降雨引致山區公路邊坡地下水位變動及崩壞特性之研究

104 學年度第一學期

休假研究期滿報告書

休假研究計畫名稱：

降雨引致山區公路邊坡地下水位變動及崩壞特性之研究

單位：土木系

姓名：李德河

職稱：教授

中華民國 105 年 4 月 27 日

中文摘要

近年來全球暖化現象引發嚴重氣候變遷，極端氣候頻發也使得我國的降雨型態產生 改變，在山多平原少的臺灣，對脆弱的山區邊坡形成有異於往常更大的威脅。為了瞭解 近年來降雨型態的改變對我國南部山區邊坡防災工作之衝擊，本研究以進入阿里山國家 森林遊樂區的主要道路(臺 18 線)和連結臺灣東西向山區交通的南部橫貫公路(臺 20 線) 之代表性邊坡做為研究對象，探討降雨對不同地質條件的公路邊坡穩定性的影響，兩路 段都是臺灣南部山區重要的路線，其暢通性和安全性是道路使用人和公路單位所嚴重關 切的。 本研究選擇阿里山公路(臺 18 線公路)之崩積層邊坡和南化水庫邊的臺 20 線公路之 砂頁岩互層邊坡做為研究對象。除了收集相關的雨量、地質資料外，並進行地層鑽探及 地電阻探測，用以瞭解邊坡的地層分佈。同時也設置傾斜觀測管、地下水位計以觀測邊 坡變動及地下水的變化等。經由觀測、調查、分析後取得試驗邊坡的地層構造、地下水 位變動和邊坡變動方向及地層變動深度等資料，進而探討降雨量與地下水位變動量，以 及降雨量與地層變動間的關係，最後透過極限平衡法對邊坡作穩定分析，以瞭解降雨－ 地下水位變動－邊坡穩定性關係，研究結果可作為國人在極端氣候環境下，進行山區防 災、減災與災害預警的參考。 關鍵字：邊坡穩定、降雨量、地下水位變動

目 錄

圖 目 錄 ... I 表 目 錄 ... II 一. 前言 ... 1 二. 試驗邊坡之地理位置及地層構造 ... 2 三. 監測儀器 ... 5 四. 監測結果 ... 6 五. 降雨量－地下水位與降雨量－邊坡滑動之關係 ... 9 六. 邊坡穩定分析 ... 12 七. 結論 ... 14 參考文獻 ... 15

圖 目 錄

圖 1.1 2006 年~2014 年，嘉義、臺南、高雄、阿里山地區年雨量變化 ... 1 圖 2.1 臺 18 線研究區域公路位置示意圖 ... 2 圖 2.2 臺 18 線 86k+920m 處試驗邊坡衛星影像 ... 2 圖 2.3 LIDAR 施測高程圖 ... 3 圖 2.4 臺 18 線試驗邊坡地質剖面圖 ... 3 圖 2.5 臺 20 線試驗邊坡附近區域圖 ... 4 圖 2.6 臺 20 線 52k+150m 處試驗邊坡衛星影像 ... 4 圖 2.7 臺 20 線試驗邊坡地質剖面圖 ... 4 圖 3.1 自記式水位計 ... 5 圖 3.2 傾斜觀測儀使用示意圖 ... 5 圖 3.3 傾斜觀測儀設備 ... 6 圖 4.1 臺 18 線邊坡日降雨量與地下水位觀測記錄 ... 7 圖 4.2 臺 20 線邊坡地下水位觀測與雨量記錄 ... 8 圖 4.3 臺 18 線試驗邊坡 BH-A 傾斜管觀測記錄 ... 9 圖 4.4 臺 20 線試驗邊坡 BH-1 傾斜管觀測記錄 ... 9 圖 5.1 臺 18 線試驗邊坡之地下水位變動量與累積降雨量回歸關係 ... 11 圖 5.2 臺 20 線試驗邊坡之地下水位變動量與累積降雨量回歸關係 ... 11 圖 5.3 臺 18 線試驗邊坡孔位 BH-A 降雨量與傾斜管變動速率歷時圖 ... 12 圖 5.4 臺 20 線試驗邊坡孔位 BH-1 降雨量與傾斜管變動速率歷時圖 ... 12 圖 6.1 臺 18 線試驗邊坡低水位時，FS=1.253 ... 13 圖 6.2 臺 18 線試驗邊坡高水位時，FS=1.008 ... 13 圖 6.3 臺 18 線 86K+950 邊坡地下水位在地表時，可能引發之深層崩壞 ... 14 圖 6.4 臺 20 線試驗邊坡地下水位提升 25m 時可能產生之大規模崩塌，FS=0.995 ... 14

