國立臺灣大學工學院土木工程學系 碩士論文
Department of Civil Engineering College of Engineering
National Taiwan University Master Thesis
模型試驗探討地工合成材加勁壁壘結合格子壩 於土石流防治之研究
Model Test on Geosynthetic-Reinforced Barrier with Grid Dam for Debris Flow Control
高宇 Yu Kao
指導教授：陳榮河 教授 Advisor: Prof. Rong-Her Chen
中華民國 106 年 6 月 June, 2017
誌謝
感謝這兩年來恩師陳榮河教授細心指導，對於論文也是一行一行進行修正，
很榮幸能成為陳老師在桃林生涯的閉門弟子。感謝口委劉家男教授與楊國鑫教授 的指正與建議，能使我的研究論文更完整。感謝三聯科技廠商的不吝教導與出借 儀器。感謝臺大大地組學長姊的幫助及教學、同學間的共同修課奮鬥的同窗情誼 與閒暇的聊天紓壓、以及學弟妹幫忙實驗。運氣很好的我一路走來要感謝的人太 多， 謝謝每個跟我閒聊、討論研究、幫我加油的人。
另外要特別感謝我的家人們在碩士班兩年的經濟支持與時常的加油打氣，讓 我能無後顧之憂地完成學業。還有感謝陳昱瑋在繁忙的課業之中幫我很多實驗上 我力氣不夠需要幫助的工作。
摘要
本 研 究 利 用 室 內 砂 箱 模 型 試 驗 模 擬 土 石 流 衝 擊 地 工 合 成 材 加 勁 壁 壘 (Geosynthetic-Reinforced Barrier)以及加勁壁壘結合格子壩之兩種情況。研究係透 過質點影像速度法(Particle Image Velocimetry, PIV)分析土石流之前端速度，及質 點追蹤速度法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)分析土石流之平均速度，並藉由 兩種速度分析法觀察土顆粒在流動至撞擊過程的位移。同時，藉由荷重計量測背 填土所受的衝擊力，探討灌漿面板及加勁材降低衝擊力的效果。
研究結果發現，灌漿面板式加勁壁壘受土石流衝擊後，背填土之受力均很小 (最大值僅 0.6 N)，而磨損與變形亦小。基礎附近覆土之淘刷與堆積深度分別為 2.18 cm、5.22 cm。而利用 PIV 測得土石流前端速度介於 2.43-3.16 m/s，PTV 得 到平均表面流速為 2.01-3.12 m/s；以前端速度略大於平均流速。此兩者透過因次 分析轉換成現地流速符合一般之土石流流速。
另一方面，增設格子壩時，粗、細顆粒分離及土、水分離效果均提高，被攔 阻在壩上游處之堆積量由 5.0%增至 47.2%，而堆積坡度則減緩至約 5°，此將降 低後續土石流之衝擊力。壩下游處淘刷量也因增設格子壩減少 30.7%，可以保護 基礎。然有效之土水分離也使得通過格子壩後之流速增加、堆積量減少，須加注 意。
此外，將前人所作回包式與黏接式加勁壁壘與本研究灌漿式面板之加勁壁壘 進行比較，發現在變形與磨損部分，以剛性之灌漿面板表現良好；在抵抗基礎淘 刷及堆積方面，以回包式柔性的結構為佳。因此建議針對壁壘不同的位置可考慮 採用不同型式，以達對抗土石流衝擊之最佳效果。
關鍵詞: 地工合成材、壁壘、土石流、模型試驗、格子壩
Abstract
A small-scale model test was conducted to simulate debris flow impacting a geosynthetic-reinforced barrier with a grouted facing-panel, as well as the barrier constructed with a grid dam. The analyses of the front velocity of the flow and its average velocity were performed by particle image velocimetry (PIV) and particle tracking velocimetry (PTV). The movement of the particles was the obtained through the analysis of these velocities. Impact force behind the panel (in the backfill) was measured by load cells to explore the effect of the panel and the reinforcement in reducing the impact force from the flow.
From the test results, it was found that the impact force behind the panel was generally small (the maximum value was only 0.6 N), and the abrasion and deformation of the panel were slightly. The final scouring and deposition depths were 2.18 cm and 5.22 cm, respectively. The average velocity of the debris flow was 2.01-3.12 m/s, which was slightly less than the front velocity, 2.43-3.16 m/s. These values of velocity, if converted into the prototype velocity by dimensional analysis, are in the general range of the velocity of debris flow.
With the addition the grid dam, the separation of coarse and fine particles, as well as the separation of soil and water, was good. As a result, particles accumulated in the upstream of the barrier were increased to 47.2 % from 5% when no grid dam
existed, and the slope gradient was decreased to about 5, which would reduce the
impact of future debris flow. The depth of scouring in the downstream of the barrier also decreased 30.7%. However, the effective soil-water separation made the flow increased velocity and accordingly reduced particles deposited.
Moreover, compared to the wrap-around and glued types of barrier, the grouted panel had good performance in resisting deformation and abrasion from debris flow.
