板岩邊坡之重力變形機制研究-以模型試驗及分離元素法探討

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(1)國立高雄大學土木與環境工程學系碩士論文. 板岩邊坡之重力變形機制研究-以模型試驗及分離元素法探討 Gravitational deformation mechanisms of slate slope revealed by model test and discrete element method. 研究生：吳政賢撰指導教授：翁孟嘉博士. 中華民國一○四年一月.

(2) 致謝論文接近完成之際，由心中湧現出濃濃的離愁，就要結束學生身分並離開學校。在完成本研究之論文的同時，也代表本人將要離開指導教授--翁孟嘉老師。在翁老師團隊中修練四年，從一開始完全不懂大地工程，慢慢的學習經驗、吸取此領域之專業知識。若沒有翁老師的教導，就沒有本篇論文的產生，在研究的過程當中難免遇到挫折，但是翁老師不僅是我在土木工程的指導老師，也是心靈上的輔導長。在學校，我以學生的角色接受指導；在閒餘之際，我與翁老師亦可以朋友的關係為互動。四年的研究歷程並非三言兩語可以闡述，唯有萬分的感謝，謝謝翁老師的教導，讓我順利的完成碩士學業。我的口試委員—童士恒老師與羅佳明老師，感謝您們帶給我一場兼顧論文品質又讓我更上一層樓的論文考試，指點出本論文的缺點並提出建議，讓我可以學習且修正我的論文的小缺點。童老師，謝謝您在高大的教導，雖然我覺得老師很嚴肅，讓我有點倍感壓力；不過，在工學院六樓的生活點滴，讓我覺得您是一位和藹可親的老師。羅老師，謝謝您傳授我數值分析的獨門祕技，讓很討厭數值模擬的我可以順利完成研究，而且我也從您身上學到許多野外調查的招數，讓我的野外調查功力大幅進步。還有，羅老師您是一位風趣的老師，可以輕易的跟學生打成一片，在學習的歷程上也受到您很多的眷顧。謝謝童老師與羅老師，讓我的研究生涯過的順利且精彩。我的研究夥伴—逸賢助理、承翰學長、敏昀還有耀智。在我的研究生活過程是困苦且難熬的，感謝逸賢可以隨時給予我很多寶貴的建議及.

(3) 生活中談天的樂趣，互相挖苦對方卻又很麻吉，讓我在撰寫論文的過程中增添許多樂趣。感謝承翰在我的研究上幫助很多，幫我安裝電腦軟體、兩人彼此互盯對方的研究進度，讓我在數值模擬的研究上輕鬆許多。感謝敏昀及耀智，謝謝你們幫助我製備物理實驗的試體，黏試體是一件很無聊的事情，非常謝謝你們讓我可以在規畫期限內完成所有實驗。謝謝你們，讓我的研究生涯過的如此順利且歡樂，永遠的朋友。最後，我要感謝我的爸爸媽媽，從小就逼緊我，讓我念私立中學，顧緊我的成績。我也如願以償考上國立大學，並晉升就讀研究所。在這十幾年的過程，雖然我幾度想放棄學業；但是，有爸媽的鼓勵讓我以緩慢的步伐慢慢地向前邁進，雖然您們對我的研究主題毫無所知，卻是我精神上的最大支柱。我的研究生涯有了你們而精彩，我很幸運的認識我的師長以及這些朋友們，讓我的研究生活路上並不孤單。最後我要再謝謝翁老師，讓我的生活充滿許多的第一次，第一次上台英文報告、第一次寫英文文章、第一次出國參加研討會、第一次環島、太多太多的第一次，讓我的生活過的如此刺激且繽紛。我會秉持著這態度於未來的職場上繼續努力!. 吳政賢謹誌 104 年.

(4) 目錄中文摘要……………………………………………………………………1 英文摘要……………………………………………………………………2 第一章緒論…………………………………………………………………4 1.1 研究動機……………………………………………………………4 1.2 研究目的……………………………………………………………5 1.3 研究方法與範疇……………………………………………………6 1.4 研究限制……………………………………………………………7 第二章文獻回顧…………………………………………………………….8 2.1 台灣板岩地區之地質概述…………………………………………8 2.2 岩體邊坡之重力潛變……………………………………………10 2.3 分離元素法原理介紹……………………………………………16 2.4 數值模擬研究………………………………………..……………24 第三章研究方法………………………………………………………….. 26 3.1 野外現地調查……………………………………………………..26 3.1.1 現地調查前置作業………………………………………….26 3.1.2 野外調查方法……………………………………………….28 3.2 物理實驗…………………………………………………………..29 3.2.1 實驗條件假設………………………………………………..29 3.2.2 顆粒材料(研磨石)的基本力學性質………………………30 3.2.3 實驗儀器……………………………………………………..33 3.2.4 實驗方法與步驟……………………………………………..34 I.

(5) 3.3 數值模擬分析……………………………………………………..38 3.3.1 數值模擬實驗之參數選定、條件設定……………………39 第四章現地野外調查成果與討論……………………………………….41 4.1 順向坡之拱彎褶皺型…………………………………………….41 4.2 葉理高傾角之折彎褶皺型………………………………………52 4.3 小結………………………………………………………………60 第五章物理實驗成果與討論……………………………………………61 5.1 坡面角度之影響…………………………………………………61 5.2 葉理角度之影響…………………………………………………..66 5.3 試體葉理間距之影響………………………………………….74 5.4 坡趾浸水弱化之影響……………………………………………..77 5.5 小結………………………………………………………………..83 第六章數值模擬成果……………………………………………………90 6.1 研究區之基本概述………………………………………………..90 6.2 現地監測資料……………………………………………………..92 6.3 數值模擬參數選定…………………………………………….104 6.4 數值模擬成果………………………………………………..106 6.4.1 PFC2D 模擬成果……………………………………………106 6.4.2 PFC3D 模擬成果…………………………………………….111 6.5 小結………………………………………………………………116 第七章結論與建議……………………………………………………….117 參考文獻…………………………………………………………………120. II.

(6) 表目錄表 2-1 臺灣雪山山脈帶北部及中央脊樑山脈帶地層分類及對比表………9 表 3-1 PFC 之基本模擬參數單位表…..……………………………….......40 表 4-1 順向坡拱彎摺皺型之葉理傾角關係表…………...………………...50 表 4-2 葉理高傾角之折彎褶皺型之葉理傾向總表……....………………..59 表 5-1 乾式實驗葉理角度逆向 90 度之折彎角度總表…………………….83 表 5-2 乾式實驗葉理角度逆向 60 度之折彎角度總表…………………….84 表 5-3 坡趾浸水弱化實驗葉理角度順向 60 度之折彎角度總表………….86 表 6-1 地表監測高程沉陷成果表…………………..………..……………..96 表 6-2 PFC3D 模擬乾式物理實驗之成果……………………………………99 表 6-3 PFC3D 模擬坡趾浸水弱化物理實驗之成果…………………………99 表 6-4 現地邊坡 PFC2D 模擬之參數設定………………………………….101 表 6-5 現地邊坡 PFC3D 模擬之顆粒間無鍵結…………………………….106 表 6-6 現地邊坡 PFC3D 模擬之顆粒層內有鍵結………………………….108. III.

(7) 圖目錄圖 1-1 臺灣板岩主要分布區域………...……………………………………4 圖 2-1 岩石潛變四大模態……….…………………………………………11 圖 2-2 邊坡破壞之岩體折彎類型(Flexural)……….………………………13 圖 2-2 邊坡破壞之岩體折彎類型(Chevron)………………………………13 圖 2-2 邊坡破壞之岩體折彎類型(Block-flexure)…………………………13 圖 2-3 大甲溪北岸之佳陽台地旁支流之地表潛移現象………………….14 圖 2-4 大雪山林道邊坡所見之板岩重力變形…………………………….15 圖 2-5 高屏溪現地調查成果圖…………………………………….………15 圖 2-6 PFC3D 運算流程圖…………………………………………………17 圖 2-7 顆粒與顆粒接觸之關係圖………………………………………….18 圖 2-8 顆粒與牆接觸之關係圖…………………………………………….18 圖 2-9 顆粒與牆接觸之法線向量舉例說明圖…………………………….19 圖 2-10 接觸鍵結模式行為……………………………………………..….21 圖 2-11 平行鍵結模式示意圖………………………………………………22 圖 3-1 內政部國土測繪中心所出版之 1/25000 等高線地形圖(隘寮溪)…27 圖 3-2 中央地質調查所公布之地質圖(南臺灣之廬山層)…………………27 圖 3-3 野外調查所需之工具………...……….…………………………….28 圖 3-4 體擺放方式………...………………………………………………..30 圖 3-5 研磨石鬆散顆粒狀直接剪力實驗結果...…………………………..31 圖 3-6 研磨石片狀試體直接剪力實驗結果…...…………………………..32 圖 3-7 邊坡模擬的實驗台………………………………………………….33 IV.

