國立中興大學水土保持學研究所 碩士學位論文口試簡報 礫石型土石流停積之石礫軸向排列特性探討 Study on the Axial Array of Deposited Gravels in Debris flow 指導教授：游繁結 Fan-Chieh Yu 學 生：曾慶九 Cing-Jiou Zeng 中華民國 九十九年七月七日

1. 緒論 2. 前人研究 4. 研究方法 3. 研究區概述 5. 結果與討論 6. 結論與建議

一、緒 論

前 言 土石流為台灣土石災害主要之發生型態 特性：流速快、直進性強、破壞力強大、作用面積廣大 下游 民眾生命財產損失 中游 大量土砂阻礙河道 緒論 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 前 言 土石流為台灣土石災害主要之發生型態 特性：流速快、直進性強、破壞力強大、作用面積廣大 下游 民眾生命財產損失 中游 大量土砂阻礙河道 上游 水工構造物破壞

研究動機與目的 土石流從發生至停止的過程中，受到： 地形條件 流動型態 水流狀況 規 模 土體組成 由於土石流發生時間、地點不易事先得知， 緒論 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 研究動機與目的 土石流從發生至停止的過程中，受到： 地形條件 流動型態 水流狀況 影 響 規 模 土體組成 由於土石流發生時間、地點不易事先得知， 經常就事後堆積型態予以研判是否屬土石流之流態。

土石流黏稠度高，停積後仍能維持流動時之結構， 故可由其堆積特徵辨別流態。 緒論 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 土石流黏稠度高，停積後仍能維持流動時之結構， 故可由其堆積特徵辨別流態。 藉由調查礫石型土石流停積時其上的 石礫長軸方向 土石流流動時內部有何作用 可判釋土石流的特徵 探 求

二、前 人 研 究

土石流定義 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 水土保持手冊： 固體材料 泥、砂、礫及巨石 液體 水 兩相混和物 重力作用 土石流 土石流運動型態與力學機制， 脫離一般牛頓性流體範疇，呈現較複雜之力學機制。

土石流分類 材料組成 礫石型土石流 泥流型土石流 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 水土保持手冊： 土石流單位體積重量約於1400 kg/m3~2300 kg/m3間 礫石型土石流 50% ↑ 10% ↓ 2 mm 0.1 mm 10% ↓ 50% ↑ 泥流型土石流

Dr 石礫運移於流體中之沉積型態 阻力公式 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 A：物體和流速垂直的面積 ρ：流體密度 U：流體速度 CD：阻力係數。 Dr 物體為減少能量耗損， 會以耗能最小之方式於流體中移動。

l h 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 礫石形狀愈扁長 所受之阻力愈小 礫石長軸平行流向時 阻力最小 礫石長軸平行流向時 阻力最小 Dr Dr [圖] 以側視面積為特性面積的橢圓形體阻力數

覆瓦狀排列 礫石在沈積成層時， 容易由水力作用形成覆瓦狀之排列； 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 礫石在沈積成層時， 容易由水力作用形成覆瓦狀之排列； [相片] 南投墘溪呈覆瓦狀排列之礫石 Photo. Gravels are into the imbricate arrangement in Chienhsi, Nantou

石礫於土石流中之移動軌跡 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 作者：池谷 浩（1980） 地點：日本櫻島有村川 (1) (3) 作者：池谷 浩（1980） 地點：日本櫻島有村川 土石流類型：火山爆發型 5 60 m 6 石礫旁之數字表示 拍攝開始後經過多少個1/24 sec 流路方向 11 (2) 12 6 12 22 18 70 m

其他材料運移於流體中之沉積型態 漂流木 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 Magillian (2007) 漂流木之沉積型態以平行 於水流方向佔的比例最高。 各學者之試驗結果與前述理論分析相符，顯示漂流木多以最大平面平行水流方向之方式停積。 陳佳璜（2009） 當坡度增高時，其上漂流木 平行水流方向沉積的比例有 增加之趨勢。 【圖】美國緬因州境內七集水區之漂流木沉積調查結果 （其中傾斜部分分為根部朝上游(Upstream)及 根部朝下游(Downstream)）