On the other hand, the wrap-around type performed better in resisting scouring because of its flexible structure. This suggests that different types of facing may be used at different locations of a barrier to achieve best performance in resisting the impact of debris flow.
Keywords: Geosynthetics, barrier, debris flow, model test, grid dam
目錄
誌謝... I 摘要... II Abstract ... III 目錄... V 表目錄... VIII 圖目錄... IX 符號說明... XIII
第一章 緒論... 1
1.1 研究背景 ... 1
1.2 研究動機 ... 1
1.3 研究方法 ... 2
1.4 研究內容 ... 2
第二章 文獻回顧... 5
2.1 加勁結構物 ... 5
2.1.1 地工合成材加勁土結構 ... 5
2.1.2 加勁工法文獻 ... 6
2.2 土石流介紹 ... 7
2.2.1 土石流定義 ... 7
2.2.2 土石流特性 ... 8
2.2.3 土石流災害 ... 11
2.2.4 土石流防治 ... 11
2.2.5 現地案例 ... 12
2.3 影像速度分析 ... 12
第三章 土石流衝擊模型試驗... 30
3.1 模型設計與實驗設備 ... 30
3.1.1 模型相似性 ... 30
3.1.2 模型砂箱 ... 30
3.1.3 攝影設備 ... 31
3.1.4 量測設備 ... 31
3.2 試驗材料 ... 32
3.2.1 加勁壁壘 ... 32
3.2.2 土石流 ... 33
3.2.3 格子壩模型 ... 33
3.3 試驗規劃 ... 34
3.3.1 試驗控制條件 ... 34
3.3.2 探討內容 ... 34
3.4 試驗步驟 ... 35
3.4.1 試體準備 ... 35
3.4.2 試驗流程 ... 35
第四章 試驗結果與分析... 53
4.1 重複性試驗 ... 53
4.2 土石流衝擊灌漿面板式壁壘 ... 53
4.2.1 流動過程 ... 53
4.2.2 土石流速度 ... 54
4.2.3 衝擊力分析 ... 55
4.2.4 衝擊後變形 ... 55
4.2.5 淘刷與堆積 ... 56
4.2.6 撞擊後土石粒徑分析 ... 56
4.3 土石流衝擊灌漿面板式壁壘結合格子壩 ... 57
4.3.1 流動過程 ... 57
4.3.2 土石流速度 ... 57
4.3.3 淘刷與堆積 ... 58
4.3.4 土石粒徑分析 ... 58
4.4 綜合歸納整理 ... 59
第五章 不同型式加勁壁壘之綜合比較... 91
5.1 不同型式之加勁壁壘介紹 ... 91
5.2 流動行為 ... 91
5.3 土石流速度 ... 91
5.4 變形與位移 ... 92
5.5 淘刷與堆積 ... 92
5.6 壁壘受損情形 ... 93
5.7 施工性 ... 93
第六章 結論與建議... 100
6.1 結論 ... 100
6.1.1 土石流衝擊灌漿面板壁壘 ... 100
6.1.2 土石流衝擊壁壘結合格子壩 ... 101
6.1.3 不同型式加勁壁壘 ... 101
6.2 建議 ... 102
參考文獻... 103
表目錄
表 2.1 依泥砂體積濃度含量區分含砂水體的運動型態(土石流概論，2003) ... 14
表 2.2 依組成顆粒粗細含量區分土石流類型(水土保持手冊，2005) ... 14
表 2.3 土石流衝擊力理論公式(施瑋庭，2014) ... 15
表 2.4 豐丘地區採樣之基本物理性質(歐泰林，2004) ... 16
表 2.5 不同種類開放式壩對土石流防治之效果(整理自何敏龍，1997) ... 17
表 3.1 模型試驗變數尺度因子與物理量間關係(整理自陳榮河、紀柏全，2010) 37 表 3.2 原型與試驗中各項參數大小... 38
表 3.3 水泥與高嶺土以特定比之養護天數與單壓強度(取自洪晨瑋，2016) ... 38
表 3.4 豐丘地區現地土石流與室內模擬級配之基本物理性質... 39
表 3.5 試驗所需各粒徑土石重量(張馨文，2016) ... 40
表 4.1 重複性試驗之前端速度... 61
表 4.2 重複性試驗之淘刷堆積深度... 61
表 4.3 灌漿面板後方量測之衝擊力... 61
表 4.4 灌漿面板式壁壘各區堆積土石各粒徑所佔比... 62
表 4.5 灌漿面板式壁壘各區堆積粗細顆粒所佔比例... 62
表 4.6 壁壘結合格子壩各區堆積土石各粒徑所佔比例... 63
表 4.7 壁壘結合格子壩各區堆積粗細顆粒所佔比例... 63
表 5.1 回包式與黏接式壁壘受衝擊後變形(張馨文，2016) ... 94
表 5.2 不同型式壁壘之淘刷與堆積深度... 94
圖目錄
圖 1.1 研究流程圖... 4
圖 2.1 地工合成材加勁結構物斷面圖(FHWA, 2013)... 18
圖 2.2 加勁原理示意圖(重繪自 Yang, 1972; Schlosser et al., 1974) ... 18
圖 2.3 流槽試驗配置(Yasuhara and Recio-Molina, 2007) ... 19
圖 2.4 不同護岸加勁型式(Yasuhara and Recio-Molina, 2007) ... 19
圖 2.5 加勁護岸的破壞歷程示意圖(Yasuhara and Recio-Molina, 2007) ... 20
圖 2.6 流槽試驗配置圖(Recio and Oumeraci, 2007) ... 20
圖 2.7 蜂巢格網擋土結構受水平衝擊配置圖(Soudé et al. , 2013) ... 21
圖 2.8 受水平衝擊變形圖(Soudé et al. , 2013) ... 21
圖 2.9 土石流衝擊力試驗配置圖(張馨文，2016) ... 22
圖 2.10 土石流試驗衝擊力(張馨文，2016) ... 22
圖 2.11 土石流流動過程之橫縱斷面圖 (水土保持手冊，2005) ... 23
圖 2.12 豐丘地區粒徑分佈曲線 (歐泰林，2004) ... 23
圖 2.13 不同型式開放壩 (何敏龍，1997) ... 24
圖 2.14 GRS 護岸與鋼製拱型格子壩 (Strouth et al. ,2012) ... 25
圖 2.15 速度分析法原理示意圖(Liu et al. , 2016) ... 26
圖 2.16 垂直振動模型試驗儀器示意圖(Lueptow et al. , 2000) ... 26
圖 2.17 顆粒流動圖(Lueptow et al. , 2000) ... 27
圖 2.18 研究乾顆粒流動試驗側視圖(Gollin et al. , 2015) ... 28
圖 2.19 於顆粒分析模式示意圖(Gollin et al. , 2015) ... 28
圖 2.20 土石流速度分析(張馨文，2016) ... 29
圖 3.1 砂箱模型示意圖... 41
圖 3.2 土石流衝擊灌漿面板式壁壘試驗配置... 42
圖 3.3 土石流衝擊灌漿面板式加勁壁壘結合格子壩試驗配置... 43
圖 3.4 攝影機架設角度... 44
圖 3.5 荷重元件... 45
圖 3.6 荷重元件校正曲線... 45
圖 3.7 荷重元件擺設位置... 46
圖 3.8 紀錄儀器 KYOWA-PCD-330B-F ... 47
圖 3.9 單壓試驗... 47
圖 3.10 天數 4.5 日之單壓試體應力-應變曲線 ... 48
圖 3.11 豐丘地區土石與模擬土石之粒徑分佈曲線(歐泰林，2004) ... 48
圖 3.12 模擬土石流之顆粒材料... 49
圖 3.13 鋼製格子壩... 50
圖 3.14 灌漿面板擺放至砂箱中之位置... 50
