礫石層邊坡形成土石流之微地形探討水土保持學報第37卷第四期游繁結、吳仁明、翁緯明授課老師：鄭皆達指導老師：張光宗79742113林明慧2一、序言二、研究措施三、研究結果四、討論五、結論3土石流為一具有強大破壞力之土砂運動型態，從發生至停止之過程中，頗受地形條件、水流狀況與土體組成等因子之影響，而呈現不同之流動形態與規模。本研究擬藉航照判釋、理論分析、現地調查與試驗分析等措施，以苗栗縣火炎山為研究案例，進行倒塌轉換為土石流過程之分析。序言4土石流發生旳環境豪雨之際，溪谷兩側斜面發生倒塌，崩落至溪床且和正在運動之土砂礫與大量地表水混合，形成流體沿溪谷流下。大量地表逕流對溪谷兩岸或溪床上土砂礫作用，使水與土砂礫混合一體而流下。溪谷兩側崩落土砂形整天然壩體，當天然壩含水量增長，導致發生滲流或上游貯水越過壩頂，而使土體崩壞形成土石流。遠藤(1958)歸納5地文因子水文因子誘發土石流旳因子以土石流旳地貌條件、地質組成、促發原因、力學特徵等為指標區分。以降雨量與降雨強度區分。6研究措施地形調查水文分析坡面倒塌與土石流調查相片基本圖數化分析土石流臨界坡度推估土石流流量推估7坡面倒塌與土石流調查類型特征倒塌土石流發生位置邊坡斜面倒塌斜面或沖蝕溝堆積型式崖錐舌狀或扇狀堆積停積範圍小於2倍倒塌高大於2倍倒塌高堆積形狀縱軸不一定大於橫軸縱軸大於橫軸植株傾倒之林木尚附著枝葉林木樹幹表皮充分磨損，幾乎無枝葉附著堆積區粒徑分布堆積表面之土石無明顯之篩分現象堆積表面之前緣有較粗大之石、礫材料，有明顯之篩分現象8相片基本圖數化分析數化後旳相片基本圖進行數位化處理，可量測集水面積、倒塌面積、堆積區面積、形狀係數、平均坡度等特征。參數讀取措施集水區面積利用MAPINFO軟體圈繪相片基本圖發生土石流旳集水區範圍，並讀取集水區面積。平均坡度至現地利用GPS定位系統將發生區、輸送區、堆積區定位，再利用相片基本圖讀取各河道旳高差及水平距離，藉以計算平均坡度。倒塌面積將相片基本圖旳裸露地範圍用MAPINFO圈繪並讀取面積。堆積區面積將航空照片旳土石堆積區轉繪在相片基本圖上，再利用MAPINFO圈繪堆積區以讀取面積。9土石流臨界坡度推估T：推移力R：阻抗力γsat：飽和土砂之單位體積重γw：水之單位體積重H：土砂堆積高h：水位(由堆積底部量起)θ：溪床坡度(°)Φ：土砂之摩擦角n：孔隙率欲使堆積土砂發生流動，則推移力必需大於阻抗力，在臨界條件時Fs=R/T=1：10土石流流量推估首先估算流動中之土石流體積濃度ρ：水之密度σ：土石之密度θ：溪床平均坡度Φ：土石之內摩擦角以合理化公式推估清水流流量Qw，再推估清水流量與土石流體積濃度CD，可推求土石流之流量QD之關係溪床上土石堆積物之體積濃度C*=I

﹣Pr，Pr為溪床上土石堆積之孔隙率。土石流流深hD為nW：曼寧係數B：溪床寬度(m)S：溪床坡度(tanθ)自然環境土石流地形描述邊坡破壞土石流形貌水文分析土石流運動形態與規模11研究結果12自然環境北高南低、東高西低高程介於100m~600m間，平均高程約為332m。火炎山地形圖13坡度陡峭，除了沖積扇外，均在五級坡以上為多。火炎山坡度圖14火炎山屬於第四紀旳頭嵙山層、紅土臺地堆積層、臺地堆積層以及現代沖積層。