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摘要：本研究旨藉由水槽试验探讨河道水位变化对岸壁稳定之影响，并与岸壁崩塌模式比对分析，相互验证结果之合理性。首先针对重要影响参数进行因次分析，并采用 3 个具代表性的无因次参数进行试验案例的设计。正式试验前，先选用 2组案例进行重复性试验，完成试验流程与方法可行性的验证。试验材料采用硅砂与高岭土混合，量测项目包括岸壁地下水位、河道水位、岸壁破坏位置及破坏面角度，并进行土壤基本参数试验，含筛分析、直接剪力及定水头渗透性试验等。依据试验结果，探讨河道水位下降速度、岸壁坡度及初始河道水位对岸壁稳定性之影响。最后，本研究采用 Chiang（2011）发展之岸壁崩塌模式进行模拟比对分析，求解孔隙水压及岸壁稳定安全系数，藉以研判其稳定性，分析结果显示模拟结果与量测值之整体趋势相符。
关键词：河道水位变化；孔隙水压；水槽试验；光纤光栅水压计；岸壁崩塌模式
一、研究动机与目的
台湾岛为欧亚板块及菲律宾海板块相互挤压而形成，地震发生频繁、地形陡峭、地质脆弱、河川短而湍急、豪雨集中且延时长之自然环境特性，使得河岸易受崩塌、冲蚀等破坏。在天然情况下，河流总是处在不断的变化与发展过程之中。但随着社会的发展需求、人为活动频繁、跨河建造物之兴建如：水库、拦河设施、桥梁、固床工等造成河川流况不稳定，河川形态随天然演变之规则，因而河道冲刷、淤积、摆荡行为变异颇大，影响两岸的防洪、工农业生産及岸边生态环境。于台洪时期，更由于坡陡流急，洪水历程急促，导致河道水位变化剧烈，危及河防建造物之安全及两岸土地之安定。因此，了解河岸的破坏机制，不论就河川治理规划方面，如治理计画线之拟定；或河川管理方面，如高滩地利用管理，都已成为重要的研究课题。本研究之目的在于探讨河道水位变化引发岸壁破坏之行为，考量不同岸壁几何特性与河道水位变化等条件，藉由水槽试验厘清岸壁崩塌造成的河岸破坏机制，并加入数值模式依据试验案例条件进行模拟，比对分析模拟结果与试验量测值，相互验证结果之合理性。
二、试验规划
2.1 试验水槽
本试验于一长 216.4 cm、宽 28.4 cm、高 49.2 cm、厚度 0.8 cm 之透明压克力水槽进行。水槽内部装设有透明压克力隔板，将水槽分为主要试验段与蓄水段，隔板上布满密集之钻孔（直径 0.3 cm，间距 0.3 cm），主要功能为整流及消除气泡之用。主要试验段全长 170 cm，右端约长 70 cm 段为预定岸壁铺设位置，左侧蓄水段长 22 cm。本试验利用抽水马达提供动力对水槽内部抽水，模拟河道水位泄降过程。抽水系统装设于水槽下方，并连接水管至水槽蓄水段底部抽水，于水管开口周围放置玻璃珠，以消除抽取水流时产生之动能。当启动马达开始泄降水位时，可控制连接管路上的球阀开度，调整抽水量改变河道水位下降速度。
2.2 试验流程规划
本试验流程规划分为试验前置作业与试验过程两部分，整体试验流程规划，以下分别说明各部分试验项目并概述其内容。
（1）试验前置作业
1.试验材料制作：准备试验材料，本研究试验材料包含硅砂与高岭土两种试验土壤。
2.土壤基本参数试验：为了解试验土壤基本性质，本研究针对试验土壤进行室内试验，包含筛分析试验、直接剪力试验及定水头渗透性试验等。
3.试验岸壁铺设：将试验材料堆置于水槽中，并分层夯实土体，接着使用刮板去除多余试验材料，逐步调整岸壁坡面至所需角度。
