公路土壤邊坡滑動無線感測網路 監測系統研發

108-026-7B17

MOTC-IOT-107-H1DB001h

公路土壤邊坡滑動無線感測網路 監測系統研發

交 通 部 運 輸 研 究 所

中 華 民 國 108 年 2 月

108-026-7B17

MOTC-IOT-107-H1DB001h

公路土壤邊坡滑動無線感測網路 監測系統研發

著者：謝明志、陳志芳、張文忠、黃安斌 周仕勳、洪芯琦、邱心彥

交 通 部 運 輸 研 究 所

中 華 民 國 108 年 2 月

國家圖書館出版品預行編目(CIP)資料

公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發 / 謝明志等著. -- 初版. -- 臺北市 : 交通部運研所, 民 108.02

面 ; 公分

ISBN 978-986-05-8531-5(平裝) 1.公路管理 2.運輸系統

557 108000877

GPN：1010800149 ISBN： 978-986-05-8531-5 (全套:平裝) 著作財產權人：中華民國(代表機關：交通部運輸研究所) 本著作保留所有權利，欲利用本著作全部或部份內容者，

公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發

著 者：謝明志、陳志芳、張文忠、黃安斌、周仕勳、洪芯琦、邱心彥 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)26587176

出版年月：中華民國 108 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： 250 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 滑 動 無 線 感 測 網 路 監 測 系 統 研 發

交 通 部 運 輸 研 究 所 107

GPN: 1010800149 定價 : 250 元

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：公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發 國際標準書號（或叢刊號）

978-986-05-8531-5

政府出版品統一編號 1010800149

運輸研究所出版品 編號 108-026-7B17

計畫編號 MOTC-IOT-107-

H1DB001h 主辦單位：港研中心

主管：朱金元

計畫主持人：陳志芳 協同主持人：謝明志 參與人員：魏瓊蓉 聯絡電話：04-26587181 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 地址：臺南市大學路 1 號

聯絡電話：06-2757575~63128

研究期間 自 107 年 02 月 至 107 年 12 月

關鍵字：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：

本計畫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。研究依滑動面發生於飽和土層之深層 滑動及非飽和土層之淺層滑動，淺層滑動為延續前期研究成果，持續進行現地監測與模式 測試，並精進現有模組；深層滑動以結合具嚴謹力學及通用性之解析法邊坡穩定分析及量 測表層土層反應之無線監測模組，利用建立之場址水文與地質模型進行水力力學耦合邊坡 滑動數值分析，預測邊坡依時性反應，作為無線土層反應監測模組佈設及制定警戒值之依 據，以發展場址客製化具依時特性之公路土壤邊坡深層滑動預警架構。所開發之監測模組 以廣為應用於物聯網之微機電感測系統，結合無線通訊與雲端儲存顯示技術，整合具無線 通訊功能且可監測地表傾角、土中分層濕度、溫度及孔隙水壓之監測模組，形成分佈式深 層滑動感測網路，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.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、公路總局與臺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

108 年 2 月 174 250

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: Development of Wireless Monitoring Modules for Soil Slope Failures of Highway

ISBN(OR ISSN) 978-986-05-8531-5

GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER 1010800149

IOT SERIAL NUMBER 108-026-7B17

PROJECT NUMBER MOTC-IOT-107

-H1DB001h DIVISION: Harbor & Marine Technology Center

DIVISION DIRECTOR:

PRINCIPAL INVESTIGATOR: Jyh-Fang Chen PROJECT STAFF: M. J. Hsieh

PROJECT TECHNICIAN: C.R. Wei PHONE: 04-26587181

FAX: 04-26564418

PROJECT PERIOD FROM：February. 2018 TO：December 2018

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: 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. Wireless sensing modules adopting micro-electro-mechanical system (MEMS) sensors with wireless communication components are integrated to monitor surficial ground inclination, water content profile, and pore water pressures. The target failure modes include both shallow slips in unsaturated zone triggered by infiltration and deep slides in saturated zone triggered by excess pore pressures due to seepage. For shallow slip site, soil moisture contents at two depths and surface inclination are monitored and process for warning. In deep slide cases, pore water pressure near the slip surface and rainfall characteristics are monitored. Two shallow slip sites have been monitored for over 2 years and the wireless monitoring modules have been upgraded. A deep sliding testing site has been setup with pore pressure, surface inclination, and infiltration process measurements. A coupled hydro-mechanical analysis is performed to model both the hydraulic and mechanical responses of slopes. Combining the real-time monitoring of pore pressure and and rigorous 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, 2019

NUMBER OF PAGES 174

PRICE 250

CLASSIFICATION

□SECRET

□CONFIDENTIAL

■UNCLASSIFIED The views expressed in this publication are not necessarily those of the Ministry of Transportation and Communications.

