工程實務

隧道洞口遇土石流危險坑溝之處理對策

摘   要

台灣地區自從民國八十九年921大地震後，使原有潛在不穩定之岩坡發生崩坍破壞，或不連續面發達之岩體更為鬆動，後又遭遇颱風豪雨之摧殘，山區道路柔腸寸斷。公路單位針對道路復建工程，往往會採取隧道工程替代原道路線形，以避開大型崩坍地或土石流區；然而在隧道的選線方案上，隧道洞口有時難免還是會遭遇到較小規模之土石流危險坑溝。本文嘗試以位於南投縣溪頭風景特定區二-1號道路安定彎段之隧道工程為例，探討隧道洞口遇土石流危險坑溝之處理對策。

一、前 言

南投縣溪頭風景特定區二-1號道路安定彎路段，在民國八十九年921大地震時中斷，迄至民國九十年五月打通坍落之巨石，續於同年七月下旬桃芝颱風帶來豪雨，再度將本路段沖毀，路基流失。公路單位遂著手規劃以隧道工程為主之復建工作，主隧道長約620公尺，北洞口假隧道長約18公尺，南洞口假隧道長約5公尺。在隧道的選線方案上，北洞口及南洞口均遭遇到集水面積約2~3公頃之土石流危險坑溝，本文嘗試以地質及水文觀點加以說明及判釋，並配合以土石流之定量分析，研擬相關處理對策。

二、工程環境背景

(一)地形與地質

本案例在地形分區上屬於西部覆瓦狀斷層山塊區，山脊嶺線約呈東北走向，地形高程約在1700~1900公尺之間。主要以堅硬的砂岩分佈為主，抗風化能力較強，自然邊坡常以岩坡狀態出現，坡度頗陡，可達60~70度或以上，部份區域甚至呈近乎90度之垂直陡坡。另常見東北向與北北西向的山谷侵蝕溝，主要是沿著節理方向發育，偶亦可見有溪水滲流。

區域地質上屬於西部麓山帶地質區，分佈地層為中新世的關刀山砂岩，主要呈細至中粒，淡灰至青灰色，含泥質，但岩體強度頗為堅硬，抗風化能力較強，多呈厚層塊狀，地層位態並不明顯。主要的地質構造為節理發育，節理為岩石於脆性狀態(Brittle state)受應力作用所產生之裂面，大多數節理呈閉合現象，局部含有砂泥之夾心，厚度在1~5mm不等，大多有褐色的鐵染現象，局部目前仍有滲水現象，在邊坡上則可發現有開口狀況，應是受解壓或先前之崩塌牽動影響造成。另緊鄰隧道北洞口之坑溝為明顯的剪裂帶構造，其方向近乎與坑溝平行(詳照片1)。因此，北洞口坑溝均為破碎岩塊與風化岩屑堆積而成；隧道南洞口則呈較為寬廣之山溝，緊鄰洞口地質研判主要為沖積扇堆積物所組成(詳照片2)。

(二)水文

本案例基地之雨量狀況，以最鄰近本工程基地之台大實驗林溪頭氣象站的資料為代表，近十年來（1991~2000）之統計資料顯示，年平均雨量約2213.5公厘，每年受梅雨及颱風季節影響，降雨量集中於五月、六月、七月及八月，月平均雨量均在300公厘以上，四個月之平均雨量總計佔全年平均雨量約65 %。根據台大實驗林溪頭氣象站降雨資料顯示，桃芝颱風期間之最大時雨量達107.4公厘，而最大24小時累計雨量達614.7公厘。依以往之研究顯示，一場暴雨累積雨量達150公厘以上時，即有發生土石流之可能。因此，桃芝颱風所帶來之豪雨，為本區土石流或崩塌災害之誘因。

三、土石流危險坑溝判釋

(一)地形及地質條件

由上述的地形地質資料顯示，隧道洞口位置均位於潛在地質危害區。隧道北洞口的坑溝有向源侵蝕之現象，且受剪裂帶影響岩體頗為破碎，因此洞口處所堆積的破碎岩塊亦相當厚，推測本處可能為潛在土石流的發生段，雖目前未顯示有續發展的可能，惟考慮未來在大雨時可能造成堆積物再次活動，故相關排水措施應審慎予以考量；隧道南洞口則為寬廣之堆積物所組成，顯示本處地質係為長期或上游在發生大水時所沖積堆積而成，因此研判本處為潛在土石流之流動至堆積段，故相關排水措施亦不能忽視。

(二)水文條件

在一定的降雨特性及地質條件下，集水區的大小可代表逕流水量及崩積物的多寡。形成土石流除了需要足夠大的地面坡度外，尚需要有豐富的砂礫崩積物及足夠大的水量。因此坡度大於某一角度（如15度）以上之集水面積大小，亦可當作土石流會發生與否的指標。

