108 高普考高考三級 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

本題考查坡地監測的目的，以及「監測儀器—量測訊息—工程應用」之間的對應關係。監測不是只為了記錄儀器讀值，而是持續掌握坡體及治理設施的變化，據以判斷邊坡是否穩定、崩塌機制為何、治理工程是否發揮作用，並作為預警與後續處置的依據。

邊坡破壞常與降雨入滲、地下水位或孔隙水壓上升、坡體變形及抗滑設施受力變化有關。因此，監測應同時關注環境作用、坡體反應及工程設施反應，並以時間序列比較變化趨勢。單一讀值通常不足以判斷安全程度，應與基準值、警戒值、降雨情形及現地巡查結果綜合研判。

解題方法

可依「監測功能 → 儀器種類 → 可得訊息 → 訊息應用」作答。先說明為何要監測，再將儀器依監測對象分類，最後逐一連結其量測結果與工程決策。這種寫法能完整回應題目三個問句，也能展現監測資料如何用於治理，而非只列儀器名稱。

一、進行監測的功能

1. 掌握坡地穩定狀態與變化趨勢 量測地表位移、深層滑動、地下水及孔隙水壓等變化，辨識坡體是否由穩定轉為變形，並觀察變形速率是否增加。

2. 辨識崩塌或滑動機制 由變形的位置、方向、深度及與降雨或地下水變化的時間關係，判斷主要滑動面、影響範圍，以及降雨入滲或地下水變化對坡體的影響。

3. 建立預警與應變依據 監測數據達警戒條件，或變形速率明顯增加時，可啟動巡查、警戒、交通管制、疏散及緊急排水等措施，降低人員與設施受災風險。

4. 檢核治理工程成效 比較治理前後的位移、地下水及構造物受力變化，評估排水、擋土、抗滑樁、地錨等設施是否達到預期功能。

5. 支援設計、施工與維護管理 監測結果可供修正地質與水文判斷、檢討治理方案、安排施工順序，也可作為後續維護及工程安全管理的依據。

二、現場常用監測儀器、可得訊息及應用

監測項目與儀器	可獲得的訊息	訊息應用
雨量計	降雨量、累積雨量、降雨強度及歷時	比對坡體位移、地下水位與孔隙水壓的反應，建立降雨與邊坡變化的關係，作為警戒及巡查時機的參考。
地表位移測量：全測站、GNSS、測量標、裂縫計	地表各點的水平與垂直位移、位移方向與速率；裂縫的張開或閉合變化	判斷地表是否移動、變形範圍及變形是否加速，協助辨識滑動區與警戒範圍。
傾斜儀：鑽孔式傾斜儀、地表傾度計	鑽孔沿深度的水平位移分布；地表或構造物的傾斜變化	由深度方向的位移突變，推估滑動面深度與滑動層位置；追蹤坡體或擋土設施的變形。

核心觀念

本題考查兩件事：如何在現地量得潛在滑動面附近的孔隙水壓，以及如何利用均質、均向砂土中的穩態滲流條件，估算滑動面上的孔隙水壓分布。

孔隙水壓可用總水頭表示。忽略地下水流速水頭時，任一點的總水頭為

$$H=z+\frac{u}{\gamma_w}$$

其中 $z$ 為該點高程、$u$ 為孔隙水壓、$\gamma_w$ 為水的單位重。因此：

$$u=\gamma_w(H-z)$$

自由水位面上的孔隙水壓為大氣壓，採表壓計算時 $u=0$。但在有滲流的土體中，水壓分布由各點的總水頭決定；不能一概以「該點至自由水位面的垂直距離乘以 $\gamma_w$」估算。

解題方法

一、現地監測

1. 先以鑽探、地質調查及地表變形監測，掌握潛在滑動面的位置；沿滑動面不同高程及坡面不同位置，規劃多個量測點。
2. 在各點設置測壓管或孔隙水壓計。測壓管的篩管段應位於欲量測的土層，並以封塞隔離其他土層，避免不同深度的水頭混合。砂土滲透性高時，可採測壓管；若需自動且連續記錄，可採振弦式或其他適用型式的孔隙水壓計。
3. 同步量測孔隙水壓、地下水位、降雨及地表或深層位移。待水壓讀值呈穩定趨勢後，以穩態讀值建立水壓分布；若讀值隨降雨或時間改變，則不能將該時段視為穩態。
4. 將各測點的水壓換算為水頭。若量得測壓水位高程為 $H$，量測點高程為 $z$，則 $u=\gamma_w(H-z)$。將滑動面各測點的 $u$ 依位置繪製，即得實測水壓分布。

