108 地方特考三等 水土保持工程 坡地穩定與崩塌地治理工程 考古題詳解

核心觀念

崩塌地監測工程（Landslide Monitoring）依空間觀測位置主要劃分為地表變動量量測與地下變動量量測兩大範疇。本題核心在於測驗考生對「地表變動量（Surface Displacement）」監測技術體系的掌握，重點在於區分不同觀測尺度（點、線、面）、量測原理（機械式接觸、光電幾何測量、衛星微波遙測）及工程適用情境。

地表變動量量測之工程目的包含：

1. 掌握活動機制與範圍：確定滑動塊體邊界、移動方向與變形模式。
2. 評估變形速率與活動階段：判定崩塌處於初始變形、等速潛變或加速滑動階段，建立預警基準值。
3. 驗證工程整治效益：評估擋土結構、排水工程或錨定工法實施前後之地表位移收斂情形。

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解題方法

本題為標準申論題，作答切入點應採「空間尺度與觀測原理」系統化分門別類，切忌零散條列。應由微觀局部監測（點/線接觸式儀器）​推進至中尺度精密大地測量（線/網幾何量測），再擴展至巨觀全區遙測（面狀空間技術），展現完整的工程技術體系。

各量測方法之分類切入架構如下：

1. 局部接觸式儀表量測（裂縫與局部變形觀測）
2. 精密大地測量技術（地面控制點位移觀測）
3. 衛星空間導航定位技術（連續動態觀測）
4. 遙感探測與空載測繪技術（廣體面狀變形觀測）

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各類量測方法詳細分析

一、 局部接觸式儀表量測（點、線之相對位移）

1. 地表伸縮計（Extensometer / Invar Wire Extensometer）

• 原理：跨越滑動主破壞崖或張力裂縫設置，一端固定於不動基準點，另一端連接鋼線（不變鋼絲）或變位傳感器至移動塊體。
• 量測量：地表裂縫的相對伸張量、收縮量及位移速率（$\text{mm/day}$ 或 $\text{mm/hr}$）。
• 特性：可連接自動記錄器並設定警報門檻值，為現地即時崩塌預警最常使用的機械式儀表。

2. 裂縫計／開合計（Crack Gauge / Jointmeter）

• 原理：跨越地表微裂縫或結構體交接處，利用機械刻度或電阻式/差動變壓器（LVDT）感測器量測兩點間距離變動。
• 量測量：一維裂縫寬度開合量，或二維/三維錯位量。
• 特性：安裝簡便，適合觀測初期張力裂縫之發展。

3. 地表傾斜儀（Surface Tiltmeter）

• 原理：利用電解液微平衡或微機電（MEMS）加速度計，量測固定於地表剛性基樁或擋土結構物上的傾斜角變化。
• 量測量：地表微小傾角變化量（$\mu\text{rad}$ 或角秒）與旋轉方向。
• 特性：反映地表因旋轉型崩塌或土體傾翻產生的旋轉位移量。

二、 精密大地測量技術（幾何座標與高程變位）

1. 全測站儀觀測法（Total Station Surveying）

• 原理：於崩塌區外的穩定基準點架設儀器，觀測崩塌體上預設之反射稜鏡（Target Prism），利用光波測距與水平/垂直角測量解算各點之三維坐標 $(X, Y, Z)$。
• 量測量：監測點之水平位移向量與高程變化量。
• 特性：量測精度可達毫米（$\text{mm}$）級，若搭配自動觀測系統（Robotic Total Station, RTS）可進行全天候無人自動化監測，但受視線通視及天候霧雨限制。

2. 精密水準測量法（Precision Leveling）

• 原理：建立通過崩塌區的水準觀測路線，利用電子水準儀與銦鋼水準尺量測各基準點與變形點之高差。
• 量測量：地表監測點的垂直沉陷量或隆起量（$\Delta h$）。
• 特性：高程精度最高（達次毫米級），但無法提供水平位移資訊，且需沿線往返施測，勞力密集。

