礫石層邊坡形成土石流之微地形探討 水土保持學報 第37卷 第四期 游繁結、吳仁明、翁緯明 授課老師：鄭皆達 指導老師：張光宗 79742113 林明慧

一、 前言 二、 研究方法 三、 研究結果 四、 討論 五、 結論

前言 土石流為一具有強大破壞力之土砂運動型態，從發生至停止之過程中，頗受地形條件、水流狀況與土體組成等因子之影響，而呈現不同之流動形態與規模。 本研究擬藉航照判釋、理論分析、現地調查與試驗分析等方法，以苗栗縣火炎山為研究案例，進行崩塌轉換為土石流過程之分析。

土石流發生的環境 豪雨之際，溪谷兩側斜面發生崩塌，崩落至溪床且和正在運動之土砂礫與大量地表水混合，形成流體沿溪谷流下。 溪谷兩側崩落土砂形成天然壩體，當天 然壩含水量增加，導致發生滲流或上游 貯水越過壩頂，而使土體崩壞形成土石 流。 遠藤(1958)歸納 大量地表逕流對溪谷兩岸或溪床上土砂 礫作用，使水與土砂礫混合一體而流 下。

誘發土石流的因子 以土石流的地貌條件、地質組成、促發因素、力學特徵等為指標區分。 地文因子 以降雨量與降雨強度區分。 水文因子

研究方法 坡面崩塌與土石流調查 地形調查 相片基本圖數化分析 土石流臨界坡度推估 水文分析 土石流流量推估

坡面崩塌與土石流調查 類型特性 崩塌 土石流 發生位置 邊坡斜面 崩塌斜面或沖蝕溝 堆積型式 崖錐 舌狀或扇狀堆積 停積範圍 小於2倍崩塌高 大於2倍崩塌高 堆積形狀 縱軸不一定大於橫軸 縱軸大於橫軸 植株 傾倒之林木尚附著枝葉 林木樹幹表皮充分磨損，幾乎無枝葉附著 堆積區粒徑分布 堆積表面之土石無明顯之篩分現象 堆積表面之前緣有較粗大之石、礫材料，有明顯之篩分現象

相片基本圖數化分析 數化後的相片基本圖進行數位化處理，可量測集水面積、崩塌面積、堆積區面積、形狀係數、平均坡度等特性。 參數 讀取方法 集水區面積 利用MAPINFO軟體圈繪相片基本圖發生土石流的集水區範圍，並讀取集水區面積。 平均坡度 至現地利用GPS定位系統將發生區、輸送區、堆積區定位，再利用相片基本圖讀取各河道的高差及水平距離，藉以計算平均坡度。 崩塌面積 將相片基本圖的裸露地範圍用MAPINFO圈繪並讀取面積。 堆積區面積 將航空照片的土石堆積區轉繪在相片基本圖上，再利用MAPINFO圈繪堆積區以讀取面積。

土石流臨界坡度推估 欲使堆積土砂發生流動，則推移力必需大於阻抗力，在臨界條件時 Fs=R/T=1： T： 推移力 R： 阻抗力 γsat： 飽和土砂之單位體積重 γw： 水之單位體積重 H： 土砂堆積高 h： 水位(由堆積底部量起) θ： 溪床坡度(°) Φ： 土砂之摩擦角 n： 孔隙率 土石流臨界坡度推估 欲使堆積土砂發生流動，則推移力必需大於阻抗力，在臨界條件時 Fs=R/T=1：

土石流流量推估 首先估算流動中之土石流體積濃度 ρ： 水之密度 σ： 土石之密度 θ： 溪床平均坡度 Φ： 土石之內摩擦角 首先估算流動中之土石流體積濃度 以合理化公式推估清水流流量 Qw，再推估清水流量與土石流體積濃度 CD，可推求土石流之流量 QD之關係 溪床上土石堆積物之體積濃度 C* = I  ﹣Pr，Pr為溪床上土石堆積之孔隙率。 土石流流深 hD為 nW： 曼寧係數 B： 溪床寬度(m) S： 溪床坡度(tanθ)

研究結果 自然環境 土石流地形描述 邊坡破壞 土石流形貌 水文分析 土石流運動形態與規模

自然環境 火炎山地形圖 北高南低、東高西低 高程介於100m~600m間，平均高程約為332m。

火炎山坡度圖 坡度陡峭，除了沖積扇外，均在五級坡以上為多。

火炎山地質圖 火炎山屬於第四紀的頭嵙山層、紅土台地堆積層、台地堆積層以及現代沖積層。

土石流地形描述 火炎山全區可分為5條沖蝕溝，呈南北向排列，其中尤其是第Ⅲ坑的出砂量最大。 該區崩落的礫石停積於邊坡趾部，或堆積在溪谷中，為土石流的來源之一。 土石流地形描述