4.试验初始条件设定：缓慢地提供水流至蓄水段，待河道水位上升至预定高度后，静置一段时间，等候岸壁土体达到试验初始条件。
（2）试验过程
1.量测仪器设置：依据量测项目设置试验仪器。
2.河道水位泄降：启动抽水马达以泄降河道水位，并调整球阀开度以控制水位下降速度。
3.记录试验过程：量测试验结果与记录过程。
4.试验结束，改变试验条件，重复上述步骤。
兹将上述试验步骤，包括试验材料制作、试验岸壁铺设、试验初始条件设定及量测仪器设置，分别于以下小节详细说明试验内容。
三、试验结果分析
3.1 土壤基本参数分析
在试验进行之初，须先得知试验材料基本性质，而就本试验而言，所需求得土壤基本性质包含粒径大小、土壤内摩擦角、凝聚力与水力传导系数等，对应上述各项基本性质，本研究可分别利用筛分析试验（分析硅砂粒径）、直接剪力试验（分析土壤内摩擦角与凝聚力）与定水头试验（分析水力传导系数）求得，以下分别说明试验方法并将试验结果汇整于。
3.2 试验现象说明
本试验之岸壁破坏现象皆为相似，故挑选案例 V1 之试验结果作为代表案例，说明试验案例之岸壁破坏型态，破坏过程，由于本研究使用之试验材料属于凝聚性土壤，水力传导系数小，水份在土体内传递速度慢，岸壁具有较好的保水性，故在河道水位开始泄降后，侧向给予岸壁支撑的静水压力减小，岸壁土体孔隙水压消散较缓，地下水位仍维持相对较高，而停留在土体内部的水份增加了岸壁的重量，导致岸壁处于不稳定的状态。岸壁是否会发生崩塌破坏，主要取决于潜在的临界破坏面上促使岸壁土体滑动的力与土体抵抗滑动的力之间的对比关系，因此当河道水位持续下降，静水压力给予岸壁的支撑力小于土体的下滑力时，此时高滩地表面产生张力裂缝，且张力裂缝随时间变宽且深度向下发展，土体下滑力增加的速度远大于抗滑力，岸壁稳定性大幅降低，最终岸壁发生崩塌破坏，而岸壁前端的破坏块体在重力作用下，随着河道水位下降，沿破坏面缓缓向前滑动。在岸壁内地下水位分布方面，材料具凝聚性，土壤水力传导系数小，因此当河道水位泄降，土体内地下水面线会随之下降，惟河道水位泄降初期，量测位置在接近岸壁坡面处之地下水位量测值相对低于河道水位，使地下水面线呈现非平滑曲线，其原因可能为本研究于试验之初，覆盖一压克力挡板于岸壁坡面上，此时岸壁土体呈现受压状态，因此初始地下水位量测值相对较高，开始泄降河道水位时将挡板抽出，此步骤可能导致土体解压，使得接近坡面处地下水位量测值呈现相对较大的变化量，此现象随着岸壁坡度愈小或河道水位下降速度愈慢而愈不明显，其原因可能为岸壁坡度愈小时坡面位置愈远离地下水位量测处，使得影响程度较小；当河道水位下降速度愈慢，则量测处地下水位具有足够时间回复，故此现象相对不明显。
四、结论与建议
4.1 结论
（1）由于试验岸壁土壤性质及几何形状相同，岸壁发生崩塌时的破坏面位置约略相同，且破坏时河道水位相近，因此当河道水位下降速度愈快时，岸壁发生破坏的时间会愈早。
（2）在相同土壤性质情况下，岸壁坡度愈大时，破坏面以上饱和土体区域愈大，造成作用于岸壁的上举力愈大，土体稳定性相对降低，故当岸壁坡度愈大时，发生破坏的时间会愈早。
4.2 建议
（1）本试验使用的岸壁土体铺设材料随着高岭土的添加比例增加，可以使得试验材料的凝聚力提升，若要模拟不同土壤性质之试验材料，可以由混合材料的配比或加入不同粒径之硅砂，作进一步的讨论。
