邊坡穩定數值模擬以 苗栗縣食水坑地滑地為例 專題報告 報告人：陳昇德 學號：59742110 中華民國九十八年五月十六日

簡報大綱 一、前言 二、文獻回顧 三、程式介紹 滲流分析程式的運用 以巴陵壩為例 四、研究方向 五、預期成果

前言 1 2 研究動機 降雨期間邊坡之實際情形。 以食水坑地滑為案例建立降雨延時之 滲流及邊坡穩定分析模式。 研究目的 工商業及社會的進步造成土地頻繁的開發 以食水坑地滑為案例建立降雨延時之 滲流及邊坡穩定分析模式。 有效的預防避免不必要之災後補救花費 進行構造物配置措施之功能性評估 利用建立之分析模式探討各種影響因子 對邊坡穩定之影響。 有簡單或簡化之傳統分析方法並無法反應 降雨期間邊坡之實際情形。

文獻回顧 崩塌發生之影響因子 胡毓港、楊長義(2005)提出影響因子之評分項目可 分為五大類： 地質材料因素：岩性、強度、種類等 地質構造因素：弱面、節理、斷層性質等 地形與地貌因素：坡度、坡型、坡形等 環境因素：有無植被、地下水、裸露地等 人文因素：人為填土、開挖方向等

文獻回顧 崩塌發生之影響因子 葉信富 (2004) 針對邊坡特性及降雨影響可能造成之 不穩定影響因子進行研究： 利用Bishop簡化法與Janbu簡化法進行穩定分析。 研究結果顯示，「土壤內摩擦角」之變異性對邊坡穩定影響最大，「邊坡坡度」之變異性影響次之，再依次為地下水位抬升、土壤凝聚力及土壤單位重。

文獻回顧 降雨激發崩塌之力學機制 Cannon(1985)之研究指出： 1. 雨水經過入滲，流入坡面土壤後，使得土壤內之孔隙水壓上升並降低土壤顆粒間的摩擦力與凝聚力。 2. 若降水持續入滲，並且入滲速度大於土壤內的滲流速度時，在不透水層或是雨水不易滲透之土層上方之淺層土壤會發生飽和現象，而產生一暫棲地下水(perched groundwater)。 3. 隨著暫棲地下水的水面上升，土體內之孔隙水壓逐漸增加，而強度則逐漸減小。 4. 當暫棲地下水的水面上升至地面時，飽和土壤的有效強度趨近 於零，於是發生滑動而形成崩塌並可能引發土石流。

文獻回顧 降雨量、前期降雨量 Campbell(1975)之研究中曾提及『若沒有足夠的前期降雨量，就不會發生崩塌或土石流』。 Sitar(1992)觀測土石流發生時的孔隙水壓變化，發現前期降雨量使得土壤含有適當的含水量，有助於後來暴雨雨水快速滲透土體並產生高額孔隙水壓，降低土體的抗剪強度而引發崩塌或土石流。

2.1 文獻回顧(1/5) + 食水坑地滑地災分析與檢討 潛 因 地 層 :卓蘭層 地 形 :馬蹄形陡坡凹地 地質構造: 東側內灣向斜 災因分析，鋒璟工程，2007 食水坑地滑地災分析與檢討 潛 因 地層膠結鬆散 地 層 :卓蘭層 易匯集地表水及地下水 地 形 :馬蹄形陡坡凹地 順向坡 地質構造: 東側內灣向斜 西側東勢背斜 南端梅子斷層 921地震時，斷層末 端延伸至地滑區附近 + 重要事件 累計雨量（mm） 說明 桃芝颱風(90/7/30) 367 連續2日降雨 敏督莉颱風(93/7/2) 765 連續5日降雨 納莉颱風(90/9/16) 276 連續3日降雨 0609水災(95/6/9) 887 連續18日降雨 誘 因 0609水災 連續降雨18日 累計雨量887mm

