114 專技高考高等考試 應用地質技師 工程地質學（包括水文地質學） 考古題詳解

核心觀念

本題考查應用地質人員如何把地質條件轉化為路線選擇、工程設計、施工風險管理與環境保護依據。高鐵延伸宜蘭計畫全長約 $60.6$ 公里，包含多座山岳隧道、橋梁及宜蘭平原路段，沿線地形、岩性、構造、地下水與地質災害條件差異大；應用地質工作須由規劃階段延續至施工與營運階段。

解題方法

依工程生命週期作答，並將工作分為「調查與評估、設計與施工支援、環境與安全管理、監測與營運回饋」四個面向。每一項地質調查都要說明其用途：辨認地質條件、評估工程風險、提出處理對策，並以施工監測驗證設計假設。

一、路線規劃與地質調查

1. 蒐集既有資料與區域地質判釋 蒐集地質圖、地形圖、航照與衛星影像、鑽探紀錄、地質災害資料、水文資料及既有工程調查成果。利用地形判釋辨認斷層線形、褶皺構造、崩塌地、順向坡、河階、沖積扇及可能的地下水出露位置，建立路線沿線的區域地質模型。

2. 分階段現地調查與試驗 初期以踏勘、地表地質填圖及地形判釋篩選風險區；路線與設施位置逐步確定後，再以鑽探、取樣、試坑、地球物理探測及必要的原位試驗補足資料。調查須涵蓋隧道洞口、橋梁橋墩與基礎、車站、維修設施、路堤及邊坡等關鍵位置。試驗項目依地層與工程需求選擇，包含岩土強度、變形、透水性、岩體節理與風化程度等。

3. 建立三維地質與地工模型 整合鑽孔柱狀圖、地表露頭、地球物理成果、地層界面、地下水位及構造資料，建立可供設計使用的地質剖面與三維模型。對資料不足、地質變化劇烈或可能影響工程安全的區域，明確標示調查缺口及不確定性，安排補充調查。

二、辨識工程地質風險並支援設計

1. 隧道工程 隧道沿線應評估岩性與岩體品質、斷層破碎帶、節理與地下水條件，以及可能發生的落盤、擠壓、膨脹、湧水、坍塌或有害氣體等問題。洞口區另須評估風化層厚度、地形穩定性、坡面排水及施工期間邊坡風險。應用地質人員將調查成果提供設計團隊，作為隧道線形、支撐型式、防排水、開挖方法及施工順序的依據，並提出破碎帶預先探查、超前支撐、灌漿止水或其他適當處理方案。

2. 橋梁與路工段 橋墩及基礎位置須確認地層分布、岩盤埋深、承載與變形特性、沖刷風險及地下水條件。沿線邊坡與路堤須調查滑動面、弱面、地下水與地表逕流，評估施工擾動後的穩定性，據以規劃基礎型式、邊坡坡度、擋土與排水設施。

核心觀念

本題考查 $V_{s30}$ 的定義、取得方式，以及它如何用來概括場址近地表的地震反應特性。

$V_{s30}$ 是地表至地下 $30$ 公尺範圍內的時間平均剪力波速度。它不是各層剪力波速度的算術平均，而是以剪力波通過各層所需時間計算的平均速度：

$$V_{s30}=\frac{30}{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\frac{h_i}{V_{s,i}}}$$

其中 $h_i$ 為第 $i$ 層在地表下 $30$ 公尺範圍內的厚度，$V_{s,i}$ 為該層剪力波速度，且 $\sum h_i=30\text{ m}$。連續介質則寫成：

$$V_{s30}=\frac{30}{\displaystyle\int_0^{30}\frac{dz}{V_s(z)}}$$

分母代表剪力波穿過這 $30$ 公尺地層的總傳播時間；因此，$V_{s30}$ 可理解為「總厚度除以總傳播時間」。較低的 $V_{s30}$ 通常表示近地表材料較軟，剪力波傳播較慢；較高的 $V_{s30}$ 通常代表較硬或較密實的土層、較堅硬岩層。此指標可作為場址軟硬程度的概括參數，但不能完整描述地層分層、地下水、非線性行為及盆地效應。

解題方法：量測與估算

作答時可先交代定義，再說明如何取得各深度的剪力波速度剖面 $V_s(z)$，最後將剖面換算為 $V_{s30}$。重點在於取得剪力波速度隨深度的資料，而非直接將不同地層的速度做算術平均。

