109-022-7B69
MOTC-IOT-108-H1DC001
公路土壤邊坡崩塌監測系統維護 及模組功能提升
交 通 部 運 輸 研 究 所
中 華 民 國 109 年 2 月
109-022-7B69
MOTC-IOT-108-H1DC001
公路土壤邊坡崩塌監測系統維護 及模組功能提升
著者：曾文傑、謝明志、陳志芳、黃安斌、張文忠
交 通 部 運 輸 研 究 所
中 華 民 國 109 年 2 月
國家圖書館出版品預行編目(CIP)資料
公路土壤邊坡崩塌監測系統維護及模組功能提升 / 曾文傑等著. -- 初版. -- 臺北市 : 交通部運研所，
民 109.02
面； 公分
ISBN 978-986-531-080-6(平裝) 1.公路管理 2.運輸系統
557 108023137
GPN： 1010900121 ISBN：978-986-531-080-6 (平裝) 著作財產權人：中華民國(代表機關：交通部運輸研究所)
公路土壤邊坡崩塌監測系統維護及模組功能提升 著 者：曾文傑、謝明志、陳志芳、黃安斌、張文忠 出版機關：交通部運輸研究所
地 址：10548 臺北市敦化北路 240 號
網 址：www.ihmt.gov.tw (中文版＞中心出版品) 電 話：(04)26587116
出版年月：中華民國 109 年 2 月 印 刷 者：
版(刷)次冊數：初版一刷 70 冊
本書同時登載於交通部運輸研究所港灣技術研究中心網站 定 價：200 元
展 售 處：
交通部運輸研究所運輸資訊組•電話：(02)23496880
國家書店松江門市：10485 臺北市中山區松江路 209 號 F1•電話：(02) 25180207 五南文化廣場：40042 臺中市中山路 6 號•電話：(04)22260330
公 路 土 壤 邊 坡 崩 塌 監 測 系 統 維 護 及 模 組 功 能 提 升
交 通 部 運 輸 研 究 所 109
GPN: 1010900121 定價:200 元
I
交通部運輸研究所合作研究計畫出版品摘要表
出版品名稱：公路土壤邊坡崩塌監測系統維護及模組功能提升 國際標準書號（或叢刊號）
ISBN 978-986-531-080-6 (平裝)
政府出版品統一編號 1010900121
運輸研究所出版品編號 109-022-7B69
計畫編號 108-H1DC001 主辦單位：港研中心
主管：蔡立宏
計畫主持人：曾文傑 研究人員：
參與人員：王培源 聯絡電話：04-26587116 傳真號碼：04-26564418
合作研究單位：財團法人成大研究發展基金會 計劃主持人：張文忠
協同主持人：黃安斌
研究人員：周仕勳、洪芯琦、邱心彥、吳博巧 地址：臺南市大學路 1 號
聯絡電話：06-2757575~63128
研究期間 自 108 年 02 月 至 108 年 12 月
關鍵字：公路邊坡破壞、無線監測模組、水力力學耦合分析、依時預警系統、物聯網 摘要：
為提升現有以降雨為指標之公路邊坡預警架構之準確性，交通部運研所持續進行客製化 場址無線監測技術及預警系統研發，整合微機電(MEMS)感測元件與物聯網(IoT)通訊技術發 展監測模組，並以水力力學耦合分析建立依時預警模式。本計畫針對前期建置之公路邊坡崩 塌監測測試場址進行維護及資料處理，並對現有監測模組進行功能提升，本年度新增阿里山 五彎仔路段監測場址，模組提升主要為廣域網路更新為 4G 網路，此外本年度新增公路邊坡 擋土系統監測與預警值分析功能，以 PYWALL 軟體分析擋土牆破壞前變形，建立擋土支撐 系統傾角及背填水位雙重指標預警值，另建構專屬整合雲端儲存與顯示功能之雲端平台，結 合基於水力力學耦合分析之邊坡滑動與土壤結構互制分析之擋土牆體分析建議之預警值，進 行預警顯示，後續可擴充主動通知警示功能，以期發展場址客製化具依時特性之公路邊坡淺 層破壞與牆體穩定預警架構，用以互補現有以雨量監測為指標之經驗法預警模式，提高預警 之準確與時效性，作為相關防災作為啟動之準據。
成果效益與應用情形：
1.建立以嚴謹力學概念及具代表性現地材料參數為基礎之解析法土壤邊坡深層滑動分析架 構，並以此做為公路土壤邊坡深層滑動預警模式之雛形。
2.針對山區公路土壤邊坡深層滑動現象，組合資料擷取、分析研判、數據傳輸功能，研發低 成本易安裝之表層無線監測網路。
3.發展解析法客製化之公路土壤邊坡深層滑動監測與預警技術，提升預警準確度。
4.研究成果提供交通部、公路總局與台鐵局之養護與工務單位，做為相關防災作為啟動之準 據。
出版日期 頁數 定價 本 出 版 品 取 得 方 式
109 年 2 月 117 200
凡屬機密性出版品均不對外公開。普通性出版品，公營、公 益機關團體及學校可函洽本所免費贈閱；私人及私營機關團 體可按定價價購。
機密等級：
□限閱 □機密 □極機密 □絕對機密
（解密【限】條件：□ 年 月 日解密，□公布後解密，□附件抽存後解密，
□工作完成或會議終了時解密，□另行檢討後辦理解密）
■普通
備註：本研究之結論與建議不代表交通部之意見。
PUBLICATION ABSTRACTS OF RESEARCH PROJECTS INSTITUTE OF TRANSPORTATION
MINISTRY OF TRANSPORTATION AND COMMUNICATIONS TITLE: Upgrading of wireless monitoring modules and maintaining of testing sites for highway slope failures
ISBN(OR ISSN) 978-986-531-080-6(pbk)
GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER 1010900121
IOT SERIAL NUMBER 109-022-7B69
PROJECT NUMBER 108-H1DC001 DIVISION: Harbor & Marine Technology Center
DIVISION DIRECTOR: Li-Hung Tsai PRINCIPAL INVESTIGATOR: Wen-Jier Tseng PROJECT STAFF:
PHONE: 04-26587116 FAX: 04-26564418
PROJECT PERIOD FROM：February. 2019 TO：December 2019
RESEARCH AGENCY: NCKU Research and Development Foundation PRINCIPAL INVESTIGATOR: Wen-Jong Chang
CO-PROJECT INVESTIGATOR: An-Bin. Huang
ADDRESS: No.1, University Road, Tainan City 701, Taiwan (R.O.C) PHONE: 886-06-2757575~63128
KEYWORDS: highway slope failure, wireless sensing module, coupled hydro-mechanical analysis, time-dependent warning system, internet of things
ABSTRACT:
To improve the limitations of rainfall-based slope warning system, a new framework that integrated the hydro-mechanical slope analysis and wireless sensing module for field key properties is under development in Institute of Transportation, MOTC.
Wireless sensing modules adopting micro-electro-mechanical system (MEMS) sensors with wireless communication components are developed and deployed in the field. This project continues the on-going research to maintain the testing sites and upgrading the modules to 4G network. A new shallow failure site located in Highway 18 has been added in this study. A new module for retaining wall inclination monitoring is deployed and a soil-structure interaction program PYWALL is adopted to predict the pre-failure deformation of the retaining wall. A cloud platform capable of data storage, display, and warning is also developed. Combining the real-time monitoring of ground hydraulic and mechanical responses and rigorous coupled hydro-mechanical analysis, a customized, time-dependent warning system might be feasible.
BENEFIT AND APPLICATION：
1. Develop a rigorous analytical method that integrates the failure mechanism and field material properties to predict the deep slides along roadside and provide theoretical basis of warning system.
