岩質河床沖蝕特性及其對邊坡及河道穩定的影響---子計畫二：軟岩質河床的沖蝕調查、試驗及沖蝕率模式建立

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□期中進度報告行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■期末報告

岩質河床沖蝕特性及其對邊坡及河道穩定的影響

子計畫二：軟岩質河床的沖蝕調查、試驗及沖蝕率模式建立

計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫計畫編號：NSC 98－2221－E－009－152－MY3 執行期間： 98 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日執行機構及系所：國立交通大學土木工程學系

計畫主持人：廖志中共同主持人：

計畫參與人員：鄭孟雄、黃明萬、郭炳宏、吳佳諺、戴文蕙、李聰吉、

羅楚鈞、吳禹霆、陳志強

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 __1_ 份：

□移地研究心得報告

■出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

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目錄

中文摘要... II Abstract ... II

一、前言...1

二、研究目的...1

三、文獻探討...1

(一)岩石河床的沖刷機制...1

(二)岩床沖蝕個別機制之既有簡化模式及岩石河床的沖蝕模式...4

(三)岩石河床抗沖蝕能力...6

(四)岩石河床沖蝕試驗...8

四、研究方法... 11

(一)文獻收集與整理...13

(二)航照數位高程地形圖(DEM)製作 ...13

(三)主要高沖蝕軟岩河床河段沖蝕調查...13

(四)沖蝕機制及沖蝕演繹建立...13

(五)抗沖蝕指數及能量消耗分析...13

(六)室內沖蝕試驗...14

(七)軟岩質岩質河床沖蝕模式(經驗式)建立 ...14

五、結果與討論...14

(一)文獻收集與整理...14

(二)航照數位高程地形圖(DEM)製作 ...21

(三)主要高沖蝕軟岩河床河段沖蝕調查...37

1、大甲溪...37

2、濁水溪...42

3、八掌溪...45

(四)沖蝕機制及沖蝕演繹建立...49

1、沖蝕機制...49

2、沖蝕演繹...51

(五)抗沖蝕指數及能量消耗分析...57

1、岩石抗沖蝕指數調查結果討論與整合...58

2、抗沖蝕能力評分修正...60

3、流功沖蝕門檻值檢討...61

(六)室內沖蝕試驗...62

1、水平磨蝕試驗...62

2、可變角度直接沖刷試驗...68

(七)軟岩質岩質河床沖蝕模式（經驗式）建立...79

1. 泥沙磨蝕模式...79

2. 水力沖蝕模式...80

3. 流功沖蝕模式...80

六、結論與建議...81

七、參考文獻...82

八、計畫成果自評...84

(3)

台灣西部地區甚多河川（大漢溪、大安溪、大甲溪、濁水溪、八掌溪等）的部分中、下游河段或因跨河構造物的存在、或因採砂使護甲層流失，河床大都為軟弱岩層出露，常於豪雨後產生劇烈沖蝕，此類河段岩床大多屬軟弱岩石，因此沖蝕率遠大於國外現有文獻所發表的沖蝕速率，部分河段於十數年的時間累積了數公尺至數十公尺的沖蝕量，對河川環境影響甚為重大。本研究計畫由國內現有劇烈沖蝕的河道之沖蝕現象調查出發，主要目的在於建立軟岩河床的沖蝕機制（沖蝕演繹）及軟弱岩石河床抗沖蝕能力指標、修正或建立軟弱岩石河床沖蝕經驗模式、建立試驗室沖蝕試驗，作為評估河川沖蝕規模，預測未來河川沖蝕發展的工具與方法。計畫中針對大甲溪、濁水溪、與八掌溪的高沖蝕河段進行調查，建立沖蝕機制與沖蝕演繹，回顧既有礫石彈跳、水力沖蝕模式、提出流功沖蝕模式，並設計建置多功能試驗沖蝕儀器，進行水平磨蝕、可變角度直接沖刷等兩種試驗，評估河道中各種岩石的沖蝕特性。

關鍵詞：軟岩、河床沖蝕、沖蝕試驗、沖蝕率模式 Abstract

Rapidly eroded river-bed after flooding was usually found in some Taiwan rivers, such as the Pa-Chang River, the Cho-Shuei River, the Da-Chia River, and the Ta-An River. The accumulated erosion quantity is several to tens of meters. The integrated project aims to study the weak rock-bed river erosion mechanisms and evolution in engineering scale. This sub-project plans to determine the erosion mechanism/evolution and the rock erodibility for various conditions of rock properties, loading types, flow conditions, and so on.

The major research results of this sub-project include (1) development of the erosion processes for weak rock river-bed (2) development of a multi-function experimental set for laboratory erosion test and conducting a series of abrasion tests for weak, (3) development of erosion rate model based on the stream power.

Keywords: weak rock-bed river, plucking, abrasion, erosion evolution, laboratory erosion test, erosion rate model.

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一、前言

台灣西部地區甚多河川（八掌溪、濁水溪、大甲溪、大漢溪等）的部分中、下游河段或因跨河構造物的存在、或因採砂使護甲層流失，河床大都為軟弱岩層出露，常於豪雨後產生劇烈沖蝕，致使部分河段於十數年的時間累積了數公尺至數十公尺的沖蝕量。此類河段岩床大多屬軟弱岩石，因此沖蝕率遠大於國外現有文獻所發表的沖蝕速率。

國外對地貌變遷研究目前皆以合理化公式(rational formula)型態的沖蝕模式配合河道剖面進行參數標定以計算河道的沖蝕量，此方法應用探討於大範圍的地貌變遷趨勢及與地體上升及氣候的關係尚稱合理(Howard, 1994)。因上述既有的沖蝕模式大多未考慮沖蝕機制、行為、

岩性等等，合理化公式沖蝕模式應用於軟弱岩床河道沖蝕量計算的結果均與河道斷面地形量測結果有甚大之差距。雖然國外少數學者（Foley, 1980, Sklar & Dietrich, 2004)曾以河床質跳躍磨蝕為考量提出沖蝕率模式，亦有國外工程師(Greimann & Lai, 2008)透過文獻收集合併磨蝕及水力沖蝕(hydraulic scour)提出沖蝕率模式，並模擬集集攔河堰下游河道的沖蝕，但結果並不盡理想。

因此，本整合性研究計畫擬由國內現有劇烈沖蝕的河道之沖蝕現象調查出發，進行沖蝕特性及機制、沖蝕模式建立等等，針對國內外學術領域於岩石河床的沖蝕及其對邊坡及河道穩定的影響尚有不足處加以深入探討，企盼提出創新性的學術研究成果，此成果亦可供未來河道治理、跨河構造物維護、及中上游邊坡穩定分析與管理參考。本整合性計畫『岩質河床沖蝕特性及其對邊坡及河道穩定的影響』的研究目的包括中下游軟弱岩石河床的沖蝕機制及演繹建立、沖蝕機制理論模式的建立與模擬分析、河道沖淤模擬分析、室內沖蝕試驗及現地沖刷監測的儀器建立與試驗及監測、中上游河床沖蝕機制建立、沖蝕對邊坡穩定的影響（監測、分析、模擬）、河道沖蝕與地形測計的關係等等。

本計畫屬『岩質河床沖蝕特性及其對邊坡及河道穩定的影響』之子計畫二『軟岩質河床的沖蝕調查、試驗及沖蝕率模式建立』。

二、研究目的

本子計畫主要目的包括下列三項：

(一)由現場沖蝕現象調查結果，建立軟岩河床的沖蝕機制（沖蝕演繹）及軟弱岩石河床抗沖蝕能力指標。

(二)結合斷面及航空測量河道沖蝕量測、抗沖蝕力指標、及河流沖蝕力修正或建立軟弱岩石河床沖蝕經驗模式。

(三)建立試驗室沖蝕試驗（含磨蝕及抽離機制），並由沖蝕試驗結果觀察沖蝕機制、並建立、

修正、或標定適合軟岩河床的沖蝕率模式。

三、文獻探討

以下就岩石河床的沖刷機制、岩床沖蝕個別機制之既有簡化模式、岩石河床的沖蝕模式、

岩石河床抗沖蝕能力、及岩石河床沖蝕試驗等相關現有研究狀況及文獻說明如下：

(一)岩石河床的沖刷機制

國內至今未有詳細且有系統的探討岩石河床的沖蝕現象、機制、及模式，國外則在近十年來有部分地形地質學學者於探討地貌變遷時，討論岩石河床的沖蝕現象、機制、及模式。

Whipple et al. (2000) 由調查一系列不同的地質條件、流域面積、河床坡度的河床沖蝕現象，

提出岩石河床的沖蝕機制。他們將其區分為岩塊抽離(plucking)、磨蝕(abrasion)、穴蝕

(5)

之重要程序(圖 1)，認為抽離過程中可能先需小裂縫經水力推張擴大為破裂面、隨著河床顆粒逐漸地透過磨蝕作用沖蝕弱面、再加上物理或化學風化作用，讓弱面完全擴展連通，最後終於導致獨立岩塊之鬆動、脫離。

圖 1 岩床侵蝕的抽離機制示意圖(Whipple et al, 2000)

