110 地方特考三等 水土保持工程 坡地保育規劃與設計 考古題詳解

核心觀念

本題考查坡地開發前，如何透過地質調查建立「工程地質模式」，以掌握基地的地層、岩性、構造、風化程度、地下水及地質災害條件，作為開發配置、邊坡穩定分析、擋土及排水設施設計的依據。

坡地地質調查的重點包括：

1. 判定地層分布、厚度、岩性及風化程度。
2. 查明斷層、褶皺、節理、剪裂帶及不整合面等地質構造。
3. 調查崩塌、地滑、土石流、落石及沖蝕等地質災害。
4. 掌握地下水位、滲流方向、湧水及季節變化。
5. 取得土壤、岩盤及地下水的工程性質。
6. 評估挖填方、邊坡開挖、地基承載、排水及地基改良需求。

調查工作應依「由區域至基地、由概略至詳細、由地表至地下、由定性至定量」的原則進行。

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解題方法

可將坡地開發規劃設計地質調查分為下列方法：

一、資料蒐集與文獻調查

方法

蒐集並研判下列資料：

• 地質圖、地形圖、土壤圖及水文地質圖。
• 航照圖、衛星影像及歷年地形資料。
• 既有鑽探、試驗及監測資料。
• 歷史崩塌、地滑、土石流、地震及洪水紀錄。
• 鄰近道路、隧道、邊坡、擋土牆及建築工程資料。
• 過去開發、採礦、填方及土地利用變遷紀錄。

用處

可迅速了解基地所處的區域地質背景，初步判斷：

• 基地是否位於斷層、地滑地、崩塌地或土石流影響範圍。
• 主要地層與岩性分布。
• 地形演育及可能的地質災害。
• 後續現地調查的重點區域。
• 是否需要增加鑽探、地球物理探測或地下水監測。

此方法成本低、涵蓋範圍大，適合作為調查初期的篩選工具；但資料比例尺、年代及精度有限，不足以直接取代基地尺度的詳細調查。

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二、遙測與航空照片判釋

方法

利用航空照片、衛星影像、無人機影像及數值地形模型，判讀：

• 地形脊線、谷線、階地及沖積扇。
• 崩塌地、地滑地、蝕溝及土石流扇。
• 地表裂隙、沉陷、隆起及變形。
• 線性地形、斷層崖及構造地形。
• 植生異常、濕地及地下水出露位置。
• 歷年影像中的地形變化。

透過不同年代影像比較，可判斷地形是否持續退縮、滑動或擴大。

用處

• 進行大範圍、快速且非接觸性的地質災害初步判釋。
• 補充現地調查不易到達的陡峭地區。
• 掌握歷史地形變化與災害發育範圍。
• 協助規劃道路、建築、滯洪及排水設施位置。
• 作為地質調查及鑽探孔位配置的參考。

影像判釋須配合現地驗證，單憑影像難以準確判定地下地層、材料強度及地下水位。

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三、地形測量與地貌調查

方法

利用現地測量、空拍測量、三維地形模型及地形剖面，調查：

• 坡度、坡向及坡高。
• 坡頂、坡趾、平台、凹地及谷地。
• 地形高程與排水分區。
• 坡面沖蝕、蝕溝及堆積情形。
• 地滑地形，如滑崖、滑動台階、反向坡及鼓脹坡趾。
• 崩塌地形，如崩崖、崩積物及落石堆積區。

用處

地形資料是坡地配置及穩定分析的基礎，可用於：

• 劃分集水區與地表逕流路徑。
• 決定開挖、填方及平台配置。
• 建立邊坡穩定分析剖面。
• 評估道路縱坡、橫坡及排水系統。
• 判定坡面是否存在順向坡、凹形匯水坡及高陡坡等不利地形。

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四、現地地質踏勘與地質圖測繪

方法

由地質及工程專業人員進行現場踏勘，記錄：

• 岩性、土層及地層接觸關係。
• 土層厚度、顆粒組成及鬆散程度。
• 岩盤露頭、風化程度及破碎程度。
• 岩層走向、傾向及傾角。
• 節理組數、間距、延續性、粗糙度及充填物。
• 斷層、剪裂帶、破碎帶及滑動面。
• 湧水、滲水、泉水及地下水出露。
• 地表裂縫、傾斜樹木、擋土設施變形及既有滑動跡象。