圖 3.15 土石顆粒級配混和... 51
圖 3.16 已填好砂之露出 6 層格子壩(從壁壘後方拍攝) ... 51
圖 3.17 回填覆土段... 52
圖 4.1 重複性試驗前端速度歷時曲線圖... 64
圖 4.2 重複性試驗淘刷堆積圖... 64
圖 4.3 第一波土石流衝擊灌漿式面板側視圖... 65
圖 4.4 土石流衝擊灌漿式面板之壅高與流深圖... 66
圖 4.5 土石流衝擊後壁壘上方與上游處之殘留顆粒... 66
圖 4.6 第一波土石流衝擊壁壘之俯視圖... 67
圖 4.7 土石流衝擊加勁壁壘產生漩渦狀流動... 68
圖 4.8 速度分析示意圖... 69
圖 4.9 土石流衝擊灌漿式壁壘第一波速度... 70
圖 4.10 土石流衝擊灌漿面板式壁壘之前端速度... 70
圖 4.11 灌漿面板受衝擊後角隅磨損 ... 71
圖 4.12 染色顆粒流動順序... 71
圖 4.13 堆積型態為大顆粒在上小顆粒在下... 72
圖 4.14 土石流衝擊灌漿壁壘後堆積坡度... 73
圖 4.15 土石流衝擊灌漿壁壘後淘刷堆積圖... 74
圖 4.16 衝擊後灌漿面板壁壘粒徑分佈曲線... 75
圖 4.17 壁壘結合格子壩受第一波土石流之衝擊過程... 76
圖 4.18 土石流衝擊壁壘結合格子壩壅高情形... 77
圖 4.19 土石流衝擊後顆粒停留在壁壘上... 77
圖 4.20 壁壘結合格子壩受第一波土石流衝擊俯視圖... 78
圖 4.21 第一波土石流衝擊壁壘結合格子壩之速度分析... 79
圖 4.22 壁壘結合格子壩之第一波與第二波前端速度... 79
圖 4.23 壁壘結合格子壩受兩波土石流衝擊後側視圖... 80
圖 4.24 第二波土石流衝擊壁壘結合格子壩之壅高干擾速度分析... 81
圖 4.25 土石流衝擊壁壘結合格子壩之堆積坡度: ... 81
圖 4.26 壁壘結合格子壩淘刷與堆積... 82
圖 4.27 第二波土石流衝擊壁壘結合格子壩之前方淘刷堆積示意圖... 83
圖 4.28 壁壘結合格子壩之粒徑分佈圖... 84
圖 4.29 灌漿面板式壁壘衝擊試驗前... 84
圖 4.30 灌漿式壁壘受第一波衝擊後... 85
圖 4.31 灌漿式壁壘受第二波衝擊後... 86
圖 4.32 壁壘結合格子壩受衝擊前... 87
圖 4.33 壁壘結合格子壩受第一波衝擊後... 88
圖 4.34 壁壘結合格子壩受第二波衝擊後... 89
圖 4.35 各區土石過篩百分率... 90
圖 5.1 回包式加勁壁壘示意圖(張馨文，2016) ... 95
圖 5.2 加勁壁壘... 95
圖 5.3 撞擊壁壘時壅高情形... 96
圖 5.4 土石流衝擊壁壘之前端速度... 97
圖 5.5 最終堆積與淘刷示意圖... 98
圖 5.6 壁壘角隅受損圖... 99
符號說明
符號 單位 說明
b mm 格子壩間距
𝑪𝑫 體積濃度
Cd 曲率係數
Cu 均勻係數
Dr % 相對密度
D10 mm 有效粒徑
D30 mm 通過 30%重量所對應之粒徑
D50 mm 中值粒徑
D60 mm 通過 60%重量所對應之粒徑
𝑫𝒎𝒂𝒙 mm 最大粒徑
F N 衝擊力
Gs 比重
H cm 壁壘高度
𝑰𝒎 模型之物理量
𝑰𝒑 原型之物理量
L cm 壁壘長度
LL 液性限度
PI 塑性指數
PL 塑性限度
Sf 比例因子
t sec 時間
V cm3 土石流體積
v m/s 土石流速度
𝑽𝒔 cm3 土石體積
W cm 壁壘寬度
𝜸 kN/m3 土壤單位重
𝜸𝒅,𝒎𝒂𝒙 kN/m3 最大乾單位重
𝜸𝒅,𝒎𝒊𝒏 kN/m3 最小乾單位重
𝜽 ˚ 河道之坡度
λ 尺度因子
𝝆 t/m3 材料密度
𝝆𝒎 t/m3 土石流密度
𝝆𝒔 t/m3 土石密度
𝝆𝒘 t/m3 水密度
ψ ˚ 土壤內摩擦角
ω % 含水量
第一章 緒論
1.1 研究背景
台灣地區有 70%的面積為山地和丘陵，加上位處歐亞板塊與菲律賓海板塊交 界，坡陡流急、地質破碎；然而近年來全球暖化氣候變遷，造成強降雨頻率大增、
極端強颱襲擊台灣本島事件增加，使得山區坡地災害如崩塌、土石流頻傳。
1.2 研究動機
近年來土石流造成的重大災害頻傳，所受的重視因而提高，其實早在民國 48 年發生的八七水災，在彰化、苗栗、南投一帶，即造成土石流埋沒村莊。該 水災共造成千人死亡、受災面積達千平方公里。但早期土石流偶才有發生，並未 受到重視，直到 71 年西仕颱風造成北部五股、泰山地區相當大的災情後，土石 流的研究方才受到重視。更由於民國 88 年的集集大地震，造成中部山區產生大 量的崩塌土石，其後每當豪雨來臨時，即易發生大小規模的土石流；如民國 90 年桃芝颱風及納莉颱風襲台所帶來的豪雨，也造成台灣各地發生多起土石流災害，
尤以中部南投地區災情最為慘重。近年來，有 98 年莫拉克颱風侵襲台灣，在中 部、南部以及東部山區，降下近 3000 mm 的雨量，超出了 200 年暴雨頻率，造 成大規模之山崩、土石流等災害，使得土石流成為研究的主要對象。因全臺的土 石流潛勢溪流多位於南投地區，故本研究即參考南投豐丘礫石型土石流為模擬對 象。
再者，近年來加勁擋土結構物已廣為應用於阻擋落石、土石流及海嘯洪水侵 害(Brandl, 2011; Fowze et al., 2012)，但大部分的研究著重於加勁結構物受垂直載 重的影響，對於受側向力及其破壞機制仍有多研究空間。Strouth et al. (2012)曾 介紹應用加勁擋土牆搭配拱型格子壩，於加拿大新護岸工法的施作案例。有鑑於 此，本研究進行加勁擋土結構並搭配格子壩的物理模型試驗，探討土石流運動過
程的行為，並追蹤顆粒的位移與速度，以及透過格子壩後流體之粒徑分析，期研 究結果提供防治土石流參考。
1.3 研究方法
本 研 究 利 用 物 理 模 型 試 驗 對 模 擬 土 石 流 撞 擊 地 工 織 物 加 勁 土 (Geosynthetic-Reinforced Soil, GRS)所建壁壘，並搭攔砂格子壩進行試驗。第一部 分僅針對加勁壁壘，在試驗過程中，利用數位攝影機記錄土石流運動的過程，再 利用質點影像速度法(Particle Image Velocimetry, PIV)和顆粒追蹤速度法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)求得流場方向與速度。安裝荷重計在壁壘面板後方量 測所受衝擊力，並觀察壁壘受土石流衝擊後的牆面變形、牆基淘刷與堆積、土石 堆積型態等現象。第二部分為增設攔阻結構物，即格子壩，並利用與第一部分相 同的紀錄測量方式。最後，再根據試驗結果比較兩者的各別行為，以及整合不同 壁壘形式的試驗結果。研究流程請參閱圖 1.1。
1.4 研究內容
本論文的研究內容共可分為五章:
第一章 緒論
說明研究背景、動機與目的及研究方法。
第二章 文獻回顧
概述土石流特性，簡介 PIV 與 PTV 之分析方法和應用，回顧加勁結構物與 攔阻結構物的相關研究。
第三章 土石流模型試驗
介紹模型配置、試驗材料以及模型試驗的步驟與內容。
第四章 模型試驗結果
將模型試驗的影像進行速度分析，整理不同情況下之試驗結果，並觀察土石
流運動過程與衝擊後淘刷與堆積。最後，整理各項觀察，並比較有無放置格子壩 時灌漿面板壁壘不同條件下之結果。
第五章 綜合不同型式之壁壘比較
根據前人所作回包式與黏接式加勁壁壘之研究，加上本研究之灌漿面板式加 勁壁壘進行整理歸納比較。
第六章 結論與建議
整合第四、五章所得之試驗及分析結果，提供土石流防治新工法的建議。
文獻回顧整理
模型因次分析
模型材料試驗與儀器校正
模型砂箱試驗
灌漿面板加勁壁壘試驗之 土石流衝擊試驗
灌漿面板加勁壁壘結合格子壩 之土石流衝擊試驗
速度分析、衝擊力分析、堆積淘刷分析、土石篩分析
結果分析與比較
結論與建議 加入前人所作回包式
壁壘與黏接式壁壘衝 擊壁壘試驗結果
圖 1.1 研究流程圖
第二章 文獻回顧
本章首先介紹加勁結構物相關文獻及應用於現地案例，接著是對土石流定義、
