行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
神木村南側出水溪上游土石流發生部之地質特性探討（Ⅲ）
The geological characteristics in originated section of debris flow at Chushui
river, south part of Shenmu village (Ⅲ)
計畫編號：NSC 89-2625-Z-002-043
計畫主持人：陳宏宇 計畫參與人員：王瑞斌
執行機構及單位名稱：台灣大學地質科學研究所
中文摘要 從現場地質材料的試驗結果顯 示，溝谷中材料之含量以5公分以上之岩 塊為主，分布在68%左右，細顆粒則分布 在10%左右，堆積材料之摩擦角介於37.2° ∼42.3°之間。至於溝谷兩側岩坡不連續面 材料之摩擦角則分佈在27.4°∼47.1°之間， 其中砂岩之剪力強度較頁岩為高。從現地 坡體穩定性分析結果顯示，溝谷中堆積地 質材料與溝谷兩側具有潛在破壞性之坡 體，在飽和狀態下其安全係數均小於1， 屬於不穩定狀態。因此，溝谷堆積材料及 溝谷兩側之岩坡可能在高降雨強度下先後 發生破壞，進而形成土石流。 關鍵詞：摩擦角、穩定分析 Abstr actThe experimental results show that the major contents of deposited material on the gully are gravel particles comprising around 68%. The fine particles are less than 10% of the total. The friction angle of deposited material ranges from 37.2° to 42.3°. The friction angle of sandstone ranges from 28.4° to 47.1°. The friction angle of shale ranges from 29.3° to 32.9°.
Analysis of the slope stability on the gully reveals that the deposited geomaterials and rock slope on both sides of valley is unstable when saturated. Thus heavy precipitation may trigger the occurrence of debris flow.
Key words: friction angle, slope stability
地質材料之特性 除了先前兩年所進行之現場地質調查 工作外，本年度工作是以了解本研究區內 地質材料之工程地質特性為主。即在野外 調查同時亦進行樣品採樣工作，並進行相 關的室內試驗，試驗結果將作為穩定性分 析之依據。工作項目包括了：（1）堆積 地質材料之自然物理性質試驗，（2）堆 積地質材料之力學性質試驗，（3）岩坡 地 質 材 料 之 自 然 物 理 性 質 試 驗 ， 以 及 （4）岩坡地質材料之力學性質試驗。 堆積材料之特性 本 研 究 之 顆 粒粒徑小於＃40號 篩 部 份，則具有一定大小之液性限度及塑性限 度，在塑性分類上為中塑性，因此細顆粒 材料部份，本研究之黏土含量較高，具有 一定程度之塑性，為屬於含黏土之礫石土 壤 （ GP-GC ） 。 在 統 一 土 壤 分 類 （USGS）上，皆為級配不良之土壤。 將本研究與先前研究之各項自然物理 性質參數比較後，在阿太堡限度試驗結果 上有較明顯差異，雖然本研究與先前研究 之細顆粒含量皆相近似，可能原因是本研 究之採樣地點較接近下游出口處，導致細 顆粒之性質可能有不同，因此本研究細顆 粒部份具有較高之塑性。 就直剪試驗結果而言，在飽和條件及 乾燥條件下所得結果，摩擦角分別為37° 及40°左右，相差約3°；就飽和狀態而言， CIU試驗、FSP試驗及直剪試驗在最大粒 徑為25.4mm之級配方式下，摩擦角分別為
