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

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1 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
林明慧

2 一、 前言 二、 研究方法 三、 研究結果 四、 討論 五、 結論

3 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。

4 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。

5 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

6 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

7 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

8 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。

9 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：

10 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)

11 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

12 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。

13 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。

14 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。

15 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

16 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)

17 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

18 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。

19 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

20 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

21 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。

22 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。

23 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。

24 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。

25 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。

26 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。

27 THE END THANKS