2. Develop surface wireless sensing module for deep seated landslide warning.
3. Develop customized, time-dependent warning system and procedure to improve the limitations of current warning techniques.
4. The system potentially can be used by ministry of transportation, directorate general of highways, and Taiwan railways administration for hazard management.
DATE OF PUBLICATION February, 2020
NUMBER OF PAGES 117
PRICE 200
CLASSIFICATION
□SECRET
□CONFIDENTIAL
■UNCLASSIFIED The views expressed in this publication are not necessarily those of the Ministry of Transportation and Communications.
III
公路土壤邊坡崩塌監測系統維護及模組功能提升
目 錄
計畫摘要 ... I 英文摘要 ... II 目錄 ... III 圖目錄 ... VII 表目錄 ... XII 第一章 計畫概要 ... 1-1 1.1 研究計畫之背景、目的及重要性 ... 1-1 1.2 研究範圍與對象 ... 1-5 1.3 研究內容與項目 ... 1-6 1.4 預期成果、效益及應用 ... 1-8 第二章 研究方法及進行步驟 ... 2-1 2.1 研究方法 ... 2-1 2.2 國內外有關本計畫之研究情況 ... 2-4 2.3 水力力學耦合邊坡穩定分析與依時預警 ... 2-10 第三章 無線土層即時監測系統 ... 3-1 3.1 系統架構 ... 3-1 3.2 土層水文與運動反應量測 ... 3-1 3.3 土層無線監測模組組成 ... 3-6
3.4 淺層滑動邊坡無線監測模組 ... 3-12 第四章 現有淺層滑動場址監測成果 ... 4-1 4.1 甲仙攔河堰聯外道路西側邊坡 ... 4-1 4.2 甲仙場址監測資料 ... 4-2 4.3 阿里山五彎仔場址土層監測模組配置與安裝 ... 4-10 4.4 五彎仔場址監測資料 ... 4-11 第五章 飽和土層滑動監測場址 ... 5-1 5.1 監測場址背景資料 ... 5-1 5.2 監測配置 ... 5-3 5.3 監測資料與分析 ... 5-5 5.4 二維水力力學耦合穩定分析 ... 5-18 5.5 二維水力力學非耦合穩定分析 ... 5-23 第六章 邊坡擋土系統變形分析與預警 ... 6-1 6.1 PYWALL 軟體基本介紹... 6-1 6.2 邊坡擋土系統模擬 ... 6-2 第七章 雲端整合即時監測平台 ... 7-1 7.1 平台架構 ... 7-1 7.2 平台功能簡介 ... 7-2 7.3 監測平台警戒值管理 ... 7-6 第八章 結論與建議 ... 8-1 8.1 結論 ... 8-1
V
8.2 建議 ... 8-2 8.3 預期效益與應用情形 ... 8-3 參考文獻 ... 參-1 附錄一 各期審查意見與回覆 ... 附錄 1-1 附錄二 工作會議記錄 ... 附錄 2-1 附錄三 期末簡報 ... 附錄 3-1
VII
圖目錄
圖 2.1 依時邊坡預警系統研究架構圖 ... 2-2 圖 2.2 五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖 ... 2-6 圖 2.3 典型細顆粒土壤入滲分析結果 ... 2-7 圖 2.4 典型粗顆粒土壤入滲分析結果 ... 2-7 圖 2.5 地表邊坡預警監測系統 ... 2-9 圖 2.6 典型土壤之非飽和土壤特性曲線 ... 2-11 圖 2.7 無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖 ... 2-13 圖 2.8 深層無限邊坡水力力學耦合穩定分析圖 ... 2-15 圖 2.9 深層無限邊坡滑動應力狀態 ... 2-16 圖 2.10 數值分析模型 ... 2-19 圖 2.11 入滲開始 900 秒孔隙水壓分布與流動向量 ... 2-19 圖 2.12 同一剖面不同深度孔隙水壓歷時 ... 2-20 圖 2.13 預測地表運動歷時 ... 2-20 圖 2.14 室內模型試驗壓力水頭與破壞包絡線 ... 2-22 圖 2.15 深度 0.75 m 體積含水量變化及依時預警概念 ... 2-22 圖 2.16 甲仙上邊坡深度 1.5 m 體積含水量變化及依時預警概念 .... 2-23 圖 2.17 甲仙上邊坡表面傾角變化及依時預警概念 ... 2-23 圖 3.1 系統架構示意圖 ... 3-2 圖 3.2 電容式土壤水份計 ... 3-3 圖 3.3 Catnip 數位訊號輸出與土壤體積飽和度關係圖 ... 3-3
圖 3.4 傾斜儀數位與類比輸出解析度比較 ... 3-4 圖 3.5 傾斜儀類比電壓比例輸出標定 ... 3-5 圖 3.6 雨量計量測值校正結果 ... 3-6 圖 3.7 邊坡無線監測系統運作示意圖 ... 3-7 圖 3.8 ThingSpeak.com 即時資料顯示頁面示意圖 ... 3-11 圖 3.9 土層監測模組外構 ... 3-13 圖 3.10 防水電子盒內部配置 ... 3-13 圖 3.11 液位計實體與校正結果 ... 3-16 圖 4.1 監測模組相對位置圖 ... 4-1 圖 4.2 監測站點周遭環境 ... 4-2 圖 4.3 Thingspeak 即時顯示情況 ... 4-3 圖 4.4 Node0 體積含水量量測結果 ... 4-5 圖 4.5 Node1 體積含水量量測結果 ... 4-6 圖 4.6 Node2 體積含水量量測結果 ... 4-7 圖 4.7 Node3 體積含水量量測結果 ... 4-8 圖 4.8 甲仙測站傾斜角監測結果 ... 4-9 圖 4.9 傾斜角量測方向 ... 4-9 圖 4.10 五彎仔邊坡空照圖 ... 4-10 圖 4.11 ID02 體積含水量量測結果 ... 4-14 圖 4.12 ID03 體積含水量量測結果 ... 4-14 圖 4.13 ID04 體積含水量量測結果 ... 4-15
IX
