111 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

本題旨在考驗應考人對坡地工程地質構造中「平面型滑動（Planar Sliding）」邊坡幾何與力學機制的理解，涉及以下核心觀念與法規準則：

1. 順向坡（Dip Slope）地質定義： 岩層（或地質不連續面）之走向與邊坡坡面走向大致平行（交角通常在 $20^\circ \sim 30^\circ$ 以內），且岩層傾角方向（傾向）與邊坡坡面傾斜方向大致相同之地質構造邊坡。
2. 危險順向坡（Hazardous / Daylighting Dip Slope）判定要件： 依據國內工程實務及相關法規（如《水土保持技術規範》、《建築技術規則建築設計施工編》第 262 條，以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 幾何出露條件（Daylight Condition）：邊坡坡度角（$\alpha$）大於岩層傾角（$\beta$），即 $\alpha > \beta$。岩層層理受地形切割或工程開挖而於坡面出露（出露端無支撐）。
• 滑動破壞條件：岩層層理之傾角（$\beta$）大於弱面之有效內摩擦角（$\phi'$），即 $\beta > \phi'$。在無凝聚力或凝聚力因風化、水化作用喪失時，即具備下滑潛能。
• 不利弱面與水文地質條件：層面間夾有泥岩、頁岩、黏土化滑動面，且孔隙水壓力消散不良，容易因暴雨入滲形成托舉力與張裂縫充水水壓。

解題方法

本題為標準之申論圖說題，答題架構應包含「文字定義」、「力學與幾何判別準則」、「標準剖面示意圖」及「成災誘發機制」，層次分明：

1. 分項界定定義：

• 先定義廣義的「順向坡」，強調其走向與傾向的地質空間關係。
• 再依據幾何截切關係，嚴格界定「危險順向坡」的力學與出露要件。

2. 對比幾何關係： 以坡角 $\alpha$、岩層傾角 $\beta$、摩擦角 $\phi'$ 的相對大小關係列出判別不等式。
3. 繪製工程剖面示意圖： 繪製具備「水平參考線、坡角 $\alpha$、岩層傾角 $\beta$、弱面/滑動面、出露端（Daylight Point）、張裂縫、地下水位」之剖面圖，讓閱卷委員能一目了然看出力學機制。

解題技巧與常見陷阱

1. 繪圖關鍵要點：

• 繪製危險順向坡時，必須明確標出坡腳出露點（Daylight Point）。若坡面坡度小於岩層傾角（$\alpha < \beta$），岩層被地表覆蓋未切出露頭，通常不易發生整層平面型滑動，不能誤畫成危險順向坡。
• 務必標記角度變數（$\alpha, \beta$）與受力符號（如水壓 $U$、張裂縫水壓 $V$、重力分力 $W\sin\beta$）。

2. 判別口訣與邏輯：

• 穩定/非出露順向坡：$\alpha < \beta$（岩層未切穿，有坡腳抗滑支撐）。
• 危險順向坡：$\alpha > \beta > \phi'$（坡腳切穿剪出、無側限支撐、下滑力大於殘餘摩擦阻力）。

3. 常見扣分陷阱：

• 僅繪製單一圖形，未對比「一般順向坡（未出露）」與「危險順向坡（出露）」的差異。
• 忽略提及弱面（軟弱夾層）與地下水孔隙水壓力的影響，使論述僅停留在純幾何形態，缺乏水土保持工程的力學深度。

【答案】

一、名詞定義與力學特徵

1. 順向坡（Dip Slope）

• 定義：邊坡坡面之走向與地層（層理、片理等面狀構造）之走向大致平行（通常走向交角 $< 20^\circ \sim 30^\circ$），且地層之傾斜方向（傾向）與邊坡坡面之傾斜方向一致者，通稱為順向坡。
• 特性：順向坡本身為客觀存在的地質構造。若地層傾角大於邊坡坡度（$\beta > \alpha$），岩層末端延伸進入地底受周圍岩體箝制，在未經人為開挖擾動前，邊坡整體仍可保持相對穩定。

核心觀念

本題考查依崩塌地形判讀邊坡破壞型態，並說明颱風豪雨如何降低邊坡穩定性。照片可見大範圍坡體沿坡向下移動，具有上方滑落區、兩側界線及下方堆積區，屬於大規模深層滑動的地形表現；依滑動體及滑動面的幾何形態，可判讀為圓弧型或複合型滑動。

