Inspection on the Suitability of Management Values of Existing Pre-Warning Systems Using Numerical Modeling Technique

At first, along the C-C' profile of You-Ye-Lin landslide, a series of field boring and laboratory tests were carried out to obtain the required material model parameters for numerical analysis. Secondly, using a rainfall event in June, 2017 (2017/06/13~2017/06/16), a real time numerical simulation of rainfall-induced seepage were performed and the groundwater variation of simulation were compared with those of measurement to calibrate the validity of the numerical procedures. Subsequently, in order to inspect the critical condition (FS≅1) of C-C' profile, a 24 hr design rainfall with return period of 100 years is prepared for rainfall-induced seepage, displacement, and stability analyses. In the analyses, the required Soil Water Characteristic Curve (SWCC or Θ(u) ~ u curve) of unsaturated surficial soil can be determined according to the fundamental physical properties of soil material, namely, D10, D60, LL, and Θsat. The analysis results indicate the factor safety (FS), the pore water pressure (uw) of monitoring points on Potential Sliding Surface (PSS) and the lateral displacement (Δh) of soil strata are all related to the rainfall intensity. The pore water pressure and lateral displacement of PSS increase noticeably with a raising rainfall intensity and accompanying a descending factor of safety. In addition, based on the interconnecting relations of factor safety (FS), displacement (rate) of ground surface (Δs), displacement (rate) of soil strata (Δh) and cumulative rainfall (Q), several management threshold values of pre-warning system can be set up for You-Ye-Lin landslide. This study carried out a series of parametric studies on the gradient of slope (β=slope angle), the depth of groundwater (hw) and rainfall intensity (I) to investigate the stability of earth slope during rainfall. The numerical analyses indicate that the displacement of ground surface (Δs) increases with an ascending gradient and increasing initial groundwater level of a slope which also accompanying a significantly descending factor of safety. Subsequently, according to the calculated Δ (=Δs or Δh), Q and FS values from fictitious slopes with 4 different slope gradients (β) and groundwater depths (hw), one can draw up a group of management threshold values of pre-warning system and compare with those of commonly used nowadays in Taiwan. Eventually, this study verifies the suitability and completeness of the proposed Δ-Q-FS pre-warning system. Finally, according to the parametric study on the management threshold values of pre-warning, it can be found that the displacement (rate) of ground surface or soil strata commonly used in Taiwan are lack in consideration of mechanical principles and tend to rely on observation experiences. Nevertheless, rainfall events should be closely connected with the geology and hydraulic