114 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

本題考查大規模崩塌發生後，崩塌土體的運動與堆積型態，以及如何據此劃設可能受衝擊或淤埋的影響範圍，並提出相應的預防與治理措施。

「重力堆積型」是指崩塌土體沿坡面下滑，進入緩坡或平坦地後，主要受重力作用而堆積，主要致災區通常在坡趾堆積區。劃設時須估計土體可能滑動的距離與堆積寬度，再依實際地形調整範圍。

大規模崩塌潛勢區通常以崩塌面積超過 $10$ 公頃、土方量達 $10$ 萬立方公尺，或崩塌深度達 $10$ 公尺作為規模判別指標。此為以命題當年（民國 114 年）作答所依據的定義。

影響範圍劃設方法

一、判別是否屬重力堆積型

先依潛勢區位置、坡面運動路徑與坡趾地形，判斷崩塌土體可能如何運移。若土體沿坡面進入緩坡或平坦地，且未受到溪谷或其他地形條件影響，即判為重力堆積型。

若土體進入溪谷，則須進一步檢核是否符合土石流型或堰塞湖型條件，避免將不同運動與堆積機制誤以重力堆積型處理。劃設時也要檢視土體是否可能越過稜線、影響鄰近溪谷。

二、估算崩塌土體體積

潛勢區體積 $V$ 可由現地調查成果設定；缺乏直接體積資料時，可使用潛勢區面積 $A_L$ 估算：

$$V=0.1025A_L^{1.401}$$

式中，$V$ 為潛勢區體積（$\mathrm{m^3}$），$A_L$ 為潛勢區面積（$\mathrm{m^2}$）。

三、計算可能滑動距離

以等價摩擦係數概念估算可能滑動距離：

$$L_{\mathrm{runout}} = \frac{H}{10^{\,0.624-0.157\log V}}$$

式中，$H$ 為坡頂至坡趾之高程差（m），$V$ 為潛勢區體積（$\mathrm{m^3}$）。代入時須使用一致的體積單位與公式所採用的對數定義。

此計算提供滑動距離的參考值；實際劃設須將距離投影至運動剖面，並依坡度變化、地形障礙、既有堆積地形及現地調查結果修正。

四、估算可能堆積寬度

以崩塌地寬度 $W_L$ 估計最大堆積寬度：

$$W_{\mathrm{Max}}=1.5\sim2W_L$$

考量防災需求，建議採較保守的上限：

$$W_{\mathrm{Max}}=2W_L$$

五、套疊地形並完成範圍編修

以可能滑動距離決定下坡向的運移範圍，以可能堆積寬度決定坡趾堆積區的側向範圍，再套疊地形圖、數值地形及現地調查資料，依實際坡面、地形起伏與可能堆積位置編修影響範圍。劃設採保守原則，並清查範圍內的住戶、道路、橋梁及公共設施等保全對象。

預防與治理

一、避災與土地管理

核心觀念

本題考查崩塌地現況調查的項目與調查內容。調查的目的在於掌握崩塌地的地形形貌、地質與地下水條件、植生覆蓋、水文變化及地表變形情形，據以判斷崩塌機制、評估風險，並作為治理規劃與後續監測的依據。

調查時應以崩塌地及其可能影響範圍為對象，並注意周邊集水區、上游來水與下游受影響區。各項資料宜配合現地踏勘、測量、鑽探或長期監測結果綜合判讀。

解題方法

作答可依題目列出的五項調查逐一說明，並把握「調查什麼、取得什麼資料、用途為何」三個層次。調查項目彼此相關，例如地形與地質可協助判斷滑動範圍，水文資料可說明地下水變化與崩塌的關係，地表移動量則用來掌握崩塌是否仍在活動。

