1、.：.；國立臺灣大學土木工程學系碩士班民國98年碩士學位論文摘要低凝聚力資料趾部受侵蝕崩塌滑動方式研討研討生：簡士堯指導(dǎo)教授：林銘郎一、研討動機與目的石門水庫上游流域沿岸之邊坡，坡腳遭到河流侵蝕，容易呵斥邊坡不穩(wěn)定而引發(fā)再次滑動；回顧近年來臺灣坡地災(zāi)害頻傳，其中黏土質(zhì)崩積層崩塌之災(zāi)害事件更是其中大宗，其崩塌量體大往往呵斥大規(guī)模慘重災(zāi)情，如梨山地區(qū)崩塌、紅菜坪崩塌、草嶺、九份二山崩塌構(gòu)成堰湖等事件之慘痛先例，顯見臨河岸的大規(guī)模粘土質(zhì)崩積層崩塌滑動所衍生之後續(xù)災(zāi)害與威脅性實更是不容忽視。本研討探討之現(xiàn)地案例位於桃園縣復(fù)興鄉(xiāng)石門水庫大漢溪上游集水區(qū)之砂崙仔與下文光兩崩塌地。2004年8月23至2日5

2、的艾利颱風帶來強烈的雨勢，石門水庫集水區(qū)平均累積雨量為1700mm。呵斥砂崙仔與下文光兩處大規(guī)模崩塌。兩處崩塌趾部皆有大漢溪支流流經(jīng)，並且同樣發(fā)生在艾利颱風時。推測颱風來襲時，強大的雨勢對於邊坡呵斥劇烈的侵蝕作用，使得砂崙仔與下文光兩邊坡之坡腳蒙受侵蝕，邊坡因此而不穩(wěn)定而引致破壞。圖一、圖二圖一 2004年艾利颱風前後砂崙仔圖二 2004年艾利颱風前後砂崙仔崩塌發(fā)生後之砂崙仔，由航空照片可以見到在崩塌體堆積以上構(gòu)成之主崩崖有深灰色的斷層泥出露。可以推測砂崙仔崩塌地的組成資料應(yīng)以細顆粒的土砂資料為主。該崩塌範體上下邊界寬約220公尺左右邊界長約200公尺。而崩塌構(gòu)成之主崩崖延伸方向大致與支流平行

3、，在主崩崖上方可以發(fā)現(xiàn)幾處張力裂縫。而下文光崩塌地在現(xiàn)地觀察中可見得，崩塌發(fā)生後出露的地外表殘留較多的風化砂巖塊體，初步研判為淺層崩塌。不同的是，下文光的崩塌滑動寬約200公尺，而長度卻達600公尺，由坡趾的支流不斷往上延伸至稜線。經(jīng)過砂崙仔與下文光崩塌地之現(xiàn)地調(diào)查，並配合室內(nèi)不同時期航照判釋與疊數(shù)值高層模型的比較，可以推測艾利颱風帶來的雨勢對於崩塌地趾部呵斥龐大的侵蝕，能夠是引致邊坡破壞的緣由。為了進一步瞭解邊坡受侵蝕的過程與崩塌發(fā)生之機制，以室內(nèi)物理模型進行侵蝕模擬的試驗。二、物理模型試驗 由數(shù)值高層的剖面資料得知砂崙仔坡度約為26度，而下文光為29度；在水土堅持規(guī)範中屬於五級坡。兩崩塌地

4、的趾部皆有大漢溪支流流經(jīng)，該支流與邊坡傾度方向約夾45度角。依現(xiàn)地的觀察將邊坡簡化為坡度為25度之連續(xù)邊坡，邊坡底部為一木板層，其上方鋪上邊坡顆粒資料。侵蝕來源與傾度方向夾角為45度。邊坡組成資料中常見的有砂土質(zhì)與黏土質(zhì)。砂土質(zhì)邊坡顆粒間沒有凝聚力，邊坡堆積通常小於砂土的安息角；黏土質(zhì)的顆粒粒徑較小，顆粒間存在凝聚力而使得黏土質(zhì)自立性佳。為了模擬出邊坡資料之凝聚力，藉由越南砂混合不同比例的海菜粉，在不參與水的情況下使砂土質(zhì)資料具有一定程度的凝聚力。操做邊坡穩(wěn)定的物理試驗時，經(jīng)常需求考慮資料組成、尺寸效應(yīng)、壓密、孔隙水壓、含水量、滲流等含水的複雜問題與控制變因，而難以研討討論。直接對砂質(zhì)資料附加