由岩塊抽離沖蝕需要先出現鬆動岩石弱面，接著岩塊脫離，再被水流帶走。儘管 Annandale(1995)曾試圖提出一個由岩塊脫離主控之定性沖蝕模式。然而岩塊脫離過程乃非常複雜之過程，可能經歷一系列材料風化、流入砂粒逐漸頂開弱面（sand-wedging）、弱面經磨蝕、弱面裂口擴展、經強烈水流作用而帶離等過程之交互作用，岩塊也可能因懸浮載中大顆粒撞擊而脫離，其種種內涵非常複雜，欲做到完全定量預測之模型實在有其困難。除可由水流及不連續面條件判斷是否存在抽離沖蝕外，亦可由其下游側抽離後的角狀碎屑加以認定。

當岩床屬於完整岩盤，或弱面間距相當大時（簡稱「完整岩盤條件」），岩床沖蝕之主要機制比較可能透過懸浮載或河床載內之土石顆粒一再磨蝕沖蝕岩床表面所造成。完整岩盤條件下，岩塊脫離機制應該不易發生，強烈水流帶動之懸浮載砂質或礫石顆粒連同流水逐漸磨蝕岩床表面，一顆粒一顆粒地沿著岩石表面磨下碎屑而造成磨蝕沖蝕(abrasion)。懸浮載或河床載之砂質/礫石顆粒都有助於磨蝕沖蝕。在渦流中，由於砂質/礫石顆粒旋轉磨削，局部與集中性的磨蝕沖蝕更易於出現，往往因而形成如滑槽(flute)與壺穴(pothole)等特殊沖蝕現象。當磨蝕主控河段之沖蝕特性，懸浮載或河床載之內容就十分重要。

當水流受到障礙物或階狀落差時，其下游側局部沖蝕特別顯著(圖 2)。河川中若有障礙物，其下游側較為顯著之岩床沖蝕，則多源自懸浮載之磨蝕沖蝕貢獻。除了磨蝕損耗，穴蝕 (cavitation)之角色也不能忽視，壺穴與滑槽之構造常與渦流流況下出現之穴蝕沖蝕有關。

(6)

依地質學之定義，遷急點(knickpoint)意謂河床面地貌突現落差之陡降點。當沖蝕河床材料之門檻剪應力較高時，遷急點附近陡峭處之剪應力必然特別高，傾向於先發生沖蝕，因此遷急點可能逐漸後退（knickpoint migration），其過程與速率則取決於岩床之岩性與力學性質 (圖 3)。

圖 3 河道縱向演變的兩種型態(Seidl & Dietrich, 1992)

沖蝕的發生常存在複合型態，或不同型態交互產生，Whipple et al. (2000)亦建議可由抽離的岩塊檢視磨損的比例加以決定。他們發現較大的局部沖蝕量大都來自抽離機制的貢獻。然而他們又發現較大流域（大於20 平方公里）的主控沖蝕機制為懸浮載的磨蝕，而較小流域的主控沖蝕機制則為抽離或河床載的磨蝕。

上述沖蝕現象及機制大多針對硬岩河床加以探討，軟岩河床則較少有文獻專門討論。本研究團隊曾針對八掌溪軟岩河床劇烈沖蝕段進行勘查，勘查結果顯示磨蝕現象明顯(圖 4)，

亦存在抽離現象(圖 5)。然而河床或河岸因乾濕風化現象形成龜裂，為抽離或磨損做準備的現象處處可見，亦有因差異侵蝕形成的沖蝕現象(圖 6)。由上述現象可知，軟岩河床的沖蝕機制部分不同於硬岩河床的沖蝕機制。另外，921 地震對中部主要河川造成數公尺不等的地體抬昇，抬昇區域為西部麓山帶的軟岩區域(頭嵙山層、卓蘭層、錦水頁岩等)，在河道上形成規模不一的遷急點，加速河道上軟岩的沖蝕速率。

圖 4 八掌溪河岸的磨蝕現象

(7)

圖 6 八掌溪河床的差異侵蝕現象

(二)岩床沖蝕個別機制之既有簡化模式及岩石河床的沖蝕模式

國外對於岩石河床下切(incision)（沖蝕）模式皆基以大尺度地貌變遷研究需要所建立，

因此都基於參數相關性的探討後，建立合理化公式，使用時則以數據將參數加以標定。合理化岩石河床下切考慮的因子以水流剪應力、流功(stream power)、流域面積、及河床坡度為主。

Howard & Kerby (1983)假設岩床下切速率 E 與床面剪應力有如下式之冪函數相關性。

a

E∝τb （1）

若考量床面剪應力存在一個啟動沖蝕之門檻值，則可用超越床面剪應力門檻值τ^C_{之床面剪應} 力(τ_b −τ_c)取代上式中的τ^b_，即令

E∝(τ −τ )a （2）

(8)

Seidl & Dietrich (1992)歸納許多流域之(m/n)比值，發現當河床坡度小於 0.2，(m/n)值約在 1.0，當河床坡度大於等於 0.2，(m/n)值大致接近 0.7。其差異可能因為坡度大時，不但流速高拖洩力大，有時也可能受土石流之影響。Seidl & Dietrich 也指出岩床下切不但受到流水沖蝕、

懸浮載與河床載磨蝕、偶發土石流之掏刷、與遷急點之後退蔓延等不同機制之影響，欲以單一岩床下切速率模式考慮各種河川沖蝕之現象並不合宜。

Whipple, et al. (2000) 基於許多案例比較，他們斷定單純之合理化公式（譬如基於流功的沖蝕速率關係）並不能完全考慮河川流域縱斷面的發育，岩床之岩性與構造、沖蝕型態等因素無法由單一合理化公式納入考量。因此，他們認為不同河床主要沖蝕機制可能不盡相同，

各種岩床沖蝕機制與行為也仍難以完全掌握，其定量之理論模型更是闕如。因此，他們提出不同的機制下式(3)n 值的範圍，岩塊抽離（plucking）為主控沖蝕機制，其 n 值應在 2/3 至 1 間，而懸浮載之磨蝕為主控沖蝕機制，n 值約為 5/3，兩者差異甚大。

Foley (1980)引用磨損理論(wear theory)中 Bitter(1963a,b）之噴砂磨損(sandblasting wear) 模式，考量當水中顆粒撞擊岩床面時，部分衝擊動能可引致岩床面破裂進而去除部分岩床面材料，磨蝕速率可假設與水中沖積顆粒之傳輸速率成正比。Bitter(1963a,b）之磨損模式考慮了：1.垂直（岩床面）向之速度分量（高角度撞擊為主）對岩床面材料造成材料變形、疲勞破壞，可歸諸於材料之變形磨損(deformation wear)；2.切（岩床面）向之速度分量（低角度撞擊為主）則對岩床面材料造成材料之切削磨損(cutting wear)。Bitter 模式由撞擊速度計算撞擊能量（高角度撞擊之變形磨損與低角度撞擊之切削磨損並不相同），並需假設變形磨損或切削磨損移除每單位體積所需之能量為已知，進而可估計變形磨損或切削磨損之磨損速度。

Sklar & Dietrich (2004) 提出一個針對河床載彈跳撞擊(saltation)所造成之岩床磨損模式，

此模式之基本假設為岩床磨損率會隨著河床流量與河床垂直之分量正相關：

E＝（每次顆粒撞擊岩床所損壞分離之岩石量，Vi）×（每單位面積每單位時間發生之顆粒撞擊率， Ir）×（岩石河床上未被沖積層覆蓋之比例，Fe） (4)

式（4）中 Vi 項可由每次顆粒撞擊所轉移之動能 D（扣除能量損失）與損壞單位體積岩石所需能量v 之比例加以估計。依衝擊磨損理論(impact wear theory) (Engle, 1978），損壞單位體積岩石所需能量　v 與材料韌性正相關。依現彈性破裂力學的理論，韌性可表示為張力強度與楊式模數的關係， Sklar & Dietrich (2004)提出磨蝕單位體積岩石所需的總能量(ε^v_{)可表為：}

k_v Y^t

v 2

σ 2

ε = (5)

其中σ^T 為岩石張力強度，Y 為楊式模數，kv 為岩床強度參數，須資料進行檢定(值介於 10¹²~10¹³)。式(4)可改寫成：

Vi=(πρ^sDs3

Ws2

Y)/(6kvσT2

) (6) 其中ρs 及 Ds 為撞擊顆粒的密度及直徑，Ws 為顆粒撞擊速率的垂直分量。

Ir 項乃由單一顆粒撞擊彈跳軌跡加以推估，定義該彈跳軌跡所需之幾何參數係整理他人實驗數據加以回歸成而估計之，該等彈跳軌跡幾何參數多表示為岩床面剪應力的經驗公式。

Fe 項則假設為河川沈積料供應與輸送能力之比值的線性函數。由理論推導、經驗式的應用及簡化，Sklar & Dietrich 提出河床質彈跳磨蝕所產生的沖蝕率為：

L Fe k

Y w E q

^s ^s₂

2

= σ

(7)

(9)