圖 4.14 ID02 傾斜監測結果 ... 4-15 圖 4.15 ID03 傾斜監測結果 ... 4-16 圖 4.16 ID04 傾斜監測結果 ... 4-16 圖 4.17 ID02 於 2019/08/12 降雨事件中傾斜監測結果 ... 4-17 圖 4.18 ID04 水位監測結果 ... 4-17 圖 4.19 2019/10/26 五彎仔測站修復後配置圖 ... 4-18 圖 4.20 五彎仔測站修復後 ID2 分層水份計量測成果 ... 4-18 圖 4.21 五彎仔測站修復後 ID3 分層水份計量測成果 ... 4-19 圖 4.22 五彎仔測站修復後 ID4 水位量測成果 ... 4-19 圖 4.23 五彎仔測站修復後 ID2 表面傾斜量測成果 ... 4-20 圖 4.24 五彎仔測站修復後 ID3 表面傾斜量測成果 ... 4-20 圖 5.1 場址位置圖 ... 5-2 圖 5.2 監測儀器配置圖 ... 5-4 圖 5.3 監測剖面示意圖 ... 5-5 圖 5.4 ID 02 地下水位監測數據 ... 5-6 圖 5.5 ID 03 地下水位監測數據 ... 5-6 圖 5.6 ID 04 地下水位監測數據 ... 5-7 圖 5.7 ID 05 地下水位監測數據 ... 5-7 圖 5.8 降雨特徵參數定義示意圖 ... 5-8 圖 5.9 ID 02 與 ID 04 水位比較示意圖 ... 5-9 圖 5.10 岩層累積雨量與水位上升高度關係圖 ... 5-9
圖 5.11 崩積層雨量門檻延時與累積雨量關係圖 ... 5-10 圖 5.12 累積雨量與地下水位高度關係 ... 5-11 圖 5.13 地下水位上升速率與體積含水量關係 ... 5-11 圖 5.14 ID 03 體積含水量監測數據 ... 5-16 圖 5.15 ID 05 體積含水量監測數據 ... 5-17 圖 5.16 各測站傾斜角監測數據 ... 5-17 圖 5.17 台 20 線 52k 數值分析模型 ... 5-20 圖 5.18 入滲開始 1.2E5 秒後孔隙水壓分布與流動向量 ... 5-21 圖 5.19 入滲後垂直有效應力分布與位移向量 ... 5-22 圖 5.20 入滲後水平位移分布 ... 5-22 圖 5.21 ID05 位置預測孔隙水壓歷時 ... 5-23 圖 5.22 非耦合分析 ID03 下邊坡臨界滑動區域 ... 5-24 圖 5.23 非耦合分析下邊坡水平位移分布 ... 5-24 圖 5.24 非耦合分析地下水流軌跡 ... 5-25 圖 6.1 PYWALL 土壤結構模型 ... 6-2 圖 6.2 牆體變形分析流程圖 ... 6-3 圖 6.3 模擬擋土牆體示意圖 ... 6-5 圖 6.4 水位深度 7-5 公尺位移圖 ... 6-8 圖 6.5 水位深度 4.5-2.5 公尺位移圖 ... 6-8 圖 6.6 水位深度 2-0 公尺位移圖 ... 6-9 圖 6.7 地下水位深度與牆頂位移量 ... 6-10
XI
圖 6.8 地下水位深度與旋轉角 ... 6-11 圖 6.9 ID5 孔頂高程與地下水位示意圖 ... 6-12 圖 7.1 平台架構示意圖 ... 7-1 圖 7.2 平台身分驗證系統首頁 ... 7-3 圖 7.3 即時監測平台頁面 ... 7-3 圖 7.4 監測儀器狀態頁面 ... 7-4 圖 7.5 雨量資訊頁面 ... 7-4 圖 7.6 地下水位資訊頁面 ... 7-5 圖 7.7 傾角資訊頁面 ... 7-5 圖 7.8 資料下載頁面 ... 7-6 圖 7.9 使用者管理頁面 ... 7-6 圖 7.10 平台警戒值設定 ... 7-7
XII
表目錄
表 4-1 模組資訊表 ... 4-12 表 5-1 台 20 線 52k 測站配置表 ... 5-4 表 5-2 ID 02 降雨事件整理 ... 5-12 表 5-3 ID 05 降雨事件整理 ... 5-13 表 5-4 分析所用土層參數 ... 5-19 表 5-5 崩積層 Van Genuchten (1980) 模式擬合參數 ... 5-19 表 5-6 非飽和水文參數... 5-20 表 6-1 牆體斷面表 ... 6-5 表 6-2 土壤參數表 ... 6-7 表 6-3 地錨參數表 ... 6-7 表 6-4 不同土壤下主動破壞旋轉角 ... 6-9
1-1
第一章 計畫概要
1.1 研究計畫之背景、目的及重要性
1.1.1 計畫背景
山區道路邊坡崩塌主因為地震與降雨引致，其中降雨引致之邊坡 破壞其發生頻率與範圍遠較地震引致崩塌為高，且降雨引致之邊坡破 壞具有一定之延時與前期徵兆，使得此類災害之預警較為可行且易發 揮成效。本計畫目標為針對公路土壤邊坡可能遭遇降雨引致之土層滑 動破壞，進行解析法分析並搭配無線土層反應監測模組，發展適用於 崩積土層之解析法依時預警模式，用以互補現有以雨量監測為指標之 經驗法預警模式，提高預警之準確與時效性，利於相關單位對此類災 害預警及管理之決策參考。
降雨引致公路土壤邊坡破壞依其滑動機制可分為淺層與飽和土層 滑動，淺層滑動發生於非飽和區，因降雨入滲使基質吸力降低，非飽 和土壤強度降低而滑動；飽和土層滑動發生於飽和區，其力學平衡因 地下水滲流影響，使下滑力增加，且因孔隙水壓增加導致土壤強度降 低而引發土體滑動，二種邊坡破壞其滑動機制與致災因子顯著不同，
因此其解析程序及對應之崩塌預警模式亦應分開考慮。淺層滑動之解 析法於前期計畫已發展相對成熟，將持續進行現地觀測與驗證資料收 集，此外本年度計畫將持續對深土層降雨崩塌解析與觀測技術進行精 進，另外加入擋土系統監測與土壤-擋土結構互制分析，建立完整公路 邊坡預警架構。
現有對於降雨引發崩塌之評估方法可概分為經驗法與解析法兩 種。經驗法為根據以往崩塌資料及崩塌的內在因素與外在誘因，如地 形、地質與降雨資料與崩塌相關性之統計迴歸與整理等，歸納出簡易 的關係式，以作為未來評估崩塌之用。經驗法因具有簡單與單純性，
因此較為廣泛地被使用，尤其是對區域性之坡地崩塌分析與預警機制
之擬訂已行之有年，如以累積降雨量或降雨強度為基準發佈土石流警 戒燈號即為典型之應用。但是此類經驗法因缺乏嚴謹之力學概念，且 近年來受極端氣候常態化影響，降雨有趨於異常強烈之傾向，導致近 期之崩塌案例其緩坡之崩塌面積擴大與陡坡之滑動面深度增加，限於 過去類似經驗有限，經驗法則對此類邊坡崩塌之預測有其侷限。
公路邊坡預警系統中少數案例已引進地表運動及土層滑動監測文 指標(廖瑞堂等, 2008)、另有利用CCD 攝影機、雨量計、GPS、地震儀 (交通部運輸研究所, 2011)等監測系統，但主要仍沿用坡地治理常用之 降雨特徵做為預警依據 (交通部運輸研究所, 2014)，其並未將地形與地 質特徵、場址入滲行為土壤-擋土系統互制及破壞機制等因素列入考 量。而現有公路養護單位所用之時雨量及累積雨量警戒共有「預警」、
「警戒」及「行動」3個等級，而以大區域降雨做為指標時，無法考慮 場址實際降雨，且因其為地滑發生之間接指標，警戒值多由過往案例 統計而得，缺乏嚴謹之力學概念且不足以應付氣候變遷下之極端降雨 破壞類型，導致此類預警系統常流於過於保守或無法提供反應時間。
整體而言，經驗法因簡單且資料較易取得，因此廣為使用且具一定之 準確性，但因其具有相當不確定性，導致應用與特定場址時其準確度 常有不足，作為區域防災預警尚為可行，但對重要交通區段預警減災 策略擬定常有不足之處。解析法為以嚴謹的力學概念為基礎，考慮地 形幾何、地質構造、水文特性、地質材料力學行為及土壤-擋土系統互 制之影響，探討邊坡滑動機制發生原因、過程與影響範圍，其流程具 有通用性與客觀性，且成果具有場址客製化之特性，但此類分析需有 詳細現地調查，土層資料與擋土系統設計圖等，且其分析過程複雜，
因此相關研究較少，但其對於改善預警精度、建立依時預警模式、與 減災設施規劃等具有前瞻性。
