坡地社區減災營造與智慧防災系統 整合研發－

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

成果報告

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國108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

受 委 託 者 ： 明新科技大學 研究主持人：郭治平

共同主持人：鄧福宸 研 究 人 員 ： 沈哲緯

研 究 助 理 ： 林宛瑩、吳晉維

計 畫 期 程 ： 中華民國108年1月至108年12月

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國108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 )

i

目次

目次... i

圖次... v

表次... vii

摘要... ix

ABSTRACT ... xv

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

第二節、 相關研究近況與參考資料 ... 7

壹、 無線傳輸技術方面 ... 7

貳、 管理值訂定方面 ... 11

第三節、 工作項目與範圍 ... 12

第四節、 研究方法及進度說明 ... 13

第二章 文獻回顧與研究區域概述 ... 15

第一節、 人工邊坡致災原因回顧 ... 15

第二節、 人工邊坡監測器 ... 19

第三節、 無線傳輸系統技術 ... 22

壹、 低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Area Network, LPWAN) ... 23

貳、 LPWAN主要通訊技術分析 ... 25

參、 LPWAN主要通訊技術之比較 ... 30

肆、 本案採用NB-IoT之特色 ... 31

第四節、 研究區域概述 ... 32

壹、 氣象資料 ... 32

貳、 地質資料 ... 33

參、 現況照片 ... 35

第三章 邊坡監測器整合與傳輸系統 ... 37

第一節、 整合型監測器研發 ... 37

第二節、 整合型感測器電力來源 ... 43

壹、 太陽能發電系統 ... 43

ii

貳、 儲電系統 ... 43

第三節、 整合型監測器與通訊系統之測試安裝 ... 45

第四章 地錨揚起試驗與監測系統安裝 ... 47

第一節、 地錨揚起試驗 ... 47

壹、 地錨揚起試驗意義 ... 47

貳、 受測地錨選取 ... 47

參、 地錨揚起試驗 ... 50

肆、 地錨內視鏡檢測與既存荷重檢測成果 ... 53

伍、 地錨防鏽處理 ... 58

陸、 地錨荷重計安裝 ... 59

第二節、 本次地錨試驗綜合評述 ... 61

第五章 邊坡監測系統運作情形 ... 63

第一節、 現場安裝完畢狀況 ... 63

第二節、 整合監測感應器部分 ... 67

第三節、 通訊部分 ... 68

第六章 防災資訊平台展示 ... 73

第一節、 平臺系統需求分析 ... 73

第二節、 平臺系統架構與核心技術 ... 73

第三節、 平臺開發成果與展示 ... 77

第七章 本監測技術之推廣情況 ... 83

第一節、 建置成本 ... 83

第二節、 邊坡社區監測服務可能之執行模式 ... 84

第三節、 本年度示範社區之安裝意願 ... 85

壹、 擋土牆設施維護 ... 85

貳、 邊坡安全相關監測作業 ... 85

第八章 本年度研究案各項會議歷程 ... 87

第一節、 工作會議 ... 87

第二節、 專家會議 ... 88

第三節、 專業訪談 ... 88

第四節、 推廣說明會記錄 ... 89

第九章 初步制定安全管理值方法研究 ... 91

第一節、 示範案例 ... 91

第二節、 數值模擬 ... 91

iii

壹、 分析目的 ... 91

貳、 數值模擬方法與作法 ... 91

參、 輸入參數及邊界條件 ... 91

肆、 分析設計 ... 92

第三節、 數值驗證結果 ... 93

第十章 結論與建議 ... 97

第一節、 結論 ... 97

第二節、 建議 ... 98

參考文獻 ... 100

附錄一 專家會議記錄 ... 101

附錄二 工作會議記錄 ... 107

附錄三 推廣說明會會議記錄 ... 121

附錄四 審查意見與回覆 ... 125

附錄五 前期(107年度)計畫摘要 ... 133

附錄六 感測器與通訊器材相關文件 ... 137

iv

v

圖次

圖1-1 國道三號3.1K順向坡滑動空拍照片(內政部空勤總隊拍攝 2010) ... 4

圖1-2 林肯大郡倘土牆破壞照片(廖洪鈞提供) ... 4

圖1-3 林肯大郡之預力地錨鋼腱射出與錨頭脫落照片(廖洪鈞提供) ... 4

圖1-4 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) ... 8

圖1-5 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行LoRa傳輸試驗狀況(水保局 2018) ... 9