分類、特性、防治方面的簡介，最後是影像量測技術分析方法於物理模型之應用。
2.1 加勁結構物
2.1.1 地工合成材加勁土結構
加勁結構物因設計方法不同，可以分為力學穩定式 Mechanically Stabilized Earth (MSE)與地工合成材加勁土 Geosynthetics Reinforced Soil (GRS)，兩者主要 的不同為加勁材垂直間距(𝑆𝑣)。MSE 的加勁間距大，視加勁材為提供背拉能力之 材料，以致加勁材所需抗張強度較高；GRS 加勁間距小(0.15-0.3m)較密集，而把 土壤和加勁材視為一複合材料，加勁材不需具高抗張強度。本研究選擇 GRS 做 為模擬壁壘結構物，由加勁區及面板組成，如圖 2.1 所示。加勁區為填築土壤並
在其中分層鋪設加勁材堆疊而成，土壤則加以夯實提高相對密度。原理係透過加
勁材抗張能力及加勁材與土體間產生的摩擦阻力提供互鎖效應，以穩定土體、增 加整體結構抗剪強度抑制外力變形。Yang (1972)以及 Schlosser and Long (1972)說 明加勁之原理如圖 2.2。面板部分以混凝土灌漿或疊塊，抑或是其他材料構築而 成，可防止加勁區土壤流失、防火(混凝土)及抑制側向壓力變形。
美國聯邦公路管理局(Federal Highway Administration, 2011)出版手冊中提到 地工合成材加勁土(GRS)的優點:
(1) 具有柔韌性(flexible)，有較佳的能力抵抗差異沉陷及變形；
(2) 加勁材不須具高抗張能力、垂直間距小，與土壤形成一複合材料能提供較多 抗剪力與拉拔阻抗能力；
(3) 加勁材鋪設具施工彈性，不須與牆面做連結，隨施工地點調節牆面與高程；
(4) 垂直牆面可減少占用空間，且施工容易、經濟性佳，面板部分有較佳的抑制
牆面受撞擊與牆基淘刷，損害後亦能穩定。
2.1.2 加勁工法文獻
Yasuhara and Recio-Molina (2007)進行河岸保護工法研究，進行兩階段的流槽 模型試驗，不同回包型式加勁護岸( Geotextile Wrap-aroung Revetments, GWRs) 以浪高與波浪週期為變因，試驗裝置與護岸型式如圖 2.3 和圖 2.4 所示。第一階 段探討回包式、縫接式、灌漿式三種加勁護岸受波浪沖擊之效能，並比較破壞機 制。第二階段則針對基礎淘刷問題進行研究。從研究結果可發現破壞最嚴重的位 置大都是發生在水面交界處，變形原因為波浪順坡面下刷，水流對加勁材施加向 外拉力而發生破壞。經改良後的加勁護岸有助於提升結構的穩定性，其中灌漿式 因整體勁度上升，穩定性佳、垂直位移小，而縫接式可改善加勁材拉出的破壞，
也能抵抗基礎淘刷、差異沉陷等變形，如圖 2.5 所示，但仍須進行基礎保護。
Recio and Oumeraci (2007)採地工織物內填砂土的地工砂腸袋(Geotextile Sand Containers, GSCs)堆疊成護岸形式，藉由大型水槽試驗探討砂袋變形對護岸 結構穩定的影響，並以荷重元(Load cell)量測砂袋間壓力與質點影像速度法 (Particle Image Velocimetry, PIV)分析速度，圖 2.6 為試驗配置圖。若波形為未碎 波浪，實驗結果與前述 Yasuhara and Recio-Molina (2007)研究結果相同，即水面 交界處的破壞最嚴重，且沿護岸面下刷的水流對結構穩定影響大。袋內砂土因受 水流帶動而位移，使土袋變形、與層間接觸面積減少，進而降低層間阻抗，導致 結構不穩定。當波高變大而產生碎波時，雖會施加一集中且較大的壓力於坡面上，
但碎波之影響時間極短，因此其對整體穩定性影響小。
Soudé et al. (2013)利用實驗與數值模擬去探討蜂巢格網(Geocell)加勁檔土牆 受水平衝擊力作用的行為，實驗配置可見圖 2.7。其利用兩種不同材料為加勁材 做為實驗變因，並且利用數值模擬去驗證實驗結果(圖 2.8)，雖然數值模擬仍與 實驗有差異，但可以觀察出運動反應的定性行為，並點出數值模擬軟體最大的困
難之處在於如何去計算因撞擊而能量消散的問題。
張馨文(2016)透過砂箱試驗模擬土石流與土石流衝擊加勁壁壘，透過架設量 測裝置(圖 2.9)測得土石流衝擊力(圖 2.10)，利用影像分析土石流速度，並觀察 回包式壁壘與黏接式壁壘於衝擊後之變形。
2.2 土石流介紹
2.2.1 土石流定義
土石流的定義各方說法不盡相同，大致是指泥、砂、礫及巨石等材料與水體 之混合物，受重力作用為主、水流作用為輔，以流動方式由高處往低處行進。以 下列出各學者對土石流定義提出的闡述:
土石流之特徵為先端部含有巨大之礫石群，具衝擊力與破壞力、直進性強，
後續部則有泥流或高濃度之土砂流。先端部在 4-10°之地形停止，常成災害主因。
(土屋昭彥，1980)
認為土石流係水與土砂礫石之混合物 , 由於水之作用而流動之連續體 (Continuum) 。(蘆田和男、高橋保，1983)
一個大型的波狀運動，沿著河谷順流而下，其中夾雜了許多固體的和流體的 組成物質，在移動的過程中，少部分波的移動速度較快而覆蓋到前方流動的土石 之上，造成不斷的重疊現象。（Johnson and Rodine, J. R. ,1984）
土石流是由土、石、與水混合成一流體之集體搬運，而流體中含有礫石、細 粒砂、流木等，以礫石為頭部之滾動、滑動、跳躍向下運動。（張立憲，1985）
土石流為土石與水之混合體，其運動型態為集體搬運；與水流沖刷河岸或河 床沖淤之個別搬運不同。（黃宏斌，1991）
土石流是泥、砂、礫及巨石等物質與水之混合物，受重力作用所產生之流動 體，水與固態物質間因充分混合之結果，使土石流運動型態與力學機制，脫離一 般牛頓性流體範疇，而呈現較複雜之力學機制。發生時往往因為其流速快、具突
發性、衝擊力強及破壞性大而造成許多嚴重災情。(水土保持手冊，1992) 土石流乃風化土壤、崩積土或溪床堆積物因飽含水分而沿斜坡或溪床發生急 速流動之現象。（張石角，1995）
土石流是一種高濃度水、砂混合兩相流，具有大量土砂礫石集中，並呈隆起 之先端部而以段波型態做高速運動的流動體。（連惠邦，1996）
山崩後的土石或泥漿堆積在溪床或河谷中，在遭受豪雨侵襲或溪床逕流時，
此堆積物便形成高含水量之黏稠狀液體順坡潰洩而下。（洪明瑞，1998）
土石流是泥、砂、石與水的混合流體，在重力作用下，沿自然邊坡流動的現 象。其外觀有如預拌混凝土，主要的特徵為流速快、泥砂濃度高、沖蝕力強、衝 擊力大。(詹錢登，2000)
在台灣，土石流大多在豪雨期間發生在山坡地或山谷之中，其外型與一般常
見之混凝土砂漿極為相似，因此又被喻成 『天然預拌混凝土』。土石流為土壤沖
蝕之一種特殊形態，常伴隨崩塌或地滑等沖蝕形態同時或延後出現。(土石流概 論，2003)
土石流定義為土、泥、砂、礫等材料與水混合物，以重力作用為主，水流作 用為輔之高濃度含砂流體。固體材料在運動過程中因相互碰撞及動量傳遞而產生 連續且永久性之變形，水體在固體材料間扮演潤滑作用，可以降低流動過程中之 阻力，促進水土混合體作持續性流動。(水土保持手冊，2005)
2.2.2 土石流特性
土石流發生基本條件有三: (1)豐富的鬆散土石；(2)足夠的坡度；(3)充足的水 分，且與發生區內崩積層厚度、地質組成、地形趨勢、水文條件等相關，以下整 理自水土保持手冊(2005)關於土石流之主要特性:
(1) 類別
(a) 依固體土砂材料來源及其啟始位置之不同，可將土石流發生概分為以下五
種類型:崩塌型、潰壩型、溪流沖刷型、地滑型、火山爆發型。
(b) 依泥砂體積含量區分可分以下四種:挾砂水流、高含砂水流、土石流、地 滑，如表 2.1 所示，土石流之體積濃度介於 0.27-0.75。
(c) 依粗、細泥砂之含量，可以概分為礫石型土石流與泥流型土石流，如表 2.2。
(2) 流動
(a) 土石流呈間歇性之流動，當前端部分受阻而停止時，其後續部分會因慣性 作用而壅高，並因壓力加大迫使前端再次流動。