三、 衛星空間導航定位技術（絕對位移量測）

1. 全球衛星導航系統（GNSS / GPS 監測技術）

• 原理：在崩塌體內關鍵區段設置 GNSS 接收儀，結合區外穩定連續參考站，利用相對定位（Relative Positioning）或即時動態定位技術（RTK）進行差分運算。
• 量測量：監測點在絕對大地座標系下的三維連續位移歷程 $(E, N, h)$。

核心觀念

本題旨在測驗坡地工程實務與國家考試的核心理論：邊坡穩定逆算法（Back Analysis Method / Inverse Analysis）。

1. 基本定義與假設： 邊坡若已發生滑動破壞或處於臨界滑動狀態（臨界面），其破壞當下的整體安全係數（Factor of Safety, $FS$）理論上恰好等於 $1.0$： $FS = \frac{\text{總抗滑力矩（或抗滑力）}}{\text{總下滑力矩（或下滑力）}} = \frac{\sum M_R}{\sum M_D} = 1.0 \quad \left(\text{或 } \frac{\sum R}{\sum T} = 1.0\right)$ 逆算法即利用已知的滑動面幾何形狀、土體重度、破壞時之地下水位等現場邊界條件，令 $FS = 1.0$，反推滑動面材料之等效剪力強度參數（凝聚力 $c'$ 與內摩擦角 $\phi'$）。

2. 理論公式依據（以極限平衡法為例）： 依據莫耳－庫侖（Mohr-Coulomb）剪力強度準則： $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi' = c' + (\sigma - u)\tan\phi'$ 以簡化畢氏法（Simplified Bishop Method）為例，安全係數公式為： $FS = \frac{\sum \left[ \dfrac{c' b_i + (W_i - u_i b_i) \tan\phi'}{m_{\alpha i}} \right]}{\sum W_i \sin\alpha_i} = 1.0$ 其中： $m_{\alpha i} = \cos\alpha_i \left( 1 + \frac{\tan\alpha_i \tan\phi'}{FS} \right) = \cos\alpha_i (1 + \tan\alpha_i \tan\phi') \quad (\because FS = 1.0)$ $W_i$ 為第 $i$ 分條土重，$b_i$ 為分條寬度，$\alpha_i$ 為滑動面傾角，$u_i$ 為孔隙水壓力。

3. 雙未知數之非唯一解特性（Indeterminacy）： 極限平衡方程式僅有一條（$FS = 1.0$），但待求的材料剪力強度未知數有兩個（$c'$ 與 $\phi'$）。因此，單一破壞狀態之逆算無法求得唯一的單一解組 $(c', \phi')$，而是呈現一條「$c'-\phi'$ 逆算平衡曲線」（通常為負相關的斜直線或微凹曲線）。

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解題方法

本題為申論圖表題，作答時須依序展開：幾何與受力示意圖、逆算平衡關係圖、系統化作業流程表、以及雙未知數的求解對策表。

一、 繪圖說明

1. 邊坡滑動破壞幾何與分條極限平衡受力圖

逆算法之基礎建立於現場已發生滑動的實際幾何邊界與水文狀況：

 坡頂冠部拉裂隙 (Tension Crack)
 │
 ▼___ 原地表線 (Ground Surface)
 / \
 / \___________
 / 分條 / \
 / | W_i | \
 / | ▼ | \
 / | | \ 滑體 (Sliding Mass)
 /_____|_____|______________\
 ( \ u_i / ) <- 地下水位線 (GWT)
 \ \ ▲ / /
 \ \ / /
 \_______▼_______________/ 
 滑動面 (Slip Surface, FS = 1.0)
 \
 \---> 剪力阻抗: τ_f = c' + (σ - u)tanφ'