表 目 錄

表 2.1 試驗邊坡鑽孔位置、深度及地層分佈 ... 3 表 2.2 臺 20 線試驗邊坡鑽孔位置、深度及地層分佈 ... 4 表 5.1 臺 18 線試驗邊坡之每一場降雨的累積降雨量與其所引發的地下水位變動量 .... 10 表 5.2 臺 20 線試驗邊坡之每一場降雨的累積降雨量與其所引發的地下水位變動量 .... 11 表 5.3 位移速率與邊坡穩定性判斷建議表 ... 12 表 6.1 試驗邊坡地層之材料參數 ... 13 表 6.2 莫拉克颱風時甲仙雨量站之降雨記錄 ... 13

一. 前言 全球暖化現象在近年更趨惡化，其所引發之極端氣候也改變我國的降雨型態。先天 條件上，臺灣位處於板塊交界帶，因板塊擠壓作用使得台灣地質構造相當複雜、破碎， 在豪雨作用下經常造成地質災害的發生。此外，隨著經濟發展，交通運輸和休閒遊憩的 需求也隨之提高，開闢山區道路的數量亦隨之提升，根據公路總局統計，我國的公路系 統約 60%位於山區中，其乃易受到降雨的影響並引發邊坡崩壞、阻斷通行，乃是公路管 理單位最為費心之事。圖 1 為 2006 年～2014 年阿里山區及嘉義、臺南、高雄地區的年 雨量變化圖[1]，圖中可知，近年來的降雨趨勢大致呈現數年少雨、數年多雨且年雨量差 異有增大的現象，對於山區邊坡而言，此等現象是不利於邊坡穩定的。在長期少雨的階 段，邊坡的地下水位降低，此時邊坡相對較為穩定；然而在持續且長時間豪雨不停時， 邊坡地下水位必然大幅上升，當地下水上升至臨界地下水位時，邊坡將產生大變形進而 崩壞。 在降雨行為改變之際，找尋我國南部山區邊坡防災工作的因應之道，本研究以南部 地區不同地質條件的邊坡為標的進行研究，深入瞭解降雨引致我國南部邊坡地下水位的 變動及邊坡崩壞特性。本研究首先以嘉義山區的阿里山公路(臺 18 線公路)的崩積層邊坡 為研究對象，其次則選擇臺南山區南化水庫附近的臺 20 線砂頁岩互層邊坡為研究標的， 分別進行地質鑽探及地電阻探測，以瞭解邊坡的地層構造，並鑽孔設置地層傾斜觀測 管、地下水位計等進行地層變動及地下水位變化之觀測。由一系列的監測數據，瞭解降 雨量與地下水位變化的關係以及崩積層邊坡、砂頁岩互層邊坡的地下水位變動特性及邊 坡崩壞機制。 圖 2 2006 年~2014 年，嘉義、臺南、高雄、阿里山地區年雨量變化[1] (摘自 http://www.cwb.gov.tw/)

二. 試驗邊坡之地理位置及地層構造 本研究選擇臺 18 線(阿里山公路)86k+920m 處之崩積層公路邊坡以及臺 20 線 52k+150m 處之砂頁岩互層公路邊坡為研究對象，以下將此二邊坡之地理位置及地層構 造，分別加以說明。 1.阿里山公路(臺 18 線)86k+920m 公路邊坡之地理位置及地層構造 臺 18 線公路，係通往阿里山國家風景區之最主要的道路，該公路的起點是在嘉義 縣太保市臺灣高鐵嘉義太保車站，往東則到南投縣信義鄉與臺 21 線銜接，公路總長 109.985 公里，其中由太保市到觸口為平地路段，觸口以後則進入山區，山區路段總長 度約為 65 公里，如圖 2.1 所示[2]。本研究所選第一個試驗邊坡位於 86k+920m 處，離阿 里山國家森林遊樂區入口約 1 公里，如圖 2.2 所示。 圖 2.1 臺 18 線研究區域公路位置示意圖(公路 總局第五區養護工程處網站，2015)[2] 圖 2.2 臺 18 線 86k+920m 處試驗邊坡衛星影像 (改自 Google earth, 2014) 臺 18 線 86k+920m 處邊坡經由 LIDAR 及人工量測可得邊坡附近之地形圖，如圖 2.3[4]。沿著邊坡的主軸進行 2 孔 30 公尺深的地質鑽探 BH-A 及 BH-B，由鑽探結果可 知二孔鑽探孔中由地表至地表下 30m 皆為崩積土及破碎的崩積石塊所組成，鑽孔位置及 深度如表 2.1 所示。再參考邊坡下方已有的 B1、B2、B3 及 B4 鑽孔資料[4]，可得試驗 邊坡的主要地質剖面圖如圖 2.4。