的模式可呼應 Gilbert（1877）對河川沈積料供應所扮演角色之假說，主張河川沈積料供應一方面可扮演磨削岩床之工具性效應(tool effect)，一方面又可扮演覆蓋保護之覆蓋性效應（cover effect），最大岩床磨蝕率會出現在相對中等程度之河川沈積料供應條件下。Sklar & Dietrich (2004)又認為，岩床磨損與河床載顆粒彈跳之距離有關，最大岩床磨蝕率亦出現於中等程度之岩床面剪應力下。依式(4)及(6)，岩床下切速率深受到河川沈積料供應量與顆粒大小之影響。Sklar & Dietrich (2006)進一步將他們的模式由局部尺度之力學分析放大至探討流域尺度之地形，所有牽涉參數（如流量、顆粒尺寸、河川沈積料供應…等）、都需找出所考量時間與空間範圍內之代表值。認為影響河川下切速率與河床穩態坡度最重要之影響變數依序為：1.啟動門檻、2.沈積物供應之覆蓋性效應、3.沈積物供應之工具性效應。河床下切模式中若未考慮啟動門檻，低剪應力下高估下切率，並可能低估河道坡度。河床下切模式中若未考慮覆蓋性效應則於高沈積物供應下會高估下切率。河床下切模式中若未考慮工具性效應則於低沈積物供應下會高估下切率。

傳統的穴蝕發生性多採用 Barnes (1956)穴蝕起始指數(cavitation inception index)加以研判，小於1.0 為發生的準則，Whipple, et al. (2000)發現其實穴蝕會發生之機會比過去的研判之機會高不少，特別在紊流發生，產生渦流，當雷諾數（Reynolds number）頗高時（10⁵-10⁶）即使穴蝕起始指數還高達3～4，穴蝕的情況仍會出現。懸浮載沖蝕效應會受局部河床地形地貌影響甚大，也可以透過當河床面不規則時渦流易於發生來解釋，當渦流加劇，穴蝕強化懸浮載沖蝕效應，局部沖蝕必然也更為顯著。借用混凝土材料的研究結論，脆性岩石之穴蝕阻抗與材料之壓縮強度政相關，當膠結破壞，材料中之顆粒就脫離，因此膠結力(cementation) 甚具重要性，顆粒之硬度則無大的影響（Graham, 1987）。

Greimann & Lai (2008)以工程觀點結合水力沖蝕(hydraulic scour，即 plucking)及高角度磨蝕(deformation abrasion)提出岩床的沖蝕模式：

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= 1

c

pU

K

E

τ

+

s T v

s s

L k

Y w q

2 2

σ Fe (8)

式中第一項為Greimann & Lai 依據合理化模式概念，第二項則直皆採用 Sklar & Dietrich (2004) 的研究結果。式中Kp為無因次沖蝕係數，需要試驗及現場資料進行檢定；U 為水深平均之水流流速(m/s)；τ 為作用於河床之剪應力(N/m2)；τc為臨界剪應力(N/m²)，為臨界流功之函數，

Annandale（1995)亦建議可為抗沖蝕指數（Kh）的函數（Kh）將於下節說明。

以上合理化沖蝕模式或基於因次分析或定性分析所建立，大範圍大區域的定性分析運用或許有用，但恐不易由大地工程角度來探討局部區域之相關沖蝕問題（譬如攔河堰、跨河構造等下游河床、河岸之穩定與保護）。Greimann & Lai 應經濟部水利署委託以工程觀點提出式 (8)的沖蝕模式，並應用於集集攔河堰下游軟弱岩床沖刷計算，結果仍未盡理想。其關鍵在於第一項岩塊抽離機制除沖蝕啟動剪應力考慮岩性外，Kp乃需透過標定所得，無法反應現地真正條件（亦未有由調查得的合理Kh）。至於第二項因國內未提供岩石參數，亦無法有效模擬。

另外，準確模擬沖刷量除水流條件外，主控沖刷機制或不同機制的貢獻比例亦應加以研究釐清。因此，本研究擬透過詳細的調查、量測、理論探討、試驗、監測及數值模擬，建立適用於軟岩河床的沖蝕率模式。

(10)

或文獻上地工材料受侵蝕後顆粒塊體運動的啟動，提出抗沖蝕指數(erodibility index) 作為評估產生沖蝕的可能性，亦即當水的侵蝕能量(erosive power of water)大於岩石抗沖蝕指數會發生沖蝕。

圖 7 Annandale (1995)評估岩石侵蝕的概念模式 Annandale (1995)定義抗沖蝕指數(erodibility index)為四項參數的乘積：

K_h=M_sK_bK_dJs (9)

式(9)中 Ms為材料強度，決定方式分為三種，非凝聚性土壤由 SPT-N 值、凝聚性土壤由十字片剪強度、岩石由單軸抗壓強度來進行材料強度參數對算；Kd及 Kb與NGI-Q 岩體分類法的前二個乘積相同，Kb為顆粒/塊體尺寸，岩石由 RQD 除以節理數目計算，顆粒性材料則由 D50

計算；Kd為弱面/顆粒間抗剪強度，岩石由節理粗糙度、填充物以及風化程度來決定，對於顆粒性材料則是採用其摩擦角來計算；Js 為地盤構造條件，岩石方面由傾向傾角與水流方向的關係，以及單位塊體大小來決定，顆粒材料的Js值則一律為1。

對於水流侵蝕能力的估計，Annandale 提出四種可能的流況：陡降 (headcuts)、水躍 (hydraulic jumps)、河床坡度突然改變 (change in bed slope)、明渠流 (open channel flow) ，並由流體力學理論計算各種流況下河道之能量消耗理論公式。他並採用 150 溢洪道下方沖蝕案例（地質條件、流況、是否發生沖蝕），將能量消耗對抗沖蝕指數繪出雙對數圖關係（圖 8），

進而推估對應特定抗沖蝕指數條件恰發生沖蝕時所需之能量消耗門檻值。

(11)

十倍甚至數十倍範圍，因此其量化之可靠度值得進一步討論。本方法僅可評估沖蝕產生與否，

無法推估其沖蝕率，若能將其改進，並有更多的實例或數值案例或可建立沖蝕速率與能量消耗及抗沖蝕指數的關係。

(四)岩石河床沖蝕試驗

由於河道沖蝕岩石河床的行為包含相當複雜的動態侵蝕機制，所以在現地相當不容易進行完整的觀察與分析，所以許多學者均進行室內試驗來進行量測與研究。室內沖蝕試驗大多是透過水槽物理模型試驗來掌握特定控制條件下岩床沖蝕之定性、或定量行為。試驗大致可以區分為兩大類型，一是利用水槽及河道模型來模擬真實河道的侵蝕行為，另一種則是經由儀器設計來模擬特定的沖刷機制。試驗的結果，往往被用來觀察岩床之下切沖行為、地形發育變遷、驗證合理化公式之合理性，或用來得到一些經驗關係式（Shepherd & Shumn, 1974, Wohl & Ikeda 1997, Robinson, et al. ,2001, Sklar & Dietrich,2001, Briaud, et al., 1999)。

1、Shepherd & Shumn (1974)

Shepherd & Shumn 採用 60 英尺長 4 英尺寬及 30 英吋深的直線傾斜水槽，以砂及高嶺土混合而成的人造岩石模擬河床之底床材料，控制水槽坡降、含砂量、流量等因素，共進行 2 個直線河道及 2 個蜿蜒河道到的模擬試驗，觀察水槽內之下切沖蝕與橫向沖蝕受含砂量與流量所控制，形成之河床橫斷面與縱斷面均為不均勻狀，試驗中發現侵蝕行為可分成 3 個主要階段(圖 9)，第一階段是在縱向上產生線性波紋(ripple)及壺穴，第二階段階段是線性波紋逐漸加大成為蝕溝(groove)，第三階段則是各個小蝕溝結合形成一個窄深的內部渠道(inner channel)。

(12)

2、Wohl & Ikeda (1997)

Wohl & Ikeda (1997) 以 70％砂土與 30％皂土混和材料來模擬河床之凝聚性底床材料，改變不同水槽坡度(1%、2%、5%、10%、20%)，流量等其他因素均保持固定，於 4 公尺長 20 公分寬及27 公分深的水槽進行沖蝕模型試驗。觀察河床經沖蝕出現之平行縱向溝槽傾向，試驗結果顯示，坡度小的時後(1%)，縱向溝槽大致平行而略有交織狀，隨著坡度增加至 2%，縱向溝槽變成寬而淺，扭曲較小，當坡度繼續增加時(5%-20%)，逐漸出現較深的槽溝，而且扭曲較高，溝槽中也出現壺穴、侵蝕階及深潭的現象。

3、Robinson, et al., (2001)

Robinson, et al. (2001) 認為河床地盤之天生弱面特性會影響其暴露於強勁水流下受到沖蝕之容易與否，典型之材料強度試驗常未將現地材料之弱面納入考慮。他們將 5 種不同尺寸的水泥塊體，變化其長軸方向，擺設在水槽中自由溢流的水柱衝擊下游測，並進行塊體下方間隙的水壓量測，試驗結果顯示含弱面岩體之抗沖蝕能力受岩塊尺寸與位態所影響，而且水壓在裂隙中的浮動變化通常會對塊體破壞有很大的影響。

4、Sklar & Dietrich (2001)

Sklar & Dietrich (2001) 認為河川提供沈積物之粒徑分佈與岩石河床下切速率有密切關係，但由於在現地進行岩床侵蝕與來砂量關係的量測相當困難，Sklar & Dietrich (2001)發展設計磨蝕試驗儀(圖 10)進行室內的小尺度試驗。Gilbert (1877)最早指出河川提供的沈積物一方面有促進沖蝕之工具性效應（tool effect），一方面卻具有防護沖蝕的覆蓋性效應(coverage effect)，相互抗衡。Sklar & Dietrich (2001)經由試驗推論河川提供沈積物之粒徑分佈會是主控河川下切速率之關鍵因素之一，試驗結果顯示，最大侵蝕率發生於粗粒料的供給量僅能部分覆蓋岩床河道時，而河床載中之細料相對於粗料而言，其磨削效率較為有限。他們也提出下切速率與張力強度呈負相關，試驗數據顯示下切速率約與張力強度的平方成反比。Sklar &