現今對邊坡預警之趨勢為整合考慮地形、地質材料特性之場址破 壞機制分析，搭配即時監測相關引致滑動之土層物理量與地層運動之 預警系統，此類預警技術包含兩部分，其一為藉由地質探勘與地形測 量，建立場址地質模型並據以進行解析法分析，預測其滑動機制、範
1-3
圍及不同階段警戒值；其二為佈設監測硬體於反應敏感之位置，進行 即時土層監測並發佈警報。目前以數值方法進行崩塌機制分析已有相 當進展，但是現地土層邊坡預警監測系統仍有價格昂貴、佈設不易及 維護困難等瓶頸，因此發展具備無線土層監測之模組化系統，對於推 廣以解析法為依據之公路邊坡降雨崩塌預警系統具重要關鍵。
1.1.2 計畫目的
本計畫係依據行政院「104年災害防救白皮書」課題七：「建立潛 在大規模崩塌防災警戒機制」，結合具有相當經驗與基礎之技術研發，
擴大災害防救科技研發與技術支援能量，強化資訊綜整與分析研判機 制，將研發能量由「技術支援」提升至「政策支持」，使政府面臨災害 防救重大決策時，能夠及時獲得正確資訊。而108年度「海洋及交通運 輸防災技術研究(2/4) 」研商會議中確定本年度計畫目標，針對公路土 壤邊坡可能遭遇之土層滑動破壞，進行解析法分析並搭配無線土層反 應監測模組，測試發展適用於崩積土層之解析法依時預警模式，用以 互補現有以雨量監測為指標之經驗法預警模式，提高預警之準確與時 效性。
本年度計畫為延續前期「公路邊坡崩塌監測之無線感測網路模組 研發」、106年「公路邊坡深層滑動無線感測網路監測系統研發」及107 年「公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發」研究成果，針對 前期發展之公路土壤邊坡崩塌監測無線感測網路模組進行維護並持續 精進及擴充，由前期進行之公路土壤邊坡淺層崩塌無線感測網路模組 延伸至土壤飽和土層滑動監測，尤其針對公路土壤邊坡可能遭遇到破 壞面位於飽和土層之滑動崩塌解析技術，而為因應邊坡飽和土層滑動 場址多已整治，因此，本年度將於水力力學耦合分析之邊坡穩定架構 中，加入擋土設施之互制反應，並搭配之擋土系統監測系統與對應之 預警指標。利用不同複雜程度之解析法，建立以嚴謹力學概念及具代 表性現地材料參數為基礎之分析架構，結合本所發展中之土層無線監 測模組為基礎，研發與解析法搭配之無線感測飽和土層滑動與擋土系
統反應監測模組，建立場址土層水文及力學無線感測網路，研發降雨 引致深土層崩塌之土層監測預警模式之架構，提高預警之準確與時效 性，以利災害預防及災後管理之決策參考。
因不同滑動類型其機制與反應不同，可監測之預警指標亦不同，
本計畫以本所發展中之土層無線監測模組，建立場址土層水文及力學 無線感測網路，發展降雨引致深土層崩塌之土層監測預警模式之雛 形。計畫結合嚴謹力學概念為基礎之解析法與邊坡無線土層監測模 組，考慮地形幾何、地質構造、水文特性、材料力學行為之影響，發 展場址客製化淺層與深土層公路邊坡降雨崩塌預警系統，利用建立之 場址地質模型進行水力力學耦合(coupled hydro-mechanical)邊坡滑動分 析，探討崩塌機制發生原因、過程與影響範圍，預測邊坡依時性反應，
除作為表層土層反應監測模組佈設及制定警戒值之依據外，因可預測 邊坡之滑動面、滑動歷時等，故預警精度、正確性、滑動時間及滑動 體積皆可評估，可用來改善預警精度、建立依時預警模式與減災設施 規劃等。
本所現有淺層滑動無線感測網路模組為依據淺層滑動特性所研 發，具有廉價、快速安裝與無線傳輸等特性，但因飽和土層滑動機制 與淺層不同，飽和土層滑動破壞，其場址具有坡角小於土壤有效摩擦 角、土層厚度大於數公尺且現場地下水系發達或入滲速率快之條件，
因此其監測之物理量與淺層滑動有所不同，本研究以本所發展之表層 無線監測模組為基礎，加入開孔水位量測，本年度並研發現地擋土系 統監測模組，結合飽和土層滑動之機制與土壤結構互制分析，建立場 址孔隙水壓及力學反應無線感測網路，發展降雨引致飽和土層崩塌之 監測預警模式之雛形。因研發技術基於力學理論，可依場址幾何與材 料特性分析，建立以地下水位及地表傾斜為指標之客製化之監測預警 系統。
本研究整體計畫執行之連貫性包括：
(1) 持續精進發展中之公路土壤邊坡崩塌監測無線感測網路模組。
1-5
(2) 不同土層邊坡滑動型態其特徵資料分辨、解析研判方法及監測 配件設計為本計畫研發重點，而監測儀器仍需保有廉價、快速 安裝與無線傳輸等特性。
(3) 由前期進行之公路土壤邊坡淺層崩塌無線感測網路模組發展 至土壤邊坡飽和土層滑動監測，而飽和土層與淺層滑動之區 分，係以飽和地下水位為分界，因滑動面位於飽和水位上與下 的破壞機制不同，需依不同破壞模式進行分析。本年度研發之 解析及監測技術將可選擇使用於常發生飽和土層滑動之公路 土壤邊坡。
1.2 研究範圍與對象
本年度計畫除淺層滑動監測站維護外，並將針對滑動面發生於飽 和土層之飽和土層滑動解析與監測進行精進，飽和土層滑動其力學平 衡因地下水位上升及滲流影響，使其孔隙水壓與下滑力增加，引致土 壤強度降低導致邊坡滑動。解析法分析以前期針對淺層滑動所發展之 無限邊坡極限平衡與二維邊坡因降雨入滲引致破壞之數值模式，進一 步考慮降雨引致之地下水水力反應，考慮滑動面於飽和區，進行土層 有效應力分析，發展具飽合土層層滑動潛勢場址之水力力學耦合分析 技術，評估其滑動面、滑動歷時及水力反應，作為監測量測物理量選 定與預警模式之依據。
本所於前期已於甲仙攔河堰西側通達道路邊坡及高速公路西湖休 息站邊坡完成兩處淺層滑動監測站，其採用廣為應用於物聯網(Internet of Things, IoT)之微機電系統 (Micro-electro-mechanical system, MEMS) 感測器，客製化具無線網路通訊功能且可監測地表傾角及土中分層含 水量之監測模組，形成分布式表層土壤感測網路。本年度(108年)淺層 監測站將持續進行系統維護與更新，更新部分包括通訊系統由3G更新 為4G、資料分析雲端化以及預警值修正，另於經費許可下於阿里山五 彎仔路段新增淺層監測站。107年度利用此模組之架構，加入降雨引致 深層滑動之指標物理量，量測值包括地表傾斜、現地雨量監測、入滲 速率、地下孔隙水壓等，研發適用於土壤邊坡飽和土層滑動且具低成
本易安裝特點之無線監測模組。本年度(108年)深層土壤監測站將增加 崩積層開孔式孔隙水壓監測，通訊系統由3G改4G，並增加擋土牆傾角 監測。
1.3 研究內容與項目
本計畫著眼於落實應用非穩態水壓之分佈式監測技術之研發，以 提供降雨地層入滲及滲流量之關係與實際水壓分佈，做為邊坡穩定與 擋土支撐系統分析即時更新參數，達到現地預警功能。本年度計畫工 作項目條列如下：
1. 針對本所已架設之公路土壤邊坡淺層崩塌監測無線感測網路模組 場址，持續進行監測與現地測試，並精進現有模組資料分析模式。
2. 選定潛在飽和土層滑動場址一處，於雨季前安裝無線開孔液位計及 雨量計，發展現地地下孔隙水壓升降與降雨特徵之推估模式。
3. 利用場址現地深土層地下水位監測成果，進行傳統極限平衡及有效 應力數值分析反算與驗證。
4. 精進適用於土壤邊坡飽和土層滑動之低成本易安裝之無線監測模 組及搭配之水力力學耦合解析法分析技術，撰寫分析軟體並進行分 析測試。
5. 參 考 科技部 「科 技計畫 績效管 考平 台 (http:// stprogram.stpi.narl.