一、地形調查

1. 崩塌地範圍與形貌：測繪崩塌地的邊界、面積、長度、寬度及高程，辨識崩塌頭部、側緣、崩塌壁、滑動區、堆積區與趾部等地形特徵。
2. 坡面與地表形態：調查坡度、坡向、坡面起伏、坡折、溝谷及天然或人工地形變化；記錄張裂縫、階地、隆起、凹陷等可能反映變形的地貌。
3. 周邊地形與影響範圍：調查上方集水坡面、鄰近溪溝、道路、建物及下游可能受土石影響的區域。
4. 資料取得與用途：可利用地形圖、航空照片、空載或地面光達、無人機測量及現地測量建立地形資料，供崩塌範圍判釋、地形分析、排水規劃及後續變化比較使用。

二、地質調查

1. 地層與岩性：查明地層分布、岩性、風化程度、土層厚度及岩盤埋深，並調查崩積土、殘積土或沖積層等鬆散材料的分布。
2. 地質構造與不連續面：調查層面、節理、劈理、斷層及剪裂面等的走向、傾向、傾角、間距與延續性，研判其與坡面的相對關係。
3. 地下水與滲水情形：記錄湧水、滲水、濕潤帶及地下水位，必要時透過鑽探、取樣、孔內測量或設置觀測井補充資料。
4. 崩塌材料與破壞特徵：觀察滑動面、剪切帶、裂隙及崩塌堆積物；必要時採樣進行土壤或岩石試驗，以了解材料性質與抗剪強度。
5. 調查用途：綜合地層、構造、材料與地下水資料，判斷可能的破壞模式及滑動範圍，作為穩定分析與治理工法選擇的依據。

三、植生調查

1. 植生種類與分布：調查喬木、灌木、草本及地被植物的種類、分布與覆蓋情形，辨識裸露地、疏林或植生良好區域。
2. 植生生長與生育狀況：記錄植株密度、樹高、胸徑、生長狀況及枯死、倒伏或根系裸露等現象。
3. 植生與坡面狀況的關係：確認植生是否因崩塌、沖蝕或地下水變化而受損，並留意根系對坡面保護及表土穩定的作用。
4. 調查用途：作為裸露地與沖蝕風險判斷、生態復育及植生工法規劃的參考；植生狀況也可配合地表變化資料，協助辨識崩塌活動情形。

四、水文調查

核心觀念

簡化 Bishop 切片法（Bishop’s modified method）用於分析圓弧形滑動面。它將滑動土體垂直切成數片，對整體土體採用力矩平衡，並以各片底面力平衡估算可提供的抗剪力。此法計入切片底面的法向力與剪力，但忽略相鄰切片間的剪力，因此安全係數方程式是隱式方程式，須以迭代方式求解。

安全係數定義為滑動面上可提供的抗剪強度與動員剪應力之比。依莫耳－庫侖破壞準則，第 $i$ 片底面的抗剪強度為

$$\tau_{f,i}=c'_i+\sigma'_{n,i}\tan\phi'_i$$

其中 $c'_i$、$\phi'_i$ 為有效凝聚力與有效摩擦角，$\sigma'_{n,i}$ 為底面有效正應力。若採總應力分析，則依題目指定的總應力強度參數計算。

解題方法與計算步驟

1. 設定圓弧滑動面並劃分切片

先假設滑動圓弧的位置、半徑與滑動方向，將滑動土體切成 $n$ 個垂直切片。切片數增加通常可改善數值精度；計算時須涵蓋整個滑動土體。

對每片取得下列幾何與土壤資料：

• 切片重量 $W_i$，必要時納入地表載重。
• 底面長度 $l_i$ 及底面傾角 $\alpha_i$，角度以水平面為基準，順滑動方向為正。
• 底面有效凝聚力 $c'_i$、摩擦角 $\phi'_i$。
• 底面孔隙水壓合力 $U_i=u_i l_i$；若以水壓合力表示，亦可寫為底面孔隙水壓 $u_i$ 乘底面長度 $l_i$。