調查結果應繪製基地地質圖、地質剖面圖及地質災害分布圖。

用處

• 建立基地地質構造及材料分區。
• 判定岩盤邊坡的楔形破壞、平面滑動及傾倒破壞條件。
• 判斷地層面與坡面關係是否形成順向坡。
• 找出地下水及軟弱帶位置。
• 提供鑽探孔位、試坑位置及試驗規劃依據。
• 作為邊坡型式、開挖方向及支撐位置的設計基礎。

地表地質調查能直接觀察地質現象，但對深部地層及地下水資料仍須搭配地下調查。

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五、試坑及槽溝調查

方法

在土層較薄、地下水位較深且施工機具可到達的地區，開挖試坑或槽溝，直接觀察：

• 土層分層及各層厚度。
• 土壤顏色、結構、顆粒組成及含水狀態。
• 土層與基岩接觸面。
• 回填土、崩積土、沖積土及殘積土分布。
• 地表裂縫、滲水及軟弱層。
• 取得原狀或擾動土樣。

用處

• 取得淺層土層的直接剖面資料。
• 確認地表地質圖及遙測判釋結果。
• 供土壤分類、含水量、密度、剪力強度及透水性試驗。
• 判斷表層崩積土厚度及淺層滑動可能性。
• 評估基礎開挖、淺層邊坡及填方材料條件。

試坑適合淺層調查，但深度受地下水、崩塌危險及開挖穩定性限制，無法取代深鑽探。

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六、鑽探調查

方法

依地質複雜程度、開發規模及結構物位置布置鑽孔，調查：

• 深部地層分布與厚度。
• 基岩深度及岩盤起伏。
• 斷層、剪裂帶、軟弱層及滑動面。
• 地下水位及含水層。
• 岩心完整性、破碎程度及風化程度。

鑽探過程可配合標準貫入試驗、取樣及岩心編錄。砂土常以標準貫入試驗取得 $N$ 值，岩盤則可記錄岩心回收率及岩石品質指標 $RQD$：

$$RQD=\frac{\text{長度大於 10 cm 之完整岩心總長}}{\text{鑽進總長}}\times 100\%$$

用處

• 建立地層及基岩深度剖面。
• 取得土壤及岩石試體，供室內試驗使用。
• 評估地基承載力、沉陷及挖方條件。
• 判定邊坡滑動面、軟弱夾層及地下水位置。
• 提供邊坡穩定分析所需的土壤及岩盤參數。
• 作為擋土牆、道路、橋梁及建築基礎設計依據。

鑽孔數量及深度須能涵蓋主要結構物、坡頂、坡趾、地質界線及疑似滑動區；只在平坦區域鑽孔，無法代表整個坡地的地質狀況。

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七、現地岩土試驗

現地試驗可直接取得原位狀態下的工程參數，主要包括：

1. 標準貫入試驗

核心觀念

本題考查山坡地開發建築的「禁建地區」判斷，主要依據命題當年（民國110年）的《山坡地建築管理辦法》及相關水土保持、都市計畫與區域計畫法規。

山坡地並非一律禁止開發，而是必須先判斷基地是否具有坡度、地質、災害或法令上的重大危險。凡屬不得開發建築之地區，即使土地權利人有所有權，也不得藉由建築申請排除其禁建限制。

解題方法

作答時可採「自然條件危險性＋法令限制」兩大方向，逐項說明：

1. 先寫出《山坡地建築管理辦法》所列不得開發建築的主要類型。
2. 再補充各類型所代表的水土保持與公共安全理由。
3. 最後強調實際認定須依地形測量、地質調查、水土保持計畫及主管機關審查結果辦理。

