崩塌地降雨-入滲-滲流機制之數值 模擬及穩定性分析

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1 崩塌地降雨-入滲-滲流機制之數值 模擬及穩定性分析
Numerical Simulation of the Mechanism of Rainfall-Infiltration-Seepage and Stability Analyses of Collapsed Land 第二輪第二梯次 授課老師︰陳文福教授 指導老師︰林德貴教授 學生名叫許正輝，研究的題目為降雨入滲對集水區邊坡穩定之影響探討，指導老師為簡連貴與林德貴教授 學 生︰洪寶發 101年6月2日專題討論

2 簡報內容 緒論 1 文獻回顧 2 數值分析程式 3 SEEP/W SLOPE/W 研究方法 4 結果與討論 5 結論與建議 6

3 緒 論 幼葉林山 幼葉林地滑區於民國97年9月豪雨後發生滑動。
目前滑動區內住戶約20餘戶，農作約40公頃，若持續發生滑動破壞災情，恐對滑動區內居民身家性命財產安全造成威脅。

4 研究區 研究區位於嘉義縣梅山鄉瑞里村之行政轄區，範圍東西向約450m，南北向約1,000m，於幼葉林山與生毛樹溪之間坡面間。
研究範圍 約40公頃 瑞里國小 若蘭山莊 長1,000m 寬450m 北 研究區位於嘉義縣梅山鄉瑞里村之行政轄區，範圍東西向約450m，南北向約1,000m，於幼葉林山與生毛樹溪之間坡面間。 幼葉林地滑地屬濁水溪流域之生毛樹溪子集水區。 研究區域

5 緒論 ― 研究動機 在山崩潛感之傳統分析及評估方面: 權重式評分分析之問題： 本研究之期望：
大多以統計的方式，針對造成邊坡破壞的各種潛在因子給予不同之權重後進行評分式分析。 權重式評分分析之問題： 無法將降雨造成坡地崩塌之機制加以呈現並納入考量，而只侷限於各種潛感影響因子之討論。 本研究之期望： 藉由數值分析來探討降雨對坡地不穩定性的影響以及坡地瀕臨崩塌時之破壞模式。

6 緒論 ― 研究目的 透過颱風降雨、入滲、地下水滲流、地下水水位變動之過程，期建立一套完整的降雨滲流邊坡穩定數值分析模式。
本研究主要針對幼葉林地滑地，進行常時、地震及暴雨情況下之邊坡穩定性模擬。同時，進一步探討排樁工法之各項設計參數對坡地穩定性之可能影響度。最後，並針對進行穩定方案之有效性進行模擬評估。

7 文獻回顧―降雨激發崩塌之力學機制 蘇柏嘉等(2005)之研究指出在降雨狀態下邊坡不穩定之誘發機制如下：
降雨入滲→ 孔隙水壓uw變化(由負變正)→ 基質 吸力(ua - uw)逐漸變化消失→ 基質吸力之當量 剪力強度 (ua - uw) tanb降低→ 未飽和土壤抗 剪強度降低→ 邊坡不穩定。 uw＜0 → 未飽和狀態； uw＞0 → 飽和狀態 一般分析中可令 ua＝0

8 文獻回顧―排樁 Fei Cai 與 Keizo Ugai(2000)，透過有限差分FLAC 3D強度折減法(SRM)，提出排樁在邊坡之最佳設計位置位於邊坡之中線；但透過極限平衡Bishop方法顯示，排樁位於邊坡中線稍為靠坡頂處，對於邊坡之穩定，具有較好的效果。 排樁最佳設計位置(SRM) 排樁最佳設計位置(Bishop) W.B. Wei 與 Y.M. Cheng(2009)，採用有限差分FLAC 3D提出在均勻土層之邊坡條件下，排樁最佳設計位置在「邊坡中線」與「無樁情況下之臨界破壞面中線」之間。 排樁最佳設計位置

9 文獻回顧 ―頻率分析 水利署之雨量站於1980年至2011年間(共計32年)紀錄之降雨資料，進行雨量頻率分析，利用年最大選用法對雨量站選定歷年之年最大二日暴雨量統計資料後，以二參數對數常態、三參數對數常態、皮爾森III型、對數皮爾森III型及極端值I型等五種機率分布，進行雨量頻率分析。 選取各種機率分布中最小標準差值(Standard Error)，決定最適性分布。結果顯示，以極端值I型較合適。另外，採用100年重現期距之年最大二日暴雨量進行轉換為最大48小時降雨量。

10 文獻回顧 ―設計雨型分析 設計雨型分析方法乃採用經濟部水資源局(2001)編製之「水文設計應用手冊」中所提之台灣各區域簡單尺度不變性高斯馬可夫雨型 (Simple Scaling Gauss-Markov，簡稱SSGM)分析成果中，台灣中區之降雨百分比進行設計 。 100年重現期距之最大48小時降雨組體圖

