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研究生： 陳雅雯
Ya-Wen Chen
論文名稱： 斜坡土體滲流破壞引致土石流之探討
A study on the debris flow incluced by the seepage failure of the natural dam
指導教授： 周憲德
Hsien-Ter Chou
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 133
中文關鍵詞： 土石流 、滲流 、溯源沖刷
外文關鍵詞： headcutting, seepage, debris flow
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    • 本研究藉由渠槽實驗模擬土石壩於小流量下之滲流破壞過程。實驗之壩體由非凝聚性且粒徑均勻之越南矽砂組成，因此本身滲透性高，壩體內滲流面逐漸升高，當滲流至壩體下游邊坡處，從壩趾處開始發生破壞，而滲流造成溯源沖刷，破壞面漸次往壩體上游面發展直至壩體整個潰流。
    本實驗分為二部份：第一部份為壩體未破壞時，壩體內部滲流特性之探討；第二部份為壩體發生破壞時，壩體崩塌速率及崩塌土體流動機制之探討。以實驗資料可得無因次式 ，並以此無因次式來預測非凝聚性土石壩崩潰長度與時間之關係，對斜坡土體滲流破壞引致土石流之預警及疏散有相當之功效。

    The study simulates the process that dam crashed by seepage under small discharge. The composition of dam is non-cohesive and uniform, so that it has high permeability. When the seepage surface arises until seepage reaching the downstream end of dam, the initial failure occurs from the toe. Simultaneously seepage causes headcutting, the gradually develops toward upstream until dam collapsing. The experiments have two parts: the first is discussing the characteristic of seepage before the dam crash; the second is discussing the rate of collapse and the characteristic of fluid soil, when the dam is collapsing.
    According to the experiment data we can find the dimensionless equation to forecasting the relation between the collaped length and elapsed time, the result is very useful for prevention and evacuating the debris flow induced by the seepage failure of the dam.

    目錄 頁次 中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ 英文摘要………………………………………………………………..Ⅱ 目錄……………………………………………………………………..Ⅲ 表目錄…………………………………………………………………..Ⅵ 圖目錄…………………………………………………………………..Ⅷ 符號說明……………………………………………………………..…XI 第一章　諸論……………………………...………….…………………1 1-1 前言……………………………………...……………………1 1-2 研究動機………………………………………………...……2 1-3 研究目的………………………………………………….…..3 1-4 研究方法……………………………………………..……….3 1-5 本文架構……………………………………………...………4 第二章　文獻回顧……………………………...…….………...……….5 2-1 土石流概述…….......................................................................5 2-1-1 土石流之定義……………………………………………5 2-1-2 土石流發生條件………………………………………..6 2-1-3 土石流的類型…………....……………………………..6 2-2 土石流運動行為與溪床坡度之關係………….……………..8 2-2-1 土石流與溪床坡度之關係…………………………….8 2-2-2 發生土石流臨界坡度之公式………………………...10 2-3 土石流動之體積濃度……………………………………….12 2-4 天然土石壩之破壞………………………………………….13 2-5 溯源沖刷之型態……………………………………….........14 2-6 台灣地區土石流概況……………………………………….15 第三章　理論分析…………………………...……………….………..16 3-1 達西定律………………………………………………….…16 3-1-1 達西公式……………………………………………...16 3-1-2 單位入流量與水位之關係......……………………….16 3-2 Dupuit之理論分析………………………………………….18 3-2-1 Dupuit之假設與理論……………………….………..18 3-2-2 單位入流量與水力梯度之關係…………………...…18 3-3 Casagrande Seepage Curve…………….