泥岩地區莿竹根系特性 與坡面沖蝕之研究 VEEESL 國立中興大學水土保持學系 專題討論(四) 授課教師：陳文福 指導教師：林信輝 植生工程暨生態環境系統研究室 泥岩地區莿竹根系特性 與坡面沖蝕之研究 國立中興大學水土保持學系　 專題討論(四) 授課教師：陳文福 指導教師：林信輝 學　　生：翁書敏 學 號：79842004 地點：土石流防災中心地下室LB02 100年05月13日 星期五

大綱 簡報 前言 文獻回顧 材料與方法 試驗成果

一、前言(1/3) 以現地根面積與室內鬚根根段試驗數據進行土壤剪力強度增量△Sr之推估。 研究目的 以現地根面積與室內鬚根根段試驗數據進行土壤剪力強度增量△Sr之推估。 本研究以數值方法來評估莿竹根系對邊坡穩定之影響效果，利用根段試驗與根系、土壤參數進行數值模擬分析運算。 綜合莿竹根系型態及其力學特性，探討莿竹林地之邊坡破壞機制，並量化評估莿竹根系對於泥岩邊坡拱效應之提供。

一、前言(2/3) 研究流程圖 國內外文獻蒐集 試驗樣區選定 現地調查 (1)根系型態 (2)根面積比 室內實驗 (1)土壤直剪試驗 (2)單根拉力試驗 調查及試驗資料分析 (1)根系型態及幾何分布 (2)單根拉力強度 (3)土壤強度參數c′、′ 含根邊坡穩定性及破壞機制數值模擬 (1)土-根加勁材分析法 (2)土-根均質化分析法

一、前言(3/3) 建立數值模型 (1)模型尺寸 (2)初始條件I.C.及邊界條件B.C. (3)材料模式參數 (4)模擬執行 含根邊坡穩定性及破壞機制數值模擬 (1)土-根加勁材分析法 (2)土-根均質化分析法 配合Midas GTS 三維立體有限元素分析模式 調整 數值模擬結果是否 與現地觀察成果符合 No Yes 含根邊坡穩定性及破壞機制參數研究 (1)土壤參數c′、′ 、Es' (2)幾何參數β (3)根系間距S (4)根系根域範圍R 結果與討論 1.莿竹根系對邊坡之穩定機制 2.莿竹根系對邊坡穩定性之貢獻量評估

二、文獻回顧(1/7) 泥岩概述 1. 分佈範圍 　　泥岩又稱青灰岩，台灣西南部地區泥岩分佈甚廣，涵蓋嘉義縣、台南縣與高雄縣等地區。田永銘等(1994)提出台灣 泥岩的分布主要有西南部、花東及恆春半島等三處泥岩地區。 2. 氣候特性 　　顏富士等(1993)研究氣候環境對台灣西南部泥岩邊坡發育過程指出，當地氣候具有終年高溫，年均溫25.8℃、雨量集中且乾季長、降雨強度大等特點。 3. 泥岩地區沖蝕特性 　　泥岩邊坡破壞的影響因素主要以降雨、坡度和坡高為主 (李德河，2003)。林俊全(1995)利用侵蝕觀測針觀測台東利吉與高雄月世界的泥岩邊坡在蝕溝、紋溝的底部、側部和脊線受侵蝕情況，指出泥岩邊坡的發育可分成紋溝發育和邊坡後退兩種。

二、文獻回顧(2/7) 根系型態分類 　　Wilde(1958)將主要植物種類根發展類型分為扁平根型態(Plate root)、團網狀分布型態(Heart root)及主根型態(Tap root)。Nomessi(2006)建立心狀、主根型與平板型等三種根系型態之幾何模型並進行數值分析。 指出主根型態之根系於防止邊坡滑動之效果較心狀及平板型根系好。 根系型態分類 實際根系型態 幾何模擬 心狀型態根系 主根型態根系 平板型態根系

二、文獻回顧(3/7) 竹類根系型態 呂錦明(1996)對竹類依其地下莖之發育形式及型態來分類，目前較受普遍採用者，為以下四種類型： 　　呂錦明(1996)對竹類依其地下莖之發育形式及型態來分類，目前較受普遍採用者，為以下四種類型： 橫走莖側出單稈散生 走出莖合稈叢生 地下莖合軸叢生 橫走莖側出合稈叢生 —桂竹 —玉山箭竹 —莿竹 —唐竹