圖 2.3 LIDAR 施測高程圖(改繪國立成功大學公共工程中心，2014)[4] 表 2.1 試驗邊坡鑽孔位置、深度及地層分佈 地點 孔號 座標(TWD97) 孔口高程 (m) 深度(m) 土層描述 臺 18 線 BH-A 229379 2599550 2101 0.00~30.00 棕黃色崩積岩塊夾砂質粉土 BH-B 229352 2599554 2097 0.00~30.00 棕黃色崩積岩塊夾砂質粉土 圖 2.4 臺 18 線 86k+920m 處試驗邊坡之地質剖面圖 2.臺 20 線 52k+150m 公路邊坡之地理位置及地層構造 本研究的第二個試驗邊坡位在臺 20 線 52k+150m 處，其位置是在臺南市南化區玉 山村南化水庫附近，南化水庫之集水區集水面積廣達 108.3 平方公里，屬於曾文溪流域 且位於曾文溪的支流後堀溪的中上游處，本邊坡場址其趾部為南化水庫之上游的無名

溪。該邊坡區域之稜線末段與南橫公路之路段呈現陡崖的地形樣貌，其高差約 70m~90m 不等，如圖 2.5 所示[3]。 圖 2.5 臺 20 線試驗邊坡附近區域圖 (青山工程顧問有限公司，2014)[3] 圖 2.6 臺 20 線 52k+150m 處試驗邊坡衛星影像 (改自 Google earth, 2014) 圖 2.6 為臺 20 線 52k+150m 處邊坡附近的 Google earth 衛星影像。本研究參考以往 的鑽探資料[5]後於此邊坡新鑽 1 孔 BH-1，鑽孔孔口座標、高程及深度示於表 2.2。由鑽 探結果可知 BH-1 由地表到地表下 5.4m 為棕黃色崩積層岩塊，5.40m～17.80m 為灰色剪 裂泥夾砂質泥岩，17.80m～40.00m 為灰色砂頁岩互層夾剪裂泥，配合 BH-1 孔之地層分 佈並參考以往的鑽探資料，可得臺 20 線試驗邊坡之地質剖面圖，如圖 2.7。 表 2.2 臺 20 線試驗邊坡鑽孔位置、深度及地層分佈[5] 地點 孔號 座標(TWD97) 孔口高程 (m) 深度(m) 土層描述 臺 20 線 BH-1 204120 2552104 292 0.00~5.40 棕黃色崩積層岩塊 5.40~17.80 灰色剪裂泥夾砂質泥岩 17.80~40.00 灰色砂頁岩互層夾剪裂泥 圖 2.7 臺 20 線 52k+150m 試驗邊坡地質剖面圖

三. 監測儀器 為了探討南部地區不同地質條件的公路邊坡在氣候變遷、降雨型態改變、集中豪雨 增多時，降雨所引發的地下水位的變化，以及其對邊坡穩定性的影響，特別在阿里山公 路及臺 20 線公路之試驗邊坡上設置一些觀測儀器以瞭解降雨、地下水位及邊坡穩定間 的相互關係。所設置的觀測儀器有(1)自記式地下水位計、(2)傾斜觀測儀，以及使用地 電阻調查大範圍邊坡地層及地下水位的概略分佈，以補充鑽探及地下水位井的不足。此 外，雨量的資料主要是使用試驗邊坡附近之中央氣象局雨量站的降雨資料。在試驗邊坡 所設置之現地觀測儀器概略說明如下： (1)自記式地下水位計 本研究使用地質鑽孔設置地下水位井，井中設置自記式地下水位計以進行長期水位 監測並取得地下水位的連續變化資料。自記式地下水位計包括(a)記錄器及(b)水壓計，其 安裝後的情形如圖 3.1 所示。此外，每次到現場取回自記資料時，並以人工方式記錄地 下水位，以檢核自記式地下水位計的量測數據。 圖 3.1 自記式水位計(a)記錄器 (b)水壓計 (c)安裝情況 (2)傾斜觀測儀 本研究亦使用地質鑽孔設置傾斜觀測管，再使用加拿大 RST 公司所製作的傾斜觀 測儀置入傾斜觀測管中量測各種深度處的地層變位情況，並以無線藍芽方式直接傳輸到 專屬的 PDA 裡儲存。圖 3.2 為傾斜觀測儀的使用示意圖。圖 3.3 為傾斜觀測儀的設備包 含(a)電纜線、(b)傾斜儀、(c)記錄器。 圖 3.2 傾斜觀測儀使用示意圖