37.8°、41.9°及37.5°，顯示CIU試驗及直剪 試驗結果相近，而在FSP試驗上有較高之 摩擦角。至於在凝聚力部份，四位研究者 所得之結果均相當小，多在5kpa∼20kpa 左右，對整體強度之影響不大。 從國內過去所進行土石流堆積材料之 力學試驗結果整理如表1所示，可知土石 流堆積材料之內摩擦角大致是分布在31.1° ∼46.9°之間。 岩坡材料之特性 為了探討岩坡之穩定性，藉由岩坡不 連續面之採樣工作，進行自然物理性質試 驗以了解邊坡之基本狀況，其結果可作為 穩定性分析時參數之依據。岩坡採樣地點 乃針對具有潛在破壞性之岩石邊坡，採集 含有不連續面之樣品。 試驗之結果如表2所示，岩坡材料之 現地含水量介於0.48%∼2.33%之間，而單 位重為介於2.57t/m3∼2.71t/m3之間，比重 為介於2.71∼2.77之間，空隙比為介於0.02 ∼0.07之間，孔隙率為介於1.58%∼6.56% 之間 ，飽 和度 為介於46.79%∼98.39%之 間。相較於蘇定義（1998）對南投和社地 區一、三號溪所得結果顯示，岩坡材料之 含水量及孔隙率皆相當低，而單位重及比 重則是本研究之結果較高。 另外，試驗結果亦顯示（表3），在 飽和狀態下，溝谷兩側岩坡不連續面之摩 擦角分佈在27.4°∼47.1°之間，其中兩組頁 岩層面之剪力強度分別為27.4°及32.9°；三 組砂岩層面之剪力強度分別為31.8°、32.7° 及33.9°，平均約32.8°；其餘砂岩節理面之 剪力強度為介於28.4°∼47.1°之間，平均約 38.1°。大致而言，砂岩節理面之剪力強度 高於砂岩層面之剪力強度，而頁岩層面之 剪力強度則相對較低。至於凝聚力的形成 主要來自節理面或層面間之充填物質，大 致分布在0.08 kg/cm2∼0.62kg/cm2。 相較於蘇定義（1998）對南投和社地 區一、三號溪材料試驗所得結果顯示，本 研究區之不連續面試體剪力強度值較低， 而試體在飽和與乾燥狀態下所造成之剪力 強度值差異亦較小。 堆積材料之穩定性分析結果 在堆積材料之穩定性分析參數的選取 上，本研究採用丁伯欣（1999）及林美聆 （1999）對出水溪堆積地質材料之自然物 理性質及力學性質試驗結果為主，因此安 全係數之計算結果如表4所示。在乾燥情 況下，溝谷堆積材料之安全係數為1.10， 屬於穩定之狀態；當堆積材料因降雨使地 下水位升高而達到飽和時，其安全係數降 為0.97，屬於不穩定狀態。 岩石邊坡之穩定性分析結果 （1）投影分析 岩坡S1區之投影分析結果顯示(圖1)， 該處具有潛在性楔型破壞模式；岩坡S2區 之投影分析結果顯示（圖2），該處具有 潛在性楔型破壞模式；岩坡S4區之投影分 析結果顯示該處具有潛在性平面破壞模 式；岩坡S5區之投影分析結果顯示該處具 有潛在性楔型破壞模式。 （2）安全係數計算 在安全係數計算上，岩坡S1、S2、S5 區之坡體具有楔型破壞模式，當坡體僅由 摩擦力抵抗滑動情形，此三處坡體在飽和 情況，當滑動面上有黏滯力與水壓情形 下，其安全係數值均小於1，屬於不穩定 狀態，因此該處坡體將會發生破壞；當滑 動面僅由摩擦力抵抗滑動，岩坡S2區之坡 體為處於一臨界狀態，而岩坡S5區之安全 係數值將高於1。野外觀察顯示此三處楔 型坡體均已發生破壞，因此若楔型坡體若 未考慮黏滯力與水壓力因素，其安全係數 將有高估之虞。 921地震後本處岩坡破壞範圍加大， 破壞範圍並有向上延伸，因此在穩定分析 上一併考量地震加速度對坡體穩定性之影 響，其中關於地震水平加速度大小則是參 考Campbell（1981）所提出之經驗公示： 其中 PHA：最大水平加速度(g)
M：地震規模 R：距離斷層破裂處最近的距離(km) )] 7 . 0 exp( 0606 . 0 ln[ 09 . 1 868 . 0 11 . 4 ln M R M PHA=− + − +