圖1-6 台北市文山區某測試點相對位置關係與紀錄(建研所 2018) ... 10

圖1-7 103/07/25~103/09/09 BH-5孔口變位與變位速率(水保局 2014) ... 12

圖1-8 計畫預定執行流程圖 ... 13

圖2-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌 ... 17

圖2-2 達觀鎮社區雨量圖 ... 17

圖2-3 本研究預計採用之雨量監測系統示意圖 ... 20

圖2-4 本研究預計採用之自動化連續記讀水壓觀測記模組 ... 20

圖2-5 本研究採用之地錨荷重計 ... 21

圖2-6 LPWAN廣域物聯網服務之願景模擬 ... 22

圖2-7 訊號傳輸示意圖 ... 23

圖2-8 新店區示範社區 ... 23

圖2-9 LPWAN廣域物聯網路之優勢及IoT頻譜分析 ... 24

圖2-10 LPWAN具長距離低耗能之傳輸特性 ... 24

圖2-11 LoRaWAN 基地台規格特色 ... 26

圖2-12 Sigfox服務架構... 27

圖2-13 Weightless的特色 ... 29

圖2-14 LPWAN通訊技術支援服務比較 ... 30

圖2-15 研究區域附近歷年雨量資料(水利署01A410測站) ... 32

圖2-16 研究區域位置圖(底圖取自1/25000經建版地形圖4版) ... 34

圖2-17 研究區域地質分布圖(底圖取自中央地調所) ... 34

圖2-18 研究區域現況照片(108/03/21) ... 35

圖3-1 雙軸傾斜儀 ... 37

圖3-2 振弦式裂縫計 ... 38

圖3-3 土壤水分計 ... 39

圖3-4 水壓計 ... 39

圖3-5 自計式雨量筒 ... 40

圖3-6 地錨荷重計 ... 40

圖3-7 整合感測器外箱之尺寸 ... 41

圖3-8 整合感測器外箱施作 ... 41

圖3-9 整合感測器於現場安置完畢示意圖與透視圖 ... 42

圖3-10 整合感測器透過NB-Iot測試 ... 42

圖3-11太陽光電發電案例 ... 43

vi

圖3-12 本實驗之訊號轉換系統與通訊系統整合組裝 ... 45

圖3-13 監測系統運作流程圖 ... 46

圖3-14 監測測試成果範例 ... 46

圖4-1 受測地錨挑選 ... 49

圖4-2 選出之受測地錨頭情況 ... 50

圖4-3 地錨揚起試驗裝置與照片示意圖 (方仲欣等人 2014) ... 51

圖4-4 本研究預計採用之預力地錨施拉和荷重量測構造(廖洪鈞等人 2017) ... 52

圖4-5 地錨防鏽處理過程 ... 58

圖4-6 地錨完成防鏽後加蓋 ... 59

圖4-7 地錨荷重計安裝 ... 60

圖5-1 示範社區平面圖與相關擋土及監測設施(改自監測公司) ... 63

圖5-2 示範社區部份邊坡監測結果(摘錄自監測公司) ... 64

圖5-3 現場監測設備裝設完畢後照片 ... 65

圖5-4 現場監測儀器裝設完畢後照片 ... 66

圖5-5 感測器作動紀錄 ... 68

圖5-6 本研究使用之NB-IOT模組 ... 69

圖5-7 本研究採用NB-IoT之某段時間傳輸紀錄... 71

圖6-1 本研究之智慧監控系統前後端開發架構圖 ... 74

圖6-2 Bootstrap分段點響應效果示意圖 ... 75

圖6-3 響應式效果案例說明 ... 75

圖6-4 Web-GIS各種地圖視覺化方式 ... 76

圖6-5 turf.js IDW空間內插-以全台雨量測站為例 ... 76

圖6-6 示範社區人工邊坡智慧監控系統首頁 ... 79

圖6-7 專案介紹功能 ... 79

圖6-8 監測示警功能-子彈圖 ... 79

圖6-9 監測示警功能-時序列折線圖 ... 80

圖6-10 Web-GIS地圖功能-可互動式地圖... 80

圖6-11 Web-GIS地圖功能-邊坡裝設照片... 80

圖6-12 Web-GIS地圖功能-動態查詢... 81

圖6-13 即時防災看板 ... 81

圖6-14 本系統RWD效果呈現 ... 81

圖9-1 GEO-SLOPE分析數值模型圖 ... 91

圖9-2 Anchor設置模型圖 ... 92

圖9-3 Surcharge設置模型圖 ... 93

圖9-4 pore-Water Pressure設置模型圖 ... 93

圖9-5 數值分析結果(Anchor 36t) ... 94

圖9-6 數值分析結果(Anchor 30t) ... 94

圖9-7 數值分析結果(Anchor 25t) ... 95

圖9-8 數值分析結果(Anchor 20t) ... 95

vii

表次

表1-1 全臺重大順向坡滑動致災歷史事件簿(紀宗吉 2010) ... 3

表1-2 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) ... 8

表1-3 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行LoRa傳輸試驗成果(水保局 2018) ... 9