圖 3.3 傾斜觀測儀設備 四. 監測結果 1.雨量與地下水位監測結果 (1)阿里山公路(臺 18 線)試驗邊坡之降雨記錄與地下水位變動情形 圖 4.1 為臺 18 線阿里山公路段試驗邊坡的雨量紀錄從 2014 年 1 月 1 日至 2016 年 1 月 31 日，圖中可知 2014 年 1 月降雨量幾乎為零，2 月至 4 月中旬期間每隔幾日即有零 星短暫陣雨事件發生；5、6 月則為梅雨季幾乎每日皆有降雨；7 月中旬前為零星降雨， 直到 7 月 22 與 23 日兩天因麥德姆颱風侵臺和外圍環流影響有大雨出現，這兩日雨量分 別是 22 日為 45.5mm，23 日高達 398.0mm；8、9 月期間皆因山地地形雲層抬升造成短 暫降雨；10 月至 12 月係零星降雨或零降雨量，完整的 2014 年累積降雨量達 2932mm。 2015 年 1 月至 5 月中旬都比 2014 年同時期的雨量來的少，零降雨的事件也增多，直到 5 月 20 日至 5 月 27 日，持續 8 天的梅雨期，尤其 5 月 24 日單日雨量達 290mm，8 天 降雨達 801mm，2015 年截至 5 月結束累積降雨為 1246mm。 圖 4.1 中配合日降雨量將臺 18 線公路試驗邊坡地下水位的變動繪出，地下水位開始 紀錄的時間為 2014 年 3 月 12 日，可以看出 BH-A 與 BH-B 的初期地下水位。2014 年 3 月 27 日起至 2014 年 4 月 4 日皆有短暫的降雨，孔位 BH-A 的地下水位高程由 2084.16m 上升至 2084.56m；孔位 BH-B 的地下水位高程則由 2071.49m 急遽上升至 2079.32m 最後 再降回 2071.76m，由此可看出孔位 BH-B 較能即時反應降雨所造成的地下水位變動，地 下水位上升的快，下降的也快；孔位 BH-A 則相較上升平緩。2014 年 5 月開始至 7 月此 試驗場址進入梅雨季，孔位 BH-A 地下水位持續上升，最高到達 2091.63m；孔位 BH-B 地下水位則因透水速度快，造成地下水位上下變動較明顯，最高達 2083.88m。2014 年 7 月 22 日至 23 日為麥德姆颱風侵臺期間，23 日雨量最大，孔位 BH-A 地下水位達 2092.33m；孔位 BH-B 地下水位達 2086.33m，接著零星降雨持續到九月結束，孔位 BH-A 與 BH-B 地下水位隨著零星降雨而上升，但整體趨勢呈現下降的情形。2015 年 1 月至 3 月底降雨較零星且時間間隔久，即使有降雨地下水位卻無上升，原因為乾季期間土層含 水量持續下降，而降雨量不足以使地下水位上升。

圖 4.1 臺 18 線邊坡日降雨量與地下水位觀測記錄 (2)臺 20 線試驗邊坡之降雨記錄與地下水位變動情形 臺 20 線試驗邊坡所用雨量資料採用中央氣象局甲仙雨量測站的資料，圖 4.2 為臺 20 線南橫公路段試驗邊坡的雨量紀錄從 2014 年 9 月 1 日至 2016 年 1 月 31 日。 由圖 4.2 中可知 2014 年 9 月間有短暫的降雨事件，降雨當日即停止，且每隔 3 到 4 天為一個循環。而 10 月初也有短暫的降雨，不過 10 月初過後一直到 11 月底的降雨量 幾乎為零，12 月的降雨事件也是集中於 12 月上旬，整體 12 月共降下 22mm 的降雨量。 而 2015 年 1 月的雨天僅有 4 天且當日降雨量皆不超過 3mm 的降雨量。2 月的降雨量則 是集中在 21 號當日，有 20mm 的降雨量，其它天幾乎為零。3 月份幾乎整月為零降雨 量，僅有兩天降雨量達 0.5mm。4 月至五月中旬期間有零星短暫陣雨事件發生，至整個 4 月結束累積雨量為 31mm；5 月 20 日至 31 日則為梅雨季幾乎每日皆有降雨，單就 5 月 24、25 日之單日降雨量分別達到 183mm 和 136mm，此梅雨季雨場累積雨量達 685mm，整個 5 月累積雨量達 734.5mm，6 月下旬亦有二日降雨，其日雨量為 20mm 及 40mm。 圖 4.2 為將臺 20 線公路試驗邊坡的地下水位監測結果列入，其乃是從 2014 年 11 月 19 日開始記錄，而初始監測地下水位高程為 262.75m，11 月至 2015 年的 4 月為乾季， 期間幾乎降雨量為零，僅有零星降雨，地下水位最低降至 262.06m。2015 年 5 月起此地 區開始進入梅雨季，5 月上旬有短暫陣雨，直到 2015 年 5 月 21 日至 25 日期間梅雨季雨 場到來，最高降雨量降於 5 月 24 日，當日達 183mm，地下水位高程也急遽上升至高程 264.89m，此次梅雨季過後地下水位又向下降低。