公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發 公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發 公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發 公路土壤邊坡滑動無線感測網路監測系統研發

目 目

目 目 錄 錄 錄 錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目錄 ... III 圖目錄 ... VII 表目錄 ... XIII 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 ... 1-4 1.3 研究內容與項目 ... 1-6 1.4 預期成果、效益及應用 ... 1-7 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 ... 2-11 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 系統感測器 ... 3-2 3.3 系統組成 ... 3-9

3.4 無線土層監測模組 ... 3-19 3.5 雲端顯示及運算平台 ... 3-27 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 2018 年甲仙場址監測資料 ... 4-3 4.3 西湖場址土層監測模組安裝測試 ... 4-10 4.4 2018 年西湖場址監測資料 ... 4-12 第五章 飽和層滑動場址監測與分析 ... 5-1 5.1 監測場址背景資料 ... 5-1 5.2 監測配置 ... 5-5 5.3 監測資料與分析 ... 5-6 5.4 二維水力力學耦合穩定分析 ... 5-23 5.5 二維水力力學非耦合穩定分析 ... 5-28 第六章 結論與建議 ... 6-1 6.1 結論 ... 6-1 6.2 建議 ... 6-2 6.3 研究成果與效益 ... 6-2 6.4 提供政府單位應用情形 ... 6-3 參考文獻 ... 參-1 附錄一 期中報告審查意見處理情形表 ... 附錄 1-1 附錄二 期末報告審查意見處理情形表 ... 附錄 2-1

附錄三 期末報告簡報資料 ... 附錄 3-1 附錄四 工作會議紀錄 ... 附錄 4-1

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 2.1 依時邊坡預警系統研究架構圖 ... 2-2 圖 2.2 由有效應力路徑的觀念來看邊坡破壞 (Cascini et al., 2010) .... 2-5 圖 2.3 五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖 (Huang et al., 2012) . 2-7 圖 2.4 典型細顆粒土壤入滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004) .. 2-8 圖 2.5 典型粗顆粒土壤入滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004) .. 2-8 圖 2.6 地表邊坡預警監測系統 (Uchimura et al., 2008) ... 2-10 圖 2.7 典型的土壤含水量特徵曲線 (Fredlund, 1995) ... 2-12 圖 2.8 土壤滲透係數與基質吸力之關係 (Fredlund, 1995) ... 2-13 圖 2.9 典型土壤之非飽和土壤特性曲線(Collins and Znidarcic, 2004)

... 2-14 圖 2.10 非飽和滲流分析結果比較 ... 2-15 圖 2.11 無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖 ... 2-16 圖 2.12 數值分析模型 ... 2-22 圖 2.13 入滲開始後 900 秒後孔隙水壓分布與流動向量... 2-22 圖 2.14 ID05 位置預測孔隙水壓歷時 ... 2-23 圖 2.15 ID05 位置預測地表運動歷時 ... 2-23 圖 2.16 室內模型試驗壓力水頭與破壞包絡線 ... 2-24 圖 2.17 深度 0.75 m 體積含水量變化及依時預警概念 ... 2-24 圖 2.18 甲仙上邊坡深度 1.5 m 體積含水量變化依時預警概念 ... 2-25 圖 2.19 甲仙上邊坡表面傾角變化依時預警概念 ... 2-25 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 I²C 連接方式 ... 3-4 圖 3.4 Catnip 數位訊號輸出與土壤體積飽和度關係圖 ... 3-4 圖 3.5 土層監測模組與分佈式含水量監測示意圖 ... 3-5 圖 3.6 SCA103T 傾斜儀 ... 3-5 圖 3.7 傾斜儀數位與類比輸出解析度比較 ... 3-6 圖 3.8 傾斜儀類比電壓比例輸出標定 ... 3-7 圖 3.9 沉水式液位計 ... 3-7 圖 3.10 液位計校正結果 ... 3-8 圖 3.11 雨量計器示值校正 ... 3-9 圖 3.12 系統運作示意圖 ... 3-10 圖 3.13 Wemos Lolin32 開發板 ... 3-11 圖 3.14 WCDMA(3G)模組 SIM5320E ... 3-12 圖 3.15 LoRa 網路 ... 3-13 圖 3.16 LoRa 無線傳輸模組 ... 3-14 圖 3.17 時鐘與數據儲存模組 ... 3-15 圖 3.18 ADS1115 ... 3-15 圖 3.19 太陽能電源控制器 ... 3-16 圖 3.20 太陽能板 (左 10W，右 20W) ... 3-16 圖 3.21 18650 鋰電池 ... 3-17 圖 3.22 Wemos D1 mini Pro ... 3-18 圖 3.23 繼電器與內部構造 ... 3-18 圖 3.24 伺服器端 ... 3-20 圖 3.25 客戶端–雨量計 ... 3-20