根據行政院農業委員會水土保持局對土石流危險溪流之最新判定標準：溪床坡度大於15度，其上游有效集水面積大於3公頃，山坡容易沖蝕、崩坍，溪床容易堆積鬆散土石，則為具有發生土石流潛勢之溪流。

本案例北洞口上游坑溝坡度大於15度，其有效集水面積約2.86公頃，接近3公頃；南洞口側邊坑溝坡度大於15度者，其有效集水面積較小約2公頃。然考慮地質條件及為提高南、北洞口之安全性，擬以較小規模之土石流危險坑溝看待，研擬相關處理對策。

四、土石流坑溝治理措施研擬

土石流溪流依照土石流形成、運動及堆積等特性，一般可分成發生段、輸送段、淤積段及排導段等四個區段，如圖一所示。不同區段因水源、土砂料源、流動、匯流、輸送及勢能等條件有所差異，使工程治理措施必須按其屬性作適性之規劃。依據過去研究及經驗得知，土石流溪流的四種區段可依其坡度和土砂供給型態進行規劃，並據以研擬治理工程對策，詳如表1所示。

本案例北洞口上邊坡非常陡峭，土石流坑溝坡度達到約32度，隸屬於發生段，且緊鄰北洞口假隧道段上方。故本區段治理措施，擬採將假隧道段上方以碴料分層回填夯實，且回填面維持在15度以上之斜度，頂部再施作RC梯形明溝，藉以排導土石流從回填面上方安全通過，保護北洞口假隧道段。另為防範萬一落石及較大之土石流粒徑通過，沖毀梯形明溝及回填區，於回填面上游坑溝另加設有輪胎保護工（類似透過性壩作用），藉以攔阻落石及土石流中較大粒徑。

本案例南洞口側，土石流坑溝坡度約14度，小於發生段15度之臨界坡度，隸屬於流動段。故本區段治理措施，擬配合現地較為寬廣的地形，施作較大斷面之排水箱涵，讓土石流從路面下方之箱涵安全排導通過，避免土石漫溢路面，回流堵塞至南洞口。

五、水文水理分析

(一)清水流量

1. 洪峰流量

依據水土保持技術規範第25條，採用合理化公式估算。並依據水土保持技術規範第156條規定，野溪治理採50年頻率降雨強度計算：

式中

Q_P = 洪峰流量(cms )；

C = 逕流係數

I_t⁵⁰ = 五十年頻率設計降雨強度(mm/hr)

A = 集水區面積(ha)。

2. 設計降雨強度

降雨強度計算採水土保持技術規範第23條規定，以無因次降雨強度公式推估。

，B=55

，

，

式中

I為降雨強度(mm/hr.)

P為年平均降雨量(mm)

t為降雨延時(min.)

3. 逕流係數

參考水土保持技術規範第26條，本工程逕流係數依地表覆蓋情形及坡度採0.8。

4. 集流時間

指逕流自集水區最遠一點到達工程地點出水口所需時間，一般為流入時間與流下時間之和。其計算公式如下：

式中

t_c  ：集流時間(小時)。

t₀  ：流入時間(雨水經地面由集水區邊界流至河道所需時間)(小時)。

：流下時間(雨水流經河道由上游至下游所需時間)(小時)。

L ：坡面長度(公里)。

V ：漫地流流速(一般採用0.3~0.6m/sec)。

流下速度之估算，採用芮哈(Rziha)經驗公式估算：

，其中，W=72(H/L)^0.6

式中

：流下時間(小時)。

W：流下速度(公里/小時)。

H：溪流縱斷面高差(公里)。

本案例北洞口及南洞口之坑溝，經分別以合理化公式演算其五十年頻率清水洪峰流量，如表2所示，分別為1.031CMS及0.813CMS。

(二)土石流定量分析

土石流定量分析項目是以硬體防治對策之相關參量為主，這包括曼寧粗糙係數(n)、土石流泥砂體積濃度(C_D)、土石流尖峰流量(Q_D)、土石流流深(h_d)、土石流流速(U_d)和土石流設計粒徑（D_E）等各項參數，其計算公式及原則分述如下，北洞口及南洞口之坑溝演算結果詳如表3。

1. 曼寧粗糙係數（n）

由於水土保持技術規範尚未訂定出土石流曼寧粗糙係數之本土化公式，故本規劃依據"土石流防治工法之研究評估"（水土保持局90.7）。在自然溪床上，土石流先端部n =0.1，後續流n=0.06，具襯砌三面流路工之河道n=0.03。

