水文因子導致邊坡崩塌之研究
吳明淏 國立高雄大學土木與環境工程學系助理教授 簡睿宏 國立高雄大學土木與環境工程學系碩士畢業生摘要
台灣地區年雨量豐沛，每逢颱風季節經常有豪雨發生，常使地下水位升高、 邊坡土體浸潤，因土壤含水量與土壤孔隙水壓增高而降低土體穩定度，導致每 遇颱風豪雨，坡地災害頻仍，造成人民生命安全的危害及經濟的損失。因此降雨 及地下水等水文因子對於邊坡穩定影響之研究實有必要。本研究利自主研發之高 性能水文環境試驗箱進行邊坡模型試驗，以探討地下水與降雨因子誘發邊坡崩 塌之行為，進而探討崩塌規模與水文效應之關係，以提供未來坡地災害預警之 用。 關鍵字: 邊坡穩定、崩塌、水文環境試驗箱、地下水、降雨一、前言
台灣位於歐亞板塊及菲律賓板塊造山帶，山坡地約佔全台總面積之四分之 三，且坡地災害頻仍。許多研究都指出降雨及地下水位變化與邊坡的破壞有密切 的關係(陳本康，1992; Gasmo 等，2000; Cho & Lee，2001)，加上台灣多地質破 碎帶，河川源短流急，又常有濫墾、濫伐等不當的坡地利用，而颱風、梅雨所帶 來的季節性雨量又集中，所以每逢暴雨就常引起沖蝕、崩塌、地滑、及土石流等 坡地災害。當一存在地下水位之邊坡遭遇強震作用時，位於地下水位底下的疏鬆 飽和砂土、沉泥質砂或礫石，因土體孔隙中的水壓力，由於來不及消散而累積， 當超額孔隙水壓力達到土壤之有效覆土應力時，土體抗剪強度將大幅降低甚至 失去抗剪強度，導致地盤的大量變形，嚴重影響邊坡的穩定。近年來台灣地區土 砂災害頻傳，各河川集水區年土砂產量增加，其中以93年艾莉颱風與94年馬莎 颱風豪雨洪水入流挾帶大量泥砂，導致石門水庫原水濁度過高，造成桃園地區 自來水供應停止達兩星期及一星期之久，重創民生及經濟產業，而造成集水區 上游之土砂來源主要可細分為：淺層崩塌、深層崩塌、落石、順向坡滑動、弧形滑 動、土石流及土石沖蝕現象等，而其中以包含淺層崩塌及深層崩塌之邊坡崩塌及 土砂沖蝕現象為土砂來源之大宗，如何暸解水文因素誘發邊坡崩塌之行為，進 而探討崩塌規模與水文效應之關係，從而建立有效的崩塌量預估模式，為本研 究中主要探討的課題。的崩塌及其穩定性與土壤中水分的流動有關係密切，但現有的邊坡穩定分析方 法大多不考慮含水量的變化對土體抗剪強度和邊坡穩定性的影響，不能完全符 合實際的情況，本研究建造一組多功能水文環境試驗砂箱並以邊坡模型試驗來 探討降雨及地下水入滲對於未飽和邊坡之穩定性的影響。
二、研究方法
1.水文環境試驗箱設計與建造
本研究團隊根據前人之研究經驗與未來相關模型試驗研究需求，自主研發 一可控制地下水位及降雨強度之水文環境模型試驗箱，並以該試驗箱進行後續 之邊坡模型實驗，該試驗箱及降雨系統如圖1所示。其降雨系統採高壓驅動之微 霧噴頭搭配外置式加壓系統以控制流量，微霧粒徑可低於50μm，避免試體沖 蝕現象發生。此試驗箱之功能完善，地下水的入滲可從土體後方滲入，以模擬側 向滲流力所造成之崩塌現象。同時另可藉由連通管之設計從土體下方入滲模擬地 下水自底盤湧升激發邊坡失穩之效應。此外，該試驗箱之製作前經過SAP2000軟 體進行應力及變形分析，並考量將來在200G離心機重力場的環境下之變形限制、 強度需求與邊界效應等因素。 圖1. 水文試驗箱與水霧降雨系統 試驗箱分為九部分：試驗箱主體U 型槽、背板、前方透明壓克力面板、前方 視窗護板、左側地下水位控制槽，側向入流槽與出流槽、底板向上滲流槽、上方 降雨系統與底部出流水儲水槽，而前方透明壓克力面板用以觀察及監控實驗過圖3. 地下水位驟升導致多階段之邊坡崩塌 行為
2. 地下水位變化導致崩塌之邊坡實驗