表1-4 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) ... 11

表1-5 高雄寶山聚落(坡地社區)建議之安全監測管理值(水保局 2014) ... 12

表2-1 LPWAN主要技術比較表 ... 30

表4-1 地錨檢測評估分級建議表 ... 48

表4-2 揚起試驗成果闡釋須注意事項(方仲欣等人 2014) ... 51

表4-3 地錨既存荷重及健全度之概略判斷標準(譯自日本独立行政法人土 木研究所等，2008) ... 52

表4-4 G1地錨檢測成果 ... 54

表4-5 G2地錨檢測成果 ... 55

表4-6 G3地錨檢測成果 ... 56

表4-7 G4地錨檢測成果 ... 57

表5-1 本次研究採用國內某知名電信之現行NB-IoT資費方案... 70

表7-1 常見自然邊坡監測儀器裝設費用 ... 83

表8-1 工作會議歷程 ... 87

表8-2 專家會議歷程 ... 88

表8-2 專家會議歷程 ... 88

表8-4 推廣說明會歷程 ... 89

表8-5 第二場推廣說明會節目與議題 ... 89

表9-1 材料參數 ... 91

表9-2 GEO-SLOPE分析設計 ... 92

表9-3 GEO-SLOPE分析設計結果 ... 94

viii

ix

摘要

關鍵字：坡地社區、邊坡安全監測、地錨擋土牆、揚起試驗、物聯網、

雲端大數據

壹、 研究緣起

台 灣 由 於 地 狹 人 稠，都 會 區 提 供 居 住 用 地 有 限，因 此 山 坡 地 社 區 比 例 極 高。然 而 由 於 地 質 條 件 不 良 且 面 臨 日 益 頻 仍 之 極 端 降 雨，坡 地 社 區 中 的 邊 坡 監 測 自 動 化 為 提 供 在 地 化 預 警 的 重 要 方 法 之 一。由 於 預 警 所 需 的 管 理 值 建 立 需 要 長 期 的 觀 測 以 取 得 相 關 數 據，因 此 監 測 儀 器 的 耐 久 性 與 穩 定 性 相 當 重 要。社 區 中 除 了 自 然 邊 坡 外，人 工 擋 土 設 施 中 ，地 錨 是 常 見 提 供 穩 固 的 方 法，其 工 作 荷 重 的 變 化 相 當 重 要，但 相 關 之 監 測 並 不 常 見 於 坡 地 社 區。建 研 所 近 年 以 坡 地 社 區 智 慧 防 災 系 統 研 發 為 中 心 ， 已 陸 續 完 成 自 然 邊 坡 與 整 合 型 一 般 人 工 邊 坡 智 能 感 測 器，本 年 度 計 畫 除 再 加 入 預 力 地 錨 監 測 功 能 外，亦 宜 針 對 選 定 之 坡 面 進 行 數 值 分 析，以 了 解 監 測 邊 坡 可 能 之 破 壞 機 制，並 進 一 步 提 出 可 能 之 哀 全 監 測 管 理 值 ， 以 供 未 來 本 系 統 推 動 與 應 用 之 參 考 。

貳、 方法與過程

基 於 前 期 計 畫「 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 」成 果，已 研 發 人 工 邊 坡 之 智 能 感 測 器，

本 年 度 除 致 力 改 善 人 工 邊 坡 智 能 感 測 器 之 耐 候 性 外，為 降 低 通 訊 成 本 與 提 高 穩 定 性，改 採 用 較 為 通 用 之 NB-IOT進 行 訊 號 傳 輸，另 外 針 對 常 見 之 既 有 地 錨 邊 坡 進 行 檢 測 與 維 護 外，並 挑 選 其 中 具 代 表 性 之 地 錨 進 行 揚 起 試 驗 與 荷 重 監 測，並 提 出 制 定 安 全 管 理 值 之 方 法。最 後 透 過 上 述 成 果 ， 作 為 推 廣 說 明 會 之 題 材 ， 以 供 社 區 居 民 、 產 業 界 、 公 部 門 與 學 界 交 流 討 論 之 題 材 ， 進 一 步 促 成 商 轉 目 的 。

本 (108)年 度 研 究 計 畫 具 體 目 標 如 下 ：

一 、 強 化 與 擴 充 前 期 開 發 之 智 能 感 測 器：以 建 研 所 已 研 發 之 適 合

x

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。另 一 特 色 為 感 測 紀 錄 模 組 可 持 續 擴 充，因 此 今 年 度 預 期 可 順 利 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 、 地 錨 擋 土 牆 檢 測、監 測 與 防 蝕：於 坡 地 社 區 邊 坡 選 擇 一 既 有 地 錨 擋 土 牆，透 過 地 錨 設 計 資 料 與 揚 起 試 驗 了 解 其 設 計 荷 重 與 殘 餘 荷 重。經 敲 開 錨 頭 進 行 目 視 或 揚 起 試 驗 之 地 錨，使 用 目 前 業 界 最 新 穎 之 除 鏽 防 蝕 工 法 進 行 自 由 段 錨 腱 與 錨 頭 之 保 護。選 定 一 支 具 有 代 表 性 之 地 錨 以 揚 起 試 驗 取 得 既 存 工 作 荷 重 資 料 後，裝 設 地 錨 荷 重 計，進 行 地 錨 荷 重 變 化 量 監 測。

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、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 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 較 長 的 電 池 續 航 時 間，以 及 可 長 期 在 無 人 看 管 的 情 況 下 運 行。對 未 來 進 行 防 災 業 務 而 言 相 當 重 要，特 別

xi

是 人 力 無 法 時 常 到 達 之 處 。 本 研 究 將 探 討 目 前 最 常 用 之 LoRa 與 NB-IoT 技 術 在 本 示 範 場 址 應 用 之 可 行 性 與 可 能 遭 遇 之 困 難 。