5、凝聚力可以添加試驗的便利性。試驗中利用越南石英砂模擬邊坡組成資料為無凝聚力之土砂，與果凍添加砂模擬低凝聚力之土砂資料。本研討運用的砂為越南石英砂。添加的海菜粉為工業(yè)上作為黏貼磁磚時參與水泥砂漿之緩凝劑。工業(yè)用海菜粉與果凍原料食用洋菜粉的差異為前者可以省略滾水加熱至溶解的過程，減少加熱過程中水分蒸發(fā)的不確定性。海菜粉與水依1：80的比例混合後，靜置四小時即可得到假設(shè)凍般凝膠狀的物質(zhì)。將凝膠狀物質(zhì)與越南石英砂攪拌至均勻即可得到具有低凝聚力之土砂資料果凍添加砂。本研討所運用的海菜粉、水與越南石英砂分量的比例為：1；80；45000。為了模擬支流下切對於邊坡的影響，卻要排除侵蝕過程中對於邊坡資料擾動而

6、影響強度的能夠性。本研討採用吸塵器作為侵蝕來源，其優(yōu)點為吸塵器吸嘴可以在一定的距離之內(nèi)就將邊坡資料帶離邊坡本體，在該距離之外的邊坡資料則不受影響，而不會對於侵蝕處呵斥擾動與衝擊，將此距離定義為有效侵蝕距離。為了模擬支流的侵蝕，選用寬扁型的吸嘴：寬13公分，長2公分。河流的侵蝕可以使河谷加深下切，Under Cut圖三、加長和加寬側(cè)蝕，Side Cut圖三。為了瞭解侵蝕角度改變、下切、側(cè)蝕和邊坡資料能否具有凝聚力在侵蝕試驗中對於邊坡崩塌運動行為的影響，設(shè)共設(shè)計八組試驗，如表一。 (a) (b)圖三 河流侵蝕(a)下切；(b)側(cè)蝕表一 試驗規(guī)劃侵蝕力與坡向夾角試驗組數(shù)果凍添加砂乾砂下切側(cè)蝕下切側(cè)蝕

7、452221902221三、張力裂縫發(fā)展與崩塌滑動方式具有凝聚力之果凍添加砂邊坡侵蝕試驗中，可以見到發(fā)生崩塌之前，冠部會先有張力裂縫的發(fā)展。而依張力裂縫發(fā)展的方向來區(qū)分，在侵蝕力與邊坡傾度方向夾45度的下切與側(cè)蝕試驗中，可以看見主要由兩個方向的線段組成，一組為平行吸嘴長軸方向，為侵蝕力引致的裂縫侵蝕力主控；另一組則為垂直於邊坡傾度最大的方向坡面傾度主控，即邊坡傾角為25度的方向。侵蝕力主控的張力裂縫取下切試驗張力裂縫發(fā)展前兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可以發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)展前吸嘴右方上邊坡之速度向量主要分別垂直於扁吸嘴長軸與短軸的方向，速度場分佈圖中還可以明確辨識出即將構(gòu)成張力裂縫後的分離塊體

8、。坡面傾度主控的張力裂縫取下切試驗張力裂縫發(fā)展前兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可以發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)展前吸嘴左方上邊坡之速度向量大致垂直於邊坡傾度方向，速度場分佈圖中還可以明確辨識出即將構(gòu)成張力裂縫後的分離塊體。在侵蝕力與邊坡傾度方向夾90度的下切與側(cè)蝕試驗中，則主要能看到一組垂直於坡面傾度方向同時也是平行於扁吸嘴長軸方向之張力裂縫。具有凝聚力之果凍添加砂邊坡侵蝕試驗中，由冠部之張力裂縫將一部分的邊坡資料獨立於邊坡，構(gòu)成分離塊體。隨著侵蝕進行，塊體開始產(chǎn)生運動，構(gòu)成崩塌，原張力裂縫位置則成為崩塌以後的崩崖崖線。將張力裂縫發(fā)展以後呵斥塊體分離到構(gòu)成塊體運動時的兩張灰階影像進行PIV做速度場分析，可

9、以發(fā)現(xiàn)無論是侵蝕力主控或坡面傾度主控的張力裂縫，塊體皆沿著重力方向運動。故從塊體運動方向可得知，張力裂縫的生成只是把塊體獨立出來，一旦塊體脫離邊坡以後，崩塌運動的方向主要是受重力的影響。圖四 侵蝕力主控之張力裂縫發(fā)展圖五 坡面傾度主控之張力裂縫發(fā)展乾砂不具有凝聚力，所以顆粒與顆粒之間是分離的。所以當侵蝕力有效侵蝕距離之內(nèi)接觸到邊坡資料時，便對吸嘴前方的範圍呵斥影響。由試驗的連續(xù)過程來看，侵蝕力影響範圍內(nèi)逐漸構(gòu)成砂表層陳列角度變大以致於產(chǎn)生吸嘴前方乾砂之滑移現(xiàn)象，而由於侵蝕力不斷作用，乾砂之滑移現(xiàn)象也就不間斷地進行。而最終砂顆粒堆排角度即為越南石英砂之安息角，可見顆粒運動的主因應(yīng)為乾砂受侵蝕使得