二、文獻回顧(4/7) 　　林信輝(1995)植物根系具有網結及錨定的作用，能有效減少坡地沖蝕、安定坡面以及控制淺層崩坍的發生，穩定之效果來自於根株的拉應力及根與土壤之摩擦力。 對邊坡穩定之影響 　　Greenway(1987)之研究，提出植物根系與邊坡土壤之互動機制可分為水文機制及力學機制等二方向。 Gray(1970)試驗指出森林植生對坡面穩定的加強效果，主要源自於根系的力學補強。 　　賴羿帆(2011)利用Plaxis 3D軟體進行模擬，以不同植物間距(2 m, 4 m, 6 m, 8 m)配置於邊坡，土壤拱效應對邊坡穩定與位移的影響，結果以間距2 m配置的穩定係數最高，而間距8 m配置的穩定係數又較無根系配置高。相鄰兩根系之間會引起土壤拱效應而產生土壤拱阻抗力，植物根系的存在可減少邊坡位移。

推估方程式(Pr、p：拉拔抗力(kg)) 二、文獻回顧(5/7) 根系力學試驗 　　林德貴(2005)根系力學試驗在根系力學模式建立及驗證上有其必要性，其中包含單根抗拉試驗、根系拉拔(pull-out)試驗、土~根(含根土壤)直剪(direct shear)試驗等，皆為植生邊坡穩定分析，決定強度參數所必須。 竹類相關根力研究(1/2) 根系拉拔試驗 供試植物 推估方程式(Pr、p：拉拔抗力(kg)) 推估式範圍(mm) 推估者 桂竹(垂直) Pr=165.51-3.54Yr+11.23D+2.85n-22.24w Yr(株齡)=1~3年 D(胸徑)=35~70 mm n(斷根數)=1~4 w(水分含量)=7~18% 賴俊帆 p = 58.99d +77.08n d(胸徑)=3.3~7 cm 宋煦辰 桂竹(側向) p =12.946d2.5499 d(胸徑)=3.5~6.1 cm

二、文獻回顧(6/7) 陳燿榮(2006)針對中部地區桂竹地下根莖，於實驗室進行單根抗拉力試驗。 竹類相關根力研究(2/2) 單根抗拉試驗 供試植物 推估方程式(D、X：根段直徑(mm) Y：根段斷裂拉力(kg)) 推估式範圍(mm) 推估者 莿竹 Y=2.7741D1.515 0.3 < D < 3.1 高齊治 桂竹地下莖 Y=1.85x2.03 13.5 < X < 23.6 宋煦辰 檳榔 Y=EXP(1.55324+0.226707X) 2.1 < X < 12.9 張敬昌 山水柳 Y=2.497EXP(0.493X) 0.5 < X < 7.8 林信輝 山鹽菁 Y=0.911EXP(0.526X) 0.5 < X < 10.5 張俊斌 台灣杉 Y=3.532D1.3868 0.2 < D < 14.1 吳正雄 台灣赤楊 Y=1.6112D1.4068 0.2 < D < 14.9 山黃麻 Y=3.406D1.2828 0.2 < D < 14.7 陳燿榮(2006)針對中部地區桂竹地下根莖，於實驗室進行單根抗拉力試驗。 桂竹根系單根抗拉強度介於58~267kgf/cm2 平均值為176.5kgf/cm2。 高齊治(1998)針對西南部泥岩地區莿竹之根力特性進行拉拔試驗，並與其它植物比較，得知莿竹於初期階段抵抗力呈現大幅度上升，顯示初期種植莿竹對土壤補強效能較一般林木好。 莿竹拉拔抵抗力與胸徑之關係式為： F= 79.599D1.934 r=0.966*** 2.4≦D≦4.47

二、文獻回顧(7/7) 含根邊坡穩定性評估 何昱昀(2004)以Plaxis有限元素程式模擬根系對土壤加勁之效果。並在根系數值分析上建立一套參數轉換方式，以便數值分析之根系加勁效果能充分反映現實根系應有的加勁行為。 王欣俞(2006)利用前人研究與根系相關之數據，進行合理根系參數之設定與根系轉換，並建立一套根系模型轉換模式。最後進行一系列之參數研究植生邊坡之穩定性評估。

三、材料與方法(1/9) 試區概述 1.試區位置　　 試驗樣區位於台南市龍崎區大丘村，屬於烏山頭水庫集水區之範圍。烏山頭水庫位於水庫位於曾文溪支流官田溪上游，主要行政區為臺南市官田區、六甲區、大內區、東山區，海拔高度約300公尺以下，集水區內土地利用有竹林、次生林、農墾地、草生地等。 烏山頭水庫集水區 試驗地點

三、材料與方法(2/9) 2.試區資料 地質圖 土壤圖 台南地區氣候資料 項目 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 2.試區資料　　 烏山頭水庫集水區 沖積層 二重溪層 六雙層 崁下寮層 六重溪層 階地堆積層 澐水溪層 糖恩山砂岩 鹽水坑頁岩 隘寮腳層 茅埔頁岩 斷層 圖　　例 地質圖 土壤圖 台南地區氣候資料 項目 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 總計 降雨量(mm) 18.5 30.2 41.2 73.9 178.1 384.6 387.5 409.4 164.4 36.5 20.6 16.8 1761.7 月均溫(℃) 17.2 17.7 20.5 24.0 26.8 27.9 28.4 28.1 27.6 25.4 22.2 18.7 --