(b) 土石流於流動中之橫斷面，在前端部分其中央呈隆起之形狀，而後端之中 央呈凹陷之形狀，如圖 2.11 所示。
(c) 土石流表面流速高於其平均速度，顯示土石流具有表面快而底部慢之流速 分佈特性。
(d) 土石流流速與其粒徑分佈、濃度及溪谷坡度有關。一般來說礫石型土石流 流速介於 3-10 m/s，泥流型則是 2-20 m/s。
(e) 土石流流動因動量大、直進性強，常於凹岸側產生壅高或是越過凸岸之堤 防與護岸。因此特性會直接撞擊阻礙物，又因巨礫集中於前端，破壞力大，
常發生沖毀結構物及對坡趾與床面造成淘刷。
(3) 坡度
(a) 土石流發生地點坡度大約 15°-30°，流動坡度為 5°-10°，而堆積區坡度則 是 3°-5°，若坡度大於 30°則是以崩落型態發生。
(b) 當土石流流經溪床坡度變緩或溪幅變寬，流動體有脫水現象，使其流動性 降低，而逐漸停止流動並產生堆積現象。
(4) 堆積
(a) 當土石流流出谷口時，因狹窄流路變寬且坡度變緩，使其向兩側擴張並堆 積呈扇型堆積。
(b) 土石流堆積扇是由多次土石流以輻射狀擴散堆積而成，堆積進行時，雖因 坡度變緩流動亦減緩，破壞力減弱，但大量土砂仍具有淹沒結構物之能 力。
(c) 堆積扇橫斷面以扇緣隆起處之粒徑較大 而靠近谷口之扇基部較小，縱斷 面的堆積分佈多為大粒徑在上、小顆粒在下，在上面上可見許多耳狀或舌 狀之堆積形狀。(游繁結，1998)
(5) 濃度
泥砂體積濃度之設計值，除少數採用現地觀測值外，大部分是以高橋保(1997)
理論公式為進行估算，將膨脹流體觀念，建立流動中土石流泥砂體積濃度𝐶𝐷可以
下式計算，適用於土石流先端部(forefront)之飽和泥砂體積濃度估算 𝐶𝐷 = 𝜌𝑠𝑡𝑎𝑛 𝜃
(𝜌𝑠−𝜌𝑤)(tan 𝜙−tan 𝜃) (2.1) 其中
𝜌𝑠: 土石之密度 𝜌𝑤: 水之密度 ϕ: 土石之內摩擦角 θ: 溪床坡度
土石流積濃度𝐶𝐷是指單位土石流體積中黏土、砂、礫及巨石等固態物質所佔 體積百分比。常見土石流模型試驗之體積濃度約介於 0.45-0.55 間，本研究選擇 𝐶𝐷 = 0.5做為模擬參數。
(6) 土石流衝擊力
土石流因前端巨、礫石集中，直 進力強，以致衝擊破壞能力大。衝擊力的 估算已成為設計整治的重要評估之一，根據施瑋庭(2014)整理前人學者提出土石 流衝擊力估算公式，如表 2.3 所示，可得知衝擊力會受到流速、流體密度、顆粒 最大粒徑等參數影響。
2.2.3 土石流災害
土石流對活動區內的結構物及人類生命造成直接破壞，同時大量土砂進入河 道甚至堵塞河道。由於土石流規模、性質、地形條件的不同，所造成的危害也不 同，常見的危害有:淤埋、沖刷、磨蝕、撞擊、堵塞、漫流改道、擠壓主河道、
彎道超高等。
臺灣地區有 1687 條土石流潛勢溪流，以南投地區數量最多。南投豐丘地區 多次發生土石流災害，民國 85 年賀伯颱風造成豐丘上游地區土石中斷道路與損 害用地，大量堆積的土石於河道使溪水高漲，而小規模土石流仍持續發生，造成 破壞及救災阻礙，故本研究選定豐丘地區礫石型土石流為模擬土石流之參考對象，
參考歐泰林(2004)針對陳有蘭溪流域之豐丘地區所進行的研究，從現地採樣並進 行基本物理性質試驗(表 2.4)與土石顆粒篩分析(徑粒分佈曲線如圖 2.12 )。
2.2.4 土石流防治
土石流屬於再生性高之土砂運動，因此土石流防治目標係依照土石流的發生、
流動與堆積，規劃適合之措施。土石流之整治，早期多採用重力式防砂壩，因其 有穩定岸坡、提高沖刷基準面，且可轉換土砂搬運型式之優點。但壩體本身之透 水性差，且儲砂空間易被淤積，也無法淘選砂石，易造成對生態及環境的衝擊，
使溪流中魚類生態失衡、下游溪床淘刷、並因儲砂空間淤滿而無法利用，因此近 年來多改用開口式防砂壩。目前較為熟知的，主要有切口壩、梁式壩、梳子壩、
立體格子壩與水平透水柵等。根據何敏龍(1997)針對立體格子壩與梳子壩進行試 驗，所得攔阻效果最佳之間距 b 與最大粒徑𝐷𝑚𝑎𝑥之關係:
立體格子壩: b/𝐷𝑚𝑎𝑥≤ 1.5 梳子壩: b/𝐷𝑚𝑎𝑥≤ 1.7
並根據上述研究，整理出各種不同開放式壩(如圖 2.13)之土石體積濃度降低 能力、土石流量，貯砂率等防治功效，如表 2.5 所示，故本研究選擇立體格子壩
做為土石流防治攔阻結構物。
2.2.5 現地案例
在加拿大 Strouth et al. (2012)以地工加勁擋土牆搭配拱型格字壩作為土石流 整治工法。此工法包含構築 GRS (geosynthetic-reinforced soil)護岸來引導水流及 支撐鋼製拱型格子壩(圖 2.14)。此 GRS 結構牆趾以拋石保護，並將牆面內 1m 範 圍之卵石間灌漿和牆面噴漿，以抵抗土石流之撞擊及淘刷；而格子壩於常水位時 可讓魚類、沉積物、泛舟等通過，但高水流時則用於阻擋土石、木頭等。根據監 測資料，牆面最大水平位移小於牆高之 0.1%，牆頂之沉陷也極微，可能是因牆 面灌漿的緣故，也可能因尚未經歷土石流的檢驗。
2.3 影像速度分析
對於顆粒流動速度與位移的量測，早期的侵入式量測導致流體受干擾，而非 侵入性方法包括核磁共振影像( magnetic resonance imaging )、X 光影像( X-ray imaging)需昂貴費用。質點影像速度法(Particle Image Velocimetry, PIV)與質點追 蹤速度法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)則兼具兩者優點。PIV 與 PTV 皆使 用互相關演算法，而其中使用的數學插分方法，前者為尤拉法，後者為拉格朗法。
PIV 將量測範圍內所拍攝之影像切割成數個區域，擷取每個區域中之特徵圖 像，由特徵圖像進行影像匹配，因此由特徵圖像所計算出之移動速度即代表其單 一區域之移動速度，也就是說一個區域只會有一個速度值，若影像如果切割之區 域越多，所計算出速度值也會越多，但其計算時間也會越長。PIV 原理示意圖，
如圖 2.15(a)所示。White et al.(2003)認為 PIV 分析會受到攝影機角度、鏡頭成像 扭曲、光的折射與反射等因素影響而降低準確度。
PTV 原理是追蹤影像中之特徵點(例如：浮標、螢光顆粒等)，可以計算出每 一個特徵點的移動速度，也就是說當影像中的特徵點越多時，可得出越多的速度
值，但若有太多相同特徵的特徵點在影像中，易出現匹配誤判之情形。PTV 原 理示意圖，如圖 2.15(b)所示。
PIV 與 PTV 已被廣泛利用於顆粒流場分析，Lueptow et al.(2000)欲追蹤受到 垂直振動之顆粒流基底的位移，探討其堆積與對流現象，使用儀器如圖 2.16 所 示，透過不同顏色之玻璃珠其灰階差異，使得 PIV 可以準確的得到顆粒位移，
如圖 2.17 所示。Sarno et al. (2014)認為土石流的顆粒不均，會導致 PIV 判斷有 誤差，因此建議分析區域大小至少為顆粒最大移動距離之四倍。Gollin et al. (2015) 根據流場顆粒密度不同，採用 PIV 和 PTV 不同分析技術去進行分析，使用儀器 設備如圖 2.18 所示，當流體顆粒密度高，使用 PIV 結果較佳，當顆粒分佈不均，
則使用 PTV 追蹤特定質點進行分析，適用於流體表面速度，如圖 2.19。
張馨文(2016)利用 PIV 與 PTV 速度分析技術於砂箱模型試驗模擬土石流流 速，利用此速度分析法得到土石流前端速度與平均表面速度，如圖 2.20 所示。
表 2.1 依泥砂體積濃度含量區分含砂水體的運動型態(土石流概論，2003)
泥砂體積濃度𝐶𝐷 (%) 比重 運動型態
0-3 1.0-1.05 挾砂水流
3-27 1.05-1.45 高含砂水流
27-75 1.45-2.24 土石流
75-100 2.24-2.65 地滑
表 2.2 依組成顆粒粗細含量區分土石流類型(水土保持手冊，2005)
土石流類型 粗細顆粒含量
礫石型土石流 粒徑 0.1mm 以下之細顆粒泥砂含量小於 10%，且粒徑
2.0mm 以上之石礫含量超過 50%者
泥流型土石流 粒徑 0.1mm 以下之細顆粒泥砂含量超過 50%，且粒徑