以 921 地 震 為 例 ， 其 地 震 規 模 ML=7.3，本研究區距離車籠埔斷層地表破 裂處約18公里，因此可得到本研究區最大 水平加速度（PHA）為0.24g。將各項參數 代入上列公式中，計算結果如表5，顯示 本處坡體在乾燥狀態下受地震之影響，坡 體之安全係數由1.06降至0.64，因此造成 本處坡體破壞。 討論 （一）地質與土石流發生之關係： 1. 地質構造部分 在地質構造上，本研究區東側為同富 山向斜，西側為和社背斜，南側有兒玉斷 層，北側為神木斷層等地質構造，地層受 褶皺及斷層作用影響，岩體內不連續面發 達。不連續面發育密度有隨著與距離褶皺 及斷層等地質構造越縮短而增加趨勢。因 此在褶皺及斷層等地質構造附近的岩層較 為不完整，岩體便顯得相當破碎，而這些 破碎不穩定之岩坡便能提供較多土石流發 生所需的土石材料。 2.岩性部分 本研究區之岩性以砂頁岩互層為主， 越往上游，砂岩比例及層厚越大，其中厚 層砂岩內節理的發育密度較薄層砂岩來的 低，頁岩層由於風化較為嚴重，則在表層 形成風化土層，另外沿線多處可發現順向 坡破壞或楔型破壞的岩坡。 （二）窪地地形與土石流發生之關係 本研究區之源頭處為一大型的堆積窪 地（hollow），圖3為出水溪源頭之窪地形 貌，在1980年至1993年間，窪地表面幾乎 無植生覆蓋，顯示窪地上之堆積材料不斷 受水流沖刷、搬運。1996年土石流發生 後，由航照圖及野外調查顯示，窪地表面 仍以土石材料堆積為主。 （三）颱風等降雨的影響 在1980年至1986年這6年間，本研究 區陸續經過諾瑞斯、安迪、尼爾森、韋恩 颱風等，其中1985年尼爾森颱風及1986年 之韋恩颱風更在南投豐丘及十八重溪造成 兩次土石流發生。受到這些颱風所帶來之 豪雨影響，本研究區在河道寬度的變化 上，上游南北兩側之支流因土石堆積而有 加寬及延長現象，同時主河道寬度在中下 游處亦較1980年來的寬。 1986 年 至 1991 年 這 5 年 間 經 過 亞 力 士、莎拉、歐菲莉、楊希颱風等所帶來之 豪雨影響，由前後兩期航照觀察結果顯 示，主河道上水流流向產生變化，河床上 堆積的土石開始形成具有高低落差的階地 地形。1991年至1993年間經過寶莉、泰德 颱風等影響，主河道南北兩側的支流均有 加寬或加深的現象，土石材料並由支流匯 入主河道上成為河床堆積物的一部份，同 時中游地區堆積階地的高低落差不若1991 年來的明顯。1993年至1996年間經過道格 及賀伯等強烈颱風影響，其中1994年道格 颱風並造成南投和社山區地層滑動，經由 由居民描述，本研究區並無土石流災害發 生。因此在1996年航照圖則可清楚的顯示 賀伯颱風在本研究區所造成的影響，除了 土石流發生外，不論在河道寬度或崩塌地 數量皆有受到颱風及土石流侵蝕影響而明 顯增加。 （四）地震之影響 在921地震後，本研究區中上游發生 多處崩塌，崩塌地面積增加30公頃，野外 調查時發現這些邊坡掉落的土石材料多半 堆積在河道上，部份河道甚至被土石完全 掩埋。地震後1年本研究區發生過一次小 規模之土石流，初步估計流失之土石方量 在13,000m3之間，但仍遠低於河道內所堆 積的土石量，因此河道內堆積的土石量仍 相當的大。 （五）河道產砂率 經由剖面分析結果顯示，民國85年賀 伯 颱 風 後 出 水 溪 所 流 出 之 土 石 計 有 1,572,650m3，若依照Hungr et al.（1984） 之公式計算，可發現本研究區河道產砂率 （channel debris yield rate, m3
/m）及流域 產砂率（area debris yield rate, m3
/km2）分 別為370 m3
