113 地方特考三等 水土保持工程 坡地保育規劃與設計（包括沖蝕原理） 考古題詳解

核心觀念

本題考「開發後增加之逕流量，以滯洪設施暫時蓄存並分期排放，使下游承受之洪峰流量及洪水總量不超過容許值」的總量管制概念。

開發行為會造成：

• 不透水面增加，逕流係數提高。
• 集流時間縮短，洪峰提前。
• 尖峰流量增加。
• 洪水逕流總量增加。
• 下游排水路、箱涵、橋梁或既有聚落之負荷提高。

因此，滯洪池並非單純將洪水延後排出，而是利用蓄水空間削減洪峰，並以受控制的出流量排放，使開發後之排水量符合下游排水能力。

若涉及法規或審查標準，應以命題當年（民國113年）法規及主管機關所訂設計標準為準；本題主要測驗滯洪設計原理。

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需要採用總量管制設計滯洪池的狀況

一、開發後洪峰流量超過下游排水能力

當基地開發後，不透水面增加，使開發後洪峰流量 $Q_{p,\mathrm{post}}$ 大於下游排水系統容許流量 $Q_{\mathrm{allow}}$ 時，應設置滯洪池削減洪峰。

例如：

• 下游排水路斷面不足。
• 既有箱涵、橋孔或涵管通水能力不足。
• 下游已有積淹水或洪水災害紀錄。
• 下游聚落、道路或重要公共設施不能承受增加之洪峰流量。

設計條件為：

$$Q_{p,\mathrm{out}} \leq Q_{\mathrm{allow}}$$

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二、開發後洪水逕流總量增加

即使洪峰流量未明顯增加，開發後因不透水面增加，洪水逕流體積仍可能增加，導致下游排水路長時間滿流或排水不及。

此時須管制：

$$V_{\mathrm{out,post}} \leq V_{\mathrm{allow}}$$

滯洪池需容納開發後增加的逕流量，並以較長時間、較小流量排出。

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三、下游排水具有明確容許排放量

當下游河川、區域排水、農田排水或既有排水設施已有核定容許流量時，開發基地不得將超過該流量的洪水直接排入，必須透過滯洪池調節。

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四、開發區集中排水造成洪峰疊加

多個地塊同時開發，會使各地塊之逕流在下游匯流，造成洪峰疊加。即使單一地塊增加量不大，總體開發仍可能超過下游系統能力，須以整體流域或開發區為單位進行總量管制。

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五、天然滯洪空間遭到削減

基地填築、整地、道路興建或排水系統化，會減少原有窪地、農田及天然漫地的蓄洪功能。若開發後失去天然調節能力，應以人工滯洪池補足必要蓄洪容量。

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入流量的推估方法

一、劃定集水區及計算有效降雨

先依地形、排水方向及開發配置，劃定滯洪池上游集水面積 $A$，並選定設計重現期與降雨強度。

有效降雨量為：

$$P_e=C P$$

其中：

• $P_e$：有效降雨量
• $C$：逕流係數
• $P$：總降雨量

開發前後應分別估計逕流係數：

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

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二、以合理化公式估算洪峰入流量

小型集水區可採合理化公式：

$$Q_p=\frac{CIA}{360}$$

其中：

• $Q_p$：洪峰流量，單位為 $\mathrm{m^3/s}$
• $C$：逕流係數
• $I$：與集流時間相應之設計降雨強度，單位為 $\mathrm{mm/hr}$
• $A$：集水面積，單位為 $\mathrm{ha}$

開發後洪峰入流量為：

$$Q_{p,\mathrm{post}} = \frac{C_{\mathrm{post}}I_{\mathrm{post}}A}{360}$$

開發前洪峰流量為：

$$Q_{p,\mathrm{pre}} = \frac{C_{\mathrm{pre}}I_{\mathrm{pre}}A}{360}$$

開發通常使 $C$ 增加，且因排水效率提高使集流時間縮短，設計降雨強度 $I$ 可能增加，因此 $Q_{p,\mathrm{post}}$ 通常大於 $Q_{p,\mathrm{pre}}$。

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三、建立完整入流歷線

合理化公式主要得到洪峰流量；滯洪池容量設計則應掌握洪水歷線。可依下列方法建立入流歷線：

1. 以設計暴雨之時雨量資料建立降雨歷線。
2. 依逕流係數求得有效降雨。
3. 以集流時間及單位歷線推估流量歷線。
4. 或以適用之降雨—逕流模式模擬入流歷線。
5. 針對不同降雨延時及暴雨型式進行檢核，取所需最大滯洪容量。