圖 3.26 客戶端–土層監測 ... 3-21 圖 3.27 韌體流程圖 ... 3-22 圖 3.28 土層監測模組外構 ... 3-24 圖 3.29 防水電子合內部配置 ... 3-24 圖 3.30 含水量計外構 ... 3-25 圖 3.31 雨量計支架 ... 3-26 圖 3.32 太陽能板支架 ... 3-26 圖 3.33 水位計夾具 ... 3-27 圖 3.34 雲端即時顯示平台 ... 3-29 圖 3.35 過去 24 小時時雨量 ... 3-30 圖 3.36 過去 72 小時電量變化 ... 3-30 圖 4.1 監測模組相對位置圖 ... 4-2 圖 4.2 監測站點周遭環境 ... 4-2 圖 4.3 Thingspeak 即時顯示情況 ... 4-4 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 ... 4-10 圖 4.9 傾斜角量測方向 ... 4-10 圖 4.10 西湖邊坡實照 ... 4-11 圖 4.11 西湖系統安裝位置示意圖 (Google Earth) ... 4-11 圖 4.12 Node4 體積含水量量測結果 ... 4-12

圖 4.13 Node5 體積含水量量測結果 ... 4-13 圖 4.14 Node6 體積含水量量測結果 ... 4-13 圖 4.15 西湖測站傾斜角監測結果 ... 4-14 圖 5.1 場址位置圖 ... 5-2 圖 5.2 區域地質圖(改自中央地質調查所) ... 5-3 圖 5.3 2013 年至 2017 年月平均降雨量 ... 5-4 圖 5.4 道路上邊坡鑽探施工情形 ... 5-5 圖 5.5 道路下邊坡鑽探施工情形 ... 5-6 圖 5.6 監測儀器配置圖 ... 5-7 圖 5.7 監測剖面示意圖 ... 5-8 圖 5.8 ID 01 測站 ... 5-8 圖 5.9 ID 02 測站 ... 5-9 圖 5.10 ID 03 測站 ... 5-9 圖 5.11 ID 04 測站 ... 5-9 圖 5.12 伺服器端與 ID 05 測站 ... 5-10 圖 5.13 ID 01 雨量監測數據 ... 5-11 圖 5.14 甲仙雨量站時雨量 ... 5-11 圖 5.15 ID 02 地下水位監測數據... 5-12 圖 5.16 ID 03 地下水位監測數據... 5-13 圖 5.17 ID 04 地下水位監測數據... 5-13 圖 5.18 ID 05 地下水位監測數據... 5-14 圖 5.19 降雨特徵與水位上升統計分析各項參數定義示意圖 ... 5-15 圖 5.20 ID 02 與 ID 04 水位比較示意圖 ... 5-15

圖 5.21 岩層累積雨量與水位上升高度關係圖 ... 5-16 圖 5.22 崩積層雨量門檻延時與累積雨量關係圖 ... 5-17 圖 5.23 累積雨量與地下水位高度關係 ... 5-17 圖 5.24 地下水位上升速率與體積含水量關係 ... 5-18 圖 5.25 ID 03 體積含水量監測數據 ... 5-21 圖 5.26 ID 05 體積含水量監測數據 ... 5-22 圖 5.27 各測站傾斜角監測數據 ... 5-22 圖 5.28 台 20 線 52k 數值分析模型 ... 5-26 圖 5.29 入滲開始後 1.2E5 秒後孔隙水壓分布與流動向量 ... 5-26 圖 5.30 入滲後垂直有效應力分布與位移向量 ... 5-27 圖 5.31 入滲後水平位移分布 ... 5-27 圖 5.32 ID 05 位置預測孔隙水壓歷時 ... 5-28 圖 5.33 非耦合分析 ID03 下邊坡臨界滑動區域 ... 5-29 圖 5.34 非耦合分析下邊坡水平位移分布 ... 5-29 圖 5.35 非耦合分析地下水流軌跡 ... 5-30