圖 4.2 臺 20 線邊坡地下水位觀測與雨量記錄 2.傾斜管觀測及邊坡變動情形 傾斜觀測管的觀測目的，是為了瞭解研究區域內邊坡的滑動方向及深度，以提供後 續模擬分析之參考。本研究在阿里山公路(臺 18 線)86k+920m 與臺 20 線 52k+150m 兩處 的邊坡分別在 BH-A、BH-B 和 BH-1 設置傾斜觀測管進行監測作業。 (1)阿里山公路(臺 18 線)試驗邊坡的變動情形 本研究場址的傾斜觀測管設置完成後即以傾斜儀量測第一次，經過數次量測，確定 孔位穩定後即把該次量測數據當做初始值，本研究初始值定為 2014 年 3 月 12 日所量測 之值，監測期從 2014 年 3 月 12 日至 2015 年 6 月 9 日。 由圖 4.3 可看出孔位 BH-A 之 A 方向是朝負方向傾斜，由此來判斷可能 30m 的傾斜 觀測管尚未穿過主要的滑動面，亦即更大的潛在滑動面在地表 30m 之下，所以造成孔位 BH-A 有向邊坡滑動方向之相反方向傾倒的情況，其 B 軸則是朝正方向傾斜，整體看來 有明顯開始變位的位置在地表下 16.5m。 而孔位 BH-B 的監測結果，則顯示孔位的位移沒有明顯的變化，依判斷可能為鑽孔 完工時砂漿回填不夠確實或者 BH-B 孔位深度未穿過滑動面，仍在滑動塊中。

圖 4.3 臺 18 線試驗邊坡 BH-A 傾斜管觀測 記錄 (a)A 方向(b)B 方向 圖 4.4 臺 20 線試驗邊坡 BH-1 傾斜管觀測 記錄 (a)A 方向(b)B 方向 (2)臺 20 線試驗邊坡的變動情形 圖 4.4 為本研究場址之 BH-1 傾斜管之觀測記錄，從 2014 年 11 月 12 日開始至 2015 年 7 月 1 日，長達近 8 個月的時間。從 2014 年年末的 3 次監測資料來看，可初步從累 積位移圖看到孔位 BH-1 之 A 方向在地表下 4m 有轉折處，並且朝邊坡滑動方向的反方 向傾斜，2015 年 1 月的監測資料已經可判斷精確的位置在地表下 7m 處，2 月開始有逐 漸朝向正方向變位，而 B 軸則逐漸朝正方向變位，監測記錄顯示即使乾季情況仍有緩慢 的位移，本場址從 2014 年 11 月過後至 2015 年的 5 月中幾乎零降雨量，期間偶有零星 山區地形雨，只要有降雨，孔位的位移量都比乾季來的多。在 2015 年 5 月 21 日至 31 日適逢梅雨期和引進外圍環流帶來大量雨水，使得 A 方向地表位移由負到正，B 方向地 表位移由正到負，推測在地表下 7m 有一滑動面存在。 五. 降雨量－地下水位與降雨量－邊坡滑動之關係 (1)累積降雨量與地下水位變動量之關係 本研究為探討降雨量與地下水位變動之關係，同時亦省視不同地層構造對降雨量與 地下水位變動關係的影響，乃以臺 18 線之阿里山雨量站與臺 20 線之甲仙雨量站之降雨 記錄與 2 處公路邊坡之地下水位變動量為基礎尋找二者之關係。 本研究以兩處邊坡到 2016 年 1 月底之每一場降雨之降雨量與地下水位高程之資料 (表 5.1、表 5.2)整理出每一場降雨的累積降雨量與其所引發的地下水位變動量的關係， 分別列於圖 5.1 及圖 5.2。此處所稱累積降雨量乃是由降雨開始到地下水位變動量達到最 大時之累積降雨量。由圖 5.1 可知要引發臺 18 線 86k+920m 處之崩積層邊坡的地下水位 產生上升變化的最小累積降雨量約為 109.67mm，超過此最小累積降雨量後，地下水位 才會以 Y＝0.0129X－1.4147 之關係上升，其中 Y 為地下水位變化量，單位為 m；X 為 累積降雨量，單位為 mm。同樣由圖 5.2，在臺 20 線 52k+150m 處之砂頁岩互層邊坡，