與其它地區相比較，出水溪之河道產砂率 為最高，顯示本研究地區之出水溪河道具 有較高的土石供應能力。 結論 從過去兩個年度的研究結果可以得到 下列結論： 從航照判釋及野外調查結果顯示，南 投神木村出水溪在經過賀伯颱風後，地 形、地貌上皆產生相當大的變化。過去幾 十年來，下游地區並未有土石流災害之記 錄，期間上游崩塌地所掉落的土石以堆積 在河道上為主，在賀伯颱風後才將原本堆 積在河道上的土石帶出。 本研究區上游發生部以南莊層厚砂薄 頁之砂頁岩互層為主，塊狀砂岩受不連續 面切割影響，常形成巨大石塊堆積在河道 上，而流動部沿線則幾乎為堆積層分佈。 在土石流發生後，這些堆積在主河道上及 溝谷兩側之土石為土石流之土石材料的主 要來源，其間並夾雜有巨石。 本區岩層受地質構造影響，溝谷兩側 邊坡之不連續面相當發達，其中層面位態 的分布為介於N10°E∼50°E，向南傾斜30° ∼80°，而節理面的發育沿線變化大，且 與層面之大致具有垂直正交情形。溝谷兩 側坡體受到不連續面的影響，多處形成各 種潛在性順向坡及楔型坡破壞模式，並成 為河床堆積土石之主要來源。 由下游的土石流堆積物外形可區分成 兩類，一類是外型較圓，表示曾被搬運過 一段距離，其來源為上游崩積層及堆積層 受河水搬運磨蝕堆積而成。另一類為表面 較為新鮮，外型呈角狀，搬運距離較短， 為暴雨期間由邊坡發生崩塌破壞而成。 由剖面分析結果得知，出水溪在賀伯 颱 風 後 所 流 失 之 總 土 方 量 估 計 約 有 1,572,650m3，其中53%來自發生部，37% 來自流動部。在破壞型態上，將近73%為 河床堆積物破壞所提供，其餘為來自溝谷 兩側邊坡破壞。因此，本研究區所發生的 土石流災害，在破壞類型上屬於溝谷堆積 物崩塌型。 而本年度之本研究工作所整理出之結 論可歸納為下列三點： (1)明坑採樣結果顯示，出水溪溝谷內堆積 地 質 材 料 之 現 地 單位 重為 介於1.74∼ 1.89t/m3之 間 ， 含 水 量 為 介 於 4.21 ∼ 9.58%之間，礫石含量為介於64∼84% 之間，細顆粒分布在10%左右，孔隙率 則分布在33∼41%之間。 (2)溝谷堆積地質材料以大型直剪試驗結 果，其摩擦角在37.2°∼42.3°之間；而 岩 坡 不 連 續 面 之 摩 擦 角 則 在 27.4°∼ 47.1°之間，其中砂岩之剪力強度較高， 其摩擦角在28.4°∼47.1°之間，頁岩之 剪力強度則相對較低，其摩擦角在29.3° ∼32.9°之間。 (3)穩定性分析結果顯示，溝谷內的堆積地 質材料在飽和狀態下，剪力強度由40.6° 降 至 37.2°， 安 全 係 數 亦 由 1.10 降 至 0.97，顯示堆積材料之穩定性在飽和狀 態下有降低的現象。而溝谷兩側岩坡分 析結果顯示，具有潛在性順向坡及楔型 坡破壞之坡體，在飽和狀態時安全係數 皆在1以下，為不穩定狀態，該處坡體 將會發生破壞。 參考文獻 丁伯欣（1999）土石流模擬材料之力學行 為與透水特性研究，國立臺灣大學土 木 工 程 學 研 究 所 ， 碩 士 論 文 ， 134 頁。 何敏龍（1997）土石流發生機制與流動制 止結構物之研究，國立臺灣大學土木 工程學研究所，碩士論文，272頁。 林美聆（1999）陳有蘭溪流域土石流溪流 地理資訊系統建立與土石流溪流特性 分析，防災國家型科技計畫八十八年 度成果報告，135頁。 林基源（1992）花蓮銅門村土石流災區堆 積材料之特性研究，國立台灣大學土 木 工 程 學 研 究 所 ， 碩 士 論 文 ， 176 頁。
張世勳（1993）花蓮地區土石流物理模型 初步研究及其材料之模擬，國立臺灣 大學土木工程學研究所，碩士論文， 128頁。 陳琨銘（1994）花蓮木瓜溪沿岸土石流災 害之工程地質特性，國立臺灣大學地 質學研究所﹐碩士論文，116頁。 游繁結、陳重光（1987）豐丘土石流災害 之 探 討， 中 華水土保持學報，第18 卷，第1期，第79-92頁。 蘇定義（1998）南投縣和社溪沿線土石流 之工程地質特性探討，國立臺灣大學 地質學研究所，碩士論文，149頁。
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Hungr, O.；Morgan, G. C. and Kellerhals, R. (1984) Quantitative analysis of debris torrent hazards for design of remedial measures, Can. Geotech. J., Vol.21, p.663-677.