org.tw)」之「績效指標(實際成果)資料格式(word 檔案)」及「佐證 資料格式(word 檔案)」，就本計畫成果之特性，選填合適績效指標 項目，並以量化或質化方式，說明本計畫主要研究成果及重大突 破。本計畫績效指標項目至少包括下列 3 項：
(1)學術成就(科技基礎研究)-A 論文發表: 將投稿港灣報導，國際期刊 一篇已接近完稿。
1-7
(2)技術創新(科技整合創新)- I 技術活動：研究成果發表於國內或國外 研討會: 部分成果發表於 Symposium on Smart Infrastructure and Geotechnical Engineering Innovation 國際研討會並受邀至中興工程 顧問社演講。
(3)社會影響(民生社會發展)- W.提升公共服務：研究成果提供交通 部、公路總局等公路管理單位邊坡防災之參考。
針對本年度(108 年)研究之內容與項目說明如下：
1. 現有淺層崩塌場址持續觀測與精進：目前本所於前期計畫已建置甲 仙攔河堰通達道路邊坡淺層滑動觀測場址，此場址 106 年度已完成 系統精進更新，包括現有模組間通訊、電源及遠端資料擷取與雲端 顯示介面，至 107 年底均正常運作，但原有 3G 模組因停止服務，
本年度更新為 4G 廣域網路以延續原有觀測，提供分析模式測試驗 證，以利於後續推廣。
2. 深層滑動場址開孔液位計及雨量計安裝與資料分析：本所於 107 年 度於台 20 線 52k 佈設飽和土層滑動監測場址，利用原有公路局五 工處 60 m 鑽孔及成大李德河教授之 40 m 鑽孔作為深層開孔水位 觀測井，並於道路上邊坡鑽設孔底位於崩積層底部之約 15 m 之開 孔水位觀測井，本年度將持續觀測，並更新雨量計韌體提升其功 能，另以水位觀測與雨量監測結果，建立飽和層孔隙水壓升降與降 雨特徵之關聯，建立時間域孔隙水壓推估模式，結合邊坡極限平衡 分析，達到依時預警之目的。
3. 深層滑動場址傳統極限平衡及有效應力數值分析反算與驗證：本團 隊於 107 年度已推導以孔隙水壓比為指標之無限邊坡極限平衡方 程式，並建構二維有效應力邊坡數值分析，本年度以現地觀測成 果，進行土壤參數反算及分析模式驗證，同時將現地擋土系統亦列 入分析考量，以利現地應用。
4. 精進適用於土壤邊坡飽和土層滑動之低成本易安裝之無線監測模 組：以運研所現有低成本易安裝之飽和土層滑動無線監測模組為基 礎，精進模組間通訊、電源及雲端顯示介面，提供穩定可靠之飽和 土層滑動監測與預警模式之即時觀測值，並於現有場址進行監測模 組長期現地測試，另外搭配之極限平衡分析或預先計算之二維數值 分析預警模式以雲端計算型式，於雲端平台進行計算測試。
1.4 預期成果、效益及應用
本研究之核心為開發可快速佈設且具依時特性之公路土壤邊坡地 表監測破壞預警技術，研究成果提供交通部、公路總局與臺灣鐵路管 理局之養護與工務單位，做為相關防災作為啟動之準據。預期完成之 成果與效益包括如下：
預期成果:
1. 建立以嚴謹力學概念及具代表性現地材料參數為基礎之解析法土 壤邊坡深層滑動分析架構，並以此做為公路土壤邊坡深層滑動預警 模式之雛形。
2. 針對山區公路土壤邊坡深層滑動現象，組合資料擷取、分析研判、
數據傳輸功能，研發低成本、易安裝之表層無線監測網路。
3. 發展解析法客製化之公路土壤邊坡深層滑動監測與預警技術，提升 預警準確度。
預期效應與應用:
1. 本計畫針對崩積土層進行解析法推論，發展具依時特性之公路土壤 深層邊坡降雨滑動監測及預警技術，提升現有以經驗法為依據之預 警模式準確度，以利災害管理。
2. 利用臺灣消費性電子系統整合之優勢，發展簡易土層監測模組，應 用於地質災害監測與預警。
2-1
第二章 研究方法及進行步驟
2.1 研究方法
本計畫與現有公路邊坡預警系統主要差異為考慮土壤淺層與飽和 土層破壞機制不同，發展以土層水力反應與地表位移或傾斜為指標之 預警模式，研發搭配之表層邊坡無線監測模組，監測系統具有快速佈 設與單價便宜之特點，克服傳統於土層中安裝監測設備費時與設備昂 貴之限制。監測模組以物聯網常用之軟硬體，採用廣為應用於消費性 電子產品及醫療器材之微機電系統感測器，客製化具無線網路通訊功 能且可監測地表傾角、土壤濕度、孔隙水壓、雨量特徵等功能之監測 模組，於數個邊坡反應靈敏之處佈設，形成分佈式表層土層反應感測 網路。由於此類電子產品可大量生產，因此，能大幅降低成本，且監 測點位選定與分佈式監測感測模組反應詮釋一併考量，監測之結果亦 可回饋解析與數值分析模式，此流程將可做為開發快速佈設且具依時 特性之公路邊坡破壞預警技術，及相關防災啟動之準據。
本計畫針對之土壤破壞類型包括：滑動面位於非飽和土層之淺層 滑動及滑動面位於飽和土層之飽和土層滑動。計畫包括進行考慮水力 力學耦合之土層邊坡穩定分析及現地無線監測模組開發，整合此二主 軸，發展具依時特性之公路土壤邊坡預警系統，飽和土層依時預警架 構流程如圖 2.1 所示，整體流程包括以解析與數值法為基礎之水力力學 耦合分析，建立場址具依時特性之地表運動量(位移與傾角)及土層土壤 水力反應，結合本計畫研發之簡易無線監測模組，即時監測土層力學 與水力反應，修正水力力學耦合分析成果，並依修正結果推估滑動發 生時間及滑動土體之幾何性質，做為依時特性之場址客製化預警系統。
水力力學耦合分析包括考慮非飽合土壤中入滲之及飽和區孔隙水 壓變化特點，考慮水力邊界條件，求解 Richards equation，以模擬入滲 與滲流引起之土壤抗剪強度降低及下滑力增加，考慮極限平衡分析
圖 2.1 依時邊坡預警系統架構圖
即可進行與 Collins and Znidarcic (2004)近似之臨界破壞深度與破壞包 絡線分析，預測若破壞其可能破壞之時間，此為初步之解析成果，其 準確度有賴於入滲速率及土壤抗剪強度推估可靠度。臨界破壞深度與 破壞包絡線分析無法推估地表土層運動量，而地表特定位置之運動量 推估有賴於複雜之數值模擬，本研究將以假設合理之邊界與初始條 件，進行考慮入滲與滲流之時間域水力分析，水力分析之結果即時更
2-3
新土壤有效應力及土壤勁度與強度，進行二維土層時域有效應力分 析，以推估滑動土體於地表位移與傾角歷時。
由於解析法邊坡穩定分析輸入參數具有不確定性，因此須以現地 監測結果反饋進行模式修正與調整，鑒於以雨量預警具一定不確定 性，而現有邊坡土層監測系統佈設費時且維護不易，因此本計畫以廣 為應用於消費性電子產品及醫療器材之微機電系統感測器，客製化具 無線網路通訊功能且可監測地表傾角、土壤含水量、入滲速率、孔隙 水壓力及降雨特徵之監測模組，形成分佈式表層土壤無線感測網路。
淺層滑動監測架構中，入滲速率由不同深度之土中含水量變化，
利用入滲引起含水量增加而改變土壤介電係數之特性，量測含水量剖 面並據以推估入滲速率，所推估之入滲速率將用於考慮入滲之極限平 衡分析，以推估其可能破壞時間，降雨前基質吸力由含水量結果及土 壤特徵曲線推估，並作為數值分析之初始含水量依據。由水力力學耦 合分析，可預測地表監測點之地表傾角與位移歷時，由監測之地表傾 角與位移量可及時修正數值分析結果，並據以推估滑動之可能時間，
作為依時預警之依據。