須在累積降雨量約為 36mm 以上，地下水位才會上升，地下水位上升時是以 Y＝0.0040X －0.1443 之關係來上升，其中 Y 亦是地下水位變化量(m)，X 為累積降雨量(mm)。 由圖 5.1、圖 5.2 比較可知臺 18 線崩積層邊坡由於透水性較佳，所以要使其地下水 位上升須較大的初始累積降雨量；當地下水位上升後單位累積降雨量引致地下水位的變 動量也是以臺 18 線的崩積層邊坡較大。 表 5.1 臺 18 線試驗邊坡之每一場降雨的累積降雨量與其所引發的地下水位變動量 編 號 日期 地下水位最高時 地下水位變化 (m) 降雨延時 (day) 累積雨量 (mm) 1 2014/3/11 3 41.40 0.01 2 2014/3/27 2 34.80 0.09 3 2014/4/7 2 30.73 0.14 4 2014/4/29 23 599.95 5.77 5 2014/6/3 5 269.49 1.48 6 2014/6/11 4 115.32 0.12 7 2014/6/22 5 21.34 0.00 8 2014/6/28 4 15.49 0.00 9 2014/7/3 2 17.78 0.00 10 2014/7/14 6 27.43 0.00 11 2014/7/21 4 445.26 6.01 12 2014/7/28 2 31.50 0.00 13 2014/8/4 11 265.00 0.81 14 2014/8/18 3 27.70 0.00 15 2014/8/22 10 153.50 0.77 16 2014/9/12 3 61.60 0.00 17 2014/9/20 7 94.30 0.26 18 2014/12/1 5 79.60 0.00 19 2014/12/25 4 53.20 0.00 20 2015/4/11 3 47.80 0.00 21 2015/5/1 6 112.60 0.09 22 2015/5/20 6 645.50 7.76 23 2015/7/10 11 256.10 5.78 24 2015/7/25 7 150.60 0.27 25 2015/8/7 2 406.60 2.67 26 2015/8/12 5 173.30 0.03 27 2015/8/22 10 288.40 0.37 28 2015/9/28 2 496.00 5.65 29 2015/12/6 5 54.20 0.00

表 5.2 臺 20 線試驗邊坡之每一場降雨的累積降雨量與其所引發的地下水位變動量 編 號 日期 地下水位最高時 地下水位變化 (m) 降雨延時 (day) 累積雨量 (mm) 1 2015/2/21 1 20 0.00 2 2015/5/5 2 22.5 0.01 3 2015/5/21 7 587 2.22 4 2015/6/20 2 22 0.07 5 2015/7/5 2 45.5 0.02 6 2015/7/11 5 110.5 0.08 7 2015/7/18 3 143.5 2.40 8 2015/7/22 2 21 0.00 9 2015/7/26 4 55 0.75 10 2015/8/8 1 371.5 5.90 11 2015/8/12 9 58 0.00 12 2015/8/22 8 255.5 2.37 13 2015/9/11 2 27 0.00 14 2015/9/20 2 81 0.00 15 2015/9/30 2 34 0.15 16 2015/12/9 2 21.5 0.01 17 2016/1/2 2 81 0.01 圖 5.1 臺 18 線試驗邊坡之地下水位變動量與 累積降雨量回歸關係 圖 5.2 臺 20 線試驗邊坡之地下水位變動量與 累積降雨量回歸關係 (2)降雨量與邊坡滑動量的關係 本研究為瞭解降雨對邊坡滑動量的影響，乃將臺 18 線 86k+920m 及臺 20 線 52k+150m 處邊坡上所設置之傾斜觀測管在地下不同深度處之歷時變動速率與降雨量之 關係分別繪出，得圖 5.3、圖 5.4。

