111 專技高考高等考試 水土保持技師 水土保持工程 考古題詳解

核心觀念

本題涵蓋「鋼筋混凝土結構設計（結構學／RC）」與「水土保持法規（水土保持技術規範）」兩大範疇：

1. 懸臂式擋土牆面板（Stem）力學行為：面板在結構力學上視為固定於底版（基版）的「垂直單向懸臂板（Cantilever Slab）」，以單位寬度（通常取 $b = 1.0\text{ m}$）為分析單元。
2. 強度設計法（USD）與極限狀態：依據《混凝土結構設計規範》，外力採載重因數放大（側向土壓力 $H$ 放大係數通常取 $1.6$），斷面必須檢核主筋撓曲強度、最小與最大鋼筋量、剪力臨界斷面強度、以及收縮與溫度鋼筋量。
3. 穩定分析法規標準：依據命題當年（民國 111 年）《水土保持技術規範》第 120 條，擋土牆需檢核外部穩定性（抗滑動、抗傾倒、基礎承載力及整體滑動），並明確區分「常時（平時）」與「地震時」之安全係數門檻。

解題方法

一、懸臂式擋土牆面板之結構分析與配筋步驟

1. 建立力學模型與載重計算

• 結構模型：將面板視為下端固定於底版頂面、上端自由之垂直懸臂樑，分析斷面取單位寬度 $b = 1.0\text{ m}$。
• 側向土壓力分布： 依據主動土壓力理論（Rankine 或 Coulomb 理論），背填土側向土壓力呈三角形分布；若地表有均布超載 $q$，則疊加一均布矩形土壓力： $p_a(z) = K_a \gamma z + K_a q$ 式中 $K_a$ 為主動土壓力係數，$\gamma$ 為回填土單位重，$z$ 為自牆頂起算之深度。
• 極限載重組合（強度設計法）： 將使用載重轉換為設計載重，主要控制載重組合為： $U = 1.2 D + 1.6 H$ 式中 $D$ 為結構自重（面板軸力，常偏保守略去不計其抗彎效益），$H$ 為側向土壓力與孔隙水壓力。若考量地震力，則採用相應之地震載重組合。

2. 斷面設計內力計算

面板根部（固定端，即面板與底版交界處，$z = H_w$）承受最大剪力與最大彎矩：

• 最大設計剪力： $V_u = 1.6 \int_{0}^{H_w} p_a(z) \, dz$
• 最大設計彎矩： $M_u = 1.6 \int_{0}^{H_w} p_a(z)(H_w - z) \, dz$

3. 剪力強度檢核與面板厚度決定

• 臨界斷面位置：依規範，剪力臨界斷面取距固定端（底版頂面）有效深度 $d$ 處（若底端設有托腳，則自托腳頂起算 $d$）。
• 剪力強度公式：擋土牆面板通常不配置剪力鋼筋（箍筋），須由混凝土本身承受剪力： $\phi V_c \ge V_u(d)$ 式中剪力強度折減因數 $\phi = 0.75$；混凝土剪力強度為： $V_c = 0.53 \sqrt{f'_c} \, b \, d \quad (\text{kgf/cm}^2 \text{ 單位制})$ $\left[\text{或 } V_c = 0.17 \sqrt{f'_c} \, b \, d \quad (\text{MPa 單位制})\right]$
• 檢核要點：若 $\phi V_c < V_u$，設計上優先採用加大底端斷面厚度（使面板背面或正面呈斜坡狀錐形截面，下寬上窄）以提升抗剪能力，避免配置剪力筋。

4. 垂直撓曲主筋配置

• 鋼筋位置：面板背填土側（內側）承受拉應力，故主拉力筋配置於靠土側之垂直方向。
• 保護層厚度：接觸土壤或置於室外之混凝土，依規範保護層淨厚度至少取 $5.0\text{ cm} \sim 7.5\text{ cm}$。
• 主筋面積計算： 由設計彎矩強度 $\phi M_n \ge M_u$（拉力控制斷面強度折減因數 $\phi = 0.90$）： $M_u = \phi A_s f_y \left(d - \frac{a}{2}\right), \quad a = \frac{A_s f_y}{0.85 f'_c b}$ 解得所需垂直主筋面積 $A_s$。
• 鋼筋量檢核：
• 最小鋼筋量：