(8) 圖 3-8 研究所使用之單眼相機…………………………...…………….….34 圖 3-9 片狀試體以緊密排列方式進行膠結動作………………………….35 圖 3-10 四種試體之樣式……….……………………………………....…..36 圖 3-11 TAMIYA COLOR (PS-34)………………………………………….37 圖 3-12 實驗拍攝場………………………………………………………...37 圖 4-1 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (田古爾溪露頭)……………………………………………………42 圖 4-2 田古爾橋調查點位位置………………………………...…………..43 圖 4-3 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (隘寮溪段露頭)……………………………………………………44 圖 4-4 隘寮溪流域調查點位位置……………………….…………………44 圖 4-5 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (隘寮溪流域露頭)…………………………………………………45 圖 4-6 隘寮溪流域調查點位位置…………………………………………45 圖 4-7 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (霧台鄉邊坡露頭) ………………………………………………...46 圖 4-8 霧台鄉邊坡調查點位位置…………………………………………47 圖 4-9 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (台 14 甲段露頭)……………………………………….…………..48 圖 4-10 新中橫公路(台 14 甲)調查點位位置………………...……………48 圖 4-11 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象 (台 20 勤和段露頭)…………..……………………..…………….49. V.

(9) 圖 4-12 南橫公路勤和段調查點位位置…………………………………...49 圖 4-13 邊坡破壞之岩體折彎類型………………………………………..52 圖 4-14 山坡潛移作用造成之高傾角之折彎褶皺型 (隘寮溪流域露頭)………………………………………………..53 圖 4-15 隘寮溪流域調查點位位置…………………………………..……53 圖 4-16 山坡潛移作用造成之高傾角之折彎褶皺型 (台 20 勤和段露頭)………….……………………………………54 圖 4-17 南橫公路勤和段調查點位位置………………………………..…55 圖 4-18 山坡潛移作用造成之高傾角之折彎褶皺型 (隘寮溪流域露頭)…………………………..……………………56 圖 4-19 隘寮溪流域調查點位位置…………………………………...……56 圖 4-20 山坡潛移作用造成之高傾角之折彎褶皺型 (田古爾溪流域露頭)…………………………………………..…57 圖 4-21 田古爾溪流域調查點位位置………………………………...……58 圖 5-1 坡度 17 度、葉理逆向 90 度之實驗過程…………….…………….62 圖 5-2 坡度 30 度、葉理逆向 90 度之實驗過程…………………………….64 圖 5-3 坡度 45 度、葉理逆向 90 度之實驗過程…………………….….…...65 圖 5-4 坡度 17 度、葉理順向 60 度之實驗過程…………………………….67 圖 5-5 坡度 30 度、葉理順向 60 度之實驗過程…………………………….68 圖 5-6 坡度 45 度、葉理順向 60 度之實驗過程…………………………….69 圖 5-7 坡度 17 度、葉理逆向 60 度之實驗過程…………………………….70 圖 5-8 坡度 30 度、葉理逆向 60 度之實驗過程……………………….……72. VI.

(10) 圖 5-9 坡度 45 度、葉理逆向 60 度之實驗過程…………………………….73 圖 5-10 坡度 45 度、葉理順向 60 度之實驗過程……………….………..…75 圖 5-11 坡度 45 度、葉理逆向 60 度之實驗過程…………………………...76 圖 5-12 坡度 17 度、葉理順向 60 度之實驗過程……………….…………..79 圖 5-13 坡度 30 度、葉理順向 60 度之實驗過程……………….…………..80 圖 5-14 坡度 45 度、葉理順向 60 度之實驗過程……………….…………..82 圖 5-15 葉理角度逆向 90 度於三種坡度之折彎角度變化圖……………88 圖 5-16 葉理角度逆向 60 度於三種坡度之折彎角度變化圖……………88 圖 5-17 坡趾弱化實驗於三種坡度之折彎角度變化圖………………...…89 圖 6-1 現地模擬調查點位示意圖……………………………………...…..91 圖 6-2 寶山部落鄰近之位態分布…………………….……………………92 圖 6-3 監測點位分布圖…………………………………………………….93 圖 6-4 地電阻探測結果…………………….…………..…………………..94 圖 6-5 鑽孔 BH5 滑動面監測結果………………………………...………95 圖 6-6 地表沉陷量變化監測………………………………………………97 圖 6-7 數值模擬之 DEM 縱剖面示意圖….……………………………….100 圖 6-8 模擬範圍原地形………………...……………..………………..….103 圖 6-9 模擬範圍變形後地形………………..……………..………..….….104 圖 6-10 數值模擬之基本單元…...…………………..……………...……..105 圖 6-12 模擬區崩塌位移過程(顆粒間無鍵結)………...………………….107 圖 6-13 模擬區崩塌位移過程(顆粒內間有鍵)………………………...….109. VII.

(11) 板岩邊坡之重力變形機制研究-以模型試驗及分離元素法探討指導教授:翁孟嘉博士國立高雄大學土木與環境工程學系學生:吳政賢國立高雄大學土木與環境工程學系研究所摘要臺灣高山地區存在許多板岩邊坡，而這些邊坡皆呈現發生重力潛變的現象。為瞭解板岩地區之重力潛變行為，本研究於南臺灣之板岩地區進行野外地質調查。根據本研究於現地調查所觀察到之重力潛變現象，發現板岩邊坡要發生重力變形有幾項影響因子，包括坡面角度、葉理傾角以及環境對板岩強度之弱化。為了模擬板岩邊坡之變形特性，本研究採用分離元素法 PFC3D 進行模擬分析。為獲得數值模擬之材料參數的性質，本研究亦設計了一系列的物理模型實驗，將現地調查所觀察到的影響因子簡化至室內實驗進行研究模擬，可以協助本研究瞭解板岩邊坡之長期重力潛變以及板岩弱化行為。根據物理模型實驗可以發現其成果呈現出兩種主要之重力變形型態，第一種為翻覆型傾倒破壞，它主要發生在高傾角葉理之逆向坡；另一種為坡趾處發生擠壓褶皺型變形，其主要發生於低傾角葉理之順向坡，其不僅受到重力影響，也受到環境因素之影響。而數值模擬成果可以合理反應室內實驗結果，並模擬板岩邊坡的重力變形運動過程。此外，本研究將以分離元素法模擬高雄市寶山區域之一處邊坡，預測邊坡之變形過程以達到減災之效果。關鍵字:分離元素法、重力潛變、板岩. 1.

(12) Gravitational deformation mechanisms of slate slope revealed by model test and discrete element method Advisor: Dr. Meng-Chia Weng Institute of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung. Student: Cheng-Hsien Wu Institute of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT Slate slopes are mainly distributed in central mountain area of Taiwan. These slopes often exhibit gravity creep phenomenon and slide in rainy season. Slate slopes may deform because of the influence of gravity. In order to explore the deformed mechanism by gravity in slate region, this study performed a series of field investigations in the slate area of southern Taiwan. According to the gravitational deformation of slate slope in the field, this study explored the influencing factors, including the slope angle, the foliation angle, and the material deterioration, on the deformation characteristics. To simulate these phenomena, this study use discrete element method (DEM), PFC3D. In order to find out the properties of the parameters, a series of physical model experiments with simplified environmental conditions were conducted in the laboratory.. Based on the physical model experiments and. numerical simulation, two kinds of gravitational deformation of slate slope are identified, the first one is overturning deformation, and it usually appears in the obsequent slope with high angle foliation. The other one is fold extrusion near the slope toe, and it exhibits in the consequent slope with low angle foliations. This phenomenon is not only influenced by. 2.

(13) gravitation but also by wet deterioration. Furthermore, the DEM analysis was preformed to predict the possible slope deformation and sliding tendency in a practical case, Baoshan area in Kaohsiung city. The simulated result reflects the entire deformed process of the slate slope and it can be applied for future hazard mitigation. Keywords: discrete element method, gravitational deformation, slate. 3.