………..…………..19 3-4 因次分析………………….……………………..…………..22 3-5 土石流之平均流速……….……………………..…………..23 3-6 土石流之流變特性……….……………………..…………..25 第四章　滲流破壞引發土石流之實驗……………...……….………..28 4-1 實驗設備…………………………………………………….28 4-2 非凝聚性壩體內部滲流實驗……………………………….29 4-2-1 實驗配置……………………………………………...30 4-2-2 實驗步驟………………………………………….…..30 4-3 非凝聚性長梯形土石壩滲流破壞實驗…………………….30 4-3-1 實驗配置……………………………………………...30 4-3-2 土石流崩壞長度之實驗步驟………………………...32 4-3-3 流動土體孔隙率之實驗步驟………………………...33 4-3-4 流動土體流速之實驗步驟…………………………...33 第五章　結果與討論…………………………....……………………..35 5-1 非凝聚性壩體內部滲流之實驗結果….………...….............35 5-1-1 相同粒徑下壩體單位入流量與水位之關係………...35 5-1-2 相同粒徑下壩體單位入流量與水力梯度之關係…...35 5-1-3 斜坡單位入流量與Dupuit類型公式之相關性……...36 5-1-4 與Casagrande Seepage Curve之比較…….………….36 5-2 非凝聚性長梯形土石壩滲流破壞之實驗結果………….…37 5-2-1 相同粒徑下壩體單位入流量與時間之關係………...37 5-2-2 相同粒徑下壩體崩壞長度與時間之關係...................37 5-2-3 不同粒徑下壩體崩壞長度與時間之關係…………...40 5-2-4 夯實對無因次崩壞長度與時間之關係之影響..…….41 5-2-5 粗糙元對無因次崩壞長度與時間之關係之影響…...43 5-3 流動土體之土壤特性………………………………….……44 5-3-1 流動土體之孔隙率…………………………………...44 5-3-2 流動土體之體積濃度…………………………...…....45 5-4 流動土體之流速特性………………………………….……46 5-4-1 流動土體流量與單位流量之關係………………...…46 5-4-2 流動土體厚度與單位流量之關係…………………...47 5-4-3 流動土體流速與單位流量之關係…………………...47 第六章　結論與建議…………………...…….………………………..49 6-1 結論………………………………………………………….49 6-1-1 非凝聚性壩體內部滲流實驗………………………...49 6-1-2 非凝聚性土石壩滲流破壞實驗………………...……49 6-2 建議………………………………………………………….51 參考文獻……………….………………………………...……………..52 表目錄 頁次 表2.1 泥石流類型、運動及堆積特性………………………………...56 表2.2 溪床坡度與土石流運動行為之關係………………………….57 表2.3 發生土石流之臨界坡度公式………………………………….57 表2.4 台灣近年來發生土石流之地區及激發因素………………….59 表4.1 實驗試體之基本資料………………………………………….62 表4.2 非凝聚性壩體內部滲流實驗相關條件……………………….62 表4.3 非凝聚性長梯型土石壩滲流實驗相關條件………………….63 表4.4 BB彈之物理性質……………………………………………...63 表5.1 上游水位及滲出點水位之關係……………………………….64 表5.2 滲出點水位之比較…………………………………………….65 表5.3 d50=1.48 mm之壩體破壞時間………………………………...65 表5.4 d50=0.58 mm之壩體破壞時間………………………………...66 表5.5 無因次(5.9)式在不同流量及坡度下之a值……......................66 表5.6 夯實之比較………………………………………………….....67 表5.7 不同粗糙元之破壞時間……...………………….…………….67 表5.8 不同粗糙元之a值……………………………….…………….68 表5.9 坡度12°時，流動土體之孔隙率(d50=1.48 mm)………………68 表5.10 坡度16°時，流動土體之孔隙率 (d50=1.48 mm) …………...69 表5.11 坡度20°時，流動土體之孔隙率 (d50=1.48 mm)…………....70 表5.12 坡度24°時，流動土體之孔隙率 (d50=1.48 mm)……………71 表5.13 流動土體之體積濃度( ) (d50=1.48 mm)…………………...72 表5.14 流動土體之流量 (d50=1.48 mm)…………………………….72 表5.15 單位流量( )與流動土體流量( )之關係 (d50=1.48 mm)...73 表5.16 崩塌流動土體之厚度 (d50=1.48 mm)……………………….73 表5.17 崩塌流動土體之平均流速 (d50=1.48 mm)………………….74 表5.18 崩塌流動土體之表面流速 (d50=1.48 mm)………………….74 表5.19 之比值 (d50=1.48 mm)……….………………………75 圖目錄 頁次 圖2.1(a) 礫石型土石流：南投縣豐丘………………………………..76 圖2.1(b) 泥流型土石流：雲南省蔣家溝……………………………..76 圖2.1(c) 一般性土石流：南投縣神木村……………………………..76 圖2.2 堆積土層之應用分佈………………………………………….77 圖2.3 不成熟土石流………………………………………………….77 圖2.4 天然土石壩之三種破壞型態………………………………….78 圖2.5 Holland及Pickup溯源沖刷類型……………………………...79 圖2.6 Gardner溯源沖刷類型………………………………………...79 圖3.1 Δh之示意圖………………………………………………....80 圖3.2 Δh1之示意圖………………………………………………..80 圖3.3 Dupuit理論假設示意圖……………………………………….81 圖3.4 Dupuit一維滲流公式示意圖………………………………….81 圖3.5 Casagrande Seepage Curve示意圖(1)……….