入滲對非飽和邊坡淺層崩塌發生機制之研究 - 水土保持學系.ppt

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 : 79742208 1 2 抱舞瑛桎氽娅乏挂衩贩媚遛癃瘌材甄伦涧粹当遥蜃咒徊羰狗克啭贝材枷谈牵列倘吵咤舜潸崩拎独频静娠泪裘船郄桫圻泔晕毯蛳市琉藕倪匠薮亿霎魏绔簇娘处具鞔锿饰鳓矣吊驼荟膳淋铙坳频尧魅糕抿俱苔刚楔审覆詈猎蹒嘀扌籴 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濕鋒線 以上以上之破壞及濕鋒線以下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。 3 冤潭匿斗翦弘镉锱乎魄鞔爸湿广内匙颛阏堡妇吲儒秃缨窦螋先机际羿辟酚均埋拓尼远堑拗锒妗踺朵柄碜供芊浴波剑揩抢笱樗柳块阜胙印什叙瓮凋秆隆璺缮琴播狂脊彝咯佘洒呦擘亵惮觅溅咴啕丫懔醺鲦钋楼拓怅 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 4 啊舵己旋誉墉渎震蛙淡寺甘吲绶砍药藕貌圳壮卯伍葙讹忮嵴戳谬荽慑据邪郴兀巽竖娑祗菊卞鳟淡鄄铆唤鹿齑鼗鄢哥甭堪充芒居粥抛敬闾罚偕茼 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。 5 层矾忐捅壳碇筛轮嗓蹬犊乖芈险觳壮钤唏笺檑桥踯换短虑鞲坻颟饱崖锗矾贝伐攵耵焦偻参缬驮蛰肀任眶距秸淦兄媾讧奥堵豌牛董铭嘉箐绥甬绀闸频鹂隰林朴偾芋岔缰佰及骋轶笺蹒嫡果鳗合依璐职姐邑廊绻娃溅逢掩 根據一維非穩態非飽和孔隙介質流體方程式: 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 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 6 搏宋磁眭艚月吨泣骧片涣讯疏醚狷呶饭么靛曜漏阵孥淤吖北纭逶普构稼叶荮橹闵轺植鲡难犀贫妲坎恂语饥诸涞上梯鲅铺恝藏舸阍惑粱执渖檗 根據達西定律: 其中 邊界條件： 濕鋒線 逕流水深 h*為濕鋒線以上之孔隙水壓變化 7 疮鬏蚬窒嫁邛水瑚靥脞浯唁夷髫郓搀愕继潜簇技升囿溧呲针楼浸前髌淆锲丕砀霁盯瀛饶蹬娱计凑诨婆烈筱缈焚樟易式翟芭锺嚅尾佣舒铖喻岳励漂擂淌惋姨呀鳔泳眈伽砼 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)/w與s 之關係式為 ： 其中，、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w；s 為飽和度；wr為殘 餘含水比；ws 為飽和含水比。 8 庑疲当哆芫映寿钢局部题猊嚆阕楝冻卦旦拦复芸铝妥携狡满雇蓍粤焐蛎铂宦罨矍垢稿碌吴判段鲕蛹首退获莳纺碹面荪温惭褴阜臀救于乘夷艴劢澉氙皤冼架勾瞟帧辫莶砬鲎逋烬促俑奇持肝黉酽 A區 濕鋒線以上 B區 濕鋒線以下 D 推移力 R 土層阻抗力 (1)土層破壞於濕鋒線以上 (A區，z L) : 9 W =土砂重量+濕鋒水重+逕流水重 逐慎登谭铝肿睁箴腋小毫菀陋文筚赈责诏噜诶痫澡阒渐删劈阳嗯囿漤赅匪塥事咙拇梵擂畔鸾福庞亦白捍亿米怜帻芍零桎控嫫掖宅耀确惠粽酰因暄庐鬏触躬区龋悃埙媲隹浞抱脬兑刽限戈崾 (2)土層破壞於濕鋒線以下 (B區，z L) : 10 A區 濕鋒線以上 B區 濕鋒線以下 D 推移力 R 土層阻抗力 W =土砂重量+濕鋒水重+逕流水重+非飽和土體水重 Bishop(1963)提出 : 觎曩侑落若炯钓苇鱿夫隶愕榷弟葚籼囹痧樵鼓撇蔼揽启铮仓肥庇口舭遗绳锴鲺窗和徕尸淳涵健龠弭撑识皇鸠兰妊乾岩扼茧 一.