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降雨情況下邊坡坡度對不飽和土壤入滲深度發展之影響. 姓名 : 高嫕旋 學號 : 79842010. 簡報大綱. 前言與文獻回顧 研究方法 數值模 型 分析結果 進一步的研究方向. 土壤含水量、飽和 度、孔隙水壓力增加. 降雨入滲. 孔隙水壓力增加. 土壤有效 應力降低. 土體間之抗剪 強度劇降. 整體邊坡穩定受影響 ( 安全係數的下降 ). 降雨. 入滲. 逕流. 土壤含水量、飽和 度、孔隙水壓力增加. 降雨入滲. 孔隙水壓力增加. 土壤有效 應力降低. 土體間之抗剪 強度劇降. 整體邊坡穩定受影響 ( 安全係數的下降 ).
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降雨情況下邊坡坡度對不飽和土壤入滲深度發展之影響降雨情況下邊坡坡度對不飽和土壤入滲深度發展之影響 姓名: 高嫕旋 學號: 79842010
簡報大綱 • 前言與文獻回顧 • 研究方法 • 數值模型 • 分析結果 • 進一步的研究方向
土壤含水量、飽和 度、孔隙水壓力增加 降雨入滲 孔隙水壓力增加 土壤有效 應力降低 土體間之抗剪 強度劇降 整體邊坡穩定受影響 (安全係數的下降) 降雨 入滲 逕流
土壤含水量、飽和 度、孔隙水壓力增加 降雨入滲 孔隙水壓力增加 土壤有效 應力降低 土體間之抗剪 強度劇降 整體邊坡穩定受影響 (安全係數的下降) 前言 • 邊坡淺層滑動為最常見的坡地災害， • 一般常見邊坡淺層滑動都發生於 降雨過後
(2) 文獻回顧 －關於浸潤帶深度 • Lumb(1962)建立一個推算式來估算土壤浸潤帶最大深度hw： D=土壤擴散參數； t=有效降雨延時，單位為sec； n=孔隙率；ksat=土壤飽和滲透係數； S0=發生降雨入滲之前地表層初始飽和度； Sf=發生降雨入滲之後土壤最終飽和度。 若考慮長期降雨及豪大雨作用下的浸潤帶深度，式(1)中的(Dt)0.5 可忽略之，方程式簡化為： Sf適用範圍為70％～100％之間，且降雨強度必須大於土壤飽和滲透係數才可使用式(2)。惟式(2)無法考慮降雨強度與土壤基質吸力之影響，較無法完整考慮非飽和情況下降雨入滲邊坡土壤之行為。
文獻回顧 －關於浸潤帶深度 • Sun et al(1997)考慮土壤在非飽和狀態下降雨入滲之情況，修正Lumb(1975)提出之飽和浸潤帶深度計算公式，如下列所示： ko=降雨前土壤水力傳導係數； k=降雨後水力傳導係數； qR =降雨強度，qR必須小於土壤飽和水力傳導係數ksat。 若k 等於ksat 且遠大於ko，則式(3)與Lumb 浸潤帶公式相同。
文獻回顧 －降雨時間與土壤浸潤帶深度 • Pradel and Raad(1993)根據Green and Ampt’s model(1911)，提出降雨時間與土壤飽和度關係方程式，此方程式考慮降雨強度、降雨延時、降雨前土壤體積含水量與基質吸力影響因子，降雨時間與土壤浸潤帶深度hw關係方程式如下列所示： T=降雨延時(Rainfall duration)； μ=土壤在飽和與初始狀態下體積含水量之差異量； ksat=土壤飽和度滲透係數； ψ=土壤趨近完全飽和狀態前之負孔隙水壓力。降雨入滲率ν定義如下式。
文獻回顧 －降雨時間與土壤浸潤帶深度 • Pradel and Raad(1993)指出，降雨後土壤在特定深度達到完全飽和，降雨強度(I)必須大於或等於土壤入滲率v，並且持續降雨時間必須大於Tmin。若令T=Tmin及Imin=ν，可得下列方程式： • Imin=最小降雨強度； • Tmin=土壤在某個特定深度範圍達到飽和所需最小降雨延時。
研究方法 • 為掌握非飽和土壤邊坡於降雨作用下，所引發雨水入滲造成孔隙水壓力及土壤飽和度分布變化，使用有限元素法PlaxFlow程式模擬不飽和土壤邊坡降雨時入滲行為。 • 研究主要探討非飽和殘留土坡(Residual soil slope)受到降雨作用影響下所引發入滲之現象。