測壓管量到的是其篩管所連通土層的水頭，因此篩管位置與封隔品質會影響結果。只量自由水位面，無法完整代表深部滑動面上的水壓。

二、以流網估算

核心觀念

本題考大規模崩塌發生後，崩塌土體的運動、堆積方式如何形成不同災害，以及如何依災害型態規劃治理與防災。依崩塌影響範圍內的堆積型態，可分為重力堆積型、土石流型、堰塞湖型三類。

大規模崩塌常用定義為崩塌面積超過 10 公頃、土方量達 10 萬立方公尺，或崩塌深度在 10 公尺以上，符合其中一項即可。此定義有助於掌握題目所指的災害規模；本題重點則是辨識崩塌後的致災型態與對應措施。

解題方法與各型態因應對策

答題時先按土體運移路徑分類，再依各型態的主要危害提出對策：坡趾直接遭掩埋，重點在避開及保護堆積區；土體進入河道並往下游流動，重點在河道與下游防護；崩塌堵河形成天然壩，則須處理蓄水及潰壩洪水風險。

一、重力堆積型

崩塌土體主要受重力作用，於坡趾或坡腳附近堆積，主要致災範圍為堆積區。可能造成坡腳聚落、道路、橋梁及公共設施遭掩埋或撞擊，也可能阻斷交通、損壞維生設施。

因應對策：

• 調查崩塌體規模、運動範圍與坡趾堆積區，劃設危險區及保全對象。
• 於危險期間依監測與警戒資訊執行預警、封路及預防性疏散。
• 評估坡體排水、坡面保護、坡腳穩定及適當擋土工程；工程措施須配合地質與滑動面條件設計。
• 避免在崩塌影響範圍內新增聚落或重要設施；既有高風險住戶則規劃安置或遷居。

二、土石流型

崩塌土體進入河道後，與水混合並沿河道往下游運移、堆積，致災範圍較坡趾直接堆積擴大。可能造成溪溝淤塞、沿岸聚落與道路受掩埋或沖毀，並使橋梁、河川設施受損。

因應對策：

核心觀念

本題考查擋土牆的荷重辨識、作用力計算及整體穩定設計。分析時以每延米牆長為單位，列出牆體自重、回填土壓力、地表載重、水壓力及地震作用，再檢核牆體是否滑動、傾倒、基礎承載破壞，以及牆身是否有足夠強度。

以命題當年（民國 108 年）法規為準，《水土保持技術規範》第 119 條列出的擋土牆作用力包括自重、加載荷重、土壓力、水壓力、地震力及基礎承載力；第 120 條規定滑動、傾倒及基礎應力的安定條件。本文採用常見的庫侖或朗肯土壓理論說明土壓計算；實際設計仍須依牆體位移、牆背條件、土層及地下水狀況選用合適方法。

解題方法：逐項列力，再做穩定檢核

可依「先定分析條件、再計外力、最後驗穩定」作答：

1. 以每延米牆長為分析單位，確認牆高、牆背坡度、回填土性質、地表載重、地下水位及地震條件。
2. 將各作用力換算成大小、方向及作用點，分別列入水平力、垂直力及對牆趾的力矩平衡。
3. 以合力檢核滑動、傾倒、基礎承載力及偏心；另行檢核牆身結構強度與邊坡整體穩定。

一、牆身自重

把牆體分割為矩形、三角形或梯形，依各部分體積乘以材料單位重，求得每延米牆重：

$$W_i=\gamma_{c,i}V_i$$

其中 $\gamma_{c,i}$ 為牆體材料單位重，$V_i$ 為每延米牆體體積。各部分自重作用於其形心，通常提供抗滑力及抗傾倒力矩。若基礎底面有摩擦，牆重與其他垂直力可形成底面摩擦抵抗。

二、土壓力

1. 靜態側向土壓力

對水平地表、均質、無黏性土，且牆體位移足以發展主動狀態時，可採朗肯主動土壓力係數：

$$K_a=\tan^2\left(45^\circ-\frac{\phi'}{2}\right) =\frac{1-\sin\phi'}{1+\sin\phi'}$$