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 5-1 場址土層參數... 5-3 表 5-2 測站資訊表 ... 5-7 表 5-3 ID 02 降雨事件整理 ... 5-19 表 5-4 ID 05 降雨事件整理 ... 5-20 表 5-5 分析所用土層參數 ... 5-24 表 5-6 崩積層 Van Genuchten (1980) 模式擬合參數 ... 5-24 表 5-7 非飽和水文參數... 5-25

第一章 第一章 第一章

第一章 計畫概要 計畫概要 計畫概要 計畫概要

1.1

研究計畫之背景 研究計畫之背景 研究計畫之背景 研究計畫之背景、 、 、 、目的及重要性 目的及重要性 目的及重要性 目的及重要性

1.1.1 計畫背景計畫背景計畫背景計畫背景

臺灣地區地狹人稠，使得山區與坡地仍有人類與經濟活動，山區 道路除為當地居民對外聯繫主要途徑，更具有觀光與國防之重要性，

而台灣受造山運動影響導致地質脆弱之坡地分佈廣泛，且颱風與地震 發生頻繁，整體天然環境因素導致坡地崩塌無法避免，而山區公路邊 坡崩塌時常導致人員損傷、交通中斷及經濟損失等。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。本研究將針 對公路邊坡可能遭遇之滑動面位於飽和面以下之深層滑動，進行解析 法分析並研發與解析法搭配之無線土層反應感測模組，發展不同於現 有以雨量監測為指標之經驗法預警模式，以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。

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如地形、地質與外 在誘因如降雨資料等，以統計迴歸與資料處理等方法，歸納出簡易的 關係式，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。

現有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、場址入滲行為及破壞機制等因素列入考量。而以大區域 降雨作為指標時，無法考慮場址微氣候特性，且因降雨為地滑發生之 間接指標，而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不同之破壞類型，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。

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，經驗法因具相當不確定性，導致其特定場址之準確度不足，

無法完全滿足重要路段預警減災策略擬定之依據。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 需有詳細現地調查與土層資料，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。

降雨引致公路邊坡破壞依其滑動機制可分為淺層與深層滑動，本 研究之淺層滑動定義為發生於非飽和區，其機制為因降雨入滲使非飽 和土壤基質吸力降低，非飽和土壤強度降低而產生滑動；深層滑動定 義為滑動面發生於原飽和區，其力學平衡因地下水上升及滲流影響，

使其孔隙水壓增加導致土壤強度降低，且下滑力因增加滲流應力而增

加，導致邊坡滑動。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，淺層滑動之研 究於前期研究已具初步成果，本研究以降雨引致深層崩塌為研究對 象，依 Varnes (1978)之邊坡移動分類方法屬工程土壤之平面或圓弧滑 動，水土保持局山崩分類方法之地滑，其為發生於崩積土壤或崩塌岩 屑，且為以固體型態滑動之破壞類型。

現今對邊坡預警之趨勢為整合考慮地形、地質材料特性與水力行 為之場址破壞機制分析，搭配即時監測相關引致滑動之土壤物理量與 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，因此發展具備即時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 計畫目的計畫目的計畫目的計畫目的

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。

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」(交通部運研所, 2016)及 2017 年「公路邊坡深層滑動無線感測網 路監測系統研發」研究成果，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，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，並以運研所發展 中之表層無線監測模組為基礎，研發與解析法搭配之無線感測土層反

應監測模組，建立場址表層水文及力學無線感測網路，研發降雨引致 破壞面位於飽和層崩塌之近地表監測預警模式之雛形，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，以 利相關權責單位對此類災害預防及災後管理之決策參考。

運研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，飽和土層滑動破壞面位於飽和土層以下，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，本計 畫以運研所發展之表層無線監測模組為基礎，加入開孔水位量測，結 合飽和層滑動之機制分析，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。

(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 至土壤邊坡飽和層滑動監測，而飽和層及淺層的區分，係以飽 和地下水位為分界，水位上下的破壞機制不同，需依不同破壞 模式來做分析。本研究所研發之解析及監測技術將可選擇使用 於常發生飽和層滑動之公路土壤邊坡。