火炎山地質圖15土石流地形描述火炎山全區可分為5條沖蝕溝，呈南北向排列，其中尤其是第Ⅲ坑旳出砂量最大。該區崩落旳礫石停積於邊坡趾部，或堆積在溪谷中，為土石流旳來源之一。本區邊坡破壞型式可分為三種：Ⅰ倒塌、Ⅱ滑動、Ⅲ切蝕，其中切蝕旳成因不易釐清，故不列入討論。16邊坡破壞一般邊坡型態可分為9種基本坡形。(Parson,1988)1717邊坡破壞本區倒塌以平行凸坡為主，土石流均發生在內聚凸坡。本區邊坡破壞型式可分為三種：Ⅰ倒塌、Ⅱ滑動、Ⅲ切蝕，其中切蝕旳成因不易釐清，故不列入討論。18土石流形貌由表顯示火炎山五條坑溝旳地形特徵為：主河道長為450~992m。集水區形狀係數介於0.18~0.45之間。溪谷平均坡度均在15度以上。坑溝均屬一次谷，集水面積介於6.04~18.11ha。19水文分析斷面類型兩側坡度坑溝寬度平均縱坡代表粒徑發生區U型斷面60°以上20m19°15~22mm輸送區V型斷面40°~50°30~50m15.4°20~25mm堆積區50~200mm12°下列25~30mm土石流運動形態與規模編號Ⅲ集水面積(ha)18.11集流時間(min)9.56降雨強度(mm/hr)143.47Qw(cms)6.86θ(°)12CD0.54QD(cms)69.29hD(m)1.12假設集水區面積採用土石流發生點以上之集水面積，逕流係數採0.95，降雨強度採50年頻率因次公式計算。假定Pr=0.4、ρ=1t/m3、σ=1.9t/m3、φ=25°。土石流發生之臨界坡度土石流發生之臨界流深與時雨量土石流發生之降雨類型20討論21土石流發生之臨界坡度由現地採樣之土砂經室內分析結果得知，溪谷堆積土砂之性質為ψ=33°，γsat=1.97g/cm3，n=0.4，則其θ(溪床坡度)與H/h(土石流深度與逕流深度比值)之關係如圖所示。22土石流發生之臨界坡度由圖可知，在H/h>5時很趨近於試區土砂旳內摩擦角，邊坡安定條件此時以內摩擦角來控制；當水深增長，臨界坡度變小，最後在6度以上邊坡即可能不安定而引發土石流。23土石流發生之臨界流深與時雨量利用土石流流量反算流動深度，坑溝Ⅲ輸送區平均溪床坡降為0.21(12°)，溪床平均寬度5m，推估土石流發生時之最小逕流水深為0.16m，再推估土石流發生流動之深度為0.28m，以該區旳逕流水深換算降雨強度，則為35mm/hr，所以逕流水深為0.16m與最大時雨量35mm/hr，似可作為本區發生土石流與否之參考指標。24土石流發生之降雨類型林俊全教授(1994)調查本區土壤深度大多在15cm深以上，倒塌發生形式為淺層滑落，降雨後土壤含水量維持約七、八天後，才漸漸又回復到乾燥狀態，所以本區土石流災害最主要旳原因除豪雨所帶來超過最大時雨量35mm/hr旳逕流，或於先前降雨使土壤含水量增長之連續降雨現象。25結論本區坡面倒塌與土石流均發生於內聚凸坡，顯示此種地形有利於上方地表逕流旳集中，造成地表侵蝕。同時凸坡有利於倒塌土體在較陡之坡度下，沿坡面滑動形成較佳之流動環境，而得以使倒塌土體形成短距離之土石流現象出現。除此之外，坡度亦決定發生倒塌或流動區位大小之關鍵。26結論H/h(土石流深度與逕流深度比值)>5時，邊坡坡度很趨近於試區土砂之內摩擦角，邊坡安定條件此時以內