109 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

本題為民國 109 年公務人員特種考試地方政府公務人員考試（三等・水土保持工程類科）「坡地穩定與崩塌地治理工程」之第一題，屬於坡地工程中涵蓋「穩定分析力學模型」、「地下水監測儀器」、「地球物理探勘」、「鑽孔地質調查」及「坡面加勁工法」之綜合型名詞定義與意涵題。

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核心觀念

本題旨在評量考生對坡地工程中「力學理論、現地調查、監測技術、治理工法」五大基本領域核心專有名詞的理解深度與工程應用能力：

1. 無限邊坡（Infinite slope）：考驗淺層邊坡失穩之極限平衡分析簡化假定、破壞機制、滑動面水壓條件與安全係數（$FS$）力學公式推導。
2. 立管開口式水壓計（Stand open pipe piezometer）：考驗水文地質調查中，量測特定地層特定深度間隙水水頭（Piezometric head）之結構構造、工作原理、水力延遲特性及監測應用。
3. 地電阻成像法（Electrical resistivity imaging, ERI）：考驗地球物理探勘高密度地電阻法的施測原理（歐姆定律、電極陣列、視電阻率反演）與在滑動面、崩積層、地下水路徑判讀之工程意涵。
4. 孔內造影（Borehole imaging）：考驗鑽孔調查技術中光學（OTV）與聲波（ATV）全環掃描原理，及其在克服取芯率不足、測定節理/層理走向與傾角（Strike & Dip）、剪裂帶辨識上的工程價值。
5. 土釘（Soil nailing）：考驗現地被動式加勁工法（In-situ passive reinforcement）之作用力學機制（側向抗拉、介面摩擦剪應力、主動區與抗力區轉換）與複合重力擋土結構概念。

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解題方法

申論名詞解釋題若僅給出一兩句簡短字串，無法在三等考試中取得高分。評分標準要求「定義完整、力學/工程機制清晰、附公式或圖解、列出工程意涵與實務限制」：

1. 定義（Definition）：精準點出該名詞之學理本質、適用幾何邊界或物理/力學特質。
2. 工作原理與力學機制（Principle & Mechanics）：寫出對應的物理量、公式（如無限邊坡之安全係數式）或施作原理。
3. 圖解輔助（Schematic Diagram）：題目已明示「可繪圖輔助說明」，答題時應以示意圖輔助說明邊坡受力、儀器構造或加勁機制。
4. 工程意涵與實務應用（Engineering Implication & Application）：切入水土保持工程與崩塌地治理，說明其於調查、設計或施工各階段之角色。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題之選項。閱卷要點著重於關鍵字（Keywords）是否到位，分述各小題給分關鍵指標：

• (一) 無限邊坡：必須提及「滑動面深度遠小於坡長（$z \ll L$）」、「滑動面平行於坡面」、「各切片受力邊界條件平衡抵消」，並完整寫出含孔隙水壓之安全係數式。
• (二) 立管開口式水壓計：必須區分「一般水井（觀測井）量測地下水位」與「水壓計量測特定深度/特定破壞面之受壓水頭」，提及「濾頭、砂濾層、膨潤土止水封堵（Seal）」，並點出水力時間延遲（Time lag）。
• (三) 地電阻成像法：必須提及「多電極排列（Wenner / Dipole-dipole 等）」、「電位差推算視電阻率」、「2D/3D 反演（Inversion）」、「富水帶與剪切破碎帶呈低電阻異常」。
• (四) 孔內造影：必須提及「光學（OTV）/聲波（ATV）360 度孔壁掃描」、「克服斷層破碎帶取芯率低（Core loss）」、「正弦波擬合計算不連續面走向與傾角」。
• (五) 土釘：必須強調「由上而下隨挖隨施作」、「被動式受力（需產生微位移始發揮摩擦拉力）」、「主動區與被動抗力區」、「形成複合加勁重力擋土結構」。

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解題技巧

1. 圖文並茂：問答題只要題目提示「可繪圖輔助說明」，畫出結構圖即可爭取高分區間，判卷者能一眼看出考生是否具有實務與力學直觀。
2. 公式標註明確：力學題（如無限邊坡）務必寫出符號定義（如 $\beta, z, \gamma, c', \phi', u$），避免符號混淆。
3. 陷阱提示：

