坡地社區智慧防災系統研發驗證－推估社區整合型監測儀器安全管理值大尺寸試驗模型建置

坡地社區智慧防災系統研發驗證－

推估社區整合型監測儀器安全管理

值大尺寸試驗模型建置

成果報告書

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國109年12月

(本 報 告 內 容 及 建 議 ， 純 屬 研 究 小 組 意 見 ， 不 代 表 本 機 關 意 見 )

坡地社區智慧防災系統研發驗證－

推估社區整合型監測儀器安全管理

值大尺寸試驗模型建置

受 委 託 者 ： 明新學校財團法人明新科技大學

研究主持人： 郭治平

共同主持人： 鄧福宸

協同主持人： 謝佑明

研 究 助 理 ： 吳晉維、劉美君

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國109年12月

(本 報 告 內 容 及 建 議 ， 純 屬 研 究 小 組 意 見 ， 不 代 表 本 機 關 意 見 )

頁次 圖目錄... iii 表目錄... vii 第一章 緒論 ...1 第一節、研究緣起與背景 ...1 壹、研究緣起 ...1 貳、研究背景與目標 ...1 第二章 文獻回顧與研究區域概述 ...7 第一節、人工邊坡致災原因回顧 ...7 第二節、人工邊坡監測器 ...10 第三節、無線傳輸系統技術 ...17 第四節、足尺寸試驗 ...32 第五節、研究方法及進度說明 ...34 第三章 大尺寸試驗模型之建置 ...36 第一節、研究場域概述 ...36 第二節、整合型監測器研發 ...38 第三節、整合型感測器電力來源 ...45 第四章 降雨模擬 ...48 第一節、降雨模擬參考情境 ...48 第二節、模擬設備 ...49 第三節、大尺寸邊坡降雨模擬破壞試驗 ...50 第五章 邊坡穩定模擬與數值分析 ...52 第一節、邊坡穩定模擬 ...53 第二節、邊坡變形模擬 ...59 第六章 雲端系統監測平台 ...69 第一節、山坡地社區建築管理履歷資料庫 ...69

第二節、建研所人工邊坡智慧監控系統 ...72 第七章 結論與建議 ...77 第一節、結論 ...77 第二節、建議 ...78 參考文獻...80 附錄一 審查意見回復 ...77 附錄二 推廣說明會出席簽到單 ...87

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圖 2.1-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌 ... 8 圖 2.1-2 達觀鎮社區雨量圖 ... 9 圖 2.2-1 現場監測設備裝設完畢後照片 ... 11 圖 2.2-2 現場監測儀器裝設完畢後照片 ... 13 圖 2.2-3 本研究採用之雨量監測系統與成果示意圖 ... 14 圖 2.2-4 本研究採用之自動化連續記讀水壓觀測計模組 ... 14 圖 2.2-5 定置型傾斜儀 ... 15 圖 2.2-6 自動量測傾度管紀錄 ... 16 圖 2.3-1 LPWAN 廣域物聯網服務之願景模擬 (資料來源：本團隊整理) ... 17 圖 2.3-2 於南投縣信義鄉神木村土石流觀測站進行 LoRa 傳輸試驗狀況(水保局 2018) ... 18 圖 2.3-3 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行 LoRa 傳輸試驗狀況(水保局 2018) ... 19 圖 2.3-4 台北市文山區明興里測試點相對位置關係與紀錄(建研所 2018) ... 20 圖 2.3-5 訊號傳輸示意圖 ... 21 圖 2.3-6 新店區觀天下社區(資料來源：鏡傳媒) ... 21 圖 2.3-7 LPWAN 廣域物聯網路之優勢及 IoT 頻譜分析 ... 22 (資料來源：本團隊整理)... 22 圖 2.3-8 LPWAN 具長距離低耗能之傳輸特性(資料來源:正文科技) ... 22 圖 2.3-9 LoRaWAN 基地台規格特色 ... 24 圖 2.3-10 Sigfox 服務架構... 25 圖 2.3-11 Weightless 的特色 (資料來源:優必闊科技) ... 27 圖 2.3-12 LPWAN 通訊技術支援服務比較 ... 28

(資料來源: Mobile Expert: Mobile and Wide-Area IoT:LPWA and LTE connectivity.2016) ... 28

圖 2.3-13 103/07/25~103/09/09 BH-5 孔口變位與變位速率(水保局 2014) ... 31

圖 2.4-2 大尺寸加勁擋土牆剖面示意圖(楊錦裕 2004) ... 32 圖 2.4-3 大尺寸加勁擋土牆構築過程所需之大型機具滾壓(楊錦裕 2004) ... 33 圖 2.4-4 大尺寸加勁擋土牆構築過程即已開始變形(楊錦裕 2004)... 33 圖 2.5-1 計畫預定執行流程圖 ... 34 圖 3.1-1 實驗場域位置圖 ... 36 圖 3.1-2 土槽配置示意圖 ... 37 圖 3.1-3 土槽現場配置情形 ... 37 圖 3.1-4 現場人工邊坡鋪設完成情形 ... 38 圖 3.2-1 雙軸傾斜儀 ... 39 圖 3.2-2 振弦式裂縫計 ... 39 圖 3.2-3 水壓計 ... 40 圖 3.2-4 定置型傾斜儀(IPI) ... 40 圖 3.2-5 自計式雨量筒 ... 41 圖 3.2-6 整合感測器於現場安置完畢示意圖與透視圖 ... 42 圖 3.2-7 整合感測器回傳測試 ... 42 圖 3.2-8 傾斜管於埋設前進行開篩 ... 43 圖 3.2-9 定置型地中傾斜儀於模擬邊坡裝設 ... 43 圖 3.2-10 現場設備裝設完成 ... 44 圖 3.3-1 太陽光電發電案例 ... 45 圖 4.2-1 降雨模擬裝置之加壓馬達 ... 49 圖 4.2-2 降雨模擬裝置示意圖 ... 49 圖 4.2-3 架設完成後現場灑水測試 ... 50 圖 4.3-1 邊坡整體配置完成結果 ... 50 圖 4.3-2 邊坡模擬降雨開始與結束 ... 51 圖 4.3-3 草皮下方裂縫發展情形 ... 51 圖 5-1 大尺寸邊坡模型示意圖 ... 52

圖 5.1-5 邊坡下水位上升 50cm 且於擋土構造後方蓄積模擬剖面圖 ... 58 圖 5.1-6 邊坡覆蓋至擋土構造後方時，地下水位上升 50cm 模擬剖面圖 ... 58 圖 5.2-1 數值模擬模型 AA’剖面圖... 60 圖 5.2-2 有限元素法之水平變位分佈圖 ... 62 圖 5.2-3 有限元素法破壞點分佈圖 ... 63 圖 5.2-4 坡面張力裂縫照片 ... 64 圖 5.2-5 坡面張力裂縫照片 ... 65 圖 5.2-3 現地實驗模擬結果 ... 68 圖 6.1-1「山坡地社區建築管理履歷資料庫」登入後之操作畫面 ... 70 圖 6.1-2 使用行政區定位功能查詢避難處所 ... 71 圖 6.1-3 管理者登入後選擇資料維護功能之操作畫面 ... 71 圖 6.1-4 圈選地圖上範圍後可看到更詳細的坡地與社區資訊 ... 71 圖 6.2-1 系統登入後之畫面 ... 73 圖 6.2-2 試驗場址鄰近中央氣象局雨量站資料、36 小時天氣預報、以及 NCDR 之公開示警訊息... 74 圖 6.2-3 自動監測設備電池電壓與量測溫度 ... 74 圖 6.2-4 監測之雨量與水壓 ... 74 圖 6.2-5 裂縫伸張計的監測資料 ... 75 圖 6.2-6 土坡中段傾斜管 Sl1 監測數據 ... 75 圖 6.2-7、土坡上方傾斜管 Sl2(上) 監測數據 ... 75 圖 6.2-8、土坡上方傾斜管 Sl2 (下)監測數據 ... 76 圖 6.2-9、土坡下傾斜儀監測數據 ... 76

頁 次 表 1.1-1 全臺重大順向坡滑動致災歷史事件簿(紀宗吉 2010)... 5 表 2.3-1 於南投縣信義鄉神木村土石流觀測站進行 LoRa 傳輸試驗成果(水保局 2018) ... 19 表 2.3-2 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行 LoRa 傳輸試驗成果(水保局 2018) ... 19 表 2.3-3 LPWAN 主要技術比較表 ... 27 表 2.3-4 位移速率與邊坡穩定性判斷建議表(日本地滑對策技術協會 1978) ... 30 表 2.3-5 高雄寶山聚落(坡地社區)建議之安全監測管理值(水保局 2014) ... 31 表 4.1-1 豪大雨雨量分級標準(中央氣象局)... 48 表 5.1-1 簡化材料參數表 ... 56 表 5.2-1 PLAXIS 數值模擬採用材料參數表 ... 62 表 5.2-2 模擬成果比較表 ... 66 表 6.1-1「山坡地社區建築管理履歷資料庫」之運行環境 ... 69 表 6.1-2MapGuide 版本與年份 ... 70 表 6.2-1「建研所人工邊坡智慧監控系統」之運行環境 ... 73