本所(2017) 之研究已完成飽和土層土壤無限邊坡分析架構，建立 水力力學耦合分析架構，並研發測試簡易表層邊坡無線監測模組測 試，選定阿里山公路五彎仔段為測試場址，但此場址因陸續完成深層 排水井整治，其常時地下水位低於地表下 40m，因此短期內再滑動之 機率大幅降低，需另尋合適場址進行理論驗證及硬體測試。2018 年另 於台 20 線 52k+150 處設置一處監測場址，進行淺層入滲及飽和土層孔 隙水壓即時監測並設置雨量計，完成此場址二維水力力學耦合穩定分 析，但以二維水力力學耦合計算分析飽和土層破壞有下列侷限：
1. 無限邊坡中平行滲流之影響不可忽略。
2. 現地垂直入滲非為增加孔隙水壓之唯一因子。
3. 地下水位需考慮整體集水區降雨與入滲特性。
4. 土壤非均質與強度不確定性
因此 2018 年計畫提出以長期水位觀測資料，建立場址地下水位升 降與降雨前土壤狀態及降雨特徵關聯，搭配非耦合邊坡穩定分析，本 年度持續觀測並以現地觀測資料進行驗證測試，以完備飽和土層滑動 依時預警。
2.2 國內外有關本計畫之研究情況
2.2.1 解析法邊坡分析
美國交通研究委員會(TRB, 1996)依邊坡破壞之材料種類及運動方 式，將邊坡崩塌型態分類。依材料種類可區分為岩層(rock)、岩屑(debris) 及土壤(soil)，而根據崩塌運動類型，區分為墜落(fall)、傾覆(toppling)、
滑移(slide)、側移(spreads)及流動(flow)等五種基本類型，本研究標的為 土壤滑移。Kurahashi (2008) 分析 1990~2004 年間日本 1310 個公路崩 塌災點，發現約有 90%的崩塌災害是因為降雨造成的，且 80%是表層 破壞造成的崩塌。吳從龍(2009)由問卷調查方式得知，地震及颱風豪雨 來襲時對山區道路邊坡破壞最大，其次則為道路開闢的影響。
多數邊坡穩定的問題中，水為最重要的觸發因子，降雨入滲會增 加土坡的下滑力，減弱材料特性，在非飽和邊坡還會因基質吸力減少 使剪力強度下降，因此水和土壤之耦合反應於邊坡穩定問題中不可或 缺。經驗指出絕大部分因降雨而導致之崩積層坡地崩塌屬於淺層破壞 (Cascini et al. 2010; Fannin et al., 2005)，破壞面深度約在 0.5 至 3m 之 間，覆土壓力在 5 至 55kPa 之間。Cascini et al. (2010) 歸納前人的研究，
將此類淺層邊坡崩塌分析分成破壞（failure），破壞後（post-failure）與 擴散（propagation）三個階段，並指出破壞與破壞後可以獨立進行分析。
Cascini et al. (2010)使用現地應力路徑（field stress path）的框架，將邊 坡破壞後的行為分成地滑（slide），地滑變流動（slide to flow）與流動 型地滑（flowslide）。
2-5
Huang et al. (2012) 以光纖改測技術進行阿里山公路五彎仔段分層 水壓即時量測，其於 2009 年莫拉克颱風期間之觀測結果如圖 2.2 所示，
分層地下水位因強降雨顯著增加，其應力路徑隨孔隙水壓增加而接近 土壤有效摩擦角 40∘之無限邊坡破壞包絡線。
Collins and Znidarcic (2004)提出對於飽和邊坡而言，因無滲透發 生，所以降雨對邊坡穩定在不考慮邊界毛細現象之情況下沒有影響，
但對非飽和細顆粒土壤邊坡而言，滲透對邊坡穩定有顯著的影響，孔 隙水壓在邊坡內之分部會隨著水向下入滲至土壤內而改變。因此在分 析非飽和邊坡穩定性時，須將非飽和土壤之剪力強度和基質吸力影響 及滲流力列入考慮。以無限邊坡極限平衡分析，結合非飽和土壤之衍 伸莫爾-庫倫破壞準則(Fredlund et al. 1978)，可得到無限邊坡破壞之臨 界深度 dcr，考慮滲流力發展，將臨界深度表示為壓力水頭和土壤特性 參數的函數，考慮土層內之壓力水頭變化，定義出土層壓力水頭和臨 界破壞深度之變化關係之穩定包絡線(圖 2.3)，以此做為預測淺層破壞 之依時行為之基礎。運研所(2018) 利用相近概念，提出淺層滑動依時 預警架構，以定深度含水量變化作為預警指標。
對於基質吸力降不顯著之粗顆粒土壤，其入滲行為(如圖 2.4 所示) 與細顆粒顯著不同，此因其非飽和與飽和狀態下滲透係數差異不大，
若邊坡坡角ꞵ小於土壤有效摩擦角，則滑動發生於正孔隙水壓處(圖 2.4 之 D 點)，此為深層滑動之類型之一，無限邊坡深層滑動可以近似之概 念進行推導。
對於無法滿足無限邊坡條件之案例，則進行考慮飽和與非飽和土 壤特性之二維水力力學耦合穩定分析，於進行滲流分析時同時進行力 學分析，於暫態滲流分析過程中同步進行力學計算，以有限差分型式 進行非線性大變形模擬，且力學計算中考慮非飽和土壤基質吸力改變 對有效應力之影響，更新土壤彈性參數及強度，適切模擬邊坡土層因 降雨引致之破壞過程。
圖 2.2 五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖 (Huang et al., 2012)
2-7
圖 2.3 典型細顆粒土壤入滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004)
圖 2.4 典型粗顆粒土壤入滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004)
2.2.2 邊坡監測預警
目前國內外所採用之道路邊坡監測儀器種類繁多，常見之監測儀 器可分為:(1) 土中位移監測，(2) 地表位移監測，(3) 水壓或地下水位 監測，(4) 雨量監測 ，(5) 土壓監測，(6) 擋土結構監測等，可依據邊 坡之可能破壞模式及風險性之不同進行分級，對於風險性較低或較穩 定之邊坡，選擇簡易及較經濟之監測系統加以監測，對於風險性較高 或較不穩定之邊坡，則需選擇較完整之監測系統(運研所, 2013)。
黃安斌等人(2002)認為道路邊坡之安全監測涉及三個環節：（1）確 保安全監測所得之物理量為合宜之參考物理量；（2）妥善進行監測所 得物理量之詮釋；與（3）訂定合宜之預警基準應用於管理層次。結合 參考物理量、物理量之詮釋及預警基準，道路防災管理方能落實。依 運研所(2011)研究指出，道路邊坡之監測系統可概分為人工記讀系統以 及自動化系統，自動化系統其組成包括：(1)感測單元；(2)資料擷取單 元；(3)資料傳輸單元；(4)資料儲存、展現或分析單元；以及(5)電源供 應等五個單元。其中感測單元感測現地物理量(如位移)或環境條件(如 雨量)之變化，由資料擷取系統收集、記錄、篩選、判讀並經由資料傳 輸單元送達遠端之資料儲存單元儲存、展現或分析資料，並可發送現 地警報通知守視人員。
Uchimura et al. (2008) 發展一簡易邊坡預警監測系統，其僅監測表 面位移傾角及坡面含水量變化，系統配置如圖 2.5 所示，藉由無線網路 可將地表運動與含水量變化傳送至監控中心，配合邊坡破壞前會有一 顯著轉動之特性，可進行必要之預警，此系統已布設於多個場址，為 現今具有較多應用案例之系統，國內則有張達德等(2013)以傾度儀結合 Zigbee 無線傳輸，於國道三號 3.1K 進行無線網路邊坡預警監測，但其 系統監測至破壞之時間不一，並無安裝位置之建議，對於非圓弧破壞 其地表傾度並不顯著，且預警準則為經驗法則，缺乏嚴謹力學分析，