2.0mm 以上之礫石含量少於 10%者
表 2.3 土石流衝擊力理論公式(施瑋庭，2014)
學者 土石流衝擊力理論式 符號
游繁結 (1990)
𝑝 = √𝐷𝑚𝑎𝑥𝜌𝑢2/2𝑔 𝑝: 土石流流體衝擊壓力(t/m２) 𝐷𝑚𝑎𝑥: 泥沙最大粒徑(mm) 𝜌:土石流密度 (t/m3) 𝑢:土石流流速 (m/s) 𝑔:重力加速度 (m/s２) 林炳森、林
基源(1999)
𝑝 =𝛾𝑚
𝑔 𝑣2 𝑝: 土石流流體動壓力(t/m２)
𝛾𝑚: 土石流單位重(t/m3) 𝑔: 重力加速度(m/s２) 𝑣:土石流流速(m/s) 詹錢登
(2000)
𝑝𝑑 = 𝜌𝑚𝑈2 𝑝𝑑:土石衝壓力(t/m２) 𝜌𝑚:土石流密度 (kg/m3) 𝑈:土石流流速 (m/s) 連惠邦
(2005)
𝑝𝑓= 𝛼𝛾𝑚 𝑔 ℎ𝑑𝑈𝑑2
𝑝𝑑 = 12.0𝑈𝑑1.24𝐷𝐸2(日本經驗公 式)
𝑝𝑑 = 0.2𝑁𝜔1.5(理論公式) 式中ω = (5𝑈𝑑2
4𝜂𝑁)
0.4
N = [ 8𝐷𝐸 9𝜋2(𝑘1+𝑘2)2]
0.5
𝜂 = 1
𝑀𝑑；𝑘1 = 1−𝑣12
𝜋𝐸1； 𝑘2 =1 − 𝑣22
𝜋𝐸2
𝑝𝑓:土石流流體力(t/m) 𝛼 ≈ １
𝑔:重力加速度(m/s２) ℎ𝑑:土石流流深 (m) 𝑈𝑑:土石流流速 (m/s) 𝛾𝑚:土石流單位重(t/m3) 𝑝𝑑:礫石撞擊力(t) 𝐷𝐸:設計粒徑(m) 𝑀𝑑:礫石質量(kg)
𝑣1、𝑣2:混凝土、礫石柏松比 𝐸1、𝐸2:混凝土、礫石彈性模數 (kg/m２)
表 2.4 豐丘地區採樣之基本物理性質(歐泰林，2004)
地點 南投豐丘
最大粒徑 (mm) 381 (15")
通過#4 百分比(%) 28
通過#200 百分比(%) 3
𝑫𝟏𝟎(mm) 0.27
𝑫𝟑𝟎 (mm) 6
𝑫𝟓𝟎 (mm) 20
𝑫𝟔𝟎 (mm) 40
均勻係數𝑪𝒖 148
取率係數𝑪𝒅 3.3
液性限度𝐋𝐋 -
塑性限度𝐏𝐋 -
塑性指數𝐏𝐈 NP
USCS 土壤分類 GP
#4 以下土壤比重 2.71
礫石平均比重 2.71
註:𝐷𝑥，x為累積通過百分比
表 2.5 不同種類開放式壩對土石流防治之效果(整理自何敏龍，1997)
立體格子壩 階梯式格子壩 柱狀梳子壩 梳子壩
降低濃度 佳 差 最佳 差
降低流量 最佳(又以兩層最佳) 佳 差 最差
粗細顆粒分離 最佳(又以四層最佳) 佳 差 最差
儲砂率 最佳 佳 最差 差
圖 2.1 地工合成材加勁結構物斷面圖(FHWA, 2013)
圖 2.2 加勁原理示意圖(重繪自 Yang, 1972; Schlosser et al., 1974)
圖 2.3 流槽試驗配置(Yasuhara and Recio-Molina, 2007)
(a)
(b)
(c)
圖 2.4 不同護岸加勁型式: (a)回包式；(b)縫接式；(c)灌漿式(Yasuhara and Recio-Molina, 2007)
圖 2.5 加勁護岸的破壞歷程示意圖(Yasuhara and Recio-Molina, 2007)
圖 2.6 流槽試驗配置圖(Recio and Oumeraci, 2007)
圖 2.7 蜂巢格網擋土結構受水平衝擊配置圖(Soudé, M. et al. , 2013)
(a)
(b)
圖 2.8 受水平衝擊變形圖: (a)試驗模型；(b)數值模型模擬撞擊前後(Soudé, M. et al. , 2013)
圖 2.9 土石流衝擊力試驗配置圖(張馨文，2016)
圖 2.10 土石流試驗衝擊力(張馨文，2016)
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 1 2 3 4 5
Impact force,F(N)
Time,t(s)
V=10000(middle) V=10000(side) V=20000(middle) V=20000(side)
圖 2.11 土石流流動過程之橫縱斷面圖 (水土保持手冊，2005)
圖 2.12 豐丘地區粒徑分佈曲線 (歐泰林，2004)
(a) (b)
(c) (d)
圖 2.13 不同型式開放壩: (a)立體格子壩；(b)階梯式格子壩；(c)柱狀梳子壩；(d) 梳子壩(何敏龍，1997)
(a)
(b)
圖 2.14 GRS 護岸與鋼製拱型格子壩: (a)上下游視角圖；(b)GRS 擋土牆剖面構造 圖(Strouth et al. , 2012)
(a)
(b)
圖 2.15 速度分析法原理示意圖: (a)PIV；(b)PTV(Liu et al. , 2016)
圖 2.16 垂直振動模型試驗儀器示意圖 (Lueptow et al. , 2000)
(a)
(b)
圖 2.17 顆粒流動:(a)影像圖；(b)PIV 分析位移向量(Lueptow et al. , 2000)
圖 2.18 研究乾顆粒流動試驗側視圖(Gollin et al. , 2015)
(a) (b) (c)
圖 2.19 於顆粒分析模式示意圖:(a)珠子顆粒影像圖；(b)PIV 速度向量；(c)PTV 位移向量(Gollin et al. , 2015)
(a)
(b)
圖 2.20 土石流速度分析: (a)前端速度(PIV)；(b)平均表面速度(PTV)(張馨文，
2016)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Velocity (m/s)
Time (s)
V=10000 V=20000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Velocity (m/s)
Time (s))
V=10000 V=20000
第三章 土石流衝擊模型試驗
本章將分別敘述室內物理模型試驗所使用的邊坡模型設計與介紹試驗設備、
適合的模擬材料性質，最後介紹試驗的整體內容與流程。
3.1 模型設計與實驗設備
3.1.1 模型相似性
欲利用室內模型試驗模擬現地原型(prototype)之破壞或力學行為，須先符合 模型相似性，具備幾何相似性、運動相似性與動力相似性之條件，將現地的尺寸 縮小到室內試驗仍能反映真實情況。模型相似性指模型與原型間之物理量有下列 數學關係:
𝐼𝑝=𝑆𝑓𝐼𝑚 (3.1) 其中
𝐼𝑝 = 原型之物理量 𝐼𝑚 = 模型之物理量
𝑆𝑓 = 比例因子(scale factor)
根據白金漢理論(Buckingham’s theorem)，可將方程式中的多項變數轉化成較 少項的無因次乘積(dimensionless products)，以透過簡化減少探討的變數項。本研 究參考陳榮河、紀柏全(2010)所列出室內試驗變數的尺度因子與各物理量間關係 (表 3.1) ，藉由此關係找出土石流衝擊模型試驗中各項參數大小(表 3.2)。
3.1.2 模型砂箱
本研究之砂箱模型示意圖如圖 3.1(a)所示，砂箱長 140cm、寬 30cm、高 68cm，
三面由 1cm 厚強化玻璃組成，另一面為 1cm 厚鋁製面板。供土設備置於滑道面 上方，為一長 30cm、寬 30cm、高 80cm 的壓克力盒(如圖 3.1(b)所示)，其開口
大小為 30cm × 10cm，且使用底面邊寬為 10.5cm、長為 29.5 之正三角柱塞住開 口，當試驗進行時，以鋼線連接此三角柱與上方滑輪組將之抽離開口，使土石級 配流下。
流動段滑道為坡度 15°以保麗龍舖成(圖 3.2(f))，此外，在供土設備的正下 方擺設一保麗龍製的緩衝滑道(圖 3.2(g))，以免土石流落下的過程顆粒產生彈 跳。
流動段下接為堆積區，當試驗進行時會在堆積區部分擺放加勁壁壘(圖 3.2(d))與回填坡度 15°的覆土(圖 3.2(e))以連接流動段滑道。另外，當進行灌漿面 板式加勁壁壘結合格子防砂壩試驗時會將鋼製格子壩放在流動段與堆積區交接 處，試驗配置見圖 3.3。
3.1.3 攝影設備
當模型試驗進行時，架設三台高畫素數位攝影機記錄土石流流動過程，與衝 擊加勁壁壘後河道淘刷、堆積及壁壘本身變形位移等。型號為 Sony HDR-CX405、