Dietrich 並分析岩石河床受沖蝕之機制，他們還注意到河床小尺度之不規則表面可能促發穴蝕 (cavitation)。此外，河床載卵礫石衝擊岩床，破壞岩體中弱面間岩橋，克服阻抗、也會造成岩體中岩塊之鬆動、脫離(plucking)，都可能是岩床受沖蝕之重要原因。

(13)

Briaud, et al.（1999)提出了一套估計橋墩周圍凝聚性土壤（含軟弱岩石）局部沖蝕速率的程序，他們將這套方法簡稱為SRICOS(Scour Rate In Cohesive Soils)。SRICOS 方法係先藉助一套特殊試驗儀器 EFA(Erosion Function Apparatus)抗沖蝕試驗估計凝聚性土壤之抗沖蝕能力。EFA 抗沖蝕試驗儀器如圖 11 所示。此儀器由水槽及可使試體深入水槽的試體管所組成。

試驗中可控制流速、試體伸出率、及量測試體前後的水壓力。試驗開始先突出1mm 之土樣，

在控制流速下，分別量測沖蝕掉單位厚度土樣所需時間，厚度除以時間得到沖蝕速率 E。改變不同之控制流速，對應作用在土樣前緣之不同剪應力，可得到不同之沖蝕速率 E，便可以獲得沖蝕速率E 對不同剪應力的關係圖（圖 12）。

圖 11 EFA 抗沖蝕試驗儀器

圖 12 沖蝕速率對不同剪應力關係圖

沖蝕速率E 對不同剪應力的關係圖常會有一剪應力門檻值，當剪應力小於該門檻值，沖蝕速率E=0。對無凝聚性的土壤（砂土、礫石），沖蝕速率 E 對不同剪應力的關係通常為線性關係，對凝聚性的土壤此關係通常為非線性。Briaud 團隊再透過剪應力大小與流速對應之雷諾數相關、剪應力與雷諾數關係之經驗公式，及經由水槽模型試驗數據整理得最大沖蝕深度與雷諾數關係之經驗公式，則可依雷諾數估算作用在橋墩附近之剪應力大小。接著便可由沖蝕速率E 對不同剪應力的關係圖估計最大沖蝕速率。Briaud 團隊並將 SRICOS 方法擴大至可以處理層狀不均質之沖積土層並可考慮洪水流速隨時間之變化（Briaud, et al., 2001b）。

6、Nakato (2002)

(14)

圖 13 頁岩沖刷試驗示意圖 7、岩石河床沖蝕試驗討論

室內沖蝕試驗大多是透過水槽物理模型試驗來掌握特定控制條件下岩床沖蝕之定性或定量行為，另一種則是經由儀器設計來模擬特定的沖刷機制。對於水槽試驗而言，岩石河床的沖刷機制尚有許多需要加以釐清的地方，且岩石河床的沖刷通常包含多種機制的複雜交互作用，在個別沖刷機制尚未充分瞭解之前，以水槽進行沖刷試驗可能難以釐清對個別的沖刷因素的影響，所以應先針對個別的沖刷機制進行探討，設計針對單一機制的試驗設備較為可行。

Sklar & Dietrich (2001)的磨蝕試驗僅針對砂石粒徑、砂石量、以及岩石強度之關係，適用性較為侷限，但應可針對單一性質作評估。Nakato (2002)設計的頁岩沖刷試驗目前無充分的沖刷因素分析考量，其發展的適用性應再進一步加以評估。SRICOS 方法雖然僅針對凝聚性土壤之抗沖蝕能力進行試驗，但由於採用一系列的經驗公式，並且侷限於考慮橋墩周圍凝聚性土壤之局部沖蝕速率，對於一般岩石河床、河岸之沖蝕問題之適用性應進一步評估。

四、研究方法

(15)

下。

(16)

(一)文獻收集與整理

本計畫將結合其他子計畫持續收集與岩石河床沖蝕機制、試驗等相關的國內外文獻，文獻及研究成果將上傳總計畫已建立的FTP server 供各子計畫下載相關，以達資源共享，及交流的目的。文獻區分為一般、沖蝕模式、沖蝕試驗、壩沖蝕、橋沖蝕、沖蝕過程、案例等十二項。並將視需要收集研究河川河道歷年的斷面測量結果及購買不同年代的航空照片，航空照片將利用航空測量原理製作數位地形圖，斷面測量與數位地形圖，斷面測量與數位地形圖將用於計算岩床的沖蝕量。

(二)航照數位高程地形圖(DEM)製作

本計畫將購買歷年航空照片，利用商用軟體進行數位高程資料及正射影像圖製作。製作所得結果將以斷面(2D)及立體型態計算沖蝕深度及沖蝕面積或體積。製作範圍包含大甲溪梅子鐵橋至新山線鐵路橋河段、濁水溪集集攔河堰至名竹大橋河段、以及八掌溪觸口至國道3 號橋河段。本計畫研究工作將由子計畫五主持人史天元教授指導進行，建置步驟概述如下:

1. 查詢航線資料，選取並購買航空照片數位檔案。

2. 套繪航空照片對重疊區域。

3. 選擇歷年皆能辨識的地面控制點。

4. 由大比例尺地形圖資量取地面控制點坐標，必要時至現地進行檢測。

5. 收集整理航空影像相機參數、外方位參數、地面控制點、嵌合點等，利用專業立體製圖程式製作數位地形資料及正射影像。

6. 檢核數位地形資料及正射影像，匹配不佳時應進行重作。

(三)主要高沖蝕軟岩河床河段沖蝕調查

調查範圍包含大甲溪梅子鐵橋至新山線鐵路橋河段、濁水溪集集攔河堰至名竹大橋河段、以及八掌溪觸口至國道3 號橋河段。調查工作包含地表地質調查、岩床沖蝕特性調查、

以及岩石指標性質調查。

地表地質調查工作將以區域地質圖及相關調查文獻為參考依據，於現地實際進行岩床露頭調查，並依據岩性分佈進行地層之歸納與分層，繪製地表露頭地質圖以提供作為岩床沖蝕模擬之地質基礎資料。

現地沖蝕特性調查目的在於瞭解河道區域內裸露岩床的沖蝕狀況，紀錄不同地質條件的岩床沖蝕特性，量測岩石材料沖刷之必要參數，最後將調查結果歸納分類，作為研判河段沖蝕機制之參考。

岩石指標性質調查目的為現場調查評估岩石材料沖刷之必要參數(如 Annandale 之抗沖蝕指數評估方法)，作為探討沖蝕機制、建立侵蝕模式之參數使用，項目包括：

1. 以史密特錘量測 R 值後轉換成岩石強度。

2. 量測節理位態、節理間距並進行節理統計。

3. 調查節理狀況(開口、閉口、形狀)、節理風化程度、節理面粗糙程度及填充物狀況。

4. 岩層位態與水流流向關係。

5. 採集現地岩樣進行岩石物性試驗。

(四)沖蝕機制及沖蝕演繹建立

本項目將由現地沖蝕現象調查結果，依不同水流受力型態及不同地質條件探討岩床的可能沖蝕機制，提供子計畫一建構沖蝕機制理論模式。沖蝕演繹則依據河道歷年高程變化以及

(17)

的抗沖蝕力嘗試對Annandale 的公式加以修正。

(六)室內沖蝕試驗

本研究團隊於 97 年度計畫已就室內沖蝕試驗儀器進行設計，室內沖蝕試驗儀器的設計參考其他研究文獻試驗設備的優缺點來進行，概念上最重要的部分是必須可針對不同沖刷機制進行多種不同試驗，受限於部分量測分析設備較為昂貴，量測設備將於本計畫分為兩年逐步添購。本多功能室內沖蝕試驗設備可進行(1)水平磨蝕試驗、(2)可變角度直接沖刷試驗，

並逐步規劃(3)高速流場試驗、(4)岩塊抽離試驗等。

上述試驗所需的試體將於現地鑿取適宜的岩塊（或由大口徑鑽孔取樣得），再於試驗室裁修，若大尺寸於現地不易於現地取得（因其易碎），則將於試驗室製作人造試體，人造試體製作方式將依據本校以往製作人造軟岩試體（供試驗室承載試驗）的方法。

(七)軟岩質岩質河床沖蝕模式(經驗式)建立

如研究背景所述，Annandale 的方法僅可評估沖蝕產生與否，無法推估其沖蝕率，本研究將將利用八掌溪及濁水溪的斷面及航空測量沖蝕計算結果、沖蝕機制、抗沖蝕指數、及由水理計算所得的流速或流功(stream power)，嘗試建立沖蝕速率模式經驗式。本項目的水理計算部分將由總計畫負責。

本計畫擬由沖蝕試驗、沖刷監測、沖蝕機制模擬分析、輸砂模組建構及分析的結果（子計畫一至四），依沖蝕主控機制建立不同機制下的沖蝕模式（理論、經驗或數值），亦由現地沖蝕現象調查結果歸納最有可能的複合沖蝕機制，利用輸砂模組結合個別機制建立複合機制的動床分析，透過數值計算建立不同條件下的沖蝕率公式（由計算數據標定合理化公式參數或直接由計算數據進行統計回歸分析）。