(14) 第一章緒論 1.1 研究動機板岩為一種相對輕度變質的變質岩，其具有良好的板狀結構之層理。板岩的板狀劈理發達，但不具有分凝條帶(segregation banding)的細粒變質岩，為泥岩、粉砂岩及其他碎屑沈積物受區域變質作用而產生的產物（劉桓吉，1996）。板岩屬第三紀亞變質岩的一種，主要分布於中央山脈的脊樑山脈，北自蘭陽溪平原開始，向南延伸，沿著中央山脈嶺線經過合歡山到秀姑巒山，約一百五十公里長，寬度約數公里至數十公里寬；在南部山區，板岩也出現在荖濃溪東側山地，向南延伸到屏東平原東側之山地，直達到恆春半島，以及東部的大武及知本一帶(何春蓀，1967a 及 b)。根據中央地質調查所公布，臺灣板岩的主要分布如圖 1-1 所示。. 圖 1-1 臺灣板岩主要分布區域. 4.

(15) 板岩邊坡受重力影響而發生潛變現象，以臺灣中部山區為例，南投縣廬山溫泉區附近之板岩邊坡受到重力潛變影響，該區已經被南投縣政府列為危險的山崩潛勢區；在南臺灣的板岩山區主要分布於荖濃溪左岸，此範圍的板岩邊坡於 2009 年 8 月受到莫拉克颱風的重創，該區多處邊坡皆發生了嚴重的邊坡破壞。Chigira (2011)於莫拉克颱風後曾提及，臺灣近中央山脈之板岩邊坡常有大規模潛移(creep)之特徵，造成深層滑動面之形成，當極端豪雨事件發生時，雨水易滲入板岩層的弱面，而造成深層滑動的發生。李錫堤(2012)提出板岩山區存在大規模山坡潛移，此現象為臺灣常見而一般瞭解不多或容易被誤解的困難地質條件之一，故需特別注意其工程地質問題。台灣的板岩山區常呈現潛變問題，一再的突顯出板岩邊坡崩塌發生之潛勢的判斷與評估的重要性。而且，目前台灣地質資料對於板岩完整的資訊並不多，板岩的變形機制及模擬之運動過程技術仍在研究開發階段，有深入研究的必要性。. 1.2 研究目的有鑑於上述所觀察到的板岩性質，本研究的研究目的在於: (1) 簡化板岩邊坡之變形機制，應用室內物理模型試驗，以研磨石作為基本試體於重力影響以及坡趾浸水弱化的情況下之試體變形行為。 (2) 利用以分離元素法為基礎理論的數值分析軟體(PFC3D)將現地地形數值化，再以莊庭鳳(2014)模擬物理實驗所得到的模擬參數為基礎，應用於現地的邊坡模擬分析，去驗證現地邊坡的變形型態。. 5.

(16) 1.3 實驗方法與範疇本研究於 2012 年開始對於荖濃溪流域左岸的板岩地區去進行地質考察研究，本研究在此區域中發現到幾處具代表性的板岩重力潛變現象。本研究將現地所觀察到的現象歸納成潛感因子以及致災因子來作探討。潛感因子包括有現地觀察到的坡面角度以及層面葉理角度；致災因子包括重力以及環境因素(坡趾浸水弱化之影響)。本研究將這些因子簡化至室內物理實驗，最後再以分離元素法進行模擬變形特性。為模擬板岩邊坡的變形型態，本研究選用分離元素法(discrete element method)來進行模擬，分離元素法具有讓塊體變形、破裂以及分離的完整之破壞運動模式之特性，故本研究選用以分離元素法為基礎的模擬軟體 PFC3D 來執行本研究的數值模擬作業。有鑑於本研究選用 PFC3D 來進行研究模擬，而此套分析軟體是由球元素以及牆元素所構成，在模擬過程中本研究將球元素鍵結成片狀試體與板岩岩性相符，形成層理分明的層狀試體。本研究也設計了一系列的物理實驗來作為數值模擬的驗證，莊庭鳳(2014)以數值分析方法去模擬出物理實驗的實驗結果，已得到合理的分析參數。最後，本研究將以模擬物理實驗得到之參數為參考依據，進行後續現地邊坡的模擬分析。. 6.

(17) 1.4 研究限制本研究將板岩邊坡重力變形之模擬研究以分離元素法以及室內物理實驗進行研究分析。本研究欲將現地調查所觀察到的環境、岩層傾向、坡面角度之現象簡化至室內物理實驗。基於室內物理實驗之限制條件，本研究之物理實驗並無法模擬出實際影響板岩邊坡重力變形的所有條件，所以本研究之室內物理實驗僅考慮坡面角度、葉理傾角、葉理間距以及坡趾是否浸水弱化之影響因素來進行本研究之物理實驗模擬，實驗過程中不考慮地震力之影響、地下水位之影響以及降雨之影響。室內物理實驗之模擬係將現地所觀察到之現象簡化成簡單條件，不考慮過於複雜的條件假設。而且，本研究於室內進行物理實驗，無法製作出全尺度之板岩邊坡重力變形過程，所以本研究先以小尺度的試體進行重力變形的模擬，再搭配分離元素法模擬(PFC3D)模擬物理實驗之重力變形過程，待數值分析可以模擬出物理實驗的變形特徵，本研究將以其為數值模擬之基礎，建立出全尺度之板岩現地邊坡的數值模型，並進行板岩邊坡之重力變形運動過程。. 7.

(18) 第二章文獻回顧 2.1 臺灣板岩地區之地質概述中央山脈大部分是由堅硬或是經過輕度變質的第三紀巨厚泥質沉積岩所組成，這些岩石構成先第三紀變質岩以西的中央山脈的第二個地質亞區，地質上造成變質基磐的蓋層。此地質亞區包括中央山脈的脊樑山嶺和它西側山地，向南可以延伸到恆春半島而且包圍了中央山脈東側大南澳片岩帶的南端。在中央山脈東側從台東到玉里的一條狹長板岩及千枚岩帶也是屬於這一個地質亞區。這一個地質亞區的岩層被稱為中央山脈的硬頁岩和板岩帶或是硬頁岩和板岩系(何春蓀，1967a 及 b)。根據台灣地質概論，以下針對主要由板岩所構成之地層於表 2-1 中進行描述 (何, 1975)。本研究主要研究區域屬廬山層，廬山層為何春蓀(1975)依據張麗旭 (1962b 及 1963a)之調查結果而訂定之時代地層單位「廬山階」，而提出中央山脈地區之相對應之岩層名稱「廬山層」。廬山層最典型的露頭為南投縣廬山溫泉附近。板岩出露的範圍極為廣泛，而在南部山區，板岩也出露在荖濃溪東側山區以及南橫公路一帶，地層相當於廬山層，經詹新甫(1964)以當地名稱命名為「樟山層」，又由李錫堤(1977)命名為「梅山層」。南部之廬山層以板岩為主，變質度已較低，局部夾有薄層至中層砂岩。. 8.

(19) 表 2-1 臺灣雪山山脈帶北部及中央脊樑山脈帶地層分類及對比表地質時代雪山山脈帶北部中央脊樑山脈帶廬山層中新世蘇樂層禮觀層中新-漸新世澳底層大桶山層 (粗窟砂岩) 地層間斷乾溝層漸新世四稜砂岩. 漸新-始新世. 西村層. 畢祿山層(新高層). 始新世附註: 西村層:此地層主要由葉理發達之深灰色板岩和千枚岩所構成，夾有暗灰色、中粗粒、堅硬的石英砂岩互層，這種互層常見於此層的下部。畢祿山層:此地層主要由板岩和千枚岩所構成，但是在變質的泥質岩層中夾有較厚的變質砂岩層，有的為石灰質砂岩，有的為長石質砂岩，砂岩粒度由細粒至粗粒，層厚也有薄有厚。廬山層:此層大部分由黑色到深灰色的硬頁岩、板岩及千枚岩和深灰色的硬砂岩互層組成，含有零星散布的泥灰岩團塊，其全部厚度估計在數千公尺上下，主要分布在脊樑山脈帶中。. 9.