Sony HDR-RX260 及 Sony HDR-PJ50，動態解析為 200 萬畫素(1920×1080)，擷 取速度為每秒 30 張影像，架設位置(圖 3.2)、方法與目的分別敘述於下:
(1) 固定於框架上方，與壁壘正交，以觀察土石流衝擊壁壘的行為(圖 3.4(a))；
(2) 對正模型砂箱側面，將攝影機固定在三角架上，拍攝整體側面的流動衝擊過 程(圖 3.4(b))；
(3) 架設於堆積區與壁壘側面，以拍攝壩址部分淘刷或堆積的情形(圖 3.4(c))。
3.1.4 量測設備
(1) 荷重元件
荷重元件(Load cell)依量測原理之不同，可分為壓電晶體式與應變規式，本 研究使用的是壓電晶體式，即利用受力後產生電位差，再經轉換後得受力大小。
使用的型號為 Kyowa-LMBT-A-500N(圖 3.5) ，直徑為 16mm、厚 7mm 之圓盤體，
中間有一直徑 4.6mm 之突起，為荷重元件感測點。其最大荷重為 500N±0.3%、
反應速度為 37 kHz、適用溫度範圍為-20°C~120°C，一般用於分佈載重之量測，
校正曲線為圖 3.6。
荷重元件為量測土石流衝擊壁壘後所受力量大小，因此將荷重元件貼在土石 流衝擊壁壘面板的正後方(如圖 3.7(a)所示) ，感測點面向加勁材與回填土互層 ( 圖 3.7(b)) ， 因 此 量 測 為 背 填 土 之 被 動 土 受 力 。 紀 錄 儀 器 使 用 KYOWA PCD-330B-F(圖 3.8)，功能為結合了資料擷訊器與訊號放大器，並以 DCS-100A 軟體進行電腦記讀受力隨時間變化。
(2) 質點影像速度法(PIV)、質點追蹤速度法(PTV)
根據張馨文(2016)利用 PIV 分析土石流前端速度和 PTV 追蹤土石流表面平 均流速，皆有良好結果，因此本研究亦利用擷取之數位影像透過 Matlab 寫入 PIV 與 PTV 程式，分析出土石流撞擊障礙物時，流體速度隨時間變化的情形。
3.2 試驗材料
本小節介紹試驗中所需材料之基本物理性質，本試驗主要由三個主體組成:
加勁壁壘、土石流及格子壩，將會一一介紹
3.2.1 加勁壁壘
利用表 3.2 中所確定的各項物理量，即可透過物理試驗尋找合適材料應用於 模型上。
(1) 加勁材:利用張馨文(2016)選用之芙蓉宣紙為模擬材料，其抗張強度為 0.34 kN/m，單位面積質量為 33.88 g/m2。
(2) 回填土:選用石英砂，其基本物理性質如表 3.2，在加勁材層層堆疊過程中會 加以夯實，控制其相對密度在 55%。
(3) 混凝土灌漿面板:經由因次分析找到面板所需強度，利用洪晨瑋(2016)所做爐
石水泥改良高嶺土之強度特性中，所找特定配比與單壓強度關係，列於表 3.3，
在水泥與高嶺土比例為 75%、含水量為 2.2 倍液性限度此配比下，可知 3-7 天養護期間內會有所需之強度(1.8MPa)，因此做了一系列的試驗，單壓強度 1.83MPa 時，養護天數為 4.5 天(如圖 3.10)。
3.2.2 土石流
本研究採用歐泰林(2004)於南投陳有蘭溪流域之豐丘地區現場土石篩分析，
其土石基本物性分析如表 3.4 所示。由於室內實驗受限於儀器尺寸限制，土石顆 粒最大粒徑須小於模型最短邊長(30cm)的 1/6，即為 5cm，故將現地級配縮小尺 寸來模擬，如圖 3.11。
模擬粒徑級配的方法有三: (1)剝除法(Scalping of large size particles method)；
(2)平行級配法(Parallel gradation method)；(3)等重量替代法(Weight replacement method)。本研究採用等重量替代法，將 4 號篩以上(4.75 mm)之粗顆粒現地級配 曲線做改變，而 4 號篩以下之細顆粒保持與現地相同。此方法的優點為粗、細顆 粒含量之比例保持與現地相同、細粒料之含量與現地完全相同，無平行級配法細 粒料增加之問題，且礫石比重變化不大，可控制其乾密度與孔隙率與現地一致。
本研究選擇控制縮小最大粒徑，透過因次分析縮尺 15 倍(為 25.4 mm)來進行試 驗模擬粒徑，基本物性如表 3.4 所示，而粒徑分佈曲線可見圖 3.11。此外，為 了增加判示土石流流速的準確度與觀察土石流顆粒堆積的情形，將部分礫石顆粒 染色，使用之各種顆粒如圖 3.12 所示。
3.2.3 格子壩模型
根據何敏龍(1997)綜合各學者研究，設計原則採用格子距𝑏與顆粒最大粒徑 (25.4 mm) 𝐷𝑚𝑎𝑥之比值為 1.5，即單格子距為 38.1mm。模型格子壩旨在模擬現地 立體式之剛性金屬格子壩，因其高勁度材料在試驗進行中無變形為原則，故只考 慮格子間距對攔阻效果。格子壩使用鍍鋅鐵不銹鋼(俗稱白鐵)為材料，鋼棒直徑
為 0.4mm，以氬焊方式為連接鋼棒(圖 3.13)。
3.3 試驗規劃
3.3.1 試驗控制條件
(1) 河道坡度 15°
(2) 土石流型態:礫石型土石流 (3) 土石流體積濃度𝐶𝐷:0.5
體積濃度𝐶𝐷 =𝑉𝑠
𝑉，其中𝑉𝑠為土石顆粒體積、𝑉為土石流體積 (4) 土石流量體:第一波 10 公升、第二波 20 公升
(5) 障礙結構物:第一組為加勁壁壘，第二組為加勁壁壘結合格子壩 (6) 加勁材:芙蓉宣紙
(7) 回填土:石英砂，相對密度 55%
(8) 面板材料:爐石水泥混合高嶺土，厚度 3.3cm
3.3.2 探討內容
(1) 壁壘所受土石流衝擊力 (2) 壁壘變形
(3) 土石流前端速度變化 (4) 土石流平均流速變化 (5) 土石流流動過程
(6) 土石流發生後堆積型態
(7) 壁壘基礎覆土段之淘刷與堆積現象 (8) 堆積土石粒徑分析
3.4 試驗步驟
3.4.1 試體準備
(1) 加勁壁壘
(a) 組裝好三片木模板，將高嶺土、爐石水泥粉以特定比例和水，以攪拌機混合 (高嶺土需水重:水泥需水重=2:1)
(b) 把已灌好之面板放入養護箱中，其環境維持在濕度 96-100%之間、溫度 23-24
°C。
(c) 放置面板養護 4.5 天後，拿出並拆除木模板，放置於砂箱模型裡一保麗龍上 並用膠黏接三塊面板呈如圖 3.14 所示。
(d) 填入回填土，並以刮平刀夯實。每層厚度固定為 2cm，再放入加勁材。如此 填至 10 cm 與 12 cm 時，在灌漿面板正後方與背填土與加勁材之間固定三荷 重計，再層層堆疊至壁壘高至 40cm。
(2) 土石流級配
利用表 3.5 中兩波土石流所需的各粒徑重量均勻混和後倒入裝填容器中(圖 3.15)。
(3) 格子壩
第二組試驗為壁壘結合格子壩，將格子壩放於流動段與堆積段交接處(見圖 3.16)，假設格子壩在試驗過程中不變形，將格子壩與砂箱交接處用膠帶黏緊。壩 共由 7 層格子組成，最下一層埋於覆土段，其餘露出。
3.4.2 試驗流程
(1) 將供土設備架設在砂箱模型上方，並將三角柱塞子連結上方鋼線，塞於出 砂口。
(2) 在加勁壁壘基礎回填砂土，以延伸流動段之河道(如圖 3.17)
(3) 準備好之土石級配與水倒至供土設備中(第一波時將染色顆粒分層混合後 倒入，以觀察顆粒堆積分佈情形)。
(4) 開啟架設好之攝影機與電腦記讀。
(5) 拉啟拉桿、將塞子往上抽離，使土石流流下、衝擊壁壘。土石流顆粒將由 壁壘下方渠道流下以便將其收集回收。
表 3.1 模型試驗變數尺度因子與物理量間關係(整理自陳榮河、紀柏全，2010)
物理量 因次分析關係
幾何尺寸 𝐿𝑝
𝐿𝑚 = 𝜆𝐿
坡度 𝜃𝑝
𝜃𝑚 = 1
摩擦角 𝜙𝑝
𝜙𝑚 = 1
單位重 𝛾𝑝
𝛾𝑚 = 𝜆𝛾= 1
流速 𝑣𝑝
𝑣𝑚 = 𝜆𝑣 = 𝜆𝐿0.5
應力 𝜎𝑝
𝜎𝑚 = λσ = 𝜆𝛾𝜆L = 𝜆𝐿
抗張強度 (𝑇𝑢𝑙𝑡)𝑝 (𝑇𝑢𝑙𝑡)𝑚 = λ𝐿2
其中下標 p 代表原型(prototype)、m 代表模型(model)、λ代表尺度因子
表 3.2 原型與試驗中各項參數大小
物理量 原型* 模型
長 L (cm) 400 26.7
寬 B (cm) 400 26.7
高度 H (cm) 600 40