五、結果與討論

(一)文獻收集與整理

本計畫收集與岩石河床沖蝕機制、試驗等相關的國內外文獻，文獻及研究成果，建立FTP server 提供各子計畫下載使用，已收錄與河床沖蝕相關的國際期刊及會議論文數百篇，約略分為一般、沖蝕模式、沖蝕試驗、壩沖蝕、橋沖蝕、沖蝕過程、案例等項目。第三節中已經針對相關文獻進行探討，於此不再贅述。

在各河川之歷年大斷面測量資料方面，八掌溪已收集民國 78、85、89、94、97、及 98 等 6 個年份大斷面測量資料；濁水溪已收集民國 87、90、93、96、及 98 等 5 個年份大斷面測量資料；大甲溪已收集民國 82、87、89、94、及 97 等 5 個年份大斷面測量資料。除上述主要工作標的之河川外，另亦收集國內其他河川軟岩河床顯著沖刷河段之斷面測量資料，包含大漢溪、頭前溪、大安溪、北港溪(大湖口溪)、曾文溪等，提供本計畫研究參考。以下針對本計畫研究之大甲溪、濁水溪、以及八掌溪進行簡介。

1、大甲溪

大甲溪之軟岩質河床沖蝕範圍位於東勢(梅子)鐵橋上游至新山線鐵路橋之間，河道長度約為 9 公里。本河段之主要跨河構造物包括東勢(梅子)鐵橋、長庚橋、石岡壩、埤豐橋、舊

(18)

主要原因。圖 15 為本河段縱向平均河床高變化之比較圖，由 82 年、89 年(921 地震抬昇後)、

至97 年的總變化量觀察，梅子鐵橋下游(圖 16)最大有 15 公尺的局部沖刷，石岡壩下游(圖 17) 至埤豐橋的局部沖刷造成高程差異為最大，埤豐橋下游(圖 18)至新山線鐵路橋則平均下降 5 公尺左右。97 至 99 年則有逐漸回淤的現象。

圖 15 大甲溪歷年縱向平均河床高比較圖(民國 82～99 年)

圖 16 大甲溪梅子鐵橋河道沖蝕狀況

高程(m)

距離(m)

(19)

圖 18 大甲溪埤豐橋下游河道沖蝕狀況

(20)

影響本河段軟岩河床沖蝕的原因主要有二個：一是車籠埔斷層造成的地體抬昇，改變沖蝕基準面；另一則是集集堰蓄水攔阻砂源向下游補充。圖 19 為本河段民國 87 至 98 年縱斷面之高程比較圖，由87 至 98 年的總變化量觀察，集集堰下游之局部沖刷產生超過 10 公尺的高程下降，其他區域之高程變化量則約為5 公尺或更小。圖 20 為集集堰下游河道沖刷狀況，

圖 21 為名竹大橋上游河道沖刷狀況。

圖 19 濁水溪歷年縱向最低點比較圖(民國 87～98 年)

高程(m)

距離(m)

(21)

3、八掌溪

八掌溪軟岩質河床沖蝕範圍位於觸口堰至國道三號橋上游(斷面 95，河心距 48591 公尺)，

河道長度約為 11 公里。主要跨河構造物包含觸口堰、五虎寮橋、吳鳳橋、仁義潭攔河堰(竹山堰)、仁義潭大橋、以及防制仁義潭攔河堰下游河道劇烈下切所設置之 7 道固床工。

本河段由觸口往下游岩層由東向西依次出露上新-更新世之六重溪層、更新世崁下寮層、

二重溪層、及六雙層，均為極易遭受侵蝕之岩性，岩層大致呈南北走向，向西傾斜約 10-20 度，岩層呈現覆瓦狀疊置現象，由地殼活動及地形發育之觀點看，此河段為典型之順向河河谷，河流之發育受東側地殼相對地快速抬升影響，使岩層向西傾斜，致使發育於山地地形之水流呈現直線型往西順流而下，形成主河道為東西向之河谷。

影響本河段軟岩沖刷最重要之因素為仁義潭攔河堰下游局部沖刷之發展；另由經濟部水利署水利規劃試驗所八掌溪治理規劃檢討報告(100 年)中提及，本河段於民國 68 至 73 年縣政府核准河川砂石採取，民國69 至 76 年仁義潭水庫興建選擇本河段為填壩材料區，造成護甲層大量喪失，亦為造成軟岩沖蝕之原因。

本河段之軟岩河床沖刷發展大致可由仁義潭攔河堰(不動點)區隔為兩個不同特性的河段 (觸口堰下游河段、仁義潭攔河堰下游河段)。圖 22 為本河段民國 78 至 98 年的縱斷面最低點高程變化比較圖，由民國78 至 98 年之高程變化總量觀察，觸口堰下游河段屬於均勻沖蝕河段，下切量約為 10 公尺；仁義潭攔河堰下游局部沖刷之高程變化量 20.4 公尺為最大，往下

(22)

圖 22 八掌溪歷年縱向最低點比較圖(民國 78～98 年)

圖 23 八掌溪觸口堰河道侵蝕狀況

高程(m)

距離(m)

(23)

(24)

(二)航照數位高程地形圖(DEM)製作

航照數位高程地形(DEM)製作工作由子計畫五主持人史天元教授指導進行，八掌溪製作 (含收集)民國 70、80、88、93、95 等 5 個年度 DEM 資料；濁水溪製作(含收集)80、88、93、

96 等 4 個年度 DEM 資料；大甲溪製作(含收集)70、80、88、93、96 等 5 個年度 DEM 資料，

各河川DEM 資料製作收集情形彙整如表 1 所示。八掌溪、濁水溪、大甲溪各河段進行 DEM 製作範圍分別如圖 26、圖 27、圖 28 所示，大甲溪各年度的正射影像製作成果如圖 29～圖 33，DEM 製作成果如圖 34～圖 38，濁水溪各年度的正射影像製作成果如圖 39～圖 42，

DEM 製作成果如圖 43～圖 46，八掌溪各年度的正射影像製作成果如圖 47～圖 51，DEM 製作成果如圖 52～圖 56。

圖 26 八掌溪航照數位高程地形製作範圍(紅色虛線框)

(25)

圖 28 大甲溪航照數位高程地形製作範圍(紅色虛線框) 表 1 各河川 DEM 資料製作收集情形

(26)

1、大甲溪各年度正射影像及數值高程模型

圖 29 大甲溪 70 年正射影像

圖 30 大甲溪 80 年正射影像 80 年

70 年

(27)

圖 32 大甲溪 93 年正射影像 93 年

(28)

圖 34 大甲溪 70 年 DEM 96 年

70 年

(29)

圖 35 大甲溪 80 年 DEM

(30)

圖 37 大甲溪 93 年 DEM

96 年

(31)

圖 39 濁水溪 80 年正射影像

(32)

圖 41 濁水溪 93 年正射影像 93 年

(33)

圖 43 濁水溪 80 年 DEM

(34)

圖 45 濁水溪 93 年 DEM 93 年

(35)

圖 47 八掌溪 70 年正射影像 70 年

(36)

圖 49 八掌溪 88 年正射影像 88 年

93 年

(37)

圖 51 八掌溪 95 年正射影像

70 年

(38)

圖 53 八掌溪 80 年 DEM 80 年

88 年

(39)

圖 55 八掌溪 93 年 DEM

(40)

(三)主要高沖蝕軟岩河床河段沖蝕調查

計畫三年期間，主要高沖蝕軟岩軟岩研究與調查河段為大甲溪、濁水溪與八掌溪等三條河川。各調查河段主要進行的現地調查工作包括有地表地質調查、河川軟岩抗沖蝕指標性質與沖蝕機制等。計畫三年期間內，各研究河川調查年份與河段位置，如表 2 所示。各河段調查成果如下：

表 2 計畫期間各河川調查年度規劃表

進行度度 河川 河段位置 河段長度

(km)

第一年度濁水溪集集堰～名竹大橋 6

第一年度八掌溪觸口堰～95 斷面 11

第二年度大甲溪石岡壩~新山線鐵路橋 4

第二年度大甲溪梅子鐵橋 2

第三年度八掌溪

大甲溪河段補充調查 6.5

註：1.本計畫三年度主要調查河段為大甲溪、濁水溪與八掌溪，河段長度共計 23km 2.第三年度進行補充調查

1、大甲溪

本河川調查河段選定位置計有二處，一為梅子鐵橋向下游延伸 1 公里之河段，擇定為調查段原因係為民國88 年 921 地震，造成梅子鐵橋上游側斷層錯動，導致河道地層抬升，爾後歷經民國90 年代颱洪事件造成明顯岩盤裸露現象。二為起於石岡壩，止於新山線鐵路橋之河段，本河段係依據石岡壩建壩完成後，歷年航空照片判釋河川岩盤裸露，後因 921 地震致使地層明顯抬升與歷經幾次颱風洪水事件，造成本河段連年沖刷下切。

調查河段內之地層主要以上新世早期~更新世早期之桂竹林層、錦水頁岩層與卓蘭層為主。主要岩性為砂岩、頁岩與薄互層砂頁岩為主。河道岩層位態與河川流向關係：於梅子鐵橋調查段大致為北偏西60 度，傾角以 18~20 度傾向南，與流向呈順層河。於石岡壩至新山線鐵路橋調查段約為北偏東30 度，傾角以 20~40 度傾向東南，與流向大致呈逆向河段。各河段地質概況與岩性分別如圖 57、圖 58 與表 3、表 4 所示。

