=-39.463X+4.9629 R2_=0.9958 圖 2.31 光纖拉伸計固定於 PVC 管之彎曲標定圖 2.7.5 低解析可承受大變形之光纖感測器之室內九米傾斜觀測管測試 本次光纖拉伸計室內九米傾斜管測試，測試項目分為喇叭形之變 形及大肚形之變形，而光纖拉伸感測器部分，一共裝設4組於9m傾斜 管 ， 其 各 光 纖 拉 伸 計 感 測 範 圍 分 別 為1.32~2.52m 、 3.32~4.52m 、 5.32~6.32m及7.32~8.52m。各拉伸計之間有一段不受力光纖，其應變讀 數為零，此零讀數光纖段是用來確認BOTDR讀數與位置關係之用。在 大肚形變形部分，為在9m傾斜管深度3m處分別向外推出約3.5m、4.3m 及5.5m，圖2.33為內側9m傾斜管藉由測傾儀量測出傾斜管變形示意 圖，在傾斜管變形圖中，可觀察到深度在1.32~2.52m處，傾斜管有趨於 為向外側彎曲，換句話說，傾斜管外側承受壓狀態；內測呈現受拉狀 態，圖2.34顯示出深度在1.32~2.52m位置處，外側之光纖拉伸計應變量 有明顯變小趨勢，內側光纖拉伸計感應之應變量則有變大趨勢，而在 傾斜管之反曲點處，3.32~4.52m處之外側光纖拉伸計有呈現受拉裝況； 內側部分則為受壓狀態，同樣在深度5.32~6.32m中，光纖拉伸計之應變 變化量也與傾斜管變形趨勢一致，由於深度在7.32~8.52m傾斜管並未變

形，故該處之光纖拉伸計也未受變形而影響。大肚形變形情況下，受 拉（Tension）與受壓(Compression)之應變大小關係會隨深度而反轉， 如圖2.34所示。 在喇叭形的變形狀態下，其傾斜管主要變形位於深度0至3m處，其 向外推出位移量分別為3.8cm、8.1cm及10.2cm(見圖2.35)，可由圖看出， 位於1.32至2.52m之光纖拉伸計外側部分之應變量有明顯降低；內側之 應變量則有升高趨勢。相對於大肚形變形，在喇叭形的變形狀態下， 受拉（Tension）與受壓(Compression)之應變大小關係不會會隨深度而 反轉，如圖2.36所示。 根據以上經驗，地層變形之特性可以用BOTDR應變分佈之特性來 判讀，但在所施加之變形範圍內還無法根據BOTDR應變讀數做定量之 分析。 圖 2.32 光纖拉伸計架設於室內九米傾斜觀測管

8 6 4 2 0 Dep th, m -60 -40 -20 0 20 Displacement, mm step 1 step 2 step 3 圖 2.33 對照組傾斜管大肚形變形 10 8 6 4 2 0 Depth, m 0.4 0.6 0.8 1 Strain, % Step 0 Ten. Step 1 Ten. Step 2 Ten. Step 3 Ten. Step 0 Comp. Step 1 Comp. Step 2 Comp. Step 3 Comp. 圖 2.34 光纖拉伸計(定性)大肚形變形測試結果圖

8 6 4 2 0 D ept h, m -120 -80 -40 0 40 Displacement, mm step 1 step 2 step 3 圖 2.35 對照組傾斜管喇叭形變形圖 10 8 6 4 2 0 Depth, m 0.4 0.6 0.8 1 Strain, % Step 0 Ten. Step 1 Ten. Step 2 Ten. Step 3 Ten. Step 0 Comp. Step 1 Comp. Step 2 Comp. Step 3 Comp. 圖 2.36 光纖拉伸計(定性)喇叭形變形測試結果圖

2.8 地下水流數值模擬

ㄧ般而言，地下水流模型由簡至繁可大略分為三種，首先為考慮都 布假設(Dupuit assumption)之非拘限(Unconfined)地下水流模型(Fetter, 1988)，此模型較適合應用於垂向流(Vertical flow)不顯著，也就是地下 水流可視為水平流(Horizontal flow)之狀況時。其控制方程式可表示如 下： t h S y h K y x h K x X y y                         _{... (2-25)} 式中，h 為水頭或水位(Hydraulic head)，Kx 與 Ky 分別表示 x 與 y 方向之水力傳導係數(Hydraulic conductivity)，Sy 為比出水係數(Specific yield)。都布假設之非拘限地下水流模型，如圖 2.37 所示，常被利用於 壩體地下水滲流(Seepage flow)之分析。