研究方法 • PlaxFlow 程式之非飽和流分析模型以Van Genuchten model 理論為基礎， Van Genuchten(1980)利用土壤水分特性曲線表示土壤體積含水量(θ)與壓力水頭(h)之間關係，其方程式如下列所示： α=進氣壓力值倒數(Inverse of the air entrypressure)； n=土壤顆粒孔隙分布(Measure of the pore-size distribution)，必須大於1；θr=土壤殘留體積含水量(cm3/cm3) ； θs= 飽和土壤體積含水(cm3/cm3)。
非飽和土壤滲透係數(K)表示如下式： • Kr=K/Ks，K 為非飽和土壤滲透係數，Ks 為飽和土壤滲透係數； Se= 有效飽和度(Effectivesaturation)，定義為︰ • Sresidu=土壤殘餘飽和度。土壤飽和度與壓力水頭(φp)關係如下式： ga、gn、gl為參數。依據學者相關研究文獻指出，一般α 值介於0.5~5 m-1； n 之範圍值介於1.1~3.5(Van Genuchten，1980；Van Genuchten and Nielsen，1985 )。
研究方法 • 以有限元素法PlaxFlow程式模擬自然邊坡，分析邊坡模型幾何條件為坡長50m，坡度分別為40°、60°及80°。 • 針對三種不同邊坡土壤完全殘留表土狀況、殘留土下存在岩盤狀況之地層分布幾何條件，配合不同降雨條件進行數值模擬分析，探討土壤邊坡受到降雨入滲後，土壤孔隙水壓力、飽和度及淺層土壤飽和浸潤帶深度發展之影響。
PLAXIS FLOW 簡介 • PLAXFLOW是一個有限元素法程式，可用於大地工程中的地下水滲流分析。 • PLAXFLOW易上手，提供了一個簡單的圖形輸入程序，可快速生成複雜的有限元模型。計算是完全自動化。 • 能處理各式各樣的實際應用，並能夠在Windows環境中工作。 • 除了全套手冊，舉辦短期課程，定期在幾個地方在世界各地提供實踐經驗和背景資料的使用方案。
研究方法 • 根據Lumb(1962)所提出土壤浸潤帶深度(hw)判定方式以接近地表面完全飽和狀態至接近飽和度(80~90％)狀態之深度範圍，故本研究以飽和度90％為分界線。
數值分析模型 • 在邊坡坡度40°，地下水位於地表下20m 處 不飽和土壤邊坡有限元素數值模型 (地下水位於G.L.-20m) (H:總水頭)
分析結果 -厚層土壤邊坡之降雨入滲行為 • 於降雨強度為30mm/hr，考慮降雨延時為0.25、1、2 及4 天等情況。
分析結果 -浸潤帶發展深度 • 就坡度幾何條件(坡度)對浸潤帶深度發展影響進行探討，模擬不同邊坡坡度，並就不同降雨強度及降雨延時情況進行分析計算，探討降雨入滲後之土壤浸潤帶發展深度。 • 邊坡土層厚度(或岩盤位置)亦影響邊坡不飽和土壤之入滲行為，並影響邊坡土壤浸潤帶之發展
厚土層情況(岩盤位於相當深度)之不同降雨強度及在24小時降雨條件下邊坡坡度與浸潤帶發展深度關係厚土層情況(岩盤位於相當深度)之不同降雨強度及在24小時降雨條件下邊坡坡度與浸潤帶發展深度關係 • 邊坡各位置浸潤帶發展深度依序為︰ 坡趾>坡中央>坡頂 • 在降雨強度60mm/hr情況及24小時降雨延時，60°邊坡距坡趾1/4、1/2(坡中央)及3/4坡長位置之浸潤帶發展深度分別為4.4m、3.3m及2.1m。
分析結果 • (1)於24 小時降雨延時條件，低降雨強度情況下(約低於20mm/hr)，邊坡各位置浸潤帶發展深度有限，且土壤浸潤帶發展深度受邊坡坡度之影響較低。 • (2)不飽和土壤邊坡各位置浸潤帶發展深度均隨邊坡坡度增加而減少，浸潤帶發展深度隨降雨強度之增加而增加，於同一降雨強度情況下，邊坡各位置浸潤帶發展深度依序為︰坡趾>坡中央>坡頂。 • (3)岩盤位置限制浸潤帶深度之發展，於同一降雨條件下，岩盤位置愈深浸潤帶發展深度愈深。 • (4)浸潤帶發展深度隨降雨強度之增加而增加，浸潤帶深度增加率隨降雨強度之增加而降低。
進一步的研究方向 • 針對PLAXIS FLOW 與 PLAXIS 做結合，再進一步的於分析降雨入滲後，對邊坡所造成之變形探討，並結合地震，做更進一步的邊坡穩定分析。
