中華水土保持學報35(1):69-77 (2004) 陳主惠 張守陽 周憲德 李伯亨

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1 中華水土保持學報35(1):69-77 (2004) 陳主惠 張守陽 周憲德 李伯亨
入滲對非飽和邊坡淺層崩塌發生機制之研究 中華水土保持學報35(1):69-77 (2004) 陳主惠 張守陽 周憲德 李伯亨 授課老師 : 鄭皆達 報告 : 鄒佩蓉 學號 :

2 一. 摘要 二. 前人研究 三. 研究方法 四. 模式分析與比較 五. 結論與建議

3 摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 本研究以靜力平衡觀點探討降雨入滲對非飽和邊坡崩塌發生機制之影響，考慮非飽和土層內之負孔隙水壓，並探討濕鋒線以上之孔隙水壓影響土層穩定性(FS)，將土層破壞分為濕鋒線以上之破壞及濕鋒線以下之破壞等二種型態，藉以了解入滲對邊坡穩定之影響，進而了解淺層崩塌機制。

4 前人研究 摘要 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 蒐集土砂災害發生時之時間及雨量特徵值，以統計方法區分土砂災害發生與不發生之臨界降雨線
如國外學者Caine(1980)、Cannon and Ellen(1985) 、Wieczorek(1987) 及Keefer etal.(1987)等；國內學者謝正倫(1992)及范正成(1997) 研究土砂災害發生機制之方法為依據堆積土層之基本物理性質，以無限邊坡分析為基礎，考慮土層內任意水位之條件下，進而推導出土層破壞公式 Takahashi(1978) 以靜力平衡觀點，分析作用於土層之推移力及土層阻抗力，推導出飽和土層受地表逕流之作用下，將土砂運動區分為土層未破壞區、土砂顆粒個別傳輸區、不完全土石流區及土石流發生區等四種土砂運動情況 游繁結(1987) 依據Takahashi 之理論，加入滲流力理論，推導出在任意水位下，土層破壞之臨界公式 鄭瑞昌、江永哲(1986) 考慮土層之凝聚力影響，推導出在任意水位下，土層破壞之臨界公式 黃宏斌 (1993) 考慮土層飽和及非飽和之土粒比重，推導出在任意水位下，土層破壞之臨界公式 林炳森等(1993) 考慮滲流力作用於土層，推導出在任意水位下，土層破壞之臨界公式 連惠邦(1997) 以水砂混合體中固體顆粒及液相水體間之驅動能量關係，分別建立泥砂體積濃度及溪床坡度兩參數之臨界公式，以作為鑑別礫石型土石流之定量關係式 張守陽(1998) 藉由水槽實驗研析不同材料與粒徑組成下土石流發生之現象，經由迴歸分析及因次分析方法，探討逕流類土石流發生機制 陳晉琪(1999) 探討土層於局部及全部破壞下，推導出在任意水位下，土層破壞之臨界坡度條件 Tarantino and Bosco (2000) 舉出地滑所造成之土石流常發生於短暫延時之大降雨強度下、長延時之小雨，甚至發生於降雨停止後數小時內 Iverson(2000) 結合理查方程式(Richards equation)及無限邊坡理論，利用數學解推導出不同降雨延時之均勻降雨對土層邊坡穩定之影響 Pradel and Raad(1993) 提出結合Green and Ampt 方法及無限邊坡理論，分析均勻降雨對土層邊坡穩定之影響 Fourie(1996) 探討降雨所造成之濕鋒下降對土層穩定之影響 Cho and Lee(2002) 提出Green and Ampt 之解析解入滲方法結合無限邊坡理論，分析不同降雨延時之均勻降雨對土層邊坡穩定之影響

5 本研究將孔隙水壓以水頭觀念表示，並以無限邊坡理論，探討濕鋒線以上孔隙水壓h*及非飽和土層之負孔隙水壓h**，進而推導土層破壞公式。
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 本研究將孔隙水壓以水頭觀念表示，並以無限邊坡理論，探討濕鋒線以上孔隙水壓h*及非飽和土層之負孔隙水壓h**，進而推導土層破壞公式。 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論

6 根據一維非穩態非飽和孔隙介質流體方程式:
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 根據一維非穩態非飽和孔隙介質流體方程式: w: 體積含水比 q: 單位面積達西流通量 z: 向下為正之垂直方向 t: 時間 Green and Ampt (1911)於均質土層及含水比均勻分布條件下，假設濕鋒線以上為飽和層，且在持續供水時，飽合區內水分含量不隨時間改變，即

7 研究方法 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 根據達西定律: 其中 h*為濕鋒線以上之孔隙水壓變化
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 根據達西定律:　 其中 h*為濕鋒線以上之孔隙水壓變化 邊界條件： 逕流水深 濕鋒線

8 摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 在非飽和土層之負孔隙水壓， 可依據van Genuchten(1980) 之非飽和土壤水分參數模式，h**=(ua-uw)/γw與s 之關係式為： 其中，α、p 、m 為形狀因子三(m=1-1/p)；ua 為孔隙間之氣體壓力；uw為孔隙間孔隙水壓力；(ua − uw)為非飽和土層之負孔隙水壓( 或稱基值吸力， matric suction)；水體單位重γw；s 為飽和度；wr為殘餘含水比；ws 為飽和含水比。

