107 高普考高考三級 水土保持工程 考古題詳解

核心觀念

本題評量水土保持工程中「坡地及平地開發之排水與洪峰調節」核心技術，考驗考生對於滯洪池從水文水理演算、場址選定、結構安全到後續營運維護之全方位整合能力。

依據命題當年（民國 107 年）《水土保持技術規範》​之規定（主要涵蓋第 81 條至第 85 條有關滯洪設施與滯洪沉砂池之規範；現行法規已於《水利法》增訂「出流管制」專章及相關審核監督要點，水土保持相關技術規範亦配合微調，但答題核心原則一致）：

1. 開發前後逕流平衡（零增峰原則）：土地開發使地表不透水面積增加、地表粗糙度降低、集流時間縮短，導致逕流係數 $C$ 及洪峰流量 $Q_p$ 劇增。滯洪設施主要目標為藉由蓄水容積調節洪峰歷時，使開發後各級設計重現期距之放流量不得大於開發前之洪峰流量（即 $Q_{\text{post-out}} \le Q_{\text{pre}}$）。
2. 水文量與容積計算：

• 尖峰流量估算：集水面積小於 $1,000\text{ 公頃}$ 通常採合理化公式： $Q = \frac{1}{360} C I A$ 其中 $Q$ 為洪峰流量（$\text{m}^3/\text{s}$），$C$ 為逕流係數，$I$ 為降雨強度（$\text{mm/hr}$），$A$ 為集水面積（$\text{ha}$）。
• 水量平衡與水庫演算（Storage Indication Method / Modified Puls Method）： $\frac{I_1 + I_2}{2} - \frac{O_1 + O_2}{2} = \frac{S_2 - S_1}{\Delta t}$ 式中 $I$ 為進流流量、$O$ 為出流流量、$S$ 為池內蓄水量、$\Delta t$ 為演算時距。

3. 沉砂與滯洪空間機能劃分：在坡地開發中，滯洪池常與沉砂池合併規劃（沉砂滯洪池），總容量必須滿足沉砂容量 $V_s$、設計滯洪容量 $V_p$ 及必要之安全出水高（Freeboard）。

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解題方法

本題為典型的系統申論題，若僅零散列舉零星構造物，難以取得高分。解答切入點應依循「水土保持工程規劃設計流程」之邏輯，自上位規劃至細部設計層層遞進，建立系統化五大面向：

1. 場址選擇與集水區地文條件：確認地形、地質、下游受體與自然排水路配置。
2. 水文水理分析與容量推估：確定設計重現期距、降雨歷線、開發前後逕流增量及水庫演算。
3. 池體與水工構造物配置：低水排放工（孔口/涵管）、緊急溢洪道、消能防沖設施。
4. 結構安全與邊坡穩定：壩體/池壁抗滑、抗傾覆、承載力與基礎抗滲流（防管湧）分析。
5. 維護管理、施工安全與多功能利用：清淤動線、防墜安全設施、景觀與生態相容性。

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選項分析

本題屬申論問答題，無選擇題選項。但考生在應試時常混淆以下觀念，特此解析防錯：

• 混淆「單純滯洪池」與「沉砂滯洪池」：坡地工程因沖蝕量大，常規劃為「沉砂滯洪池」。滯洪空間應位於沉砂空間之上方，兩者容積原則上不得重複計算；沉砂池底需設有排砂底孔與維修車道。
• 混淆「乾式滯洪池」與「濕式滯洪池」：乾式滯洪池平時不蓄水，暴雨時滯洪，土地可複合利用（如運動場、綠地）；濕式滯洪池維持常水位（常流水深），具備沉砂、水質淨化及生態景觀功能，但須注意防蚊、防溺及常水位以上之滯洪空間有效性。

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解題技巧

1. 記憶口訣「位、水、理、構、管」：

• 位：位址地質（選址安全、避開斷層與向源侵蝕）。
• 水：水文分析（設計降雨、重現期距、開發前後流量）。
• 理：水理與放水（孔口、低水排放、緊急溢洪道、消能）。
• 構：結構安全（壩體穩定、抗浮、防管湧、沉陷）。
• 管：維護管理（清淤動線、防墜落護欄、警告標誌）。

2. 善用小標題加深架構：閱卷委員評分時極為看重工程邏輯，務必以列點編號（一、二、三... (一)、(二)... 1、2...）鋪陳。
3. 常見失分陷阱：

• 只寫滯洪容積計算，忘記寫緊急溢洪道（當超量暴雨來襲時確保池體不潰決）。
• 忽略出流設施的「消能工」，導致放流集中沖刷下游野溪或排水溝。
• 忽略公共安全設施（圍籬、逃生梯、警示牌），此為工程規範必列項目。

