113 高普考普通考試 水土保持工程 坡地保育概要（包括沖蝕原理） 考古題詳解

核心觀念

本題考查農塘的水土保持與農業用途，以及土壩滲流控制的基本原理。土壩中的滲流若帶走土粒，會逐步形成管道或集中滲流通道，稱為內部侵蝕；發展成貫通性管湧時，可能造成壩體或壩基破壞。設計要同時做到：

1. 減少或控制滲流，降低水力坡降及孔隙水壓。
2. 攔截、過濾並安全排出滲水，避免土粒隨水流失。

濾層設計的核心，是使濾料孔隙足以阻留被保護土壤的細粒，同時具有足夠透水性，讓滲水順利排出。

解題方法

先列出農塘的蓄水與水土保持功能；再按土壩可能的滲流路徑，分別說明壩體、壩基及穿壩構造的防滲、濾排措施。作答時應區分「減少滲流」與「防止滲流帶走土粒」：只設不透水心牆可降低滲流量，但仍須有適當濾層、排水設施保護下游壩體與壩基。

作答要點

一、興建農塘的目的

農塘是蓄存雨水、逕流或引入水源的小型蓄水設施，常見目的包括：

• 蓄水供農業使用：供灌溉、畜牧及農事用水，調節旱季或降雨時空分布不均造成的缺水。
• 調節逕流、減緩洪峰：暫存坡地逕流，延緩洪水流出，減少下游短時間集中的排水負擔。
• 攔蓄泥砂：使逕流中的泥砂沉積，降低泥砂輸移及下游淤積。
• 促進水土保持與水源涵養：增加雨水停留與入滲機會，配合坡地保育措施改善集水區水文環境。
• 提供其他地方用途：視地區需求可兼作防火、景觀、生態或休憩水域。

二、土壩防止內部侵蝕的設計方式

1. 設置不透水心牆或防滲區

在壩體內設置低透水性材料構成的中央心牆或斜心牆，可延長滲流路徑、降低通過壩體的滲流量。心牆材料應妥善選擇與分層夯實，並與壩基及兩岸接合良好，避免接觸面形成集中滲流通道。

2. 設置截水設施，控制壩基滲流

壩基或兩岸若有透水地層，可視地質條件採用：

• 截水溝槽／截水齒牆：於心牆下方開挖溝槽，填築低透水材料，並盡可能延伸至不透水層。
• 灌漿或截水牆：用以降低壩基或岸坡的滲透性。
• 上游不透水鋪蓋：延長壩基滲流路徑，降低水力坡降。

核心觀念

集流時間（$t_c$）是逕流自集水區最遠點到達指定控制點（通常為集水區出口或工程設施位置）所需的時間。依《水土保持技術規範》第 19 條，一般分為兩段：

• 流入時間 $t_1$：雨水由集水區邊界經坡面流至河道或排水路的時間。
• 流下時間 $t_2$：雨水進入河道或排水路後，由上游流至控制點的時間。

因此，集流時間為：

估算方法與圖示

先由地形圖辨識集水區範圍及控制點，再沿水流路徑找出最遠點；將路徑分成坡面漫地流段與河道（或排水路）流段，分別估算時間後相加。

集水區邊界／最遠點
 ●
 \ 坡面漫地流：長度 l、流速 v
 \ 流入時間 t₁ = l / v
 ▼
 河道上游 ●
 \
 \ 河道流下：長度 L、流速 W
 \ 流下時間 t₂ = L / W
 ▼
 控制點／出口

 集流時間 t_c = t₁ + t₂

1. 流入時間

坡面漫地流長度為 $l$、平均流速為 $v$ 時：

依規範，漫地流流速一般採用 $0.3$ 至 $0.6$ 公尺／秒。開發坡面的漫地流長度估算不得大於 $100$ 公尺，集水區不得大於 $300$ 公尺；超出部分併入流下時間計算。

2. 流下時間

人工整治後的規則河段，依河道斷面、坡度、粗糙係數及流量，使用曼寧公式估算流速，再以河段長度除以流速求時間。

天然河段可採芮哈（Rziha）經驗公式：

核心觀念

安息角是乾燥、鬆散砂粒堆積後，在不發生顯著滑動或滾落時所能維持的最大坡角。一般乾砂的安息角可達 $30^\circ$ 以上，主要反映砂粒間的摩擦與咬合作用。

自然邊坡則不是單純由乾燥、均勻的鬆砂堆成。其穩定性還受土體組成、含水狀況、地下水、風化與侵蝕、地層構造、植生及坡體尺度等因素共同控制。因此，自然坡面常採較緩坡度，以維持長期穩定。

解題方法

本題應比較「乾砂堆積的安息角」與「自然邊坡的長期穩定條件」。安息角只描述特定材料與狀態下的顆粒堆積，不等同於自然邊坡的穩定坡角；自然邊坡須考慮更複雜且會變動的環境條件。

自然邊坡坡度遠小於 $30^\circ$ 的主要原因如下：

1. 土體不一定是乾燥砂土：自然土層常含黏土、粉土、風化土及有機質，強度與變形特性不同於乾砂；鬆散、分選不良或結構破碎的土層，其穩定坡角可低於乾砂安息角。

2. 水會降低有效強度：降雨入滲與地下水上升會增加孔隙水壓 $u$，使有效應力降低。以莫爾－庫侖強度表示：

其中 $c'$ 為有效凝聚力、$\sigma$ 為總正向應力、$\phi'$ 為有效摩擦角。

核心觀念

本題考查坡地滑動的監測項目、方法與防災目的。監測是以地表與地中儀器持續觀察坡體的位移、變形及地下水等變化，藉由變化趨勢辨識滑動範圍、深度、方向與速率，作為預警及治理決策的依據。

解題方法

作答時可依「看地表、查地中、測水文、做預警」的脈絡，說明各方法能量測什麼，以及量測結果如何應用。

• 地表位移監測：設置地表伸縮計（地滑計），量測滑動塊體與穩定地盤間的相對位移；也可用全球導航衛星系統（GNSS）、全測站或地表測量點，追蹤地表點位移的方向、量值及變化速率。無人機、航空或衛星影像也可用於較大範圍的地形變化比對。
• 地表裂縫與傾斜監測：以裂縫計量測張裂縫寬度變化，以地表傾斜儀觀察坡體或構造物的傾斜變化，掌握地表變形徵兆。
• 地中位移監測：在鑽孔內設置測傾管，定期量測管體不同深度的傾斜變化，據以判斷地層水平位移及可能滑動面深度；定置型傾斜儀或孔內伸縮計則可連續或分層量測地中變位。
• 地下水與降雨監測：以水位計或水壓計觀測地下水位、孔隙水壓，以雨量計記錄降雨。將水文變化與位移資料對照，可判斷降雨入滲、地下水上升與滑動變化的關聯。
• 現地巡查與資料整合：巡查新生裂縫、地表隆起或下陷、擋土設施變形、泉水或排水異常等現象，並與儀器紀錄互相核對。