(20) 2.2 岩體邊坡之重力潛變在岩體邊坡之災害或是山崩案例中，許多現象都與「潛變(creep)」有關，重力潛變為岩體經長時間受到重力之影響而使岩層變形。自然邊坡中都常有這種現象發生，有些重力潛變發生於順向坡，有些則是發生於逆向坡，而這些岩體之重力潛變將會對自然邊坡造成崩塌破壞。重力潛變造成岩體邊坡產生潛移作用的機制很多，在不同的環境會有不同的變形機制。潛變過程可能遭受雨量、坡度、地震、河川淘刷等因素之影響；而在本研究所討論之影響因子項目中，影響板岩邊坡變形最主要之因素為重力、水、岩層傾角以及坡度。以下為國外學者於不同國家之高山地區所調查之成果，以及國內專家所調查出台灣山區常見之重力潛變種類。 Ter-Stepanian (1966)認為岩體邊坡的深層潛移作用所造成的變形現象不僅表現於地表土壤層，地表下之岩體亦會受到影響，其潛移過程通常是非常緩慢的，並具有持續性的特徵。在不同的地質構造環境及岩體特性會產生不同種類的深層潛移作用樣式，依據岩體及邊坡型態可區分為三種類型，分別為常發生在順向坡的平面型深層潛移、常發生在短斜坡處的旋轉型深層潛移及最常見於逆向坡的一般型深層潛移。 Nemcok (1972)以高山地區岩體邊坡受到重力滑動之變形模式進行探討，不同岩性的岩體邊坡會產生不同方式的重力變形方式。其針對變質岩區山坡潛移作用的特徵描述如下，變質岩為非均質之一種岩石，其葉理（劈理、片理）發達，在受到重力的作用下常使葉理變形呈現類似拱彎型的褶皺(buckling fold)的型態，變形可以延伸至坡趾，近地表的岩 10.

(21) 層被彎曲。 Radbruch- Hall (1978)對潛移作用作一個正式的定義，潛移為山崩形式的一種，在鄰近邊坡的材料以非常緩慢的方式往下或往外移動的作用，岩層沒有連續的破裂面，在一些地區邊坡岩層易受到重力的作用而產生向下傾倒的潛移現象。Radbruch- Hall並探討斜坡上岩體重力潛移作用與邊坡的關係。日本學者 Chigira 對於日本地區的岩體變形型態提出岩體受重力變形作用與葉理分佈之關係類型(Chigira, 1992)，如圖 2-1 所示。. 圖 2-1 岩石潛變四大模態(改繪自 Chigira, 1992). 11.

(22) (1)順向坡之拱彎褶皺型(Buckling folds formed in consequent slopes)：葉理位態較緩，若與坡向呈順向時，葉理層間將產生拱彎型之潛移，並在邊坡外側造成凸起變形。 (2)逆向坡之拖曳褶皺型(Drag folds formed in obsequent slopes)：葉理位態呈現高角度或與坡向呈逆向時，其邊坡外側葉理產生似拖曳褶皺狀之特徵。 (3)葉理高傾角之折彎褶皺型(Bending folds formed in slopes with steeply dipping foliation)：其葉理位態呈高角度，邊坡外側之葉理向下或向外產生折彎之潛移現象，由剖面來看其葉理常呈現「S」形之特徵。 (4)順向坡之斷層型(Faults formed in consequent slopes)：葉理位態較為平緩且與坡向平行，於邊坡外側產生似斷層之潛移面。 Turner 及 Schuster 於邊坡穩定的論著中提出邊坡破壞岩體折彎的類型，如圖 2-2(a)所示，為高傾角逆向坡翻覆型折彎變形；圖 2-2(b)亦為高傾角折彎坡壞，岩層受重力影響後進而折彎破壞形成明顯地「ㄑ」字型折彎；圖 2-2(c)為高傾角岩層邊坡發生塊體折彎的變形。不同的岩體會發生不同類型的潛移現象，而坡度的陡緩角度亦會影響潛移作用的發生。岩石邊坡之潛移作用的發生有一定的條件及環境，在葉理發達的地區，葉理的傾角通常會很陡，且與坡面角度及坡面走向有密切關連性。普遍來說平行葉理走向的坡向，即順向坡，是最容易發生潛移作用，而坡度傾角高也是一項誘因(Turner and Schuster, 1996)。. 12.

(23) (a)彎曲型折彎(Flexural). (b)ㄑ字型折彎(Chevron). (c)塊狀彎曲型折彎(Block-flexure) 圖 2-2 邊坡破壞之岩體折彎類型(改繪自 Turner and Schuster, 1996). 13.

(24) 邱坤豪(2000)調查中橫公路德基至梨山一帶的板岩層劈理位態，發現在大甲溪支流旁有重力潛移之現象，如圖 2-3 所示，該點位之露頭屬高傾角葉理之逆向坡，依據調查結果並評估其潛移之型態符合 Chigira 所分類的第三型高傾角葉理的折彎褶皺型（Bending folds）潛移模式。. 圖 2-3 大甲溪北岸之佳陽台地旁支流之地表潛移現象(邱, 2000) 李錫提(2012)提出臺灣常見而一般瞭解不多或容易被誤解的困難地質條件有三種，分別為：順向坡內部普遍會含有泥層的問題、斷層泥極為敏感的工程特性及其影響、板岩層區普遍已發生大規模山坡潛移產生之工程地質問題。板岩層的關鍵問題就是板岩受重力作用會產生撓曲的現象，圖 2-4 是大雪山林道邊坡所見之板岩重力變形情形。. 14.

(25) 圖 2-4 大雪山林道邊坡所見之板岩重力變形(李, 2012) 陳天健等人(2012)以臺灣南部高屏溪流域為研究區域，針對 40 餘處之大型崩塌地做現地調查，結果發現高屏溪流域之岩體滑動有四種主要破壞型態，分別為潛移、傾覆、大面積崩塌、構造，其中潛移佔 17 處調查點位，傾覆佔 6 處調查點位。圖 2-5 為此研究現地調查照片，圖 25(a)為順向坡的折彎褶皺型；圖 2-5(b)為高傾角葉理的折彎褶皺型。. (a) 露頭受重力作用產生潛變現象. (b) 折彎褶皺型傾覆. 圖 2-5 高屏溪現地調查成果圖 (陳等, 2012) 15.

(26) 2.3 分離元素法原理介紹為了解塊體運動之力學行為，本研究採用以分離元素法(Discrete Element Method, DEM)作為理論基礎之顆粒流分析軟體，名為 Particle Flow Code in 3Dimensions (簡稱 PFC3D)，是由 Itasca Consulting Group, Inc. 所發展之軟體，此分析軟體就空間維度有分為 PFC2D 以及 PFC3D 兩種，本研究對於 PFC2D、PFC3D 做一理論介紹。. 2.3.1 PFC 程式介紹 PFC3D以及PFC2D這兩套分析軟體主要模擬元素有兩種，分別為球元素與牆元素，牆元素主要用於建立邊界，球元素主要用於透過圓形顆粒間之交互作用計算、分析，可模擬靜態或動態問題。除了主要功能之外，其它功能如下述： (a)允許顆粒間的鍵結組成任何幾何型態之物體，或是可以輸入指令另顆粒組成塊體。 (b)由鍵結力所產生的塊體，在承受之應力大於塊體間的鍵結強度時，得以允許塊體發生破裂破壞。 (c)除了內鍵的指令語言外，此套程是也提供 FISH 程式語言給使用者撰寫，使用者可以自行添增 FISH 語言來加強研究上需求，訂定不同模型所需要的條件設定。 (d)可以觀察裂縫產生與延伸以及顆粒接觸狀況。. 2.3.2 PFC 基本假設 PFC2D、PFC3D 分析軟體有六大基本假設: (a)顆粒視為剛性體。 16.

(27) (b)由於模擬元素是球元素，所以顆粒間的接觸面積趨近於零，呈現點接觸狀態。 (c)顆粒之間的接觸行為屬於軟接觸(soft contact)，而且允許顆粒在接觸點上產生重疊。 (d)顆粒之間的重疊量多寡是根據力-位移定律所決定之接觸力有關，且重疊量小於顆粒直徑。 (e)顆粒之間的接觸可以有鍵結存在。 (f)所有的模擬元素皆是球元素，均為圓盤狀(PFC2D)或是圓球狀 (PFC3D)，可以用指令將這些顆粒組成任意形狀之物體。. 2.3.3 運算原理 PFC3D 在進行運算時需要：每個顆粒皆利用運動方程式重複計算、每個接觸力採用力-位移定律來得出、以及不斷更新牆的最新位置，其運算流程圖如圖 2-6 所示。關於力-位移定律與運動方程式之敘述茲將分別說明於後續小節中。. 圖 2-6 PFC3D 運算流程圖(PFC3D manual). 17.