四 、 於 既 有 監 測 井 設 置 自 動 化 水 位 或 水 壓 監 測 系 統 並 建 置 一 自 動 化 雨 量 監 測 系 統：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。影 響 地 下 水 位 或 水 壓 變 化 最 大 的 來 源 之 一 即 為 降 雨，而 現 行 常 用 之 防 災 預 警 管 理 值 為 累 積 降 雨 量。因 此 結 合 雨 量 與 水 壓 的 監 測 ， 為 重 點 監 測 項 目 。

五 、 整 合 監 測 數 據 至 建 研 所 防 災 資 訊 平 台：本 監 測 系 統 為 整 合 場 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 社 區 民 眾 能 直 觀 地 掌 握 邊 坡 各 監 測 狀 況 。

六 、 辦 理 社 區 說 明 會，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、 強化與擴充前期開發之智能感測器

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，可 穩 定 執 行 監 測 工 作，且 不 至 於 過 度 顯 眼。本 年 度 示 範 社 區 雖 然 已 經 有 工 程 治 理 且 自 辦 委 託 人 工 定 期 巡 檢，但 是 頻 率 為 半 年 一 次，對 於 事 件 掌 握 相 當 有 限，更 無 法 提 供 即 時 預 警 功 能。特 別 是 颱 風 豪 雨 事 件 發 生 時 之 監 測 數 據 取 得 相 當 有 限，透 過 本 研 究 研 發 之 強 化 整 合 型 感 測 器 即 可 解 決 此 問 題。本 案 採 用 之 感 測 器 為 市 售 成 熟 之 產 品，皆 可 符 合 監 測 需 求 順 利 作 動，然 而 由

xii

於 試 驗 期 間 未 發 生 重 大 颱 風 豪 雨 事 件，精 度 與 耐 候 性 仍 需 後 續 監 測 成 果 方 能 評 估 。

二、 低功耗傳輸系統建置方面

本 案 為 改 良 過 去 採 用 之 Weightness傳 輸 方 式 ， 本 年 度 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 。

三、地錨擋土牆檢測與監測方面

地 錨 擋 土 牆 的 地 錨 品 質 與 既 存 荷 重 檢 測 在 國 內 發 生 林 肯 大 郡 、 國 道 3號 滑 坡 事 件 後 ， 在 公 路 邊 坡 施 作 相 當 密 集 ， 然 而 在 坡 地 社 區 施 作 之 案 例 卻 相 當 少。探 究 其 原 因 不 外 乎 社 區 居 民 對 於 身 家 所 在 周 遭 之 地 錨 類 擋 土 設 施 並 不 熟 悉，或 因 不 知 聯 繫 專 業 檢 測 人 員 之 管 道，或 自 主 出 資 檢 測 費 用 意 願 低 落 等，導 致 地 錨 品 質 持 續 劣 化 卻 未 被 發 現 而 失 去 除 鏽 防 蝕 保 護 的 時 機 ， 縱 使 後 期 發 現 ， 可 能 剩 餘 之 功 能 或 既 存 荷 重 已 相 當 低 落。因 此 大 量 推 廣 費 用 與 品 質 能 兼 顧 之 地 錨 擋 土 牆 檢 測 與 監 測 方 法，為 本 研 究 案 重 要 成 果 之 一 。 以 本 年 度 示 範 試 區 而 言 ， 已 願 意 出 資 進 行 相 關 作 業 。 四、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 示 範 社 區 的 整 合 型 感 測 器，同 時 亦 建 立 與 本 場 域 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 本 所 105 年 「 山 坡 地 社 區 建 築 管 理 履 歷 資 料 庫 平 台 」 ， 以 利 應 用 。

xiii

五、山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會方面

本 計 畫 於 民 國 108 年 09 月 01 日 與 108 年 10 月 08 日 於 位 於 新 北 市 新 店 區 之 示 範 社 區 辦 山 坡 地 社 區 智 慧 防 災 系 統 應 用 推 廣 說 明 會。除 了 向 山 坡 地 社 區 居 民 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，並 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 居 民 、 里 長 、 里 民 、 業 界 代 表 與 專 家 學 者 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

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

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。然 而 因 為 尚 未 遭 遇 足 夠 規 模 之 天 災 事 件 以 驗 證 各 種 監 測 器 之 管 理 值，且 可 能 因 類 似 試 驗 造 成 社 區 居 民 之 疑 慮，因 此 建 議 未 來 相 關 參 數 取 得 與 管 理 值 驗 證 試 驗，可 考 慮 選 擇 於 無 保 全 對 象 之 擋 土 設 施 或 空 地 以 模 型 試 驗 進 行 。