2. 逆算 $c'-\phi'$ 關係曲線圖

將 $FS = 1.0$ 代入平衡方程式，給定不同假定之 $\phi'$ 值，即可計算對應之 $c'$ 值，繪製成臨界破壞軌跡線：

凝聚力 c'
 ▲
 │
c'_max ┼ \
 │ \
 │ \ FS = 1.0 逆算平衡線 (Back Analysis Line)
 │ \
 │ \ ★ 實際合理參數解區間 (Feasible Domain)
 │ \ [藉由室內試驗、殘餘強度界限或土質經驗決定]
 │ \
 │ \
 │ \
 └───┼───────────\─────────────► 內摩擦角 φ'
 0 φ'_max (當 c' = 0 時)

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二、 列表詳細說明

表 1：邊坡穩定逆算法作業流程與執行重點表

實施階段	工作項目	技術內容與關鍵考量
第一階段：現場調查與幾何重建	1. 測繪滑動體地形<br>2. 探查滑動面深度與位置	• 利用光達（LiDAR）、無人機（UAV）及現場踏勘，定出冠部崩崖與趾部剪出點。<br>• 配合鑽探取樣、傾度管（Inclinometer）量測，精準描繪出滑動面實際幾何形狀。
第二階段：水文與環境條件調查	1. 決定破壞當下地下水位<br>2. 估算土體單位重 ($\gamma, \gamma_{sat}$)	• 崩塌多發生於豪雨期間，需推估破壞當時之最高地下水位或滲流網。<br>• 現場取樣測定土體天然及飽和單位重，決定各土層自重負荷。
第三階段：數值反算分析	1. 選擇極限平衡分析法<br>2. 設定極限平衡條件 $FS = 1.0$	• 選用符合滑動面形狀之分析法（圓弧滑動用 Bishop 法；非圓弧複合滑動用法國 Janbu 法或 Morgenstern-Price 法）。<br>• 固定外力與幾何條件，反覆計算求出對應的 $c'$ 與 $\phi'$ 函數集。
第四階段：決定代表性剪力強度	1. 繪製 $c'-\phi'$ 相關曲線<br>2. 結合輔助條件定解	• 依據地質材料類型（如黏土、砂土、頁岩或泥岩剪裂帶），引入工程邊界條件求出最合理的唯一參數對 $(c', \phi')$。

核心觀念

本題評量考生對崩塌地調查中「非破壞性地球物理探測技術」原理、適用性及工程限制之掌握程度。在坡地工程中，地表地質調查與有限的鑽探孔之間常存在空間盲區，地球物理探測能提供連續性的二維或三維地表下剖面，用以研判崩塌地之「風化帶深度」、「滑動面位置」、「基岩面形貌」及「地下水分布狀況」。

本題涉及的核心學理與公式包含：

1. 震測法（Seismic Method）：以彈性波在不同密度與彈性模數之地層中傳播速度之差異為基礎。常用者為震測折射法（Seismic Refraction Method），遵循司乃耳定律（Snell's Law）： $\frac{\sin i_c}{\sin 90^\circ} = \frac{v_1}{v_2} \implies \sin i_c = \frac{v_1}{v_2} \quad (v_2 > v_1)$ 式中，$i_c$ 為臨界折射角，$v_1$ 與 $v_2$ 分別為上下地層之彈性波（通常為 P 波）傳播速度。依據受波器接收到震波初達時間（Travel Time）與距離繪製走時曲線（Time-Distance Curve），進而反演地層波速及分層交界面深度。
2. 電探法（Electrical Resistivity Method）：以地層介質之導電性差異為依據。通常採用直流視電阻率法或高密度電探法（Electrical Resistivity Tomography, ERT）。於地表佈設電流電極（$A, B$）注入電流 $I$，量測電位電極（$M, N$）間之電位差 $\Delta V$，其視電阻率（Apparent Resistivity, $\rho_a$）定義為： $\rho_a = K \frac{\Delta V}{I}$ 式中，$K$ 為幾何因子（Geometric Factor），取決於電極排列配置（如溫納法 Wenner、史倫柏格法 Schlumberger、偶極－偶極法 Dipole-Dipole）。藉由反演計算還原地層之真實電阻率分布。