加勁材垂直間距 𝑆𝑣 (cm) 30 2
加勁材抗張強度 T (kN/m) 70 0.31
回填土單位重 γ (kN/m3) 26 26
面板單壓強度 σ (MPa) 27.5 1.83
面板厚度 t (cm) 50 3.33
*註:原型參數來自施瑋庭(2014)
表 3.3 水泥與高嶺土以特定比之養護天數與單壓強度(取自洪晨瑋，2016) 水 泥 / 高 嶺 土
(%)
含水量 (%)
養護天數 (日)
無圍壓縮強度 (Mpa)
75 2.2LL*
3 1.428
7 2.778
14 4.598
註: LL 為液性限度
表 3.4 豐丘地區現地土石流與室內模擬級配之基本物理性質
明坑地點 豐丘地區* 模擬土石流級配
最大粒徑 381 mm (15") 25.4 mm (1")
通過 4 號篩百分率(%) 28 28
通過 200 號篩百分率(%) 3 3
𝑫𝟏𝟎(mm) 0.27 0.27
𝑫𝟑𝟎(mm) 6 5.16
𝑫𝟓𝟎(mm) 20 10.5
𝑫𝟔𝟎(mm) 40 12.5
均勻係數𝑪𝒖 148 46.3
曲率係數𝑪𝒅 3.3 7.9
液性限度 LL - -
塑性限度 PL - -
塑性指數 PI NP NP
USCS 土壤分類 GP GP
4 號篩以下土壤比重 2.71 2.65
礫石平均比重 2.71 2.55
註:豐丘地區基本物理性質(歐泰林，2004)
表 3.5 試驗所需各粒徑土石重量(張馨文，2016) 第一波(土石流量體=10 ℓ)
篩號 粒 徑 大 小
(mm)
所佔重量百分比 (%)
比重 重量
(g) 3/8' 9.5 55.44 2.55 7187.37
#4 4.75 16.56 2.65 2146.88
#10 2 7.3 2.65 946.39
#40 0.425 8.1 2.65 1050.1
#200 0.075 9.6 2.65 1244.57
#200 以下 <0.075 3 388.93
100 12964.24
第二波(土石流量體=20 ℓ)
篩號 粒 徑 大 小
(mm)
所佔重量百分比 (%)
比重 重量
(g) 3/8' 9.5 55.44 2.55 14374.73
#4 4.75 16.56 2.65 4293.75
#10 2 7.3 2.65 1892.78
#40 0.425 8.1 2.65 2100.2
#200 0.075 9.6 2.65 2489.13
#200 以下 <0.075 3 777.85
100 25928.45
(a)
(b)
圖 3.1 砂箱模型示意圖: (a)側視圖；(b)俯視圖
*註:
(a) 電腦設備 (b) 記錄儀器 (c) 攝影機
(d) 灌漿面板式加勁壁壘 (e) 基礎覆土
(f) 滑道 (g) 緩衝滑道 (h) 供土設備
圖 3.2 土石流衝擊灌漿面板式壁壘試驗配置
*註:
(a) 灌漿面板式加勁壁壘 (b) 基礎覆土
(c) 格子防砂壩 (d) 滑道
(e) 緩衝滑道 (f) 供土設備
圖 3.3 土石流衝擊灌漿面板式加勁壁壘結合格子壩試驗配置
(a)
(b)
(c)
圖 3.4 攝影機架設角度: (a)與壁壘正交；(b)砂箱側面；(c)壁壘側面
圖 3.5 荷重元件
圖 3.6 荷重元件校正曲線
R² = 1
0 5 10 15 20 25
0 10 20 30 40 50
Voltage (V)
Load (kg)
(a)
(b)
圖 3.7 荷重元件擺設位置: (a)灌漿面板後側正視圖；(b)側視圖(Not to scale)
圖 3.8 紀錄儀器 KYOWA-PCD-330B-F
(a) (b)
圖 3.9 單壓試驗(a)單壓機；(b)單壓試體
圖 3.10 天數 4.5 日之單壓試體應力-應變曲線
圖 3.11 豐丘地區土石與模擬土石之粒徑分佈曲線(歐泰林，2004)
0.00E+00 5.00E-01 1.00E+00 1.50E+00 2.00E+00
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Stress (MPa)
Strain
test 1 test 2 test 3 test 4
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 3.12 模擬土石流之顆粒材料: (a)礫石；(b)#10 上之顆粒；(c)#4 上之顆粒；(d) 石英砂；(e)粉土(皆以五元硬幣大小做比例尺)。
圖 3.13 鋼製格子壩
圖 3.14 灌漿面板擺放至砂箱中之位置
圖 3.15 土石顆粒級配混和
圖 3.16 已填好砂之露出 6 層格子壩(從壁壘後方拍攝)
圖 3.17 回填覆土段
第四章 試驗結果與分析
本章將描述土石流衝擊(1)灌漿面板式壁壘與(2)壁壘結合格子壩之試驗結果，
內容包括試驗重複性檢驗、流體流動過程、流動速度分析、衝擊力、壁壘受衝擊 後變形、壁壘基礎覆土之淘刷、堆積，與衝擊後流體粒徑變化探討，及進行整理 比較。
4.1 重複性試驗
物理模型試驗需具有可重複性，可重複性是指在相同條件試驗下進行試驗，
試驗結果必須一致。本研究選擇灌漿面板式加勁壁壘受第一波土石流量體為 10 公升進行兩次實驗。兩次試驗結果所得速度如表 4.1 所示，可看出兩次的試驗結 果的前端速度值與趨勢皆非常接近(如圖 4.1 所示)，在撞擊點時會發生速度下降 至低點，分別為 2.42 m/s 與 2.44 m/s。此外，針對土石流衝擊後壁壘側的覆土區 淘刷堆積現象進行量測(圖 4.2)，兩次試驗的淘刷深度如表 4.2 所示為 1.90 cm 與 1.87 cm，堆積深度為 2.97 cm 與 2.90 cm，平均誤差分別為 1.59 %與 1.19 %。
由上述結果可以判斷，本模型試驗具有可重覆性。
4.2 土石流衝擊灌漿面板式壁壘
土石流量體分為兩波:第一波為 10 公升；第二波為 20 公升，本節對土石流 衝擊灌漿面板式壁壘試驗後，進行各項結果分析與現象觀察闡述。
4.2.1 流動過程
(1)側視圖
土石流流動過程如圖 4.3 所示，以流體落至流動區滑道為起點，經過 0.3 秒 後撞擊至灌漿面板，小部分土顆粒撞擊到壁壘後留在壁壘上游處，其餘的進入堆 積區。進入堆積區後，因水量逐漸滲入底下砂土，造成流體脫水而使土石堆積；
有部分則是流至後方壓克力擋板並流入下方收集桶。而隨著土石流量體增加(20 ℓ)，在流動過程中可看出流深明顯加大(如圖 4.4(b))。其在撞擊處壅高之現象也 更為明顯，會有些許顆粒噴至壁壘上方(圖 4.5)。
(2)俯視圖
因攝影機架設位置限制，以土石流進入攝影機視窗為起點的時間(如圖 4.6 所示)，約是 0.166 秒時。為了解土石流顆粒於流動與堆積順序的關連，在第一波 土石流將其中的礫石染色，填料順序為綠、藍、紅、黃(即由下至上)之礫石級配 混合其他小顆粒，可在圖中看出在流動段時先後順序為綠藍為先，而後紅黃之顆 粒往前覆蓋，顯示土石流前波停頓後，後波土石流覆蓋之流況。也可從圖中看出 流體在流動過程到撞擊到壁壘時，土石流流動斷面縮小而聚集到壁壘側邊的空 間。
在土石流衝擊加勁壁壘時，因撞擊而改變流體之流線，在壁壘角隅處產生漩 渦狀流動(圖 4.7)，隨土石流量體上升，漩渦狀加大，面板表面受流體之剪力增 加。
4.2.2 土石流速度
土石流速度可以運用在計算衝擊力的推估，例如分析出來之前端速度可代表 巨礫衝擊力計算使用，而平均流速則一般被使用在推估流體衝擊力。
(1)前端速度
使用 PIV 分析(圖 4.8(a))出土石流的前端速度歷時圖(圖 4.9)在撞擊點受阻 擋而有最低值(撞擊後因受壓克力板受阻之速度不算入比較內)，撞擊後流量與流 道均縮小，但流道段面縮小影響較大，因而速度上升，而後進入堆積區時，因脫 水使土顆粒開始堆積，速度乃呈起伏狀，速度趨勢下降。撞擊前，第一波土石流 前端速度介於 2.43-3.16 m/s。第二波量體較大，一開始流速較第一波慢(圖 4.10)，
流速介在 1.72-2.64 m/s，受到第一波殘留在坡面上之顆粒影響，因而速度變化跳