現地量測方法包括：

• 鑽孔式地震波測試：如跨孔法（crosshole）及井下法（downhole），在鑽孔中配置震源或接收器，量測剪力波在土層中的走時並求得分層速度。此類方法可直接取得深度資料，但需鑽孔，成本及施工限制較高。
• 地表波法：如多頻道表面波分析法（MASW）、頻譜分析表面波法（SASW），由地表震源與接收器記錄表面波的頻散特性，再反演剪力波速度剖面。適用於較大範圍的近地表調查，但反演結果受測線配置、資料品質與模型假設影響。
• 折射或其他地震波測法：可透過走時資料分析地層速度與界面，但須確認方法能適當解析剪力波速度；若以壓力波資料間接推估剪力波，需有合理的地質或岩土參數關係支援。

量測完成後，將各層厚度與剪力波速度代入分層公式。例如，若上部 $10$ 公尺的 $V_s=200\text{ m/s}$，下部 $20$ 公尺的 $V_s=400\text{ m/s}$，則：

$$V_{s30}=\frac{30}{10/200+20/400} =\frac{30}{0.10} =300\text{ m/s}$$

可見速度較低的層因傳播時間較長，對 $V_{s30}$ 的影響較大。

核心觀念

題目核心是「如何增加水資源在流域中的有效留存與利用」，不是單純尋找新水庫場址。降雨後的水會分配為蒸發散、地表逕流、土壤水、地下水補注及河川出流；若大量降雨在短時間內形成洪峰並迅速入海，表示流域的蓄滯、入滲、地下水補注與調蓄能力不足，或水資源設施及管理無法及時承接。

工程地質與水文地質從業人員的工作，是查明地層、地形、岩性、構造、地下水及坡地環境，據以評估蓄水、補注、引水與防災方案的可行性，並協助規劃、設計、施工及長期監測。水資源留存應以流域為單位，兼顧水量、水質、地質安全、生態與用水需求。

常用的水量平衡概念為：

$$P=ET+Q+\Delta S$$

其中 $P$ 為降雨量，$ET$ 為蒸發散量，$Q$ 為流域出流量，$\Delta S$ 為土壤水、地下水及地表蓄水等儲量變化。改善「留不住水」，就是在水質與安全可接受的前提下，增加可利用的 $\Delta S$，並妥善調節洪水出流。

地下水流動可用達西定律初步描述：

$$Q=K i A$$

其中 $Q$ 為地下水流量，$K$ 為水力傳導係數，$i$ 為水力坡降，$A$ 為過水斷面積。這些參數須透過地質調查、抽水試驗及地下水位監測等取得，不能只憑地表地形推估補注效益。

解題方法：從流域調查到工程與管理

一、建立流域水文地質基礎資料

先依集水區盤點降雨、河川流量、地下水位、地形、土地利用及既有水利設施，建立降雨逕流與枯豐水期水量概況。再以地質圖、地形判釋、地球物理探測、鑽探、地質露頭調查及抽水試驗，確認下列條件：

• 地層岩性、厚度、風化程度、裂隙與透水性，辨識可能的含水層、隔水層及地下水流路。
• 河階、沖積扇、河床與盆地等地貌，評估其入滲、地下水補注及地下水儲存條件。
• 活動斷層、岩溶、破碎帶、滑動地層、崩塌與土石流潛勢，判斷蓄水及引水設施的地質安全。
• 地下水水質、污染源、鹽水入侵及地層下陷風險，確認補注與抽取不會造成不可接受的水質或地盤問題。

調查成果應整合為水文地質概念模型，說明補注區、含水層、隔水層、地下水流向、排泄區及人為抽取的關係，作為後續選址與工程設計依據。

二、增加降雨入滲與分散式蓄滯

在地質條件適宜的坡地、河岸、沖積扇及集水區，可配合土地保育與水土保持，採用分散式滯洪、入滲及保水措施，例如滯洪空間、透水鋪面、植生溝、入滲池、河岸緩衝帶及適當的坡面截排水設施。工程地質人員須評估地基滲透性、地下水位、邊坡穩定、地層液化或沉陷風險，避免入滲增加孔隙水壓、誘發邊坡失穩，或使污染物進入含水層。

坡地保育不能只追求增加入滲。若坡面已有崩塌、土石流或淺層滑動風險，應先調查地下水與地下滲流，採取適合的排水、植生及水土保持措施，再規劃蓄滯，以免蓄水反而加重地質災害。

核心觀念

堰塞湖是山崩、土石流、火山碎屑或冰川等物質堵塞河道後，河水受阻而形成的湖泊。其天然壩體通常由未經分選、孔隙大且結構不均的崩積土石組成，滲透、抗沖蝕與抗剪強度均難以準確掌握；湖水位上升後，壩頂溢流可能沖刷壩體、形成溢流槽並持續下切，進而引發快速潰決。