圖 2.37 都布假設之非拘限地下水流模型示意圖

然而，若地下水流中之垂向流不可忽略，且地質有類似層狀分布 時，在不考慮土壤非飽和效應下，可利用多水層(Multiaquifer)地下水流 模型(McDonald and Harbaugh, 1984；黃良雄, 民國 87 年；楊錦釧與黃 良雄, 民國 92 年；蔡東霖, 民國 90 年)。如圖 2.38 所示，拘限含水層 (Confined aquifer)、非拘限含水層(Unconfined aquifer)及阻水層(Aquitard) 之通用地下水方程式可表示為

t h S z h h K z y h h K y x h h K x X y z s                                    _{... (2-26)} 式中，h 為水頭或水位，Kx、Ky與Kz分別表示x、y 與 z 方向之水 力傳導係數，Ss為 比儲水係數(Specific storage)。 圖 2.38 多水層地下水流模型示意圖 若由地形地質與地下水文分析結果顯示，土壤非飽和性，對地下水 及坡地破壞有相當影響時，則需考慮複雜的非飽和地下水流模擬 (Unsaturated groundwater modeling)。如圖 2.39 所示，其控制方程式可 表示為(Bear, 1972; Hurley and Pantelis, 1985)

 

 

 

_            _                                   _          _  _{ }  _  _    cos sin z K z y K y x K x x L L L ...(2-27) 式中，Ψ 為壓力水頭(Pressure head)，α 為坡地之角度(Slope angle)， KL 與 Kz 分別表示與沿坡面與垂直坡面方之水力傳導係數(Hydraulic conductivity)，θ 為含水量(Water content)。

圖 2.39 坡地非飽和地下水流模型示意圖

由式(2-27)可知，非飽和地下水流模擬時，需知道含水量與壓力水 頭之關係，及水力傳導係數與壓力水頭之關係，也就是所謂的保水曲 線(Water retention curve)。Van Genuchten (1980)提出之飽和度與壓力水 頭和水力傳導係數間的關係式，如下所示：

 

M N r s r S _                1 1 _...(2-28)

 

1 2 2 1 1 1                                      M M r s r r s r s K K          _...(2-29)

其中，θs為飽和含水量(Saturated moisture content)，θr為殘餘含水量 (Residual moisture content)，Ks為飽和水力傳導係數(Saturated hydraulic conductivity)，ξ 為進氣潛能因子(Empirical parameter of air entry value)， N 為孔徑指數(Pore index)，M 為曲線密合因子(Cure fitting parameter)。

第三章 光纖監測系統優化與維護

光纖光柵解讀系統部分，已於去年度計畫中更換低耗電量之工業 型電腦，及增加不斷電系統之供電量，以提供緊急情況下，光纖光柵 解讀系統能夠正常運作，而資料傳輸系統部分，於今年度更換高穩定 工業型路由器，可隨時與遠端伺服器保持連線降低網路連線不穩定情 況發生，另外，監測資料已透過FTP方式，傳輸至台科大伺服器，以提 供即時資訊；現場監測儀器部分，目前所有安裝現場監測儀器運作正 常，並且於NCTU-04水壓觀測井孔及IHMT-01傾斜觀測管更換新式光 纖連接端，以利後續維修與檢測，以下為光纖監測系統優化與維護說 明，及各監孔位目前監測數據成果。

3.1 光纖監測系統之孔位位置配置與選定要素說明

自95年5月5日本團隊於至臺18線阿里山公路五彎仔路段現地勘 查，依據現有監測資料(青山工程顧問報告)，現地傾斜觀測管編號C-11 仍持續量測中，以及水位觀測井B2，據監測資料結果可知在暴雨期間， 現地水位及水壓監測管內水位或水壓變化遽增，約可達數十公尺。由 於B2與C-11兩鑽孔都位於N3滑動區之上緣(青山工程顧問報告)，此處 對於現地地下水流數值分析為重要之邊界條件。所以本團隊基於數值 模擬分析考量選擇於傾斜觀測管C-11附近新增一傾斜觀測管，深度為 40m並裝設研發之FBG-SD偏斜儀監測管內變形。而現地水壓觀測部 分，為了考量現有封層技術，將原先規劃設置在B-2旁100公尺水壓觀 測井分成兩部分，首先在C-11旁設置深度40公尺的水壓觀測井，並以 間隔5公尺之距離，安裝5組光纖光柵水壓計，其目的可先測試現場封 層技術是否可到達預期目標，另一方面日後可與NCTU-01傾斜觀測管 中裝設之20組FBG-SD所量測的資料及以傳統IP量測C-11傾斜觀測管 變形資料相互比較。而在B-2孔位設置深度為60公尺水位觀測井，孔位 編號為NCTU-03，該孔位同樣以間隔5公尺的距離，裝設10組光纖光柵