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解題方法

本題屬於經典的「雙對比申論題」，解答切入重點在於「結構對稱」與「緊扣崩塌地調查目的」：

1. 定義與原理陳述：不可僅寫「用震動」或「用電」，必須點出物理介質特性（彈性模數／波速 vs. 導電度／電阻率）與激發／接收機制。
2. 崩塌地應用對接：明確指出該方法在崩塌地專案中用來抓取什麼關鍵參數（震測法抓鬆散崩積層與堅硬基岩之力學邊界；電探法抓富水帶、含水泥質滑動面與水文地質狀態）。
3. 優缺點系統化對比：從「解析深度／精度」、「地形與施工限制」、「物理限制與盲區（如速度反轉、等效性問題）」、「資料判讀多義性」四個構面分別整理，建議輔以條列或對比架構，利於閱卷委員給分。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。配分通常平分於「震測法說明及優缺點（約 12～13 分）」與「電探法說明及優缺點（約 12～13 分）」，計分要點分析如下：

• 震測法說明與優缺點：
• 原理說明（涵蓋波速差異、折射法機制）佔 4 分。
• 崩塌地應用意義（判別鬆散覆蓋層厚度、風化岩與新鮮基岩交界）佔 2 分。
• 優點（直觀反映力學剛況、基岩界線明確、穿透深度佳）佔 3 分。
• 缺點（隱蔽層/速度反轉限制 $v_2 < v_1$ 無法測出、崎嶇地形施作不易、環境雜訊干擾）佔 3～4 分。
• 電探法說明與優缺點：
• 原理說明（涵蓋電阻率差異、歐姆定律與電極幾何配置）佔 4 分。
• 崩塌地應用意義（偵測地下水位、飽和剪切帶泥化層、高阻落石堆積）佔 2 分。
• 優點（對地下水與黏土極度敏感、設備輕便適於陡坡、高密度二維/三維連續成像直觀）佔 3 分。
• 缺點（反演等效性/解不唯一、地表接觸電阻過高問題、易受金屬管線或降雨暫態影響）佔 3～4 分。

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解題技巧

1. 破除物理陷阱——速度反轉（Velocity Inversion）：震測折射法最大致命傷是「下層波速必須大於上層波速（$v_2 > v_1$）」。若滑動帶內軟弱夾層或高孔隙水壓帶之波速低於上方未受剪滑塊體（即高速層夾低速層），折射波將偏向法線向下折射，無法返回地表，形成「盲層（Blind Zone）」。寫出此點為獲取高分的關鍵。
2. 緊扣崩塌機理——地下水（Groundwater）：水是崩塌最常見的誘發因子。電探法的核心優勢在於其能敏銳反映「孔隙流體」與「飽和度」，結合崩塌地滑動面多含泥質與水的特徵，是此方法不可或缺的主因。
3. 結論給出整合建議：單一物探方法皆有多義性（Ambiguity），作答結尾以「震電互補（震測定地層剛度基岩面、電探查地下水與剪切軟弱帶）」點題，展現水土保持技師之實務工程思維。

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【答案】

一、震測法（Seismic Method）之原理與說明

1. 定義與基本原理： 崩塌地調查常用之震測法主要為震測折射法（Seismic Refraction Method）。

核心觀念 本題旨在評量考生對「崩塌地地表地質調查」與「邊坡破壞幾何特徵」的辨識能力。邊坡崩塌整治前，必須透過航照判釋、現地調查確定其邊界與深層滑動面。調查幾何特徵主要分為兩大主軸：

1. 俯視破壞平面形狀（Plan View Geometry）：崩塌發生後於航照或地形圖上呈現的幾何輪廓，受地表微地形、水系集水收斂、基岩節理組及側邊阻抗等因素控制。
2. 滑動面類型（Failure/Sliding Surface Geometry）：邊坡內部剪應力超過剪力強度時所貫通之剪切滑動面，依地質材料（均質土層、層理、節理交線、軟弱夾層）在剖面或立體空間呈現不同型態，直接決定了後續極限平衡法（Limit Equilibrium Method, 如 Fellenius 法、Bishop 法、Janbu 法或三維塊體平衡）之力學計算模式。