仍有相當改善空間。
2-9
圖 2.5 地表邊坡預警監測系統 (Uchimura et al., 2008) 李秉乾(2004)透過現地實測的結果，指出山區道路邊坡監測系統在 整體架構上，以監測路段現地資料的接收及整合為主要目的，經由無 線傳輸技術將監測資料傳回資料接收中心並儲存於資料庫。所有資料 經過加值與整合成資訊，即可反應現地邊坡的狀況，進行監測現況了 解，整合預測破壞模式即可發展為具有即時應變能力的通報系統。
分布式無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)是由一到 數個無線資料收集器以及為數眾多的感測器(sensors)所構成的網路系 統(Chong and Kumar, 2003)，元件之間的溝通採用無線的通訊方式，且 具備低成本、低耗電、體積小、容易佈建，並具有感應環境裝置，可 程式化、可動態組成等特性，已開發於土木工程之應用如 Senera 之橋 梁監測系統。現今物聯網(Internet to Thing, IoT)為無線感測加上控制之 功能，其中無線感測為重要之部分。為充分利用台灣於高科技產業之 優勢，陳志芳等(2015)(2017)採用廣為應用之微機電系統(MEMS)感測 器，發展可監測地表傾角(tilting)、淺層土壤濕度(soil moisture)以推估 土壤基質吸力 (matric suction)之監測單元，並以低耗電之無線網路連 接，形成分布式無線感測器網路，由於其可大量生產，可大幅降低成
本，長期目標為建立模組化可拋棄式模組，以利於推廣。
由於監測點位選定與分布式無線感測器網路反應詮釋與滑動機制 相關，為增進預警系統之準確度，監測網路佈設前將進行地質模型建 立及邊坡滑動數值分析，結果用於監測網路佈設參考，而監測之結果 亦可回饋數值分析模式，本計畫結合無線散佈式表層感測系統與解析 成果，建立可快速佈設且具依時特性之公路邊坡破壞預警系統，以此 流程建立場址不同階段預警值，做為相關防災作為啟動之準據。
2.3 水力力學耦合邊坡穩定分析與依時預警
道路土壤邊坡依其機制可分為淺層與飽和土層滑動，二種邊坡破 壞其滑動機制與致災因子顯著不同，因此其解析程序及對應之崩塌預 警模式亦應分開考慮，本研究以降雨引致滑動面位於非飽和及飽合土 層之崩塌為研究對象，以解析法整合地形、地質材料及水文特性之場 址破壞機制分析，搭配水力力學耦合試驗了解降雨對土壤應力狀態之 影響程度，以探討邊坡滑動機制，並作為依時預警系統之理論架構。
2.3.1 非飽和滲流分析
實務上考慮滲透情形下的邊坡穩定分析，大多利用提高地下水位 以模擬降雨入滲透過程中孔隙水壓增加的現象，但孔隙水壓的變化受 到土壤本身的滲透特性控制而有不同的反應。因非飽和土壤之基質吸 力及飽和土層滲流力之變化和孔隙水壓在邊坡內的分布有密切關係，
為得到孔隙水壓分布隨滲透的變化情形，需了解入滲之水力學機制。
假設水在非飽和土中的流動滿足達西定律，但和飽和土中滲流的 不同為非飽和土之滲透係數為土壤含水量的函數，稱為基質吸力-滲透 係數曲線，圖 2.6 為典型土壤之非飽和土壤特性曲線，非飽和滲流中滲 透係數為孔隙水壓力的函數。土中水流動支控制方程式可依質量守衡 的原理來推導建立，結合達西定律和流動控制方程式可推導出基本的 地下水流控制方程式，Freeze and Cherry (1979) 假設孔隙氣壓等於大氣
2-11
壓力，且可自由進出土壤，提出在均質、均向土壤內之三維流體流動 之控制方程式可以 Richard equation 表示，以總水頭的形式表示為：
x h z
h h z k y
h h y k x
h h x k
p p
p
p
(2.1) 式中 h=總水頭；θ=體積含水量； hp=壓力水頭；k=土壤滲透係數(為壓 力水頭之函數)，給定初始及邊界條件，可計算土壤內總水頭(或壓力水 頭)隨時間之變化，此控制方程式適用於飽和及非飽和土層。
圖 2.6 典型土壤之非飽和土壤特性曲線(Collins and Znidarcic, 2004) 在自然邊坡中，若入滲率大於飽和滲透係數(ksat)，無法入滲之降 雨會沿著邊坡表面流動，使邊坡表面之壓力水頭為零，故分析中上邊 界之邊界條件並非以入滲率控制，而是以壓力水頭控制。滲流使非飽 和之土柱隨時間飽和，使細顆粒土壤的基質吸力減少，並使其剪力強 度下降。
考慮一維入滲下均質土體，根據質量守恆且土壤和水均不可壓 縮，為了簡化計算，假設土壤滲透係數 k 不隨深度改變(即∂ k(hp)/∂z = 0)，可得鉛垂向之一維 Richards equation：
z h h z k t
h h
M( p) p ( p) p (2.2)
其中 z 為深度(地表為零且向下為正)；hp=壓力水頭；k=土壤滲透係數(為 壓力水頭之函數)，可由土水特性曲線決定；M=孔隙水含容能力。
以 Crank-Nicolson 有限差分法，以求解深度之 1/400 為∆z，∆t 則以 Hills 等人所建議的∆t 限制式，∆≤∆z/|V| ，V=Q/(θ(0，t)-θi)，即數值計 算之可蘭穩定條件(CFL condition)，使每一計算時距之水流不會超過一 個網格距離，可將式 2.2 式改寫為差分形式：
1 1
1 1 , 1 , , 1 ,
, , 2
2
1 1
, ,
1 , 1 , 1
2
2
( )
2
2
n n n n
n n p j p j p j p j
p j p j j p
n n n n
p j p j p j p j
j
k h h h h
h h
M h t z
k h h h h
z
(2.3)
2.3.2 淺層滑動無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論
參考 Collins and Znidarcic (2004)降雨下之無限邊坡穩定分析概 念，推導無限邊坡之水力力學耦合穩定分析，考慮一坡角為 β 之無限 長邊坡，如圖 2.7，地下水位面位於 dw處，W 為自重，N 及 S 分別為 作用在切片底部之正向應力及剪應力，din 為入滲深度，假設邊坡破壞 會發生在臨界深度 dcr 處。切片內飽和部分(z din)以有效應力進行分 析，土壤單位重為飽和單位重s，在土壤飽和部分會產生滲流，平行 向滲流平行坡面，水力梯度為ih sin ，垂直向滲流由入滲造成，水 力梯度iv 1；切片內非飽和部分(z din)以總應力分析，土壤單位重為 總體單位重t，其基質吸力之大小隨深度改變，即hc dw z。
滑動面上之正向應力及剪應力，如式(2.4a) 、(2.4b)：
sdin t dcr din cos2 (2.4a)
s din t dcr din sin cos wdin sin cos (2.4b)
2-13
圖 2.7 無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖 代入延伸莫爾-庫倫破壞準則：