地表下不同深度處的變動速率，乃是將每次監測的相對位移值再換算成每月之變動 量。在 BH-A 孔取地表下 1m 是為減少人為誤差，16.5m 為推測滑動面，27m 為變位開 始變化處。在圖中顯示每當連續降雨時，兩觀測點間之斜率變大，而正負斜率則表示位 移方向改變，同時孔位之變動範圍落在日本地滑對策技術協會所訂邊坡穩定性判斷標準 中之第三級準確定變動(月變動量 2.0mm 以上)，證實了該試驗區崩積層長期以來確實有 潛變之趨勢(參考表 5.3)。 表 5.3 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) 變動類型 等級 日變位量 (mm) 月變位量 (mm) 一定方向的 累積傾向 活動性 判斷 滑動機制 一.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 二.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 三.準確定變動 0.1 以上 2.0 以上 略顯著 緩慢運動中 黏土滑動/回填土滑動 四.潛在變動 0.02 以上 0.5 以上 稍稍有 待繼續觀測 黏土滑動/崖錐滑動 同樣於圖 5.4，在臺 20 線 BH-1 孔位之地表下取 1m 處是為減少地表人為誤差，7m 為推測滑動面，20m 為變位開始變化處，圖中顯示在 2015 年 4 月前本研究區域屬乾季， 地層變動速率及兩觀測點間的斜率較為平緩，而 4 月及 5 月有連續降雨造成變動速率大 增，且變動速率超過 2mm/month，根據表 5.3 日本地滑對策技術協會建議表，此邊坡亦 屬第三級準確定變動，可持續做變動監測。 圖 5.3 臺 18 線試驗邊坡孔位 BH-A 降雨量與 傾斜管變動速率歷時圖 圖 5.4 臺 20 線試驗邊坡孔位 BH-1 降雨量與 傾斜管變動速率歷時圖 六. 邊坡穩定分析 雖然本研究所選擇的臺 18 線及臺 20 線試驗邊坡在研究期間未有嚴重滑動或崩壞， 但當遭遇到極端豪暴雨引發地下水位極度上升時，本研究之試驗邊坡將產生何種變動， 亦值得研究。 本研究乃使用市販軟體 Geostudio 以及參考陳弘倫[5]所求得臺 18 線邊坡崩積層材料 參數γ、C、φ 值，以及本研究所求得臺 20 線邊坡地層之 γ、C、φ 值(如表 6.1)，進行二 處試驗邊坡的穩定分析。 變動速率 (mm/mo nth) 變動速率 (mm/mo nth)

表 6.1 試驗邊坡地層之材料參數 C(kpa) φ(°) γ(kN/m3) 臺 18 線 邊坡[5] 崩積層上層 19.97 26.18 13.93 崩積層下層 12.00 31.90 17.61 臺 20 線 邊坡 崩積層 50.1 14.41 19.71 破碎帶 81.74 17.42 21.6 砂頁岩層 340 28.41 25.11 針對臺 18 線試驗邊坡在觀測期間內之地下水位在低水位以及高水位時，其臨界滑 動面的位置如圖 6.1 及圖 6.2 所示，安全係數分別為 1.253 及 1.008。惟若在極端豪暴雨 時，如莫拉克颱風在高雄甲仙所降之日雨量記錄(如表 6.2)而觀，在累積降雨量達到 1,487mm 時，依圖 5.1 推估，地下水位已達地表，此時臺 18 線之邊坡將如圖 6.3 所示， 可能發生滑動面深度在地表下 33m 的大規模深層滑動。同樣，臺 20 線試驗邊坡在 2014 年 11 月～2015 年 6 月間之低水位在高程 262m，高水位在高程 265m，在此條件下邊坡 之安全係數分別為 1.252 及 1.24，皆屬安全。 表 6.2 莫拉克颱風時甲仙雨量站之降雨記錄 日期 日降雨量(mm) 累積降雨量(mm) 2009/8/6 28 28 2009/8/7 404 432 2009/8/8 1055 1487 2009/8/9 377.5 1864.5 2009/8/10 203.0 2067.5 若以莫拉克颱風在甲仙所降的最大累積降雨量 2,067.5mm 降於臺 20 線試驗邊坡， 依圖 5.2 其將引發地下水位變動量為 8.126m，邊坡之安全係數將降為 1.19，尚屬安全。 惟若有集中豪暴雨降下更大的累積雨量而使此邊坡的地下水位上升 25m(即在 BH-1 孔中 高程 287m)時，則其安全係數將降至 0.995，處於臨界崩壞狀態，如圖 6.4 所示。 圖 6.1 臺 18 線試驗邊坡低水位時，FS=1.253 圖 6.2 臺 18 線試驗邊坡高水位時，FS=1.008

