第五卷 第四期 - 2008年八月一日
土石流及岩石運動所產生的地表振動
黃清哲


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石流是礫石、泥沙及水之混合物受重力作用而形成的快速流動的物體。近年來,由於全球各地山區不斷地受到過度開發,導致土石流災害發生頻繁,危害到附近居民性命及財產的安全。當土石流發生時,常可觀察到下述現象:一、前端呈波湧之外形,且有巨礫集中的現象;二、尾端礫石之粒徑、泥沙濃度及流量皆較小;三、伴隨著土石流的流動會聽到「轟隆」聲並感受到地表的振動。此種地表的振動,也稱為地聲,推測是由於大石頭摩擦及撞擊河床所產生,尤其是土石流前端的礫石。基本上藉由量測地聲可偵測土石流的發生。

產生地表振動的因素很多,諸如:地震、火山爆發、土石流、土石崩坍及石頭撞擊地表等。土石流所產生之地聲具有下列特性:一、土石流地聲頻率在10Hz到100Hz之間,有時也會超過100Hz。二、土石流流動時,波湧處常聚集大石頭,因此地聲頻率較低,約在10Hz到30Hz之間;而土石流尾石頭粒徑較小,巔峰頻率較高,在60Hz到80Hz之間。巔峰頻率,也稱為顯著頻率,指的是頻域訊號中訊號較強的頻率。三、地聲振幅會隨著土石流流量的增加而變大。此外,當土石流前端通過地聲感測器時,地聲之振幅會突然增加。這項特性可用來偵測土石流的出現;如果沿著河岸擺設兩隻以上的地聲感測器時,還可以偵測出土石流的流速。因此,我們應該可以藉由地聲訊號的振幅是否達到臨界值,及訊號的頻率範圍和持續時間,來判識是否發生土石流。

本研究的目的主要是比較石頭運動及土石流所造成地聲訊號的差異,並探索產生土石流地聲的主要物理機制。地聲訊號將由三顆排成直線的三軸式地聲感測器來偵測,而地表的振動主要是藉由不同重量的石頭撞擊河床來產生。現地試驗在南投縣神木村愛玉子溪進行,該處也有農委會水土保持局所設置的土石流觀測示範站,由該站的儀器可偵測到實際土石流發生時的地聲訊號。試驗前先量測背景噪音以便與地聲訊號作區隔。地聲之時域訊號將藉由快速傅立葉轉換(FFT)顯示出其頻域特性,且利用Gabor轉換同時顯示出其時間–頻率特性。

圖1所示為29.4kg重的石頭從1.2m處掉落撞擊愛玉子溪河床時第一隻地聲感測器所顯示之Y軸(橫跨河道方向)地聲訊號;其中圖(a)所示為時域訊號,圖(b)為經由FFT所得之頻域訊號,而圖(c)為經由Gabor轉換所得之時間–頻率訊號。試驗結果顯示三軸之地聲訊號其特性非常接近,亦即其頻率介於10到150Hz之間,而顯著頻率為80Hz。試驗結果也顯示,當石頭重量改變時,地聲頻率範圍維持不變,然而當石頭重量為10kg時,地聲的顯著頻率變為100Hz;石頭重量為50kg時,地聲的顯著頻率為50Hz。上述實驗結果顯示隨著石頭重量的增加,地聲的振幅會增加,而地聲的顯著頻率會變小。
圖1  29.4kg重的石頭從1.2m高掉落撞擊愛玉子溪河床所產生的Y軸上的地聲;(a) 時域訊號、(b) 利用FFT所得之頻域訊號、及(C) 由Gabor轉換所得之時間–頻率訊號。

在愛玉子溪所測得的地聲的傳播速度介於333.3到400m/s之間。在假設泥沙為石英,且地聲的速度與彈性波中的剪力波的速度一樣的情形下,利用圓球堆積模式(sphere-packing model)所得地聲的傳播速度為241m/s。圓球堆積模式低估了地聲的傳播速度的原因應為:此項理論假設組成介質的圓球顆粒大小一樣且排列整齊,但實際上地表材料係由不同粒徑之礫石及泥沙所組成。

2004年7月2日愛玉子溪發生一場大型的土石流,其原因主要是敏都利颱風帶來豪大雨所致。此場礫石型土石流沖走了下游的神木路路基,且嚴重地損毀了愛玉子橋的橋墩。圖2所示為7月2日當天16點41分到16點43分上游地聲探測器所偵測到的Z軸(垂直河床方向)的地聲訊號。圖2(c)將16點41分40秒到16點41分50秒土石流前端通過地聲感測器這10秒鐘內的地聲時域訊號轉換為時間–頻率訊號。當土石流前端通過感測器時,地聲速度振幅遽增。由圖2(a)可看出愛玉子溪土石流的前端在16點41分44秒通過上游地聲感測器。土石流前端通過感測器之後,圖2(a)之地聲訊號變得不太正常,其原因應該是:這場土石流將愛玉子溪上游段的河寬從原來的36m掏刷到80m。因此,埋放在乾砌石護岸中的地聲感測器也跟著被沖走,使得儀器無法正常地量測地表振動。由觀測資料進行分析,可歸納出這場土石流所造成的地表振動具有下述特性:一、土石流在16點41分44秒通過上游地聲感測器;二、土石流所造成的地表振動具有三維特性,且三軸的速度振幅約略相等,為40cm/s;三、地表振動的頻率為10-100Hz;四、土石流接近時,地表振動的頻率小於50Hz,尾端的頻率為50-100Hz,但是當土石流最接近感測器時,頻率較寬,介於10-250Hz之間。
圖2  2004年7月2日16點41分到16點43分上游地聲感測器所測得的土石流地聲訊號;(a) 時域訊號、(b) 利用FFT所得之頻域訊號、及(C) 16點41分40秒到16點41分50秒之時域訊號經由Gabor轉換所得之時間–頻率訊號。

土石流地聲量測的取樣頻率為500Hz,因此資料相當龐大。本研究定義一新的變數,亦即每秒累積能量(Esec),將這些資料簡化,其可寫為
 
式中VxVyVz為三軸上之地聲速度振幅。圖3 (a)及(b)所示分別為上游及中游地聲感測器所測得地聲其每秒累積能量隨時間的變化。土石流前端所伴隨的巔峰能量在16點41分44秒出現在上游地聲感測器,而出現在中游地聲感測器的時間為16點41分57秒;表示土石流前端從上游地聲感測器流到中游地聲感測器的時間為13秒。兩個感測器間的距離為173m,因此土石流前端的平均速度為13.3m/s。利用射影機影像分析所得土石流的流速與此值非常接近。
圖3  2004年7月2日之土石流所產生地聲之每秒累積能量隨時間的變化;(a)上游地聲感測器、(b) 下游地聲感測器。

比較圖1與圖2之地聲訊號可知,在同一河床上,單一石頭撞擊河床所產生地聲之頻率也出現在土石流地聲之頻率範圍內。這個結果證實了土石流所造成的地表振動主要來源之一即是來自於土石流中之巨礫和石頭與河床的交互作用。與地震相較,土石流所造成的震動,其規模明顯較小且頻率較高。由於地震波之衰減與頻率有關,較高的頻率相對的衰減較大,因此,土石流造成的震動只有在近距離內才偵測得到,如現場試驗資料及圖2之結果所示。這個結果看來令人灰心,因為愈早偵測到地聲才能愈早發佈土石流警訊。不過上述缺陷可藉由將感測器往上游或接近土石流之源頭擺放,而加以改善。
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