Lin, M. L. and Chang, K. T. (1997) Investigation of the Tungshing debris flow hazard in Hualien., Journal of the Geological Society of China., Vol.40, No.1, p.113-134 表 1 土石流堆積材料之力學試驗整理 地點 強度參數 試驗方法及試驗控制條件 參考文獻 南投十八重溪右岸 ψ＝33° 不詳 陳重光、游繁結 （1988） 花蓮銅門 ｃ＝5.8kpa ψ＝39.3° 等重量替代法，直剪試驗 (剪 力 盒 300mm×300mm) ， 試 體 最大粒徑38.1mm，飽和條件 林基源（1992） 花蓮銅門 ｃ＝0 ψ＝33.3° 改良式等重量替代法，直剪 試驗(剪力盒300mm×300mm)， 試體最大粒徑38.1mm，飽和 條件 張世勳（1993） 花蓮銅門 ｃ＝0 ψ＝32.0° 等重量替代法，直剪試驗 (剪 力 盒 300mm×300mm) ， 試 體 最大粒徑38.1mm，飽和條件 何敏龍（1997） 南投陳有蘭溪橋右岸 ｃ＝2.6kpa ψ＝46.9° 直剪試驗 (剪力盒300mm×300 mm)，試體最大粒徑50mm 何智武、蘇苗彬 （1994） 南投和社一號溪 ｃ＝0 ψ＝31.3° 南投和社三號溪 ｃ＝0 ψ＝31.1° 改良式等重量替代法，直剪 試驗(剪力盒 100mm×100mm )， 試體最大粒徑 12.7 mm，飽 和條件 蘇定義（1998） 南投豐丘 ψ＝35° 不詳 游繁結、陳重光 （1987）
表 2 岩坡地質材料之自然物理性質試驗結果 樣品 編號 含水量 (%) 乾單位重 (t/m3) 單位重 (t/m3) 飽和單位重 (t/m3) 比重 Gs 空隙比 e 飽和度 s (%) 孔隙率 n (%) S1-1B 1.92 2.59 2.64 2.65 2.76 0.07 80.87 6.15 S1-2J 1.33 2.64 2.68 2.69 2.76 0.04 84.29 4.17 S2-1J 2.33 2.56 2.62 2.63 2.74 0.07 90.98 6.56 S2-2B 1.15 2.54 2.57 2.60 2.71 0.07 46.79 6.24 S4-1J 1.16 2.64 2.67 2.68 2.74 0.04 83.38 3.67 S4-2J 0.58 2.66 2.68 2.68 2.72 0.02 75.80 2.04 S4-3J 0.63 2.68 2.70 2.70 2.73 0.02 98.39 1.72 S4-4J 1.03 2.66 2.69 2.69 2.74 0.03 97.05 2.83 S4-5J 0.48 2.68 2.69 2.69 2.72 0.02 81.57 1.58 S4-6J 1.01 2.68 2.71 2.71 2.76 0.03 97.01 2.79 S4-7B 0.93 2.68 2.70 2.70 2.75 0.03 91.37 2.72 S5-1J 0.75 2.66 2.68 2.69 2.74 0.03 68.37 2.92 S5-2B 1.11 2.62 2.65 2.65 2.71 0.03 88.49 3.29 S5-3B 1.15 2.64 2.67 2.67 2.73 0.03 91.72 3.31 本研究 S5-4J 0.70 2.69 2.71 2.72 2.77 0.03 66.19 2.85 12B 1.60 2.13 2.16 2.36 2.21 0.04 96.89 3.51 13J 0.68 2.20 2.22 2.40 2.26 0.03 56.69 2.65 14J 0.57 2.44 2.45 2.63 2.50 0.03 54.96 2.55 15J 0.84 2.35 2.37 2.51 2.41 0.03 80.01 2.47 