三、研 究 區 概 述

研究區概述 苗栗三義火炎山自然保留區 Ⅰ號、Ⅱ號及Ⅲ號谷 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 第四紀更新世台地堆積的頭嵙山礫石層 地形：切割破碎 地質：厚層礫石夾薄層砂岩， 膠結力弱，土質鬆散。 [圖] 火炎山地質圖

四、研 究 方 法 現 地 調 查 室 內 試 驗

調查方法 谷口下游堆積調查 將土石流堆積循流路方向分成三部份 由起始點為往上游走 每10 m選取1 m2 調查範圍內之石礫軸向 前言 前人研究 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 調查方法 谷口下游堆積調查 將土石流堆積循流路方向分成三部份 中間部 左側部 流路方向 右側部 由起始點為往上游走 每10 m選取1 m2 調查範圍內之石礫軸向 [圖] 調查時將土石流分成三部分進行 Fig. Dividing into three parts of the debris flow to investigate

以地質羅盤量測石礫長軸 與磁北所夾之角度， 再減去土石流之流向， 求得石礫與土石流之 相對軸向。 前言 前人研究 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 以地質羅盤量測石礫長軸 與磁北所夾之角度， 再減去土石流之流向， 求得石礫與土石流之 相對軸向。 [圖] 每10m選取1 m2調查石礫軸向 Fig. Investigate gravel axial within a meter square per 10 meters.

谷中堆積調查 前言 前人研究 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 將土石流堆積循流路方向分成三部份 每10 m選取10顆具代表性之石礫 平均粒徑大、形狀係數大、 不易於停積後因外力挪動之石礫。

礫石軸向調查 前言 前人研究 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 參考Schuett-Hames (1999) 提供之判斷標準 垂直流路 垂直流路 67.5°~90° -90°~-67.5° 流路方向 指向右側 指向左側 22.5°~67.5° -67.5°~-22.5° 右側部：指向中央 左側部：指向外側 右側部：指向外側 左側部：指向中央 平行流路 -22.5°~22.5° [圖] 礫石軸向分類示意圖 Fig. Illustration of the Classification of gravel axis

3 5 3 45 室內試驗 試料級配 由室內渠槽試驗模擬土石流堆積上的礫石軸向排列，並與野外調查相互比較之。 坡度陡緩 重覆次數 控制變因 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 3 室內試驗 試料級配 由室內渠槽試驗模擬土石流堆積上的礫石軸向排列，並與野外調查相互比較之。 5 坡度陡緩 3 重覆次數 45 控制變因

試驗設備 中興大學水土保持系一館內的小型試驗渠槽 供水設備 (包含整流裝置) 鋼製渠槽 可改變坡度： 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗設備 中興大學水土保持系一館內的小型試驗渠槽 供水設備 (包含整流裝置) 固定流量：400 cm3/sec 鋼製渠槽 可改變坡度： 12 ° 、14 ° 、16 ° 、18 ° 、20 ° 堆積平台 木製，坡度0 ° [圖] 研究設備 Fig. Research Equipment

試驗材料 本試驗以三種不同粒徑大小的材料 配置成三種不同之試驗材料。 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 [表] 試驗使用的材料粒徑 Table The particle size of test materials #2 ~ #3 #4 ~ #5 #12 ~ #18 ( 6 ~ 5.30 mm) (4.76 ~ 4 mm ) (1.68 ~ 1 mm) A 50% 0% B 37.50% 25% C 配製比例 試料 試料平均粒徑大小 是否對土石流中石礫排列有所影響。

