112 專技高考高等考試 大地工程技師 山坡地工程（包括水土保持工程） 考古題詳解

核心觀念

本題考《水土保持技術規範》第九十二條「泥砂生產量之估算」及第九十三條「沉砂池設計容量」。題目中的臨時與永久沉砂設施，估算基礎相同，均採通用土壤流失公式（USLE）；差別在於估算比例、最低值及設計容量規定。

以命題當年（民國 112 年）法規為準。

USLE 的基本形式為：

其中 $A$ 為土壤流失量，$R$ 為降雨沖蝕指數，$K$ 為土壤沖蝕性，$L$、$S$ 分別為坡長與坡度因子，$C$ 為覆蓋與管理因子，$P$ 為水土保持處理因子。依規範估算沉砂設施所需的泥砂生產量，並依設施類型套用規定的比例與最低值。

解題方法

令 $E$ 為 USLE 估算的泥砂生產量，單位為立方公尺；面積以公頃計。依土地狀況分別估算，再比較 USLE 計算值與規範最低值，採不低於規定下限的設計值。

臨時性沉砂設施

臨時設施的泥砂生產量，以 USLE 估算值的二分之一為基礎，並受最低量限制：

• 開挖整地部分：每公頃不得小於 $250\ \mathrm{m^3}$。
• 未開挖整地或已完成水土保持處理部分：每公頃不得小於 $30\ \mathrm{m^3}$。

若開挖整地面積為 $A_e$ 公頃，其 USLE 估算值為 $E_e$；未開挖或已完成處理面積為 $A_u$ 公頃，其 USLE 估算值為 $E_u$，則可表示為：

永久性沉砂設施

永久設施的泥砂生產量採 USLE 估算；對未開挖整地或已完成水土保持處理部分，每公頃不得小於 $30\ \mathrm{m^3}$。若此部分面積為 $A_p$ 公頃、USLE 估算值為 $E_p$，則：

估算面積得扣除不透水鋪面面積。若基地包含不同土地狀況，應分區估算、分別適用最低值，再加總；不可把全區一律套用同一種土地狀況的單位下限。

核心觀念

本題考查邊坡極限平衡分析的基本假設、穩定安全係數的計算概念、方法限制，以及常見分析法的分類。極限平衡法將可能滑動土體視為剛體，沿假定滑動面檢核抗剪能力與滑動需求；分析時不直接求土體變形，而是判斷滑動面是否達到破壞條件。

土壤依莫爾－庫侖破壞準則，其抗剪強度為

其中 $c'$ 為有效凝聚力、$\phi'$ 為有效摩擦角、$\sigma_n'$ 為滑動面上的有效正向應力。若以總應力分析，則應一致採用總應力強度參數及相應的孔隙水壓假設。

解題方法

極限平衡狀態的定義

當滑動面上各處的剪應力需求達到土體可提供的抗剪強度時，土體處於極限平衡狀態。此時滑動面已達剪力破壞條件，安全係數為 $1$。在極限平衡分析中，常以安全係數 $F_s$ 將抗剪強度折減，並求使整體滿足力與力矩平衡的臨界狀態。

安全係數的基本概念

局部強度安全係數可寫為

對整體滑動體而言，常用「抗滑作用與滑動作用之比」表示安全係數。以圓弧滑動面為例，簡化的力矩安全係數為

若按條分法計算，則先將滑動土體分成數條土條，對第 $i$ 條求其重量 $W_i$、底面長度 $l_i$、底面傾角 $\alpha_i$、底面孔隙水壓合力 $U_i$，以及外力等資料。底面有效正向力通常可表示為 $N_i'=N_i-U_i$；可提供的抗剪力為

再依採用方法的平衡條件，將各土條的抗剪力與滑動需求合併，並求得 $F_s$。例如，忽略土條間作用力的普通條分法（Fellenius 法）對圓弧滑動面可寫為

其中 $u_i l_i$ 為第 $i$ 條底面的孔隙水壓合力。此式以底面抗剪力提供抗滑作用，以土條重量沿滑動方向的分力作為滑動作用；

核心觀念

排樁擋土牆由一列鑽掘灌注樁承受土壓與水壓，樁體受力可視為埋置於土層中的受側向力構件。設計不能只把它當成一般梁柱配筋：需先由擋土系統的土壓分析求得樁身沿深度的彎矩、剪力與位移，再以鋼筋混凝土構件設計檢核樁身強度與韌性，同時確認樁的入土深度及周圍地盤能提供足夠的側向反力。

排樁可採間隔樁、相切樁或交錯咬合樁。樁間土體是否由噴凝土、預鑄板或其他面層支撐，會影響土壓傳遞、滲水控制與施工安排。設計時應掌握：

• 地盤與荷載：地層分布、地下水位、土壤強度與單位重、地表載重、鄰近建物及施工期間開挖狀況。
• 土壓狀態：牆體可位移至主動狀態時，可採主動土壓；位移受限制時，應考慮靜止土壓。被動土壓提供樁前地盤反力，須依土層、入土深度及可容許位移合理取值。
• 結構分析：將樁按其間距換算為單樁承受的土壓，分析樁身彎矩、剪力與變位；有錨碇或支撐時，應納入各支點反力及分階段開挖影響。
• 規範依據：結構設計依命題當年適用的混凝土結構設計規範及相關載重規定；山坡地工程另須配合水土保持及擋土設施設計要求。若涉及法規或規範版本，以命題當年（民國 112 年）為準。