10、堆排角度大於安息角，引致表層乾砂產(chǎn)生重新陳列至維持穩(wěn)定的狀態(tài)安息角。四、物理模型試驗與現(xiàn)地案例比對1. 砂崙仔由於砂崙仔崩塌發(fā)生可以在剪出面上發(fā)現(xiàn)有斷層泥，故利用果凍添加砂作為邊坡資料，以模擬具有凝聚力之邊坡受侵蝕行為的探討。由2004年艾利颱風發(fā)生崩塌後的照片來看，如圖六，以藍色線段線表示支流的發(fā)展，棕色箭頭為砂崙仔坡面傾度最大的方向，黃色虛線為崩塌範圍，紅色虛線為現(xiàn)地張力裂縫發(fā)展的位置。崩塌範圍近似一梯形，其主崩崖為一近乎平行支流的線型。在崩塌邊界往上邊坡可以找到幾組平行於支流方向的張力裂縫。對照物理模型試驗過程中主崩崖發(fā)展情形有幾何上之類似性。圖六 砂崙仔崩塌地與物理模型試驗比對2. 下

11、文光下文光在2004艾利颱風後之崩塌則以砂巖為主，崩塌深度也較淺，崩塌主崖線在邊坡稜線處，兩翼崖線也較長，圖七。物理模型試驗中運用不添加果凍之越南石英砂作為邊坡資料。在下切侵蝕試驗中，吸嘴前端的有效侵蝕距離一接觸到坡面，即呵斥越南沙堆排角度由本來坡度25度瞬間添加。而受侵蝕後邊坡角度只需大於安息角35度，變引發(fā)上下邊坡資料的連續(xù)運動，往坡度為安息角做堆疊調(diào)整，故最終之崩塌範圍為上下延伸很長，左右邊界較短之形狀。由於下切試驗連續(xù)的進行，使得邊坡資料重新陳列的行為也不間斷地運動。運動過程中，並沒有見到假設(shè)凍添加砂下切試驗的分次多次崩塌以及張力裂縫的發(fā)展。圖七 下文光崩塌地與物理模型試驗比對五、數(shù)值

12、模擬根據(jù)室內(nèi)物理模型的尺度來設(shè)計PFC3D數(shù)值模型，仿照物理模型製作出一個包含五面牆Wall的模型，分別為左右側(cè)牆、上下側(cè)牆與底牆。五個牆高為6公分，左右邊界寬為39公分，上下邊界長為44公分，底牆的傾斜角度為25度。果凍添加砂試驗?zāi)M侵蝕力與邊坡傾度方向夾45度的果凍添加砂下切試驗，模擬該試驗主要緣由為希望可以觀察到侵蝕力主控與坡面傾度方向主控的速度分量，與觀察塊體運動時的方向。試驗中，將下切的深度分次討論，看在不同的下切深度中，會引發(fā)邊坡周圍什麼樣的速度場分佈。乾砂試驗則操作侵蝕力與邊坡傾度方向夾90度的乾砂下切試驗，主要是為了觀察顆粒堆積的情況，故選擇乾砂物理模型試驗中陳列較為單純的試驗

13、進行模擬。果凍添加砂具有凝聚力，所以圓球顆粒與顆粒之間需求參與鍵結(jié)強度來模擬凝聚力的作用；而由於參與鍵結(jié)需計算顆粒和顆粒之間受力後能否會呵斥鍵結(jié)的破壞，相對耗費電腦硬體資源，故模擬果凍添加砂時，將圓球顆粒的半徑加大，設(shè)定為5公釐，在數(shù)值模型中總顆粒數(shù)為7000顆。乾砂則不具有凝聚力，所以圓球顆粒與顆粒之間獨立分離，不需參與鍵結(jié)強度。模擬乾砂試驗時，設(shè)定圓球顆粒之半徑為3公釐，在數(shù)值模型中總顆粒數(shù)為40000顆。果洞添加砂試驗在，在500個time step時，可以見到受侵蝕的上邊坡長方形長軸左上方與短軸右上方約5公分內(nèi)有明顯的速度場分佈。上邊坡鄰近侵蝕力位置的顆粒有垂直於侵蝕力長短軸方向的速度

