114 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

本題考查深層崩塌的水文地質調查、邊坡穩定分析、排水設計與成效監測。場址坡度約 $35^\circ$、坡長約 $500\ \mathrm{m}$，集水面積約 $25$ 公頃；上覆 $10$ 至 $15\ \mathrm{m}$ 厚的風化破碎層，且入滲快、導水性佳，雨季地下水位可升至地表下約 $2\ \mathrm{m}$。這些條件表示降雨容易補注地下水，形成較高孔隙水壓；但崩塌面也可能深於風化層底界，須以調查確認，不能逕以風化層厚度推定滑動深度。

排水的主要作用有二：一是降低孔隙水壓與可能的滲流推力，減少滑動驅動力；二是增加有效應力，提升土體抗剪強度。有效應力關係為

其中 $\sigma'$ 為有效應力、$\sigma$ 為總應力、$u$ 為孔隙水壓。以莫耳－庫倫強度表示：

因此，排水降低 $u$，可提高有效應力及抗剪強度。若滑動面已有明顯位移，土體強度參數還須評估殘餘強度，不能只採完整土樣的峰值強度。

設計與管理可參考《水土保持技術規範》及相關大規模崩塌調查、監測作業要求；涉及法規或規範時，以命題當年（民國 114 年）規定為準。

解題方法：先查明滑動機制，再以水壓控制為主軸

本題沒有提供鑽探地層、滑動面位置、土壤強度、降雨強度及排水目標等資料，故無法計算單一安全係數或指定排水管尺寸。完整作答應依序說明：調查滑動面與地下水條件、建立降雨入滲及地下水情境、分析排水前後穩定性，再據此選擇排水設施並以監測驗證成效。

一、調查要點

1. 地形、地表變形與水系調查 以地形測量、空拍或光達建立坡面及集水區地形，圈定崩塌邊界、坡頂張力裂縫、階地、鼓脹區、坡趾擠壓區及既有滑動跡象。調查道路、農路、平台、擋土構造物、既有排水溝與出水口，並記錄地表逕流、湧水點及雨後積水位置。蒐集歷年航照、崩塌紀錄、降雨與修復工程資料，辨識位移和降雨的時間關係。

2. 地質與鑽探調查 進行地表地質測繪，確認砂頁岩層理、節理、斷層、風化程度及地下水出露狀況。沿坡向與橫坡向布置鑽探，深度應穿越推定滑動面並進入穩定地層；取岩心記錄岩性、風化、破碎程度、岩心回收率與岩石品質指標。必要時配合地球物理探查，協助辨認風化層厚度、地下水富集帶及可能的滑動構造。鑽探工作應以確認滑動面與穩定基盤為目標，不可只鑽至 $10$ 至 $15\ \mathrm{m}$ 的風化層底部便停止。

3. 地下水與水文地質調查 在坡頂、坡中、坡趾及不同地質層位設置地下水位觀測管或孔隙水壓計；地層水文條件複雜時採分層觀測，避免單一長篩管混合不同含水層水位。觀測平時及降雨期間的水位、水壓反應、湧水位置與流量，並測定土層及岩體的滲透性。上層導水性佳不代表深部各層均相同；砂頁岩層界面或破碎帶可能形成局部滯水或集中滲流。

4. 材料與強度試驗 依土層和滑動面特性辦理粒徑、含水量、密度、透水及剪力試驗；對具既有剪動跡象的滑動面，評估大位移後的殘餘強度。砂頁岩破碎帶則須評估節理、層面及岩體尺度的水力與力學性質。採樣位置與試驗條件應能代表控制穩定性的弱面，而不只是完整岩塊或表層土。

二、分析要點

1. 建立地質－水文概念模型 將地層剖面、滑動面、地下水位、湧水帶、集水區及地表排水路徑整合，說明降雨如何入滲、補注地下水並影響滑動面水壓。分析時至少比較常時、豪雨期間、豪雨後延遲升水，以及排水設施部分失效等情境。

2. 分析地下水變化與降雨入滲 依當地降雨資料、雨型、延時及集水區條件，評估地表逕流和地下水位上升。地表排水量可先用合理化公式初估：

其中 $Q$ 為尖峰逕流量、$C$ 為逕流係數、$i$ 為設計降雨強度、$A$ 為集水面積。採公制單位時，若 $i$ 以 $\mathrm{mm/hr}$、$A$ 以 $\mathrm{km^2}$ 表示，可寫為：