壹、 研究緣起 台灣地區因為地狹人稠，居住用地不斷往山坡地擴展。既有之坡地社區開發 時間已久，當時之擋土工法與材料不見得能夠適應目前之極端氣候，其設計之服 務生命週期恐怕比預期短很多；加上並無相關之檢測工作與監測設備，居民只能 透過自主目視巡檢方式自保，然而隱藏在結構物或地層中之變化，實在無法透過 人力觀測得到，因此進行週期性檢測與監測勢在必行。本所多年來不斷針對「山 坡地社區智慧防災系統可行性研究」進行一系列研究，硬體開發之成果相當豐 碩。然而實務操作上，受限於近年來因示範場址無遭受較大之降雨或地震等天災 事件，且示範場址皆位於社區，無法進行大尺度之破壞型實驗，相關之破壞參數 無法取得，成為本系列研究面臨之最大課題之一。另一方面由於市面既有之監測 設備成本高，自行開發之監測設備耐候性亦須檢驗，因此進行用於推估社區監測 儀器安全管理值之大尺寸試驗相當重要。 貳、 方法與過程 本研究以大尺寸模型試驗，克服過去在示範社區無法驗證整合型監測儀器之 問題。首先以常用市售邊坡安全穩定分析軟體進行可能邊坡滑動安全性，規劃出 2M寬、4M長、3M高之土槽容量，模擬自然邊坡與人工擋土邊坡，並進行降雨 模擬與相關邊坡安全數據監測，包括降雨量、地下水位、地層變位、擋土牆傾斜 度、裂縫變化等。地層以現地土壤夯實回填、擋土設施採用不同材料進行模擬。 經過多次工作會議與現勘討論，模擬不同降雨情境造成之邊坡失穩滑動行為、擋 土牆變位等監測，並以常用市售邊坡變形模擬軟體進行地層變化趨勢驗證，以供 後續訂定管理對策之參考。 本(109)年度研究計 畫 具體目標如下： 一 、 驗 證 前 期 開 發 之 智 能 感 測 器 擴 充 性 與 穩 定 性：以 建 研 所 已 研 發 之 適 合 於 一 般 社 區 人 工 與 自 然 邊 坡 使 用 之 整 合 型 智 能 感 測 器 為 藍 本，該 智 能 感 測 器 之 最 大 特 色 為 以 高 剛 性 之 不 銹 鋼 盒 保 護 通 訊 元 件、感 測 記 錄 模 組 與 電 源 模 組 等，達 到 高 耐 候

性 之 要 求。當 外 蓋 罩 上 後 則 相 當 低 調，不 亦 引 發 居 民 關 注 ， 以 免 遭 受 破 壞。今 年 度 預 期 將 雨 量 計、水 位 計 與 地 錨 荷 重 計 納 入 ， 並 提 升「 防 水 與 通 風 」之 需 求 ， 故 共 包 含 雨 量 計 、 雙 軸 向 傾 斜 儀、裂 縫 量 測 應 變 計、水 位 計 與 地 錨 荷 重 計 等，透 過 地 功 耗 無 線 傳 輸 模 組 進 行 連 結，並 佈 設 於 示 範 山 坡 地 社 區 中 人 工 邊 坡 牆 面 進 行 監 測 。 二 、 大尺寸模型試驗： 於 明 新 科 大 校 園 建 置 一 座 2M 寬 、 4M 長 、 3M 高 之 土 槽 ， 於 內 回 填 現 地 夯 實 土 壤 ， 模 擬 自 然 邊 坡 與 人 工 擋 土 邊 坡，並 進 行 降 雨 模 擬 與 相 關 邊 坡 安 全 數 據 監 測，包 括 降 雨 量 、 地 下 水 位 、 地 層 變 位 、 擋 土 牆 傾 斜 度 、 裂 縫 變 化 等。結 果 顯 示，在 模 擬 降 雨 過 程 中，地 下 水 位 會 不 斷 蓄 積 至 一 個 程 度 後，邊 坡 才 開 始 滑 動，相 當 符 合 實 際 狀 況，這 個 時 間 差 可 以 做 為 未 來 應 變 預 警 的 一 個 參 考。另 外 本 實 驗 採 用 相 高 紀 錄 頻 率 監 測 邊 坡 與 擋 土 設 施 變 化，皆 可 完 整 記 錄，顯 示 儀 器 之 穩 定 度 相 當 高 。 三 、 研 究 低 功 率 廣 域 網 路 傳 輸 方 式 於 坡 地 監 測 之 適 用 性，並 整 合 物 聯 網 系 統 至 現 有 的 感 測 器 標 準：新 發 展 的 低 耗 能 長 距 離 廣 域 無 線 網 路 技 術 (Low Power Wide Area Network, LPWAN) ， 包 含 LoRa、 NB-IoT 等 無 線 通 信 技 術 皆 已 逐 漸 成 熟， 全 球 的 物 聯 網 與 通 訊 廠 商 也 積 極 廣 設 各 種 跨 域 或 獨 立 的 LPWAN 基 地 台 ， 將 長 距 離 、 高 覆 蓋 率 、 低 功 耗 、 低 成 本 優 勢 與 高 端 傳 感 器 和 智 慧 裝 置 結 合，開 始 提 供 相 關 創 新 服 務。因 此，如 能 透 過 此 新 一 代 萬 物 聯 網 概 念 (Internet of Things, IoT) 並 透 過 LPWAN 通 訊 技 術 加 以 實 證，將 可 大 幅 擴 展 物 聯 網 的 應 用 情 境，包 含 應 用 於 各 種 生 活 需 求，改 善 生 活 環 境。低 功 耗 廣 域 網 路 專 為 機 器 對 機 器 (M2M)應 用 而 設 計，這 些 應 用 通 常 對 應 偏 遠 地 區 需 求，由 於 偏 遠 地 區 數 據 傳 輸 率 相 對 較 低，需 要

域 即 時 監 測 資 料 以 及 提 供 使 用 者 端 簡 潔 且 具 有 防 災 意 義 性 的 場 域 資 訊，以 視 覺 化 呈 現 人 工 邊 坡 即 時 監 測 數 據，讓 使 用 者 能 直 觀 地 掌 握 邊 坡 各 監 測 狀 況 。 五 、 辦 理 推 廣 說 明 會 與 請 媒 體 採 訪，並 針 對 完 成 之 自 動 化 監 測 系 統 研 題 推 廣 應 用 機 制 與 途 逕：於 計 畫 後 其 辦 理，以 此 宣 導 此 系 統，並 提 升 民 眾 之 山 坡 地 社 區 自 主 防 災 觀 念，落 實 防 災 即 時 化 、 在 地 化 以 及 效 率 化 。 參、 重要成果 一 、 驗 證 可 透 過 大 尺 寸 模 型 試 驗 推 估 監 測 儀 器 安 全 管 理 值 前期計劃案成功整合各感測器至一個箱體內，除可節省現場建置成 本外，也可降低維護與巡檢成本。而耐候性與擴充性在本年度獲得 驗證。本計畫中建置了大尺寸之邊坡模型，以及人工降雨裝置，將 同一監測裝置架設於邊坡模型外，並額外增加IPI等監測儀器，接著 模擬重大颱風豪雨事件後，經現場破壞情形與量測結果來看，趨勢 上有符合預期結果，符合監測需求順利作動，精度與耐候性可維持 一定水準，並可進一步於各社區取得一定量之監測值後，客製並修 正適合各社區之儀器安全管理值。 二 、 低 功 耗 傳 輸 系 統 建 置 方 面 本研究經過比較LoRa與NB-IoT兩種通訊方式後，採用較為容易架設 之NB-IoT通訊技術於本研究。該技術已廣為應用於都會區之精密廠 房中，然而應用於野外防災監測之案例仍在起步中，從建置至今已 經遭遇各種不同之問題，包括供電、漏失率與韌體調整等。目前已 確認可順利通訊，但漏失率部分需透過電信商一同合作處理改善， 團隊已著手進行因應處理，實驗期間仍已4G傳輸為主，未來將進一 步延伸應用於5G傳輸。

三 、 山 坡 地 社 區 智 慧 防 災 監 控 平 台 建 置 方 面 本平台以開源程式建立，提供使用者整合的場域即時監測資料以及 簡潔且具有防災意義性的場域資訊。首先透過人工邊坡監測物聯網 監測資料庫接收場域資料，如本案於過去示範社區與明新科大校園 實驗場址的整合型感測器，建立相關資料。此外為讓本整合平台能 提供使用者端更多元的服務，亦介接防救災相關公開資料，如氣象 局即時雨量以及國家災害防救科技中心公開示警訊息。且此平台已 連結納入建研所105年所建置「山坡地社區建築管理履歷資料庫平 台」，以利應用。 四 、 山 坡 地 社 區 智 慧 防 災 系 統 應 用 推 廣 說 明 會 方 面 為推廣與說明整合各感測器與山坡地社區建築管理履歷資料庫平台 本計畫，本計畫研究團隊於109年11月26日至大尺寸試驗現場辦理應 用推廣說明會，並於民國109年10月27日、109年11月11日接受媒體 採訪。除了向媒體、學界、業界說明與推廣山坡地社區邊坡監測的 重要性與導入智慧防災即時監測系統的有效性，提升邊坡災害預防 及應變作為外，並可了解山坡地社區居民對於此系統之看法及其需 求藉此進行精進，且此次說明會參與之媒體、學界、業界代表與過 去歷次專家學者會議皆對於此抱持強烈興趣也相當認同其必要性。 肆、 主要建議事項 建議一 持 續 進 行 邊 坡 監 測 系 統 成 效 驗 證 ： 短 期 建 議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機 關 ： 財 團 法 人 台 灣 建 築 中 心 建研所歷年主辦多項關於坡地社區自然邊坡、人工邊坡等監測設備與系統 之研發，以及相關監測管理值之推估方法，並以示範社區進行驗證示範工 作 ， 本 年 度 選擇於無保全對象之擋土設施或空地以大尺寸模型試驗進行，為國內少