(28) 2.3.4 力-位移定律在此將說明接觸之判斷，以及力量的計算。首先，接觸行為分別有顆粒與顆粒接觸(ball-ball)、顆粒與牆接觸(ball-wall)兩種，其示意圖如圖 2-7 及圖 2-8 所示。ni 表示單位法線向量，且兩者接觸行為於法線向量的定義上有所不同，顆粒與顆粒接觸之法線向量為兩球心之連線方向；球與牆接觸之法線向量為球心與牆最短距離方向之連線。. 圖 2-7 顆粒與顆粒接觸之關係圖(PFC3D manual). 圖 2-8 顆粒與牆接觸之關係圖(PFC3D manual) 18.

(29) 顆粒與顆粒接觸時(圖 2-7)，A 球與 B 球球心的位置向量分別為 xi A 與 xi B ，接觸平面上之單位法線向量 ni 為：. xi   xi  ni  (ball-ball) d B. A. (2. 1). 兩球心之距離 d 為：. d  xi   xi B. A. .  x   x    x   x   (ball-ball) B. i. A. B. i. i. A. i. (2. 2). 顆粒與牆接觸時，其法線向量為球心與牆最短距離方向之連線，比如說目前有 AB 及 BC 兩面牆，如圖 2-9 所示，若球與牆接觸時球心位置位於第 2 或第 4 區則單位法線向量 ni 將垂直牆面，若球心位置位於第 1、3、5 區則 ni 方向為球心與牆端點之連線方向。. 圖 2-9 顆粒與牆接觸之法線向量舉例說明圖(PFC3D manual). 19.

(30) 定義重疊量 Un 為法線方向之相對接觸位移為：  A  B  R  R  d U   b   R d. (ball-ball). n. (ball-wall). (2. 3). 其中，R[Φ]為Φ球之半徑。接觸點的位置為：   A  A 1 n   xi   R  2 U  ni (ball-ball)   C   xi    x b   Rb  1 U n  n (ball-wall)   i  i 2  . (2. 4). 代表顆粒與顆粒接觸行為及顆粒與牆接觸行為之接觸力向量 Fi，可以分為正向力向量 Fi n 與剪力向量 Fi s ：. Fi n  K nU n ni. (2. 5). 2.3.5 滑動模式(slip model) 滑動模式為透過摩擦係數 μ 跟正向力 Fin 之乘積，計算出接觸剪力最 s s 大值 Fmax ，以判斷顆粒是否產生滑動， Fmax 表示如下： s Fmax = Fi n. (2. 6). s s 若 Fin >Fmax 時，即產生顆粒滑動現象，此時 Fin =Fmax ，如下所示：. . s Fis ←Fis Fmax / Fis. . (2.7). 另外，若接觸之連結為接觸鍵結模式(contact-bond-model)時，則滑動模式不作用。. 20.

(31) 2.3.6 鍵結模式(bonding model) PFC3D 中允許顆粒之間相互鍵結，共有兩種鍵結模式，分別為接觸鍵結模式(contact-bond model)以及平行鍵結模式(parallel-bond model)。接觸鍵結模式，為假設接觸點上有一組正向及剪力彈簧作用其中，此組彈簧分別提供正向及剪力強度，而此模式之剪力強度用以抵抗滑動行為，故滑動模式將不在此模式下作用。此模式之正向與剪向相對於位移關係圖如圖 2-10 所示。平行鍵結模式，為假設相鄰接觸之顆粒間，有一圓柱狀之連接塊體 (圖 2-11)，此塊體可以承受力量與彎矩，以模擬膠結材料之行為 (Potyondy and Cundall, 2004)，若所承受之強度達鍵結強度時，則鍵結判定失效。. (a)正向力-位移關係圖. (b)剪力-位移關係圖. 圖 2-10 接觸鍵結模式行為(PFC3D manual). 21.

(32) 圖 2-11 平行鍵結模式示意圖(PFC3D manual) 平行鍵結由五個參數來定義，分別為正向力方向與剪力方向之勁度與強度，與兩球重疊處之半徑，以上五種參數於 PFC3D 中之指令分別為，pb_kn、pb_ks、pb_nstrength、pb_sstrength、pb_radius。平行鍵結之總力與彎矩分別以 Fi 與 M i 表示，且皆於接觸面上可分 s. n. n. s. 為正向力方向與剪力方向(圖 14)，即 Fi 、 Fi 、 M i 、 M i 。 n. s. Fi  Fi  Fi n. (2.8). s. Mi  Mi  Mi n. n. 其中， Fi 與 M i 可表示為： n.    M n n  M n n. Fi  F j n j ni  F ni M. n i. n. j. j. i. (2.9). i. 當鍵結形成時， Fi 與 M i 之初始值為零。後續之相對位移與旋轉增 22.

(33) 量轉變為彈性力與彎矩的增量。在 t 時彈性力增量之計算為：. . n. . n.  Fi  k AU n ni s. (2. 60). s. Fi  k AU is with U i  Vi t 彈性彎矩增量之計算為：. . n. . s.  Mi  k J  n ni s. n. Mi  k I is. (2. 11). . . with i   i[ B ]   i[ A] t 其中，A 為重疊區域；J 為重疊區域之極慣性矩；I 為重疊區域之一個通過接觸點的軸且在 is 方向上的轉動慣量，可由以下式子得到：. A R. 2. 4 1 J  R 2 4 1 I  R 4. (2. 12). 與平行鍵結關聯之新的力和力矩向量由舊的彈性力和力矩增量向量總和計算而成，新的力向量計算為： n. n. n. Fi  F ni  Fi. . s. s. (2. 13). s. Fi  Fi.   Fi. rot .2. 新的力矩向量計算為： n. n. n. Mi  M ni  Mi s.   s. Mi  Mi. s.   Mi. rot .2. 作用於鍵結附近之最大拉伸應力和剪應力的計算為：. 23. (2. 14).

(34) s. Mi. n.  max   max . F  R A I F. s i. A. . M J. n. (2.15). R. 若最大拉伸應力超過了正常的強度(  max   c )，或最大剪應力超過剪切強度( max   c )，則平行鍵結斷裂。. Fi[ A]  Fi[ A]  F i. Fi[ B ]  Fi[ B ]  F i. M i[ A]  M i[ A]  eijk  x[jC ]  x[jA]  F k  M i. (2.16). M i[ B ]  M i[ B ]  eijk  x[jC ]  x[jB ]  F k  M i Fi[  ] 與 M i[  ] 分別為球  的應力與彎矩總和，而 F i 與 M i 可由 2.17 求. 得。. 2.4 數值模擬研究李宏輝以 PFC2D 程式作為分析工具，對砂岩微觀組成與互層岩體力學行為進行模擬與分析，以確切了解砂岩與互層岩體在單壓試驗條件下之力學行為，探討其微觀機制與微觀性質(李, 2008)。唐昭榮等人及羅佳明等人利用不同時期數值高程模型與地形圖等資訊，搭配 PFC3D 程式針對 1999 年草嶺及 2009 年小林村之山崩事件，進行災前地形分析與災中山崩動態模擬，並藉由運動速度之監測，探討整個事件之運動過程與特性(唐等, 2009)。 Scholtes and Donze 利用分離元素法之理論基礎，並結合三維分析程式，探討破碎性岩體之漸進式破壞(Scholtes and Donze, 2012)。. 24.