2. 土石流體積濃度（）

依據水土保持技術規範第七十三條第一款規定得知，土石流體積濃度之估算以理論推估為主，流動中之土石流其濃度受溪流床坡影響甚大，一般可以下式表示：

式中

σ= 土石密度（kg/m³）

ρ= 水之密度（kg/m³）

θ= 溪谷之坡度

= 土石之內摩擦角。

經上式計算獲得之土石流體積濃度，其合理值應介於0.3~0.9C*之間（C*＝溪床上土石流堆積物之體積濃度）

3. 土石流流量（）

由水土保持技術規範第七十三條第三款規定得知，土石流流量可由清水流量（Qw）推求之，其關係可表為：

4. 土石流流深（）及流速（）

假設溪流為近似矩形之寬廣斷面，則由連續性方程式得知，土石流流量可表為：

又根據曼寧公式，上式可解得土石流流深為

即可得土石流之流速（）。惟獲得之土石流流深，尚應比較土石流之設計粒徑（），並取

較大值作為土石流流深。

5. 土石流設計粒徑（）

土石流設計粒徑（）（design diameter）公式，即

六、坑溝整治工程

根據水文水理分析，及配合實地現場情況，擬定坑溝整治工程主要項目，說明如下：

(一)北洞口坑溝（詳圖二）

1. 碴料回填：北洞口上邊坡非常陡峭，土石流坑溝坡度達到約32度，且緊鄰北洞口假隧道段上方。故整治工程擬將假隧道段上方以碴料分層回填夯實，保護假隧道段避免遭落石或土石流沖擊破壞，回填覆蓋厚度距離假隧道頂部外襯砌至少維持在2公尺以上，且回填面斜度維持在15度（土石流發生臨界坡度）以上，以利土石流通過不堆積。

2. RC梯形明溝：回填面頂部施作RC梯形明溝，藉以排導土石流從回填面上方安全通過。根據表3.計算結果，土石流流量達10.308CMS，在考慮土石流流深、土石流設計粒徑及曼寧公式計算之設計水深後，梯形明溝斷面採用底寬4.0m~5.0m，側邊坡度0.3，高度1.5m。

3. 輪胎保護工：為防範萬一落石及較大之土石流粒徑通過，沖毀梯形明溝及回填區，於回填面上游坑溝另加設有輪胎保護工（類似透過性壩作用），藉以攔阻落石及土石流中較大粒徑。輪胎保護工主要係以廢輪胎、H型鋼貫穿，再以砂礫及混凝土填充其中固定之方式組成。

4. 地下盲溝：回填區為避免過多之地下水滲入，過大之水壓影響回填區及假隧道段之長期穩定性，緊鄰坑溝側之回填區下方處，施作地下盲溝，將入滲地下水導出洞口外之明溝排水系統。

(二)南洞口坑溝（詳圖三）

1. 排水箱涵：南洞口側邊，土石流坑溝坡度約14度，小於發生段15度之臨界坡度，隸屬於流動段。故配合現地較為寬廣的地形，擬施作較大斷面之排水箱涵，讓土石流從路面下方之箱涵安全排導通過，避免土石漫溢路面，回流堵塞至南洞口。根據表3.計算結果，土石流流量達2.202CMS，在考慮土石流流深、土石流設計粒徑及曼寧公式計算之設計水深後，排水箱涵斷面擬採用寬2.0m，高度1.5m。

2. 排水箱涵附屬設施：排水箱涵進水口設計成一較為寬廣之集水井，兼具沉砂及護坡之功能；排水箱涵出水口則堆疊方籠，作為消能及保護下邊坡之功能。

七、結論與建議

1. 土石流一般可分為發源區、流動區及堆積區三個區段的特徵，本案例雖未顯現此完整之三個區段特徵，但相關的地質條件與環境因素，即可能引發潛在的土石流地質災害。因此，在工程設計時，仍應以相關工程環境條件加以考量，以期能確保用路人生命財產之安全。

2. 土石流是急性災害，不論發生、流動或停積等不同階段對環境和保全對象均具有一定之威脅性。本文引用之案例：北洞口位於發生段，南洞口位於流動段，由於土石流兼具有直進性及強大之撞擊力，無論北洞口或南洞口採用之處理對策，均以不與土石流正面攔阻衝突為原則，而以控制坡度方式，排導土石流安全通過。所不同者為配合實地地形，北洞口排導土石流從回填面上方之RC梯形明溝安全通過；南洞口為讓土石流從路面下方之箱涵安全排導通過。

參考文獻

(1) 行政院農業委員會，「水土保持技術規範」（2000）。

(2) 詹錢登，「土石流概論」，科技圖書股份有限公司（2000）。

(3) 潘國樑，「山坡地永續利用」，詹氏圖書公司（1999）。

(4) 連惠邦，「土石流防治工法之研究評估」，行政院農業委員會水土保持局（2001）。

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