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【答案】

核心觀念

本題評量考生對水土保持防砂與邊坡工程中「擋土結構物」之選用原則與大地結構力學穩定性分析之掌握程度。

1. 擋土牆種類與適用範圍：考查《水土保持技術規範》（以命題當年民國 107 年版本為準）與《水土保持手冊》中，依結構剛性、受力機制、材料性質及工程經濟性所界定之擋土牆類別、適用坡高與地基條件。
2. 擋土牆之安定條件：考查擋土牆受土壓力、自重、水壓力及地震力作用下，外部穩定（External Stability）之四大力學檢核要件：抗滑動、抗傾覆（含基底偏心距檢核）、基礎地基承載力以及整體深層邊坡穩定。

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解題方法

1. 第 (一) 子題：採用「受力機制與構件特性」為主軸，將擋土牆有系統地分為剛性牆（重力式、半重力式、懸臂式、扶壁式）與柔性/特殊牆（加勁土牆、石籠擋土牆），並從「適用壁高」、「地基與地質需求」、「就地取材與施工環境」三個面向條列其適用範圍，使作答層次分明。
2. 第 (二) 子題：依循大地工程極限平衡法（Limit Equilibrium Method），依序闡述四大安定條件，寫出各檢核項目之受力示意概念、定義公式（安全係數 $FS$）及規範所要求之安全係數標準值（區分「常時」與「地震時」），展現紮實之工程計算背景。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。答題重點在於名詞定義精確、分類層次嚴謹、力學公式完整，並具備「常時」與「地震力作用時」之法規標準意識。

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解題技巧

1. 安定條件記憶口訣：「滑、傾、承、深」（滑動、傾覆、承載力、深層整體滑動）。在考場上許多考生常遺漏「深層整體滑動」與「基底偏心距限制」，此兩者皆為水保審查與國家考試扣分之常見盲點。
2. 偏心距檢核連結：抗傾覆檢核必須連帶說明「合力作用點應位於基底中央三分之一內（核心區，Middle-third rule）」，以防止底板產生拉應力而發生底部分離破壞。
3. 法規標記：本題安全係數與設計要求以命題當年（民國 107 年）之《水土保持技術規範》為準；現行法規雖歷經後續修正，但擋土結構外部穩定檢核指標與安全係數門檻皆維持一致。

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完整參考解答

(一) 水土保持擋土牆種類及適用範圍

水土保持工程中，擋土牆主要用於穩定邊坡坡腳、支撐填土或防止土石坍塌。常見種類及其適用範圍如下：

1. 重力式擋土牆 (Gravity Retaining Wall)

• 結構特性：純以混凝土或漿砌石建造，完全依賴牆體自身龐大重量抵抗後方側向土壓力，牆身通常不配置鋼筋（或僅配置收縮防裂鋼筋）。
• 適用範圍：
• 適用牆高較低之邊坡，經濟壁高一般在 $H \le 4\text{ m}$（極限不宜超過 $5\text{ m}$）。
• 基礎地質須為堅實之岩盤或硬質承載層（承載力高者）。
• 適用於就地有充沛石材或施工動線狹窄、鋼筋綁紮不易之山區工址。

2. 半重力式擋土牆 (Semi-Gravity Retaining Wall)

• 結構特性：介於重力式與懸臂式之間，斷面尺寸較重力式略為輕量，在牆身背面與趾部配置少量鋼筋以承受微量引張應力。
• 適用範圍：
• 適用牆高一般為 $3\text{ m} \le H \le 6\text{ m}$。
• 適用於地基承載能力尚可，但若採全重力式斷面體積過於龐大、若採全鋼筋混凝土懸臂式又欠缺模板工班或施工較複雜之地點。

3. 懸臂式擋土牆 (Cantilever Retaining Wall)

• 結構特性：以鋼筋混凝土（RC）建造，由立壁（Stem）、前趾板（Toe Slab）與後踵板（Heel Slab）構成「T」型或倒「L」型斷面，利用後踵板上方所承載之回填土自重協同穩定牆體。
• 適用範圍：
• 經濟壁高範圍為 $4\text{ m} \le H \le 8\text{ m}$。
• 適用於地基承載能力中等處（可藉由加寬基底板分攤應力）。
• 適用於材料運輸良好、具備鋼筋混凝土施工技術之道路邊坡或開發整地邊坡。

4. 扶壁式擋土牆 (Counterfort Retaining Wall)