建議二 山 坡 地 社 區 建 築 管 理 履 歷 資 料 庫 以 及 邊 坡 智 慧 監 控 系 統 提 升 與 維 護 ： 短 期 建 議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機 關 ： 財 團 法 人 台 灣 建 築 中 心 山坡地社區建築管理履歷資料庫以及人工邊坡智慧監控系統，此兩套系統 為獨立系統，並使用不同的技術所開發，本研究已將其升級至與目前系統可相容 之最新版；若需往上升級將需對既有系統進行大幅度改寫，且未來須植入預繳所 需之運算程式，亦須大幅度提升軟硬體。因此建議可擴充與時俱進之相關軟硬 體，未來更可搭配VR一併開發，以促進推廣成效。 建議三 人工邊坡智慧防災監測系統商轉應用與整合提昇防災監測系統技術降低系 統技術費用：中長期建議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機關： 各 保 險 商 業 同 業 公 會 、 各 公 寓 大 廈 管 理 維 護 商 業 同 業 公 會 、 各 技 師 公 會 與 顧 問 公 司 坡地社區之擋土設施可由本研究研發之相關監測系統進行長期邊坡監測作 業，以提供坡地社區啟動擋土設施維護與更新之進行。然而這些研發成果仍需推 廣與商轉單位配合應用。建議未來可結合保險業者與物業管理業，推出應用坡地 社區整合性監測之相關商品。 未來整合型感測器在推廣應用階段安裝完成並進行監測時，其監測數值仍 需經由專業的團隊或者技師進行分析判斷，成本將因此增加，導致邊坡社區無法 負擔，建議往後可邀請各界相關技師，探討適用於各邊坡的架設準則作為參考， 使邊坡社區在評估需求及進行監測時可做初步簡易的參照，降低整體成本並提高 監測代表性。

建議四

協助坡地社區自主監測系統設置推廣：中長期建議 主 辦 機 關 ： 內 政 部 營 建 署 、 內 政 部 建 築 研 究 所 協 辦 機關： 各 地 方 政 府 部分地方新建坡地社區已開始著重邊坡安全監測，然而既有坡地社區相關 坡地安全設施的維護，大多不完善且實際功效有限。透過本計畫的邊坡整合型防 災監測系統研發，可應用於既有坡地社區之邊坡設施，使社區居民即時了解其變 化情況，協助發現危險徵兆，以尋求專業協助並進行後續改善。因此建議各地方 政府能夠推廣運用邊坡監測系統以達到自主性監測的目的，提高居民對於坡地與 擋土設施安全之警覺。

第一節、研究緣起與背景

壹、研究緣起

台灣地區因為地狹人稠，居住用地不斷往山坡地擴展。既有之坡地社 區開發時間已久，當時之擋土工法與材料不見得能夠適應目前之極端氣 候，其設計之服務生命週期恐怕比預期短很多；加上並無相關之檢測工作 與監測設備，居民只能透過自主目視巡檢方式自保，然而隱藏在結構物或 地層中之變化，實在無法透過人力觀測得到，因此進行週期性檢測與監測 勢在必行。本所多年來不斷針對「山坡地社區智慧防災系統可行性研究」 進行一系列研究，硬體開發之成果相當豐碩。然而實務操作上，受限於近 年來因示範場址無遭受較大之降雨或地震等天災事件，且示範場址皆位於 社區，無法進行大尺度之破壞型實驗，相關之破壞參數無法取得，成為本 系列研究面臨之最大課題之一。另一方面由於市面既有之監測設備成本 高，自行開發之監測設備耐候性亦須檢驗，因此進行用於推估社區監測儀 器安全管理值之大尺寸試驗相當重要。

貳、研究背景與目標

近年極端降雨事件頻傳，邊坡監測及防災預警實為山坡地社區安居之 重要議題，山坡地社區開發需施作擋土設施，周緣邊坡也存在崩塌威脅， 然以往山坡地社區監測多以人工定時記錄，常遭遇山坡地社區局部降雨及 邊坡位移資訊無法即時協勤防災管理。 台灣為一高山島，人口眾多，土地資源卻十分有限，在地狹人稠的人 口壓力之下，有限的國土資源往往過度開發利用。平原與盆地地區的開發 無法滿足國人生活需求的情況下，乃擴張至丘陵山區開發。但在需求甚殷 之下，往往過度地擴張，許多山坡地不當地開發為建地，破壞了原有的水 土保持，進而對台灣自然環境與台灣民眾生命財產造成重大衡擊與危害。 此外，因為山坡地大自然的條件屬於破碎地質，加上地震與颱風的誘因， 所以山坡地的開發所形成的聚落，成為重要的保全對象。因此，如何兼顧 國土開發利用與環境保育，以維護台灣自然山林生態以及確保民眾生命財

產安全，已成為台灣社會當前最重要的環境課題。台灣地質構造複雜為全 世界地殼變動最激烈地區之一，頻繁的地震、每年頻繁之颱風侵襲加上人 為土地開發不當，經常造成山崩、地層滑動、地盤下陷、房屋傾斜龜裂、 土石流等嚴重災害，導致人民生命財產嚴重的傷害與損失。1999 年 921 地 震等重大災害後，凸顯出防災科技研究對防減災工作之重要性。依據世界 銀行在 2005 年發行的 Natural Disaster Hotspots：A Global Risk Analysis 報 告中指出，台灣約有 73%的面積及人口暴露在三種以上的天然災害危險當 中。 鑑此，基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究─邊坡智 能感測暨雲端運算」、「山坡地社區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感 測器研發與雲端系統擴充應用」、「坡地社區減災營造與智慧防災系統整 合研發 ─ 預力地錨破壞監測及整體系統穩定性之強化」成果，已研發自 然邊坡之土壤邊坡智能感測器與人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測 器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監 測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人 工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。 在前期計畫執行過程中發現，如何兼顧提升儀器耐候性與降低開發、 維運成本，方可順利推廣給坡地社區。因此開發低功耗與低成本之感測器 與傳輸技術以降低設置與電力消耗成本，為本研究案於工程技術上之重要 課題；藉由政府公部門或產險事業等單位推行給坡地社區居民使用，為本 研究案於產品商轉技術上之重要課題。為使坡地社區監測項目更趨完善， 除了過去已經開發之微降雨量、地層變位量、裂縫變化量、土壤含水量、 結構物傾斜量、結構物(或地表)加速度之感測與監測外，本年度增加降雨 量、地下水位(地下水壓)與地錨荷重變化等監測項目。上述之監測成果除彙 整至建研所已開發建置之防災資訊平台外，並進行回饋分析，已提出監測 物理量對應之管理值，供社區管理單位與居民面臨邊坡產生微變化而至於 巨大變化前，尋求工程技術支援之參考依據。過去相關之研究實驗過程多 藉由示範社區進行，雖然大部分社區願意配合，然而倘若實驗過程造成既

另外過去採用之通訊方式為傳統之 WIFI、4G 等方式，雖然訊號穩定 但耗電量高 (>1W)，需要藉由路燈供電；之後採用低功耗無線傳輸之 Weightless 技術，雖然可進行雙向傳輸、功耗較低且在市內效果良好，但在 野外因耐候性等因素導致穩定性不佳。本年度將採用現行相當熱門之低功 耗無線傳輸 LoRa(<0.005W)與 NB-Iot(<0.1W)技術進行交叉搭配，取得通訊 品質與耗電資料，除可提供整體系統穩定性之強化外，期能一舉降低成本， 並將研發成果商品化後，推廣給社區居民。 上述之監測成果除彙整至建研所已開發建置之防災資訊平台外，並進 行回饋分析，已提出監測物理量對應之管理值，供社區管理單位與居民面 臨邊坡產生微變化而至於巨大變化前，尋求工程技術支援之參考依據。 無線傳輸已廣泛應用於坡地防災上，然隨著監測規模擴大，勢必需要 開發穩定且低功耗、低成本之整合型監測器及無線傳輸技術。物聯網 (Internet of Thing: IOT)是智慧城市的基石，近期發展出來的低耗能長距離廣 域無線網路技術(LPWAN Low Power Wide Area Network)如 Weightless、 LoRa、SIGFOX、NB-IOT 等的應用更是非常多元。 在山坡地社區邊坡利用 LPWAN 的各種終端監測裝置，將大量感測器 的監測數據及現況，先回傳基地站址，再統一傳輸至管理平台進行分析、 管理或通報，以期能夠在超過警戒值時儘速採取防災行動。一般社區範圍 內有數多處邊坡皆須進行監測，如能在具有電力供應及網路通訊處設置基 地站，例如社區辦公室，再將所有感測器監測訊號傳回基地站，由通訊網 路上傳至雲端平台，便可大幅度降低過往使用數個電信門號所衍生的費用。 如能透過此新一代的無線通訊技術，作為本案在智能感測器之資料蒐 集通訊平台，將可創新出許多智慧防災系統應用。 本研究目標及效益如下列： 1. 運用與整合已開發完成之邊坡智能監測器於本大尺寸模型上，未來應 用於邊坡社區可獲得快速適地性成效。 2. 獲得過去於示範社區無法進行之破壞性試驗成果，取得未來推估監測 管理值所需之參數。 3. 利用市售軟體分析評估，以驗證調整管理值。

