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系統識別號 U0002-0308201116200300
中文論文名稱 山谷崩坍模擬堆積體之顆粒分佈與孔隙率
英文論文名稱 Study on the grain distribution and porosity of landslide mass in a valley model
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 鄧芸浩
研究生英文姓名 Yun-Haw Dung
學號 698380119
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-05
論文頁數 165頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-褚炳麟
委員-張義隆
中文關鍵字 天然壩  堆積體  顆粒分佈  谷型  孔隙率 
英文關鍵字 Landslide dams  Mass  Grain distribution  Valley  Porosity 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 堰塞湖的壽命及壩體潰決方式與崩塌堵江之岩屑或土砂的材料特性有關,如壩體透水係數與壩體強度,而天然壩體的強度及透水性則與其組成壩材之顆粒分佈有密切相關性。由文獻可知:天然壩體的組成顆粒大小變化範圍極大,且天然壩體上部常具一粗顆粒或碎石組成的外殼,底部組成顆粒卻是極細小,故天然壩體各部位力學性質是不均質,其顆粒大小成分及堆疊排列方式有關。
本研究利用V形斜坡儀器模擬山谷地形,藉由改變粒徑、坡度與距離等不同影響因子,施做邊坡崩坍堆積試驗,將堆積體採凝固處理,分塊取出拍照得剖面圖做影像分析,最後對堆積體做力學試驗。研究結果得致以下幾點結論:
(1)安息角不因試驗方式差異而有明顯不同,顆粒數量應超過某一定顆數安息角才較趨於固定。且谷底形狀並不影響最終維持崩落堆積體的自然穩定之安息角度大小。(2)山谷崩落堆積過程,顆粒滾落至谷底後常再撞擊到對岸而反彈折回來覆蓋堆積於堆積體之上或與後下來顆粒一起堆積。所形成的天然堆積體,因經歷動態夯壓效果,其邊坡穩定性高於靜態安息角。其中依序長落距、陡邊坡與粗顆粒是影響堆積體坡度主因。(3)堆積體孔隙率隨著滑動距離增加而略為減小,細顆粒含量越高孔隙率也會越小。並透過影像分析與篩分析得知堆積體粗顆粒多聚集於上層,細顆粒在下層。但滑動距離增加則堆積體內粗細顆粒分佈會較均勻。(4)堆積體因上下層孔隙率不同,應用於真實天然壩體滲透性分析,有別於傳統單一滲透係數,上下分兩滲透係數對滲流量計算公式修正,發現與傳統單一滲流量略有差別,可供日後預估潰壩時間參考。
英文摘要 The lifetime and dam breach modes of landslide dams are related to the material characteristics of the rock debris or the sediment which collapsed to block rivers, for example, the permeability coefficient of the dam and dam strength, and the strength of natural dam and their permeability are closely related to particle distribution of the dam material composition. According to literature, the particle sizes of dam material composition vary greatly, and the upper part of natural dams often contains a shell made of coarse particles and gravels, the bottom is composed of very fine particles. Thus, the mechanical properties of various parts of natural dams are not uniform, they are related to particle sizes, composition and mode of stacking and arrangement.
This research used the v-shaped slope apparatus to simulate the valley terrain. Tests of slope collapse accumulations were carried out through changing the various influencing factors such as particle sizes, slope, and distances. The accumulations were treated with solidification. Blocks of materials were removed to take photos to build a profile for imaging analysis. Finally, a test of mechanics was performed on the accumulations.