核心觀念

本題測驗土石流運動分區之地形力學特徵，以及針對特定地質條件（卵礫石層）與高風險邊界條件（下游僅距保全對象 50 公尺、30 多戶）的「水土保持治理工程配置能力」。

1. 法規依據：以命題當年（民國 111 年）法規為準之《水土保持技術規範》第七編「治山防災」及《土石流及大規模崩塌防災業務計畫》。
2. 土石流三區段分類：依土砂運移歷程分為「發生區（起始區）」、「流動區（通過區）」及「堆積區（沉積區）」，各區段之臨界坡度、斷面收狹/開展程度與力學機制均有顯著差異。
3. 治理工程體系規劃原則：採「源頭抑制（治山固坡）」、「中游調控（攔大排小、固床抑衝）」、「下游安全疏導（導流防護、預警避難）」之分區治理策略。

解題方法

本題屬申論與工程規劃題，解答時應依邏輯分兩大層次切入：

1. 第一部分（學理特徵）：系統性條列三個區段，針對「溪床坡度」、「斷面幾何形態」與「運動特徵」進行精確量化與定性說明。
2. 第二部分（案例情境工程規劃）：緊扣題目之邊界條件進行客製化配置：

• 地層條件：卵礫石層透水性高、無凝聚力、塊石粒徑大、抗剪強度取決於摩擦角，流水易引起淘刷與側崩。
• 幾何尺度：流動長度 600 公尺、寬度 30～50 公尺，屬於具高破壞能量之中型土石流。
• 危害緊迫性：距下游 30 餘戶保全對象僅 50 公尺，緩衝空間極其有限，堆積區必須特別注重「導流、防護牆、清疏與非工程避難措施」。

選項分析

本題為申論題，無選擇題選項；工程方案選定均依《水土保持技術規範》之設計準則與現場工程地質限制進行最佳化配置。

解題技巧與常見陷阱

1. 坡度數據切勿死背單一數值：土石流啟動坡度多在 $15^\circ$ 以上，流動區通常在 $10^\circ \sim 20^\circ$，堆積區多在 $10^\circ$ 以下（常見於 $2^\circ \sim 8^\circ$）。答題時應寫出合理區間值。
2. 切忌泛泛而談工程名稱：若僅回答「蓋防砂壩、護岸」，難以取得高分。必須針對題幹關鍵字「卵礫石層」（需防止淘刷與耐磨損、採用透水或梳子壩）與「距離保全戶僅 50 公尺」（緩衝極短，不可採巨型攔阻填滿誘發溢淹，應採導流堤、防護擋牆引導土石遠離聚落）給出具體工法構想。
3. 工程與非工程措施並重：末端距離保全對象僅 50 公尺，單靠硬性結構工程有極限，必須補充說明即時清疏與非工程避難撤離之必要性。

【答案】

一、土石流之三個區段與其地形特徵

土石流依其地表運動力學歷程，一般可分為下列三個區段：

核心觀念

本題評量考生對「坡地工程設計作業程序」與「邊坡穩定法定安全標準」之整合實務能力，核心重點包含：

1. 邊坡穩定工程設計之系統化流程：自基礎資料調查、力學參數獲取、數值與極限平衡分析、工法評選，至工程複核與監測之全生命週期程序，特別強調未達安全要求時之「迭代回饋機制（Iterative Loop）」。
2. 極限平衡分析理論（Limit Equilibrium Method, LEM）之安全係數定義： $FS = \frac{\tau_f}{\tau_d} = \frac{\text{邊坡抗滑力矩（或抗剪強度)}}{\text{邊坡下滑力矩（或剪應力)}} = \frac{\sum R}{\sum T}$
3. 法規門檻要求：依命題當年（民國 111 年）《水土保持技術規範》第 73 條規定之永久性與臨時性邊坡安全係數法定標準（現行法規規定與之一致）。