conditions of earth slope and it is also beneficial to a set-up of pre-warning system. For earth slopes with different gradients and groundwater depths, the management threshold values should be in different range values. For a steep slope with high groundwater level, the hazard potential is comparatively high and the management threshold values of pre-warning system should be drawn up with caution. Keywords: numerical simulation of rainfall-induced seepage, displacement rate, accumulative rainfall, factor of safety首先沿幼葉林地滑地C-C'剖面進行鑽探取樣，再以室內土壤力學試驗決定數值分析所需之地層材料模型輸入參數。接著，採用2017年6月降雨事件(2017/06/13~2017/06/16)，進行降雨滲流數值模擬。同時，將降雨期間之現地地下水水位模擬值與監測值進行比對，檢視兩者地下水水位變化趨勢之吻合度，以率定驗證各類輸入參數之有效性。隨後，為使幼葉林地滑地於降雨事件後，邊坡穩定性趨近於臨界狀態(FS≅1)，乃採用現地重現期距100年之24小時設計雨型，對幼葉林地滑地C-C'剖面潛在滑動面，進行降雨滲流、位移及穩定性分析。分析中所需未飽和表土層之水份特性曲線(SWCC或Θ(u)~u曲線)，可依據土壤之基本物理性質(D10、D60、LL、以及Θsat)予以決定。 分析結果顯示，幼葉林地滑地C-C'剖面之潛在滑動面穩定性安全係數(FS)，以及其上監測點之孔隙水壓(uw)及地層側向位移(Δh)，皆與降雨強度有連動性。當降雨強度提高時，潛在滑動面上之孔隙水壓及地層側向位移會隨之增加，並伴隨著逐漸降低之穩定性安全係數。另外，藉由穩定性安全係數(FS)、地表(Δs)及地層(Δh)變形位移量(或位移率)與累積降雨量(Q)四者之關係，可作為幼葉林地滑地預警系統管理值訂定之依據(可簡稱Δ-Q-FS預警系統)。 本研究再針對不同坡度(β)、地下水水位深度(hw)與設計降雨強度(I)之坡地，進行參數研究。分析結果顯示:降雨期間，坡度較陡以及初始地下水水位較高時，地表位移(Δs)將增大，坡地之穩定性安全係數(FS)也會明顯降低。其次，藉由計算求得之Δ(=Δs or Δh)、Q、以及FS三者之關係，可針對四種不同坡度(β)及地下水水位深度(hw)之虛擬坡地，進行預警系統管理值之訂定，並與目前國內常用之預警系統管理值來進行比較，以驗證本研究所提Δ-Q-FS預警系統之適宜性及周延性。 最後，由預警系統管理值訂定之參數研究可發現，目前國內常用預警系統管理值中之地表及地層位移率訂定方式，較偏向經驗及觀測而欠缺力學依據。然而，實務上降雨必須與坡地地質、水文條件相結合，以利於決定預警系統值。坡地在不同坡度及地下水水位深度情況下，將會有不同範圍之預警系統管理值。由於坡地之坡度越陡及地下水水位深度越淺(高)，其危害潛勢越高，因此預警系統管理值之訂定範圍必須更為嚴謹。 關鍵字：降雨滲流數值模擬、位移率、累積降雨量、穩定性安全係數、預警系統管理值摘要 i Abstract ii 第1章 前言 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 1 第2章 文獻回顧 2 2.1 地滑 2 2.1.1 定義 2 2.2 未飽和土壤 3 2.2.1 未飽和土壤之特性 3 2.2.2 未飽和土壤之基質吸力 5 2.2.3 未飽和土壤之力學特性及滲流行為 7 2.2.4 未飽和土壤之水分特性曲線與水力傳導係數曲線 10 2.3 未飽和邊坡降雨入滲穩定分析 29 2.3.1 降雨入滲行為 29 2.3.2 雨量資料分析 33 2.3.3 降雨頻率分析與設計雨型 36 2.3.4 邊坡破壞機制 38 2.4 數值分析程式 38 2.4.1 滲流分析程式 SEEP/W 39 2.4.2 邊坡穩定分析程式 SLOPE/W 42 2.4.3 位移變形分析程式 SIGMA/W 46 2.5 國內外預警系統訂定案例 50 2.5.1 國內預警機準訂定案例 50 2.5.2 國外預警基準訂定案例 52 2.6 以數值模擬訂立預警系統管理值案例之彙整 55 2.6.1 案例1:印度尼西亞爪哇島 55 2.6.2 案例2:台灣甲仙堰邊坡 55 2.6.3 案例3:印度喀拉拉邦 56 第3章 研究方法 57 3.1 研究流程 57 3.2 幼葉林地滑區之監測成果判釋 58 3.2.1 地理位置 58 3.2.2 氣候、地形及地質 59 3.2.3 過去災害 61 3.2.4 現地監測 62 3.2.5 雨量頻率分析與設計雨型 65 3.3 幼葉林地滑地數值模型建立與分析計算 67 3.3.1 數值模型建立 67 3.3.2 初始條件設定 69 3.3.3 邊界條件設定 69 3.3.4 輸入參數 70 3.3.5 分析執行 73 3.4 預警系統設計之參數研究 75 3.4.1 地形與水文條件 76 3.4.2 降雨入滲分析 79 3.4.3 邊坡穩定分析 80 3.4.4 位移變形分析 80 第4章 結果與討論 81 4.1 6月降雨事件滲流模式率定與驗證 81 4.2 幼葉林地滑區100年重現期距降雨之滲流、邊坡位移與穩定性分析 81 4.2.1 潛在滑動面之穩定性安全係數 83 4.2.2 孔隙水壓之變化 84 4.2.3 地層側向位移之變化 86 4.3 幼葉林地滑地預警管理值設計準則 88 4.3.1 幼葉林地滑地預警系統管理值訂定 89 4.4 邊坡穩定與位移影響因子參數研究 90 4.4.1 坡度 91 4.4.2 初始地下水水位深度 96 4.4.3 不同之平均降雨降度(延時t=24 hr) 100 4.5 Δ-Q-FS預警管理系統之設計參數研究 103 4.5.1 四級坡(β=20°) 103 4.5.2 五級坡(β=25°) 109 4.6 Δ-Q-FS預警系統驗證與探討既有預警管理值之周延性 115 第5章 結論與建議 117 5.1 結論 117 5.1.1 幼葉林地滑地6月降雨事件滲流模式率定與驗證 117 5.1.2 幼葉林地滑地降雨入滲、邊坡位移及穩定性分析 117 5.1.3 幼葉林地滑地預警管系統理值訂定 117 5.1.4 邊坡穩定與位移影響因子參數研究 117 5.1.5 預警管理系統之設計參數研究 118 5.1.6 既有預警系統管理值之驗證與探討 118 5.2 建議 11