2. 建立單片底面力平衡

令第 $i$ 片底面法向總力為 $N_i$，底面有效法向力為 $N'_i=N_i-U_i$。若整體安全係數為 $F_s$，該片可提供的抗剪力為

$$S_i=\frac{c'_i l_i+(N_i-U_i)\tan\phi'_i}{F_s}$$

切片重量沿底面方向的分量為 $W_i\sin\alpha_i$，法向分量為 $W_i\cos\alpha_i$。簡化 Bishop 法忽略片間剪力，將切片底面力平衡整理後，可得

$$N_i= \frac{W_i+(S_i)\sin\alpha_i-U_i\cos\alpha_i} {\cos\alpha_i+\dfrac{\sin\alpha_i\tan\phi'_i}{F_s}}$$

將 $S_i$ 代入並整理，得常用形式：

$$S_i= \frac{c'_i l_i+(W_i-U_i)\tan\phi'_i} {F_s\left(\cos\alpha_i+ \dfrac{\sin\alpha_i\tan\phi'_i}{F_s}\right)}$$

此式也可寫成

$$S_i= \frac{c'_i l_i+(W_i-u_i l_i)\tan\phi'_i} {F_s m_{\alpha,i}}, \qquad m_{\alpha,i}= \cos\alpha_i+ \frac{\sin\alpha_i\tan\phi'_i}{F_s}$$

其中 $m_{\alpha,i}$ 為 Bishop 修正因子。公式中若採用 $U_i$，應將它視為孔隙水壓合力；若採用 $u_i$，則須乘以底面長度 $l_i$。

3. 對圓心取矩，建立整體安全係數方程式

核心觀念

格梁護坡是將縱、橫梁交錯布設於坡面，形成格狀骨架，以分割坡面、限制表層土石滑移或剝落，並把坡面荷重傳遞至錨筋、岩栓或較穩定地層。格梁可配合植生、砌石或其他填料處理格內坡面。

格梁主要提供坡面保護與淺層穩定；若滑動面深入坡體，單靠格梁不足以確保整體穩定，須另以邊坡穩定分析確認，並視需要搭配地錨、岩栓、排水或其他擋土措施。

解題方法

作答依「格梁種類與適用範圍 → 規劃設計原則」鋪陳。種類依構造與施工方式說明；設計原則則依序涵蓋地質調查、格梁配置、錨固、構材檢核、排水及格內處理，避免只列材料名稱而未說明其作用。

格梁種類與適用範圍

1. 預鑄式混凝土格梁 使用預製梁材於坡面組裝，施工較快速，品質較容易控制。適用於坡面條件較規則、便於安裝與接合的邊坡；格梁交叉點及梁體仍須妥善錨固，梁下不得留有空隙。

2. 現場澆置鋼筋混凝土格梁 於坡面整修、架設模板及鋼筋後澆置，整體性較佳。適用於坡面形狀較規則、施工設備可到達，且能妥善處理模板、鋼筋與混凝土施工的邊坡。

3. 自由型格梁（噴凝土格梁） 依坡面起伏布設鋼筋或鋼線網，再以噴凝土形成格梁，較能配合不規則、崎嶇的坡面，且可減少傳統模板需求。常用於坡度約小於 $45^\circ$ 至 $60^\circ$、表層風化或易剝落的邊坡；格內可採植草、植生袋、乾砌卵石或其他適當方式處理。

4. 鐵製格框 以鋼材組成格狀框架，具有重量較輕、組裝彈性較大的特性。適用範圍須依框架強度、耐久性、錨固方式及坡面條件選定，並注意防蝕與接合穩定。

格梁護坡常用於坡面表層風化、崩落或沖蝕的防護，且適合格梁能貼合坡面並有效錨固的情況。坡度約 $45^\circ$ 至 $60^\circ$ 以下是常見適用範圍的概括值，實際仍須依坡面材料、坡高、格梁形式及錨固條件判定，不應將此角度視為不需分析的絕對界線。

規劃設計原則

1. 先調查坡體與水文條件 查明地形、地質、風化程度、地下水與地表逕流、可能滑動面及既有裂縫，判斷破壞屬表層崩落、沖蝕或深層滑動。格梁須依其作用範圍選用；若有深層滑動疑慮，應以整體邊坡穩定分析規劃其他補強措施。