斜坡土體滲流崩壞及轉化為土石流之過程｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	王禎麟 Zhen-Lin Wang
論文名稱：	斜坡土體滲流崩壞及轉化為土石流之過程 An experimental study on the failure and mobilization of landslide dams induced by seepage
指導教授：	周憲德 Hsein-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：	92
語文別：	中文
論文頁數：	149
中文關鍵詞：	崩塌、滲流破壞、溯源沖刷、土石流
外文關鍵詞：	debris flow, landslide, head-cutting, seepage
相關次數：	點閱：11 下載：0
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本研究以渠槽實驗模擬斜坡上之天然土石壩受滲流破壞而造成溯源崩塌，其破壞土體逐漸飽和，進而轉化為土石流之過程。壩體受滲流破壞轉化成土石流之過程可分為三個階段：1.壩體受滲流水流沖蝕而使得土體發生崩塌。2.崩塌土體會呈暫時性堆積、停止之情形，待水流與崩塌土體充分混合達到飽和狀態。3.崩塌土體流體化而轉化成土石流向下游面流動。坡度、單位寬入流量越大，則崩塌土體流體化之速度越快。
實驗內容包含土石壩之滲流破壞及壩體受滲流破壞轉化為土石流之情形。土石壩滲流破壞之無因次崩塌距離與崩塌時間之關係為l''=at''+b(t'')^2，當坡度、單位寬入流量越大，則壩體崩塌速率越快。土體流動實驗中，當坡度、單位寬入流量越大，則土體流體化之速度越快。土體之流動情形呈間歇性之流動，土體表面之流速分佈成栓部形狀。中值粒徑d50=1.48 mm及d50=0.58 mm之流動土體體積濃度約在0.31～0.47及0.25～0.47之間。本實驗結果對於天然土石壩滲流崩塌破壞轉化為土石流之預警及避難有所助益。

The characteristics of debris flow generated by the seepage failure of landslide dams are experimentally studied using an inclined slump with slope verying from 16° to 24° in this study. The failure of landslide dams is triggered by toe failure first, then followed by progressive head-cutting process. The head-cutting process induced by seepage can be divided to three phases. First, the dam slumped by seepage erosion. Second, the unsaturated soil became saturated by the mixing of upstream water flow. Third, the saturated slumped block moved as debris flow. The liquefaction process of the slumped block becomes more quickly when either the slope or the inflow increases.
The experimental data of the characteristics of the head-cutting are analyzed by dimensional analysis. The dimensionless equation fits the relationship between the collapsed length and elapsed time well. The parabolic velocity profile be at fluid surface was observed in the experiments. Concentration of debris flow, is 0.25~0.47 for large grains and 0.31~0.47 for small grains.

目錄
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…………………………………………………………………………………XIV
第一章  緒論 ……………………………………………………………………………1
1.1  前言	…………………………………………………………………………………1
1.2  研究動機與目的……………………………………………………………………2
1.3  研究方法……………………………………………………………………………2
1.4  本文架構……………………………………………………………………………3
第二章  文獻回顧………………………………………………………………………4
2.1  土石流之定義………………………………………………………………………4
2.2  土石流的特性………………………………………………………………………5
2.3  土石流的類型………………………………………………………………………6
2.4  土石流的體積濃度…………………………………………………………………8
2.5  土石流與溪床坡度的關係…………………………………………………………10
2.6  土石流發生機制與臨界條件………………………………………………………11
2.7  堰塞湖之成因與分類………………………………………………………………13
2.8  堰塞湖天然壩之破壞機制…………………………………………………………16
2.9  溯源沖刷之型態……………………………………………………………………17
第三章  理論分析………………………………………………………………………19
3.1  斜坡堆積土體崩壞模式……………………………………………………………19
3.2  因次分析……………………………………………………………………………23
3.3  土石流之流變特性與流速…………………………………………………………25