11 文獻回顧―降雨特性 江永哲、林啟源(1991)針對台灣地區的崩塌誘發型 土石流災害之降雨特性可彙整成下列三點：
1.災害發生的累積降雨量至少要大於150 mm 以上。 2.災害發生的降雨延時在12 hr以上，且多發生在整 場暴雨的後半期。 3.前期降雨對於災害的發生有明顯的影響，但並非 為主要的影響因素。

12 文獻回顧―降雨對地下水位之影響 落於地表之雨水經由入滲作用流入地下含水層，引起地下水水位的增加。
當降雨量大於土壤入滲量時，部份降雨會轉成地表逕流，如右圖所示。 由於入滲作用需要花費一些時間，因此地下水水位之變動對於降雨會有時間上的滯延現象。

13 降雨入滲、邊坡穩定及數值分析相關研究 (1/2)
李德河(1984)曾彙整並提出降雨特性與邊坡破壞之關係，且由監測儀器隨時掌握各項崩塌因子之變化，其中提出以位移量來預測崩塌較為可靠，並建議台灣地區對此法之適用性進行探討。 林德貴等人(2005)曾針對1997年汐止林肯大郡坡地災害現地進行暫態降雨滲流及與時間相依之邊坡穩定性數值分析，並探討暫態滲流水壓力對坡地既有擋土設施及地錨工法穩定性之影響。 林群富等人(2005)以九份地區邊坡為案例，探討九份地區邊坡之穩定性。結果顯示，若將有限元素法搭配極限平衡法並配合監測系統數據，更可清楚分析邊坡之穩定性。

14 降雨入滲、邊坡穩定及數值分析相關研究 (1/2)
林德貴等人(2008)針對梨山地滑地進行未飽和土壤之降雨滲流與邊坡穩定性之數值模擬，並建立梨山地滑地地下水水位上升量與降雨強度之關係式。 Michele Calvello等人(2007)針對義大利中部一處監測完善之活動地滑地進行暫態滲流有限元素分析及極限平衡穩定分析，並建立已知滑動面上安全係數F(t)與沿滑動面發生之監測位移率v (t)之預測關係式。

15 數值分析程式 滲流分析程式 邊坡穩定分析程式：
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。 邊坡穩定分析程式： SLOPE/W 程式為加拿大Calgary 大學所發展，其主要功能為邊坡穩定分析，可分析簡單或複雜的邊坡穩定問題，本程式係利用極限平衡理論來計算土壤或岩石邊坡之穩定安全係數。

16 Pore Water Pressure uw=uw(t)
數值分析程式簡介 (GEO-Studio 2007) Pore Water Pressure uw=uw(t) GEO-Studio 2007 ( Canada－Calgary University) QUAKE/W 2007 TEMP/W 2007 VODASE/W 2007 SEEP/W 2007 SIGMA/W 2007 SLOPE/W 2007 AIR/W 2007 CTRAN/W 2007 岩土強度參數最佳輸入值

17 研究流程（1）

18 研究流程（2）

19 幼葉林地滑地之幾何模型 以2010年7月26日之地下水位及孔隙水壓分布作為初始條件

20 幼葉林地滑地之幾何模型(續) 坡面AD邊界設定為降雨入滲邊界，底面BC邊界則設定為無滲流封閉邊界，即滲流量為零之不透水邊界(Q =0)。將右側CD邊界設定為總水頭H =999 m之定水頭邊界及左側AB邊界設為總水頭H =1078 m。 崩積層體積含水量函數 崩積層水力傳導函數(Ksat=0.002 m/hr)

21 土層及排樁輸入參數 土層類型 單位體積重  凝聚力 c 摩擦角  (kN/m3) (kPa) (º) 崩積土 20.89 13.72
26.49 砂岩 23.44 39.2 29.47

22 滑動面判釋 FS=1.737 進出面搜尋(最佳化結果) FS=3.09

23 滑動面判釋 FS=2.541 進出面搜尋(最佳化結果) FS=1.728

24 降雨期間滲流分析地下水水位變動 2010年7月26日12時至7月28日11時之降雨條件如下圖，進行降雨入滲分析並與現地監測資料作比對後，驗證數值分析程式之可靠性。

25 降雨期間滲流分析地下水水位變動 B03監測站自2001年7月26日12時至7月28日11時(降雨延時48hr)之降雨期間共上升約1.64 m(監測值約0.65 m)。在同一期間，W01監測站亦上升約2.97 m(監測值約2.85 m)。

26 整治前之穩定性分析 項目 常時 地震 (kh=0.17, kv=0.085) 降雨期間 (最小安全係數) 安全係數FS 1.826
1.182 1.8 FS=1.182 地震情況下 降雨期間安全係數變動

27 設計雨型安全係數變動 FS=1.508 50年頻率年設計雨型 50年頻率年安全係數(第48小時) 安全係數變動

28 排樁後穩定性分析結果 FS=1.263 FS=1.741 地震情況下排樁後安全係數 50年頻率年排樁後安全係數(第48小時)