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解題方法 本題為標準的申論型圖文題，答題關鍵在於「圖文並茂、分類周延、特徵精準」：

1. 破壞平面形狀（俯視）：以地形特徵與邊界收放為依據，劃分出「馬蹄形（匙形）」、「長條形（帶狀）」、「漏斗形（扇形）」及「矩形／幾何構造形」，並清楚標繪冠部、主崩崖（Head Scarp）、兩側滑動邊界與土石堆積區。
2. 滑動面類型（剖面／立體）：按地質構造與滑動面幾何型態，劃分出「圓弧滑動面」、「平面滑動面」、「楔形滑動面」及「折線／複合型滑動面」，畫出橫斷面或立體圖，並註明各類型好發的地層條件與力學解析方法。

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選項分析 本題為申論問答題，無選擇題選項。應試時應分大題號條列，並配合結構分明的示意簡圖說明。

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解題技巧

1. 畫圖優先原則：閱卷老師評閱此類題目首重圖形正確性與特徵線標示。圖中務必標註：滑動方向箭頭、冠部（主崩崖）、滑動面、基岩界線、露頭或弱面傾角。
2. 對比聯想記憶：

• 俯視平面：土層常見「馬蹄形」；沿溪流溝谷常見「漏斗形」；順向坡多呈「長條形」或「矩形」。
• 滑動面：均質土為「圓弧」；層理為「平面」；兩組節理交線為「楔形」；岩土交界或折曲為「折線複合」。

3. 常見陷阱：切勿將「崩塌破壞型態（如落石、岩滑、土石流、潛移）」與「破壞幾何形狀（平面輪廓、滑動面形狀）」混為一談。題目問的是「幾何形狀與類型」，回答時不可偏離幾何特徵與滑動面構造。

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【答案】

一、崩塌邊坡之俯視破壞平面形狀

崩塌邊坡於俯視圖（平面圖）上顯現的輪廓邊界，受邊坡地形、水系匯流及地質弱面控制，主要類型如下：

1. 馬蹄形（Horseshoe-shaped）／匙形（Spoon-shaped）

• 特徵說明：崩塌頂部呈向內凹入之圓弧形主崩崖，中下部逐漸開展或等寬，形似馬蹄或湯匙。常見於均質厚層黏土、殘積土或風化岩之旋轉滑動（Rotational Slide）。
• 平面示意圖：

 [ 坡頂 / 冠部 ]
 .------. <--- 弧形主崩崖 (Head Scarp)
 / \
 | 滑動體主體 | |
 | (凹陷) | | 滑動方向
 \ / v
 '--. .--'
 / \ <--- 趾部堆積舌狀展寬 (Toe lobe)
 '--------'
 [ 坡腳 / 溝谷 ]

2. 長條形（Strip-shaped / Ribbon-shaped）

• 特徵說明：滑動體之長寬比甚大（長度遠大於寬度），邊界大致平行。多見於表土淺層崩塌（Debris slide）、沿節理直線滑動，或受兩側深切側溝局限之順向坡滑動。
• 平面示意圖：

 [ 坡頂 ]
 +------+ <--- 平直主崩崖
 | |
 | 滑 |
 | 動 | | 滑動方向
 | 本 | v
 | 體 |
 | |
 +------+ <--- 坡腳堆積區
 [ 坡底 ]

3. 漏斗形（Funnel-shaped）／扇形（Fan-shaped）

• 特徵說明：上部崩塌源頭呈放射狀或半圓形匯聚，向中間凹口收縮，下部通過狹窄通道後向下游呈扇狀堆積展寬。常見於向源侵蝕強烈之集水區陷落或土石流源頭區。