第四章  滲流破壞引發土石流之實驗…………………………………………………29
4.1  實驗設備……………………………………………………………………………29
4.2  非凝聚性長梯形土石壩滲流破壞實驗……………………………………………30
4.2.1  實驗配置…………………………………………………………………………30
4.2.2  土石流崩壞長度之實驗步驟……………………………………………………30
4.2.3  流動土體流速之實驗步驟………………………………………………………32
4.2.4  流動土體體積濃度之實驗步驟…………………………………………………33
第五章  結果與討論	……………………………………………………………………35
5.1  非凝聚性壩體滲流破壞之特性……………………………………………………35
5.2  壩體無因次崩塌長度與崩塌時間的關係…………………………………………36
5.2.1  相同粒徑下壩體崩塌長度與崩塌時間的關係…………………………………37
5.2.2  不同粒徑下壩體崩塌長度與崩塌時間的關係…………………………………38
5.2.3  不同壩高之壩體崩塌長度與崩塌時間的關係…………………………………39
5.2.4  夯實對無因次崩塌長度與崩塌時間關係之影響………………………………40
5.2.5  邊牆對無因次崩塌長度與崩塌時間關係之影響………………………………42
5.2.6  粗糙元對無因次崩塌長度與崩塌時間關係之影響……………………………43
5.3  壩體上游單位寬入流量與崩壞時間之關係………………………………………44
5.3.1  上游水位平衡時間與壩趾處滲流破壞時間之關係……………………………44
5.3.2  單位寬入流量與壩體潰決時間之關係…………………………………………44
5.3.3  單位寬入流量與單位時間內運移之砂土體積之關係…………………………45
5.4  土體流動之流速特性………………………………………………………………46
5.4.1  土體流動情形及流速剖面………………………………………………………46
5.4.2  土體流體化之移動距離與時間之關係…………………………………………47
5.4.3  流動土體流速與坡度、單位寬入流量之關係…………………………………48
5.5  流動土體之體積濃度………………………………………………………………49
5.6  流動土體之體積濃度測定…………………………………………………………52
第六章  結論與建議……………………………………………………………………53
6.1  結論…………………………………………………………………………………53
6.2  建議…………………………………………………………………………………54
參考文獻…………………………………………………………………………………55
表目錄
表2.1 泥石流類型、運動及堆積特性(崔之久，1999)………………………………58
表2.2 溪床坡度與土石流運動行為之關係(高橋保，1997)…………………………59
表2.3 發生土石流之臨界公式(修改自何敏龍，1997)………………………………59
表2.4 堰塞湖之大小等級劃分標準……………………………………………………61
表2.5 台灣堰塞湖之大小等級劃分結果（經濟部水利署，2003）…………………61
表4.1 實驗試體之基本資料……………………………………………………………62
表4.2 非凝聚性長梯型土石壩滲流實驗相關條件(1)…………………………………62
表4.2 非凝聚性長梯型土石壩滲流實驗相關條件(2)…………………………………63
表4.2 非凝聚性長梯型土石壩滲流實驗相關條件(3)…………………………………63
表4.3 BB彈之物理性質…………………………………………………………………63
表5.1 無因次(5.1)式在不同流量及坡度下之a值……………………………………64
表5.2 非凝聚性土石壩之孔隙率………………………………………………………65
表5.3 d50=1.48 mm、H=10cm、無夯實之壩體破壞時間………………………………66
表5.4 d50=1.48 mm、H=10cm、有夯實之壩體破壞時間(陳雅雯，2003)……………66
表5.5 d50=0.58 mm、H=10cm、無夯實之壩體破壞時間………………………………66
表5.6 d50=0.58 mm、H=10cm、有夯實之壩體破壞時間(陳雅雯，2003)……………67
表5.7 坡度20°時，不同底床粗糙元之破壞時間………………………………………67
表5.8 上游水位平衡所需之時間與壩趾處發生破壞之時間…………………………67
表5.9 d50=1.48 mm、H=13cm、有夯實之壩體破壞時間………………………………68
表5.10 壩體無因次之潰壩時間( )與無因次單位寬入流量( )之關係………………68
表5.11 不同條件下，單位寬度、單位時間內壩體運移之砂土體積…………………69
表5.12 流動土體之流動距離(d50=1.48 mm、θ=24°、q=3.47cm2/sec)……………70
表5.13 流動土體之流速剖面(d50=1.48 mm、θ=24°、q=3.47cm2/sec)……………70
表5.14 崩塌土體流體化之移動距離與時間(H=10cm、d50=1.48)……………………71
表5.15 坡度24°時，流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm)……………………………72
表5.16 坡度20°時，流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm)……………………………73
表5.17 坡度16°時，流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm)……………………………74
表5.18 坡度24°時，流動土體之體積濃度(d50=0.58 mm)……………………………75
表5.19 坡度20°時，流動土體之體積濃度(d50=0.58 mm)……………………………76
表5.20 坡度16°時，流動土體之體積濃度(d50=0.58 mm)……………………………77
表5.21 流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm，C0 =0.2、 =90°)………………………78