本場址 $25$ 公頃相當於 $0.25\ \mathrm{km^2}$；但題目未提供設計雨強及逕流係數，不能由集水面積單獨算出設計流量。深層崩塌的孔隙水壓變化通常還須依觀測資料建立地下水情境或進行非穩態滲流分析。

3. 邊坡穩定分析 依調查確認的剖面和滑動面進行極限平衡分析，可採簡化 Bishop 法作初步分析，重要或複雜案例宜採滿足力與力矩平衡的方法，如 Morgenstern–Price 法。分析應比較排水前後，以及常時、豪雨時等代表工況的安全係數；對深層滑動面，應使用能代表弱面的強度參數。若地下水分布隨時間明顯變化，可先做非穩態滲流分析，再將各時刻的孔隙水壓輸入穩定分析。

核心觀念

本題考查四種常見邊坡擋土工法的安全檢核、適用條件與工程性比較。作答時要先分辨各工法如何抵抗邊坡作用力：

• 箱籠擋土牆：以石料自重抵抗土壓，屬透水、可變形的重力式擋土結構。
• 鋼筋混凝土懸臂式擋土牆：以牆身與底版構成懸臂結構，藉牆身彎矩、剪力及底版上覆土重抵抗土壓。
• 排樁式擋土工法：由一列或多列樁體承受側向土壓，樁身彎矩與剪力、嵌入段被動土壓，以及必要的支撐或錨定共同維持穩定。
• 土釘工法：以密間距土釘加勁原地土體，形成加勁土體區，再由面層提供坡面約束；土釘須穿過潛在滑動面，錨入穩定區。

**法規依據：**以命題當年（民國 114 年）法規為準，擋土牆作用力及安定條件依《水土保持技術規範》第 119、120 條檢核；並應依個案適用的建築、基礎及大地工程設計規範，檢核構件強度與邊坡整體穩定。民國 114 年 5 月 7 日《水土保持技術規範》部分條文修正發布第 58、95 之 1、167、168 條，與本題擋土牆核心安定檢核相關條文不同；考試作答仍應以命題當年規定為準。

解題方法

建議按照「外部穩定 → 構件或內部穩定 → 整體邊坡穩定 → 排水與耐久性」的順序作答。無論採用何種工法，先確認設計作用力、地下水與施工條件，再檢查局部結構及整體邊坡，最後說明工期、成本與適用限制。擋土設施不能只檢核牆體本身；若深層滑動面從牆底或樁底穿過，牆體局部安全仍不能保證邊坡整體安全。

一、共同檢核前提

1. 調查地盤及設計條件 蒐集地形、地層、土壤強度、地下水位與季節變化、既有滑動面、鄰近建物及施工空間等資料。確認坡頂加載、坡面逕流、地震及分期開挖等設計情境。

2. 計入作用力 依《水土保持技術規範》第 119 條，至少考慮結構自重、加載荷重、土壓力、水壓力、地震力及基礎承載力。需排水的牆體也要檢視排水失效、濾層阻塞或地下水位升高的情境。

3. 檢核牆體局部安定與邊坡整體安定 擋土牆類工法須檢核滑動、傾倒、基礎承載力及沉陷；所有工法都須另檢核深層滑動或整體邊坡穩定。依《水土保持技術規範》第 120 條，擋土牆滑動安全係數常時不得小於 1.5、地震時不得小於 1.2；傾倒安全係數常時不得小於 2、地震時不得小於 1.5，且合力位置須符合規定。承載力、整體穩定與構件設計則依相關設計規範及個案條件辦理。

各工法安全性檢核

二、箱籠擋土牆

箱籠牆的石料與籠體共同形成重力式擋土結構，檢核可按重力式擋土牆進行。

安全檢核要點

• **滑動：**比較底面抗滑力與水平土壓力、水壓力及地震作用。基底粗糙度、基礎坡度和土層強度均會影響抗滑能力。
• **傾倒：**以牆趾為基準計算穩定力矩及傾倒力矩，檢查力矩安全係數與合力作用位置。
• **基礎承載與沉陷：**檢查基底最大接觸壓力是否超過地盤容許承載力，並評估不均勻沉陷對籠體變形與牆面完整性的影響。
• **整體邊坡穩定：**檢查潛在滑動面是否穿過牆底、牆後填土或基礎下方；箱籠牆自重不能取代深層滑動分析。
• **水流、沖刷與籠體耐久：**確認排水通暢，檢查坡趾沖刷、石料流失、網材腐蝕或破損，以及上下層籠體連結。