調查方法 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 渠槽段(3) （上游堆積段） 渠槽段(2) （介於上游堆積段及下游堆積段間） 渠槽段(1) （下游堆積段） 平台段(2) (扇狀堆積段) 平台段(1) (石礫流出區)

1 2 3 4 5 6 7 試驗步驟 配製試料並且均勻混合，再加水使其充分濕潤。 調整渠槽坡度。 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗步驟 試驗步驟 1 配製試料並且均勻混合，再加水使其充分濕潤。 2 調整渠槽坡度。 3 並將試料堆置成梯形於距渠槽出口200-250cm處。 4 開啟水流，以預定流量促發土石流。 5 於土石流發生時停止供水，使其形成堆積。 6 調查試料堆積上的卵礫石軸向排列分布。 7 變更控制變因，重覆步驟1~6，進行三重複試驗。

五、結 果 與 討 論 現 地 調 查 室 內 試 驗 現 地 與 試 驗 比 較

現地調查結果討論 土石流谷口下游堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 Ⅱ號谷谷口下游堆積之先端部 石礫垂直流路排列之出現比率較高； Ⅲ號谷之石礫於中間部則以垂直流路之排列為主， 於兩側部以平行流路為主。

Ⅱ號谷谷口下游堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 堆積長約40 m， 調查時依研究方法以5 m為一單位進行之。 【表】火炎山II號坑溝扇狀堆積上之石礫分布 位置 左岸部 中間部 右岸部 全部 平行流路 45.0% 35.5% 30.3% 36.9% 指向右側 21.3% 38.1% 25.3% 28.3% 指向左側 23.5% 8.5% 29.7% 20.6% 垂直流路 10.2% 17.9% 14.7% 14.3%

差距甚大，顯示垂直排列之石礫多集中於0至5 m處。 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 Ⅱ號谷谷口下游0至40 m之範圍內， 0至5 m內之石礫垂直流路排列之比率達50 %， 而後續部分之出現比率皆約為10 %左右， 差距甚大，顯示垂直排列之石礫多集中於0至5 m處。 【圖】Ⅱ號坑谷谷口下游堆積上之石礫軸向垂直流向之比率分布

故土石流欲往兩側流動，其上石礫順延其流動方向排列， 而呈指向流路外側之排列方式。 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 Ⅱ號谷土石流自狹長山谷流出， 通過谷口時因地形改變、側向壓力減低， 故土石流欲往兩側流動，其上石礫順延其流動方向排列， 而呈指向流路外側之排列方式。 【圖】Ⅱ號谷谷口下游堆積右側部之石礫軸向指向流路外側之比率分布

Ⅲ號谷谷口下游堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 中間部：垂直流向 兩側部：平行流向 Ⅲ號谷之谷口下游堆積長則約100 m， 調查時以10 m為一單位進行之。 Ⅲ號谷谷口下游堆積 【表】火炎山II號坑溝扇狀堆積上之石礫分布 位置 左側部 中間部 右側部 全部 平行流路 43.0% 10.1% 37.6% 30.2% 指向右側 32.9% 29.0% 14.7% 25.5% 指向左側 19.5% 17.8% 33.7% 23.7% 垂直流路 4.7% 43.1% 14.0% 20.6% 中間部：垂直流向 兩側部：平行流向

土石流谷中堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 各谷中堆積段之中間部皆以垂直流路之石礫軸向出現比率最高， I Ⅱ 各谷中堆積段之中間部皆以垂直流路之石礫軸向出現比率最高， 平行流路最低； 兩側部則反之，以平行流路之石礫軸向出現頻率最高， 垂直流路最低。

I 號谷谷中堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 【表】火炎山I號坑溝扇狀堆積上之石礫分布 位置 左側部 中間部 右側部 全部 平行流路 38.0% 17.5% 41.5% 32.3% 指向右側 22.5% 26.5% 21.0% 23.3% 指向左側 23.0% 24.5% 24.0% 23.8% 垂直流路 16.5% 31.5% 13.5% 20.5%