(35) 蔣志宏以分離元素法 PFC2D 探討土石流體內顆粒之運動機制，包括顆粒間接觸力、土體位移、土體流動行為模式及粒間微觀參數影響，其分析成果中顯示，分析出來的土石流流動特性與實際土石流流動特性相當相近(蔣, 2007)。林承翰(2014)利用斜坡單元搭配 PFC3D 模擬布唐布那斯溪之崩塌運動過程，應用物件式影像分析自動產製斜坡單元先建立該區域之災害模式與破壞機制。以莫拉克颱風災前災後之 DEM 地形高程相減求出崩塌體積，以 PFC3D 去模擬該邊坡之崩塌材料，探討布唐布那斯溪發生山崩時之運動過程與堆積情況(林, 2014)。莊庭鳳利用分離元素法(PFC3D)為數值模擬工具，對以研磨石球顆粒膠結成片狀試體之物理實驗，物理實驗為模擬岩層在重力影響下的變形行為。透過分離元素法之運算原理，模擬出物理實驗的變形過程，並整理出完整的實驗參數(莊,2014)。綜合分離元素法(discrete element method)在模擬過程可以使塊體變形、破裂至分離之運動過程完整的呈現，而且 PFC 分析軟體主要輸入顆粒材料強度之參數包含正向接觸勁度與切向接觸勁度(normal stiffness 與 shear stiffness)、球元素之間之鍵結勁度與鍵結強度(bonding stiffness 與 bonding strength)等，即可模擬塊體的強度以及變形之特性。本研究將以莊庭鳳(2014)之研究成果為基礎理論去進行數值模擬分析。. 25.

(36) 第三章研究方法為了去探討板岩邊坡變形行為，本研究在荖濃溪左岸以及隘寮溪流域的板岩地區進行了許多現地調查。調查重點為岩體的整體變形型態，探討其坡面角度之影響以及層面葉理角度的傾向。本研究將現地調查所觀察到的現象歸納成潛感因子以及致災因子來作討論。潛感因子為現地邊坡的原始狀態，包括坡面角度以及層面葉理角度。為了去模擬板岩的變形特性，本研究將以分離元素法進行模擬板岩變形型態。由於板岩的岩性層理分明，本研究將以分離元素法的特性，其特性可以讓元件組成片狀、塊體甚至幾何形狀，然後去模擬變形、破壞、滑動，利用此特性去進行本研究的數值模擬。為了去驗證數值模擬之參數的可信度，本研究將現地所觀察到的板岩變形現象簡化至室內實驗，設計了一系列的物理模型實驗。實驗參數條件包括不同的研磨石試體之寬度、試體厚度、坡面角度、葉理角度、乾燥環境狀態以及浸水弱化之環境狀態。在證實數值模擬的參數後，將會以它為基礎，進行後續的現地模擬。. 3.1 野外地質調查 3.1.1 現地調查前置作業野外調查之前置作業會先以內政部國土測繪中心所出版之 1/25000 等高線地形圖(圖 3-1)以及中央地質調查所公布之地質圖(圖 3-2)作為本研究野外調查之尋點工作圖，利用等高線地形圖上的反凸地特徵，可以找出板岩順向坡的變形行為。野外調查需要準備的工具包含:地質鎚(圖 3-3a)、地質羅盤(圖 3-3b)、GPS 定位器(圖 3-3c)、相機等(圖 3-3d)。. 26.

(37) 圖 3-1 內政部國土測繪中心所出版之 1/25000 等高線地形圖(隘寮溪). 圖 3-2 中央地質調查所公布之地質圖(南臺灣之廬山層). 27.

(38) (a)地質鎚. (b)地質羅盤. (c)GPS 定位器. (d)SONY α77 相機. 圖 3-3 野外調查所需之工具. 3.1.2 野外調查方法本研究於民國 101 年開始赴南臺灣之板岩山區進行質野外地質調查。野外地質調查係以內政部國土測繪中心出版的比例尺 1/25000 等高線地形圖作為工作底圖。調查動線為點對點的調查，從工作圖幅上找出欲調查之點位，在現地調查採點對點的方式去進行調查。野外地質調查的工作除了現場的岩性以及地質構造的判識之外，主要的調查重點為岩層層面和劈理位態之量測。在一重力潛變的調查點露頭，分別量取調查址內不同劈理面的多筆位態資料並記錄，量取個數視露頭狀況及量取難易度而定；調查過程會拍攝露頭的變形形狀，以手繪露頭型態於記錄簿. 28.

(39) 上並標示量測到的位態，搭配中央地質調查所公布之地質圖及位態量測圖，可以判斷露頭是否為重力變形之證明。. 3.2 物理實驗本節將針對室內物理實驗作介紹，包含實驗條件假設、顆粒材料 (研磨石)的基本力學性質、實驗儀器介紹、實驗方法與步驟。. 3.2.1 實驗條件假設在野外調查所觀察到的坡地情況，本研究依現地的環境條件將其簡化至室內物理實驗。本研究之物理實驗將試驗假設分別定義如下: (1)在物理實驗變形過程中，乾式的物理實驗僅考慮重力之影響，實驗變形過程不額外施加任何外力因素；坡趾浸水弱化的物理實驗除了考慮重力之影響，還考慮到片狀試體浸水弱化，導致強度降低之影響。兩組實驗的環境因素為本研究的重要議題。 (2)本研究將坡面角度設計為 17 度、30 度以及 45 度。主要探討由低緩坡度至較高陡的坡度對於物理實驗的重力變形過程的影響。 (3)本研究參考在野外調查所觀察到的岩層傾角作決定，在調查過程中發現到有些岩層層面為與坡面同向之順向坡、有些是呈現高角度葉理角度之岩層傾角，有些岩層的傾角與坡面是呈現逆向的情況，所以本研究設計了三種實驗葉理角度，分別是與坡面同傾向的順向 60 度(圖 3-4(a))、與坡面逆向 90 度(圖 3-4(b))的高傾角葉理以及與坡面逆向 60 度(圖 3-4(c))的逆向坡。. 29.

(40) (a) 順向 60 度. (b) 逆向 90 度. (c) 逆向 60 度. 圖 3-4 試體擺放方式. 3.2.2 顆粒材料(研磨石)的基本力學性質為了得到物理實驗的試體的基本力學性質，本研究對模擬的顆粒材料(研磨石)進行物理性質試驗以及直接剪力實驗。本研究所用的人造研磨石成分有氧化鋁、陶土以及金剛砂，研磨石球之直徑為 5mm，密度為 2.53 t/m3。在直接剪力實驗中，本研究將它分為兩組試體型態，其為鬆散顆粒狀以及以白膠膠結成之片狀試體。鬆散顆粒的直接剪力實驗中，研磨石顆粒採直接放入直剪盒中進行試驗；而片狀試體的直接剪力實驗中，研磨石以白膠膠結成符合直剪盒的大小(6x6 cm2)去進行直剪試驗。鬆散顆粒之直接剪力實驗結果如圖 3-5(a)所示，其摩擦角為 48.9˚ (圖 3-5(b))。而片狀試體之直接剪力實驗結果如圖 3-6(a)所示，其摩擦角為 48.6˚(圖 3-6(b))。. 30.

(41) (a)研磨石鬆散顆粒之直接剪力實驗結果. (b)研磨石球鬆散顆粒之破壞包絡線圖 3-5 研磨石鬆散顆粒狀直接剪力實驗結果. 31.

(42) (a)研磨石片狀試體之直接剪力實驗結果. (b)研磨石片狀試體之破壞包絡線圖 3-6 研磨石片狀試體直接剪力實驗結果. 32.

(43) 3.2.3 實驗儀器本研究所使用的實驗設備包含兩大主軸: (1)物理實驗設備、(2)影像拍攝設備。在物理實驗設備方面，本研究自行設計了一套邊坡模擬的實驗台，可以模擬出試體的變形、運動、堆積，此三種型態。而本研究將這三個區域命名為源頭區、運動區以及堆積區(圖 3-7)，其介紹如下:. 圖 3-7 邊坡模擬的實驗台 (1)源頭區(Source area):在本實驗研究中，將試體擺放在此位置去營造出岩體的坡面角度，片狀試體在此區變形的情況宛如實際板岩邊坡變形的情況。 (2)滑動區(Sliding area):此區是在模擬塊體滑落的滑動過程，試體在嚴重變形過後可能產生破裂破壞而沿著斜板(滑動區)滑落下來。在此區的模擬過程猶如實際邊坡在發生崩壞破壞向下游滾動滑落的情形。 (3)堆積區(Deposit area):在此是在模擬試體破壞滑落後的堆積情況，在現地情況下就好像是下游的沖積扇或是河谷堆積區。 33.