The following conclusions have been obtained through the research results: (1) The angle of repose did not show a significant difference due to different testing methods, the angle of repose became more gradually fixed after the particles exceeded a certain count. The shape of valley bottom does not affect the naturally stabilized angle of repose to maintain the final landslide mass. (2) In a valley landslide process, after the particles fell to the valley bottom, they often hit the other side and bounced back to cover the landslide lass or mixed with the particles that came down later. Because the natural landslide mass formed went through the dynamic compaction effect, its slope stability is higher than its static angle of repose. The primary factors in order of significance that affect the slopes of landslide mass were long drop distance, steep slope, and coarse particles. (3) The porosity of landslide mass reduced slightly as the sliding distance increased, the higher the fine particle count the lower the porosity. In addition, it was found out through imaging analysis and sieve analysis that the coarse particles of landslide mass were mostly located in the upper layer, and the fine particles in the lower layer. The distribution of coarse and fine particles became more uniform as the sliding distance increased. (4) The porosities differed between the upper and lower layers in the landslide mass. When applied in the analysis of permeability of natural dams, it differed from the traditional single permeability coefficient, the correction made to the calculation of seepage volume due to the upper and lower permeability coefficients caused a somewhat different result from the traditional single seepage volume. This can be used as a reference to estimate the dam breach time in the future.
論文目次 目錄
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法與內容 1
1.2.1 研究方法 1
1.2.2 研究內容 2
1.3 本文內容 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 山谷之地形 3
2.1.1 山谷之成因 3
2.1.2 山谷對稱性 4
2.2 山崩之特性 5
2.3 天然壩與堰塞湖形成與破壞特性 7
2.4 天然壩之堆積特性 9
2.4.1 天然壩組成顆粒之分佈特性 9
2.4.2 天然壩組成顆粒之透水特性 12
2.4.3 天然壩體抗淘刷之穩定性 13
第三章 儀器配置與試驗規劃 16
3.1 試驗材料 16
3.2 試驗儀器 17
3.2.1 模型相似定律 18
3.2.2 斜坡儀器 18
3.3 試驗步驟 21
第四章 礫料靜態與動態之堆積特性 22
4.1 靜態堆積 22
4.1.1 堆積體安息角 22
4.1.2 不同安息角試驗方法 22
4.1.3 不同試驗方法之優劣與比較 24
4.1.4 影響安息角因素 25
4.1.5 礫料形狀之影響 30
4.1.6 山谷開口大小之影響 33
4.1.7 顆粒級配之影響 34
4.2 動態堆積 39
4.2.1 單顆粒崩落試驗 39
4.2.2 群體顆粒崩落試驗 42
4.2.3 顆粒群體滑落討論與分析 62
第五章 堆積體排列及孔隙與滲透特性 65
5.1 堆積體之整體孔隙分析 65
5.1.1 封蠟法之精度 65
5.1.2 封蠟法應用於堆積體之孔隙量測與結果分析 67
5.1.3 堆積體密度之比較 73
5.1.4 大小球體安息角比較 74
5.2 堆積體斷面顆粒分佈之分析 75
5.2.1 堆積體混和配比之顆粒分佈 75
5.2.2 灌蠟法應用於堆積體顆粒排列觀察 84
5.2.3 堆積體上下層斷面孔隙率影像分析 92
5.3 堆積體之力學性質探討 103
5.3.1 天然壩之潰壩初步評估 103
5.3.2 堆積體之點荷重強度試驗 112
5.3.3 堆積體之穩定性試驗 117
第六章 結論與建議 120
6.1 結論 120
6.2 建議 121
參考文獻 122
附錄A:堆積體數據 126
附錄B:堆積體剖面照 145
附錄C:點荷重試驗步驟與數據 152
附錄D:堆積體上下層影像處理圖 158
問題與討論 163