建議二

地 錨 擋 土 牆 巡 檢 、 維 護 與 宣 導 裝 設 監 測 系 統 ： 短 期 建 議 主 辦 機 關 ： 各 地 方 政 府 主 管 單 位

協 辦 機 關 ： 內 政 部 建 築 研 究 所 、 內 政 部 營 建 署

坡 地 社 區 經 常 採 用 背 拉 式 地 錨 擋 土 牆 作 為 爭 取 用 地 之 方 式，

雖 然 目 前 新 建 坡 地 社 區 對 於 監 測 邊 坡 之 規 範，然 而 既 有 坡 地 社 區 之 擋 土 設 施 監 測 則 無；由 於 既 有 坡 地 社 區 中 傳 統 地 錨 之 服 務 現 況 (包 含 鏽 蝕 情 況 、 既 存 荷 重 )無 法 由 外 觀 或 居 民 自 主 巡 檢 得 知 ， 勢 必 得 透 過 專 業 技 術 團 隊 執 行 外 觀 檢 視、揚 起 試 驗、除 蝕 防 鏽、荷 重 監 測 等 工 作。目 前 各 地 方 政 府 主 管 單 位 已 在 執 行 年 度 例 行 性 之

xiv

相 關 社 區 邊 坡 巡 檢 作 業，因 此 建 議 各 地 方 政 府 主 管 單 位 協 助 宣 導 啟 發 社 區 居 民 自 主 尋 求 專 業 協 助 之 相 關 意 識 。

建議三

人 工 邊 坡 智 能 防 災 系 統 商 轉 應 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

邊 坡 社 區 之 擋 土 設 施 可 由 本 研 究 研 發 之 相 關 檢 監 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 進 行、或 防 災 避 難 之 參 考 依 據。然 而 這 些 研 發 成 果 仍 需 推 廣 與 商 轉 之 單 位。建 議 保 險 業 者 與 物 業 管 理 業 者 可 推 出 應 用 坡 地 社 區 整 合 性 監 測 之 相 關 商 品。設 計 該 產 品 所 需 要 之 大 量 坡 地 社 區 災 害 生 命 財 損 報 告，建 請 內 政 部 營 建 署 於 保 險 業 者 與 物 業 管 理 業 者 提 出 需 求 時 提 供 相 關 資 料 。

xv

ABSTRACT

Hillside residential communities in Taiwan are threaten ed by landslide disasters caused by extreme rainfall events, thus the forecasting and warning system based on automation monitoring system on slopes is crucial for the communities. To accumulate huge amount of monitoring data to establish the Slope Managemen t Forewarning Value, the durability and stability of monitoring devices is the key components . Most of slopes with artificial retaining structures are protected by anchors, however the working load of the anchors are rarely monitored.

This study aims to in tegrate a monitoring unit for pre -stressed anchors into the intelligent monitoring system for artificial slopes developed by ABRI. Numerical simulations on the selected slope will be conducted to investigate possible failure mechanism. A complete monitorin g package for landslide disaster forecasting and warning system is developed and used in promoting the automation monitoring services for hillside residential communities.

Keyword: Hillside residential communities, Integrated Safety Monitoring System, Re taining Wall with Pre -stressed Ground -anchors

xvi

1

第一章 緒論 第一節、研究緣起與背景

壹、研究緣起

台 灣 由 於 地 狹 人 稠，都 會 區 提 供 居 住 用 地 有 限，因 此 山 坡 地 社 區 比 例 極 高。然 而 由 於 地 質 條 件 不 良 且 面 臨 日 益 頻 仍 之 極 端 降 雨，坡 地 社 區 中 的 邊 坡 監 測 自 動 化 為 提 供 在 地 化 預 警 的 重 要 方 法 之 一。由 於 預 警 所 需 的 管 理 值 建 立 需 要 長 期 的 觀 測 以 取 得 相 關 數 據，因 此 監 測 儀 器 的 耐 久 性 與 穩 定 性 相 當 重 要。社 區 中 除 了 自 然 邊 坡 外，人 工 擋 土 設 施 中 ，地 錨 是 常 見 提 供 穩 固 的 方 法，其 工 作 荷 重 的 變 化 相 當 重 要，但 相 關 之 監 測 並 不 常 見 於 坡 地 社 區。建 研 所 近 年 以 坡 地 社 區 智 慧 防 災 系 統 研 發 為 中 心 ， 已 陸 續 完 成 自 然 邊 坡 與 整 合 型 一 般 人 工 邊 坡 智 能 感 測 器，本 年 度 計 畫 除 再 加 入 預 力 地 錨 監 測 功 能 外，亦 宜 針 對 選 定 之 坡 面 進 行 數 值 分 析，以 了 解 監 測 坡 面 可 能 之 破 壞 機 制，而 為 了 強 化 自 動 化 坡 地 社 區 邊 坡 監 測 系 統 之 完 整 性 與 針 對 傳 輸 穩 定 性 及 設 備 耐 候 性 進 行 研 究 ， 擬 將 進 行 下 列 之 研 究 項 目 ， 未 來 長 期 維 運 或 可 參 考 IOTA的 Tangle 概 念 建 立 以 租 代 買 的 區 塊 鍊 支 付 機 制，以 全 面 推 動 山 坡 地 社 區 監 測 。