Ⅱ號谷谷中堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 【表】火炎山II號坑溝山谷流動段之石礫分布 位置 左側部 中間部 右側部 全部 平行流路 45.5% 19.5% 48.5% 37.8% 指向右側 31.0% 22.5% 22.0% 25.2% 指向左側 16.5% 13.5% 17.3% 垂直流路 7.0% 44.5% 7.5% 19.7%

Ⅲ號谷谷中堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 【表】火炎山III號坑溝扇狀堆積上之石礫分布 位置 左側部 中間部 右側部 全部 平行流路 45.0% 15.5% 32.0% 30.8% 指向右側 21.0% 23.5% 28.5% 24.3% 指向左側 25.0% 22.3% 垂直流路 13.0% 40.0% 14.5% 22.5%

中間部 兩側部 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 此一排列分布推測係因為土石流中間隆起、 兩側部較低之堆積型態而致。 推測土石流之碰撞效應導致其上石礫垂直流路排列， 而中間部為此效應最顯著的部分。 兩側部 兩側部之石礫則沿流路推移，多指向流動方向，呈平行流路排列； 尤其是靠近山谷邊壁之石礫，因受到邊壁限制多沿其方向排列。

前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 室內試驗結果討論 扇狀堆積 17.3 15.7 13.4

似同心圓輪廓 之排列方式 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 [圖] 土石流流出渠槽後的流線示意圖 Fig. Illustration of the streamline of the debris-flow flowing out from flume

土石流特性 碰撞作用 張立憲 (1985) 前言 前人研究 研 究 區 研究區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗步驟 試驗步驟 土石流以大礫石為頭部 之滾動、滑動、跳躍向下運動。 <俯視圖> 礫石在滾動時長軸方向可能係以 垂直流路方向運動 ( 旋轉面為最小平面 ) <側視圖> [圖] 礫石滾動時其長軸方向垂直於土石流路方向之示意圖 Fig. Illustration of the direction of major axis when gravels moving

渠槽下游堆積 前言 前人研究 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 緊接扇狀堆積 碰撞效應 土石流中間部凸起兩側較低的堆積特性 軸 向 出 現 比 率 (%) 41.0 24.8 15.2

渠槽下游堆積 渠槽坡度與石礫平行流路排列 當渠槽坡度θ增加，土石流抵達平台時因消能作用較強， 迫使土體停止，並非慣性力的減弱自然停止； 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 渠槽下游堆積 渠槽坡度與石礫平行流路排列 當渠槽坡度θ增加，土石流抵達平台時因消能作用較強， 迫使土體停止，並非慣性力的減弱自然停止； 其上之石礫尚未改變至堆積狀態便停止， 以上游水力作用為主要排列機制，平行流路方向為主。 軸 向 出 現 比 率 (%) 渠 槽 坡 度 (°) 【圖】渠槽下游堆積段之石礫軸向平行流路與渠槽坡度之關係圖

渠槽上游堆積 以水力作用為影響礫石排列主要機制， 無明顯之段波與碰撞效應影響，其礫石軸向多指向水流方向。 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 渠槽上游堆積 以水力作用為影響礫石排列主要機制， 無明顯之段波與碰撞效應影響，其礫石軸向多指向水流方向。 15.4

渠槽上游堆積 渠槽坡度與石礫平行流路排列 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 因為坡度增加， 提供之動能也增加， 土石流與其後續含砂水流之流速加快，其上石礫更易受水流影響。 軸 向 出 現 比 率 (%) 此一趨勢也與渠槽下游堆積段相同，顯示土石流渠槽段具有相同之性質。 渠 槽 坡 度 (°) 【圖】渠槽上游堆積段之石礫軸向平行流路與渠槽坡度之關係圖（C試料）