其中 $\phi'$ 為土壤有效內摩擦角。土壓力隨深度增加，深度 $z$ 處的有效水平土壓力為：

$$\sigma'_h(z)=K_a\gamma' z$$

若牆後土層高度為 $H$，且土層中沒有水位變化，則三角形分布的主動土壓力合力為：

$$P_a=\frac{1}{2}K_a\gamma'H^2$$

合力作用點在牆底以上 $H/3$ 處。若牆體受限制、無法產生足夠位移，則不能直接假設為主動土壓力，應依實際條件採用靜止土壓力等適當分析。

對黏性土的理想朗肯主動狀態，亦可寫為：

$$\sigma'_h(z)=K_a\sigma'_v-2c'\sqrt{K_a}$$

其中 $c'$ 為有效凝聚力。惟表層可能出現張力裂縫，設計上不宜不加判斷地將黏聚力造成的減壓全數計入。

2. 地表加載荷重

均布地表載重 $q$ 可換算成均布側向壓力：

$$\sigma_{h,q}=K_aq$$

其合力為：

$$P_q=K_aqH$$

均布壓力的合力作用點在牆底以上 $H/2$。若地表載重為線載重、條形載重，或載重位置靠近牆背，應依其形狀及距離採適當的側向應力解，不能一概當作均布載重。

3. 牆背斜坡及摩擦影響

牆背回填面有坡度、牆背不垂直或牆土間有摩擦時，土壓力的大小與方向會改變，應採庫侖土壓力理論或其他符合幾何及邊界條件的方法求解。朗肯簡式適用條件較理想，不能任意套用於所有牆背與地形。

三、水壓力

地下水對牆背造成的靜水壓力為：

$$u(z)=\gamma_w z$$

水深為 $h_w$ 時，水壓合力為：

$$P_w=\frac{1}{2}\gamma_wh_w^2$$

作用點在水深底部以上 $h_w/3$。若回填土位於水位以下，土壓計算應以有效應力及浮力單位重處理，並另外計入水壓，不能把飽和土的總重與完整靜水壓力重複計算。

核心觀念

地震會使坡體產生往復慣性力、孔隙水壓變化與永久變形，故邊坡的地震反應不能只用「地震時安全係數是否大於 1」概括。常見分析方法可分為三類：

1. 擬靜力分析法：以等效靜力地震力計算安全係數。
2. 永久位移分析法（Newmark 滑動塊法）：估算地震期間滑動塊累積的永久位移。
3. 動力應力－變形分析法：以數值方法模擬地震歷時下的應力、變形及孔隙水壓反應。

三法由簡至繁，評估指標也由安全係數逐步延伸至永久位移及完整的時程反應。

解題方法

本題要求「提出三種方法並詳細說明」，採用地震邊坡穩定分析最常用的三類架構作答。每種方法應交代其基本原理、分析步驟、評估結果與適用限制，才能呈現方法間的差異。

一、擬靜力分析法

將地震作用簡化為作用於潛在滑動土體的等效慣性力。若滑動土體重量為 $W$，水平地震係數為 $k_h$、垂直地震係數為 $k_v$，則慣性力可表示為：

$$F_h=k_hW,\qquad F_v=k_vW$$

一般簡化分析常忽略垂直分量，或視工程條件納入。將地震力與土體自重一併帶入極限平衡法，對各可能滑動面計算地震作用下的安全係數 $F_s$，並搜尋最小值作為控制結果。概念上：

$$F_s=\frac{\text{抗滑力}}{\text{滑動力}}$$

分析時須選定合理的地震係數，並確認它反映場址地震需求及允許的變形程度。若地震力使安全係數低於 1，表示依該簡化模型，滑動力超過抗滑力。

優點是計算快速、資料需求較少，可用於初步篩選或設計比較；限制是把會隨時間改變、方向反覆的地震作用簡化為固定力，無法直接得知地震歷時中的變形，也不易表現孔隙水壓累積、土體強度劣化及坡體動態放大效應。因此，擬靜力安全係數不能單獨代表地震期間的完整性能。

二、永久位移分析法：Newmark 滑動塊法

Newmark 法將潛在滑動土體視為沿預定滑動面運動的滑塊。先以極限平衡分析求得滑塊開始滑動的臨界地震係數 $k_y$，亦即降伏係數；當地震造成的有效慣性加速度超過抗滑能力時，滑塊才產生相對滑動。

若地震加速度歷時為 $a(t)$，簡化為水平向分析時，只有超過臨界加速度的部分會造成滑移。以加速度單位表示，臨界加速度為：

$$a_y=k_yg$$