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

2

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 。

由 於 台 灣 中 北 部 麓 山 帶 地 質 常 見 膠 結 不 良 軟 弱 砂 岩，膠 結 不 良 之 軟 岩 其 節 理 經 常 較 不 發 達 ， 而 此 等 岩 性 之 邊 坡 往 往 易 發 生 漸 進 破 壞 ， 不 少 邊 坡 破 壞 之 原 因 乃 根 源 於 軟 弱 岩 石 之 材 料 力 學 因 素。坡 地 破 壞 型 態 中 ， 順 向 坡 造 成 之 危 害 居 多 ， 如 表 1-1(紀 宗 吉 2010)所 整 理 ， 誘 發 因 素 若 分 為 先 天 不 良 (受 重 力 變 形 的 潛 移 作 用 、 地 下 水 分 佈 )與 後 天 失 調 (颱 風 、 豪 雨 、 地 震 等 )， 則 需 強 而 有 力 的 擋 土 設 施 ， 方 有 機 會 達 到 保 全 目 的。 在 坡 地 開 發 工 程， 為 取 得 用 地 與 安 全 ，地 錨 系 統 為 最 常 用 之 擋 土 設 施。然 而 因 為 維 護 不 良，且 未 施 作 安 全 監 測，導 致 憾 事 發 生，

如 下 列 兩 個 最 著 名 的 案 例 ：

案 例 一 ： 根 據 國 家 災 害 防 救 科 技 中 心 (2000)、 社 團 法 人 大 地 工 程 學 會 (2011)， 國 道 3號 崩 塌 災 害 發 生 位 置 於 基 隆 市 七 堵 區 瑪 東 里 國 道 3 號 南 下 3.1 公 里 處 路 段 山 坡 崩 落 ， 跨 越 國 道 三 號 之 地 方 大 埔 橋 ( 約 在 3K+250)亦 因 走 山 掉 落 至 高 速 公 路 主 線 ， 阻 斷 交 通 (圖 1-1)。 災 害 發 生 時 間 為 2010年 4月 25日 下 午 2點 30分 左 右，大 規 模 山 崩 導 致 分 左 右，大 規 模 山 崩 導 致 4人 死 亡 。 因 災 害 發 生 當 時 風 和 日 麗 ， 並 無 颱 風 豪 雨 及 地 震 等 崩 塌 致 災 因 素，研 判 是 為 高 速 公 路 工 程 開 挖 道 邊 坡 使 得 順 向 坡 趾 自 由 端 (daylight)露 出，加 上 區 域 內 岩 性 屬 於 塊 狀 砂 與 頁 互 層 容 易 在 層 間 產 生 弱 面，因 此 在 透 水 性 佳 的 砂 岩 地 下 分 滲，造 成 厚 頁 岩 頂 部 的 水 解 與 風 化 ， 最 終 造 成 弱 面 滑 動 破 壞 。

案 例 二 ： 林 肯 大 郡 是 一 座 位 於 新 北 市 汐 止 區 汐 萬 路 二 段 228巷 的 複 合 功 能 住 宅 社 區 ， 1997年 8月 18日 ， 溫 妮 颱 風 經 過 台 灣 北 部 ， 颱 風 所 帶 來 的 雨 量 破 壞 地 基，擋 土 牆 崩 落， 如 圖 1-2所 示，造 成 28人 死 亡，

一 百 多 人 房 屋 損 壞 、 全 毀 ， 無 家 可 歸 。 據 調 查 ， 當 地 的 地 質 屬 於 順 向 坡 ，在 下 邊 坡 不 當 開 挖 追 求 擴 充 基 地 面 積，造 成 自 由 端 出 露，大 幅 降 低 邊 坡 安 全 性。暴 雨 及 地 震 時 ，邊 坡 就 會 發 生 崩 坍，為 潛 移 造 成 的 災 害 ，以 致 毀 損 建 物 及 居 民 生 命 。 然 而 根 據 研 究 發 現，地 錨 錨 頭 鏽 蝕 嚴 重，導 致 夾 片 失 去 鎖 定 能 力 而 使 鋼 腱 內 縮 或 射 出，可 能 是 最 終 使 擋 土 牆 潰 敗 的 原 因 之 一，如 圖 1-3所 示。這 些 災 害 其 實 都 可 透 過 定 期 巡 檢 監 測 與 養 護 預 防 之 !!

3

表1-1 全臺重大順向坡滑動致災歷史事件簿(紀宗吉 2010)

地點 發 生 日

期 地層／岩性 滑 動 面

地 層 傾角

誘 發

因素 災情

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

4

圖1-1 國道三號3.1K順向坡滑動空拍照片(內政部空勤總隊拍攝 2010)

圖1-2 林肯大郡倘土牆破壞照片(廖洪鈞提供)

圖1-3 林肯大郡之預力地錨鋼腱射出與錨頭脫落照片(廖洪鈞提供)

5

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 」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 。

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

6

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. 篩 選 一 處 坡 地 社 區 地 錨 擋 土 牆 ， 設 置 1 只 地 錨 荷 重 計 、 1只 水 壓 計 與 1只 雨 量 計 進 行 自 動 化 連 續 監 測 。