(44) 在室內物理實驗影像拍攝設備上，本研究選用 Canon 1050 萬畫素的 EOS 400D 單眼相機(圖 3-8(a))，而在野外調查的時候，採用 SONY 2430 萬畫素的 α77 單眼相機(圖 3-9(b))。. (b) SONY α77. (a) Canon EOS 400D. 圖 3-8 研究所使用之單眼相機. 3.2.4 實驗方法與步驟為了去模擬出現地的致災因子情況，本研究設有兩種環境影響因素。第一種是乾燥狀態，此狀態就像在現地半山腰或是靠近山稜線所發現到的情況，而且本實驗未考慮地下水位面之影響，此實驗狀況於本研究中為乾燥狀態之實驗，所以本研究設定實驗過程中只有靠著重力影響因素去進行實驗；第二種是坡趾浸水弱化狀態，此影響因素是參考在現地所觀察到的現象，在現地調查中亦發現到許多露頭點位是浸泡於水中，根據 Zhu et al. (2004)與 Wu et al. (2008)的研究所述，板岩材料隨著含水率與浸水時間的增加而強度有相當顯著之降低趨勢，甚至發生材料軟化、崩解之特性。所以本研究將此因素列入實驗影響來考慮，與乾式實驗作比較。 34.

(45) 為了營造出現地坡面的角度，本研究實驗設計了可調式活動斜板，可以承載研磨石試體，使試體頂部形成合理的坡面角度。而試體底部與斜板接觸之部份，本實驗將斜板貼上型號為 150 號數的粗面砂紙，提供試體與斜板之間的摩擦力。本研究的實驗坡面角度設計為三種角度，分別為 17 度、30 度以及 45 度。片狀試體擺放的角度於本實驗中假設為板岩岩層傾角，葉理模擬角度有三種，分別是與坡度同向的順向 60 度、逆向 90 度以及逆向 60 度。物理實驗試體之尺寸大小於本研究中是將圓球狀的研磨石以白膠作為鍵結材料，將研磨石黏製成長條片狀。將試體擺放到實驗箱內固定好之後方可開始進行模擬實驗，實驗過程中會架設相機進行拍照作業。 (1)試體製備: 本實驗是將圓球狀人造研磨石以南寶樹脂(聚醋酸乙烯脂，Polyvinyl acetate)，俗稱白膠來作為鍵結材料，將研磨石膠結成長條片狀試體，在排列過程中本實驗係將研磨石球以緊密排列方式進行膠結動作，如圖 39 所示。每片寬度 12 顆之試體的研磨石顆粒體積平均約為 248.2 cm3，白膠使用量約 6.6 cm3。. 圖 3-9 片狀試體以緊密排列方式進行膠結動作 35.

(46) 試體完成後有四種尺寸，完成後如圖 3-10 所示，分別是: (a) 寬度 3 顆(13mm)、葉理間距(5mm)、長度 40 顆(200mm) (b) 寬度 3 顆(13mm)、葉理間距(10mm)、長度 40 顆(200mm) (c) 寬度 12 顆(52mm)、葉理間距(5mm)、長度 40 顆(200mm) (d) 寬度 12 顆(52mm)、葉理間距(10mm)、長度 40 顆(200mm). (a) 寬度 3 顆、葉理間距(5mm). (b)寬度 3 顆、葉理間距(10mm). (c)寬度 12 顆、葉理間距(5mm). (d)寬度 12 顆、葉理間距(10mm). 圖 3-10 四種試體之樣式為了方便實驗過程中可以清楚的觀測變化過程，本研究會將一半的試體側邊噴上 TAMIYA COLOR 的紅色(PS-34)噴漆(圖 3-11)，然後放在陰涼處靜置至乾燥。選用此款噴漆為精緻模型專用的噴漆，可以避免噴漆對膠結材料造成腐蝕。. 36.

(47) 圖 3-11 TAMIYA COLOR (PS-34) (2)選擇實驗條件: 實驗的環境條件有坡度角度、葉理角度、乾燥環境或是坡趾浸水弱化之環境這三種變因去做選擇，再來是選定試體的尺寸。將以上條件都決定之後，即可進行物理實驗。為了避免實驗拍攝過程外在因素之影響，實驗過程中會以黑色布幕架設於拍攝面當作背景，如圖 3-12(a)所示；相機的角架亦用黑色布料包覆，如圖 3-12(b)所示。. (a) 實驗拍攝背景. (b) 相機角架以黑布包覆. 圖 3-12 實驗拍攝場 (3)試體擺放以及相機擺設等上色的試體靜置到全乾後，將上色試體與未上色試體漸層排列形成顏色分明的樣式。依序將試體整齊地擺放上實驗箱後，以保麗龍板去 37.

(48) 固定住試體的底部(約 30mm)，此步驟除了固定住試體之外，其主要用意為限制試體底部部份的移動，使實驗過程中的試體變形僅受於試體間變形，不會受到實驗台斜板之影響。在乾式實驗中，擺放完試體即可開始實驗；在坡趾浸水弱化實驗中，因為實驗箱是可調整性的，要先將實驗箱的隔板縫進行防水作業，本研究利用油黏土將實驗箱的縫隙填補以達到防水的目的。最後再將試體擺放入實驗箱內，以重塊固定住試體側邊，待所有條件都準備妥當後，加入適量的水達到設計深度，讓部份試體浸泡於水中。拍攝面的擺設位置有兩種方向，第一種是從實驗箱的側邊去拍攝試體剖面之變化；第二種是去從正面去拍攝試體變化的過程。本研究主要的觀察面是側面，可以清楚地去觀測試體的變形過程。 (4)開始實驗兩種環境因素的物理實驗都準備妥當後，將臨時擋板去除並開始實驗。乾式實驗過程中只靠重力影響去進行實驗變化；而坡趾浸水弱化實驗除了重力影響之外，還有水對試體的弱化影響。. 3.3 數值模擬分析為了去模擬出現地板岩邊坡的變形型態，本研究採用分離元素法 PFC3D(Particle Flow Code in 3Dimensions)、PFC2D(Particle Flow Code in 2Dimensions) 此兩套分析軟體作為研究分析軟體。本研究欲先以 PFC2D 進行現地邊坡的模擬，求出模擬範圍之重力變形特徵，再以 PFC3D 來進行實際現地邊坡的重力變形過程、滑動過程以及堆積結果。. 38.

(49) 相較於其它分離元素法分析軟體，PFC3D、PFC2D 具有幾項模擬上的優點: (1)顆粒的極限位移量不受傳統位移諧和條件所約束，可以去模擬出塊體材料的高流動性或是大變形量的問題。 (2)在模擬顆粒材料連結成塊體的時候，可以允許塊體在承受大於顆粒之間的鍵結強度時會讓塊體發生破裂破壞。 (3)在模擬過程當中，我們可以利用指令將圓形(PFC2D)或是圓球(PFC3D) 組成任何幾何形狀，可以讓我們去作出更真實的塊體變形、破壞、滑動模擬。 (4)在模擬塊體運動的過程中，此分析軟體亦有考慮到模擬材料發生碰撞、消能、破裂之互制行為。綜合以上四項優點，PFC 分析軟體可以達本研究所想要的模擬塊體型態，去摸擬出片狀試體的折彎變形、破裂破壞還有破裂後的滑動行為，所以本研究決定選用此套分析軟體來進行本實驗研究。. 3.3.1 數值模擬實驗之參數選定、條件設定數值模擬實驗當中，本研究係將板岩邊坡之地形數值化，再以莊庭鳳(2014)模擬物理實驗得到之合理參數為模擬分析基礎，並收集模擬區之資料，進行後續的分析作業。在開始進行分析研究之前，因為 PFC 這套軟體提供了許多種組合之單位選擇，所以本研究決定選用表 3-1 這套單位系統作為本研究之模擬單位。. 39.

(50) 表 3-1 PFC 之基本模擬參數單位表. PFC2D 分析軟體只有牆元素以及球元素，所以在模擬過程中本研究將牆元素視為模擬深度的最下限，使最下層之球可以固定其上；而球元素則是用來模擬預模擬之塊體，將本研究要模擬的範圍、模擬深度都以球元素來表現，以達成本研究理想的變形、破壞、滑落之運動型態。 PFC3D 分析軟體亦是只有牆元素以及球元素，與 PFC2D 不同的是牆元素的使用方法，在三維的模擬情況下，本研究將牆元素以指令將其製成現地邊坡的立體面。但是在欲模擬的範圍中，本研究必須設法讓限定的範圍中的牆元素下降到預設的模擬深度，牆元素凹陷的部分再利用球元素去填補，利用球元素來模擬塊體的變形、破壞、滑落的運動型態。. 40.