4. 建置研究場域1處，未來可進行至少1場講習與觀摩會，有助於一系列 研發成果之技轉與商轉推動。

5. 持續建置或維護山坡地社區智慧防災監控平台，連結納入過去之「山 坡地社區建築管理履歷資料庫平台」，以利應用。

傾角 因素 中山高速公路八 堵交流道 63.09.28 南港層厚層砂 岩夾薄層頁岩 頁岩 30° 豪雨 36人罹難 中山高速公路汐 止收費站附近 66.09.23 南港層厚層砂 岩夾薄層頁岩 頁岩 25° 降雨 交通中斷 汐止林肯大郡社 區 86.08.18 大寮層砂頁岩 薄互層 頁岩 29° 颱風 豪雨 民舍100 戶損毀28 人罹難 基隆市健康博士 社區工地 87.08.17 大寮層／砂頁 岩薄互層 頁岩 30° 連續 降雨 2人受傷 草嶺山 88.09.21 卓蘭層與錦水 頁岩砂頁岩互 層 頁岩 12至 15° 921 地震 36人罹難 九份二山 88.09.21 樟湖坑頁岩 頁岩 24° 921 地震 39人罹難 左鎮326電塔 88.07.29 崎頂層砂岩夾 泥岩 泥岩 25°至 30° 連日 豪雨 全臺停電 數星期 新店北宜路19公 里路段 90.06.07 石底層層狀砂 岩 砂岩 45° 連續 降雨 5人罹難 內湖碧山路 90.09.18 五指山層厚層 塊狀砂岩 砂岩 38° 納莉 颱風 4人罹難 國道3號七堵段 3.1公里 99.04.25 大寮層砂頁岩 互層 頁岩 12°至 15° 地下 水 4人罹難

第一節、人工邊坡致災原因回顧

臺灣有 70%以上的土地屬於山坡地，其中山坡地之定義根據「山坡地 保育利用條例」第三項規定，指標高在 100 公尺以上者，或標高未滿 100 公尺，但平均坡度在 5%以上者。隨著經濟發展、人口成長及都市擴張等情 況下，山坡地的開發已成為當前社會發展的趨勢。但臺灣位於板塊交界帶， 由於板塊運動相對頻繁，造成地質構造複雜且破碎，再加上雨量豐沛且颱 風事件頻繁，因此便容易發生坡地災害。為確保邊坡穩定性，會利用人工 構築之擋土或護坡設施等用以保護邊坡，目前國內尚無對人工邊坡明確定 義之法令，但「水土保持技術規範」及「建築技術規則建築設計施工編山 坡地建築專章」中皆有對擋土牆進行定義，而擋土牆為人工邊坡的其中一 種形式。臺北市大地工程處對於人工邊坡的定義為，經過人為挖填整地所 形成且具有擋土或護坡設施之邊坡，包含噴凝土護坡、型框護坡、土/岩釘 護坡、噴植護坡、打樁編柵護坡、重力式擋土牆、加勁擋土牆、三明治擋 土牆、乾砌石擋土牆、漿砌石擋土牆、疊式擋土牆、懸臂式擋土牆、扶壁 式擋土牆、半重力式擋土牆、混凝土版樁式擋土牆、排樁排土牆、背拉地 錨等。 過去數十年間，每逢颱風豪雨往往會發生坡地災害事件，造成道路中 斷或民眾財產損失，甚而導致更嚴重的災情。以下針對近年的坡地災害事 件進行整理如下： (1) 2018/06/19 連日大雨，在南投國姓鄉，位於中潭公路旁發生嚴重的邊坡 崩塌，原先之擋土牆已破壞，一共 7 戶緊鄰此邊坡之民宅受到影響。河 川局先派人以帆布覆蓋避免擴大，等雨停後進行後續整治。 (2) 2017/07 尼莎颱風與海棠颱風接連登陸台灣使南部山區與平地出現強 烈降雨，造成許多道路邊坡坍方令道路中斷，主要災情分佈在台 7 線、 台 8 線、台 9 線、台 18 線、台 20 線、台 21 線、台 26 線等。 (3) 2016/10/09 受到連日豪雨的影響，新北市汐止區水源路二段 72 巷鄰近 房屋之邊坡產生滑動，造成地基掏空。影響 6 戶民宅，總計疏散 34 人， 所幸無人受傷受困。同日基隆市獅球路 37 巷 19 號民宅亦有相同情況發 生。

(4) 2016/09 中度颱風梅姬接在強颱莫蘭蒂與中颱馬勒卡後直接侵襲台 灣，其夾帶的強大風力與雨勢為台灣地區帶來嚴重災情。坡地災情主要 為高雄燕巢中民路 61 巷的民宅以及高雄市旗山區後厝巷的民宅被土石 沖毀，同時也造成許多道路因邊坡崩塌而中斷。 (5) 2015/08 蘇迪勒颱風為 2015 年對臺灣影響最大的颱風事件，其為北部 地區帶來強烈降雨。造成多處道路災情與邊坡崩塌，其中以新北市烏 來、新北市新店、新北市三峽最為嚴重。 (6) 2010/04/25 國道 3 號 3.1K 南下邊坡發生崩塌，為順向坡地層向下坡滑 動造成之災害，造成 4 人死亡，為近年最重大的順向坡滑動災害之一。 其上層厚砂岩風化嚴重、具豐富的垂直節理、容易透水，而下層之頁岩 透水性較差，以致於兩岩層界面處含水量較高，岩層界面處因而摩擦力 降低導致滑動。 除了上述坡地災害外，2013/12/27 位於新北市新店區的某社區後方擋 土牆亦發生破壞，如圖 2.1-1，對居民的生命財產造成威脅，其原因可能擋 土結構之排水設施與地錨疏於維護，受連日降雨(如圖 2.1-2)影響，雨水持 續入滲至背填土區，因而造成崩塌。

圖 2.1-2 達觀鎮社區雨量圖 由上述各事件可知，降雨是觸發坡地災害發生最主要的原因，而不論 是大型崩塌或是規模較小的擋土牆破壞，皆可能會對民眾產生影響，甚至 威脅到民眾的生命財產。目前針對降雨驅動的坡地災害，大多使用雨量作 為主要警戒指標，但對應各坡地之地質條件、擋土設施、排水設施等情況 有所不同，防災警戒行動應回歸到人工擋土結構之位移變化趨勢，透過各 感測器進行即時監測，掌握人工擋土結構在觸崩因子作用下的滑動徵兆。 本研究藉由對於擋土設施位移情況、既有裂縫變化情形、背填區土壤含水 量變化等的即時監測數據作為警戒指標，以此達到更好的預警效果。 0 50 100 150 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 降 雨 量 (m m ) Date 每日雨量 累計雨量

第二節、人工邊坡監測器

根據中華民國大地工程學會-山坡地監測準則(2016)建議，山坡地監測 儀器種類繁多，包括量測氣候、水文、邊坡位移及構造物應力或變形等各 類儀器。其量測所得之物理量不同，於不同型態邊坡災害之適用性亦有所 不同，監測系統規劃時應根據研判之可能災害類型加以選擇。 監測儀器設備的選擇，應單純而不複雜、能在所埋置的監測環境中有 最好的耐久性、對氣候溫度、溼度的變化有最小的敏感性、材料零件不致 因施工機具、水、塵土或其他化學作用之影響，依然能夠正常運作等之特 性者為佳。相同監測儀器種類，其精度、重複性、量測範圍、適用溫度等 可能有所差異。監測系統設計者應先依據山坡地之特性，研判山坡地環境 及待測物理量可能分布範圍，據以選擇最適之儀器規格。而對於採自動監 測之電子式儀器，亦需考量感測器、資料擷取設備、資料傳輸設備之耗電 量。 如邊坡發生不穩定時，將使得構築於邊坡上之構造物應力改變、變形 或傾斜，因此可加以監測，研判邊坡之穩定性。 在前期計畫(108 年)中，研發並於坡地社區現場設置了整合型感測器(圖 2.2-1 與圖 2.2-2)，其配置可依照監測項目所需之感測器以及通訊器材所需 之天線形式進行調整，以安全簡約為原則，感測器也採用各界長年運用於 邊坡安全監測，降低建置成本供一般坡地社區可接受，更重要的是技術以 及穩定性有較佳的表現，測試成果看來相當可行。

雙軸傾斜儀 雨量計

圖 2.2-2 現場監測儀器裝設完畢後照片 以下針對本計畫設置之感測器進行簡要說明： 1. 構造物傾斜計(Tiltmeter)：安裝於擋土構造物或建物之表面，用以監測 擋土牆或建築結構體，因邊坡變位導致構造物產生之傾斜變化情形。構 造物傾斜計型式可分為盤式及電子式二類型。 (1) 盤 式 傾 斜 計：將 傾 斜 觀 測 盤 安 裝 於 待 測 之 構 造 體 表 面 上 ， 傾 斜 觀 測 盤 上 具 有 四 個 外 凸 銅 柱，監 測 方 式 為 以 人 工 方 式 攜 帶 測 傾 儀 量 測，測 傾 儀 需 確 實 倚 靠 銅 柱，以 進 行 四 個 方 向 之 傾 斜 量 監 測 。 (2) 電 子 式 傾 斜 計：以 電 子 感 測 原 件 製 作 之 測 傾 儀 器，一 般 於 自 動 化 監 測 系 統 使 用。測 傾 感 測 器 之 型 式 甚 多，例 如 電 漿 式 、 振 弦 式 、 MEMS等 ， 不 同 感 測 器 型 式 之 量 測 範 圍 、 精 度、反 應 時 間、功 率 等 規 格 均 不 相 同，設 計 者 需 依 據 推 估 構 造 物 之 可 能 傾 斜 變 化 量、資 料 擷 取 系 統 及 電 源 供 應 系 統 等 綜 合 考 量。本 案 中 分 別 以 電 子 式 雙 軸 傾 斜 儀 與 三 軸 加 速 度 計 進 行 差 異 變 位 量 之 推 估 依 據 。 2. 裂縫計(Crackmeter)：安裝於構造物之裂縫二端，以監測裂縫寬度變化。 裂縫計型式可分為機械式及電子式二類型。 3. 水分計：以電容式水分感測器為例，此型感測器由三個電極所組成，其 功能就像是一個電容器。量測時插入土壤中，四周土壤形同電介質，利 用振盪器去驅動電容器產生一個正比於土壤介電常數的訊號。由於水的 介電常數大於土壤礦物質及有機質，因此含水量的變化可透過感測電路 進行立即性的偵測。量測之單位為體積含水量VWC(%)(Volumetric Water Content)，VWC代表一定體積的土壤中水與土壤的體積比(%)，在飽和狀 態下相當於土壤孔隙所佔的百分率。此型感測器使用簡便，不需要太多 維護工作，配合記錄器能長期監測、記錄土壤水分變動的趨勢。 天線 水壓計