試料組成對石礫排列之影響 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 石礫平均粒徑增大， 其平行流路排列之出現 比率有減少之趨勢 推測是因為粒徑增大， 石礫間碰撞效應增強導致。 【圖】試料平均粒徑與渠槽下游堆積段中間部石礫軸向平行流路之關係圖

試料組成對石礫排列趨勢之影響 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 石礫因坡度增加， 其平行流路排列之出現 比率也有增加之趨勢 斜率 但若試料平均粒徑增大， 此一趨勢減弱。 (推測粒徑大質量重， 較不易因水流移動。) 【圖】試料平均粒徑與渠槽上游堆積段石礫軸向平行流路趨勢之關係

現地調查與室內試驗結果比較 谷口下游堆積與扇狀堆積 Ⅱ號谷 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 因谷口與平台地勢落差大， 而谷口下游堆積僅先端部 有室內試驗扇狀堆積的 石礫排列特徵， 後續區段以平行流路為主。 僅先端部有室內試驗 扇狀堆積之石礫排列特性 【圖】Ⅱ號谷谷口下游堆積上之石礫排列示意圖

谷口下游堆積與扇狀堆積 Ⅲ號谷 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 新土石流沖刷舊土石流， 形成一新流路； 舊土石流與山壁成為新的山谷， 其中的新土石流因 坡降趨緩而停止流動， 未能形成扇狀堆積， 而呈現谷中堆積之排列特性。 【圖】 Ⅲ號谷谷口下游堆積上之石礫排列示意圖

谷中堆積與渠槽下游堆積 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 現地調查 谷中堆積 現地調查 渠槽下游堆積 中間部 垂直流路 兩側部 平行流路 本研究現地調查山谷段之距離不足， 僅達室內試驗之渠槽下游堆積段，未及其上游堆積段。

六、結 論 與 建 議 結 論 建 議

1 1 結 論 扇狀堆積段 谷口下游堆積 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗步驟 試驗步驟 結 論 試驗步驟 1 扇狀堆積段 試驗步驟 礫石排列呈同心圓形， 中間部之石礫多垂直於流路排列， 兩側部之石礫則趨於指向流路中央， 至最邊緣時平行流路。 1 谷口下游堆積 在現地因谷口與平台之地勢起伏及流路寬窄影響， 呈現變形之橢圓形貌。

2 3 渠槽下游堆積 谷中堆積 中間部 石礫軸向垂直於土石流流向的出現比率較高 兩側部 石礫軸向平行於土石流流向的出現比率較高 渠槽上游堆積 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 2 渠槽下游堆積 試驗步驟 谷中堆積 中間部 試驗步驟 石礫軸向垂直於土石流流向的出現比率較高 兩側部 試驗步驟 石礫軸向平行於土石流流向的出現比率較高 3 渠槽上游堆積 試驗步驟 石礫軸向多平行於流路方向排列

4 5 坡度對礫石軸向之影響 試料粒徑對礫石軸向之影響 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗步驟 當渠槽坡度增加，堆積於渠槽的石礫有 平行流路排列比率增加之趨勢。 5 試料粒徑對礫石軸向之影響 試驗步驟 扇狀堆積、渠槽下游堆積段之中間部 試料粒徑增大，石礫平行流路比率降低。 渠槽下游堆積 試料粒徑越大， 隨坡度使石礫平行流路排列比率升高之趨勢降低。

1 2 3 建 議 前言 前人研究 理論依據 研 究 區 研究方法 結果討論 結論建議 試驗步驟 本研究試驗材料間之尺度差異較低， 建 議 試驗步驟 本研究試驗材料間之尺度差異較低， 若添加細顆粒黏土材料可能會得到更顯著之結果。 1 本研究現地調查山谷段之距離不足， 未能充分比較其與試驗渠槽之區別， 應延伸其調查範圍。 2 本研究之室內試驗未模擬現場之地形地貌， 後續試驗可增加渠槽流路之複雜性， 進一步模擬現地之情況， 以求得更精確之石礫排列趨勢。 3

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