適用性、工期與成本

適合滲透水較多、坡趾需兼具擋土與消能、地盤可能有一定差異沉陷的地點。透水性佳、施工設備需求低，通常施工快速，初期成本多屬中低；但高度與用途受限，若要求嚴格的牆面線形、空間不足或牆後水土壓力大，較不適合。網材與石料品質、腐蝕及沖刷狀況會影響維護需求；若排水孔隙遭細料堵塞或網體損壞，仍須清理或修復。

三、鋼筋混凝土懸臂式擋土牆

懸臂式牆由牆身、踵版、趾版及底版構成，牆身與底版承受彎矩、剪力，底版上方土重有助於抗傾倒及抗滑。

安全檢核要點

• **外部穩定：**檢核滑動、傾倒、基礎承載力及沉陷；按實際土壓力、水壓力、坡頂載重與地震力計算。
• **結構強度：**分別檢核牆身、踵版、趾版及底版的彎矩與剪力，並依鋼筋混凝土設計規定檢查配筋、錨定、裂縫控制及耐久性。
• **整體邊坡穩定：**檢查牆底以下的深層滑動面，並確認基礎埋置深度與持力層足以支撐結構。
• **排水與施工品質：**檢查牆後排水層、洩水孔及濾材，避免靜水壓；施工時確認開挖支撐、基礎整平、混凝土品質與施工縫處理。

適用性、工期與成本

適合可開挖出足夠基礎空間、地盤承載條件合宜，且需要剛性、耐久擋土構造的坡地工程。有效高度原則上以 8 公尺以下為適用範圍；更高時須依設計分析選用適當結構型式。工序包含基礎開挖、鋼筋模板、混凝土澆置及養護，工期通常較箱籠牆長；初期材料及施工成本中至偏高。

核心觀念

本題考查土壩的安全檢核。土壩以填土築成，須同時確保壩體及壩基不因坡面滑動、滲流、管湧、基礎承載破壞或洪水溢頂而失效。設計時應先依地形、地質、土壤與地下水調查建立分析條件，再針對不同荷重與水位情況逐項檢核。

法規部分，以命題當年（民國 114 年）《水土保持技術規範》為準。第 113 條定義土壩；第 114 條規定適用於河床質粒徑小、壩基附近具有不透水性且取土便利的地區，壩高以不超過 $15\ \mathrm{m}$ 為原則。第 115 條規定主溢洪道設計洪水量採重現期距 50 年以上降雨強度計算；主溢洪道採豎井者，得設緊急溢洪道，其設計洪水量採重現期距 10 年以上降雨強度計算。第 116 條要求填土分層夯實，單層厚度不超過 $30\ \mathrm{cm}$，改良式夯實試驗法相對夯實度以達 $90\%$ 以上為原則，並應避免滲漏及管湧。

解題方法與檢核項目

一、壩體及壩基邊坡穩定

檢核壩體上、下游坡面，以及可能連同壩基地層一起滑動的整體穩定。應依可能的破壞情況設定荷重與孔隙水壓，常見工況包括：

• 施工期：填築完成或分期填築後，檢核壩體及地基在施工荷重下的穩定。
• 蓄水後穩態滲流：上游水位長期維持時，檢核下游坡面及壩基穩定。
• 快速降水位：上游水位迅速下降時，上游坡面內的孔隙水壓尚未消散，應檢核上游坡面穩定。
• 地震情況：依工程重要性及設計要求，納入地震慣性力與相應孔隙水壓條件檢核。

通常以極限平衡法分析潛在滑動面安全係數。可採瑞典圓弧法、Bishop 簡化法、Janbu 法或 Morgenstern–Price 法；對均質土壩常以圓弧滑動面搜尋，地層不均或壩基控制明顯時，應納入非圓弧滑動面。安全係數可概念表示為：

分析時須使用符合各工況的強度參數與孔隙水壓。施工期可依土壤排水條件採不排水或有效應力分析；穩態滲流與快速降水位則應合理反映壩體內水位及孔隙水壓分布。安全係數標準依工程規範、設計準則及工況採用，不宜將其他型式壩體或擋土構造的數值直接套用。