解題方法

1. 設計流程圖繪製與說明：

• 以工程實務之邏輯先後切入：分為「調查試驗 $\to$ 破壞機制研判 $\to$ 穩定性計算 $\to$ 判定評估 $\to$ 穩定工法選定 $\to$ 複核修正 $\to$ 細部設計與監測」七大主軸。
• 繪製具備決策判斷菱形框與反饋箭頭的流程圖，展現當安全係數 $FS < FS_{\text{規範}}$ 時，如何退回重新調整工法或幾何設計。

2. 法規安全係數條列與對照：

• 依據《水土保持技術規範》第 73 條，區分「永久性邊坡」與「臨時性邊坡」。
• 分別列出「常時（平時）」、「暴雨時」與「地震時」之法定安全係數下限，並製成對照表以利閱卷委員評分。

選項分析

本題為專技高考之工程申論題，非選擇題，無選項分析。

解題技巧

1. 流程圖回饋迴圈（Feedback Loop）不可遺漏：繪製工程流程圖時，必須具備「$FS \ge$ 規範規定？否 $\to$ 重新檢討/選定工法再分析」的閉迴路，此為閱卷給分之關鍵核心。
2. 安全係數數值口訣：

• 永久性邊坡（$1.5 \to 1.2 \to 1.1$）：常時 $1.5$；暴雨扣 $0.3$ 得 $1.2$；地震再扣 $0.1$ 得 $1.1$。
• 臨時性邊坡（$1.2 \to 1.1$）：常時 $1.2$；暴雨扣 $0.1$ 得 $1.1$。

3. 法規名詞辨析：水土保持技術規範用法為「常時」，切勿與其他建築法規之「平時」混淆；地震時水保規範之安全係數要求為 $1.1$（非建築技術規則基礎構造篇之 $1.2$）。

【答案】

一、邊坡穩定工程之設計流程

（一）設計流程圖

核心觀念

本題考查大規模邊坡穩定工程中「深層滑動（地滑，Deep-seated Landslide）」之地下水控制技術與前期地工調查技術。核心法規與學理基礎包含：

1. 法規依據： 以命題當年（民國 111 年）法規為準，依據《水土保持技術規範》第七編「崩塌地處理」中關於地滑防治及地下排水工程之規定（第 166 條至第 173 條）。
2. 有效應力原理與極限平衡理論： 依據 Mohr-Coulomb 剪力強度準則，土岩界面的抗剪強度 $\tau_f$ 為： $\tau_f = c' + (\sigma - u) \tan \phi'$ 邊坡極限平衡安全係數（以簡化圓弧滑動法為例）表示為： $FS = \frac{\sum [c' \cdot l + (W \cos \alpha - u \cdot l) \tan \phi']}{\sum W \sin \alpha}$ 深層滑動之主因為滑動面（Slip surface）附近飽和帶或承壓水層形成過高的間隙水壓力 $u$（Pore water pressure），使有效垂直應力 $\sigma' = \sigma - u$ 驟降。地下排水工程之核心目的不在於完全排乾地下水，而在於消除或降低滑動面上的超額間隙水壓、截斷地下水補給源，使邊坡抗滑力提升達到目標安全係數。
3. 深層地下水工法特性： 深層滑動的滑動面深度通常大於 $5 \sim 10\text{ m}$，地表淺溝或淺層盲溝無法作用於破壞面，必須採用立體深層排水措施（如集水井工、排水隧洞工、仰斜排水孔工）。

解題方法

本題為標準的國家考試專業申論題，答題架構應秉持「工程邏輯閉環」：先調查掌握地質水文機制 $\rightarrow$ 據以擬定規劃設計原則 $\rightarrow$ 選定工法細節與配置。