1.2

研究範圍與對象 研究範圍與對象 研究範圍與對象 研究範圍與對象

本年度研究針對飽和層滑動破壞類型，飽和層滑動之破壞面發生

於飽和土層，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。本計畫目的為結合 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，發展場址客製化飽 和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。

本計畫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 展具飽和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，作為表層監測量測物理量與預警模式之依據。

計畫前期於阿里山公路五彎仔路段進行深層滑動無線監測模組測 試，並完成搭配之水力力學耦合極限平衡及二維數值分析，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，且無法與前期 Huang et al. (2012)之現 地觀測結果進行反算驗證，因此本年度除維持原有監測系統外，亦新 增一飽和層滑動預警測試場址，搭配相關現地參數推估、水力力學耦 合分析及監測模組佈設。

本計畫工作項目尚包括精進運研所現有淺層滑動無線監測模組及 持續現地測試，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。2017 年度主要精進項目包括電力供應方 式、無線傳輸網路改善、量測資料顯示及系統簡化，現地測試則包括 耐候性、靈敏度、模式驗證等。利用此模組之架構，加入降雨引致深

層滑動之指標物理量，考慮之量測量包括地表傾斜、降雨強度、入滲 速率、地下孔隙水壓等，研發適用於土壤邊坡深層滑動且具低成本易 安裝特點之無線監測模組

1.3

研究內容 研究內容 研究內容 研究內容與 與 與 與項目 項目 項目 項目

本計畫著眼於落實應用在非靜態水壓之分佈式監測技術之推廣，

提供降雨量與地層滲流量之關係與實際水壓分佈，做為邊坡穩定分析 及表層監測系統架設與解讀技術，達到現場預警功能。本年度計畫工 作項目條列如下：

1. 針對運研所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 2 處場址，持續進行監測與現地測試，並精進現有模組。

2. 選定潛在深層滑動場址一處，進行土層水力與力學試驗，完成傳統 極限平衡及有效應力數值分析反算與驗證。

3. 建立具深層滑動潛勢場址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。

4. 精進適用於土壤邊坡深層滑動之低成本易安裝之無線監測模組，並 於選定場址進行監測模組原型測試。

針對本年度(2018 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: 目前運研所於前期計畫已建置 甲仙攔河堰通達道路邊坡及國道三號西湖休息區邊坡兩處淺層滑動 觀測場址，此兩場址為本研究團隊協助建置，2018 年度完成系統精 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，目前均正常運作，本期持續觀測且進行分析模式測試驗證，以 利於後續推廣。

2. 選定潛在深層滑動場址一處: 本團隊於 2017 年計畫完成阿里山五彎

仔深層滑動場址相關分析並作為深層滑動監測模組測試場址，2018 年度建立台 20 線 52k 深層滑動潛在滑動場址，進行相關土層水力與 力學試驗，進行極限平衡及有效應力數值分析之反算與驗證。

3. 建立具深層滑動潛勢場址水力力學耦合解析法分析技術:以前期針 對淺層滑動所發展之無限邊坡極限平衡及二維邊坡變形與穩定分 析，將其延伸應用於降雨引致之地下水流況模擬，結合飽和土壤力 學理論，分析滑動面位於飽和土層之深飽和層滑動，建立極限平衡 分析流程及數值分析輸入流程。

4. 精進適用於土壤邊坡飽和層滑動之低成本易安裝之無線監測模組:

以運研所原有低成本易安裝之深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，提供穩定可靠之深飽和滑動監 測與預警模式之即時觀測值，並於選定場址進行監測模組原型現地 測試。

1.4

預期成果 預期成果 預期成果 預期成果、 、 、 、效益及應用 效益及應用 效益及應用 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、養護工程處 及各工務段等單位，做為相關防災啟動之參據。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飽和層滑動預 警模式之雛形。

2. 針對山區公路土壤邊坡飽和層滑動現象，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. 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。

第二章 第二章 第二章

第二章 研究方法及進行步驟 研究方法及進行步驟 研究方法及進行步驟 研究方法及進行步驟

2.1 研究方法

研究方法 研究方法 研究方法

本研究與現有公路邊坡預警系統主要差異為發展以土層水力反應 與地表位移為指標之預警模式，研發搭配之表層邊坡無線監測模組，

取代傳統土中監測之鑽孔費時與昂貴之限制，監測系統具有快速佈設 與單價便宜之特點。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、運動量、土壤濕度、孔隙水壓等之監測模組，