• 結構特性：在懸臂式立壁與踵板之間，每隔一定間距設置垂直三角形混凝土肋板（扶壁），將立壁變形簡化為連續雙向受彎版，大幅降低立壁底部之彎矩與剪力。
• 適用範圍：
• 適用於較高之邊坡工程，牆高通常大於 $H \ge 6\text{ m} \sim 8\text{ m}$（常運用於 $8\text{ m} \sim 12\text{ m}$）。
• 適用於填土較高、需強大支撐且基底開挖土石方量受限之重大工程邊坡。

5. 柔性及加勁擋土結構

• 加勁土擋土牆 (Mechanically Stabilized Earth Wall, MSE)：利用地工合成材（土工織布、地工格網）於填土內分層鋪設，透過抗拉加勁材與土壤之摩擦咬合力抵抗土壓。適用於地基容許微幅不均勻沉陷之高填土邊坡（牆高可達十數公尺以上）。
• 蛇籠／石籠擋土牆 (Gabion Wall)：鍍鋅鐵線網箱填裝卵礫石疊砌而成。適用於富含湧水、地基微軟、溪岸坡腳防沖及追求生態透水之透水性護岸與低矮邊坡（牆高多在 $3\text{ m}$ 以下）。

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(二) 擋土牆之安定條件

依據水土保持工程規範，擋土牆設計須滿足下列各項安定檢核條件（以命題當年民國 107 年《水土保持技術規範》為準）：

 | /|
 | / | 
 側向外力 | / | 回填土
 (H) | / | 
 ------>| / | 
 | / |
 ====+=======+====
 / | | \
 趾板 | 牆基底 | 踵板
 +-------+
 |
 垂直合力 (V)

1. 抗滑動安定性 (Resistance against Sliding)

• 力學原理：牆基底面與土壤間之剪力抗剪阻力，必須足以抵抗後方回填土側向土壓力所產生之水平推力。

核心觀念

本題評量水土保持工程中「明渠水理學」之基礎理論與實務應用，核心考點包含：

1. 明渠均勻流（Uniform Flow）水理計算：曼寧公式（Manning's formula）為水土保持排水系統、野溪整治、防砂壩溢洪道及滯洪池進出水口斷面設計中最常用之半經驗公式，其物理本質建立於重力推動力與水路邊界剪應力平衡之等速常態流假設。
2. 曼寧粗糙係數（$n$ 值）之工程決定途徑：$n$ 值並非純粹之材料常數，而是綜合反映渠壁材料阻抗、斷面幾何變化、河床質粒徑、水流阻礙物及植生狀況之綜合阻力指標。在水土保持工程中，依據《水土保持技術規範》（以命題當年民國 107 年法規為準），需依照工址現地條件、構造物襯砌類別與野溪特性合理查定或推算。

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解題方法

本題為申論題，採層次化結構作答：

• 第 (一) 子題：先列出曼寧公式之標準公制數學式（包含流速式與流量式），逐一定義各項變數、物理意義與因次單位；接著說明該公式之水理假設前提（等速常態流、水力坡降等於渠底坡度）及其在水土保持排水與溪流整治工程之實際角色（確定設計斷面尺寸、檢核出水高與臨界沖刷流速）。
• 第 (二) 子題：採取「實務規範查表法」、「定量綜合分析法（Cowan 法）」、「河床質粒徑經驗推算法」及「水文水理實測反算法」四大維度，完整說明粗糙係數之決定程序與複合斷面之處理原則。

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解題技巧

1. 單位與係數陷阱：公制系統（SI units）下曼寧公式之比例係數為 $1.0$；若使用英制（FPS units），分子需乘上 $1.486$（即 $1.49$）。答題時應直接以我國國家考試通用之公制列式，避免混淆。
2. $n$ 值選取之工程安全陷阱：

• 檢核通水能力（斷面設計容量）：應取可能範圍內偏大之 $n$ 值，計算所得流速較小，斷面需求較大，可避免排洪容量不足造成溢淹。
• 檢核抗沖刷安全（防沖、消能設計）：應取可能範圍內偏小之 $n$ 值，計算所得流速較大，以確認流速不致淘刷渠底或襯砌結構。

3. 記憶口訣：Cowan 綜合法記住「底、凹、變、阻、草，乘上彎曲度」，對應公式 $n = (n_0 + n_1 + n_2 + n_3 + n_4) \cdot m_5$。