表目錄
表2. 1 山崩與地滑之特性(渡正亮,1971) 6

表3. 1 原型與模型物理量相似性比較 18

表4. 1 顆粒總質量數據表 27
表4. 2 顆粒數量與安息角試驗數據 29
表4. 3 顆粒長短軸比與堆積體安息角關係表 32
表4. 4 不同地形與堆積體安息角數據表 34
表4. 5 五種碎石級配料之基本性質與碎形維度 35
表4. 6 圓形、橢圓形顆粒之運動狀態示意圖 39
表4. 7 單一顆粒於不同坡度之運動型態 40
表4. 8 粗細顆粒之外摩擦角 41
表4. 9 不同長短軸顆粒之運動型態比較(○:強 △:中 ╳:弱) 47
表4. 10(a) 低落距(L=30cm)堆積體數據表 53
表4. 11(a) 高落距(L=90cm)堆積體數據表 55
表4. 12 單一與群體顆運動型態比較表 63

表5. 1(a) 低落距(L=30cm)堆積體之孔隙率 69
表5. 2 堆積體孔隙比較表 70
表5. 3(a) 低落距(L=30cm)堆積體上下層之粗細顆粒含量比例 78
表5. 4 堆積體上下層之粗細顆粒含量比例統整 80
表5. 5(a) 堆積體上下層二維剖面孔隙率平均值(L=30cm) 95
表5. 6(a) 堆積體上下層影像分析二維剖面孔隙率 96
表5. 7(a) 二維剖面與三維堆積體之孔隙率轉換(L=30cm) 104
表5. 8(a) 堆積體上下層之滲透係數k(L=30cm) 104
表5. 9 傳統與修正滲流量比較表 111
表5. 10 山谷堆積體受傾斜抬升後邊坡穩定試驗結果(L=15cm) 118
表5. 11 山谷堆積體受傾斜抬升後邊坡穩定試驗結果(L=60cm) 119

圖目錄
圖2. 1 常態循環 4
圖2. 2 山谷之縱谷示意圖 4
圖2. 3 岩層走向、傾向與傾角示意圖 5
圖2. 4 橫向環流造成差異侵蝕示意圖 5
圖2. 5 天然壩體之破壞方式 8
圖2. 6 堰塞湖及天然壩(landslide dam) 壩體案例景像 9
圖2. 7 天然壩坍塌體的構成:(a)主體(body)細礫緊實;(b)外殼(carapace)碎塊鬆散(Dunning, et al., 2005) 10
圖2. 8 散佈於壩體細礫主體(matrix)上的碎屑(clast)或塊石外殼 10
圖2. 9 壩體組成顆粒粒徑特有之雙峰分佈(bimodal)特性(Casagli et al., 2003) 10
圖2. 10 義大利的42個天然壩壩體之粒徑分佈曲線 11
圖2. 11 天然壩底層內部之基質接觸狀況及外表之顆粒接觸狀況 11
圖2. 12 使用於壩體堆積體外表粗粒之照像篩分析方式 12
圖2. 13 天然壩溢頂水位與潰決淘刷破壞壩體例子 14
圖2. 14 水流在圓顆粒之剪力作用方式及鬆緊顆粒之接觸角玫瑰圖 15
圖2. 15 顆粒平均粒徑D50與淘刷剪應力門檻值關係(Briaud et al., 1999) 15

圖3. 1 本研究試驗中所使用的礫料 16
圖3. 2 礫料粗糙度分級表 17
圖3. 3 斜坡模型儀器全景 17
圖3. 4 斜坡儀器各裝置圖 19
圖3. 5 落門裝置內徑尺寸圖(左圖)、試體放置區示意圖(右圖) 19
圖3. 6 不同坡度之落下裝置內試體放置示意圖 19
圖3. 7 落門裝置啟動示意圖 20
圖3. 8 滑動距離(L)與邊坡坡度(θslope)之定義示意圖 20

圖4. 1 測試安息角的三種試驗儀器 23
圖4. 2 堆積體安息角之量測示意圖 24
圖4. 3 不同粒徑粒料之安息角比較 24
圖4. 4 圓柱筒拉起法施作過程 25
圖4. 5 不同粒徑顆粒之安息角狀態試驗案例 26
圖4. 6 粒徑大小與安息角關係圖 26
圖4. 7 使用不同礫料重量下安息角比較 28
圖4. 8 顆粒數不同下之安息狀況比較 29
圖4. 9 採用不同顆粒數下之安息角變化(d=10.5mm) 30
圖4. 10 顆粒長短軸示意圖 30
圖4. 11 顆粒長短軸照(由上至下a/b=1~1.5、1.5~2、2~2.5、2.5~) 31
圖4. 12 不同長短軸顆粒堆積照 31
圖4. 13 不同長短軸顆粒與堆積體安息角比較圖 32
圖4. 14 不同長短軸顆粒安息角試驗結果 33
圖4. 15 在平地與對稱型山谷中顆粒堆積體之安息角 34
圖4. 16 五種碎石級配粒徑分佈曲線 35
圖4. 17 粒徑分佈曲線雙對數座標圖 36
圖4. 18 五種碎石級配料之堆積體安息角 37
圖4. 19 級配碎形維度與堆積體安息角關係圖 38
圖4. 20 堆積體安息角與碎形維度關係圖 38
圖4. 21 坡度與落石關係圖(改自Ritchie (1963)) 41
圖4. 22 圓形與橢圓形顆粒滑動速度比較圖 41
圖4. 23 堆積區之顆粒群堆積圖 42
圖4. 24 粒徑大小與堆積體坡度關係圖 43
圖4. 25 滑動距離與堆積體坡度關係圖 44
圖4. 26 山谷開口角度與堆積體坡度關係圖 46
圖4. 27 不同長短軸顆粒群滑動堆積照 47
圖4. 28 谷型對堆積體外形影響 49
圖4. 29 粗細顆粒群之滑落過程(紅:粗顆粒、白:細顆粒) 49
圖4. 30 粗細顆粒於谷底堆積過程 50
圖4. 31 粗細顆粒之最終堆積照 51
圖4. 32 在不同級配與落距下之堆積體坡度比較 58
圖4. 33 顆粒浸泡飽和實例(左圖:14mm;右圖:3.5mm) 58
圖4. 34 潮濕顆粒殘留滑動坡面圖 59
圖4. 35 潮濕狀態下堆積體坡度試驗結果 60
圖4. 36 潮濕狀態下堆積體坡度變化趨勢 60
圖4. 37 乾濕態堆積體坡度之比較 61
圖4. 38 乾濕態堆積體坡度之差距 61
圖4. 39 乾濕堆積體比較 62
圖4. 40 顆粒於谷底之反彈堆積示意圖 63
圖4. 41 經歷不同崩落距離(L)後之堆積體坡度角θmass之比較(d=3.5mm) 63
圖4. 42 不同山谷開口夾角之堆積體坡度比較(d=3.5mm、L=30cm) 64