4. 雨量計：雨量為目前國內邊坡防災預警工作中，最容易取得之管理值， 可讓社區居民直接有感。圖2.2-3為預定裝設之雨量筒規格、照片與搭配 水壓變化成果展示示意圖。將以市售之低成本輕量化高耐候性(塑鋼材 質)之雨量筒，作為未來推廣給社區之首要安裝監測儀器。 圖 2.2-3 本研究採用之雨量監測系統與成果示意圖 5. 水壓計：地層中超額孔隙水壓之消長為邊坡穩定之主要因素之一，故掌 握地下水頭之變化為邊坡監測之重要課題，因此本研究規劃於既有之水 位觀測井安裝全自動連續自記式水壓計。圖2.2-4為本計畫採用之水壓 計、模組與之規格。 圖 2.2-4 本研究採用之自動化連續記讀水壓觀測計模組 6. 地層變化監測：主要用於量測邊坡鑽孔中水平及垂直位移，其原理為將 感測器按照一定間距排列連成一串，經由滑輪固定於傾度管中，精度約 為±0.01 (±2 arc sec)，如圖2.2-5所示，而量測成果如圖2.2-6所示。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 降雨量 (M M ) 日期 四季聚落逐時雨量紀錄圖 期間：強烈颱風山竹侵台前夕 最大累積降雨：150.5mm 量測範圍 0-6 bar (0-61 m) 感測器型式 壓阻式薄膜 系統精度 1 cm (水頭壓力) 線長 60 m (PVC)

圖 2.2-6 自動量測傾度管紀錄 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 深度 (m) 2019/11/10 00:00 2019/11/11 00:00 2019/11/12 00:00 2019/11/13 00:00 2019/11/14 00:00 2019/11/15 00:00 2019/11/16 00:00 2019/11/17 00:00 2019/11/18 00:00 2019/11/19 00:00 2019/11/20 00:00 2019/11/21 00:00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 深度 (m) 2019/11/10 00:00 2019/11/11 00:00 2019/11/12 00:00 2019/11/13 00:00 2019/11/14 00:00 2019/11/15 00:00 2019/11/16 00:00 2019/11/17 00:00 2019/11/18 00:00 2019/11/19 00:00 2019/11/20 00:00 2019/11/21 00:00

隨著資訊及通訊技術(Information and Communication; ICT)的發展，無 線監測網域(Wireless Sensor Network；WSN)，指在場域內分散佈建特殊功 能的感應及傳輸元件，用來監測和記錄環境的現況資訊，並將資料透過通 訊技術蒐集到遠端伺服器來進行分析、判斷及反應，一直都是國內外相關 產官學研界積極投入研究發展的領域，早期希望各種監測設備所蒐集之資 訊能透過不同的無線平台傳輸，如 Zigbee、WiFi、2G、3G 或 4G 等，但多 受到傳輸距離、消耗電力及傳輸費用之限制，而無法在廣大的區域來佈建。 近 2~3 年來，新發展的低耗能長距離廣域無線網路技術( Low Power Wide Area Network；LPWAN)如圖 2.3-1，包含 LoRa、Sigfox、NB-IoT、 Weightless 等無線通信技術皆已逐漸成熟，全球的物聯網與通訊廠商也積極 廣設各種跨域或獨立的 LPWAN 基地台，將長距離、高覆蓋率、低功耗、 低成本優勢與高端傳感器和智慧裝置結合，開始提供相關創新服務。因此， 如能透過此新一代 IoT 通訊技術加以實證，將可大幅擴展物聯網的應用情 境，包含應用於各種生活需求，改善生活環境。 圖 2.3-1 LPWAN 廣域物聯網服務之願景模擬 (資料來源：本團隊整理) 本計畫主持人郭治平於 2018 年執行水保局委託之「長距離低功耗廣域 網路連結物聯網於監測資料傳遞應用上最佳化配置研發」，探討 LoRa 在坡 地監測之適用性，並以 RSSI(接收訊號強度指數)、SNR(訊號雜訊比)、資料 漏失率與耗電量關係進行評估。實驗場址包括南投縣信義鄉神木村土石流 觀測站與宜蘭縣大同鄉四季聚落絕大部分點位可獲得穩定好通訊效果。結

果發現：(1)本次研究實驗成果中，資料漏失率絕大多數於 5%以內，研判為 受環境干擾所致；(2)因 LoRaWAN 資料傳輸至雲端之品質受制於與基地台 間之通訊，部分無法即時上傳之資料仍需仰賴當地儲存於如記憶卡之媒 體，並於事件後取出；(3)在通訊路徑上有 1M 厚之混凝土塊障礙物時，仍 有良好通訊品質；(4)在空曠處至少可達 2.5KM 之通訊效果，但需有提供反 射訊號之地形為佳；(5)LoRa 耗電量極低，僅約 0.005W，已於本階段進行 壓力測試。以 5 秒 1 次的監測頻率，約 6.8 天從 3.34V 掉到 2.50V，因保護 作用而關機。反推一般通訊頻率約 10 分鐘一次，則電力滿載後開始服務約 可持續 816 天。上述成果說明，雖然 LoRa 於國外文獻號稱傳輸距離可達 15~20KM，但在國內複雜之地形與訊號干擾條件下，仍須謹慎採用；然而 若將地形障礙、訊號干擾因素排除，將可大量省下通訊用電。摘錄施作狀 況與成果，分別如圖 2.3-2~2.3-3 與表 2.3-1~2.3-2 所示。 圖 2.3-2 於南投縣信義鄉神木村土石流觀測站進行 LoRa 傳輸試驗狀況(水保局 2018) R T T R Ground T R R T Ground

點位 施測距離(m) 通視性 RSSI(dBm) 實收資料數 漏失率(%) 和社溪 638 可 -100



15 146 2.19 出水溪 365 不可 -95



15 46 0 圖 2.3-3 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行 LoRa 傳輸試驗狀況(水保局 2018) 表 2.3-2 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行 LoRa 傳輸試驗成果(水保局 2018) 中華電信基地台 SI-1 SI-2, R SI-4 SI-1 SI-2 SI-4 104.10.10 攝於宜蘭縣四季 SI2 (LORA 接收端) 孔號(位置) 與LORA-B直線距離(m) 晴天成功率 陰天成功率 雨天成功率 小雨成功率 大霧成功率 SI1 360 71.79% 75.68% 76.12% 90.91% SI2、R 440 83.15% 100.00% 100% SI3 440 87.88% 81.09% 100% 100% SI4 290 100.00% 100.00% 100% SI5 30 100.00% 100.00% 100.00% SI6 90 100.00% 100.00% SI7 90 95.24% 100.00% 100.00% SI9 50 100.00% 100.00% SI10 145 100.00% 100.00% SI11 310 96.88% SI12 310 100.00% 100.00% TI1 550 100.00% 100.00% 100% 平均 94.13% 95.66% 100.00% 93.41% 96.87%

本計畫共同主持人鄧福宸博士於 2018 年執行建研所委託之「山坡地社 區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感測器研發與雲端系統擴充應用」， 採用 Weightless 提供低功耗廣域網的無線連接技術，傳輸人工邊坡智能感 測器至雲端系統，於位於臺北市文山區明興里之山坡地社區中的兩處人工 邊坡進行試驗。圖 2.3-4 為施作場址狀況，顯示傳輸路徑受地形與高層結構 物阻礙狀況下仍可順利傳輸。實際上 Weightless 已廣為應用於都會區之精 密廠房中，由於首次應用於野外，從建置至今已經遭遇各種不同之問題， 包括天線形式、韌體調整與受潮等。由於提升耐候性與穩定性所需開發成 本較高，於野外進行防災監測之應用尚需時間進行後續研發。 傳輸點 TX-A 觀星台北 N 傳輸點 TX-B 楠興宮旁擋土護坡 約340M 約81M 約380M TX-A TX-A TX-A _TX-B RX RX ave.S=13.6% ave.S=3.7% ave.S=12.8% 接收點 RX 明興里辦公室 圖 2.3-4 台北市文山區明興里測試點相對位置關係與紀錄(建研所 2018) 由上述初步成果可看出，未來在實際應用上如何克服佈設障礙，將是 本研究之關鍵課題。另外在都會區中由於訊號可以藉由不斷反射而達到遠 距離傳送，因此在野外無法通視時，如何善用橋接技術，也是本次研究之 重點。 對於本研究而言，無線傳輸技術首要難題為建築物屏蔽，如圖 2.3-5， 人工擋土結構前方大多都有保全對象(如社區民宅等)，因此感測器之無線傳

圖 2.3-5 訊號傳輸示意圖

圖 2.3-6 山坡地社區(資料來源：鏡傳媒)

監測

器

壹、低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Nrea

Network, LPWAN)