• 勿將「立管水壓計」與量測全水柱平均水位的「地下水位觀測井（Observation well）」混為一談。
• 勿將「土釘（Soil nail）」與施加主動高預力、具自由段之「預力地錨（Prestressed ground anchor）」混淆。土釘為全段灌漿、通常不施加預力（或僅微鎖承壓板）之被動加勁構件。

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【答案】

(一) 無限邊坡（Infinite slope）

1. 定義： 無限邊坡是指滑動破壞面之深度 $z$ 遠小於邊坡之長度 $L$ 與寬度 $B$（即 $z \ll L$），邊坡各剖面之幾何形態、土層性質及水力條件皆假定沿坡面方向無限延伸且一致之簡化理論模型。其潛在破壞面為一平行於地表之平面。

2. 意涵與力學模式：

• 力學簡化：因邊坡無限延伸，任意垂直土柱兩側所受之側向土壓力大小相等、方向相反且作用線重合，彼此完全抵消，邊坡穩定分析可簡化為單一土柱在滑動面上的極限平衡問題。
• 力學示意圖：

 地表面
 ─────────────────────／ 坡角 β
 │ 微分土柱 │ ／
 │ (寬 b) │ ／
 │ │ ／ 滑動面深度 z
 ────┴──────────┴─／────────────────
 滑動面 (平行於地表)

• 安全係數（Factor of Safety, $FS$）公式： 在有效應力分析下，破壞面上之安全係數為： $FS = \frac{\tau_f}{\tau_d} = \frac{c' + (\sigma_n - u)\tan\phi'}{\tau_d}$ 若地下水位平行地表且升至地表（穩定滲流狀態，孔隙水壓 $u = \gamma_w z \cos^2\beta$）： $FS = \frac{c'}{\gamma_{sat} z \sin\beta \cos\beta} + \frac{\gamma'}{\gamma_{sat}} \frac{\tan\phi'}{\tan\beta}$ 其中：$c'$ 為有效凝聚力，$\phi'$ 為有效摩擦角，$\beta$ 為坡角，$\gamma_{sat}$ 為土壤飽和單位重，$\gamma' = \gamma_{sat} - \gamma_w$ 為有效（浮）單位重。
• 工程意涵： 若為無凝聚力砂土（$c'=0$），在無水情況下 $FS = \frac{\tan\phi'}{\tan\beta}$（臨界坡角 $\beta \le \phi'$）；而在地下水飽和滲流溢滿地表時，因 $\frac{\gamma'}{\gamma_{sat}} \approx 0.5$，$FS \approx \frac{1}{2}\frac{\tan\phi'}{\tan\beta}$，安全係數急降近半。此理論完整解釋了台灣山區豪雨期間，淺層崩塌（如表土滑動、崩積層滑落）群發之物理機制。

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(二) 立管開口式水壓計（Stand open pipe piezometer）

1. 定義： 立管開口式水壓計（又稱 Casagrande 型水壓計）為一種用於量測地層中「特定深度」間隙水水頭（Piezometric head）之現地監測儀器。其構造為於鑽孔特定監測層段內設置多孔透水濾頭（Filter tip），上方連接向上延伸至地表之開口立管，濾頭周圍回填透水砂層，其餘非監測孔段則以膨潤土（Bentonite）或水泥漿實施嚴格止水封堵。

核心觀念

大規模崩塌（Deep-seated Landslide）調查涉及大範圍、深厚層（滑動深度通常大於 $10\text{ m}$ 至數十公尺以上）的地質與水文構造判讀。本題核心在於辨析**「相對空間基準（深度，Depth）」與「絕對空間基準（高程，Elevation）」**在工程地質分析上的本質差異：

1. 空間參考基準面（Datum）：深度 $D$ 係以變動不居的地表（孔口或測線）為起算點的局部相對量；高程 $Z$ 則以統一之國家大地水準面（如台灣高程基準 TWVD2001）為依據的絕對垂直座標。
2. 水頭與滲流場理論：孔隙水壓力 $u$ 與地下水流動方向取決於總水頭（Total Head）或測壓水頭高程 $h = z + \frac{u}{\gamma_w}$，而非水表埋深。
3. 滑動面幾何與穩定分析：極限平衡法（LEM）與數值分析模型（FEM/FDM）均建立於絕對卡氏座標系（$X, Y, Z$）。