2.1 文獻回顧 治理情形，林德貴等，2008

2.1 文獻回顧 地質鑽探，鋒璟工程，2007 舊地滑 本次地滑 孔號 鑽孔深度(m) 推估滑動深度(m) 本次 舊 BH-1(傾) 40 1.9~6.9 14.6 BH-2(水) 30 5.8 12.3 BH-3(水) 6.6 10.4 BH-4(傾) 25 8.25 BH-5(傾) 35 12.95 BH-6(傾) -- 7.6 BH-7(水) 12.5 BH-8(傾) 5.4 合計 245 本次地滑

2.1 文獻回顧 地質剖面，鋒璟工程，2007 B-B’剖面 W3-Rf A-A’剖面

A A’ 2.1 文獻回顧 平面配置，鋒璟工程，2007

2.1 文獻回顧 擋土牆 集水管 箱籠 A-A’治理工法剖面線

3.1 程式介紹 發展 功能 特色 模式 SEEP/W由加拿大Calgary 大學所發展，主 要功能為求解飽和與不飽和土層（含岩層）之滲 飽和與不飽和土層之滲 流問題 穩態 加拿大Calgary 大學 模擬 滲流行為 水壓分布 暫態 SEEP/W由加拿大Calgary 大學所發展，主 要功能為求解飽和與不飽和土層（含岩層）之滲 流問題，可模擬地下水在岩石和土層內之滲流行 為及水壓分布。

分析流程 3.2 幾何模式建置 3.3 邊界條件繪製 3.4 地層材料參數選定 3.5 啟動滲流分析之演算 3.6 成果判釋與驗證

3.2 壩體基本資料 巴陵壩基本資料 損毀情況 項目 內容 完工時間 民國66年6月 使用時間 31年 壩高 38公尺 壩長 80公尺 壩頂高程 528公尺 淤砂量 1047萬m3 損毀時間 民國96年9月 損毀前 損毀後

3.3 數值幾何模式(1/5) B C A A’ C’ B’ 巴陵防砂壩工程佈置平面圖 38M 80M 50m A-A’剖面圖 B-B’剖面圖 C A B-B’剖面圖 基礎底板線 A’ 岩盤線 C-C’剖面圖 基礎底板線 50m C’ B’ 岩盤線

3.3 數值幾何模式(2/5) 幾何模式 原設計圖 監測資料 A B’ B C’ C A’ 地質鑽孔柱狀剖面圖(A-A’) BH BH - EL. 527.5 圖例 圖例 圖例 EL. 523 卵礫石夾砂 卵礫石夾砂 卵礫石夾砂 岩層 岩層 岩層 鋼筋混凝土 鋼筋混凝土 鋼筋混凝土 低電阻材料區 低電阻材料區 低電阻材料區 EL. 504.5 EL. 504 BH BH - - 5 5 BH BH - - 8 8 BH BH - - 17 17 BH BH - - 11 11 BH BH - - 14 14 原推估岩盤線 原推估岩盤線 EL. 502 EL. 494.5 EL. 501 EL. 493 推估岩盤線 推估岩盤線 地質鑽孔柱狀剖面圖(A-A’)

3.3 數值幾何模式(3/5) L3 L2 L1 地球物理探測L3 測線

3.3 數值幾何模式(4/5) CAD.dxf

3.3 數值幾何模式(5/5) 邊界條件 CD及FG：入滲邊界。 AB與AG：不透水邊界(無滲流水進出，即為總滲流量為零，包含壩體)。 BC：滲流出口邊界。 水位線(44.5M) F G E 水位線(17.5M) D C A B 有限元素網格 不透水岩盤 岩盤