（2）本研究所探讨之试验岸壁，属于均质且岸壁坡度较大之土体，破坏面主要以平面破坏呈现，因此本试验量测裂缝处至坡趾连线之夹角，可合理反应破坏面角度，然而岸壁土壤组成为非均质且岸壁坡度较小，则其破坏型态主要为圆弧破坏呈现（Hagerty，1991），则须量测整体破坏面形状变化，以更为符合实际破坏面角度。
参考文献：
[1]刘邦崇（2001），「以砂箱试验探讨地下水渗流对边坡崩坏之影响。
[2]蓝少村（2008），「降雨导致浅层边坡破坏之模型试验与分析」。
关键词：河道水位变化；孔隙水压；水槽试验；光纤光栅水压计；岸壁崩塌模式
一、研究动机与目的
台湾岛为欧亚板块及菲律宾海板块相互挤压而形成，地震发生频繁、地形陡峭、地质脆弱、河川短而湍急、豪雨集中且延时长之自然环境特性，使得河岸易受崩塌、冲蚀等破坏。在天然情况下，河流总是处在不断的变化与发展过程之中。但随着社会的发展需求、人为活动频繁、跨河建造物之兴建如：水库、拦河设施、桥梁、固床工等造成河川流况不稳定，河川形态随天然演变之规则，因而河道冲刷、淤积、摆荡行为变异颇大，影响两岸的防洪、工农业生産及岸边生态环境。于台洪时期，更由于坡陡流急，洪水历程急促，导致河道水位变化剧烈，危及河防建造物之安全及两岸土地之安定。因此，了解河岸的破坏机制，不论就河川治理规划方面，如治理计画线之拟定；或河川管理方面，如高滩地利用管理，都已成为重要的研究课题。本研究之目的在于探讨河道水位变化引发岸壁破坏之行为，考量不同岸壁几何特性与河道水位变化等条件，藉由水槽试验厘清岸壁崩塌造成的河岸破坏机制，并加入数值模式依据试验案例条件进行模拟，比对分析模拟结果与试验量测值，相互验证结果之合理性。
二、试验规划
2.1 试验水槽
本试验于一长 216.4 cm、宽 28.4 cm、高 49.2 cm、厚度 0.8 cm 之透明压克力水槽进行。水槽内部装设有透明压克力隔板，将水槽分为主要试验段与蓄水段，隔板上布满密集之钻孔（直径 0.3 cm，间距 0.3 cm），主要功能为整流及消除气泡之用。主要试验段全长 170 cm，右端约长 70 cm 段为预定岸壁铺设位置，左侧蓄水段长 22 cm。本试验利用抽水马达提供动力对水槽内部抽水，模拟河道水位泄降过程。抽水系统装设于水槽下方，并连接水管至水槽蓄水段底部抽水，于水管开口周围放置玻璃珠，以消除抽取水流时产生之动能。当启动马达开始泄降水位时，可控制连接管路上的球阀开度，调整抽水量改变河道水位下降速度。
2.2 试验流程规划
本试验流程规划分为试验前置作业与试验过程两部分，整体试验流程规划，以下分别说明各部分试验项目并概述其内容。
（1）试验前置作业
1.试验材料制作：准备试验材料，本研究试验材料包含硅砂与高岭土两种试验土壤。
2.土壤基本参数试验：为了解试验土壤基本性质，本研究针对试验土壤进行室内试验，包含筛分析试验、直接剪力试验及定水头渗透性试验等。
3.试验岸壁铺设：将试验材料堆置于水槽中，并分层夯实土体，接着使用刮板去除多余试验材料，逐步调整岸壁坡面至所需角度。
4.试验初始条件设定：缓慢地提供水流至蓄水段，待河道水位上升至预定高度后，静置一段时间，等候岸壁土体达到试验初始条件。
（2）试验过程
1.量测仪器设置：依据量测项目设置试验仪器。
2.河道水位泄降：启动抽水马达以泄降河道水位，并调整球阀开度以控制水位下降速度。
3.记录试验过程：量测试验结果与记录过程。
4.试验结束，改变试验条件，重复上述步骤。