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解題方法

本題應採取「空間幾何解構」與「水文力學機制」兩大面向切入，從空間連續性、水力坡降判斷、地表動態變異及工程數值整合四個層次論述僅以「深度」表示調查成果的盲點與風險：

一、 無法直觀建構三維滑動面與地質界面的空間幾何形態

1. 起伏地形造成「假傾斜」與形態誤判： 崩塌區地表常具有陡坎、反向坡、階地等劇烈起伏。若僅標註深度，在兩鑽孔間： $Z_{\text{slip}} = Z_{\text{surface}} - D_{\text{slip}}$ 若地表高程差大於滑動面深度的差異，單看數值大小容易造成錯覺。例如坡頂鑽孔滑動面深度為 $30\text{ m}$，坡腳鑽孔滑動面深度為 $10\text{ m}$，看似滑動面很深且變化劇烈，但帶入孔口高程轉換後，可能兩者高程差甚大或反向平緩。
2. 空間內插與剖面連線失真： 建立地質剖面圖與地層層序（Stratigraphic Correlation）時，若以深度直接內插，會使界面受地表微地形「牽引」而產生假褶皺或虛假起伏，無法準確描繪出平整弱面、順向坡層理或圓弧型滑動面。

二、 嚴重扭曲地下水水力梯度與滲流方向的判斷

1. 水頭與埋深的物理本質不同： 地下水由高水頭流向低水頭。若僅標示地下水位「深度」（距地表距離）：

• 坡頂地下水深度 $25\text{ m}$（地表高程 $1,000\text{ m}$，水位高程 $975\text{ m}$）；
• 坡腳地下水深度 $2\text{ m}$（地表高程 $800\text{ m}$，水位高程 $798\text{ m}$）。 若不轉換為高程，單看數據會誤認坡腳「水位深僅 $2\text{ m}$」高於坡頂「水位深 $25\text{ m}$」，甚至在繪製等水位線圖時，若以深度繪製（等深線）將完全顛倒水力坡降（Hydraulic Gradient, $i$），無法正確辨識滲流場方向與承壓水頭。

2. 滑動面孔隙水壓計算偏差： 邊坡穩定分析需計算滑動面上各點的孔隙水壓力 $u = \gamma_w (h_w - z_{\text{slip}})$。

核心觀念

本題聚焦於工程地質與坡地穩定學中兩種截然不同的邊坡變形系統：「深層岩體重力變形」（Deep-seated Gravitational Slope Deformation, DSGSD，簡稱重力變形）與「舊崩塌地崩積層堆積物變形」（Reactivation of Colluvial Deposits / Paleo-landslide）。

1. 重力變形之機制：

• 發生於原生地層之新鮮至風化岩體（Bedrock），多受高陡地形、深厚自重應力集中、構造應力釋放及河川長期下切作用驅動。
• 屬長期、極微速之潛移（Creep）或傾倒（Toppling），初期無貫通之單一連續滑動面，而是由內部微破裂累積、漸進式破壞（Progressive Failure）逐步孕育破裂帶。

2. 崩積層堆積物變形之機制：

• 發生於過去崩塌遺留之崩積物（Colluvium），材料呈未固結、結構鬆散、淘選差之土石混合體。
• 屬既存弱面之復活／再活動（Reactivation），其剪切滑動面已經完全貫通，剪力強度弱化至殘餘剪力強度（Residual Shear Strength, $\tau_r$）： $\tau_r = c'_r + \sigma'_n \tan \phi'_r \quad (c'_r \approx 0)$
• 主要誘因為降雨入滲造成暫態地下水位與超孔隙水壓（$u$）上升，降低有效正應力（$\sigma'_n = \sigma_n - u$）。

3. 法規與技術規範：本題涉及大規模崩塌調查與崩塌地治理規範，依據民國 109 年適用之《水土保持技術規範》及農委會水土保持局（現農業部農村發展及水土保持署）《大規模崩塌防減災計畫調查作業指引》。