' tan
tan' f c ua uw b ua (2.5) 可推導臨界滑動深度 dcr 為:
'
'2 tan tan
1 tan tan
tan
cos
in
t w in t
s t
cr c d d
d
(2.6)
由ct c' whc tanb、hc dw dcr，可將式(2.6)改寫為：
crb
w d
'
2 tan tan
cos 1 tan
水 平 滲 流 垂 直 滲 流
' '
2 '
tan tan
1 tan tan
tan cos
tan
in
t w in t
s b
w
w d d
d c
(2.7) 考慮淺層滑動情形，不考慮水平滲流的影響並忽略入滲對土壤單 位重的改變，所對應之安全係數(FS)為:
tan tan cos
sin cos
sin
cos2 '
z c z
z FS c
t
t t
t
t (2.8)
當z dcr時 FS = 1.0，則式(2.8)可轉換為:
tan '
1 tan sin cos
t t cr
c d
(2.9)
' 2 '
tan
sin cos tan tan cos (tan tan )
t t
cr
t t
c c
d
(2.10) 由ct c' whc(z)tanb，可將式(2.10)改寫為：
'
2 '
( ) tan cos (tan tan )
b
w c
cr t
c h z
d
(2.11)
式(2.11)為非飽和邊坡穩定包絡線(stability envelope)公式，其基質吸力 隨深度的分布hc(z)可由 1-D 滲流分析解得，並代入式(2.11)進行迭代計 算得到滑動面深度 dcr，此架構為進行無限邊坡因降雨入滲引致淺層邊 坡滑動之基礎，因入滲引起基質吸力改變為時間之函數，因此稱為具 依時特性之滑動機制。
2-15
2.3.3 深層滑動無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論
傳統無限邊坡深層滑動分析，以圖 2.8 所示其安全係數計算為:
' tan '
( )
sin cos tan
sat w u
sat cr sat
r FS c
d
(2.12)
式中 u w
cr
r h
d 為孔隙水壓比，hw 為地下水位上升之總水頭高，包含靜水 壓力與滲流引致之孔隙水壓。不考慮平行滲流時(r u 1.0 )，則式(2.12) 可簡化為:
' 'tan ' sin cos tan
sat cr
FS c
d
(2.13)
式中' 為滑動面土壤浸水單位重。考慮平行滲流時，則ru 大於 1，造 成安全係數降低直至破壞，其應力變化如圖 2.9 所示 (Anderson and Sitar, 1995)。
圖 2.8 深層無限邊坡水力力學耦合穩定分析圖
此外由式(2.7)，若忽略基質吸力、基質吸力摩擦角與垂直滲流影 響，將入滲轉換為孔隙水壓力，則式(2.7)中則其破壞模式即為深層滑 動，相同架構可建立具依時特性之滑動機制。
整體而言，臨界滑動面土壤孔隙水壓力對飽和土層土壤無限邊坡 穩定具有重大之影響，因此掌握孔隙水壓變化可有效推估現地邊坡穩 定性並作為依時預警之指標。因ru為時間之函數，若由量測資料進行統 計分析，或以整體集水區水文解析，建立孔隙水壓比與降雨特徵之關 聯，建立ru預警值，結合現地水壓監測及深層無限邊坡水力力學耦合穩 定分析理論，可作為飽和土層依時預警之架構。
圖 2.9 深層無限邊坡滑動應力狀態(Anderson and Sitar, 1995) 2.3.4 二維水力力學耦合數值分析
由於無限邊坡分析僅適用於一維案例，且無法得到位移分佈、大 小與方向以及時間歷時，不利於監測點決定及位移量預測，因此前期 研究引入結合土中入滲滲流分析及飽和土層非線性有效應力分析，利 用相同的網格，於進行滲流分析時，將孔隙水壓傳遞給相同網格之土 壤進行力學分析，滲流分析之結果將用於更新飽和土壤之彈性及強
2-17
度，此程序可近似模擬水力力學耦合耦合分析。
為進行初始非飽和土層水力力學耦合分析，本研究以 FLAC 程式 中之兩相流模組(Two-phase flow module)進行初始非飽和到飽和滲流 分析，並開啟力學分析功能，於暫態滲流分析過程中同步進行力學計 算，以有限差分型式進行非線性大變形模擬，且力學計算中考慮土壤 孔隙水壓力改變對有效應力之影響，更新土壤彈性參數及強度，模擬 初始非飽和土層邊坡因降雨引致之破壞過程。
進行分析時以修正之 Mohr-Coulomb 彈塑性組構模式，考慮其剪 力強度(max )為:
max ( ua) tan S uw( a uw) tan c'
(2.14) 式中Sw 為水之飽和度，基質吸力(ua uw )以Pc 代表，其與水飽和度 之關係以 van Genuchten (1980)建議之關係式表示如下:
1/ (1 )
(S ) 0( a 1) a
c w e
P P S (2.15) 式中 a 為土壤常數，Se為有效飽和度，其定義為:
1
w r
e
r
S S
S S
(2.16) 式中Sr 為土壤殘餘飽和度，低於此值土壤水力與力學特性不再變化；
P0 為參考基質吸力，其值為:
0
wg
P
(2.17) 式中 為水之密度，w 為土壤常數。非飽和滲透係數以常用之 van Genuchten (1980) 建議之關係式表示，其與相對飽和度之關係為:
(1 ) 2
1 (1 a )a
r e e
k S S (2.18)
式中kr為相對滲透係數，不同飽和度滲透係數(k S( e) 與飽和滲透係數 ksat 為:
( e) r* sat
k S k k (2.19) 分析時採用之力學邊界為兩側垂直邊界於水平向固定，底部則為雙 向固定。水力邊界則以底部為滲流邊界，坡頂表面設為保持飽和狀態 並固定其孔隙水壓力為 0，設定初始基質吸力，初始飽和度為滑動土層 之平均值，以此初始與邊界條件進行水力力學耦合模擬，分析時監測 上下邊坡交界處不同深度之反應。
甲仙監測場址二維維水力力學耦合分析其網格如圖 2.10 所示，其 力學邊界為兩側垂直邊界於水平向固定，底部則為雙向固定。模擬初 始階段孔隙水壓及水分子流動向量如圖 2.11 所示，第一階段水由地表 以垂直向下流動進行入滲(infiltration)及滲漏(percolation)，不同深度土 層基質吸力降低，當土層飽和後其基質吸力為 0 並產生正的孔隙水壓 力，第二階段為當飽和土層達到一定厚度後開始產生約略平行坡面之 滲流，此時孔隙水壓因滲流大幅增加，同一剖面但不同深度孔隙水壓 時間歷時如圖 2.12 所示，此時孔隙水壓因滲流而大幅增加，且此時因 孔隙水壓增加導致土體產生顯著運動，其地表位移與傾角歷時如圖 2.13 所示，與不同深度達到飽和時產生對應之運動量得到驗證。分析 結果顯示，可預測於持續降雨入滲下於產生滑動時間，滑動時時土層 均達到飽和，且地表開始有顯著倾角變化，因滑動面由淺層轉為深層，
傾角為先正(順時針)後負，深層滑動量較大時淺層所測之角度轉為逆時 針。
2-19
圖 2.10 數值分析模型
圖 2.11 入滲開始 900 秒孔隙水壓分布與流動向量
圖 2.12 同一剖面不同深度孔隙水壓歷時
圖 2.13 預測地表運動歷時