豪雨入滲使地下水位及滑動面孔隙水壓上升，降低土體有效應力與抗剪強度。有效應力關係為：

其中 $\sigma'$ 為有效應力、$\sigma$ 為總應力、$u$ 為孔隙水壓。滑動面的抗剪強度可表示為：

其中 $c'$ 為有效凝聚力、$\phi'$ 為有效摩擦角。孔隙水壓 $u$ 上升時，抗剪強度下降，安全係數隨之降低；坡體自重因含水增加而增大，也會提高下滑力。

解題方法

先從照片辨認坡體是否整體移動，再觀察滑動範圍與地形特徵。圖中滑動範圍大，且可辨認上方崩滑區、側緣及向下移動的坡體，故應以深層滑動作為主要判斷；

核心觀念

傾斜管是將帶有導槽的套管埋設於坡地，使用傾斜儀探頭沿管內不同深度量測傾角。邊坡滑動時，套管隨地層產生側向變形；由各深度的變形量可判讀滑動範圍、剪動位置及變位發展情形。題圖中傾斜管穿越滑動體與滑動面，可用來確認滑動面所在深度及滑動體相對穩定地層的位移。

傾斜管量得的是沿測線方向的側向變位，不是直接量得安全係數，也不能單靠單一支傾斜管完整代表三維滑動狀況。

解題方法與可取得的資訊

通常先建立初始讀值，再定期於固定深度間距量測，並與前次及初始資料比較。若深度間距為 $L$、傾角為 $\theta$，該段側向變位可近似表示為：

其中小角度近似時，$\theta$ 以弧度表示。各深度段的增量累加，可得到沿管深度的累積側向位移剖面。

由監測結果可判讀：

1. 滑動面深度與剪動帶位置 位移剖面若在某一深度附近出現明顯突變或斜率急遽改變，表示該處有集中剪動；該深度可作為滑動面或剪動帶位置的判讀依據。若有多處突變，代表存在多個剪動帶或分層滑動。

2. 滑動方向與位移量 依導槽方向及讀值正負，可判定坡體側向移動方向；累積位移剖面則顯示不同深度的總位移，以及滑動體與下伏地層的相對變形。

3. 滑動範圍及穩定地層深度 剪動帶以上通常呈現滑動體的變形，剪動帶以下若讀值穩定，則可據以辨認較穩定地層及傾斜管的穩定基準。若管底仍持續變位，表示管長可能尚未深入穩定地層，或深層滑動仍在發展。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於邊坡工程中「面層被覆與結構支撐整合工法」之掌握程度，核心考核重點包含：

1. 力學機制與功能定位：格梁工法（Crib/Grid Beam System）係利用橫向與縱向梁體交織成網格狀骨架，具備「分散傳遞集中載重（如錨錠拉力）」、「提供坡面表面抗剪與支承剛度」以及「劃分格室以利局部水土保持防蝕」等多重功能。
2. 規範與法源準據：依據民國 111 年時行之《水土保持技術規範》（邊坡穩定工程篇、坡面保護篇）及交通部《公路邊坡保護與地錨設計規範》，坡面格梁常配合預力地錨、岩栓（Rock Bolt）或土壤打釘（Soil Nailing）共同構成邊坡複合穩定系統。

解題方法

回答本申論題切入點應分為兩大維度，展現深厚的工程層次感：

1. 系統化分類：

• 依製造與施工工法分類：現場澆置鋼筋混凝土格梁、預鑄混凝土格梁、噴凝土格梁、鋼製/輕量化組合格梁。
• 依結構受力機制分類：結構承載型（結合預力地錨/岩栓）與表面保全型（淺層護坡與植生框架）。

2. 精準對應適用範圍： 針對不同地質條件（硬岩、軟弱順向坡、斷層破碎帶、強風化崩積土）、坡度、施工場地機具可及性，以及生態景觀需求，逐項闡述其工程適用限制與優缺點。