9 研究方法 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 A區 – 濕鋒線以上 B區 – 濕鋒線以下
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 A區 – 濕鋒線以上 B區 – 濕鋒線以下 τD – 推移力 τR – 土層阻抗力 W =土砂重量+濕鋒水重+逕流水重 土層破壞於濕鋒線以上 (A區，z ≦ L) :

10 研究方法 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 A區 – 濕鋒線以上 B區 – 濕鋒線以下
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 濕鋒線以上孔隙水壓變化 非飽和土層之負孔隙水壓 考慮入滲濕鋒之無限邊坡理論 A區 – 濕鋒線以上 B區 – 濕鋒線以下 τD – 推移力 τR – 土層阻抗力 Bishop(1963)提出 : W =土砂重量+濕鋒水重+逕流水重+非飽和土體水重 (2)土層破壞於濕鋒線以下 (B區，z ＞ L) :

11 摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 一.土層基本資料 砂質土層

12 二. 模式分析方法 首先，就未降雨入滲之土層應力狀態做一分析 其次，考慮降雨入滲後，濕鋒下降所產生之孔隙水壓對土層安定之影響 摘要 前人研究
研究方法 模式分析與比較 結論與建議 二. 模式分析方法 首先，就未降雨入滲之土層應力狀態做一分析 其次，考慮降雨入滲後，濕鋒下降所產生之孔隙水壓對土層安定之影響

13 三. 模式結果比較 1.降雨前土層穩定性分析 本模式在降雨前，土層表層因負孔隙壓力關係而穩定，但Fs 隨土層深度與坡度增加而越小。 摘要
前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 三. 模式結果比較 1.降雨前土層穩定性分析 本模式在降雨前，土層表層因負孔隙壓力關係而穩定，但Fs 隨土層深度與坡度增加而越小。 FS=1

14 三. 模式結果比較 2.濕鋒深度與孔隙水壓 比較相同土層深度不同濕鋒下，可知濕鋒深度增加，同土層深度之負孔隙水壓越小
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 三. 模式結果比較 2.濕鋒深度與孔隙水壓 比較相同土層深度不同濕鋒下，可知濕鋒深度增加，同土層深度之負孔隙水壓越小 在無逕流水深情況下，降雨入滲後，土層濕潤使得土層表面之孔隙水壓趨近於零。

15 摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 三. 模式結果比較 3.逕流水深與土層穩定性 無逕流水深時，濕鋒下降對原有土層穩定性影響不大，坡度為控制土層穩定主因，且在坡度略大於摩擦角時，土層即處於臨界破壞狀態 有逕流水深時，濕鋒與坡度為控制土層穩定之主因。 無逕流水深 坡度25 無逕流水深 坡度30 有逕流水深 坡度25 有逕流水深 坡度30

16 此圖表示FS=1，逕流深度、濕鋒深度及各種不同坡度之關係比較。
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 三. 模式結果比較 4.濕鋒線以上之土層穩定性 濕鋒 濕鋒 2m 濕鋒深度與逕流水深成反比 在坡度為10°、15°及20°為穩定狀況，不受濕鋒入滲之影響 坡度25° 及30°時，濕鋒及逕流均為影響土層穩定性之主因 此圖表示FS=1，逕流深度、濕鋒深度及各種不同坡度之關係比較。

17 摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 1.本研究將土層破壞區分為非飽和層破壞及濕鋒線以上破壞，並將正負孔隙水壓觀念加入模式中，以探討影響非飽和溪床邊坡之土層崩塌發生機制，其公式為：

18 3.由結果顯示降雨後之土層，在無逕流水深情況
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 2.本研究在降雨前，以Fs 表示土層穩定性，並比較Takahashi 等前人之研究，經結果發現，本模式土層穩定性較Takahashi 等之未考慮負孔隙水壓的模式高，亦即本研究考慮自然邊坡或堆積土層之非飽和情況，較符合現實狀況。 3.由結果顯示降雨後之土層，在無逕流水深情況 下，坡度為控制土層穩定主因，且在坡度略大於摩擦角時，土層即處於臨界破壞狀態；在有逕流水深情況，土層表面附近會因逕流水深所造成之正孔隙水壓及濕鋒線以上負孔隙水壓作用，使得土層於濕鋒線以上破壞，屬於淺層破壞，且破壞深度隨濕鋒下降長度成正比。

19 4. 在土層中，含水量應隨土層深度、入滲量及地下水位而改變，但本研究受於Green and Ampt 理
摘要 前人研究 研究方法 模式分析與比較 結論與建議 4. 在土層中，含水量應隨土層深度、入滲量及地下水位而改變，但本研究受於Green and Ampt 理 論，將濕鋒線以下之土層含水量視為一定值，建 議將含水量視為變數，使模式更為精準。 5.本研究參照Green and Ampt 理論之濕鋒前孔隙 水壓值，因而限制土層內無限深遠之地下水，建 議以Richard 方程式進一步修正地下水位靠近土 層表面之情況，並且考慮隨時間變化之入滲率對 土層破壞機制之影響。

20 ~END~ 謝謝聆聽