三、材料與方法(3/9) 試驗材料 1.分布情況 　　莿竹(Bambusa stenostachya Hackel) 分類上屬竹亞科(Subfamily Bambusoideae) 之蓬萊竹屬(Bambusa)，地下莖為合軸叢生 型。主要生長在台灣海拔0~500 m之山區 與泥岩地區，以台灣南部(台南、高雄)分 布較多，台灣莿竹栽培面積達8,011 ha 。

三、材料與方法(4/9) 試驗材料 2.生長型態 　　莿竹之地下莖連接於稈之基部，屬於直立型地下莖。稈株密 簇，高度約15-24 m，莖8~14 cm，稈基部節上有一圈氣生根，枝 之節上有3彎硬刺。葉子有短柄，5~8枚一叢，披針形，先端銳尖， 基部接近於圓形，長8~20 cm，闊1~1.8 cm，邊緣有毛，中肋很 明顯，兩側各有側脈5~6條。花穗疏生，小穗細小。籜外面密被 毛；籜耳大，被叢生褐毛；籜舌鋸齒緣，被緣毛 。

三、材料與方法(5/9) 試驗項目 1.現地根系型態 　　於樣區中選取較年輕之竹 枝，砍除地上部並秤重，利用 工具小心挖掘地下部根系。

三、材料與方法(6/9) 0-50 cm 50-100 cm 100-150 cm 2.單根拉力試驗 　　將現地挖掘之根系剖面 之鬚根分為地面下0-50、 50-100、100-150 cm三種 深度，剪取不同深度之鬚根 ，帶回進行室內根段試驗。

三、材料與方法(7/9) 3.土壤直剪試驗 　　將現地採取之土樣帶 回實驗室進行土壤直剪試 驗，以50、100、200 kPa 3種不同之正向應力(σ)施 加於剪力盒上，並設定剪 動速率1.546 mm/min，依 序測定其最大剪應力(τ)， 找出其對應之c值、角。

三、材料與方法(8/9) 本研究採用之軟體為Midas公司發展之GTS地工與隧道分析系統。 應用程式 本研究採用之軟體為Midas公司發展之GTS地工與隧道分析系統。 以土-根加勁材分析法與土-根均質化分析法，量化評估坡面穩定係數。

三、材料與方法(9/9) (1)坡度對莿竹生長邊坡穩定之影響 (2)根系間距對莿竹生長邊坡穩定之影響 (3)根系根域範圍對邊坡穩定機制之影響 研究項目 (1)坡度對莿竹生長邊坡穩定之影響 邊坡角度 (°) 根系長度 Lr(m) 根系間距 S(m) 根面積比 ar 25 35 45 1 6 5.88*10-3 (2)根系間距對莿竹生長邊坡穩定之影響 邊坡角度 (°) 根系長度 Lr(m) 根系間距 S(m) 根面積比 ar 35 1 3 6 9 12 5.88*10-3 (3)根系根域範圍對邊坡穩定機制之影響 邊坡角度 (°) 根系長度 Lr(m) 根系根域範圍 R(m) 根系間距 S(m) 根面積比 ar 35 1 2 3 4 9 5.88*10-3

四、試驗成果(1/5) 莿竹根系型態 　　莿竹根系於泥岩地區生長情形形態變化不大，根系範圍隨時間增大，根系生長快速，根系深度可達1-3 m，根系密度較高之區域大都分布於0-100 cm，表層(0-10 cm)為細密網狀根系。 深度(cm) 根面積比R.A.R 0~20 0.00564 20~40 0.00664 40~60 0.00799 60~80 0.00813 80~100 0.00456 100~120 0.00241 120以下 0.00121

四、試驗成果(2/5)

四、試驗成果(3/5) 根系參數 根面積比 ar＝5.88x10-3 根系楊氏模數 距地表 0-50 cm  Er＝4712.66 kPa

四、試驗成果(4/5) 土壤參數 土壤剪力試驗 c′＝35.58 kPa ′＝13.5 ° 土壤單位重 γ＝1.71 kN/m3

四、試驗成果(5/5) 參數設定及選用範圍 參數 範圍值 坡度(°) 25 35 45 根系間距S(m) 3 6 9 12 凝聚力c(kPa) 35.58 摩擦角(°) 13.5 土壤單位重γ(kN/m3) 1.71 土壤楊氏模數Es(kPa) 752100 根面積比ar 5.88x10-3 根系長度Lr(m) 0.5 1 1.5 根系楊氏模數Er(kPa) 4712.66 3340.04 4100.36

簡 報 完 畢