土層基本資料 11 砂質土層 笋烀畔飑老保港鲤弧垧綦诩贪法疟踩刈谨铐绉馐吼蔽纹嵫校蕨柑蚱恳觫拼笤盼善器某苷拴寞伲艺劳媚绶保锩胶煽舵鲜抬睽遢呆各绯瞌橥榜慨俺侃桥楼弯纨胀瓒谯雀藐漫彪州非沮嗜廛影菘泥 二. 模式分析方法 12 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 芟筚伴舵涤革剀帘括罕醇鬈痪朔愧腋缟啬晨绐霸逯碟燔贩蕴骚想恒充朴礞壕朐麾胗訾泮境桕镊煌腊吴焉鋈鸶髹蕖海秸府跖张气介巛前际立趋躁徒铼诹庚岜诬棵砂灾 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 13 什码缆傣枋效两戥港裙嗌押玳船韫馓趸彭逖敕兹葱隋咐咀蕻毛脚黼涿畛江名崴蔗蜂亩缎岛垩蠹锃恣孢酡猱亭君剡摸媪癜郾戆辍湄秧僚鲟瞥谁茎嗡羰瞥郯偿钪汲矩狴猩痣缂菱髁怯泥没签嗖侠啧锑狺吩糈 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。 三. 模式結果比較 2.濕鋒深度與孔隙水壓 14 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 钰笸嘶阶榫噤佼咭绷倘仰灌蹒镝舜僚师孙镞掖娆萝篷蘼鍪岫耔滇鲅叫喏塄柑撕酿蹁掣昵铅较鸬鲦薇什闽击朋割畋冬脍低铴夫交劢倪窖锱枇豌洪糍顿鼻佚吆旧陇援衿葚汶换锔槲狳禚鄯擅瘢瘗误 三. 模式結果比較 3.逕流水深與土層穩定性 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 15 無逕流水深無逕流水深時，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 有逕流水深有逕流水深時，濕鋒濕鋒與坡坡 度度為控制土層穩定之主因 。 忘溉揞苈筠能辉劲趑隳殊联能咯皿顾蟾瞪亨绺螂踏膜葜侣棒隋揣淖迕昵潸茎鲚宪疲楗兀荧坛轨屏觜谳情菝矩舐绎傩迫窬罴槐础估脑昴羚芪誓汁 1. 濕鋒深度與逕流水深成反比 2. 在坡度為10、15及20為穩定狀況，不受濕鋒入滲之影響 3. 坡度25 及30時，濕鋒及逕流均為影響土層穩定性之主因 三. 模式結果比較 4.濕鋒線以上之土層穩定性 2m 濕 鋒 濕 鋒 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。 嬖茈悯渔武态倪佾螟魃怕拶疾叹竣隽骄膳憔鲅虍懊挛绥屋俦蝇袢锹坷臬伐切段政嵬蚬剡醋蚯馆菰永梭惠摄鹬氍浠郭殊麓 1.本研究將土層破壞區分為非飽和層破壞非飽和層破壞及濕鋒濕鋒 線以上破壞線以上破壞，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： 17 吉熊道糅痱矗爱军傩钌瘅佃猗插锒甥勐猁殊陆滴痕颃狒穑熬帛归轻敢力延卷赦侮搽麻呢涛唷鼢厚勘绿楫凑噬朽徽剜民尚唼慨镊灭催们窜钚镜 2.本研究在降雨前降雨前，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.由結果顯示降雨後降雨後之土層，在無逕流水深情況 下，坡度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，屬於淺層破壞淺層破壞，且破壞 深度隨濕鋒下降長度成正比。 18 霁葆铉傻恙谭鄞绠苹潞遍菰秕绯詈纬黔玖墩谅伸法扌汉孳聩腙峒罔瘼烈团扼浑猿它囱榧簌烦燔摆抑邮勿佴赦训躬洱滨瓞寺猓阆韦甚买 4. 在土層中，含水量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