水壓計，以監測NCTU-02與NCTU-03兩水壓觀測管中之水壓隨深度的 變化，另外，為了增加地下水流模擬準確性，於98年10月安裝一孔50m 水壓測井NCTU-04。 IHMT-01 200公尺傾斜觀測管之配置為考量上述之光纖監測孔位 大多分布於B-B剖面上(見圖3.1)，加上預定裝設位置距離邊坡坡面僅有 1~2公尺，較容易監測傾斜管之變形量。 圖3.1 全光纖式監測儀器配置圖（青山工程顧問公司, 2007）

3.2 光纖監測系統目前運作狀況說明

3.2.1 光纖監測儀器監測數據說明 圖3.2為NCTU-03 60m水壓監測孔之水壓變化圖，該孔位自96年 10月裝設至今，其各深度水壓計感應正常，該圖為顯示目前水壓變化

圖，圖3.3為NCTU-04 50m水壓監測孔之目前水壓變化圖，該孔位自 98年10月裝設完成，經過凡那比颱風期間，其各深度水壓並無明顯變 化，研判地層中可能有一透水層存在，目前各深度水壓變化非常小， 顯示該點地下水位在地表下50m以下。圖3.4為NCTU-03水壓監測井於 凡那比颱風期間所測得各深度水壓變化，圖中顯示其水壓變化最大量 約為100 kPa，圖3.5為NCTU-01 40m傾斜觀測管，孔內中為裝設20組 光纖光柵節理式偏斜儀，每一感測點間距為1m，其監測範圍為地表下 0m至20m之間，圖中目前顯示最大變形量為地表處，其位移量為約 20mm，圖3.6為IHMT-01 200m傾斜觀測管，共裝設30組光纖光柵節 理式偏斜儀，感測深度範圍為地表下35m至65m之間，其目前孔內最大 變形量約為6mm。 圖 3.2 NCTU-03 60m 光纖光柵水壓監測孔水壓變化圖

圖 3.3 IHMT-01 200m 光纖光柵傾斜觀測觀變化圖

圖 3.5 NCTU-01 20m 光纖光柵傾斜觀測觀變化圖

3.2.2 光纖自動化監測系統優化與維護說明 圖3.7至圖3.10為光纖自動化擷取系統監測畫面圖，包含各傾斜觀 測管與水壓監測管歷時變化趨勢圖，以及簡訊發送設定畫面，由於台 18線阿里山五彎仔監測小屋之電力系統傳輸線為沿公路佈放，當道路 中斷時，其電力往往受其影響，因此，於去年度計畫中架設高供電量 不斷電系統，可提供電功率達4800W，如圖3.13，該不斷電系統可因應 不同需求增加電瓶數量，以增加其電功率之大小，但礙於監測小屋的 空間使用大小，本次只裝設2組12伏特200安培容量之電池；另外，由 於不斷電系統供電量有限，為了使得自動化光纖光柵解讀系統，能夠 在緊急狀況下運作正常，所以將自動化光纖光柵解讀系統之控制電腦 更換成低耗電量之工業型電腦，其優點每小時耗電功率為15W，不需 風扇散熱，以減少電量，圖3.11為自動化光纖光柵解讀儀器所採用之工 業型電腦。在監測資料傳輸系統方面，為採用中華電信3.5G作為傳輸 訊號，因監測站位於山區，所以傳輸能力降為GPRS傳輸速率，由於中 華電信機房系統設定，常將用戶端自動剔除連線或將連線能力品質降 低，造成網路成線斷網現象，使得軟體端自動撥號能力有時會出現問 題，故在今年度計畫中，採用工規等級網路路由器，提高網路連線穩 定度，以避免上述情況發生，圖3.12為工業級網路路由器實體圖，圖3.14 為現場光纖自動化監測系統設備圖，而圖3.15為整合台科大網頁，可即 時提供現場監測儀器監測數據並依據各警戒值、行動值及管理值來發 佈訊息至相關單位。