題目主要考查三項工程地質能力：

1. 將地質構造、岩性、地形、降雨與崩塌連結成堰塞湖形成機制。
2. 判斷天然壩體與湖水的主要失事模式，包括壩頂溢流沖蝕、壩體滲透破壞、邊坡崩塌及地震誘發破壞。
3. 依風險管理順序提出形成前與形成後的工程減災、監測預警、疏散避難措施。

本題為申論題，無須引用法條或計算公式；解答應清楚交代因果關係與防災措施的適用目的。

解題方法

可依「地質背景 → 誘發過程 → 堰塞湖形成 → 主要風險 → 前後防減災」的順序作答。先說明區域為何容易發生大規模崩塌，再解釋崩塌土石如何堵河成壩，最後分別說明事前降低崩塌與成壩機率，以及事後控制湖水、掌握壩體變化並保護下游的方法。

一、馬太鞍溪堰塞湖形成原因與地質背景

（一）區域地質與地形條件

馬太鞍溪上游位於花蓮山區，地勢陡峻、溪谷切割深，河流長期下切使兩岸坡面高陡，坡腳受河流沖蝕而失去支撐，具有發生大規模崩塌的地形條件。

該區地質材料以變質岩及其風化、破碎產物為主，片理、劈理、節理與局部破碎帶可形成岩體弱面。若弱面傾向與坡面方向相近，並朝向河谷出露，便可能形成順向坡或滑動面，使坡體沿弱面滑動。岩體經長期風化、河流侵蝕及地震擾動後，整體穩定性進一步降低。

（二）降雨與崩塌觸發

馬太鞍溪上游崩塌發生於 2025 年 7 月薇帕颱風外圍環流影響期間。強降雨入滲會增加土體重量與孔隙水壓，降低有效應力及抗剪強度；坡面逕流與河流沖刷也會削弱坡腳。當坡體沿弱面滑動，便形成大規模崩塌。

可用有效應力概念說明其力學原因：

$$\sigma' = \sigma - u$$

其中 $\sigma'$ 為有效正應力、$\sigma$ 為總正應力、$u$ 為孔隙水壓。降雨入滲使 $u$ 上升，通常會降低岩土體的抗剪能力；坡體抗力不足以抵抗下滑力時，即發生滑動或崩塌。地震造成的岩體破碎與既有裂隙擴展，也會加劇這種不穩定性。

（三）崩塌堵河與湖泊蓄水

崩塌土石大量下移並堆積於馬太鞍溪河谷，形成橫向阻斷河道的天然土石壩。河水因下游通道受阻而在壩體上游蓄積，遂形成堰塞湖。此類天然壩體內部常由大小不一的土石混雜堆積，分選差、孔隙與滲流路徑不均，局部也可能夾有較細粒材料或大型岩塊，因此壩體的滲透與抗沖蝕性具有高度不均質性。

（四）後續溢流與下游災害機制

堰塞湖形成後，集水區來水持續補充湖水。2025 年 9 月樺加沙颱風帶來豪雨，湖水上升並越過天然壩低處，溢流沖刷壩頂及下游壩坡。溢流槽一旦形成，水流集中會加強沖蝕並使槽道下切、擴寬，導致出流量快速增加。大量水流夾帶崩積土石進入狹窄溪谷，形成洪水或高含砂洪流，並在下游造成淹水、河床淤高、橋梁受損及人員傷亡。

天然壩的破壞也不只由壩頂溢流造成，尚包括壩體滲流引發管湧或內部侵蝕、壩坡滑動、湖岸崩塌造成湧浪，以及地震造成壩體或周邊坡地再次失穩。故評估時須同時調查壩體、湖岸、集水區與下游河道。

二、堰塞湖形成前的下游防減災對策

（一）工程與土地管理措施

1. 坡地與河谷調查：盤點崩塌地、順向坡、破碎帶、河道狹窄處及歷史堰塞湖位置，建立坡地災害潛勢圖與下游淹水、洪砂衝擊範圍。
2. 降低坡體失穩因素：依地質與水文條件辦理坡面排水、截水、坡腳保護、必要的局部加固及植生復育；工程設計須避免把水導入不穩定坡體，也不得以不適當開挖增加坡體卸荷或破壞。
3. 維持河道通洪能力：管理河道瓶頸、橋梁墩柱及易堵塞區段，規劃洪水與土砂的安全通道，避免不當開發使洪水無處宣洩。
4. 控制暴露風險：依潛勢區劃設限制開發或避難空間，對必要設施、道路及橋梁進行耐洪與備援規劃。高風險聚落應預先確認垂直避難點及通往高地的路線。

（二）監測與預警整備

1. 坡地監測：以衛星影像、航空攝影、無人機、光達及現地巡查追蹤坡面裂縫、崩塌範圍和地形變化；重要坡體可設置雨量計、傾斜計、裂縫計、地表位移測量設備及地下水位觀測井。