………………...82 圖3.6 Casagrande Seepage Curve示意圖(2)……….………………...82 圖4.1 實驗設備圖…………………………………………………….83 圖4.2 底床粗糙元（中值粒徑為1.48 mm）…………………………..83 圖4.3 調節渠槽坡度之螺旋桿……………………………………….84 圖4.4 流量計………………………………………………………….84 圖4.5 實驗試體之粒徑分佈圖……………………………………….85 圖4.6 試體模型……………………………………………………….85 圖4.7 非凝聚性壩體內部滲流實驗流程圖………………………….86 圖4.8 滲流破壞造成壩體潰流之歷程……………………………….87 圖4.9 同時發生滲流及溢流破壞造成壩體潰流之歷程…………….88 圖4.10 溢流沖蝕破壞造成壩體潰流之歷程…………………..…….89 圖4.11 非凝聚性土石壩滲流破壞實驗流程圖………………….…..90 圖4.12 非凝聚性土石壩孔隙率實驗流程圖………………………...91 圖4.13 非凝聚性土石壩崩塌土體流動速度實驗流程圖…………...92 圖5.1 單位入流量與滲入點水位之關係圖………………………….93 圖5.2 單位入流量與滲出點水位之關係圖…………………….……93 圖5.3 單位入流量與Δh/Lb之關係圖………………………….….94 圖5.4 單位入流量與Δh1/Lb之關係圖………………………….…94 圖5.5 單位入流量與(hs+h2)/2×Δh/Lb之關係圖………………….…95 圖5.6 單位入流量與(hs+h2)/2×Δh1/Lb之關係圖……………………95 圖5.7 單位入流量與[(hs+h2)/2]0.7×Δh/Lb之關係圖………………96 圖5.8 單位入流量與[(hs+h2)/2]1.6×Δh1/Lb之關係圖………………..96 圖5.9 滲出點之比較………………………………………………….97 圖5.10 單位入流量與破壞時間之關係圖(d50=1.48mm)……………97 圖5.11 單位入流量與破壞時間之關係圖(d50=0.58mm)………...….98 圖5.12 無因次參數示意圖…………………………………………...98 圖5.13 值與無因次崩壞長度及時間之關係圖……………………99 圖5.14 坡度16°流量2.78cm2/sec，崩壞長度與時間之關係圖……...99 圖5.15 坡度16°流量3.47cm2/sec，崩壞長度與時間之關係圖…….100 圖5.16 坡度16°流量4.17 cm2/sec，崩壞長度與時間之關係圖……100 圖5.17 坡度16°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….101 圖5.18 坡度20°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….101 圖5.19 坡度24°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….102 圖5.20 16°、4.17 cm2/sec下，崩壞長度與時間之關係圖………..…102 圖5.21 20°、4.17 cm2/sec下，崩壞長度與時間之關係圖…………..103 圖5.22 24°、4.17 cm2/sec下，崩壞長度與時間之關係圖…………..103 圖5.23 坡度16°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….104 圖5.24 坡度20°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….104 圖5.25 坡度24°，不同單位流量下崩壞長度與時間之關係圖…….105 圖5.26 夯實器……………………………………………………….105 圖5.27 不同夯實下崩壞長度與時間之關係圖(20°、2.78 cm2/sec)……....106 圖5.28 不同夯實下崩壞長度與時間之關係圖(20°、3.47 cm2/sec)……....106 圖5.29 不同夯實下崩壞長度與時間之關係圖(20°、4.17 cm2/sec)……....107 圖5.30 不同夯實下崩壞長度與時間之關係圖(20°、4.86 cm2/sec)……....107 圖5.31 底床粗糙元中值粒徑為7.85 mm俯視圖...………………..108 圖5.32 底床粗糙元中值粒徑為7.85 mm側視圖...………………..108 圖5.33 粗糙元d50 = 7.85 mm(平坦)崩壞長度與時間之關係圖…..109 圖5.34 粗糙元d50 = 7.85 mm(凹凸)崩壞長度與時間之關係圖…..109 圖5.35 粗糙元d50=7.85 mm (凹凸)之流動土石分層現象………...110 圖5.36 不同坡度下，單位流量與孔隙率之關係圖………………...110 圖5.37 不同坡度下，單位流量與體積濃度之關係圖……………...111 圖5.38 不同流量下，坡度與體積濃度之關係圖…………………...111 圖5.39 單位流量與流動土體流量之關係圖……………………….112 圖5.40 單位流量與流動土體厚度之關係圖……………………….112 圖5.41 不同坡度下，單位流量與流動平均流速之關係圖…….......113 圖5.42 不同坡度下，單位流量與流動表面流速之關係圖………...113 圖5.43 不同坡度下，單位流量與 之關係圖…………….......114

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