運用水文環境試驗箱進行地下水 位抬升誘發邊坡崩塌之1G試驗，以測 試水文環境試驗箱之地下水滲流模擬功 能。選用不同粒徑之石英砂，以不同邊 坡傾角進行不同水位之邊坡模型試驗。 試驗過程中，紀錄水位高度、土體含水 量變化、坡趾湧水時間及各階段崩塌時 間、崩塌高度及深度、崩塌曲面，並將 崩塌面曲線數值化，以計算崩塌量，完 成地下水位變化導致邊坡崩塌之測試與 定性分析。實驗發現邊坡土體內之水位 的抬升及滲流作用會造成邊坡之多階段 崩塌，且水位之高低明顯影響崩塌之深 度、高度及崩塌土方的體積，如圖 3所示。3. 降雨強度變化導致崩塌之邊坡實驗
運用水文環境試驗箱進行降雨誘發邊坡崩塌之1G 試驗，以測試水文環境 試驗箱之降雨強度模擬功能。選用不同粒徑之石英砂，以不同邊坡傾角及不同降 雨強度進行試驗。試驗過程中，紀錄水位高度、土體含水量變化、坡趾湧水時間 及各階段崩塌時間、崩塌高度及深度、崩塌曲面，並將崩塌面曲線座標化，計算 崩塌量，完成水文因子與邊坡崩塌之定性分析。三、結果與討論
1. 地下水位變化導致邊坡崩塌之定性分析
由地下水抬升模型試驗結果發現，邊坡破壞坡趾湧水時間隨著地下水位的 上升而縮短。地下水位抬升導致邊坡崩塌之破壞行為，坡頂不因坡趾崩塌而下滑 且無張力破壞發生，崩塌高度隨水力梯度增高而提高(圖 5)。由邊坡崩塌面比較 得知(圖 5)，在地下水抬升模型試驗中，粗砂(6V)因粒徑較大，水在土層中移 動速度快，到達邊坡坡趾位置所需時間較短，因此崩塌歷時較短(圖 4)，但因粒 徑大之砂土水力傳導係數較高，所造成邊坡土體的浸潤範圍較大，以致邊坡崩 塌深度較大(圖 5)。圖4. 地下水位與坡趾湧水及邊坡崩塌時間之關係 圖5. 地下水位與邊坡崩塌高度及深度之關係
2. 降雨強度變化導致邊坡崩塌之定性分析
在降雨模型試驗結果發現，隨著降雨強度提高，邊坡破壞時間縮短(圖 6)。 坡頂前緣則因坡面土體浸潤，土體自重增加，會隨坡趾失穩而下滑。粗砂(6V)邊 坡排水效果較佳，致使邊坡破壞所需降雨延時較長，但因粒徑大之砂土水力傳圖6. 降雨強度與坡趾湧水及邊坡崩塌時間之關係 圖7. 降雨強度與邊坡崩塌高度及深度之關係 邊坡地下水模型試驗與邊坡降雨模型試驗所得結果均顯示，邊坡破壞從坡 趾開始，由含水量分佈圖得知破壞時坡趾含水量已達土壤之飽和含水量，且崩 塌量與邊坡破壞時的土體含水量分佈有密切關係。邊坡坡度越陡崩塌次數越少， 而此現象在高地下水位或高降雨強度時越明顯。此外，在相同水文條件下，粒徑
大(6V)之邊坡崩塌量多過於粒徑小(9V)之邊坡崩塌量(圖 8 及圖 9)，且崩塌量與 降雨強度及地下水位可迴歸得一乘冪關係。 圖8. 地下水位與邊坡崩塌量之關係 圖9. 降雨強度與邊坡崩塌量之關係
四、結論
本研究藉由邊坡模型試驗結果以非飽和土壤強度理論及非飽和地下水傳輸 理論為基礎，以研究水文因子對邊坡穩定性影響，並針對邊坡崩塌規模(崩塌高 度、崩塌深度及崩塌量)及崩塌成因作定性之探討如下: (1). 由邊坡模型試驗中得知，隨著水力梯度或降雨強度上升，邊坡破壞時間縮 短。 (2). 由邊坡模型試驗結果得知，地下水位抬升導致邊坡崩塌之破壞行為，坡頂 不因坡趾崩塌而下滑，且無張力破壞發生，崩塌高度隨水力梯度增高及粒 徑加大而提高；在降雨試驗中，坡頂前緣則因坡面土體浸潤，土體自重增 加，坡體隨坡趾失穩而下滑。 (3). 由 2D 邊坡崩塌面比較得知，在降雨模型試驗中，粗砂(6V)排水效果較佳，的浸潤範圍較大，以致邊坡崩塌深度較大。
五、參考文獻
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