山坡地不得開發建築的狀況

一、坡度陡峭之地區

基地坡度過大時，開發通常必須大量挖填方、切削邊坡或設置擋土構造物，容易造成：

• 邊坡滑動或崩塌；
• 地表逕流集中及沖蝕；
• 擋土牆失效；
• 基礎承載力不足；
• 開發後增加下游地區的災害風險。

因此，坡度陡峭且不具安全開發條件者，屬不得開發建築的地區。

判斷坡度時，通常以基地地形測量及平均坡度分析為基礎。坡度可表示為：

$$坡度(\%)=\frac{高程差}{水平距離}\times 100$$

但考試作答不可將「坡度超過某一數值」當成唯一判斷標準；仍須配合基地範圍、地形分布、開發方式及邊坡穩定分析綜合認定。

二、地質構造不良、地層破碎之地區

如基地具有下列地質條件，會降低地盤及邊坡穩定性：

• 地質構造不良；
• 地層破碎；
• 岩層風化嚴重；
• 軟弱夾層；
• 岩層節理發達；
• 地下水豐富或排水不良；
• 其他足以影響建築安全的地質缺陷。

此類地區即使表面坡度不大，仍可能因降雨、地下水或施工擾動而發生滑動、沉陷或崩塌，因此不得僅以地形坡度判斷是否適合建築。

三、斷層、滑動或其他地質不良地區

基地如位於斷層帶、地滑地區、崩塌地區或其他地質災害敏感地區，建築物可能遭受地盤錯動、沉陷或邊坡滑動影響。

尤其下列情形應特別注意：

• 活動斷層或其影響範圍；
• 舊有地滑地形；
• 地表出現張裂縫、階地或錯動現象；
• 邊坡已有滑動跡象；
• 坡趾遭河流或排水沖刷；
• 地下水滲出造成孔隙水壓升高。

這類地區具有先天性地質危險，不能僅靠增設擋土牆或排水設施，即當然認定可以建築。

四、災害頻繁或有危害公共安全之虞之地區

山坡地如屬災害經常發生地區，或開發後可能危及人民生命財產及公共設施者，不得開發建築。

常見情形包括：

• 土石流危險地區；
• 崩塌、地滑頻繁地區；
• 洪水、淹水或地表逕流危險地區；
• 河岸、溪溝或坡腳遭沖刷地區；
• 可能危及道路、橋梁、聚落及下游地區之地點；
• 開發後排水量增加，將造成下游淹水或沖蝕者。

核心觀念

本題在考查臺灣西部丘陵的地質背景，以及「完整岩石」與「岩體」力學性質的差異。

西部丘陵多屬新生代沉積岩區，岩層受褶皺、斷層、節理、風化及地下水作用影響，工程行為通常不能只以單一岩石試體的強度代表，必須同時評估：

1. 岩性與地質構造。
2. 完整岩石的強度與變形性。
3. 節理、層面等不連續面的控制作用。
4. 風化程度、地下水及應力條件。
5. 岩體分類結果與現地試驗資料。

其中，完整岩石是切除節理、層面影響後的岩石材料；岩體則是包含岩石材料及其節理、層面、斷層、風化帶與地下水的整體地質體。坡地工程設計真正需要的是岩體參數。

臺灣西部丘陵可能出現的岩石

1. 砂岩

砂岩在西部麓山帶及丘陵地區相當常見，常形成砂岩層、厚層砂岩及砂頁岩互層。

其工程特性受下列因素影響：

• 膠結程度：矽質、鈣質膠結通常較強，泥質膠結通常較弱。
• 粒徑與孔隙率：孔隙率高時，乾濕循環及吸水後強度降低較明顯。
• 層理與節理：順向坡容易沿層面產生平面滑動。
• 風化程度：風化後可能由中強度岩石轉變為軟弱岩層。

2. 頁岩、泥質岩及泥岩

頁岩、泥岩、粉砂岩等細粒沉積岩，在西部丘陵也十分常見，部分地區具有厚層泥岩及砂頁岩互層。

此類岩石常具有以下特性：

• 單軸抗壓強度較低，屬軟弱岩石至極軟岩範圍。
• 吸水後強度明顯降低。
• 乾濕循環後容易崩解、剝落。
• 頁理、層面發達，具有明顯方向性。
• 遇水軟化後，邊坡抗剪強度及耐久性下降。