解題方法：由土壓分析推進至配筋與施工

一、建立土壓及樁身分析模型

先依地質調查與設計工況，決定牆背土壓、地表載重、水壓、地震作用及開挖階段。簡化均質砂土且地表水平時，主動土壓可表示為：

其中 $K_a$ 為主動土壓係數、$\gamma$ 為土壤單位重、$z$ 為地表下深度。若有均布載重 $q$，可另加：

地下水位以下須以有效單位重計算土骨架土壓，並另加靜水壓 $u=\gamma_w h_w$；不可把水壓漏列，也不可在採用總應力分析後重複加計。

若樁中心間距為 $s$，將牆面每單位寬度土壓換算成單樁線荷載時，依相鄰樁所分擔的寬度取值，通常以樁中心間距作為單樁分擔寬度。再按懸臂樁、錨碇樁或分層支撐樁等系統分析，得到沿樁長的 $M_u(z)$、$V_u(z)$ 與位移。樁前土壤反力及樁端以下地盤條件須與樁身分析互相配合，不能只由牆背土壓單獨決定入土深度。

二、決定樁徑、入土深度與結構需求

樁徑與樁間距須同時滿足牆體整體剛度、樁身結構強度、樁間土體穩定與施工可行性。入土深度則應使樁前地盤反力、樁身內力與牆體變位均符合要求。若設置錨碇或支撐，尚須檢核錨碇承載、錨碇自由段與錨定段、支撐系統，以及開挖過程可能出現的最大內力。

完成大地分析後，應以控制工況下的彎矩與剪力作為鋼筋混凝土配筋設計需求。彎矩和剪力的設計值依適用規範採用強度設計或容許應力設計，不可把未放大荷載與已放大荷載混用。

三、配置縱向主筋與剪力筋

樁身承受側向荷載時，縱向主筋主要抵抗彎矩，應按彎矩圖沿深度配置。在單向、方向明確的懸臂受力情況下，主筋應布置於主要受拉側；若彎矩可能反向、荷載方向不確定，或地震及施工階段會造成反向受力，應在樁周配置足夠縱向鋼筋，使不同方向受彎均有適當承載能力。

配筋設計應依各深度的設計彎矩計算所需鋼筋量，並檢核最小鋼筋量、最大鋼筋量、鋼筋間距與裂縫控制等規定。主筋需連續通過主要受力區；若採分段或截斷，鋼筋截斷位置須避開高彎矩區，並依規範提供足夠延伸長度與錨定長度。搭接位置宜錯開，避免集中於同一截面；高應力或受拉區的搭接及機械式續接應特別依規範與設計圖辦理。

剪力筋通常採箍筋或螺旋筋，依剪力需求配置，並在樁頂、錨碇或支撐作用區、彎矩及剪力較大的區段加強。

核心觀念

本題考坡面逕流侵蝕形成的溝渠，如何依溝渠斷面規模區分紋溝、蝕溝與野溪，以及蝕溝由初生到穩定的發育過程。判別時以溝寬、溝深為主，並掌握溝渠是否已發展為穩定水道；不同手冊或調查目的採用的分類尺度可能略有差異，以下依水土保持手冊常用的斷面尺度說明。

解題方法：依斷面尺度分級

量測溝渠橫斷面的寬度 $B$ 與深度 $H$，再依尺度判別：

核心觀念

本題考查山坡地工程中，如何透過監測掌握「坡體是否變形、地下水是否改變、支擋設施是否受力異常」，並據以評估穩定性、檢核設計與施工成效，以及及早採取預警或補強措施。

監測應配合工程階段與地質條件規劃：施工前建立基準值，施工中及完工後持續觀測，將各項數據依時間比較其變化量與變化速率。單一讀值通常不足以判斷安全狀況，須綜合降雨、地下水、坡體位移及結構受力等資料判讀。本題屬申論題，沒有選項可逐項分析。

解題方法

可依「變形、水文、結構受力、環境與預警」分類，逐項交代監測內容、常用儀器及監測目的。作答時要把監測項目與工程判讀相連結：例如地中位移可定位可能的滑動面，地下水位與孔隙水壓可掌握水文變化對邊坡穩定的影響。

常用監測項目與目的

一、地表變形與位移

• 地表位移及高程監測：以測量控制點、GPS／GNSS、全站儀或水準測量，觀測坡面及地表各點的水平位移、垂直沉陷與隆起。用來掌握坡體整體移動方向、範圍及變形趨勢。
• 地表伸縮量與裂縫監測：以地表伸縮計、裂縫計或固定樁觀測裂縫寬度、兩點間距離變化。用來追蹤地表張裂、坡體拉張及局部滑移；裂縫擴大或變化加速時，應提高警戒。
• 傾斜監測：以傾斜儀或傾度盤觀測地表、建物、擋土牆等的傾斜變化。可辨識坡體或構造物是否發生轉動、側向變形或不均勻沉陷。

二、地中變形

• 傾度管（測斜管）監測：在鑽孔內設置傾度管，以測斜儀量測不同深度的水平位移。若某一深度出現明顯集中位移，可協助判定潛在滑動面的位置；各深度位移隨時間的變化，則可評估滑動範圍與變形速率。
• 地中沉陷監測：以地中沉陷計等量測不同深度的垂直變形。可判斷沉陷主要發生的地層位置，並追蹤填方、地盤改良或開挖工程造成的地層變化。

三、地下水與孔隙水壓

• 地下水位監測：以水位觀測井或自記式水位計量測地下水位變化。用來掌握降雨入滲、排水設施效果及地下水位升降情形。
• 孔隙水壓監測：以孔隙水壓計量測土層或岩層中的水壓變化。孔隙水壓改變會影響土體有效應力與抗剪強度，因此可與位移資料合併，用來判讀邊坡穩定狀況及失穩原因。
• 滲流與排水狀況觀察：記錄坡面出水、滲水位置及排水設施流量或阻塞情形。