土石流堆積特性之探討 (II) - 土石流之堆積型態 - Explore the accumulation of debris-flow characteristics (II)                   - The accumulation of debris-flow patterns -- 水土保持所 79742101曾慶九 授課教授：鄭皆達老師

第一部分 – 前言 第二部分 – 試驗材料、設備與方法 第三部分 – 結果與討論 第四部分 – 結論

第一部分：前言 近年來由於台灣地區土石流災害頻傳，社會對其防災需求日益殷切。 而在各界重視下，對於土石流的發生、流動、堆積等機制 已有了初步的了解，且推導出許多相關的理論公式。 但由於土石流之複雜性，往往非單純之數學模式或力學理論 可以涵蓋，需要藉助許多實際現象與經驗補助。

土石流防災系統的建立： 發生 流動 堆積 土石流的堆積場所往往在適合居住的平野地形 在災害發生時常造成可觀的人民生命財產損失

第二部分：試驗材料、設備與方法 試驗材料 試驗設備 試驗方法 試驗步驟

試驗材料 A：均勻粗砂 B：均勻礫石 C：均勻粗砂和均勻礫石均勻混合而成 D：現地土樣 探討不同粒徑組成對於土石流停止行為與堆積型態的影響 #4~ #3/8篩 (4.76~ 9.52mm) B：均勻礫石 約#12~ #4篩 (1.68~ 4.76mm) C：均勻粗砂和均勻礫石均勻混合而成 D：現地土樣 #200以下~ #3/8篩 (0.074~ 9.52mm) (南投縣水里鄉玉峰土石流跡地)

均勻粗砂 均勻礫石 現地土樣 均勻粗砂和均勻礫石 均勻混合而成

和粗砂最相近 小 大

砂粒密度差不多

差不多 大 級配較良好

差不多 小 級配較良好

大 大 小

試驗設備 供水設備 人工渠槽 堆積平台

試驗設備 供水設備 供水閥控制出水量 模擬誘發土石流重現之流量 穩定流入渠槽

試驗設備 人工渠槽 壓克力製 200cm × 22cm × 24cm 槽底適當間距貼上 22cm × 2cm × 0.5cm 之橫向壓克力條 模擬粗糙度 可傾斜調整角度

試驗設備 堆積平台 180cm × 120cm的壓克力平台 底部繪上20cm × 20cm的格子 可傾斜調整角度

試驗方法 堆積平台 傾斜度 供水量 (L/min) 供試土砂量 cm3 渠槽傾斜度 15o 13800 130 0o 18o 11300 100 3o 21o 70 8800 24o

試驗步驟 1 1 1 2 1 3 調整渠槽和堆積平台傾斜度 於渠槽上鋪上厚度12cm之梯形土砂堆積並加水使其飽和 採取堆積土體之土砂樣本分析其體積濃度、 沙粒密度、粒徑分布等物理性質 以上三項為供水前的步驟

試驗步驟 1 4 1 5 1 6 1 7 供水先以較小流量使土體發生滲流， 再調大到事先設定之流量。 當土石流通過觀測區後採取流動先端部的土砂樣， 並分析其體積濃度、粒徑分布等物理性質。 6 1 當土體破壞後紀錄段波流經觀測區時的波高與所需時間， 推求平均波速。 7 1 關閉水閥待土石流靜止紀錄其堆積範圍及到達距離。 以上四項為供水後的步驟

第三部分：結果與討論 土石流堆積長度L與寬度B之關係 土石流之擴張作用 堆積面積參數與堆積形狀係數之關係 堆積部之堆積形狀 土石流材料與堆積形狀比之關係 土石流粒徑篩選問題

1 土石流堆積長度L與寬度B之關係 B/Bu L/Bu 為應用方便，本實驗取用無維度之參數如下： 擴張度 堆積寬度對出口寬度Bu之比值 伸長度 L/Bu 堆積長度對出口寬度之比值

1 土石流堆積長度L與寬度B之關係 L/Bu 為應用方便，本實驗取用無維度之參數如下： 擴張度 伸長度 堆積長度對出口寬度之比值 主要受流速以及上下游坡度變化大小所影響 高橋、吉田(1979) 游繁結、林成偉(1991) 土石流進入堆積部之流速越快則堆積長度越長 上下游坡度變化越大則堆積長度越短

表2 各試料之伸長度對擴張之迴歸方程式 土石流在無側向束縛時會因為有足夠的空間所以自由往橫向擴張， 而由表2可知，伸長的長度越長則擴張度越寬。 此現象可說明較大流速之土石流，因具有較大的動能， 一旦脫離谷口的束縛後，此較大的能量亦有助於土石流之橫向擴張作用。 表2 各試料之伸長度對擴張之迴歸方程式