選項分析（申論題答題架構剖析）

本題為國家考試專業科目之申論題，非選擇題。考生在考場評卷之得分關鍵在於分類體系是否完整、工程名詞是否精確，各構造型式之優缺點分析如下：

解題技巧

1. 圖表化架構搶分：申論作答務必先列分類、次列構造特徵，最後列適用範圍，層次分明。
2. 切記補充「格室內部處理」：閱卷委員極重視格梁不是獨立存在，梁體提供骨架後，格室內部（Cell）的配套工法必須一併點出（如：植生客土袋、厚層基材噴植、砌卵石、洩水盲包、或封底噴凝土），此為水土保持類科的關鍵加分點。
3. 陷阱提示：切勿將格梁單純視為「擋土牆」；格梁本體若無錨定系統，僅具表層防沖蝕與局部自重壓制效果，無法抵禦深層剪切滑動。

【答案】

一、格梁護坡之作用機制

格梁護坡工法係以鋼筋混凝土、噴凝土或型鋼於邊坡坡面構築成連續交錯之網格狀骨架，並配合錨錠系統（預力地錨、岩栓或鋼棒）將梁節點緊壓於坡面。其主要功能在於：

1. 應力均勻傳遞：將集中之錨錠預力均勻擴散至邊坡表層，發揮「面壓力」壓密潛在滑動體。

核心觀念

本題旨在評量考生對**邊坡穩定監測系統（Slope Stability Monitoring System）**之整合規劃能力。邊坡破壞常為外在誘發因子（水文變化）與內在阻抗劣化（地層潛變剪切、弱面滑動）相互作用之結果，若坡體上設有擋土支撐工程，更需評估結構承載狀態。完整之邊坡監測應涵蓋三大維度：

1. 誘發環境（水文）：監控邊坡不穩定之外在主要觸發因子（降雨滲入、地下水抬升、孔隙水壓積聚導致有效應力折減）。
2. 坡體反應（地層）：監測坡體自地表至深層弱面之幾何形變（變位量、變形速率、滑動面深度與走向）。
3. 支撐效能（擋土設施）：監控支撐結構受力（土壓力、錨定拉力）與自身變形（傾斜、撓曲、應變），避免支撐失效引起連鎖崩塌。

解題方法

本題為標準申論題，作答時切忌僅列出儀器名稱而忽略「物理量」之具體定義。最佳答題策略為：

1. 分項明確：依題意嚴格劃分「(一) 水文」、「(二) 地層（地表／地下）」與「(三) 擋土設施」。
2. 雙核心要素對應：每項監測均點名「監測儀器名稱」並精確說明其「監測物理量」（包含物理狀態與工程度量單位）。
3. 層次化表述：文字先詳述機制與功用，最後彙整為「監測項目、儀器與物理量對照表」，提供閱卷委員清晰、高密度的專業答案結構。

解題技巧

1. 避免模糊的物理量描述：

• 勿只寫「測位移」$\rightarrow$ 應寫「三維絕對坐標位移量（$\text{mm}$）」或「深層水平側向位移剪切量（$\text{mm}$）」。
• 勿只寫「測水」$\rightarrow$ 應嚴格區分「孔隙水壓力（$\text{kPa}$）」與「地下水位面高程（$\text{m}$）」。

2. 地層項目務必區分「地表」與「地下」：題目已特別括號標註（地表／地下），若混為一談將嚴重失分。
3. 擋土設施須兼顧「受力」與「變位」：不僅要監測結構幾何偏擺（傾斜、位移），更要掌握構件受力（荷重元、土壓計、鋼筋計）。

【答案】

針對山坡地具滑動疑慮時之邊坡穩定性檢測，建議配置之監測儀器及其監測物理量說明如下：

(一) 水文監測

水文因子為誘發邊坡滑動最關鍵之外在營力，主要監測降雨下滲及坡體內部孔隙水壓力分布變化。

1. 傾斗式雨量計（Tipping-Bucket Rain Gauge）

• 監測物理量：即時降雨強度（Rainfall Intensity, $\text{mm/hr}$）與累積降雨量（Cumulative Rainfall, $\text{mm}$）。
• 功能效益：研判降雨臨界值（Rainfall Threshold），作為即時防災預警與啟動應變作業之基準。