表5.22 流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm，C0 =0.3、 =90°)………………………78
表5.23 流動土體之體積濃度(d50=1.48 mm，C0 =0.4、 =90°)………………………78
圖目錄
圖2.1 土石流流動之縱斷面及橫斷面示意圖(詹錢登，2000)…………………………79
圖2.2 土石流各區段示意圖 (修改自Turner & Schuster，1996)……………………79
圖2.3 土石流各區段之坡度關係圖………………………………………………………80
圖2.4 礫石型土石流：南投縣豐丘村 (詹錢登，1996.8.21)…………………………80
圖2.5 泥流型土石流：雲南省蔣家溝 (詹錢登，1999.8.7)……………………………81
圖2.6 一般性土石流：南投縣神木村(詹錢登，1996.8.21)……………………………81
圖2.7 堆積土層之應用分佈（高橋保，1997）…………………………………………82
圖2.8 土砂運動型態與底床坡度 及摩擦坡度 之關係（陳晉琪，1999）……………82
圖2.9 天然土石壩之三種破壞型態 (高橋保，1997)……………………………………83
圖2.10 Holland及Pickup溯源沖刷類型（1976）………………………………………84
圖2.11 Gardner溯源沖刷類型（1983）…………………………………………………84
圖3.1 土體滲流破壞之示意圖……………………………………………………………85
圖3.2 土體顆粒受逕流力、滲流力、重力之示意圖……………………………………85
圖3.3 水力梯度之示意圖…………………………………………………………………86
圖4.1 實驗設備圖…………………………………………………………………………87
圖4.2 調節渠槽坡度之螺旋桿……………………………………………………………87
圖4.3 底床粗糙元（中值粒徑d50=7.85 mm）…………………………………………88
圖4.4 面積式流量計………………………………………………………………………88
圖4.5 實驗試體之粒徑分佈圖……………………………………………………………89
圖4.6 自製夯實器…………………………………………………………………………89
圖4.7 非凝聚性土石壩滲流破壞實驗流程圖……………………………………………90
圖4.8 流動土體流速之實驗流程圖………………………………………………………91
圖4.9 流動土體體積濃度之實驗流程圖…………………………………………………92
圖5.1 滲流破壞造成壩體潰流之歷程……………………………………………………93
圖5.2 同時發生滲流及溢流破壞造成壩體潰流之歷程…………………………………94
圖5.3 溢流沖蝕破壞造成壩體潰流之歷程………………………………………………95
圖5.4 無因次參數示意圖…………………………………………………………………96
圖5.5  值與無因次崩壞長度及時間之關係圖…………………………………………96
圖5.6 崩壞長度與時間之關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =2.78cm2/sec)…97
圖5.7 崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =3.47cm2/sec)……97
圖5.8 崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =4.17cm2/sec)……98
圖5.9 崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =4.86cm2/sec)……98
圖5.10 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°)…………99
圖5.11 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°)…………99
圖5.12 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =20°)…………100
圖5.13 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =20°)…………100
圖5.14 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)…………101
圖5.15 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)…………101
圖5.16 不同流量下崩塌長度與時間之階梯圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°)………102
圖5.17 不同流量下崩壞長度與時間之階梯圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =20°)………103
圖5.18 不同流量下崩壞長度與時間之階梯圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)………104
圖5.19 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =24°)…………105
圖5.20 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =24°)…………105
圖5.21 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =20°)…………106
圖5.22 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =20°)…………106
圖5.23 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =16°)…………107
圖5.24 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =16°)…………107