對應於物聯網時代大量數據傳輸需求之應用情境，低耗能長距離廣域 無線網路系統(Low Power Wide Area Network, LPWAN)即為近年物聯網新 發展的重點技術之一，現今已廣泛應用在智慧工廠、城市、社區、農漁牧 業等領域。本團隊歸納主要具備以下 5 大優勢如圖 2.3-7，且與其他無線技 術比較如圖 2.3-8。 1. 低成本：適合大量應用，減少期初建置與營運成本。 2. 大範圍：無需繁複的基礎建設，具更強的穿透力與更遠的傳輸距離。 3. 低耗電：減少電池能量消耗，以增加裝置或感測器的使用時間。 4. 非授權頻率：適用於全球各個國家的佈建。 5. 頻寬費低：使用頻寬通訊費低廉。 圖 2.3-7 LPWAN 廣域物聯網路之優勢及 IoT 頻譜分析 (資料來源：本團隊整理)

為因應物聯網裝置省電、長距離傳輸資料的需求，LPWAN 以提供可 靠的網路傳輸功能，將裝置蒐集來的資訊整合到物聯網的資料管理中心， 可說是當前最具體萬物聯網的實現。本計畫列舉 LoRa、Sigfox 及 Weightless 等三項 LPWAN 發展之主要技術說明如下:

LoRa

LoRa 為美國半導體製造商 Semtech 於 2012 年併購擁有 LoRa IP 的法 國公司 Cycleo，開始整合無線通訊技術平台，並依此基礎與 IBM 共同合作 完成規範，目前由 Semtech、IBM、Cisco 等科技大廠為核心組成低功率無 線電聯盟(LoRa Alliance)來推動其相關技術發展，在全球擁有 500 多家公司 會員，屬當前受物聯網產業支持的 LPWAN 技術之一，也是物聯網時代最 需要的基礎網路。 LoRaWAN 是用來定義網路的通訊協議和系統架構，LoRa 則是提供長 距離通訊連結的實體無線層。LoRaWAN 協議和網路架構會直接影響節點 的電池壽命、網路容量、服務品質、安全性和各種網路應用。LoRa 是將資 料調變成電磁波的技術，使用的傳輸方法稱為「線性調頻展頻技術」(Chirp Spread Spectrum)，主要是為解決物聯網大量連接無線通訊需求、工作在 1GHz 以下非授權頻譜的私有低功耗廣域接入網路技術。相關 LoRaWAN 物 聯網使用頻譜說明如下: (1) LoRaWAN 在不需授權的無線頻譜中運行 開放任何人都可以使用無線電頻率，而不需要為傳輸支付極高的費 用，類似於 WiFi 所使用全球的 2.4GHz 和 5GHz ISM 頻段，任何人都可以 設置 WiFi 路由器和傳輸 WiFi 信號而無需許可證與許可，屬於免照頻段 (Unlicensed Band)頻譜。LoRaWAN 基地台如圖 2.3-9 所示。 (2) LoRaWAN 使用較低及較寬的射頻頻率 頻率範圍更寬的事實也帶有更多國家特定的限制，ISM 頻譜的使用頻 段和法規要求因使用國家區域而有所不同，常見的兩種頻率分別是歐盟用 的 868MHz 與美國的 915MHz。雖然 LoRaWAN 試圖在世界各個不同的地

區儘可能一致，但國情不同、規定不同也促使 LoRaWAN 得以在不同區域 採用不同的頻帶。 (3) 台灣頻段 AS 923 920~925MHz 台灣國家通訊傳播委員會(NCC)規劃將無線射頻辨識(RFID)器材操作 頻段由 922∼928MHz 修正為 920∼928MHz，並增訂低功率廣域物聯網器材 (920∼925MHz)、以及低功率海上活動示標器(926∼928MHz)的使用規定， 其頻段的規格與美國相同，不同之處在於其上行頻率高於美國頻段，其下 行鏈路信道與 US902~928 MHz 頻段相同。 圖 2.3-9 LoRaWAN 基地台規格特色

SIGFOX

透過 Sigfox 超窄頻傳輸技術(Ultra Narrow Band)，與 LoRa 同樣在免執 照 Sub-Ghz ISM 頻段上傳輸，取代蜂窩通訊技術(cellular technology)，雖然 採用非授權頻譜，但是需要仰賴廠商搭建的基地台，如此一來便能在成本 與通訊品質上取得平衡，此外也提供 SIGFOXCloud 雲端系統整合服務，能 夠降低使用者開發程式、存取資料的複雜度。服務架構圖如圖 2.3-10。 相較於其他 LPWAN 技術，Sigfox 是傳輸速率最低的技術，速度僅 100bits/s，且每個裝置一天最多只能傳送 140 則訊息，每則訊息最大的容量 為 12bytes。由於降低了資訊傳輸量，因此就能大幅節省物聯網裝置的電力 消耗，適用於如電表、水表、路燈控制相關流量回報頻率每小時低於一次 的應用。綜整以下 Sigfox 主要技術特性: (1) SIGFOX 需使用廠商基地台 採用 Sub-1 GHz ISM 頻段進行通訊，這種無線電波為運作頻率在 1GHz 以下的工業、科學和醫療專用波段，使用這些頻段相同於 LoRa 無需許可證 或費用，只需要遵守一定的發射功率(一般低於 1W)，並且不要對其它頻段 造成干擾即可。 圖 2.3-10 Sigfox 服務架構 (基地台由廠商負責佈建，使用者利用 SIGFOX Could 雲端服務平台連 接至物聯網裝置 資料來源:SIGFOX) (2) SIGFOX 採用較為封閉之運營策略

採用此通訊協定讓每個裝置占用的頻寬較低，因此能在同樣的網路建 設下容納更多裝置，這對裝置數量相當龐大的物聯網裝置來說相當重要， 能確保基地台能為每個裝置提供穩定的通訊服務。  SIGFOX對使用其平台的技術生態系統有較為嚴格之限制。  SIGFOX網路的合作夥伴需要分成大量服務收入。

Weightless

Weightless為the Weightless Special Interest Group,SIG組織和技術之名稱。提 供低功耗廣域網的無線連接技術，專為物聯網而設計，它既可以工作在Sub-GHz 免授權頻段，也可以工作在授權頻段。Weightless是一種無線通信協議，用於連 接智慧設備到網際網路上，與其他LPWAN計算一樣使用Sub-GHz頻段，低功耗、 低速率、通信距離遠等特點。不同於專有或專利的無線連接技術，Weightless是 一個開放的標準。開放的標準也是Weightless SIG宣傳的一個特點，開放意味著 更多的公司或組織可以參與其中，眾多的供應商也可以保證低成本、低風險，並 且可以可以持續更新和發展

Weightless 有 三 個 不 同 的 架 構 ： 分 別 為 Weightless-N 、 Weightless-P 及 Weightless-W。Weightless-N屬於單向通訊，是低成本的版本;Weightless-P是雙向 通訊版本，通訊效能較好；如果當地TV空白頻段可用，可選擇Weightless-W。 ARM支援的Weightless-P頻寬為12.5kHz。

Weightless與歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)達成合作協議，該技術未來可能會仿效Wi-Fi，建立統一的標準和 認證體系，將技術和產品標準化、產業化。 使用非授權頻譜LPWAN標準方面，Weightless的利用效率很高，在相同條 件下與LoRa、Sigfox相較，網路訊號覆蓋LoRa最好，但在支援節點數量與頻譜 效率部分，Weightless則較LoRa、Sigfox表現更好。與其他LPWAN技術相同， Weightless也強調長距離、省電、支援多節點連結、網路傳輸安全、彈性架構與 開放性標準等。其優點如圖2.3-11所示。 目前Weightless SIG中，主要的會員包含ARM、Accenture、Sony等，該技術 架構中，支援多項先進網路功能，包含對稱式的上傳/下載(Symmetric DL/UL)、 群 播 / 廣 播 (Multicast/Broadcast) 、 訊 息 確 認 (Message Ack) 、 電 池 運 作 (Battery Operation)、電源控制(Power Control)、定位服務(Location Service)、換手支援 (Handover Support)、韌體升級(Firmware Upgrade)等，其他技術並不完整支援的

圖 2.3-11 Weightless 的特色 (資料來源:優必闊科技)

參、LPWAN 主要通訊技術之比較

目前較受關注的 LPWAN 技術中，大概可以從技術使用的無線電頻段 分成授權頻段(License Band)與非授權頻段(Unlicense Band)，使用授權頻段 技術為 3GPP 主導的 NB-IoT，採用現有 3G/4G 網路，主要投入為電信營運 商與相關設備廠商；而投入並使用非授權頻段技術者，大多為不屬於電信 領域的 ICT 廠商。這些主要技術的比較整理如表 2.3-3，而 LPWAN 通訊技 術支援服務比較如圖 2.3-12。 表 2.3-3 LPWAN 主要技術比較表 技術 協定 主推者 成 立 時 間 佈 建 國 家 基站 連接 數目 使用 頻段 傳輸 距離 傳輸 速度 技術 範疇

Sigfox Sigfox 2009 17 100 萬個 ISM Band

Sub-1GHz 市區 10km 郊區 50km 100bps 終端設備 至前端應 用 LoRaWAN IBM、 CISCO 2015 12 25 萬個 ISM Band Sub-1GHz 市區 3-5km 郊區 15km 300bps-50kbps 通訊協定 Weightless ARM、 NEUL 2015 3 100 萬個 ISM Band Sub-1GHz 5km+(-N) 2km+(-P) 30-100kbps(-N) 100kbps(-P) 通訊協定 RPMA Ingenu 2008 25 20 萬個 2.4GHz 4km 8bps-8kbps 通訊協定 及硬體規

格

HaLow IEEE 2013 NA ~萬個 ISM Band

Sub-1GHz 1km >100kbps 通訊協定

NB-IoT 3GPP 2016 NA 10 萬個 GSM or

LTE Band 20km ~50kbps 通訊協定

(資料來源:依據新通訊 2 月號資料重製)