大甲溪兩處調查河段內岩盤沖刷調查，本研究採用Annandale(1995)所提出之況沖蝕能力指數(Kh)，作為岩盤況沖蝕能力作為指標，進而探討軟岩河床的沖蝕機制與行為。大甲溪兩處軟岩沖刷段的抗沖蝕能力指數與岩性調查成果如表 5、表 6 所示。

本河道流向雖形成逆向河、順層河兩種型態，然不同抗沖蝕能力岩性交替出現，所以河道下切常形成槽狀深槽的差異侵蝕。河道岩床之沖蝕特性方面，頁岩常風化成碎塊狀由水流帶走，侵蝕較為均勻(圖 59)；砂岩則主要沿著弱層下切而形成槽狀深槽，堅硬砂岩仍以磨蝕或塊狀抽離為主(圖 60)；在夾層或互層狀岩石部分，侵蝕作用主要沿弱層進行，造成砂岩的破壞掉落(圖 61)。

(41)

(42)

圖 58(續) 大甲溪地表地質與沖蝕調查區域(埤豐橋至新山線鐵路橋) 表 3 大甲溪梅子鐵橋調查河段岩性分類表

分層岩性岩性分類備註

Ss1 厚層砂岩間夾薄層頁岩 Sh1 厚層灰黑色頁岩

Ss2 中厚度至極厚層砂岩與極厚層頁岩互層

表 4 大甲溪石岡壩~新山線鐵路橋調查河段岩性分類表

Ss1 厚層砂岩間夾薄層頁岩上游-石岡壩

Sh1 厚層灰黑色頁岩

MSs/Sh1 中厚度至極厚層砂岩與極厚層頁岩互層 Sh2 極厚層頁岩

MSs1 極厚層塊狀砂岩

MSs/Sh2 極厚層塊狀砂岩與極厚層灰黑色頁岩互層，砂岩層節理發達，頁岩層表面風化程度較高

Sh-Ss1 厚層頁岩偶夾砂岩埤豐橋

Sh3 極厚層灰黑色頁岩 Ss2 極厚層砂岩

Ss-Sh1 極厚砂岩間夾厚層頁岩

(43)

極厚層砂岩 30~200 104 12

極厚層頁岩 20~75 53 9

表 6 大甲溪石岡壩~新山線鐵路橋調查河段抗沖蝕指數

主要岩性抗沖蝕指數(Kh)變化範圍平均值組數備註

極厚層砂岩(含塊狀砂岩) 45~530 220 20

中厚度砂岩 15~125 63 20

極厚層頁岩 15~100 48 23

砂頁岩薄互層 20~30 25 2

圖 59 大甲溪—河道頁岩沖刷狀況

(44)

圖 60 大甲溪—河道砂岩侵蝕狀況

(45)

濁水溪調查河段為集集攔河堰至其下游名竹大橋為止。河段內岩盤沖刷劇烈從集集堰下游起算計有約 6 公里。本軟岩河段，受到集集堰建堰影響，攔阻上游料源導致堰體下游河道逐年岩盤裸露。另，921 地震造成鄰近名竹大橋上游側地盤抬升，歷經幾次颱洪事件，河段內上游沖刷下切，下游抬升岩盤上溯侵蝕，導致整體河道沖刷而深槽化。

調查河段內之地層主要以上新世晚期~更新世中期之卓蘭層與頭嵙山層為主。主要岩性為極厚之砂岩、頁岩與薄互層砂頁岩為主。河道岩層位態與河川流向關係：大致呈南北走向，

地層傾向約為30 度與流向相反，屬於逆向河；初鄉斷層附近約有 300 公尺長河道之岩層位態受到斷層影響而變化。河段地質概況與岩性分別如圖 62 與表 7 所示。

本調查河段抗沖蝕能力指數與岩性調查成果如表 8 所示。河段內整體雖已呈現深槽河道，且流向雖形成逆向河型態，唯因不同抗沖蝕能力岩性交替出現，所以河道下切常形成槽狀深槽的差異侵蝕。

河道上之岩床沖蝕特徵方面，斷層擾動帶附近多為沿弱層下切之差異侵蝕形成的槽狀深槽型態，在斷層擾動帶以外河段，則以傾向上游之岩層為主，形成沿深槽均勻侵蝕的下切型態(圖 63)；在名竹大橋上游的 921 斷層錯動處，有落差不大的遷急點形成(圖 64)；而在斷層帶上常見節理發達之岩層，侵蝕型態以塊狀抽離為主(圖 65)。

圖 62 濁水溪地表地質與沖蝕調查區域(集集堰至名竹大橋)

(46)

表 7 濁水溪集集堰~名竹大橋調查河段岩性分類表

Ss1 層狀砂岩~極厚層砂岩為主上游-集集堰

Sh1 極厚層黑色頁岩

Sh/Ss1 極厚層砂岩與極厚層頁岩互層，以頁岩為主 Ss-Sh1 厚層砂岩夾頁岩

Sh/Ss2 極厚層砂岩與極厚層頁岩互層，以頁岩為主 Sh2 極厚層頁岩為主

Sh/Ss3 極厚層頁岩與極厚層砂岩互層 Ss2 極厚層砂岩為主

Sh/Ss4 極厚層砂岩與極厚層頁岩互層 Sh-Ss1 極厚層頁岩偶夾薄砂岩層 a 沖積層(淤積)

Sh3 極厚層頁岩為主，921 抬升段，抬升長度約 200 公尺

a 沖積層(淤積)至名竹大橋淤積段下游-名竹大橋

表 8 濁水溪集集堰~名竹大橋調查河段抗沖蝕指數

砂岩 120~880 330 19

節理發達砂岩 30~210 100 8

砂頁岩互層 10~90 40 10

頁岩 30~180 60 16

(47)

(48)

3、八掌溪

八掌溪調查河段為觸口攔河堰至其下游 95 斷面為止。河段內岩盤沖刷劇烈共計有約 11 公里。河段內主要沖刷段發生於觸口堰~五虎寮橋(約 6.5 公里長)與仁義潭攔河堰~95 斷面(約 3.5 公里長)為主。本軟岩河段內，從早期河道採砂、跨河構造物(固床工、攔河堰)與颱洪事件等影響下，逐漸從民國70 年代開始沖刷下切，時至今已使整體河道下切深槽化與擴寬。

調查河段內之地層主要以上新世晚期~更新世中期之六重溪層、崁下寮層與二重溪層為主。主要岩性為極厚之塊狀砂岩、粉砂岩與泥岩為主，頁岩次之。河道岩層位態與河川流向關係：大致呈北偏東20 度，地層傾向為低角度 10 度傾向西北與流向呈順向，屬於順向河。

河段地質概況與岩性分別如圖 66~圖 70 與表 9 所示。

本調查河段抗沖蝕能力指數與岩性調查成果如表 10 所示。河段內多為單一極厚層岩層，

岩層傾項與流向形成順向河型態，雖不同岩層抗沖蝕能力表現不一，但河道之沖蝕機制多以單一岩層的塊體抽離(plucking)或磨蝕(abrasion)為主。

在沖蝕特性方面，由於本河段主要岩性為泥岩，其表層受到風化侵蝕之影響相當大，深度可厚達30 公分，如圖 71 所示。風化之泥岩主要成小塊狀被水流帶走，新鮮之泥岩則主要以磨蝕之沖蝕方式進行。層狀泥岩或其他互層、夾層之岩性，則常可見到岩層面塊體抽離之現象。粉砂岩與塊狀砂岩較為類似，表層均可見平滑之磨蝕痕跡，或形成滑槽及小流槽，主要之沖蝕大都以塊體抽離方式進行。本河段岩岸邊坡的破壞拓寬方式以趾部沖刷造成之塊體崩落破壞為主，如圖 72 所示，另也可見到少數順向滑動破壞之殘坡，如圖 73 所示。另外，

同樣受到泥岩風化作用發達的影響，泥岩邊坡上常可見風化後掉落之坡趾堆積物。

圖 66 八掌溪地表地質與沖蝕調查區域(觸口堰至 111 斷面)

(49)

圖 68 八掌溪地表地質與沖蝕調查區域(108 斷面至新五虎寮橋)

(50)

圖 70 八掌溪地表地質與沖蝕調查區域(仁義潭攔河堰至 95 斷面) 表 9 八掌溪觸口堰~95 斷面調查河段岩性分類表

Slt1 泥質粉砂岩上游-觸口堰

Ms1 層狀或塊狀泥岩 MSs1 塊狀砂岩

Slt2 泥質粉砂岩 MSs2 塊狀砂岩

Ms2 層狀或塊狀泥岩 MSs3 粽黃色砂岩

Ms3 層狀或塊狀泥岩 Ss-Ms1 砂岩偶夾泥岩

Ms4 層狀或塊狀泥岩五虎寮橋

Ms-Ss1 泥岩偶夾砂岩 Ms5 層狀或塊狀泥岩

Slt-Ms1 粉砂岩偶夾泥岩新五虎寮橋

a 上部為沖積層覆蓋

Ms/Mh1 泥岩與泥質頁岩互層仁義潭攔河堰

Ss-Ms2 黃色砂岩夾灰色泥岩 Ms/Mh2 泥岩與泥質頁岩

Ss/Sh1 黃色砂岩與黃色頁岩互層

Slt/Mh1 黃色粉砂岩與灰色泥質頁岩互層下游-95 斷面表 10 八掌溪觸口堰~95 斷面調查河段抗沖蝕指數

砂岩(塊狀砂岩) 70~340 170 17

粉砂岩 90~390 226 25

(51)