14、場分佈，而再往上的部份主要有垂直侵蝕力長短軸方向與重力方向兩者混雜的向量分佈。由垂直於侵蝕力方向與沿重力方向兩個速度分佈來看，應(yīng)是呵斥下切較深時，上邊坡可以見到對應(yīng)至物理模型試驗中侵蝕力主控與坡面傾度主控張力裂縫的現(xiàn)象。2000個time step時，本來垂直於侵蝕力長短軸方向的速度向量開始往重力方向開始轉(zhuǎn)向，構(gòu)成包含兩者之合向量速度分佈，使得上邊坡往重力方向的速度向量添加，且速度場的分佈由侵蝕力向上形狀近似梯形。此時，上邊坡的顆粒也開始運動，向邊坡因下切而下凹的部份崩塌運動。由側(cè)視方向來看速度場分佈，可以發(fā)現(xiàn)接近上邊坡速度場的分佈方向類似弧形滑動的線形，而下邊坡速度場範圍較小也包含較大的重力

15、方向分量。6000個time step時，上個階段產(chǎn)生崩塌運動之塊體速度已經(jīng)減緩，即將停頓。 (b)圖八 果凍添加砂下切試驗，下切深度6公分atime step500；btime step2000乾砂試驗，是由刪除球顆利的方式模擬下切的行為。分析時每個time step代表0.0001秒，每2000個time step則進行一次侵蝕，由表層開始每次侵蝕2公分，共侵蝕2400次後，再往第24公分侵蝕，依此類推侵蝕至56公分的深度，共進行約八百萬個time step。由於在數(shù)值模型中的球顆粒不易辨別堆排的情況，故在模型中定義幾個長條形的範圍，使其顏色不同作為輔助用。由圖九中可見在下切接近底層時，上

16、下邊坡上的堆排角度構(gòu)成簡單的線形，上邊坡與下邊坡顆粒陳列的角度約為33度。受侵蝕部位的左右兩側(cè)顆粒堆積的角度約為33度。圖九 乾砂試驗長軸方向剖面六、結(jié)論黏土質(zhì)崩積層邊坡假設(shè)遭遇坡腳侵蝕之問題，坡腳能提供支撐力大幅減小，是為邊坡不安定之危險因子，易引致大規(guī)模深層滑動，如砂崙仔崩塌地。本研討以物理模型試驗與數(shù)值模擬皆確認侵蝕力作用會呵斥邊坡之不穩(wěn)定，而不同邊坡組成資料趾部受侵蝕時，破壞的產(chǎn)狀也有所不同。本研討將越南石英砂參與以海菜粉與水，製作成果凍添加砂以模擬具凝聚力之邊坡資料。本研討運用海菜粉：水：砂1：80：4500的配比作試驗，可以觀察到試驗邊坡崩塌發(fā)生前的張力裂縫發(fā)展與崩塌發(fā)生後塊體運動

17、行為。果凍添加砂的試驗中，比較受侵蝕後隨即發(fā)展上邊坡崩塌之張力裂縫的關(guān)係，可以發(fā)現(xiàn)侵蝕距離下切深度或側(cè)蝕距離比較小的時候，崩塌發(fā)生位置距離扁吸嘴前端不遠處，隨著侵蝕距離添加，張力裂縫會從上邊坡較遠的位置開始發(fā)展，且上邊坡出現(xiàn)較長張力裂縫的期望值也較高；但是上邊坡仍會不時出現(xiàn)小規(guī)模張力裂縫分離的塊體較小的崩塌，張力裂縫位置便距離扁吸嘴較近。在本案例中，比起側(cè)蝕距離，下切至一定深度時便可見到張力裂縫在侵蝕力作用較遠的位置發(fā)展。由侵蝕力與邊坡傾度方向夾45度的果凍添加砂下切與側(cè)蝕的試驗中，可以發(fā)現(xiàn)初期的崩塌侵蝕深度約為3公分以內(nèi)發(fā)生前上下邊坡所產(chǎn)生的張力裂縫主要只需侵蝕力主控的張力裂縫，主崩崖也與扁

18、吸嘴的長軸平行；後期上邊坡的崩塌則可以發(fā)現(xiàn)除了侵蝕力主控的張力裂縫發(fā)展外，並參與了坡面傾度主控的張力裂縫。透過PFC3D模擬此試驗，同樣可以發(fā)現(xiàn)下切深度較深時，上邊坡包含垂直侵蝕力方向與垂直於坡面傾度方向的速度分量。而在侵蝕力與邊坡傾度方向夾90度的果凍添加砂下切與側(cè)蝕的試驗中，由於侵蝕力與坡面傾度方向垂直，故試驗中主要能觀察到一種垂直於坡面傾度方向坡面傾度主控張力裂縫為主。圖十物理模型試驗計量方式圖十 侵蝕距離對張力裂縫長度關(guān)係圖十二 侵蝕距離對張力裂縫至侵蝕力長度關(guān)係由PIV的分析指出，無論是侵蝕力主控或坡面傾度主控的張力裂縫，塊體皆沿著重力方向運動。故從塊體運動方向可得知，張力裂縫的生成只是把塊體獨立出來，一旦塊體脫離邊坡以後，崩塌運動的方向主要是受重力的影響，此