解題切入點區分為兩大主軸：

1. 規劃設計原則：從水理機制、空間配置、結構機能、耐久維護四個維度建立設計通則。
2. 調查工作程序：按「地表 $\rightarrow$ 地下 $\rightarrow$ 水文 $\rightarrow$ 長期監測」的先後邏輯鋪陳調查項目與儀器應用，展現水土保持技師之實務規劃能力。

選項分析（工法評估分析）

本題為申論題型，無選擇題選項。在實務規劃階段，工程師須針對深層地下排水之各替代工法進行適用性評估，以下逐一分析常見工法之適用情境與規劃考量：

1. 集水井工（Drainage Well）：

• 機制與配置：於滑動體中或邊界開挖直徑 $3.5 \sim 4.5\text{ m}$ 之圓形混凝土立井，井壁設集水孔，並以井體為中心向四周主要含水層鑽設放射狀（扇形）集水管（長度約 $20 \sim 50\text{ m}$），井底設置排水管引出邊坡外。
• 評估：適用於滑動深度 $10 \sim 30\text{ m}$、含水層集中且地形具備天然重力排泄落差之區域。為深層滑動最常採用之核心工法。

2. 排水隧洞工（Drainage Tunnel / Adit）：

• 機制與配置：自滑動體下方之安定基岩層開挖隧洞，自隧洞內部向上或向周圍向上鑽設揚昇式集水孔，自下而上截穿並疏降含水層水壓。
• 評估：適用於極大規模、滑動面深度超過 $30\text{ m}$、地表鑽井施工困難且地下水量極為豐沛之深層地滑；工程造價最高，需審慎評估經濟效益。

3. 深層仰斜排水平孔（Deep Horizontal Drain / Subhorizontal Boring）：

• 機制與配置：自坡面由下往上以 $5^\circ \sim 10^\circ$ 仰角向滑動體內部鑽孔，安裝穿孔濾管，長度常達 $30 \sim 100\text{ m}$，鑽穿滑動面進入主要含水帶。
• 評估：施工機具機動性高、工期短，常作為緊急搶修、局部降壓或與集水井搭配之次要截水工法；單孔出水量較易隨時間淤塞。

4. 淺層盲溝／暗渠（Subsurface Trench Drain）：

• 機制與配置：深度僅 $1 \sim 5\text{ m}$ 之開挖回填透水濾料暗溝。
• 評估：不適用作為深層滑動之主體抗滑工法。僅能配置於地表，作為阻截表水入滲轉為地下水之輔助措施。

解題技巧

1. 答題架構化： 切忌條列雜亂文字。採用「一、規劃設計原則（標本兼治、重力自流、立體配置、耐久耐變形）」與「二、調查工作規劃（地形地貌、地質構造、水文地質、動態監測）」的階層式論述。
2. 踩準給分關鍵字（評分規準關鍵詞）：

• 調查：地質鑽探、常時／暴雨地下水位、水壓計（Piezometer）、孔內傾度管（Inclinometer）、透水試驗（$k$ 值）、電阻率影像剖面法（ERT）。

核心觀念

本題評量水土保持工程中「滯洪防災設施」之全流程工程規劃設計能力，以及「離槽式滯洪系統（Off-stream detention basin）」之水理控制機制。本題以命題當年（民國 111 年）法規為準，核心依據為《水土保持技術規範》（特別是滯洪設施篇章）與水利水工設計原理：

