礫石層邊坡形成土石流之微地形探討

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(tài)，從發(fā)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(xiàn)不同之流動形態(tài)與規(guī)模。本研究擬藉航照判釋、理論分析、現(xiàn)地調(diào)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(fā)生旳環(huán)境豪雨之際，溪谷兩側斜面發(fā)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(fā)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(fā)土石流旳因子以土石流旳地貌條件、地質(zhì)組成、促發(fā)原因、力學特徵等為指標區(qū)分。以降雨量與降雨強度區(qū)分。6研究措施地形調(diào)查水文分析坡面倒塌與土石流調(diào)查相片基本圖數(shù)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(diào)查類型特征倒塌土石流發(fā)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(qū)粒徑分布堆積表面之土石無明顯之篩分現(xiàn)象堆積表面之前緣有較粗大之石、礫材料，有明顯之篩分現(xiàn)象8相片基本圖數(shù)化分析數(shù)化後旳相片基本圖進行數(shù)位化處理，可量測集水面積、倒塌面積、堆積區(qū)面積、形狀係數(shù)、平均坡度等特征。參數(shù)讀取措施集水區(qū)面積利用MAPINFO軟體圈繪相片基本圖發(fā)生土石流旳集水區(qū)範圍，並讀取集水區(qū)面積。平均坡度至現(xiàn)地利用GPS定位系統(tǒng)將發(fā)生區(qū)、輸送區(qū)、堆積區(qū)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(qū)面積將航空照片旳土石堆積區(qū)轉繪在相片基本圖上，再利用MAPINFO圈繪堆積區(qū)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(fā)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(nèi)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(shù)B：溪床寬度(m)S：溪床坡度(tanθ)自然環(huán)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(tài)與規(guī)模11研究結果12自然環(huán)境北高南低、東高西低高程介於100m~600m間，平均高程約為332m?；鹧咨降匦螆D13坡度陡峭，除了沖積扇外，均在五級坡以上為多?；鹧咨狡露葓D14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(xiàn)代沖積層?；鹧咨降刭|(zhì)圖15土石流地形描述火炎山全區(qū)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(qū)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(qū)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(tài)可分為9種基本坡形。(Parson,1988)1717邊坡破壞本區(qū)倒塌以平行凸坡為主，土石流均發(fā)生在內(nèi)聚凸坡。本區(qū)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(qū)形狀係數(shù)介於0.18~0.45之間。溪谷平均坡度均在15度以上?？訙暇鶎僖淮喂龋娣e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(fā)生區(qū)U型斷面60°以上20m19°15~22mm輸送區(qū)V型斷面40°~50°30~50m15.4°20~25mm堆積區(qū)50~200mm12°下列25~30mm土石流運動形態(tài)與規(guī)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(qū)面積採用土石流發(fā)生點以上之集水面積，逕流係數(shù)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(fā)生之臨界坡度土石流發(fā)生之臨界流深與時雨量土石流發(fā)生之降雨類型20討論21土石流發(fā)生之臨界坡度由現(xiàn)地採樣之土砂經(jīng)室內(nèi)分析結果得知，溪谷堆積土砂之性質(zhì)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(fā)生之臨界坡度由圖可知，在H/h>5時很趨近於試區(qū)土砂旳內(nèi)摩擦角，邊坡安定條件此時以內(nèi)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(fā)土石流。23土石流發(fā)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(qū)平均溪床坡降為0.21(12°)，溪床平均寬度5m，推估土石流發(fā)生時之最小逕流水深為0.16m，再推估土石流發(fā)生流動之深度為0.28m，以該區(qū)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(qū)發(fā)生土石流與否之參考指標。24土石流發(fā)生之降雨類型林俊全教授(1994)調(diào)查本區(qū)土壤深度大多在15cm深以上，倒塌發(fā)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(tài)，所以本區(qū)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(xù)降雨現(xiàn)象。25結論本區(qū)坡面倒塌與土石流均發(fā)生於內(nèi)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(huán)境，而得以使倒塌土體形成短距離之土石流現(xiàn)象出現(xiàn)。除此之外，坡度亦決定發(fā)生倒塌或流動區(qū)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(qū)土砂之內(nèi)摩擦角，邊坡安定條件此時以內(nèi)