二、壩體與壩基滲流安全

滲流分析用以求得壩體及壩基內的水頭、流速、滲流量與孔隙水壓，並判斷是否有出口坡降過大、局部滲透破壞或滲漏集中的風險。可依地層與幾何條件採流網分析、滲流理論計算或數值分析；基本關係為 Darcy 定律：

其中 $q$ 為滲流量、$k$ 為滲透係數、$i$ 為水力坡降、$A$ 為滲流面積。

核心觀念

本題在比較兩種橫向構造物的治理尺度與功能：防砂壩主要用於溪流或野溪的土砂調節及河床、兩岸穩定；節制壩則常設於蝕溝，以控制溝床沖蝕、調整溝床坡降並穩定溝道。兩者都能攔阻泥砂，但治理對象、工程規模與設計重點不同。

以下法規內容以命題當年（民國 114 年）《水土保持技術規範》為準。

• 防砂壩：為攔蓄及調節河道砂石、減緩溪床坡度、穩定流心，以及防止沖蝕、崩塌或抑止土石流所設置的橫向構造物。
• 節制壩：設於蝕溝適當位置，並與蝕溝方向垂直，用以抑止溝床及溝岸沖蝕、調整溝床坡降、穩定流向、攔阻泥砂及安定蝕溝。
• 計畫淤砂坡度：壩體攔砂後，預期壩上游淤積河床所形成的坡度。防砂壩以原河床坡度的二分之一至三分之二為原則；節制壩則依上游土砂粒徑與溝床沖蝕情況決定。

解題方法

依「治理對象與規模 → 設施目的 → 適用場合 → 規劃設計要點」分別作答。防砂壩可由河道土砂治理切入；節制壩可由蝕溝分段控制坡降、避免溝床持續下切切入。最後補上水文、地形地質、結構安定、消能及維護，便能完整回應題目所問。

一、防砂壩

目的

1. 攔蓄及調節河道砂石，減少過量土砂向下游輸送，保護下游聚落、道路、橋梁或水庫等設施。
2. 提高壩上游河床，降低原有溪床坡度，減緩流速及沖蝕能力，穩定河床與流心。
3. 透過壩體及淤積土砂支撐兩岸，抑制岸坡崩塌、河床下切及局部沖蝕。
4. 在適當的溪流條件下，藉由攔蓄或調節土砂，降低土石流危害。

防砂量可依現況估算，包括貯砂量、土砂生產調節量及土砂流失抑制量。

適用場合

適用於土砂來源豐富、河床坡度較陡、溪床沖蝕或兩岸崩塌明顯，且下游有保全對象的野溪或山區河道。土石流潛勢溪流亦可依治理目標及溪流條件規劃防砂壩；規劃時須考量其所在位置及可能承受的土石流衝擊。

防砂壩的設置須配合整體溪流治理，不宜只看單一壩址。若土砂供給、洪水及下游輸砂條件未一併評估，壩體可能快速淤滿，或將沖刷問題轉移至壩址下游。

規劃設計考量

1. 調查與壩址選定：蒐集雨量、水文、地形、地質、河床粒徑、土砂來源及既有設施資料；測量治理溪段及上下游縱、橫斷面。壩址須兼顧地基承載、兩岸嵌固條件、施工可行性及對上下游的影響。
2. 治理目標與淤砂坡度：依土砂來源、河床坡度及保全對象，確認攔砂或調砂目標，並估算防砂量。設計淤砂坡度原則上採原河床坡度的二分之一至三分之二。
3. 壩高與布置：壩高依治理目的、計畫淤砂坡度、壩址兩岸地形與地質，以及上游土砂生產狀況，選擇經濟有效的高度。壩軸方向、壩間配置及溢洪口位置須配合水流方向及河道地形。
4. 溢洪及排水：依設計洪水量檢核溢洪口的通洪能力，並妥善安排壩頂、溢洪口與下游水流銜接；排水孔及相關設施須兼顧排水、壩體穩定與土砂管理。
5. 壩翼、基礎及下游消能：壩翼應嵌入兩岸岸壁，嵌入深度依地質條件決定；壩翼宜向兩岸緩升後水平嵌入，凹岸側並注意加高。基礎須防止滲流、淘刷及沖刷；下游應設置適當消能及護坦等設施，避免溢流水流掏空壩趾或沖刷兩岸。