2. 進 行 整 合 性 監 測 系 統 之 耐 候 性 、 傳 輸 穩 定 性 與 建 置 成 本 之 研 究

3. 建 置 低 成 本 自 主 供 電 系 統 。

4. 整 合 監 測 數 據 至 建 研 所 防 災 資 訊 平 台 。

5. 辦 理 社 區 說 明 會 ， 並 針 對 完 成 之 自 動 化 監 測 系 統 研 提 推 廣 應 用 機 制 與 途 逕 。

7

第二節、相關研究近況與參考資料 壹、無線傳輸技術方面

將 無 線 傳 感 器 運 用 於 工 程 相 關 資 訊 之 監 測 ， 已 是 國 際 趨 勢 ， 如 2017 年 第 17 屆 大 地 工 程 研 討 會 之 keynote 演 講 ， 美 國 加 州 大 學 柏 克 萊 分 校 之 Prof. Soga， 近 幾 年 便 致 力 於 將 無 線 傳 感 器 、 光 纖 等 科 技 應 用 於 公 共 工 程 ， 包 含 了 鐵 路 、 地 下 結 構 、 深 基 礎 等 ， 因 此 藉 由 此 些 自 動 化 無 線 傳 輸 監 測 系 統，進 行 山 坡 地 社 區 之 安 全 監 控，將 可 提 升 監 測 頻 率 、 穩 定 度 以 及 準 確 度 ， 增 加 防 災 示 警 系 統 的 即 時 性 與 有 效 性 。

在 物 聯 網 (Internet of Thing: IOT) 是 打 造 智 慧 防 災 城 市 的 策 略，將 無 線 傳 感 器 運 用 於 工 程 相 關 現 象 監 測，已 是 國 際 趨 勢，如 2017年 第 17 界 大 地 工 程 研 討 會 之 keynote 演 講 ， 美 國 加 州 大 學 柏 克 萊 分 校 之 Prof.

Soga， 近 幾 年 便 致 力 於 將 無 線 傳 感 器 、 光 纖 等 科 技 應 用 於 公 共 工 程 ， 包 含 了 鐵 路 、地 下 結 構、深 基 礎 等，因 此 藉 由 此 些 自 動 化 無 線 傳 輸 監 測 系 統，進 行 山 坡 地 社 區 之 安 全 監 控， 將 可 提 升 監 測 頻 率 、穩 定 度 以 及 準 確 度，增 加 防 災 示 警 系 統 的 即 時 性 與 有 效 性。而 本 研 究 團 隊 成 員，

亦 利 用 LoRa(Long-Range)與 Weightless系 統 分 別 進 行 試 驗，分 述 如 下。

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 1-4~1-5與 表 1-2~1-3所 示 。

8

圖1-4 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)

表1-2 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)

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



出水溪 365 不可 -95



R

T

T R

Ground

T

R

R

T

Ground

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)

9

圖1-5 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1-3 於宜蘭縣大同鄉四季聚落進行LoRa傳輸試驗成果(水保局 2018)

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 某 山 坡 地 社 區 中 的 兩 處 人 工 邊 坡 進 行 試 驗。圖 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 。

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%

10

圖1-6 台北市文山區某測試點相對位置關係與紀錄(建研所 2018)

11

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 。

貳、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 1-4所 示，為 當 下 最 常 使 用 之 管 理 值 建 議 表 )或 僅 用 經 驗 訂 定。表 1-5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 1-4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 1-7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 1-5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1-4 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 潛在變

動 0.02以上 0.5以上 稍有 待繼續 觀測

粘土滑動、崖錐 滑動

12

表1-5 高雄寶山聚落(坡地社區)建議之安全監測管理值(水保局 2014)

圖1-7 103/07/25~103/09/09 BH-5孔口變位與變位速率(水保局 2014) 第三節、工作項目與範圍

本 研 究 之 目 的 在 於 擴 充 與 強 化 過 去 之 整 合 型 監 測 器 ， 加 入 雨 量 計 、 水 位 計 與 地 錨 荷 重 計 ， 建 立 低 功 耗 、 低 成 本 、 高 穩 定 性 與 耐 候 性 之 整 合 型 監 測 器 ， 以 及 對 應 之 傳 輸 系 統 ， 提 供 即 時 、 穩 定 、 可 靠 之 監 測 資 料 傳 輸 系 統，擴 充 防 災 監 控 平 台， 運 用 於 示 範 山 坡 地 社 區，經 由 本 計 畫 之 系 統 蒐 集 示 範 山 坡 地 監 測 資 料，以 推 廣 山 坡 地 社 區 智 慧 型 防 災 系 統 。 本 研 究 工 作 項 目 如 下 ：

1. 篩 選 一 處 坡 地 社 區 地 錨 擋 土 牆，設 置 1只 地 錨 荷 重 計、1只 水 壓 計 與 1只 雨 量 計 進 行 自 動 化 連 續 監 測 。

2. 進 行 整 合 性 監 測 系 統 之 耐 候 性、傳 輸 穩 定 性 與 建 置 成 本 之 研 究 3. 建 置 低 成 本 自 主 供 電 系 統 。