泥岩坡地常見表面沖蝕、溝蝕、風化崩解及滑動問題，設計時不可只採用乾燥狀態的室內強度。

3. 粉砂岩及砂頁岩互層

粉砂岩、頁岩與砂岩互層是西部沉積岩區常見的地層組合。其工程性質具有顯著異向性：

• 強硬砂岩層與軟弱頁岩層交替出現。
• 邊坡開挖後容易形成差異風化。
• 軟弱層可能成為滑動面。
• 層面方向決定邊坡是否具有順向滑動、楔形滑動等破壞模式。

4. 礫岩及砂礫岩

西部丘陵局部地區可見礫岩、砂礫岩及膠結程度不一的粗粒沉積岩。其強度與透水性差異很大，主要取決於：

• 礫石材料本身的強度。
• 礫石級配及排列。
• 基質材料的種類。
• 膠結物的性質與膠結程度。
• 風化及地下水作用。

礫岩不宜僅依岩石名稱判斷強度，必須注意大型礫石造成試體代表性不足的問題。

5. 局部火成岩或火山碎屑岩

西部丘陵局部地區也可能出現凝灰岩、火山角礫岩等火山碎屑岩。此類岩石的強度變化範圍大，常受火山灰基質、膠結作用、孔隙率及風化程度控制。

因此，答題時應以「砂岩、頁岩、泥岩、粉砂岩、砂頁岩互層及局部礫岩、火山碎屑岩等」為主要內容，並指出西部丘陵整體以沉積岩及其互層為主。

解題方法

本題宜採「地質判識—完整岩石試驗—岩體分類—現地驗證—工程參數決定」的程序回答。

第一步：地質調查與岩性判識

先蒐集區域地質圖、地質構造資料及既有鑽探紀錄，再進行現地調查，內容包括：

• 岩性、岩層厚度及岩層產狀。
• 走向、傾向及傾角。
• 斷層、剪裂帶、節理及層面分布。
• 風化程度與軟弱夾層位置。
• 地下水位、湧水、滲水及排水條件。
• 邊坡高度、坡向與岩層面之幾何關係。