圖5. 1 封蠟法精度試驗裝置圖 66
圖5. 2 封蠟法試驗流程圖 68
圖5. 3 堆積體與孔隙率關係圖 71
圖5. 4 堆積體與孔隙率關係圖 72
圖5. 5 安息角與顆粒級配比較 72
圖5. 6 大小圓(d大/d小)孔隙比較(大圓孔隙=小圓孔隙>大小圓孔隙) 73
圖5. 7 大球比例與密度關係圖(李怡寬 2003) 74
圖5. 8 堆積體上下層剖面示意圖 76
圖5. 9 堆積體表層、上層與下層 77
圖5. 10 高低落距堆積體上下層之粗顆粒含量 81
圖5. 11 在高低落距下上下層粗顆粒含量之比較 82
圖5. 12 高低落距上下層粗顆粒含量比 83
圖5. 13 灌蠟法試驗流程 85
圖5. 14 試體二維剖面之編號與示意圖 85
圖5. 15 試體二維剖面實照圖 86
圖5. 16 堆積體剖面連續圖(中段profile.5至尾段profile.8) 87
圖5. 17 單一顆粒堆積體二維剖面影像處理 88
圖5. 18 在不同落距下堆積體二維剖面影像處理 88
圖5. 19 d14堆積體剖面影像處理圖 90
圖5. 20 模型與方位示意圖 90
圖5. 21 堆積體顆粒之長軸方位分佈玫瑰圖 91
圖5. 22 影像處理與分析流程 94
圖5. 23 堆積體上下層之二維孔隙率 99
圖5. 24 在高低落距下堆積體之二維孔隙率(數據)比較 100
圖5. 25 在高低落距下堆積體之二維孔隙率(平均值)比較 101
圖5. 26 堆積體上下層之滲透係數k(L=30cm) 105
圖5. 27 堆積體上下層滲透係數k之比較(L=30cm、90cm) 105
圖5. 28 Dupuit理論壩體滲流圖 106
圖5. 29 本文修正壩體滲流相關圖 107
圖5. 30 傳統與修正滲透係數之滲流量比較 109
圖5. 31 傳統與修正滲透係數之滲流量比較圖 110
圖5. 32 點荷重試驗儀 112
圖5. 33 堆積體上下層取樣示意圖 113
圖5. 34 試體尺寸與試體放置示意圖 113
圖5. 35 點荷重試驗試體外型要求圖(ISRM , 1981) 113
圖5. 36 試體破壞評估圖 114
圖5. 37 點荷重試驗岩樣尺寸效應之修正關係圖(Broch & Franklin , 1972) 115
圖5. 38 堆積體點荷重指數試驗結果 115
圖5. 39 堆積體點荷重指數(取大值平均) 116
圖5. 40 堆積體點荷重指數(消去異值平均) 116
圖5. 41 經歷不同崩落距離(L)後之堆積體坡度角θmass之比較(d=3.5mm) 117

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