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解題方法

本題為標準的國家考試高等技術類科申論題，採**「比較對比」與「分項條列」**之寫作架構：

1. 第一部分：機制差異——從「材料對象」、「破壞面貫通程度與力學狀態」、「誘發驅動力」、「變形速率與運動型態」四個維度建立對比架構，並輔以表格彙整，使閱卷委員一目了然。
2. 第二部分：重力變形之調查與監測重點——緊扣「深層、基岩、大範圍微變形」特性，調查著重微地形判讀、地質構造與深孔鑽探；監測著重深孔傾斜管、地表空間位移（GNSS/InSAR）與深層剪切累積。
3. 第三部分：崩積層變形之調查與監測重點——緊扣「淺中層、土石混合、既存滑面、水文驅動」特性，調查著重崩積層厚度、基岩交界面、殘餘剪力強度與地下水賦存；監測著重孔隙水壓（地下水位）與滑面剪切位移之關聯。

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選項分析

本題屬申論題（非選擇題），無選項供逐一辨析。評分重點在於能否精準界定「重力變形（岩體、未貫通、深層應力場）」與「崩積層變形（沉積物、已貫通殘餘強度、水力觸發）」的物理本質，並提出具工程可行性的調查與監測配置。

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解題技巧

1. 名詞勿混淆：

• 考卷上寫「重力變形」，切勿誤答為一般土壤受重力下掉的「落石」或「崩塌」，在工程地質專有名詞中，重力變形指的大多是「岩體重力潛移、屈折或傾倒等深層重力變形（DSGSD）」。
• 「崩積層變形」的核心關鍵詞是「再活動（Reactivation）」與「殘餘剪力強度」。

2. 答題結構化：善用「定義 $\rightarrow$ 力學機制 $\rightarrow$ 調查手段 $\rightarrow$ 監測儀器配置」的脈絡，展現從學理到現場實務的完整邏輯。
3. 儀器配置邏輯：

• 調查重力變形：看大範圍（光達 LiDAR、雙重山脊線狀凹地）、探深部（深孔鑽探、井下電視）。
• 調查崩積層：抓界面（物探 ERI、淺層鑽探、不整合面）、查強度（環剪試驗 $c'_r, \phi'_r$）。
• 監測重力變形：量深層微量剪動（深孔傾斜儀）、測廣域三維位移（GNSS、InSAR）。
• 監測崩積層：即時水雨情聯動（雨量計、水壓計）、捕捉滑動面滑移（孔內傾斜管、TDR、地表裂縫伸縮計）。

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【答案】

一、重力變形與舊崩塌地崩積層堆積物變形機制之差異

比較項目	重力變形（岩體深層重力變形，DSGSD）	舊崩塌地崩積層堆積物變形（崩積層再活動）
變形母體材料	原生地層之新鮮至風化基岩（塊狀、葉理或層狀岩體）。	過去崩塌堆積之崩積土石層（未固結、結構鬆散且淘選不均）。
滑動破裂面狀態	初期無單一連續之滑動面；隨內部微破裂發展，呈漸進式破壞逐漸貫通，滑動深度深（通常數十公尺至百公尺以上）。	存在明確且已貫通之既存滑動弱面（即崩積層與基岩接觸面）；受擾動後再度沿舊滑面滑移。
強度力學機制	岩體應力超過降伏強度，由峰值強度（Peak strength）向殘餘強度軟化之漸進式剪應力集中。	滑動面上之抗剪強度處於**殘餘剪力強度（Residual strength, $\phi'_r, c'_r \approx 0$）**狀態，抗滑力極低。

核心觀念

本題評量考生對「工程地質」與「岩石力學」中**岩體強度（Rock Mass Strength）**評估理論與實務工法的掌握度。

在坡地與邊坡工程中，必須嚴格區分**完整岩石（Intact Rock）與岩體（Rock Mass）**的差異：

1. 完整岩石：指無明顯弱面、節理之連續岩塊，其強度主要由室內單軸抗壓試驗（UCS, $\sigma_{ci}$）或三軸試驗求得。
2. 岩體：為完整岩石與各向弱面（不連續面，如節理、層理、剪裂面、斷層等）組成的複合系統。岩體強度遠低於完整岩石強度，受節理組數、粗糙度、填充物、地下水壓、開度及地應力等尺寸效應（Scale Effect）高度主導。