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【答案】

(一) 曼寧公式列式與說明

1. 公式型式（公制單位）

曼寧公式為計算明渠等速均勻流之平均流速與通水能力之經驗公式，其數學表達式如下：

平均流速公式： $V = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$

通水流量公式（連續方程式 $Q = A \cdot V$）： $Q = \frac{1}{n} A R^{2/3} S^{1/2}$

2. 符號與參數說明

• $V$：斷面平均流速（$\text{m/s}$）。
• $Q$：通水流量（$\text{m}^3/\text{s}$）。
• $n$：曼寧粗糙係數（$\text{s}/\text{m}^{1/3}$，實務上常視為無因次阻力指標）。
• $A$：水流通水斷面積（$\text{m}^2$）。
• $R$：水力半徑（$\text{m}$），定義為通水斷面積與濕周之比值，即 $R = \frac{A}{P}$。
• $P$：濕周（$\text{m}$），指固體邊界與水流接觸之周長。
• $S$：水力坡降（能量線坡度，無因次，$\text{m/m}$）。在常態均勻流之假設條件下，能量線坡度、水面坡度與渠底坡度三者互相平行，工程實務上常以水路之渠底縱坡代之。

3. 工程應用與水理特性說明

• 適用假設：適用於明渠重力流、不可壓縮流體、定常且均勻流（Steady Uniform Flow）之水流狀態。
• 水土保持工程應用：

1. 安全排洪斷面設計：依據設計洪峰流量 $Q_p$，在指定縱坡 $S$ 與材料 $n$ 值下，解求所需之最小水深 $y$ 與斷面寬度 $B$。

核心觀念

本題評量土石流的水土保持工程學理與實務防治架構，涉及兩大核心觀念：

1. 土石流的分類機制：土石流為固體粒料（土、石、砂）與流體（水、泥漿）之混合流動體，分類方式主要依循「流體力學性質／物質組成」（高橋保理論）以及「發生诱因／成因機制」（水土保持手冊與日本砂防工程常用架構）。
2. 土石流的治理對策體系：涵蓋「工程治理（結構性工法）」與「非工程治理（非結構性防減災）」，工程對策依野溪空間區段分為發生區（源頭抑制）、流動區（流動調節與阻止）、堆積區（安全導流與沉降防禦）；非工程對策則包含監測預警、疏散避難與土地利用管制。法規基準以命題當年（民國 107 年）之《水土保持法》及《水土保持技術規範》相關規定為準。

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解題方法

1. 第 (一) 小題（分類方法）：

• 採「多面向分類架構」切入，不可僅列單一維度。
• 主軸一：依物質組成與流動力學特性（高橋保分類：礫石型土石流、泥流型土石流）。
• 主軸二：依誘發成因與起動機制（溪床堆積物起動型、邊坡崩塌轉化型、堰塞湖潰壩型）。
• 輔助說明：依地形分布區段（發生區、流動區、堆積區）之運動狀態補充。

2. 第 (二) 小題（治理對策）：

• 採「軟硬兼顧、空間分區」系統化條列。
• 硬體對策依土石流流域分區分段擊破：
• 源頭發生區：保土穩定、截水排水（抑制發生）。
• 中游流動區：阻擋大石、調節洪峰土砂（抑止流動與減緩能量）。
• 下游堆積區：沉砂消能、安全導流（防禦保護聚落）。
• 軟體對策：監測系統、雨量警戒機制、防災避難地圖與法規管制。

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選項分析

本題為申論題，無選項分析。

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解題技巧

1. 口訣速記：

• 分類口訣：「質機成形」——物質組成、力學機制、成因起動、地形運動。
• 治理口訣：「源頭固、中游阻、下游導、平時防」——源頭抑制、中游調節、下游引導防禦、軟體監測避難。

2. 得分亮點：

• 提及「透水性防砂壩（梳子壩、格子壩）」在流動區具備「攔大排小、調節土砂、利於生態維持庫容」的關鍵優點。
• 寫出高橋保（Takahashi）之礫石型與泥流型土石流的顆粒支撐機制（分散應力 vs. 泥漿浮力與黏滯力）。

3. 常見陷阱：

• 誤將治理對策全寫成「蓋防砂壩」，忽略源頭水保植生工與下游沉砂導流工。
• 忽略「非工程對策」，國家考試中未答非工程對策（監測預警、警戒值、避難）通常無法獲得滿分級距。

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【答案】

(一) 土石流之分類方法與說明

土石流係指水、砂、礫石及泥土等混合物，在重力作用下沿溪谷或邊坡快速移動之重力塊體運動現象。國內外水土保持與砂防工程學界主要依以下維度進行分類：

1. 依物質組成與流動力學機制分類（高橋保 Tamotsu Takahashi 分類法）

(1) 礫石型土石流（Stony Debris Flow / 粗粒型土石流)