圖 2.3-12 LPWAN 通訊技術支援服務比較

(資料來源: Mobile Expert: Mobile and Wide-Area IoT:LPWA and LTE connectivity.2016)

NB-IoT 的全名為 NarrowBand IoT，顧名思義，就是為物聯網裝置設計 的窄頻無線電通訊技術，它是由 3GPP(3rd Generation Partnership Project， 第三代合作夥伴計劃，功能為制定國際電信標準的組織)所提出的通訊標 準，以目前手機使用的行動通訊技術為基礎，讓透過電池提供電力運作的 物聯網裝置，能夠具有長距離通訊的能力，以及保持長續航力的特色。

不同於 LoRa 採用非授權頻譜(Unlicensed Spectrum)，NB-IoT 則是採用 授權頻譜(Licensed Spectrum)，兩者主要的差異在於是否需要無線通訊使用 的頻段，是否需要經過主管機關分配與授權電信商使用。簡單地說，一般 手機使用通訊頻段，就是屬於需要受到管制的授權頻譜，申請執照後才能 使用，一般人不能私自架設基地台，而 Wi-Fi 無線網路則屬於非授權頻譜， 大家都不需申請即可自行在家中裝設熱點。 由於 LoRa 採用的是非授權頻譜，因此在使用的過程中不會產生相關費 用，然而因為 NB-IoT 採用頻率低於 1GHz 授權頻譜，根據 NB-IoT vs LoRa Technology 白皮書的資訊，這種 sub-GHz 頻譜中，每 MHz 的申請成本約為 美金 500 萬元，另一方面，因為 NB-IoT 需要仰賴行動通訊的基地台，所以 在建置成本上會比較高。 不過也就是因為 NB-IoT 使用授權頻譜，因此訊號比較不會受到干擾， 能夠避免在裝置繁多的環境中發生彼此干擾的問題。而且相較於 LoRa 使用 的通訊方式為非同步通訊協定(Asynchronous Protocol)，NB-IoT 使用的同步 通訊協定(Synchronous Protocol)能夠降低通訊的延遲。 舉個例子來說，LoRa 就像是寄平信，雖然便宜，但是寄達時間比較不 能掌握，且有信件可能會遺失，然而 NB-IoT 則像是限時掛號，能夠確保信 件能準時寄達。由於 NB-IoT 具有這種服務品質(Quality of Service，簡稱 QoS)的特性，能夠確保資料能正確地傳輸到目的地，因此更適合用於如收 銀系統、火災警報等牽涉到金融與安全的應用情境。

伍、管理值訂定方面

本工作是很重要的關鍵，透過本計畫有效的擷取事件發生前中後不中 斷的監測資料，將有助於訂出最適合在地的管理值，而不是一味仰賴文獻 (如表 2.3-4 所示，為當下最常使用之管理值建議表)或僅用經驗訂定。表 2.3-5 為本研究主持人郭治平博士執行水保局委託 103 年寶山潛在大規模崩塌地 區監測系統維運與擴充計畫之成果，利用監測期間之大雨事件(麥德姆颱風) 所得之監測成果，進行邊坡穩定分析與模擬後，參照如表 2.3-4 之文獻顯示 方式，訂定該地區之管理基準值，包括位移量、地下水位、地下水壓以及 雨量。圖 2.3-13 為利用三軸傾斜儀連續觀測後，透過事件發生時監測到之 數據與推數值模擬後，推算出表 2.3-5 中數值之過程之一。 實際上，本研究案即將進行之邊坡穩定數值分析，為建立不同監測儀 器之對應邊坡即將失穩管理值，讓坡地社區管理單位與居民可以有充分的 時間進行處置應變，例如尋求相關專業技術人士之協助與評估，及時導入 工程治理或管理手段等。 表 2.3-4 位移速率與邊坡穩定性判斷建議表(日本地滑對策技術協會 1978) 變動種別 日變位量 (mm) 月變位量 (mm) 一定方向的累積 傾向 活動性 判斷 摘要 緊急變動 20 以上 500 以上 非常的顯著 急速崩 壞 崩壞型、泥流型 確定變動 1 以上 10 以上 顯著 活潑運 動中 崩積土滑動、 深層滑動 準確定變 動 0.1 以上 2.0 以上 略顯著 緩慢運 動中 粘土滑動、 回填土滑動

第四節、足尺寸試驗

楊錦裕與李咸亨(2004)為探討加勁擋土牆在天然氣候條件下使用不同 加勁材對牆面影響之變形行為，因此建置一具高 5M 之大尺寸加勁擋土牆 模型，如圖 2.4-1 所示，其規劃設計剖面如圖 2.4-2 所示。而在構築過程中， 為確保牆後之回填土方可達到接近實際的緊密程度，須以滾壓機進行夯 壓，如圖 2.4-3 所示，此舉亦造成牆體變形，如圖 2.4-4 所示。該研究為國 內相當罕見之大尺寸模型實驗，其經驗足以作為本研究之參考，特別是施 作過程造成牆體變形之部分。 圖 2.4-1 大尺寸加勁擋土牆模型實驗照片(楊錦裕 2004)

圖 2.4-3 大尺寸加勁擋土牆構築過程所需之大型機具滾壓(楊錦裕 2004)

第五節、研究方法及進度說明

本研究工作之執行步驟與流程如圖 2.5-1，已完成之工作項目說明如下： 1. 完成五次工作會議。 2. 109 年 3 月 26 日至明新科大校園現勘挑選實驗場址。 3. 109 年 4 月 27 日現勘確認實驗場址。 4. 109 年 4 月 27 日完成整合型監測器整合研發與完成並進行測試。 5. 109 年 5 月 8 日實驗場址進行地球物理探測。 6. 109 年 5 月 16 日實驗場址進行地質鑽探。 7. 109 年 6 月 15 日實驗場址進行部分監測儀器安裝與測試。 8. 109 年 7 月 2 日進行第一次專家學者會議。 9. 109 年 9 月 23 日進行第二次專家學者會議。 10. 109 年 11 月 26 日進行推廣說明會。 可行性調查及 相關資料蒐集 不同情境模擬 講習與觀摩會 歷史災害與工程紀錄 文獻回顧 環境地質調查 施作環境調查 開工前說明會 試驗儀器整備 降雨資料 預測值 地下水資料 建築中心資料 計畫開始 期初整備階段 期中階段 期末階段 成果階段 108.06.30 前提送期中報告 108.10.15 前提送期末報告 108.12.04 前提送成果報告 試驗場地建置 數值方法模擬評估 變形資料 防災資訊平台 第一次專家 會議 第二次專家 會議

第三章 大尺寸試驗模型之建置

第一節、研究場域概述

本計畫之研究區域選定位於明新科技大學之後停車場進行(圖 3.1-1)， 以下對於此區域的氣象、地質、社區概況及監測之人工邊坡等進行說明。 圖 3.1-1 實驗場域位置圖

壹、試驗現場配置

本研究設置一內部長寬高分別為 2 4 3m 混凝土塊組成之大型土槽， 其混凝土塊內部即設置人工邊坡進行模擬(圖 3.1-2)。人工邊坡設計分做三 層，由下而上分別是填充層、防水帆布以及預設滑動的崩積層。填充層部 分利用碎石及土壤堆疊內部底層為一 1/3 坡面。防水帆布是模擬邊坡經降 雨造成水位蓄積之現象，覆蓋於填充層上方，最後再填上試驗所需土壤達 到預定尺寸並進行初部壓密集即完成邊坡部分。另外為量測土中的變形 8 明新科技大學 試驗場地

圖 3.1-2 土槽配置示意圖

圖 3.1-4 現場人工邊坡鋪設完成情形

第二節、整合型監測器研發

本計畫將延續 107 年度已研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低 成本整合型監測器，包含雙軸向傾斜儀、裂縫量測應變計等，本年度再添 加雨量計、水壓計與定置型孔內傾斜儀。各項監測器說明如下： 1. 雙軸向傾斜儀 傾斜變位計/微機電式傾斜計主要應用於水庫、水壩、堤防之傾斜變位 長期觀測；鄰近開挖工地之建物傾斜監測；連續壁施工監測；橋樑或高架 道路之墩柱及橋面傾斜監測；超抽地下水或潛盾施工引致之地表差異沉陷 引發結構傾斜監測等。本計畫規畫裝設雙軸傾斜儀，為微機電式 MEMS 傾 斜變位計(Micro-Electro-Mechanical-Systems)的設計目的在於永久裝設在結 構物上以求觀測該結構物之長期傾斜變位量。照片如圖 3.2-1 所示，將以自 動量測方式，頻率為每 10 分鐘至少 1 次，若監測期間傾斜儀 5 分鐘變化幅 度大於 1 度時，則改以頻率為每分鐘 1 次。

圖 3.2-1 雙軸傾斜儀 2. 裂縫量測應變計 振弦式裂縫計(拉伸式)係用於監測裂縫的擴張與收縮，包括：水壩混凝 土結構結合處、岩石隧道表面裂縫、橋樑橋墩表面裂縫、捷運高架橋樑柱 表面裂縫、混凝土結構物結合處等。振弦式裂縫計(拉伸式)採用振弦式位移 感測器測量裂縫，裂縫計內部包含一組振動鋼弦敏感元件，鋼弦一端被固 定，另一端則連接到彈簧拉力棒，裂縫變形時帶動拉力棒的移動，使彈簧 改變了鋼弦的振動頻率，這個振動頻率的大小與裂縫開合大小成比例關 係，如圖 3.2-2 所示。 圖 3.2-2 振弦式裂縫計