圖 3.7 自動化光纖光柵解讀系統監測畫面

圖 3.9 光纖感測器自動化擷取系統水壓分布及歷時畫面

圖 3.11 低耗電量工業型電腦

第四章 歷年現場監測儀器數據與成果比較

4.1 辛樂克與莫拉克颱風期間現場監測儀器資料

圖4.1為辛樂克與莫拉克颱風期間之降雨量圖，可看出在這兩個颱 風期間內，當日累積降雨量可達到700~1000mm，圖4.2~圖4.4為辛樂克 颱風期間各深度之水壓力與累積降雨量之歷時變化曲線圖，由圖4.2 中，9/14晚間8點時刻前，位於-14m~-24m之FBG水壓計開始有水壓上 升的趨勢，爾後，-24m以下之水壓力有快速上升情形。圖4.5為將各深 度之FBG水壓力變化與時間關係圖，而各深度的水壓力變化為相對於 前一時刻的變化，可看出在9/13下午4點時刻時，-40m以上的FBG水壓 計有明顯的水壓變化，此後由於現場地層內可能開始有水平向滲流發 生，造成深層部分的FBG水壓計開始有發生水壓力變化，最大水壓力 變化可到達100kPa，在9/15上午4點時刻時，各深度的FBG水壓計無水 壓力變化，達到一穩定值，隨著時間增加，各深度的FBG水壓計之水 壓力呈現負值狀態，則表示水壓力開始慢慢消散。同樣地，圖4.7~圖4.9 為莫拉克期間各深度之水壓力與累積降雨量之歷時變化曲線圖，可看 出在8/8上午6點時刻前，-14m~-24m之FBG水壓計開始有較大的壓力變 化趨勢，圖4.10為將各深度之FBG水壓力變化與時間關係圖，而各深度 的水壓力變化為相對於前一時刻的變化，可看出在8/7上午9點時刻時， -40m以上的FBG水壓計有明顯的水壓變化，此後由於現場地層內可能 開始有水平向滲流發生，造成深層部分的FBG水壓計開始有發生水壓 力變化，最大水壓力變化可到達80kPa，在8/9約上午9點時刻時，各深 度的FBG水壓計無水壓力變化，達到一穩定值，隨著時間增加，各深 度的FBG水壓計之水壓力呈現負值狀態，則表示水壓力開始慢慢消散。 由上述辛樂克與莫拉克颱風事件來看，該區域的地層內之水壓力 變化，淺層部分水壓力會開始先增加，之後深層部分，因受其側向水 流入滲，則水壓力開始有變化趨勢，可觀察出，當地層內部受到水平 向滲流影響時，則水壓並非呈淨態水力梯度增加。

8/5/09 8/6/09 8/7/09 8/8/09 8/9/09 8/10/09 8/11/09 Date 0 400 800 1200 P re cipita tio n pe r d ay, mm 莫 拉 克 颱 風 9/10/08 9/11/08 9/12/08 9/13/08 9/14/08 9/15/08 9/16/08 Date 0 400 800 1200 P re cipitatio n pe r d ay, mm 辛 樂 克 颱 風 圖 4.1 辛樂克與莫拉克颱風期間累積降雨量

圖 4.2 NCTU-03 -14m~-24m 水壓與辛樂克颱風之累計降雨量變化 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 400 800 1200 accu m u lat ed -p re ci p ita tio n , m m 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 40 80 Pr es su re , k P a -14m FBG Pressure transducer 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 40 80 Pr es su re , k P a -19m FBG Pressure transducer 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 40 80 120 Pr es su re , k P a -24m FBG Pressure transducer

9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 400 800 1200 ac cu m u lat ed -pr ec ip it at ion, m m 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 40 80 120 Pr es su re , k P a -29m FBG Pressure transducer 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 60 120 180 240 P re ssu re , k P a -34m FBG Pressure transducer 9/13/08 0:00 9/14/08 0:00 9/15/08 0:00 9/16/08 0:00 9/17/08 0:00 9/18/08 0:00 Date 0 60 120 180 P re ssu re , k P a -39m FBG Pressure transducer 圖 4.3 NCTU-03 -29m~-39m 水壓與辛樂克颱風之累計降雨量變化趨勢