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。

由於此類電子產品大量生產因此可大幅降低成本，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。

本計畫針對之破壞類型為滑動面位於飽和土層之深層滑動，研究 包括進行考慮水力力學耦合之土層邊坡穩定分析及無線監測模組開 發，整合此二主軸，發展具依時特性之公路邊坡預警系統，研究流程 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)及表層土壤水力反 應，結合本計畫研發之簡易無線監測模組研發，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 時間及滑動土體幾何性質，作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 Richard’s 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 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

圖 圖 圖

圖 2.1 依時依時依時依時邊坡預警系統架構圖邊坡預警系統架構圖邊坡預警系統架構圖邊坡預警系統架構圖

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 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。

由於進行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，鑒於以雨量監測準確度不 佳，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、地表運動量、土壤含水量、入滲 速率及孔隙水壓力之監測模組，形成分佈式表層土壤無線感測網路，

入滲速率將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，量測入滲速率與含水量剖面，所量測之 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，

降雨前基質吸力將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。

2017 年度研究以簡化之無限邊坡進行分析，建立水力力學耦合分 析架構，進行簡易表層邊坡無線監測模組之研發測試，選定阿里山公 路五彎仔段進行測試場址，進行全尺度分析、現地安裝與連續監測，

作為發展依時預警架構之測試。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，因此需另尋合適場址進行理論驗證及硬體測試。

針對深層滑動機制分析，本年度之主要目標為完成水力力學耦合 之邊坡極限平衡與數值模擬，關鍵為選定適合之研究場址。深層滑動 測試場址須具備下列條件，其場址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，而為進行分析模式驗證，以具有 完整現地調查資料與觀測值之場址為佳，候選場址將於下一節說明。

選定場址將進行考慮入滲之滲流分析，結合滲流分析與極限平衡分析 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，預測可能破壞之時間，另以現地資料建立水力力學耦合數值 分析模型，藉由更新土壤有效應力彈性模數及強度變化，預測不同位 置地表位移量分布及位移時間歷時，作為無線監測模組佈設及由地表 運動量或水力反應推算破壞時間。

2.2 國內外有關本計畫之研究情況

國內外有關本計畫之研究情況 國內外有關本計畫之研究情況 國內外有關本計畫之研究情況

2.2.1 解析法邊坡分析解析法邊坡分析解析法邊坡分析解析法邊坡分析

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，依照滑動材料可區分為岩層(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 年期間日本 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，其次則是道路開闢的影 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分析可以獨立進行。

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）如圖 2.2 所示。其中之剪應力 q 定義為：

( ) ( ) ^{( )}

( )

2 2 2 12

2 2 2

2 3

xx yy yy zz zz xx

xy yz zx

q σ σ σ σ σ σ

σ σ σ

− + − + −

= + + +

 

 

 

  (2.1)

而平均有效應力 p’定義為：

( )

' 1

3 ^{xx yy zz}

p =

σ

σ

σ

Fd代表地層內之驅動力，F_r為阻抗力，δ為地層移動量。受到降雨入滲 或地層內泉水之影響使得應力路徑達到破壞線，同時 F_d≥Fr時即發生邊 坡破壞，但是破壞發生後是否產生流動型地滑則控制於地層力學性 質，地下水壓變化以及破壞時排水狀況的特性。大部分地滑式邊坡破 壞屬於圖 2.2b 所示，破壞時 q 保持常數。圖 2.2c 的狀況是當高層邊坡 破壞時產生應力轉移（stress transfer）或漸進式破壞使得破壞區之 q 增 加。圖 2.2d 則發生於鬆土中，破壞發生後剪力破壞變成不排水應變軟 化而流動（Anderson and Sitar, 1995）。

S1 : slip surface 1 S2 : slip surface 2 shallow soil deposit

SLIDE (dense or loose)

bedrock

rainfall

spring

p'

q A

t

δ A

t

F S1

Failure line

p'

q B

Failure line

p'

q A

Failure line

1 0 1 0

2

t

δ A

t

δ B

a ~ 0

a >> 0 a >> 0

1 1 2 1

t1

Fr

Fd 1 a ~ 0

t

F S1

t1

Fr Fd

a >> 0 1

t

F S2

t2 > t1

Fr Fd

a >> 0 1

1 2 S1

A S2 B

SLIDE TO FLOW (dense or loose)

FLOWSLIDE (loose)

( a )

( b ) ( c ) ( d )