3. 水壓計 電子式水壓計以自動化監測之方式，即時掌握地下水壓之變化情形，並與 雨量監測之成果進行比對，用以初步推估降雨對於地下水壓之影響。範圍：7.0 kg/cm2、精度：0.025 % FSR解析度：±0.1 % FSR(1kg/cm2=98.1KPa優規)，如圖 3.2-3所示。 圖 3.2-3 水壓計 4. 定置型地中傾斜儀 本計畫使用之定置型傾斜儀為GEOSTAR 8300 MEMS，經由滑輪固定於傾 度管中，採用間隔1m進行監測精度約為±0.01 (±2 arc sec) ，如圖3.2-4所示。 圖 3.2-4 定置型傾斜儀(IPI)

器；其中雨量計規格，量測精度達每降雨累積達50mm 誤差小於1.5mm內。預計 每小時紀錄一筆資料，視需要調整紀錄頻率。相關照片如圖3.2-5所示。 圖 3.2-5 自計式雨量筒 6. 整合式感測器封箱與測試 上述之感測器需透過類比數位轉換器，將類比訊號轉換成數位訊號 後，再利用無線傳輸技術傳送至雲端。除感測器須外露外，其餘元件皆可 整合至一箱體中。現場安裝之配置圖如圖 3.2-6 所示，其中各項重要元件如 通訊元件、雙軸傾斜儀、訊號轉換器、長效電源等皆固定於箱內並進行防 水封裝。未來箱體尺寸、形式與材質皆可因地形條件、監測內容進行調整。 經測試感測儀器可正常動作，並將資料初步已 4G 網路方式上傳至雲端，如 圖 3.2-7 所示。

圖 3.2-6 整合感測器於現場安置完畢示意圖與透視圖 圖 3.2-7 整合感測器回傳測試 通訊元件 雙軸傾斜儀 振弦類比訊號轉換器 長效電源 類比數位訊號轉換器 土壤水分計 裂縫計 整合感測器 人工邊坡擋土設施 坡面材料 水壓計 荷重計 雨量計

埋設深度分別為 2m 以及 1m，接著在傾斜管設置完後，將定置型傾斜儀順 管內槽溝放置於水壓計上方(圖 3.2-9)，A+方向朝向整體邊坡之下方進行監 測。而此土槽目的在於模擬降雨誘發邊坡破壞之情境，並且經由現地監測 設備所回傳數據進行分析，現場裝設完成情形如圖 3.2-10 所示。 圖 3.2-8 傾斜管於埋設前進行開篩 圖 3.2-9 定置型地中傾斜儀於模擬邊坡裝設

壹、太陽能發電系統

若預定監測之人工邊坡屬於電力不及或不易取得的區域，則必須就地 採用自然再生能源作為電力來源，由於風力發電較不可預測，故建議以太 陽光電發電做為電力來源，說明如下: 1. 運用型式:獨立型太陽光電發電系統，如圖 3.3-1 所示。 2. 系統設計說明 (1) 無市電備援，設計時須注意發電及蓄電量必須大於用電量 (2) 在最差日照條件下仍需維持系統正常運作，因此蓄電容量必須依設備用 電量有最長連續無日照天數進行設計 (3) 必須提供合理的使用壽命，視地區電池組可將更換週期設計為 2~5 年 (4) 必須考慮太陽光電可能受遮蔭影響之問題 圖 3.3-1 太陽光電發電案例

貳、儲電系統

由於邊坡社區常面臨日照不足的問題，且感測器越多耗電量越大，太 陽能發電之成本也隨之攀升。高效能儲電系統具減少自放與高密度儲存電 力之優勢。鋰電池是 20 世紀開發成功的新式高能電池，能夠理解為含有鋰 元素(包含金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物)的電池，可分為鋰金屬電池 (很少的出產和運用)和鋰離子電池(如今許多運用)。因其具有比能量高、電 池電壓高、作業溫度範圍寬、貯存壽數長等長處，已廣泛應用於軍事和民 用小型電器中，如行動電話、可攜式計算機、攝像機、照相機等，部分替 代了傳統電池。鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池開展而來。所以在介 紹 Li-ion 之前，先介紹鋰電池。舉例來講，扣子式電池就歸於鋰電池。鋰 電池的正極資料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是鋰。電池拼裝完成後電池 即有電壓，不需充電。這種電池也能夠充電，但循環功用不好，在充放電 循環進程中，容易構成鋰枝晶，形成電池內部短路。 另一種為聚合物鋰電池，聚合物鋰電池所用的正負極資料與液態鋰都 是相同的，電池的作業原理也根本共同。它們的首要差異在於電解質的不 同，鋰電池運用的是液體電解質，而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質 來替代，這種聚合物能夠是「乾態」的，也能夠是「膠態」的，現在大部 分選用聚合物膠體電解質，聚合物鋰電池可分為三類： 1. 固體聚合物電解質鋰電池。電解質為聚合物與鹽的混合物，這種電池在 常溫下的離子電導率低，適於高溫運用。 2. 凝膠聚合物電解質鋰電池。即在固體聚合物電解質中參加增塑劑等添加 劑，然後進步離子電導率，使電池可在常溫下運用。 3. 聚合物正極資料的鋰電池。選用導電聚合物作為正極資料，其能量是現 有鋰電池的3倍，是最新一代的鋰電池。由於用固體電解質替代了液體 電解質，與液態鋰電池比較，聚合物鋰電池具有可薄形化、任意面積化 與任意形狀化等長處，也不會發生漏液與焚燒爆破等安全上的問題，因 而能夠用鋁塑複合薄膜製作電池外殼，然後能夠進步整個電池的容量； 聚合物鋰電池還能夠選用高分子作正極資料，其品質與能量將會比現在

時，則太陽能板發電量需 34.6W。為使整體系統能穩定運行，本研究採用 傳統鉛蓄電池進行實驗，因傳統鉛蓄電池可承受較惡劣的工作環境，且無 須另外加設電池控制器防止電池過放電導致損壞，未來如條件許再逐步採 購不同高效能電池做為儲電系統。

第四章 降雨模擬

第一節、降雨模擬參考情境

自民國 109 年 3 月 1 日起實施，依據中央氣象局「豪大雨雨量分級標 準」，大雨為 24 小時累積雨量達 80 毫米以上，或 1 小時雨量達 40 毫米以 上；豪雨指 24 小時累積雨量達 200 毫米以上，或 3 小時達 100 毫米以上； 若 24 小時累積雨量達 350 毫米以上稱為大豪雨；24 小時累積雨量達 500 毫米以上稱為超大豪雨，如表 4.1-1 所示。 表 4.1-1 豪大雨雨量分級標準(中央氣象局) 分級 說明 大雨 24 小時累積雨量達 80 毫米以上，或時雨量達 40 毫米以上之降雨 現象。 豪雨 24 小時累積雨量達 200 毫米以上，或 3 小時累積雨量達 100 毫米 以上之降雨現象。 大豪雨 24 小時累積雨量達 350 毫米以上，或 3 小時累積雨量達 200 毫米 以上之降雨現象。 超大豪雨 24 小時累積雨量達 500 毫米以上之降雨現象。

本研究以霧化噴頭模擬降雨水源，架設於試驗土槽上方。此降雨模擬 裝置分為蓄水、加壓供水以及灑水三個部分，蓄水部分，是以一 5000L 之 蓄水塔，以確保在進行人工降雨時，有持續穩定且充足的水源供應，並經 由 1 英吋管輸出。另於水源處加裝加壓馬達，以維持噴頭輸出時的水壓(圖 4.2-1)，其加壓馬達最大壓力 4.0kg/cm2、最大水量 48L/min，輸出端以一球 型閥控制水流輸出，可依需求調整為不同雨量，在分接成 4 組 4 分管供應。 為使試驗邊坡範圍內可均勻降雨，本研究採用可調整噴灑模式之霧狀灑水 噴頭，在霧狀模式下，經測試後將噴頭間距調整為 30cm、高度大於 50cm 時，噴灑範圍可完整覆蓋，且無過多重疊，如圖 4.2-2 左下所裝設為一支， 每支為 7 組霧狀灑水噴頭，再同樣以 30cm 間隔共 12 支排列於土槽上方， 總噴頭設置為 7 12 陣列，數量共 84 組，架設完成結果如圖 4.2-3。 圖 4.2-1 降雨模擬裝置之加壓馬達 圖 4.2-2 降雨模擬裝置示意圖

圖 4.2-3 架設完成後現場灑水測試

第三節、大尺寸邊坡降雨模擬破壞試驗

經前述土槽模擬邊坡的建置、邊坡上方監測儀器安裝，與降雨模擬裝 置組裝與測試後，隨即對人工邊坡進行降雨模擬破壞試驗。在降雨模擬開 始前，為避免人工降雨量大時，造成大量逕流水沖刷邊坡表面，較難達到 預期的破壞，便於邊坡表面以長草覆蓋，模擬在有植生保護之邊坡情境(圖 4.3-1)。降雨部分，先將噴灑量調整為最大，並持續 1 小時時間，一來為了 測試此降雨模擬裝置可產生之最大降雨量，二來使邊坡破壞速度加速，即 可由監測所得成果進行分析比對，試驗過程以錄影及拍照方式記錄，圖 4.3-2 左為降雨模擬開始，右為降雨 1 小時後情形。

圖 4.3-2 邊坡模擬降雨開始與結束 在降雨結束後靜置一段時間後，肉眼觀察表面整體並無明顯變化，但 再翻開覆蓋草皮後，可明顯看到許多張力裂縫以及沉陷的跡象(圖 4.3-3)， 裂縫大小與沉陷量大約為 4-6cm，其結果顯示降雨已對此邊坡有潛在的破 壞發生。 圖 4.3-3 草皮下方裂縫發展情形