2 土石流之擴張作用 1 1 1 2 1 3 上下游坡度變化越大則擴張度越小 土石流的體積濃度越大則擴張度也越大 中值粒徑越大則擴張度越小 土石流之消能作用越大，無法有充分之能量擴張。 2 1 土石流的體積濃度越大則擴張度也越大 體積濃度越大，流速越緩， 土石流先端部容易停止，使後續土石流不易流動。 3 1 中值粒徑越大則擴張度越小 粒徑越大則流速和擴張度都越小。 較大粒徑之材料順著流路的慣性作用越大，不易橫向流動。

實驗是在平坦渠道進行， 而實測地點則是土石流發生若干次的堆積地形。 以實測資料比較實際發生之土石流與推估值的差異： 豐丘 (游繁結、陳重光，1987) 十八重溪 (1988) 銅門 (1990) 除了豐丘土石流之實測值與推估值接近外， 其餘推估值均小於實測值。 實驗是在平坦渠道進行， 而實測地點則是土石流發生若干次的堆積地形。 土石流堆積前之原地形，可能是中央隆起之扇狀地， 故最後一次土石流流下的土砂在隆起扇狀地堆積時， 可能因中央部位較高，阻滯土石流向前流動， 導致土石流容易發生橫向擴張，故其擴張度較大。

3 堆積面積參數與堆積形狀係數之關係 所有試驗結果的比值 都介於這兩條曲線之間 假設土石流之堆積面積受溪谷寬度與土石流段波高度影響， 在一定堆積面積下，若溪谷寬度較大，相對產生之段波高度應較低， 因此將土石流堆積面積A與渠槽寬度Bu及段波高度h’之乘積比值 化成無因次參數，作為代表土石流之堆積面積參數。 所有試驗結果的比值 都介於這兩條曲線之間

可知土石流堆積面積參數 與形狀係數呈指數關係

除了豐丘土石流之實測值與推估值接近外，其餘推估值均小於實測值。 以實測資料比較實際發生之土石流與推估值的差異 豐丘 (游繁結、陳重光，1987) 十八重溪 (1988) 銅門 (1990 除了豐丘土石流之實測值與推估值接近外，其餘推估值均小於實測值。 實驗是在平坦渠道進行，而實測三處地點是土石流發生若干次的堆積地形。故其堆積面積可能受多次洪水之沖刷而以土石流或表土沖蝕之型態，使原堆積面積擴大，有實測值偏高的現象。

4 堆積部之堆積形狀 試料A 以下為土砂量13800cm3、 供水量130L/min、 上游流路坡度24o、 均勻粗砂 易與水混合且容易流動， 因而堆積長度較長， 且其等高線較均勻。

試料B 均勻礫石 易脫水，堆積長度短。 其等高線密，高度均勻地下降， 整體看來近似同心圓。

試料C AB均勻混合 介於a、b試料之間， 因其具有高脫水性 與細顆粒之潤滑作用。

試料D 現地土樣 在堆積長度、面積、體積 都是四種試樣中最高的。 等高線在堆積部前緣較疏，根部較密。 因其粗細粒子與水混合之結果， 使其流動性高，並能挾帶更多之土砂。

5 土石流材料與堆積形狀比之關係 形狀比 B/L 堆積寬度與堆積長度之比值 當B之大小與L相近時，形狀近似圓形； 當B之大小僅約L之一半時，則呈L為長軸B為短軸的橢圓形。 A B C D 0.51 0.80 0.70 0.47 在某個粒徑範圍下 中值粒徑越小，流速越快，由前述亦知流速越快，堆積長度越長。 可以應用在從土石流跡地堆積型態推斷其土砂特性， 提供初步之界定依據，甚至進一步作為區分泥流和 土石流的判斷依據，使野外調查工作更加落實。

6 土石流粒徑篩選問題 在相同試樣條件： 土砂量13800cm3 供水量130L/min 上游流路坡度24o 下游地形坡度0o時 所做的d試料實驗結果， 所採集並分析粒徑分布 所觀察的現象。 1 土石流出口至堆積部沿線的 粒徑篩選情形明顯

2 先端部有大礫石集中的現象 (約有75%) 3 堆積部兩側也有 大礫石集中的現象 4 流路坡度變化大時 篩選情形更明顯

第四部分：結論 1 2 3 4 土石流流出谷口之擴張度與伸長度有直線之正相關， 而擴張度之大小可能受到溪床上下游坡度、土石流體積濃度、 粒徑組成、流速等因素影響。 1 2 土石流堆積面積參數與堆積形狀係數成指數之關係。 3 粗粒徑材料之堆積較近似於圓形，細粒徑則近似於橢圓形。 4 土石流流出谷口後，堆積過程中粒徑篩選情形極為明顯， 流路地形遷移點之變化越大其篩選情形越顯著。

-- 報告終了 -- 感謝大家的聆聽與指正