32J 0.31 2.33 2.34 2.49 2.39 0.02 31.33 2.30 32B 0.41 2.38 2.39 2.50 2.44 0.03 40.42 2.39 33J 1.14 2.32 2.36 2.51 2.40 0.04 98.35 3.34 34J 0.48 2.41 2.42 2.53 2.47 0.03 46.77 2.45 蘇定義 (1998) 35J 0.85 2.11 2.13 2.50 2.17 0.00 63.65 2.81 S1、12、13：採樣地點 B：層面試體 J：節理面試體
表 3 岩坡地質材料之力學強度 剪力強度 氣乾狀態 飽和狀態 樣品 編號 c (kg/cm2) ψ(°) c (kg/cm2) ψ(°) 剪力強度 差異(°) S1-1B - - 0.49 32.90 -S1-2J - - 0.60 39.70 -S2-1J - - 0.51 38.40 -S2-2B - - 0.31 33.90 -S4-1J - - 0.28 35.80 -S4-2J - - 0.37 46.10 -S4-3J - - 0.44 47.10 -S4-4J - - 0.49 28.40 -S4-5J - - 0.17 33.40 -S4-6J - - 0.42 38.70 -S4-7B 0.07 29.3 0.08 27.40 1.90 S5-1J 0.42 43.1 0.62 40.50 2.60 S5-2B - - 0.54 32.70 -S5-3B - - 0.32 31.80 -本研究 S5-4J - - 0.45 40.20 -12B 0 51.07 0 58.62 7.55 13J 0 59.33 0 52.18 7.15 14J 0 55.26 0 45.01 10.25 15J 0 56.54 0 49.22 7.32 32J 0 46.27 0 37.48 8.79 32B 0 45.34 0 36.74 8.60 33J 0 68.50 0 61.77 6.73 34J 0 56.34 0 48.83 7.51 蘇定義 (1998) 35J 0 54.35 0 46.59 7.76 S1、12、32：採樣地點 B：層面試體 J：節理面試體
表 4 溝谷堆積地質材料穩定性分析結果 γsat(t/m3) γsat－ãw(t/m3) θ(°) ψ(°) FS 乾燥狀態 (38.1mm) 2.20 1.20 23 40.6 1.10 飽和狀態 (38.1mm) 2.18 1.18 23 37.2 0.97 表 5 岩坡 S4 區在地震水平加速度為 0.24g 時之穩定分析結果 α (g) c (kg/cm2) B U (t) V (t) θ(°) ψ(°) FS 乾燥狀態 0.24 0.07 0 0 0 28 29.3 0.67 飽和狀態 0.24 0.08 1 500 50 28 27.4 0.47 表 6 土石流發生地區之流域及河道產砂率比較 土石量 (m3 ) 河道長度 (m) 集水面積 (km2 ) 河道產砂率 (m3 /m) 流域產砂率 (m3 /km2 ) 南投豐丘地區 (游繁結, 1987) 329,300 2,950 1.680 111.6 196,012 花蓮銅門地區 (陳琨銘, 1994) 105,075 1,425 0.490 73.7 214,439 花蓮東興部落
(Lin and Chang, 1997) 310,000 1,400 0.800 221.4 387,500 南投和社一號溪 (蘇定義, 1998) 490,350 2,450 0.479 200.1 1,023,695 南投和社三號溪 (蘇定義, 1998) 985,570 2,912 0.915 338.5 1,077,126 南投出水溪 (本研究區) 1,572,650 4,250 8.600 370.0 182,866
圖1 岩坡 S1區飽和狀態下不連續面及摩擦角分佈圖(楔型破壞)