入流量可表示為時間函數：

$$I(t)=Q_{\mathrm{in}}(t)$$

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出流量的推估與控制

滯洪池出流量不得直接依照入流量排放，而須受到出口控制設施限制。常見設施包括：

• 孔口。
• 涵管或控制閘門。
• 溢流堰。
• 多孔口分級出流設施。
• 緊急溢洪道。

一、容許出流量

首先依下游排水能力及開發前排水情形，決定容許出流量 $Q_{\mathrm{allow}}$。

一般控制原則為：

$$Q_{\mathrm{out,post}}\leq Q_{\mathrm{allow}}$$

核心觀念

岩石的單壓強度是完整岩石試體在單軸壓縮下破壞時的強度，代表岩石材料本身的性質；岩坡穩定則取決於整個岩體，包括岩石材料、節理與裂隙、層面、風化程度、地下水及坡面幾何等因素。完整岩石強度很高，不代表由不連續面切割而成的岩體也同樣穩定。

因此，本題要掌握兩件事：一是說明岩坡崩塌的控制因素，二是說明如何由完整岩石試驗與岩體調查，評估岩坡或岩體的力學性質。

岩石強度高，岩坡仍會崩塌的原因

1. 不連續面控制破壞 節理、裂隙、層面及斷層等不連續面，常是岩體中較弱的部位。若其走向、傾向與坡面組合成順向坡、楔形體或傾倒型態，岩塊便可能沿面滑動、掉落或翻倒；破壞強度主要由不連續面的抗剪能力控制，而非完整岩石的單壓強度。

2. 岩體被切割，整體性降低 不連續面的間距、延續性與密度，決定岩塊大小與岩體連續程度。節理密集或延續性大的岩體，容易形成可移動的塊體；即使每一塊完整岩石都很堅硬，整體仍可能失穩。

3. 不連續面抗剪強度有限 不連續面可能平滑、風化或充填黏土等弱質物質，降低其摩擦與咬合能力。常以莫爾—庫侖形式表示抗剪強度： $\tau_f=c+\sigma_n'\tan\phi$ 其中 $c$ 為凝聚力、$\phi$ 為摩擦角，$\sigma_n'$ 為有效正向應力。若有地下水壓 $u$，則 $\sigma_n'=\sigma_n-u$；水壓上升會降低有效正向應力與抗剪強度。

4. 風化、卸荷與長期劣化 風化會使岩石及不連續面弱化；坡面開挖造成卸荷，可能使原有裂隙張開或新裂隙發展。乾濕、凍融及根系作用等，也會逐步破壞岩體結構。

5. 水與外力影響 降雨入滲與地下水會提高裂隙水壓、增加岩體重量，並可能沖蝕弱質充填物。地震、爆破、施工振動、坡腳淘刷或過度開挖，則可能改變應力狀態或移除坡腳支撐，促使崩塌。

評估岩坡或岩體力學性質的方法

1. 調查岩體結構與地質條件

核心觀念

防砂壩是設於溪流或野溪中的橫向構造物，用來攔阻、控制或調節土砂運移，並穩定河床與兩岸。它的效益不只在「攔砂」：壩體也能抬高上游河床、降低河床縱坡，減緩水流沖刷，進而控制河道下切與岸坡崩塌。

本題為設計觀念題，沒有指定流量、地形或地質資料，因此不需代入公式計算；答題重點是說明防砂壩的工程目的，以及位置選定時如何兼顧土砂控制、地基安全和上下游河道穩定。

解題方法

先按「防砂壩要解決什麼問題」整理設置目的，再按「壩址能否安全、有效發揮功能」說明選址原則。選址不能只看哪裡容易攔砂，還要同時檢視土砂來源、河道地形、地質與地基、壩上游的淤積空間，以及壩下游的沖刷與保護需求。

防砂壩設置目的

1. 攔阻及調節土砂運移 攔蓄上游輸送的土砂，或分段控制土砂通過，減少大量土砂直接下移，降低下游河道、聚落、道路及橋梁的淤積或受災風險。

2. 固定河床縱坡、抑制河床下切 壩體抬高上游河床，降低局部河床坡降與流速，減少縱向沖刷，避免河床持續下切而掏空岸坡或基礎。

3. 穩定河道及兩岸坡地 藉由抑制河床沖刷、減少坡腳淘刷，降低岸坡崩塌及河道側向擴張的可能性。

4. 保護下游重要標的 配合整體治山防災規劃，減輕土砂災害對下游聚落、公共設施、農地及河川環境造成的影響。

5. 配合整體土砂治理 防砂壩須與上游坡面保育、崩塌地治理、河道整理及下游防護措施整體規劃。單獨設壩不能取代集水區的完整治理。

設置位置的選定

1. 先掌握土砂來源與防護目標 調查崩塌地、裸露地、溪床沖蝕段及土砂運移路徑，確認主要土砂來源與下游需要保護的標的，再判斷壩址能否有效控制土砂。

2. 選擇河道穩定、地形適宜的壩址 宜考量河道較狹窄、兩岸地形可供壩翼銜接，且河床及兩岸具良好承載條件的地點。狹窄穩定的河段通常較有利於控制壩長與工程規模；但仍須依現地測量及設計檢核決定。