(51) 第四章現地野外調查成果與討論此章節將對本研究於現地野外調查所得到之成果作討論，在此將參考 Chigira (1992)的四大岩體變形分類為分類標準，將本研究之野外調查成果分成二大類，第一類為順向坡之拱彎褶皺型，主要是發生在低葉理角度的邊坡，該邊坡在受到重力影響以及環境因素之影響會造成板岩邊坡形成拱彎摺皺的變形行為；第二類為葉理高傾角之折彎褶皺型，主要是發在高葉理角度，有些邊坡是發生在與坡面同向，有些邊坡是與坡面逆向，這類型的潛變主要是受到重力因素為影響重點。下列將對於本研究所進行之野外調查作成果以及位態量測之結果作介紹。本研究所調查之板岩露頭為重力潛變所造成岩體之褶皺變形，與大地應力所造成之褶皺構造不同。大地應力所造成之褶皺現象為岩體在深層受到高溫及高壓作用而擠壓形成較柔順型的摺皺；反之，重力潛變為地表岩層出露後，在受重力影響進而造成褶皺破壞。重力所造成之順向坡之拱彎褶皺型或是高傾角葉理角之折彎褶皺型的變形會使岩層產生脆性斷裂、開口節理的現象。本研究之調查結果發現板岩層在受重力變形所形成之折彎處皆是破碎的，而且有明顯的折角。而在這些折彎處的層理亦容易造成開裂現象。所以，本研究在此所描述之折彎褶皺係為重力所造成之變形。 4.1 順向坡之拱彎褶皺型在此類型的潛變型態主要發現於中低葉理角度之板岩順向邊坡。調查結果發現在低角度葉理的板岩邊坡會向自由端產生凸起的現象，導致板岩邊坡會在坡腹或是坡趾的地方隆起形成拱彎摺皺破壞。所以，板岩. 41.

(52) 邊坡於此環境下會發生拱彎摺皺變形。以下將以幾張順向坡之拱彎摺皺型的照片來作介紹。圖 4-1(a)是位於宜蘭縣田古爾溪右岸靠近田古爾橋的一處露頭(圖 42)，由圖可以發現到岩層的層面與坡面走向相同且傾角與坡角略為相同，為標準的順向邊坡。此處之變形為重力擠壓作用，使此邊坡在坡趾處形成此雙拱彎摺皺的情形。圖 4-1(b)為本研究調查後所整理之岩層變形描繪，下邊坡所測得之原始層面位態傾角為 34 度，而在拱彎褶皺變形區域所測得之其中一點的位態為 70 度。由所測得之位態資料以及現地所觀測之結果可以判斷此處露頭為重力作用影響下所造成之拱彎摺皺型變形。. (b)葉理角度量測. (a)現地拍攝照片. 圖 4-1 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(田古爾溪露頭). 42.

(53) 圖 4-2 田古爾橋調查點位位置圖 4-3(a)位於隘寮溪流域其中一處所調查到的露頭(圖 4-4)，圖中為該邊坡之剖面，發現到此處之板岩邊坡有擠壓褶皺變形亦有坡度傾角變化之現象。在內部的岩層以摺皺變形為主，而外部岩層則沿著內部岩層的上方向自由端滑移。本研究將此露頭所測得之傾角資料整理並描繪成圖 4-5(b)，由圖中之層面傾角發現上邊坡之傾角約為 40 度，在折彎變形處為 75 度，而在下邊坡所測量到之位態傾角為 32 度，將同一岩層之位態依循所量測之結果可以判斷該處板岩露頭是重力潛變的作用。在此處之現地調查中，內部岩層的層理厚度較薄，外部的岩層層理厚度較厚；所觀察到的現象為較薄的層理較易變形，而較厚的板岩層較不易形成擠壓褶皺變形。. 43.

(54) (b)葉理角度量測. (a)現地拍攝照片. 圖 4-3 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(隘寮溪段). 圖 4-4 隘寮溪流域調查點位位置圖 4-5(a)為隘寮溪流域的一處(圖 4-6)岩層露頭，在此處之露頭剛好為岩層的剖面，可以明顯的看出岩層變形的特徵。在圖(a)中之右側可以觀察到岩層折彎成圓弧狀，在圖之左側則是由較低傾角之葉理角度潛移為較陡之葉理角度。本研究將此露頭所測得之傾角資料整理並描繪成圖 44.

(55) 4-5(b)，在折彎最明顯的地方，岩層由與坡向同向之 42 度層理逐漸變陡為 64 度，然後變成與坡向逆向之 80 度的傾角；而靠近自由端的岩層則是由傾角 36 度逐漸變陡為 44 度。將調查結果之照片與整理所得之資訊可以判斷此點位為拱彎摺皺型變形。. (b)葉理角度量測. (a)現地拍攝照片. 圖 4-5 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(隘寮溪流域). 圖 4-6 隘寮溪流域調查點位位置. 45.

(56) 圖 4-7(a)為霧台鄉往河床的一處邊坡(圖 4-8)，在此邊坡在本研究調查之結果為典型之順向坡，岩層的層理與坡面角度略為相同。而在此處與上列幾點之調查結果有一些不同點，此處的邊坡看似沒有產生明顯之擠壓褶皺變形，但是由圖 4-7(a)中可以發現板岩邊坡坡腹處有一道橫的裂縫，在裂縫下方的板岩已經崩壞滑落。經位態量測結果如圖 4-7(b)，可以發現其傾角略為不同，在較高的邊坡所量測得之傾角為 35 度，於較低的邊坡所量測得之傾角為 42 度。由位態量測知結果，本研究判斷圖 4-7(a)中的裂縫即為擠壓變形處，低緩傾角葉理之板岩層受重力影響而產生擠壓變形。. (a)現地拍攝照片. (b)葉理角度量測. 圖 4-7 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(霧台鄉邊坡). 46.

(57) 圖 4-8 霧台鄉邊坡調查點位位置圖 4-9(a)位於新中橫公路(台 14 甲)靠近武嶺之一處(圖 4-10)板岩露頭，圖中可以明顯看到岩層有非常明顯得折角產生，而且岩層傾向已變相反之傾向，在折彎最嚴重的地方已經變成極為破碎的破碎帶。岩層的傾角由原本與坡向同向的角度，受重力擠壓變形後，變成與坡向反向的傾角。調查成果將岩層折彎最嚴重的地方作連線，所得到的結果可以發現有一道破碎帶產生，折彎處上部的岩體則沿著破碎帶發生潛移的現象。本研究將此露頭所測得之傾角資料整理並描繪成圖 4-9(b)，可以發現岩層傾角原本為與坡向同向之 70 度層理，在受重力影響作用下而造成折彎變形，岩體向下擠壓造成底部的岩層被推成與坡面反向約 40 度至 50 度左右之層理。. 47.

(58) (b)葉理角度量測. (a)現地拍攝照片. 圖 4-9 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(台 14 甲段). 圖 4-10 新中橫公路(台 14 甲)調查點位位置圖 4-11(a)位於南橫公路勤和段之一處露頭(圖 4-12)，此處的岩層層面屬於高傾角之葉理角度，在此邊坡可以清楚地看到明顯地拱彎摺皺的變形。高傾角且與坡向同向之板岩邊坡，受到重力潛移作用之影響下，上方岩體向下擠壓進而導致下方岩層受擠壓而向自由面去變形，形成如圖所示之樣貌。圖 4-11(b)為本研究之調查結果之岩層變形描繪圖，在未 48.

(59) 變形的情況下之岩層傾角約為 70 度，而在擠壓變形處所測得之位態傾角約為 30 度。. (a)現地拍攝照片. (b)葉理角度量測. 圖 4-11 山坡潛移作用造成之拱彎摺皺現象(台 20 勤和段). 圖 4-12 南橫公路勤和段調查點位位置. 49.

(60) 本研究於現地調查順向坡之拱彎褶皺型的結果發現此類型的重力變形主要發現於低傾角葉理之邊坡，但是也有發現於高傾角之順向葉理的板岩邊坡。以下為本研究整理順向坡拱彎摺皺型的總表，如表 4-1 所示。表 4-1 順向坡拱彎摺皺型之葉理傾角關係表調查成果. 現地照片. 位態量測. 葉理傾角. 30°~40°. 50.