4. 整 合 監 測 數 據 至 建 研 所 防 災 資 訊 平 台 。

5. 辦 理 社 區 說 明 會，並 針 對 完 成 之 自 動 化 監 測 系 統 研 提 推 廣 應 用 機 制 與 途 徑 。

13

第四節、研究方法及進度說明

本 研 究 工 作 之 執 行 步 驟 與 流 程 圖 如 圖 1-8所 示 。

圖1-8 計畫預定執行流程圖

可行性調查及 相關資料蒐集

邊坡監測作業

監測成果回餽分析作業

社區推廣說明會

歷史災害與工程紀錄 居民訪談 環境地質調查 施作環境調查

開工前說明會

地錨揚起試驗

降雨資料

RSSI、SNR、資料傳輸率、耗電性 地下水資料

建築中心資料

計畫開始

成果發表、結案 期初整備階段

期中階段

期末階段

成果階段

108.06.28 前提送期中報告

108.10.15 前提送期末報告

108.12.31 前完成所有交辦事項

成果驗收

108.12.06 前提送成果報告

邊坡監測儀器建置

低功耗無線傳輸穩定性試驗

地錨荷重資料 (前期)人工邊坡構造監測資料

防災資訊平台

14

15

第二章 文獻回顧與研究區域概述 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 ：

16

(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 達 觀 鎮 社 區 後 方 擋 土 牆 亦 發 生 破 壞，如 圖 2-1，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 2-2) 影 響 ， 雨 水 持 續 入 滲 至 背 填 土 區 ， 因 而 造 成 崩 塌 。

17

圖2-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌

圖2-2 達觀鎮社區雨量圖

0 50 100 150 200 250

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(mm)

Date

每日雨量 累計雨量

18

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 。

19

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 。

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 。

20

3. 水 分 計：本 計 畫 採 用 電 容 式 水 分 感 測 器，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 。

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 2-3為 預 定 裝 設 之 雨 量 筒 規 格、照 片。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2-3 本研究預計採用之雨量監測系統示意圖

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 。 本 計 畫 預 計 使 用 之 水 壓 計 將 俟 放 置 深 度 與 長 時 地 下 水 位 面 確 認 後 再 進 行 最 適 容 量 選 定 。 圖 2-4為 預 計 採 用 之 水 壓 計 、 模 組 與 可 能 之 規 格 。

圖2-4 本研究預計採用之自動化連續記讀水壓觀測記模組

地錨荷重計：地錨是一種經濟有效的錨固技術，廣泛應用於邊坡工程中，例如高 陡邊坡的補強加固、滑坡的治理等。地錨與岩土體的錨碇結合效果，受地層特性、

量測範圍 200 mm 系統精度 1.5mm @ 50 mm 感測器型式 傾倒式雨斗

取樣頻率 10 min 紀錄頻率 30min

輸出格式 JPEG

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)

21

組件材料、施工工藝及管理維護等因素影響；由於地錨為隱蔽工程，因此，於地 錨施工前或施工階段，須進行現場試驗(例如證明試驗、適用性試驗)，以取得設 計參數或驗證其效果是否能滿足設計需求；此外，於地錨服役後，為驗證設計的 妥適性及掌握工作地錨的服務性能，亦常需進行長期監測或檢測，量測項目一般 包括地錨荷重、位移、應力隨時間的變化、地層的潛變位移等；對於變異性大的 地層或軟弱岩土等，也可能需要更廣泛的監測與檢測計畫。地錨荷重計則擔任重 要的角色，如圖 2-5 所示，由於其長期處於受力狀態，其耐候性與穩定性更需注 意。

圖2-5 本研究採用之地錨荷重計

22

第三節、無線傳輸系統技術

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 2-6，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2-6 LPWAN廣域物聯網服務之願景模擬 (資 料 來 源 ： 本 團 隊 整 理 )

23

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- 7，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 輸 訊 號 便 可 能 受 到 障 礙 物 屏 蔽，而 造 成 訊 號 無 法 傳 輸。此 外 接 收 處 需 要 有 穩 定 電 源，而 監 測 器 皆 裝 設 於 人 工 邊 坡 上，兩 者 間 除 存 在 一 定 距 離 外，更 存 在 高 程 差 異。如 圖 2-8所 示 之 山 坡 地 社 區，便 顯 示 了 高 程 落 差 、建 物 屏 蔽、佈 點 位 置 受 限 之 困 難。 因 此 良 好 的 位 置 選 擇 及 傳 輸 技 術 的 優 劣 ， 遂 成 為 智 能 感 測 器 以 無 線 傳 輸 的 關 鍵 。

圖2-7 訊號傳輸示意圖

圖2-8 新店區示範社區 (資料來源：鏡傳媒)

壹、低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Area 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

接收站 監測器

24

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 2-9，

且 與 其 他 無 線 技 術 比 較 如 圖 2-10。

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2-9 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)

圖2-10 LPWAN具長距離低耗能之傳輸特性 (資料來源:正文科技)