• 組成特徵：由大量粗顆粒（卵礫石、巨石）與清澈間隙水構成，微細粒料（粉土、黏土）含量極低。
• 力學機制：顆粒間的高速碰撞與剪切摩擦產生「分散壓力」（Dilatant Pressure）抵抗重力沉降，使巨石浮於流動體前緣，形成明顯的石礫波陣面（Bore）。
• 特徵：流動阻力大、滲透性高，常發生於陡峭、基岩裸露或富含塊石的崩塌溪流。

(2) 泥流型土石流（Muddy Debris Flow / 黏性土石流)

• 組成特徵：微細粒料（黏土、粉土）含量高，間隙流體為高濃度泥漿水。
• 力學機制：泥漿基質具顯著黏滯性（近似 Bingham 塑性流體）與屈服剪應力，依賴泥漿浮力與黏滯阻力支撐內部少數粗石懸浮運動。
• 特徵：流動性極高、流速快、漫延坡度較平緩，前緣波陣面不如礫石型陡峭，常具泥痕與波浪狀流動特性。

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2. 依誘發成因與起動機制分類

(1) 溪床堆積物侵蝕起動型（水流沖刷型）

核心觀念

本題旨在測驗考生對於台灣水資源防洪治水、治山防災體系中「集水區上、中、下游分工原則」與「涉水、涉土法規主管權責劃分」之熟稔程度。其核心法源與制度基礎（以命題當年民國 107 年法規與組織架構為準）包括：

1. 河川治理：依據《水利法》、《河川管理辦法》，以公告之河川區域為界。
2. 野溪治理：依據《水土保持法》、《山坡地保育利用條例》、《森林法》，以山坡地與國有林班地界線為分工標準。
3. 水庫集水區治理：依據《水利法》、《水土保持法》、《自來水法》及行政院跨部會集水區保育治理推動機制，採「上游林班地保水防砂、中游山坡地水土保持、下游庫區清淤與水質維護」之跨機關分工。

法規現況提醒：本題依命題當年（民國 107 年）組織法規解析；現行法已於民國 112 年配合行政院組織改造修正，原「行政院農業委員會水土保持局」改制為「農業部農村發展及水土保持署」，原「行政院農業委員會林務局」改制為「農業部林業及自然保育署」，原「行政院環境保護署」改制為「環境部」。

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解題方法

本題為經典制度與法規申論題，作答時切忌混雜敘述，應採取「空間界定 $\rightarrow$ 主管機關 $\rightarrow$ 治理重點與工法」三層次架構切入：

1. 空間與法規定義：明確指出該水體或水庫之劃定界線（以行政公告或地籍為準）。
2. 權責劃分體系：依中央至地方、林班地內外清楚列出權責機關。
3. 治理重點：闡明河川（側重防洪與疏濬）、野溪（側重防砂與控制土石流）、水庫集水區（側重源頭減砂、涵養水源與庫區防淤）之工程本質差異。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。考生在實作時應將三大標的物拆為獨立大標題作答，並在結尾彙整出明確的「治理權責分工對照表」，以獲取最高閱卷評分。

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解題技巧

1. 分界線記憶訣竅：

• 河川與野溪之界：以「經濟部公告之河川區域（或水道治理計畫線）」為分界。公告線下游為河川，公告線上游未經公告之天然山坡地溝渠為野溪。
• 野溪之內部劃分：以「國有林班地界線」為分界，林班地內歸林務單位，林班地外歸水保單位。

2. 避開失分陷阱：

• 誤以為「水庫集水區全歸水利署負責」是最大地雷。水庫集水區涵蓋廣大集水山區，水利署僅負責蓄水範圍及營運維護，集水區上游山林溪流仍由林務與水保機關負責。
• 忘記寫出中央與直轄市、縣（市）政府的垂直權責分工。

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【答案】

一、河川之治理權責分工

1. 法源依據與空間界定： 依據《水利法》及《河川管理辦法》，河川指依水流自然趨勢，或經人工整治引導水流所形成之水道。其治理界線以經濟部公告之「河川區域」或「水道治理計畫線」範圍為準。
2. 管理權責機關：

• 中央管河川：中央主管機關為經濟部（執行機關為經濟部水利署及所屬各河川局）。
• 直轄市管河川、縣（市）管河川：由所轄直轄市政府、縣（市）政府負責治理與維護管理。

3. 治理重點範疇： 以「防洪安全」及「河道穩定」為主，包括堤防、護岸、防汛道路、丁壩、束縮導流、河道疏濬拓寬及洪水預警系統等。