第十三卷 第四期 - 2010年四月二日 PDF
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降雨導致淺層邊坡破壞之內部水份與孔隙水壓反應
國立成功大學工學院土木工程學系
 
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邊坡內部含水量與孔隙水壓在降雨中反應機制之了解為提昇邊坡破壞與土石流發生預測準確性之關鍵。本研究建造深0.7m,寬1.5m,高1.7m,長3.94m之大型砂土邊坡進行人工降雨試驗,試驗邊坡座落於一傾斜29˚之不透水岩盤上方,邊坡中埋設土壤水份計及孔隙水壓計進行降雨入滲破壞過程之機制探討。本研究發現邊坡內部岩~土交界面之含水量及孔隙水壓急增之變化時間點與邊坡破壞之關鍵時刻,如坡趾破壞之間有密切的關係。此一急變點可做為預測邊坡破壞發動時間之有效指標。本研究提出一新的邊坡內部反應之破壞基準來提昇邊坡破壞預測之精度。此一內部反應破壞基準反映邊坡內部材料與組構特徵,其參考價值不亞於傳統以降雨量為指標之邊坡破壞基準。此一“內部反應時間”之基準可以在水文、地質及穩定分析等數值架構上予以實用化。

大型邊坡降雨試驗
圖一為在大型鋼筋混凝土流槽(長20m,總高度6m,斷面寬1.5m,高1.0m,底部仰角29˚)。大型邊坡建造於流槽之上半段,長3.94m,深0.7m,寬度1.5m。採用南投北港溪之河砂,其統一土壤分類為SM。以100mm厚之分層夯實成溼密度(γm) 16-17 kN/m3,含水量(ω) 5-10%,孔隙比(e) 0.6-0.78之均勻邊坡。圖二(a)、(b)、(c)各顯示灑水噴頭,流槽底部及邊坡夯實完成後之狀況。圖三(a)、(b)各顯示邊坡內部儀器配置之平面及側視圖。土中水份計中M1、M2、M5、M6、M9、M10置於土壤~底岩之界面;M3、M4、M7、M8、M11、M12置於坡表面下方0.2m處。孔隙水壓計P1、P2、P3、P4、P5、P6置於岩~土交界面。本文中水份計及孔隙水壓計之座標以(x, y)表示;x為距坡址之水平距離(= S);y為自底層岩盤面垂直向上之距離。
圖二 (a) 降雨模擬器及數位相機
圖一 大型邊坡降雨試驗之剖面圖

圖二 (c) 試驗邊坡夯實完成狀況
圖二(b) 大型流槽底部與埋設儀器之溝槽

圖三 (b) 儀器埋設位置剖面圖
圖三 (a) 儀器埋設位置平面圖

降雨中土壤水份及孔隙水壓之反應
圖四(a)、(b)、(c)為位於S = 0.95m,1.7m及2.6m處水份計(MS)之反應歷時曲線。這些曲線皆有一特徵,就是在某一時間急驟上昇。另一特徵為M (0.95, 0)、M (1.7, 0)及M (2.6, 0)之急驟上昇點時間永遠大於M (0.95, 0.5)、M (1.7, 0.5)及M (2.6, 0.5),反映由於溼潤前線(Wetting front)之下降所產生之時間延遲(Time lag)。為了專注於關鍵時間之邊坡行為,本研究針對反應曲線上之急驟變化時間點進行分析。岩~土交界處之土中含水量反應曲線上第一個急驟上昇點時間以Tm1表示,達尖峰點之時間以Tmp表示。邊坡表面下方0.2m處水份計之第一個急驟上昇及尖峰點各以Tm1(soil)及Tmp(soil)表示。

圖五為位於岩~土交界面之孔隙水壓(以水頭hp表示)反應之一例。同樣,孔隙水壓反應曲線上亦可定出第一急驟變化時間點(Tw1)及尖峰時間點(Twp)。圖六(a)、(b)為土中水份及水頭反應曲線上關鍵時間之定義。圖七為在降雨強度(I)為70 mm/hr之試驗中,土中含水量變化關鍵時間點之整理。圖七顯示下列反應時間之順序:
(1) Tm1(soil) → (2) Tm1 → (3) Tmp
以上之順序暗示下列物理現象:

  (1) 溼潤前線到達0.2m深處→(2) 溼潤前線到達土~岩交界→(3) 土~岩交界面達飽和狀態
上述之現象與以往國際上發表的觀察結果是一致的。
圖四 (b) 岩~土界面之含水量歷時反應 (S = 1.7 m, Test No. 4, I = 70 mm/hr)
圖四 (a) 岩~土界面之含水量歷時反應(S = 0.95 m, Test No. 4, I = 70 mm/hr)
 
圖五 岩~土界面之孔隙水壓歷時反應 (Test No. 4, I = 70 mm/hr)
圖四 (c) 岩~土界面之含水量歷時反應 (S = 2.6 m, Test No. 4, I = 70 mm/hr)

圖六 (b) 孔隙水壓反應曲線之關鍵點定義
圖六 (a) 含水量反應曲線之關鍵點定義

圖七 邊坡內部不同位置之含水量變化關鍵時刻之整理 (Test No. 4, I = 70 mm/hr)

邊坡之後退式破壞過程
圖八(a)、(b)、(c)、(d)顯示I = 70 mm/hr試驗之降雨前、坡趾局部沖刷、坡趾明顯破壞(坍方進行至S≒0.24m;坍方體積佔全邊坡之比例Pv≒0.5%)及嚴重破壞(坍方後退至S = 1.7m;坍方體積佔全部坡體比例Pv = 35%)之坡面狀態。圖八(a)-(d)之坍方上緣距坡腳距離(S)整理於圖九,可以看出在每一降雨強度下,各顯示不同的坍方後退速率,且各曲線具有一速率急增點,為邊坡大量崩塌之開始。
圖八 (b) 坡址輕微破壞狀態 (Test No.4, I = 70 mm/hr, t = 70 min )
圖八 (a) 降雨前之邊坡狀態 (Test No.4, I = 70 mm/hr, t = 0 min)
圖八 (d) 坍塌進行至S ≒ 1.7 m之嚴重破壞狀態 (Test No.4, I = 70 mm/hr, t = 104 min )
圖八 (c) 坡趾完全破壞狀態 (Test No.4, I = 70 mm/hr, t = 84 min )
圖九 邊坡坍塌上緣後退距離 (S) 與時間關係

實驗結果之實用價值
以降雨量為主之所謂降雨判斷基準現今被廣泛應用於邊坡破壞與土石流發生之預測。但這些基準由於地域環境的不同,導致不準確性甚高。以邊坡內部反應為主之邊坡破壞或土石流發動基準,可以有效提昇預測之準確性。本研究結果顯示,岩~土界面之水份及水壓計第一個反應時間Tm1及Tw1可以成為邊坡破壞之前兆性指標。圖10(a)、(b)為邊坡破壞使總砂土流出比率Pv為0.5%、5%及14%之時間與位於S = 0.95m處之土中水份計(圖10a)及孔隙水壓計(圖10b)反應時間之比較。圖10(a)與10(b)亦為邊坡對降雨之內部與外部反應關鍵時間之比較。從圖10(a)中可以看出Tm1為邊坡破壞保守之前兆反應時間;Tmp與邊坡急驟破壞土砂大量流出之發動時刻相當一致。圖10(b)顯示,岩~土界面之孔隙水壓反應時間Tw1與邊坡急驟破壞,土砂大量流出之發動時刻一致,但Twp可能出現在邊坡已大量破壞時,較不具邊坡破壞預測之功用。圖10(a)、(b)為廣為採用之邊坡災害預測方法,即降雨強度~持續時間(Intensity ~ Duration relationship)之雛型,將來可將本研究之“內部反應破壞基準”在I-D架構下一般化,以提昇邊坡破壞及土石流發動之預測準確性。
圖十 (b) 位於S = 0.95 m 處之孔隙水壓反應關鍵時間邊坡破壞狀態之比較
圖十 (a) 位於S = 0.95 m 處之水份計反應關鍵時間與邊坡破壞狀態之比較
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