評估岩體強度的方法主要涵蓋四大主軸：

• 現場原位試驗法（In-situ Tests）
• 經驗破壞準則法（Empirical Failure Criteria，以 Hoek-Brown 準則最重要）
• 弱面剪力強度評估法（Discontinuity Criteria，以 Barton-Bandis 準則為主）
• 數值模擬與合成岩體法（Numerical & Synthetic Rock Mass Modeling）

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解題方法

答題架構應先闡明「完整岩塊 vs. 岩體」之本質差異，再依「現場量測 $\rightarrow$ 經驗準則（分類系統） $\rightarrow$ 弱面力學 $\rightarrow$ 數值分析」之完整邏輯層次展開。

一、 現場原位試驗法（In-situ Testing Method）

現場試驗直接在大尺寸現地岩體上施測，最能反映節理弱面與現地應力的組合效應。

1. 原位直接剪力試驗（In-situ Direct Shear Test）：

• 原理：在露頭或坑道開挖預留大型岩柱（通常尺寸大於 $70\text{ cm} \times 70\text{ cm} \times 35\text{ cm}$），施加正向載重 $N$ 與側向剪力 $T$。
• 應用：可求得沿特定弱面（如順向坡滑動面、軟弱夾層）或整體岩體之尖峰與殘留剪力強度參數（凝聚力 $c$、內摩擦角 $\phi$）。

2. 平板載重試驗（Plate Bearing / Jacking Test）：

• 原理：利用油壓千斤頂在岩體開挖面上施加面壓，量測變形與回彈曲線。
• 應用：測定現地岩體的極限承載力、變形模數（$E_m$）及剪切模數。

3. 優缺點評估：

• 優點：具真實尺度的代表性與直接物理意義。
• 缺點：費用高昂、施工耗時、試驗點位有限（空間代表性易受局限）。

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二、 經驗破壞準則法（Empirical Failure Criteria）

因大型原位試驗成本昂貴，工程實務多利用「完整岩石室內試驗強度」結合「岩體分類系統（Rock Mass Classification）」進行強度折減評估。

1. 廣義 Hoek-Brown 破壞準則（Generalized Hoek-Brown Criterion, 2002）

此為國際與台灣邊坡工程評估各向同性受裂隙切割岩體（Isotropic Heavily Jointed Rock Mass）強度最權威、最廣泛採用的方法。

• 基本公式： $\sigma'_1 = \sigma'_3 + \sigma_{ci} \left( m_b \frac{\sigma'_3}{\sigma_{ci}} + s \right)^a$ 式中：

• $\sigma'_1, \sigma'_3$：破壞時之有效最大主應力與最小主應力。

• $\sigma_{ci}$：完整岩石之單軸抗壓強度（UCS）。

• $m_b$：折減後的岩體材料常數。

• $s, a$：反映岩體破裂程度之無因次經驗常數。

• 地質強度指標（Geological Strength Index, GSI）結合機制： 參數 $m_b, s, a$ 透過現場地質調查之 GSI 指標及開挖擾動因子 $D$（$D=0$ 為未擾動，$D=1$ 為爆破劇烈擾動）計算： $m_b = m_i \exp\left( \frac{\text{GSI} - 100}{28 - 14D} \right)$ $s = \exp\left( \frac{\text{GSI} - 100}{9 - 3D} \right)$ $a = \frac{1}{2} + \frac{1}{6} \left( e^{-\text{GSI}/15} - e^{-20/3} \right)$ 其中 $m_i$ 為完整岩塊經室內三軸試驗測定之岩石常數（如砂岩約 1519、頁岩約 610）。

• 等效莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）參數轉換： 非線性的 Hoek-Brown 包絡線在特定有效應力範圍（$\sigma'_3 < \sigma'_{3,\max}$）內，可透過線性迴歸擬合轉換為等效凝聚力 $c'$ 與等效摩擦角 $\phi'$，以便套入傳統邊坡極限平衡分析程式（如 SLOPE/W、Slide）。

2. 早期 RMR / Q 系統相關經驗轉換

• 透過岩體評分系統（Bieniawski 之 RMR）或岩體品質指標（Barton 之 Q 系統），亦有經驗對照圖表可估算岩體的等效 $c'$ 與 $\phi'$、變形模數 $E_m$ 及單軸抗壓強度 $\sigma_{cm}$：