0 1

圖 圖 圖

圖 2.2 由有由有由有由有效應力路徑的觀念來看邊坡破壞效應力路徑的觀念來看邊坡破壞效應力路徑的觀念來看邊坡破壞效應力路徑的觀念來看邊坡破壞 (Cascini et al., 2010) 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 2.3 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)，可以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，可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 2.4)，此可做為預測淺層破壞之依時行為 之基礎。

對於基質吸力降不顯著之粗顆粒土壤，其入滲行為(如圖 2.5 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(β)小於土壤有效摩擦角，則其滑動發生於正孔隙水壓處(圖 2.5 之 D 點)，此為深層滑動之類型之一，無限邊坡深層滑動將以相近 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 圖 圖

圖 2.3 五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖五彎仔現地孔隙水壓監測與應力路徑圖 (Huang et al., 2012)

圖圖

圖 2.4 典型圖 典型典型典型細細細細顆粒土壤顆粒土壤入顆粒土壤顆粒土壤入入入滲分析結果滲分析結果滲分析結果滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004)

圖 圖 圖

圖 2.5 典型典型典型典型粗粗粗粗顆粒土壤顆粒土壤顆粒土壤顆粒土壤入入入入滲分析結果滲分析結果滲分析結果滲分析結果 (Collins and Znidarcic, 2004)

2.2.2 邊坡監測預警邊坡監測預警邊坡監測預警邊坡監測預警

目前國內外所採用之道路邊坡監測系統(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) 應用光纖感測(Fiber Optic Sensor, FOS)和時域反射 法(Time Domain Reflectometry, TDR)使用上孔(Up-hole)電子儀器，透過 多點式的光纖光柵感測器配合應變管之原理進行自動化，長時間、連 續性地層變形監測，研究則研發完成包括地層錯動、水位監測、線性 伸張以及雨量計等之監測儀器系統。

黃安斌等(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 2.6 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。

圖圖

圖圖 2.6 地表邊坡預警監測系統地表邊坡預警監測系統地表邊坡預警監測系統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，建議各項感測單元的傳輸方式 以 TCP 為佳，盡量避免異質傳輸規格的整合，以減少系統不穩定性。

而在相同的傳輸協定下，資訊傳輸介質可依地形需要進行不同的規 劃，如 RS485、TCP 或是 802.11b 之方式。該研究亦指出山區道路邊 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)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 WSN，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，此結果將用於監測網路佈設，而監測之結果 亦可回饋數值分析模式，本計畫將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

水力力學耦合邊坡穩定分析 水力力學耦合邊坡穩定分析 水力力學耦合邊坡穩定分析與依時預警 與依時預警 與依時預警 與依時預警

道路土壤邊坡依其機制可分為淺層與深層滑動，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飽合土層之深層崩塌 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 土壤含水量特徵曲線土壤含水量特徵曲線土壤含水量特徵曲線土壤含水量特徵曲線

土壤含水量特徵曲線(soil-water characteristic curve, SWCC)為描述 土壤含水量與基質吸力間關係之函數，含水量通常以體積含水量(θ) 表示，亦可用重量含水量(ω)或飽和度(Sr)表示，典型的土壤含水量特 徵曲線如圖 2.7，土水特徵曲線之斜率可視為土壤的儲水能力(storage

capacity)。非飽和土壤因基質吸力(matric suction, ua-uw)改變，在吸水 (wetting)及排水(drying)的過程中會產生遲滯效應，即在相同基質吸力 下吸水曲線(wetting curve)上的含水量會低於排水曲線(drying curve)上 的含水量，原因是排水後土壤顆粒排列變緊密。

圖 圖 圖

圖 2.7 典型的土壤含水量特徵曲線典型的土壤含水量特徵曲線典型的土壤含水量特徵曲線典型的土壤含水量特徵曲線 (Fredlund, 1995)

土壤含水量特徵曲線去飽和的過程可分為三個階段，邊界效應階 段(boundary effect stage)，此階段幾乎所有孔隙都被水填滿，當基質吸 力大於進氣值(air-entry value)，空氣開始進入土壤孔隙；接著進入轉移 階段(transition stage)，土壤開始去飽和，含水量隨基質吸力增加而明顯 降低；最後進入殘餘階段(residual stage)，此階段含水量受基質吸力的 影響快速降低達到殘餘含水量(residual water content)。另外，在非飽和 土壤中，滲透係數亦會受到基質吸力的影響，如圖 2.8 所示。

圖圖

圖圖 2.8 土壤滲透係數與基質吸力之關係土壤滲透係數與基質吸力之關係土壤滲透係數與基質吸力之關係土壤滲透係數與基質吸力之關係 (Fredlund, 1995)

