水電工程水文地質崩塌數值分析研究

杜華宇

摘 要：本研究建立水電工程崩塌地之地層滑動與水文地質條件之關聯性，并了解水文地質因素及特性對工程地滑動之影響。結果發現，水力-力學特性之異質性與異向性，對于水電工程暴雨誘發之滑動扮演重要角色。

關鍵詞：水電工程 崩塌地 水文地質 數值模型 研究

中圖分類號： TV221 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0048-01

1 研究方法

本研究根據工程現場調查、鉆探巖心紀錄及巖心粒徑分析資料，以建立研究區地質剖面之現況水文地質概念模型，藉由現地水壓計監測資料校正現況水文地質概念模型與地層水力參數。并利用校正后之水文地質數值模式與地層水力參數進行崩塌前之滲流模擬及第一階滑動情形邊坡穩定逆分析以校正地層強度參數。校正后之地層水力參數及強度參數，再經由第二階邊坡滑動及第三階邊坡滑動水文地質數值模式再行驗證，以確保水文地質概念模型與地層水力參數、強度參數之合理性。

2 數值程序簡介

Seep/W為有限元素程序可分析飽和與未飽和狀態下土壤滲流問題，其將土壤所具有水力傳導值、體積含水量值與孔隙水壓力之關系以聯續性函數呈現且藉此進行分析運算。于Seep/W運算分析方式分為不考慮時間之穩態分析和考慮時階之瞬時分析兩種。穩態分析之結果，即為達到長期穩定狀態之結果；瞬時分析之結果，則為依設定時階（TimeStep）運算出特定時間之結果。

Seep/W滲流分析中需輸入土壤參數為水力傳導函數及體積含水量函數，此二參數彼此相互關聯影響；邊界條件之設定有：總水頭值、壓力水頭值、總通量值及單位通量值等四種，而邊界條件可以函數輸入如降雨條件之輸入或變水頭條件等，此函數稱之為邊界條件函數，分析結果呈現方式分別為水頭、總通量及單位通量與時間之關系式并可顯示水流路徑、流速大小及地下水水位面可依需求加以設定。

Slope/W為邊坡穩定分析程式，可分析簡單或復雜的邊坡穩定問題，其分析原理系采二維極限平衡理論，主要以切片法進行邊坡分析與安全系數計算。極限平衡法采用靜力方程式來求解安全系數，其中以力矩平衡或力平衡及適當之假設可以推導出邊坡之安全系數。而切片法可視為此極限平衡法的特例，對于所選定的滑動面而言，安全系數即為一個用來折減土體剪力強度的系數，以便使土體進入極限平衡狀態。

3 現況水文地質概念模式的建立

3.1 研究剖面選定

地質剖面為本研究之剖面邊坡，本剖面地形可分為三階非同時發生之不聯續崩滑體，依序由下而上可分為第一階滑動、第二階滑動與第三階滑動。針對某水電工程塌地之水文地質進行探討，考量地下水滲流方向、來源、現地地層滲流邊界及地形、地層特征，地質剖面向北延伸至背斜位置形成L-L地質剖面，以確保水文地質及滲流之完整。本研究將以延伸后之L-L剖面為探討對象及分析之代表剖面。

3.2 邊界條件

（1）三處邊界。

本分析之L-L剖面最右邊（L5-L6）已延伸至背斜位置，因背斜之地層特征及水文特性，假設背斜軸為滲流之最頂處，越過背斜軸無滲流流入剖面中來，即為無滲流行為其總滲流量皆為零之不透水邊界。底部邊界（L1-L5）設定于底部之砂巖SS4與厚層泥巖SM2交界面往下10 m之深度為底部邊界位置（L1-L6），主要考量厚層泥巖SM2其水力傳導系數甚小（k=1×10-7 cm/sec），原假設為無滲流行為，但實際進行分析時發現厚層泥巖仍有少許滲流，因此本分析將厚層泥巖SM2加入本分析中，分析深度設定左側邊界往下10 m位置后（L1）水平延伸至L6位置。剖面最左邊為河道中央視為地下水流之分界線，亦視為一不透水邊界。

（2）邊坡坡面。

崩積層坡面則視為自由面或滲透面，主要考量為降雨落于紅土礫石層其滲透較快能迅速滲入坡面內而影響滲流狀態，而落于崩積層時其滲透較慢，降雨部分轉為表面徑流再滲入坡面內，相對而言速率較慢，為簡化分析乃假設崩積層坡面為自由面或滲透面。

4 地層初始水力參數

可采用有限元素Seep/W滲流分析程序之瞬時滲流分析進行數值模擬輸入之地層水力參數除飽和水力傳導系數，必需再輸入地層之水力傳導函數及體積含水量函數。此二函數皆可由地層之粒徑分析曲線求得，本研究采用Seep/W程序內定之摸組由粒徑分析曲線推求出各地層之水力傳導函數及體積含水量函數，其方法如下。

（1）體積含水量函數（u）各地層之體積含水量函數（u）（或體積含水量特征曲線可利用材料之粒徑分布曲線推求而得，其中u為降雨期間材料之參流孔隙水壓。各地層之體積含水量函數及藉由各地層材料之粒徑分布曲線，再依據其飽和體積含水量假設值sat（=S×n=100%×n）；并假設土粒與流體皆為不可壓縮，則地層材料之體積壓縮系數mv可視為零（S=100%，mv=mw，mw=孔隙水體積壓縮系數）。此時，土體之體積含水量函數即可利用物理經驗評估模式推求而得。由此方法所推求之體積含水量函數較符合現地材料之特性。

各層次之粒徑分布曲線來源主要以補充鉆探之BH3鉆孔巖心取樣進行篩分析而得，其中砂巖巖心取用BH3鉆孔8.15 m處砂巖段巖心，泥巖取用BH3鉆孔15.30 m處泥巖段巖心，砂泥巖互層取用BH3鉆孔38.95 m處砂泥巖互層段巖心進行篩分析而得，崩積土則采砂巖、泥巖混合后再重做所得之結果。

（2）水力傳導函數K（u）地層在降雨期間臨時前，地下水水位之上方土壤可能呈現未飽和狀態，此時之水力傳導系數為未飽和水力傳導系數，且其值將在降雨期間伴隨地層的飽和度而變化，因此，此時地層之水力傳導系數非為定值。可將水力傳導系數K表示為孔隙水壓u之函數K（u）。為配合降雨期間，雨水由地表入滲之情況，采用水力傳導函數進行分析。

因此，各地層次地層材料之水力傳導函數K（u）～u可選用各層次各地層材料之飽和水力傳導系數Ksat，再利用土壤含水特征曲線（u）～u評估調整求得。

5 結語

針對地質區地滑活動，可經由適當假設得到對地滑現象影響甚巨之地下水壓值、地層水力參數及強度參數，可以利用滲流逆分析及邊坡穩定逆分析簡單而有效的方式得到，可供整治工程設計參考，用以取代現有靠經驗之假設之地下水位。供一般工程設計時之分析使用。

參考文獻

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