岩層產狀以走向、傾向及傾角表示。例如岩層傾向與坡面傾向一致，且岩層傾角小於坡面傾角時，須特別檢查順向坡平面滑動。

第二步：評估完整岩石材料性質

（一）單軸抗壓試驗

以圓柱形岩心試體進行單軸壓縮，抗壓強度為：

$$\sigma_c=\frac{P}{A}$$

其中：

• $\sigma_c$：單軸抗壓強度。
• $P$：破壞荷重。
• $A$：試體受壓面積。

同時可由應力—應變曲線求得彈性模數 $E$ 及泊松比 $\nu$，以評估岩石變形性。

泥岩、頁岩及風化砂岩應分別測定乾燥、自然含水及飽和狀態，因為含水量會顯著影響其強度。

（二）點荷重試驗

點荷重試驗適合現地及鑽心快速分級，其點荷重強度指數可換算為約略單軸抗壓強度：

$$I_s=\frac{P}{D_e^2}$$

其中 $P$ 為破壞荷重，$D_e$ 為等效試體直徑。經尺寸修正後得到 $I_{s(50)}$，再依岩性及試驗經驗估算單軸抗壓強度：

$$\sigma_c \approx K I_{s(50)}$$

$K$ 為經試驗校正的經驗係數，不宜不經校正直接套用固定值。

（三）巴西劈裂試驗

用以測定間接抗拉強度：

$$\sigma_t=\frac{2P}{\pi Dt}$$

其中：

• $\sigma_t$：抗拉強度。
• $P$：破壞荷重。
• $D$：圓盤試體直徑。
• $t$：試體厚度。

抗拉強度對岩層張裂、節理張開及傾倒破壞評估具有參考價值。

（四）三軸壓縮試驗

若要取得摩擦角 $\phi$ 與凝聚力 $c$，應在不同圍壓下進行三軸試驗，依破壞包絡線求取莫耳—庫倫參數：

$$\tau_f=c+\sigma_n\tan\phi$$

其中 $c$ 為凝聚力，$\phi$ 為摩擦角，$\sigma_n$ 為有效正應力。

對含有層面、頁理及軟弱夾層的岩石，應分別進行平行與垂直不連續面方向的試驗，以評估異向性。

（五）耐久性及軟化試驗

對泥岩、頁岩、粉砂岩及泥質膠結砂岩，應進行：

• 吸水率及飽和吸水試驗。
• 軟化係數試驗。
• 乾濕循環試驗。
• 膨脹試驗。
• Slake Durability Test 崩解耐久性試驗。

軟化係數可表示為：

$$K_s=\frac{\sigma_{c,\mathrm{sat}}}{\sigma_{c,\mathrm{dry}}}$$

核心觀念

本題考查「邊坡坡度」與「邊坡穩定性」之間的關係，以及人工填土邊坡與天然邊坡在形成機制上的差異。

邊坡穩定性通常以安全係數 $F_s$ 表示：

$$F_s=\frac{\text{抗滑力}}{\text{滑動力}}$$

當 $F_s>1$ 時，理論上抗滑力大於滑動力；設計上則須符合規定之安全係數要求。

坡度變陡時，邊坡幾何形狀改變，會影響：

1. 土體重力分力及滑動力；
2. 滑動面上的正應力與剪應力；
3. 滑動面長度及可能滑動土體體積；
4. 邊坡內外排水條件與地下水壓；
5. 坡體內部之應力重分配及破壞模式。

因此，「坡度越陡，穩定性越差」對人工填土邊坡通常成立，但對天然邊坡不能作絕對判斷。

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解題方法

答題時應先分辨邊坡的形成方式，再分別討論坡度對滑動力、抗剪力及安全係數的影響。

土體抗剪強度可依莫耳—庫倫破壞準則表示：

$$\tau_f=c'+(\sigma-u)\tan\phi'$$

其中：

• $\tau_f$：土體抗剪強度；
• $c'$：有效凝聚力；
• $\sigma$：總正應力；
• $u$：孔隙水壓；
• $\phi'$：有效摩擦角。

坡度變陡會改變坡體內的剪應力與正應力分布；若滑動力增加幅度大於抗滑力增加幅度，則安全係數下降。此關係在人工填土邊坡最為明顯，因其材料、坡形及施工條件通常可視為較具規則性。

天然邊坡則必須將坡度與地質構造、土層性質、地下水及風化作用共同判斷，不能單獨以坡角決定穩定性。

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一、人工填土邊坡

1. 一般情形下，坡度越陡，穩定性越差

人工填土邊坡通常由挖填工程形成，填土材料、分層厚度、壓實度及邊坡幾何形狀具有一定設計性。當坡面由緩變陡時，主要有以下影響：

（1）滑動力增加

坡體自重可分解為垂直坡面及平行坡面的分力。坡角以 $\beta$ 表示時，平行坡面的重力分力與 $\sin\beta$ 有關：

$$T\propto W\sin\beta$$

坡角 $\beta$ 增大時，沿坡向下的滑動分力增加，因此驅動滑動的作用變大。

（2）坡體內剪應力增加

以無限邊坡概念說明，若滑動面深度為 $z$，土體單位重為 $\gamma$，則滑動面上的剪應力可近似表示為：

$$\tau=\gamma z\sin\beta\cos\beta$$

坡度增加時，坡體內剪應力通常增大，較容易達到土體抗剪強度。

（3）有效正應力可能降低

無限邊坡之總正應力可近似表示為：

$$\sigma=\gamma z\cos^2\beta$$

坡角越大，$\cos^2\beta$ 越小，滑動面上的正應力降低。由於摩擦抗力為：

$$(\sigma-u)\tan\phi'$$

正應力降低時，摩擦抗滑力也會減小；若地下水位或孔隙水壓同時升高，穩定性會進一步降低。

（4）可能形成較不利的滑動面

人工填土邊坡可能沿下列位置滑動：

• 填土內部之圓弧滑動面；
• 填土與原地面交界面；
• 分層填築間之弱面；
• 填土與擋土構造物接觸面；
• 軟弱基礎土層內之深層滑動面。

邊坡變陡後，滑動土體的重量、剪應力與坡趾應力集中通常增加，使圓弧滑動或複合型滑動更容易發生。

2. 人工填土邊坡並非只由坡角決定

人工填土坡度較陡並不代表必然失穩。若採取適當工程措施，仍可提高穩定性，例如：

• 使用適當填土材料；
• 分層填築並充分壓實；
• 設置坡趾加勁或反壓土；
• 設置排水溝、盲溝、水平排水孔；
• 進行邊坡加勁或地錨補強；
• 降低地下水位及孔隙水壓；
• 採用分階平台，減少單一坡面的有效高度；
• 進行地震、降雨及施工階段穩定分析。