2.3.2 非飽和滲流分析非飽和滲流分析非飽和滲流分析 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 2.9 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 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 ∂

= ∂





∂

∂

∂ + ∂



 





∂

∂

∂ + ∂





∂

∂

∂

∂ θ

(2.3) 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 圖 圖

圖 2.9 典型土壤之非飽和土壤特性曲線典型土壤之非飽和土壤特性曲線典型土壤之非飽和土壤特性曲線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(k_sat)，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

( _p) 0

k h z

∂ ∂ = )，可得鉛垂向之一維 Richard equation：



 





∂

∂

∂

= ∂

∂

∂

z h h z k t

h h

M( _p) ^p ( _p) ^p (2.4)

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2.4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

+ +

+ + + +

+ +

− −

−

 

 

 

 

 

 

− + −

− =

∆ ∆

− + −

− ∆

(2.5)

為驗證一維分析模式之可靠度，以邊界條件和Collins and Znidarcic

(2004)相同，上邊界之使用壓力水頭為0，下邊界條件為排水邊界，地

下水位在4m處，基質吸力分佈為靜基質吸力分布，使用「典型」細顆 粒土壤之水土特性曲線，解得之滲流分析結果和Collins and Znidarcic

(2004)以二維數值程式SEEP/W之結果比較如圖2.10，可以發現趨勢大

致上相同，但數值上有差異，可能是因為 SEEP/W 係利用有限元素法 進行二維分析，而本研究為利用一維有限差分數值方法進行分析。

(a)1D有限差分 (b) 2D 有限元素 (Collins and Znidarcic, 2004) 圖

圖 圖

圖 2.10 非飽和滲流非飽和滲流非飽和滲流分析結果比較非飽和滲流分析結果比較分析結果比較分析結果比較

2.3.3 無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論無限邊坡水力力學耦合穩定分析理論

本研究參考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2.11，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。

圖圖

圖圖 2.11 無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖無限邊坡之水力力學耦合穩定分析示意圖

切片內飽和部分(z ≤d_in)以有效應力進行分析，土壤單位重為飽和 單位重γ_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i_h =sinβ ，垂直向滲流由入滲造成，水力梯度i_v =1；切片內非 飽和部分(z >d_in)以總應力分析，土壤單位重為總體單位重γ_t，其基質 吸力之大小隨深度改變，即h_c =d_w −z。

自重W可分解為垂直坡面 WN和平行坡面 WS兩個分量：

( )

[

]

= _{in t cr in}

N l d l d d

W (2.6a)

( )

[

]

= _{in t cr in}

S l d l d d

W (2.6b)

其中γ^' = γ_s −γ_w。垂直滲流力 Sv可分解為垂直坡面和平行坡面兩個分 量，可以式(2.7a)、(2.7b)表示：

β γ ⋅ ⋅ ⋅cos

⋅

=i d l

S_{vN v w in} (2.7a) β

γ ⋅ ⋅ ⋅sin

⋅

=i d l

S_{vS v w in} (2.7b) 水平滲流力Sh可以式(2.8)表示：

l d i

S_h = _h⋅γ_w ⋅ _in⋅ (2.8) 故滑動面上之正向力N及剪力 S可以式(2.9a) 、(2.9b)表示：

( )

[

]

= l d l d d i d l

N _{in t cr in v w in}

( )

[

]

= _s l d_{in t} l d_cr d_in (2.9a)

( )

[

]

S = γ^' ⋅ ⋅ _in +γ_t ⋅ ⋅ _cr − _in ⋅sinβ + _v ⋅γ_w⋅ _in ⋅ ⋅sinβ + _h ⋅γ_w ⋅ _in ⋅

( )

[

]

= _s l d_{in t} l d_cr d_{in w} d_in l (2.9b)

除以l⋅secβ 可得到滑動面上之正向應力及剪應力，如式(2.10a) 、 (2.10b)：

( )

[

]

σ = _s ⋅d_in + _t ⋅ d_cr −d_in ⋅cos² (2.10a)

( )

[

]

τ = _s ⋅d_in + _t ⋅ d_cr −d_in ⋅sin ⋅cos + _w⋅d_in ⋅sin ⋅cos (2.10b) 代入衍伸莫爾-庫倫破壞準則：

( )

[

] ⁽

⁾

τ _f = c + u_a −u_w ^b + −u_a (2.11)