2. 水位觀測井配合電極式／壓力式水位計（Observation Well with Water Level Transducer）

• 監測物理量：自由地下水面之垂直埋深或水頭高程（$\text{m}$）。
• 功能效益：掌握常時與降雨期間地下水位之抬升幅度及消退歷線。

3. 孔隙水壓計（Piezometer，以振動弦式孔隙水壓計為佳）

• 監測物理量：地層深處之孔隙水壓力（Pore Water Pressure, $\text{kPa}$ 或 $\text{tf/m}^2$）。
• 功能效益：計算有效應力變化（$\sigma' = \sigma - u$），確認滑動面附近因間隙水壓過剩而導致抗剪強度銳減之風險。

4. 土壤含水率計（TDR / FDR 土壤水分感測儀，選配）

• 監測物理量：淺層邊坡土壤之體積含水率（Volumetric Water Content, $\%$）。
• 功能效益：評估淺層非飽和層之降雨入滲速率及基質吸力消散狀況。

(二) 地層監測（地表／地下）

針對邊坡本體變形進行空間立體監測，明確定位潛在滑動區域與滑動面深度。

1. 地表監測

1. 地表伸縮計／鋼線式伸縮計（Surface Extensometer / Wire Extensometer）

• 監測物理量：邊坡張力裂縫或兩基準樁間之相對水平位移量（$\text{mm}$）及張開位移速率（$\text{mm/day}$）。
• 功能效益：直接掌握坡頂拉裂縫之擴大趨勢，為判斷邊坡進入加速潛變期（Tertiary Creep）之重要指標。

2. 自動全測站儀搭配反射稜鏡（Robotic Total Station with Prisms）／GNSS 連續觀測儀

• 監測物理量：地表特定觀測點之三維絕對坐標變化量（$\Delta X, \Delta Y, \Delta Z$）及地表水平／垂直位移向量（$\text{mm}$）。
• 功能效益：大範圍掌握整體坡面之位移場走向與沉陷型態。

3. 地表傾斜儀（Surface Tiltmeter）

核心觀念

1. 莫耳－庫倫破壞準則（Mohr-Coulomb Failure Criterion） 土壤之抗剪強度以有效應力表示為： $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi'$ 式中：

• $\tau_f$：剪力強度（破壞面剪應力，$\mathrm{kPa}$）
• $c'$：有效應力凝聚力（$\mathrm{kPa}$）
• $\sigma'$：破壞面上之有效正向應力（$\mathrm{kPa}$）
• $\phi'$：有效應力摩擦角（度，$^\circ$）

2. 泰勒有效應力原理（Terzaghi's Effective Stress Principle） $\sigma' = \sigma - u_w$ 式中：

• $\sigma = \frac{N}{A}$：總正向應力（$\mathrm{kPa}$）
• $u_w$：孔隙水壓（$\mathrm{kPa}$） 本題試驗採「緩慢施加剪力使試體不產生孔隙水壓」，試驗條件等同壓密排水（CD）試驗，實測 $u_w = 0\ \mathrm{kPa}$，因此有效正向應力等於總正向應力（$\sigma' = \sigma$）。

解題方法

步驟一：計算兩組試驗之有效正向應力與抗剪強度

• 試驗 1：

• 正向應力： $\sigma_1 = \frac{N_1}{A} = \frac{300\ \mathrm{N}}{0.01\ \mathrm{m^2}} = 30{,}000\ \mathrm{N/m^2} = 30\ \mathrm{kPa}$

• 有效正向應力（因 $u_w = 0\ \mathrm{kPa}$）： $\sigma'_1 = \sigma_1 - u_w = 30 - 0 = 30\ \mathrm{kPa}$

• 破壞剪應力： $\tau_1 = \frac{T_1}{A} = \frac{250\ \mathrm{N}}{0.01\ \mathrm{m^2}} = 25{,}000\ \mathrm{N/m^2} = 25\ \mathrm{kPa}$

• 試驗 2：

• 正向應力： $\sigma_2 = \frac{N_2}{A} = \frac{600\ \mathrm{N}}{0.01\ \mathrm{m^2}} = 60{,}000\ \mathrm{N/m^2} = 60\ \mathrm{kPa}$

• 有效正向應力（因 $u_w = 0\ \mathrm{kPa}$）： $\sigma'_2 = \sigma_2 - u_w = 60 - 0 = 60\ \mathrm{kPa}$

• 破壞剪應力：