(52)

圖 73 八掌溪—順向滑動破壞後的殘坡 (四)沖蝕機制及沖蝕演繹建立

1、沖蝕機制

回顧歷年文獻，岩床之沖刷機制大致有五種類型，分別為：(1)磨蝕沖蝕(Abrasion)、(2) 塊體抽離(Plucking)、(3)穴蝕沖蝕(Cavitation)、(4)顆粒彈跳造成之沖蝕(Saltation)、(5)風化所造成之沖蝕(Weathering)等五種為主要機制。

計畫三年期間，根據現地岩床況沖蝕指數配合地質調查結果，分別對大甲溪、濁水溪與八掌溪提出數種不同沖蝕機制，而本計畫於第二(100)年度時亦將這三條軟岩河床沖刷段沖刷機制簡化歸納為單一沖蝕機制與複合型沖刷機制等兩個類別。

單一沖刷機制即為前述五種主要機制中的機制個別發生時稱之；複合型沖刷機制則為結合兩種以上之單一沖蝕機制，即稱之。單一沖刷機制易發生於單調之地質岩性存在或岩性抗沖蝕能力差異不大時，易由單一沖蝕機制所主控，反之不同地質岩性交互頻繁出現(如砂岩、

頁岩交互出現)且抗沖蝕能力差異較明顯時，則易構成複合型沖刷機制。

綜觀本計畫三條河川沖刷段，大甲溪與濁水溪，因地層沉積特性屬抗沖蝕能力強弱岩性交替出現之特性(例如砂岩、頁岩)，所以屬複合沖刷機制類型的好發河段。八掌溪則因單一地層存在情況較多，以單一沖刷機制之情形為主(例如泥岩的塊體抽離沖蝕機制、粉砂岩切穿的穴蝕機制等)。

由八掌溪、濁水溪與大甲溪三條調查河段結果顯示，河道之沖刷機制歸納為三類，由本 (101)年度補充調查八掌溪與大甲溪河段(埤豐橋至新山線鐵路橋河段)用以驗證，符合目前所

(53)

1. 水流沿材料弱面侵蝕-一組層面的情形，

屬磨蝕(abrasion)附加顆粒撞擊(saltaion)兩種複合機制為主。

2. 泥質岩的乾溼循環的乾縮、乾裂行為，屬塊體抽離(plucking)機制為主。

3. 砂頁岩互層的差異，薄層厚層互相牽動，

屬磨蝕(abrasion)機制為主。

4. 粉砂岩的切穿(伴隨壺穴與滑槽)等，屬穴蝕沖蝕 (cavitation)機制為主。

圖 74 八掌溪劇烈沖刷河段四種單一沖刷機制

1. 砂頁岩互層沖蝕(abrasion)後，造成層狀砂岩孤立失去束制而形成張力節理，最後形成塊體沖蝕(plucking)，兩種複合機制為主。

2.頁岩層在沖蝕( abrasion+plucking)後，厚層塊狀砂岩形成孤立狀態，可能因張力節理產生而塊體抽離 (plucking)。

圖 75 大甲溪劇烈沖刷河段兩種複合沖刷機制

(54)

1. 砂頁岩互層沖蝕(abrasion)後，造成層狀砂岩孤立失去束制而形成張力節理，最後形成塊體沖蝕(plucking)，兩種複合機制為主。

圖 76 濁水溪初鄉斷層下游河道複合沖刷機制 2、沖蝕演繹

(1)大甲溪

本節以石岡壩下游河道為例說明大甲溪劇烈沖刷河段之沖蝕演繹。此段劇烈沖刷調查段起於石岡壩，止於埤豐橋間之1 公里河道距離。依民國 97 年大甲溪河川大斷面測量介於斷面樁號36~35 之間。本研究收集 66、82、87、88、91、94、96、97 與 98 等九個年度之航空照片(圖 77)，透過立體對判釋並依此段調查段受 921 地震、歷年洪水事件等之影響，提出大甲溪此段劇烈沖刷段之沖蝕演繹，其結果說明如下：

(a) 民國 66 年，石岡壩初竣工，其下游河道寬闊並有大片植生沙洲。河道流心偏向左岸。

(b) 民國 82 年，距石岡壩建造已經過十餘年，壩址下游河道已束縮，此時期之河道已開始有明顯之岩盤裸露。

(c) 民國 87 年，壩址下游河道岩盤出露為止多集中於河道中央，裸露範圍已達 300~400 公尺遠，石岡壩堰前亦開始出現明顯之沖刷坑。由航空照片(圖 77(c))約略可看出岩層之走向為N50E，河心已逐漸順著岩層走向發展。

(d) 民國 88 年，石岡壩下游河道南側(左岸)明顯地盤抬升，岩盤裸露面積因 921 地震錯動明顯增加。下游地表破裂線通過埤豐橋，並抬升其上游側地盤，形成明顯的河道遷急點 (knickpoint)。

(e) 民國 91 年，歷經前一年之桃芝颱風，石岡壩下游河道幾已全面岩盤裸露。埤豐橋上游遷急點已開始溯源侵蝕達約100 公尺遠，且河道左岸已開始深槽化。

(f) 民國 94 年，其前一年(93 年)敏督利颱風對中部造成七二水災，石岡壩歷經建壩後最大洪水事件，石岡壩堰前出現明顯之沖刷坑，河道劇烈沖刷，已在石岡壩下游右岸形成河道深槽。下游近埤豐橋開始之溯源沖刷達250 公尺遠，河道深槽化趨於明顯。

(g) 民國 96 年，石岡壩堰前沖刷嚴重，堰前所形成之沖刷坑已與下游右岸主深槽相連。

(h) 民國 97 年，石岡壩下游河段主深槽已發展至約 300 公尺遠，下游埤豐橋因 921 地震所形成之遷急點因連年溯源沖刷而消失，河道上溯距離已達約300 公尺。

(i) 民國 98 年，石岡壩下游右岸主深槽與埤豐橋上游左岸之主深槽已有開始相連貫通趨勢。

經100 年 3 月現地調查，河道下刷與上溯交會之區段亦已深槽化，河道岩盤出露與深槽之高低落差可達5 公尺以上。

由歷史航照判釋可得：(1) 因石岡壩建壩攔阻之因，其上游粒料遭受長年阻斷無法補充

(55)

(a) 66.11.11 石岡壩竣工，下游河道寬闊且覆蓋卵礫石護甲層。

(b) 82.08.16 下游河道已束縮，核心偏向左岸，河道上已有岩盤出露(圓圈處)。

(c) 87.04.09 岩盤裸露面積增加，河道河心順岩層走向發展。

(d) 88.09.22 921 地震後南側(河道左岸)岩盤抬升(紅色箭頭處)，埤豐橋上游側，破裂帶通過形成遷急點(圓圈處)。

(e) 91.09.16 埤豐橋上游遷急點已開始溯源侵蝕，且河道左岸已開始深槽化。

(f) 94.11.20 敏督利颱風後(七二水災)一年，河道劇烈沖刷，已在石岡壩下游右岸形成河道深槽。

(g) 96.10.29 石岡壩堰前沖刷嚴重，堰前形成之沖刷坑已與右岸主深槽相連。

(h)97.11.28 埤豐橋上游 921 破裂現通過處形成之遷急點已因溯源沖刷消失(圓圈處)。

(i)98.10.21 石岡壩下游右岸主深槽與埤豐橋上游左岸之主深槽已有開始相連貫通趨勢。

(56)

(2)濁水溪

濁水溪河道劇烈沖刷調查段起於集集攔河堰，止於名竹大橋，沖刷段距離約達 7 公里。

依民國 96 年濁水溪河川大斷面測量介於斷面樁號 117~106 之間。本研究收集 88、91、93、

96、97 與 98 等六個年度之航空照片，透過航照立體對判釋並配合濁水溪歷年大斷面測量資料，提出濁水溪此段劇烈沖刷段之沖蝕演繹，其結果說明如下：

(a) 河道下刷：民國 88 年 11 月 8 日，集集攔河堰主體工程已完工，其下游河道整體調查河段為沙洲、礫石護甲層覆蓋，未有觀察到岩盤裸露之情形。主要河道為右股流路，未有 明顯之主深槽出現，如錯誤! 找不到參照來源。(a)圓圈處。溯源沖刷：航照時間點為 921 地震過後一個半月，依據地調所(88 年)調查報告指出，車籠埔斷層逆衝錯動破裂帶約通過名竹大橋，並約略呈現南北向貫穿名竹大橋上游約五百公尺之河道，破裂線通過處使河道上游側為地盤抬升側，經由後續河道地表地質調查，地表破裂線於河道上出露之位 置即為錯誤! 找不到參照來源。(a)上 107 斷面附近(紅線位置)，雖有河道地盤抬升但河道 上仍為沙洲、卵礫石等護甲層覆蓋未有岩盤出露。錯誤! 找不到參照來源。(a)。