邊坡破壞 一般邊坡型態可分為9種基本坡形。(Parson,1988) 本區邊坡破壞型式可分為三種： Ⅰ崩塌、Ⅱ滑動、Ⅲ切蝕，其中切蝕的成因不易釐清，故不列入討論。 一般邊坡型態可分為9種基本坡形。(Parson,1988)

邊坡破壞 本區崩塌以平行凸坡為主，土石流均發生在內聚凸坡。 本區邊坡破壞型式可分為三種： Ⅰ崩塌、Ⅱ滑動、Ⅲ切蝕，其中切蝕的成因不易釐清，故不列入討論。 本區崩塌以平行凸坡為主，土石流均發生在內聚凸坡。 17

土石流形貌 由表顯示火炎山五條坑溝的地形特徵為： 主河道長為450~992m。 集水區形狀係數介於0.18~0.45之間。 溪谷平均坡度均在15度以上。 坑溝均屬一次谷，集水面積介於6.04~18.11ha。

水文分析 編號 Ⅲ 集水面積(ha) 18.11 集流時間(min) 9.56 降雨強度 (mm/hr) 143.47 Qw(cms) 6.86 θ(°) 12 CD 0.54 QD(cms) 69.29 hD(m) 1.12 假設集水區面積採用土石流發生點以上之集水面積，逕流係數採0.95，降雨強度採50年頻率因次公式計算。假定Pr=0.4、ρ=1t/m3、σ=1.9t/m3、φ=25°。 土石流運動形態與規模 斷面類型 兩側坡度 坑溝寬度 平均縱坡 代表粒徑 發生區 U型斷面 60°以上 20m 19° 15~22mm 輸送區 V型斷面 40°~50° 30~50m 15.4° 20~25mm 堆積區 50~200mm 12°以下 25~30mm

討論 土石流發生之臨界坡度 土石流發生之臨界流深與時雨量 土石流發生之降雨類型

土石流發生之臨界坡度 由現地採樣之土砂經室內分析結果得知，溪谷堆積土砂之性質為ψ=33°，γsat=1.97g/cm3，n=0.4，則其θ(溪床坡度)與H/h(土石流深度與逕流深度比值)之關係如圖所示。

土石流發生之臨界坡度 由圖可知，在H/h>5時很趨近於試區土砂的內摩擦角，邊坡安定條件此時以內摩擦角來控制；當水深增加，臨界坡度變小，最後在6度以上邊坡即可能不安定而引發土石流。

土石流發生之臨界流深與時雨量 利用土石流流量反算流動深度，坑溝Ⅲ輸送區平均溪床坡降為0.21(12°)，溪床平均寬度5m，推估土石流發生時之最小逕流水深為0.16m，再推估土石流發生流動之深度為0.28m，以該區的逕流水深換算降雨強度，則為35mm/hr，因此逕流水深為0.16m與最大時雨量35mm/hr，似可作為本區發生土石流與否之參考指標。

土石流發生之降雨類型 林俊全教授(1994)調查本區土壤深度大多在15cm深以上，崩塌發生形式為淺層滑落，降雨後土壤含水量維持約七、八天後，才漸漸又回復到乾燥狀態，因此本區土石流災害最主要的原因除豪雨所帶來超過最大時雨量35mm/hr的逕流，或於先前降雨使土壤含水量增加之連續降雨現象。

結論 本區坡面崩塌與土石流均發生於內聚凸坡，顯示此種地形有利於上方地表逕流的集中，造成地表侵蝕。同時凸坡有利於崩塌土體在較陡之坡度下，沿坡面滑動形成較佳之流動環境，而得以使崩塌土體形成短距離之土石流現象出現。除此之外，坡度亦決定發生崩塌或流動區位大小之關鍵。

結論 H/h(土石流深度與逕流深度比值)>5時，邊坡坡度很趨近於試區土砂之內摩擦角，邊坡安定條件此時以內摩擦角來控制;當水深增加時，H/h變小，此時影響邊坡穩定的條件隨水深增加，臨界坡度變小，最後在10°以上邊坡就可能變得不安定而引發土石流。 依本區土砂之特性，在坡度達37°臨界值，且逕流水深達0.16m，或最大時雨量達35mm/hr，極有可能因邊坡崩塌而造成土石流。

THE END THANKS