圖5.25 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =24°)…………108
圖5.26 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =24°)…………108
圖5.27 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =20°)…………109
圖5.28 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =20°)…………109
圖5.29 不同流量之崩壞長度與時間關係圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =16°)…………110
圖5.30 不同流量之崩壞長度與時間曲線圖(H=13cm、d50=1.48mm、 =16°)…………110
圖5.31 不同單位寬入流量下之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)111
圖5.32 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°)………112
圖5.33 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =20°)………112
圖5.34 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)………113
圖5.35 側視與上視之土體崩塌情形………………………………………………………113
圖5.36 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =24°)………114
圖5.37 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =20°)………114
圖5.38 側視與上視之崩壞長度與時間曲線圖(H=10cm、d50=0.58mm、 =16°)………115
圖5.39 壩體上游單位入流量與崩壞時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm)………………115
圖5.40 壩體上游單位入流量與崩壞時間之關係(H=10cm、d50=0.58mm)………………116
圖5.41 壩體上游單位入流量與崩壞時間之關係(H=13cm、d50=1.48mm)………………116
圖5.42 壩體無因次之潰壩時間( )與無因次單位寬入流量( )之關係…………………117
圖5.43 單位入流量與單位時間內之壩體運移砂土體積之關係(H=10cm、d50=1.48mm)	117
圖5.44 單位入流量與單位時間內之壩體運移砂土體積之關係(H=10cm、d50=0.58mm)	118
圖5.45 壩體內BB彈之舖設情形……………………………………………………………118
圖5.46 崩塌土體流動情形(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =3.47cm2/sec)…………119
圖5.47 土體移動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =3.47cm2/sec)	120
圖5.48 流動土體橫斷面之平均流速(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°、 =3.47cm2/sec)	120
圖5.49 坡度、入流量與土體流動化之速度之關係(H=10cm、d50=1.48mm)……………121
圖5.50 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =24°)………121
圖5.51 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =20°)………122
圖5.52 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =16°)………122
圖5.53 不同坡度下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =2.78cm2/sec)123
圖5.54 不同坡度下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =3.47cm2/sec)123
圖5.55 不同坡度下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=1.48mm、 =4.17cm2/sec)124
圖5.56 坡度、入流量與土體表面平均流速之關係(H=10cm、d50=1.48mm)………………124
圖5.57 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=0.58mm、 =24°)…………125
圖5.58 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=0.58mm、 =20°)…………125
圖5.59 不同流量下土體流動距離與時間之關係(H=10cm、d50=0.58mm、 =16°)…………126
圖5.60 坡度、入流量與土體表面平均流速之關係(H=10cm、d50=0.58mm)………………126
圖5.61 不同坡度、入流量與流動土體體積濃度之關係(H=10cm、d50=1.48mm)…………127
圖5.62 不同坡度、入流量與流動土體體積濃度之關係(H=10cm、d50=0.58mm)…………127
圖5.63 土體體積濃度與土石流發生坡度之關係(H=10cm、d50=1.48mm)…………………128
圖5.64 土體體積濃度與土石流發生坡度之關係(H=10cm、d50=0.48mm)…………………128
圖5.65 流動土體體積濃度測定實驗示意圖(d50=1.48mm、 =90°)…………………………129

                                

參考文獻
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