兹将上述试验步骤，包括试验材料制作、试验岸壁铺设、试验初始条件设定及量测仪器设置，分别于以下小节详细说明试验内容。
三、试验结果分析
3.1 土壤基本参数分析
在试验进行之初，须先得知试验材料基本性质，而就本试验而言，所需求得土壤基本性质包含粒径大小、土壤内摩擦角、凝聚力与水力传导系数等，对应上述各项基本性质，本研究可分别利用筛分析试验（分析硅砂粒径）、直接剪力试验（分析土壤内摩擦角与凝聚力）与定水头试验（分析水力传导系数）求得，以下分别说明试验方法并将试验结果汇整于。
3.2 试验现象说明
本试验之岸壁破坏现象皆为相似，故挑选案例 V1 之试验结果作为代表案例，说明试验案例之岸壁破坏型态，破坏过程，由于本研究使用之试验材料属于凝聚性土壤，水力传导系数小，水份在土体内传递速度慢，岸壁具有较好的保水性，故在河道水位开始泄降后，侧向给予岸壁支撑的静水压力减小，岸壁土体孔隙水压消散较缓，地下水位仍维持相对较高，而停留在土体内部的水份增加了岸壁的重量，导致岸壁处于不稳定的状态。岸壁是否会发生崩塌破坏，主要取决于潜在的临界破坏面上促使岸壁土体滑动的力与土体抵抗滑动的力之间的对比关系，因此当河道水位持续下降，静水压力给予岸壁的支撑力小于土体的下滑力时，此时高滩地表面产生张力裂缝，且张力裂缝随时间变宽且深度向下发展，土体下滑力增加的速度远大于抗滑力，岸壁稳定性大幅降低，最终岸壁发生崩塌破坏，而岸壁前端的破坏块体在重力作用下，随着河道水位下降，沿破坏面缓缓向前滑动。在岸壁内地下水位分布方面，材料具凝聚性，土壤水力传导系数小，因此当河道水位泄降，土体内地下水面线会随之下降，惟河道水位泄降初期，量测位置在接近岸壁坡面处之地下水位量测值相对低于河道水位，使地下水面线呈现非平滑曲线，其原因可能为本研究于试验之初，覆盖一压克力挡板于岸壁坡面上，此时岸壁土体呈现受压状态，因此初始地下水位量测值相对较高，开始泄降河道水位时将挡板抽出，此步骤可能导致土体解压，使得接近坡面处地下水位量测值呈现相对较大的变化量，此现象随着岸壁坡度愈小或河道水位下降速度愈慢而愈不明显，其原因可能为岸壁坡度愈小时坡面位置愈远离地下水位量测处，使得影响程度较小；当河道水位下降速度愈慢，则量测处地下水位具有足够时间回复，故此现象相对不明显。
四、结论与建议
4.1 结论
（1）由于试验岸壁土壤性质及几何形状相同，岸壁发生崩塌时的破坏面位置约略相同，且破坏时河道水位相近，因此当河道水位下降速度愈快时，岸壁发生破坏的时间会愈早。
（2）在相同土壤性质情况下，岸壁坡度愈大时，破坏面以上饱和土体区域愈大，造成作用于岸壁的上举力愈大，土体稳定性相对降低，故当岸壁坡度愈大时，发生破坏的时间会愈早。
4.2 建议
（1）本试验使用的岸壁土体铺设材料随着高岭土的添加比例增加，可以使得试验材料的凝聚力提升，若要模拟不同土壤性质之试验材料，可以由混合材料的配比或加入不同粒径之硅砂，作进一步的讨论。
（2）本研究所探讨之试验岸壁，属于均质且岸壁坡度较大之土体，破坏面主要以平面破坏呈现，因此本试验量测裂缝处至坡趾连线之夹角，可合理反应破坏面角度，然而岸壁土壤组成为非均质且岸壁坡度较小，则其破坏型态主要为圆弧破坏呈现（Hagerty，1991），则须量测整体破坏面形状变化，以更为符合实际破坏面角度。
参考文献：
[1]刘邦崇（2001），「以砂箱试验探讨地下水渗流对边坡崩坏之影响。
[2]蓝少村（2008），「降雨导致浅层边坡破坏之模型试验与分析」。