3.4 材料參數 sat=S×n=100%×n=n=0.35 滲流分析水力傳導係數函數的決定 飽和卵礫石之土層水力傳導係數函數K(u) ~u乃參考王如意等(2000，應用水文學)決定: 地層條件 飽和滲透係數 (m/sec) 飽和卵礫石 101 ~103 本分析 101 滲流分析體積含水量函數的決定 飽和卵礫石之體積含水函數(u) ~u之乃何春蓀(普通地質學，1996))決定: 地層條件 孔隙率n (%) 卵石 30~40 卵石夾砂 25~35 砂石 10~20 sat=S×n=100%×n=n=0.35 S=飽和度 n=孔隙率

3.5 啟動演算 數位幾何模式 地層材料參數: Ksat= 101，sat=0.35 開始分析

3.7 成果判釋(1/3) 壓力水頭分佈圖

3.9 成果判釋(2/3) 流量:0.21515m3/s 最大流速:0.211m/s 滲流速度場分佈圖

3.10 成果判釋 (3/3) 壩底 壩體 資料來源:施國欽，土壤力學

4.1 研究方向 GEO-SLOPE Office ( Canada－Calgary University) 滲流分析 邊坡穩定分析 地滑地 降雨入滲 SEEP/W 構造物檢核 邊坡穩定分析

4.2 研究方法 (1) SEEP/W 入滲分析，需要輸入： (a) 降雨記錄 (b) 數值模式建立 (i) 坡地幾何模式建立 (ii) 初始條件輸入 (iii) 邊界條件輸入 (iv) 分析方法決定 (c) 土層滲透材料參數 (i) 滲透性係數k (ii) k(u)～u相關函數 (2) SLOPE/W 邊坡穩定分析： 因降雨引起地下水及孔隙水壓變化，所造成FS值降低之分析。 (3) 最後再去比較分析結果與現地破壞資料，若符合即可以進行後 續之災害防止措施之數值模擬。

4.3 研究流程

4.3 研究流程

5.1 預期成果 4-評估 3-建置 2-分析 1-數值 進行構造物配置措施評估 提出具體施設位置及尺寸 建立邊坡穩定分析流程 建立合理之分析模式 2-分析 提出具體邊坡穩定安全係數 1-數值 繪出新舊地滑地質剖面 假設合理之簡化工程地質參數

謝謝聆聽 敬請指教

3.1 程式降雨輸入資料 根據水利署所提供卓蘭雨量站降雨量數據資料輸入SEEP/W中以便進行邊界條件設定

數值模式 D 圖 例 C 100M 15M B A AB：292M A-A’剖面之數值幾何模式

穩態分析前之初始條件(假設為無地下水水位) SEEP/W初始條件 穩態分析前之初始條件(假設為無地下水水位) 穩態分析後之地下水水位及孔隙水壓分佈

任一時階 (ti)之穩定分析乃採用上一時階(ti-1)之降雨滲流分析之地下水水位及孔隙水壓計算結果作為初始條件。 SLOPE/W初始條件 任一時階 (ti)之穩定分析乃採用上一時階(ti-1)之降雨滲流分析之地下水水位及孔隙水壓計算結果作為初始條件。

邊界條件 A-A’剖面邊界條件檢核之數值模型

SEEP/W輸入參數 降雨滲流分析輸入材料參數 土層類型 飽和體積含水量(u) (m3/m3) 飽和水力傳導係數 ksat (m/day) 土層之體積壓縮係數 Mv (1/kPa) 材料模式 崩積層 0.5 8.6410-1 110-5 飽和模式 風化砂岩 0.25 8.6410-2 風化砂岩與頁岩互層 0.3 砂岩與頁岩互層 0.28 8.6410-3 砂岩 0.2 8.6410-4

SLOPE/W輸入參數 穩定分析輸入材料參數 土層類型 單位體積重  (kN/m3) 凝聚力 c (kPa) 摩擦角  (º) 材料模式 崩積層 20 5 摩爾-庫倫模式 風化砂岩 22 10 風化砂岩與頁岩互層 砂岩與頁岩互層 24 50 30 砂岩 28 55 33