核心觀念

蝕溝是地表逕流集中沖蝕土壤所形成的溝槽，規模較細溝大，通常已無法單靠一般耕作整地消除。控制蝕溝的目的，是減少溝內流速與沖蝕、穩定溝床及溝岸，並降低上游逕流和泥砂向下游輸送。

蝕溝分類著重溝槽的發育位置與地形關係；規劃控制則須先掌握集水區逕流來源、溝床縱坡、溝岸穩定及下游承受能力，再配置水源處理、坡降控制與植生工程。

蝕溝的三類

1. 坡面蝕溝：發生於坡面上，通常由坡面逕流集中沖蝕形成，溝道沿坡面向下延伸。
2. 谷地蝕溝：發生於谷地或溪谷內，常承接周圍坡面及上游集水區的逕流，溝道沿谷地發育。
3. 山腹蝕溝：發生於山腹坡地，溝道位於坡面中段，常與坡面逕流集中及地形匯流有關。

分類名稱在不同教材中有時會使用「坡面、山腹、谷地」等表述；作答時應以三類的發育位置及其水流關係說明。

蝕溝控制的規劃原則

1. 先處理集水區與上游水源 調查集水區範圍、地形、土地利用及逕流匯集位置，控制進入蝕溝的水量與流速。可配合截水、導水或分散排水措施，避免坡面逕流集中灌入溝頭及溝岸。

2. 穩定溝頭，防止溯源侵蝕 溝頭是蝕溝向上游延伸的重要部位，應優先保護。可依地形及流量設置跌水、固床或消能設施，並配合植生或其他護坡措施，避免溝頭沖刷後持續向上游退縮。

核心觀念

本題考查立體投影圖（stereonet）判讀，以及砂頁岩坡地中「坡面與層面之相對幾何關係」對順向層滑動穩定性的影響。

判讀時須掌握：

• 坡面傾向：坡面向下傾斜的方向。
• 坡面傾角：坡面與水平面之夾角。
• 層面傾向、傾角：岩層下傾方向及其下傾角。
• 層面與坡面同向傾斜，且層面傾角小於坡面傾角時，層面可能在坡面出露，形成順向坡，容易沿層面滑動。
• 層面與坡面反向傾斜，或層面傾角大於坡面傾角而未出露於坡面時，順向層滑動風險較低。

對於層面控制的平面滑動，基本幾何條件為：

$$\text{層面傾向與坡面傾向大致相同}$$

且

$$\text{層面傾角}<\text{坡面傾角}$$

同時層面傾角須大於岩石與層面間的摩擦角，才具有滑動的可能性。

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解題方法

立體投影圖中，圓周上的方位角表示傾向或走向；平面大圓弧向哪一側彎曲，即表示該平面的傾向。由圖中坡面及層面大圓弧的位置，可判斷三個場址的坡面、層面方向與相互關係。

圖示角度以讀圖所得之約略值表示，考試作答時重點在於方向、傾角大小及穩定性判斷。

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（A）場址分析

• 坡面傾向：向南。
• 坡面傾角：約 $30^\circ$。
• 層面傾向：向南。
• 層面傾角：約 $20^\circ$。

因此，坡面與層面具有相同的傾向，屬於順向坡；且層面傾角小於坡面傾角：

$$20^\circ<30^\circ$$

層面會在坡面上出露，岩塊可沿層面向坡下滑動。此種幾何關係符合順向層平面滑動的主要條件，故場址 A 的邊坡穩定性較差。

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（B）場址分析

• 坡面傾向：向東。
• 坡面傾角：約 $60^\circ$。
• 層面傾向：向南。
• 層面傾角：約 $20^\circ$。

坡面向東傾斜，而層面向南傾斜，兩者傾向並不一致，屬於斜交坡面與層面的關係，而非典型順向坡。

層面不會沿坡面最大傾斜方向直接出露，岩塊不易沿單一層面向坡下滑動。因此，雖然仍可能發生楔形滑動、局部崩落或沿節理破壞，但順向層平面滑動的危險低於 A。

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（C）場址分析