1. 水文與防洪標準：依集水區規模、土地利用變化推估開發前、後之洪峰流量及逕流歷線（通常採用合理化公式、單位歷線法或 SCS 曲線號數法），設計重現期距多採 50 年至 100 年洪水位，且規定開發後排放之洪峰流量不得超過開發前洪峰流量（$Q_{out} \le Q_{pre}$）。
2. 水理演算（洪水追蹤）：利用水庫演算法（Storage Indication Method / Modified Puls Method），依質量守恆原理連續求解： $(I_1 + I_2) + \left(\frac{2S_1}{\Delta t} - O_1\right) = \left(\frac{2S_2}{\Delta t} + O_2\right)$ 式中，$I$ 為入流量、$O$ 為出流量、$S$ 為蓄水量、$\Delta t$ 為演算時間間距。
3. 側流堰（Side Weir）水理特性：側流堰平行於主水流方向佈設，屬於「空間變化流（Spatially Varied Flow with Decreasing Discharge）」，透過堰頂高程控制分流門檻，將主槽超出承載能力之洪峰分流至離槽滯洪池。

解題方法

1. 第一子題（設計流程圖）：

• 採系統工程層次切入：基本資料收集調查 $\to$ 水文分析與流量推估 $\to$ 池址與型式配置 $\to$ 池容初估 $\to$ 出水構造物水理設計 $\to$ 水庫演算（檢核排放量） $\to$ 結構與邊坡穩定檢核 $\to$ 成果圖說與維護計畫。
• 繪製具「決策判斷菱形」與「回饋修正迴圈（Feedback Loop）」的完整邏輯流程圖，並輔以各步驟重點說明。

2. 第二子題（側流堰配合滯洪池之運作與優缺點）：

• 運作機制：從「中低常流量」、「洪峰抵達分流」、「洪峰過後排空復原」三階段循序說明水理循環過程。
• 優缺點剖析：從「滯洪容積利用效率」、「排砂與維護難易度」、「主水路防洪安全性」、「工程造價與用地條件」及「水理計算複雜度」多維度對比。

選項分析

本題為專門職業及技術人員高等考試之工程實務申論題，無選擇題選項。

解題技巧

1. 流程圖繪製要點：務必包含「檢核：$Q_{peak, post-routed} \le Q_{peak, pre}$」的決策菱形框；若不符合，箭頭必須拉回「調整出水工尺寸」或「增加滯洪池容積」，體現反覆試算的工程實務特性。
2. 名詞精準度：強調側流堰為「離槽式（Off-stream）」配置，其核心價值在於「僅攔截洪峰頂部水量（Peak skimming）」，切忌寫成一般阻斷河道的主槽溢流堰。
3. 運作完整性：說明側流堰運作時，不可只寫「水滿溢入池中」，必須完整交代「排空機制」（如重力排水平時閥門常閉、或裝設單向拍門/逆止閥、或抽水機），否則滯洪池會喪失下次降雨的蓄洪功能。

【答案】

一、滯洪池之設計流程

（一）設計流程圖

flowchart TD
 A([開始：計畫目標與法規要求]) --> B[基本資料收集與調查\n地形、地質、水文、土地利用]
 B --> C[水文分析與逕流推估\n計算開發前、後洪峰流量及水文歷線]
 C --> D[池址選定與形式配置\n在槽式 / 離槽式、重力排水可行性]
 D --> E[滯洪池容積初步推估\n簡易三角形歷線差法或質量平衡法]
 E --> F[出水與溢洪構造物初步配置\n低流管、主溢洪道、緊急溢洪道]
 F --> G[水庫演算法進行洪水追蹤\n建立 S-O 關係曲線並進行歷程演算]
 G --> H{檢核排放流量\nQ_out ≤ Q_pre ?}
 H -- 否 --> I[調整出水工孔口/堰體尺寸\n或加大池體有效蓄水容積]
 I --> G
 H -- 是 --> J[水工結構穩定與安全檢核\n邊坡穩定、基礎抗滑防傾、滲流檢核]
 J --> K[附屬設施設計\n沉砂池、消能工、維修便道、安全防護]
 K --> L([完成：繪製工程圖說與編定維護管理計畫])

（二）設計步驟詳細說明

1. 資料收集與現地調查：調查集水區邊界、地形數值模型、地質構造、地下水位、土壤入滲率與下游受納水體通水斷面。
2. 水文分析與逕流計算：