圖 6.3 臺 18 線 86K+950 邊坡地下水位在地表時，可能引發之深層崩壞 圖 6.4 臺 20 線試驗邊坡地下水位提升 25m 時可能產生之大規模崩塌，FS=0.995 七. 結論 以臺 18 線阿里山公路 86k+920m 處崩積層邊坡及臺 20 線 52k+150m 處砂頁岩互層 邊坡為研究對象，進行二處邊坡的降雨量、地下水位、地層變動觀測以及分析邊坡穩定， 進而探討各觀測參數間的相互關係，得到以下之結論： 1. 根據阿里山雨量站的記錄，自 2014 年 1 月 1 日到 2016 年 1 月底將近 2 年 1 個月 的觀測期間，日降雨量超過 100mm 只有 6 天，其中兩天是超過 250mm，一是麥 德姆颱風來襲的 2014 年 7 月 23 日降下 398mm，另一是 2015 年 5 月 24 日梅雨季 的 290mm，顯示出強降雨日數減少以及降雨強度增加的現象。 2. 由臺 18 線崩積層邊坡與臺 20 線砂頁岩互層邊坡之降雨－地下水位變動量的關係 可知不同地質的邊坡受降雨引發地下水位變動的特性亦大不同。崩積層邊坡因透 水性較佳，在降雨時要引發邊坡內部地下水位上升時須要有較大的累積降雨量門 230 420 330 410

檻值，臺 18 線試驗邊坡之門檻值為 109.67mm，而臺 20 線砂頁岩試驗邊坡之門 檻值為 36mm，同時單位累積降雨量引致地下水位的上升量亦是以臺 18 線崩積層 邊坡較大。 3. 在觀測期間內臺 18 線崩積層邊坡之地下水位在最低及最高時，由邊坡穩定分析 結果而觀，其所對應的安全係數分別為 1.253 及 1.008，顯示此邊坡在觀測期間內 因降雨所引發之最高地下水位曾使此邊坡接近臨界崩壞的狀態。因此推斷，以後 若此邊坡受到更大的降雨使得地下水位達到地表時，其將產生破壞，由邊坡穩定 分析可知此邊坡將形成深度約 33m 的大規模深層崩壞。 4. 臺 20 線砂頁岩互層邊坡在觀測期間內，其地下水位最高與最低只差 3m，變動不 大，由邊坡穩定分析結果顯示，安全係數分別為 1.252 及 1.24，皆屬安全。然若 遇到連續豪大雨，使地下水位提升至較最低水位高出 25m 時，其安全係數將降為 0.995，可能亦會產生大規模之崩塌。 參考文獻 1. 摘自 http://www.cwb.gov.tw/。 2. 摘自公路總局第五區養護工程處網站，2015。 3. 青山工程顧問有限公司，「台 20 線 52k+150 路基保護工程委託地滑調查、測量 及設計服務工作建議書」，2014。 4. 國立成功大學公共工程中心，「阿里山公路 86k+920m 無框加勁工法邊坡監測成 果報告」，2014。 5. 陳弘倫，「無框架工法於阿里山公路邊坡整治之應用研究」，國立成功大學土木 工程學系碩士論文，2015。 6. 王金山，鍾明劍，冀樹勇，「降雨誘發崩塌地滑動之監測回饋分析與預警應用探 討」，中興工程季刊，第 110 期，第 27-40 頁，2011。 7. 吳秉晃，「集集地震後阿里山地區公路邊坡之崩壞行為與熱紅外線影像特性研 究」，國立成功大學土木工程學系碩士論文，2002。 8. 陳樹群，「土砂災害與深層崩塌機制探討」，行政院中央災害防救會報，2010。 9. 林德貴、林永欽、吳正義、游繁結，「降雨誘發坡地土砂災害之危險度評估模式」， 中華水土保持學報，第 43 卷，第 2 期，第 139-157 頁，2012。 10. 張勝堤、陳威翔、洪勝雄、林德貴，「九份地滑地在降雨條件下之穩定性評估」， 財團法人中華水土保持學會，2013。 11. 曾志豪，「降雨對阿里山公路邊坡破壞模式分析之影響研究」，國立成功大學 土木工程研究所碩士論文，2004。 12. 楊辰技術顧問有限公司，「台 20 線 52k+260 附近委託鑽探間測工作總結報告 書」，2011。 13. 鍾明劍、譚志豪、陳勉銘、蘇泰維，「以定率法評估邊坡山崩臨界雨量—以南

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