因此，正確表述為：

在其他條件相同時，人工填土邊坡坡度越陡，安全係數通常越低，穩定性通常越差；但實際穩定性仍取決於材料強度、壓實度、坡高、地下水及補強措施。

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二、天然邊坡

1. 坡度越陡不必然代表穩定性越差

天然邊坡係經長期風化、侵蝕、搬運、堆積及地質構造作用形成，其坡度往往是地質材料與地形演育的結果。因此，天然邊坡不能直接套用人工填土邊坡的單一判斷。

例如：

核心觀念

本題考查滯洪池設計中的兩種管制思維：

1. 尖峰流量管制：控制開發後洪峰流量，使其不超過開發前洪峰流量，或不超過下游排水系統的容許流量。
2. 總量管制：控制一次降雨事件所產生的「累積逕流量」，不只限制洪峰大小，也限制開發後增加的逕流總體積。

以命題當年（民國 110 年）法規及水土保持技術規範的設計精神，滯洪設施應配合下游排水能力、受納水體及開發前後逕流變化進行設計。

何種狀況需採總量管制

當開發後不透水面增加，使降雨逕流總量明顯增加，且下游排水系統、河川或受納水體無法承受長時間增加的排水量時，滯洪池設計即需採用總量管制概念。

典型情況包括：

• 開發後增加大量不透水面，造成逕流係數提高。
• 下游排水路斷面狹小，除洪峰外，長延時排水亦已接近滿載。
• 下游河川、區域排水或箱涵具有嚴格的排放總量限制。
• 單純削減洪峰後，滯洪池仍會在洪峰過後長時間排水，造成下游水位久不下降。
• 開發位置位於低窪地區、易淹水地區，或下游排水受潮汐、回水影響，排水時間受到限制。
• 要求開發後一定時間內排入下游的累積水量，不得超過開發前相同時間內的累積逕流量。

簡言之，當問題不只是「洪峰太大」，而是「排水時間內累積排出的水太多」，就不能只做尖峰流量管制，必須加入總量管制。

總量管制的意義

總量管制是以降雨事件的累積逕流體積為控制對象，要求開發後增加的逕流量在滯洪池內被暫存、入滲、再利用或延後排放，使下游在管制時間內所承受的累積排水量不超過容許值。

開發前後逕流總量可分別表示為：

$$V_{\mathrm{pre}}=\int_0^T Q_{\mathrm{pre}}(t)\,dt$$ $$V_{\mathrm{post}}=\int_0^T Q_{\mathrm{post}}(t)\,dt$$

其中：

• $V_{\mathrm{pre}}$：開發前逕流總量。
• $V_{\mathrm{post}}$：開發後逕流總量。
• $Q(t)$：隨時間變化的逕流量。
• $T$：設定的管制時間或降雨事件時間。

因開發增加不透水面，通常有：

$$V_{\mathrm{post}}>V_{\mathrm{pre}}$$

增加的逕流量為：

$$\Delta V=V_{\mathrm{post}}-V_{\mathrm{pre}}$$

總量管制的基本精神，即是對此增加量 $\Delta V$ 進行處理，不使其在不適當的時間集中排入下游。

解題方法

一、先判斷下游的控制條件

先調查下游排水系統的容許排水量 $Q_c$，並判斷其限制是：

• 只限制瞬間最大流量；
• 同時限制一段時間內的累積排水量；
• 受水位、回水、潮汐或下游滿管狀態影響。

若下游僅需避免洪峰超過安全流量，採尖峰流量管制即可。若下游在一段時間內均無法容納增加的流量，則須採總量管制。

二、建立開發後入流歷線

依設計降雨、集水區面積、逕流係數及集流時間，求得開發後入流歷線 $Q_{\mathrm{in}}(t)$。

以合理化公式表示洪峰流量時：

$$Q=CIA$$

其中：

• $Q$：洪峰逕流量。
• $C$：逕流係數。
• $I$：設計降雨強度。
• $A$：集水面積。

開發後因 $C$ 增加，除洪峰流量提高外，歷線下方的面積也會增加，表示逕流總量增加。

三、設定容許出流歷線

依下游排水能力設定容許出流量 $Q_{\mathrm{out}}(t)$。在簡化設計中，可先以固定容許流量 $Q_c$估算：