(b) 河道下刷：歷經民國 90 年桃芝颱風過後，年民國 91 年 10 月，集集堰堰址下游已開始有岩盤出露，距集集堰堰址 1 公里河道範圍內陸續有局部河道岩盤出露。溯源沖刷：名竹大橋上游約 500 公尺，921 地表破裂線通過之上游側河道已有明顯之岩盤出露，於此處明顯形成遷急點(knickpoint)，由此遷急點往上游延伸有岩盤明顯出露。主要河心於此段 開始由右岸偏向左岸而集中於岩盤出露段之河道。錯誤! 找不到參照來源。(b)。

(c) 河道下刷：民國 93 年敏督利颱風過後，集集攔河堰下游岩盤已逐漸裸露達兩公里之河道範圍(由集集堰至 113 斷面)且河道已明顯束縮集中於岩盤出露段。與 90 年航照比較後已開始產生深槽化之現象，查歷年大斷面測量資料(水利規劃試驗所，97 年)岩盤河道底床高差最大達10 公尺以上。顯示河道逐年因岩盤遭沖蝕而有束縮、下刷深槽化之趨勢。錯 誤! 找不到參照來源。(c)。

(d) 河道下刷：96 年河道繼續往下游沖刷延伸一公里至 111 斷面(總共 3 公里)，查 93~96 年斷面測量資料顯示河道持續下刷，下刷量達 2~5 公尺。溯源沖刷：名竹大橋上游原偏左岸之主河道深槽岩盤裸露段逐漸淤積，河心偏往右岸，沖刷河道遂使此段河道之岩盤出 露。錯誤! 找不到參照來源。(d)。

(e) 河道下刷：97 年劇烈沖刷調查段，河道岩盤出露以集集堰為起點，其下游河道沖刷岩盤裸露已延伸達4 公里(至 109 斷面樁位置)。錯誤! 找不到參照來源。(e)。

(f) 河道下刷：98 年，河道由集集堰為起點河道下切，而名竹大橋上游 921 地表破裂帶通過處所形成之遷急點則形成溯源沖刷，兩者河道深槽部分尚未相連。溯源沖刷：99 年現地調查時溯源沖刷段已由遷急點上溯達約500 公尺，其河道深槽最大沖刷量已下刷達 4 公 尺。錯誤! 找不到參照來源。(f)。

綜觀歷史航照判釋可得：(1)受集集攔河堰攔阻之因，其上游粒料無法補充至下游河段，

而使得河道原本之礫石護甲層遭受沖刷，進而岩盤裸露並逐年刷深、刷遠。(2)名竹大橋上游 921 地表破裂線通過，造成河道抬升，產生河道高低落差形成新的溯源沖刷基準點。整體濁水溪劇烈沖刷段之河道下刷與溯源沖刷正持續進行中。

(57)

卵礫石護甲層覆蓋，未有明顯之岩盤出露。921 地震過後名竹大橋上游約500 公尺處為地表破裂帶通過處，河道上形成遷急點(knickpoint)。

址下游側已有岩盤出露。名竹大橋上游921 地表破裂帶通過處(近 107 斷面處)，其上游側河道已有明顯岩盤出露。

(c) 93.10 集集堰下游岩盤已逐漸裸露達兩公里距離，河道已明顯束縮。與91 年航照對比，河道已開始產生深槽化現象。

(d) 96.01.28 921 河道持續往下游沖刷，岩盤出露距集集堰達3 公里遠。名竹大橋上游河道原左岸岩盤出露因逐漸淤積，河心偏右後岩盤出露於右岸。

(e) 97.10.30 河道持續下刷，岩盤出露達 4 公里遠(近 109 斷面)。

(f) 98 年，河道由集集堰為起點持續向下游沖刷且刷深，名竹大橋上游側921 地震造成之遷急點則形成溯源沖刷達500 公尺。

圖 78 集集堰至名竹大橋河道沖蝕變化

(58)

(3)八掌溪

林文凱(2008)即已針對仁義潭攔河堰下游河道的沖刷做出其演繹之過程。其係根據歷年河道現地照片，初判此段八掌溪河道之劇烈沖刷，起始時間為民國72 年至 80 年間，爾後蒐集民國72、76、77、78、79 年等五個年份的航空照片，透過航空照片立體對判釋提出仁義潭下游河道約兩公里範圍內之沖蝕演繹，判釋結果說明如下：

(a) 民國 72 年由航照(圖 79(a))可以觀察到仁義潭攔河堰初完工階段，第一階淨水池下游受跌水的影響約略有沖蝕坑的出現，但未有岩盤裸露的情形。較下游處分兩股流路，主要河道為右股，在右股流路與跨河橋樑(心上橋)相當的位置上正在進行人工填河的工程，將水的流路引導至右股流路的左側，在右股流路的下游轉彎處因為處於攻擊側，出現邊灘岩盤裸露的情形(圖 79(a)紅色箭頭處)。

(b) 圖(b)顯示，民國 76 年時第一階淨水池下游的沖刷坑較 72 年明顯，在攔河堰下游的河道上出現兩塊植生沙洲，應是河道表面的礫石受搬運作用而流失，僅剩下兩塊沙洲處含有較厚的護甲層；左岸新設一道堤防，在圖 79(b)(圓圈處)的中段存在一採石場，採石場的附近可以觀察到礫石材料變稀疏，甚至部份河道可見岩盤裸露，在這個河段上也因為某些部份護甲層較薄而流路較為集中。下游右股流路在與心上橋相當的位置上有另一採石場存在圖 79(b)(紅色箭頭處下游側)，在它的上游處亦觀察到岩盤明顯裸露的情形，並約略可看出裸露岩層的走向約為N20E。

(c) 民國 77 年時攔河堰堰前沖刷坑進一步擴大(圖 79(c))，原本約略分兩股的流路偏向河道中央；採石場已遷移至較下游處，原採石場位置岩磐裸露，在它的上游發現向源侵蝕的痕跡，

影響的距離約300 公尺；在下游處的右股流路兩岸岩盤露出明顯增加，河道略形成深槽。

(d) 民國 78 年(圖 79(d))時，植生沙洲已完全消失，護甲層在這個河段已經非常薄；在左岸堤防修復與右岸堤防完工後，流路被限制於較狹窄的範圍內，這種集中的流路可能會使流速增加，加速水流侵蝕；在下游處右股流路一樣是可以看到裸露的岩盤與深槽河道。

(e) 民國 79 年的航空照片可以看到沖刷坑的發展與原本 77 年觀察到的向源侵蝕部份完全連貫，流路集中於一股，兩側皆為岩盤裸露，侵蝕甚為明顯(圖 79(e))，可以解釋為沖刷坑對下游影響使侵蝕向下游發展約200~300 公尺，與下游採石場遷移後岩盤裸露發生向源侵蝕發展約500 公尺的串連。

(f) 民國 98 年河道已完全發展成現今束縮、下切之河道。

由歷史航照判釋可得，仁義潭攔河堰下游的侵蝕發展原因為：(1)攔河堰使得上游礫石材料無法補注到下游護甲層，使下游河道上沙洲漸漸消失護甲層變薄。(2)攔河堰產生抬水的作用使得下方沖刷坑發展，較大的侵蝕能量影響到下游河道，由航照推估影響範圍約為 200~300 公尺。(3)河道上的採石採砂行為使護甲層加速消失，進而岩盤裸露產生遷急點而發生向源侵蝕。

茲依據八掌溪軟岩沖蝕河段沖淤量變化及航照觀察結果，繪製沖蝕演繹及沖蝕機制示意圖如圖 80 所示，並說明如下：

(a) 仁義潭攔河堰設置造成堰前局部沖刷；河道採砂造成護甲層逐漸流失；河道築堤束縮增加輸砂能力。

(b) 堰前沖蝕擴大且逐漸向下游延伸；河道溯源採砂範圍加大；護甲層流失後，軟弱岩床快速沖蝕。

(c) 仁義潭攔河堰局部沖刷向下游延伸，逐漸與下游溯源侵蝕連接；五虎寮橋下游的局部沖刷亦逐漸向上游溯源侵蝕。

(d) 河道護甲層消失，岩床嚴重下切形成峽谷深槽，危及橋梁及攔河堰，固床工及固床設施

(59)

(a) 72.07.21 仁義潭攔河堰初完工，下游靠近堰前河道略有沖刷。較下游流心分為兩股，河道未有明顯岩盤裸露。

(b) 76.04.26 攔河堰下游河道礫石護甲層流失而出現沙洲。下游河道存在採砂場(圓圈處)，其附近河道出現岩盤裸露。更下游河道亦出現明顯岩盤裸露(箭頭處)。

(c) 77.11.23 堰前沖刷坑趨於明顯。原 76 年採石場位置 (圓圈處)岩盤裸露，並於其上游發現約有 300 公尺之向源侵蝕痕跡。

(d) 78.11.06 攔河堰堰前已發展出明顯沖刷坑，下游河道(箭頭處)已有明顯裸露之岩盤與河道深槽。

(e) 79.12.07 攔河堰堰前沖刷坑已與 77 年觀察到之向源 (f) 98 年，河道現況。

(60)

圖 80 八掌溪軟岩沖蝕河段沖蝕演繹與沖蝕機制示意圖 (五)抗沖蝕指數及能量消耗分析

本計畫將針對 Annandale 所提由抗沖蝕指數與發生沖蝕時所需之能量消耗門檻值決定

岩質河床沖蝕特性及其對邊坡及河道穩定的影響---子計畫二：軟岩質河床的沖蝕調查、試驗及沖蝕率模式建立

□期中進度報告 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■期末報告