近年來全球極端氣候頻繁發生，天然災害規模擴大，複合型災害增加。2009年莫拉克颱風侵襲台灣，造成台灣中南部地區災情慘重，如小林村滅村及頭坑溪土石流等，均因山崩、土石流匯入主流形成堆積，土石擠壓主河道甚而造成堰塞湖，並因河道的束縮或隨著堰塞湖的流潰而對上、下游河岸產生嚴重影響。本研究以土石流渠槽試驗及FLO-2D二維數值模式，研究土石流在主支流不同交匯情況時，土石流扇狀堆積型態對主河道的影響。
土石流渠槽試驗共進行45組，包括三種交匯角度(30°、60°、90°)、三種支流坡度(13°、16°、19°)及五種體積濃度(0.45、0.50、0.55、0.60、0.65)，模擬並觀察支流發生土石流後匯入主流產生堆積，並經水流淘刷之過程，其堆積扇狀地上游、匯流口及下游面之變化情形。試驗結果依土石流扇狀堆積歸類劃分為支流淤積型、部分淤積型、完全淤積型、堰塞溢頂型等4種類型。而交匯角分別為30°、60°及90°時，擠壓率落在0~0.4、0.5~0.8及0.8~1之間；顯示交匯角度自30°增加到90°時，土石堆滿主河道機率有增加現象。堆積型態以支流坡度19°，體積濃度為0.45為例，交匯角30°寬厚比為23.7，交匯角60°寬厚比為21.2，交匯角90°寬厚比為16.8。顯示交匯角度愈大，交匯處堆積範圍縮小，堆積厚度變大，寬厚比則變小。尤其交匯角趨近於90°時，土石扇狀堆積堆滿主河道機率高，擠壓主河道之特性明顯，且堆積厚度大，最容易形成堰塞湖現象，對於匯流口及其對岸邊坡以及上下游兩岸之影響性也最高。
FLO-2D模式結合人為建置之水槽數值高程進行土石流模擬，分析結果與土石流渠槽試驗趨勢相同。藉由數值模擬觀測土石流在主支流交匯堆積與沖刷情形，包含土石流流動速度、堆積範圍、堆積厚度、主流之流速、流向及流況等。結果顯示土石流流速隨著支流流槽坡度的增加而增加，流速亦隨著土石流體積濃度的下降而增加。土石堆積擠壓主河道時，造成河道束縮，水流流速變快，在土石堆積前緣有沖刷情形。而FLO-2D雖可模擬土石流匯入主流之影響，但由於程式本身定床模式及較適合模擬泥流型土石流之限制，仍無法明確看出土石堰塞堆滿整個主河道，主流水流發生溢頂之情況。

Due to the increasing extreme weather conditions in recent years, the frequency and magnitude of composite disasters are greatly increased. For example, in 2009, when Typhoon Morakot intruded Taiwan, there were severe disasters in both central and southern parts of Taiwan, including incidents as the whole village of Hsiaolin was wiped out, and occurrences of severe debris-flow disasters in Toukeng Creek. This study were completed through debris-flow flume experiments and a two dimensional numerical model FLO-2D. The flume experiments and FLO-2D simulation results were used to analyze the characteristics of debris fans deposited in the mainstream-tributary intersection.
Forty five sets of flume experiments, three intersection angle (30 °, 60 °, 90 °), three tributaries of the slope (13 °, 16 °, 19 °) and five volume concentration (0.45, 0.50, 0.55, 0.60, 0.65), were proceed in this research. According to the debris fans piling up in the mainstream-tributary intersection, four types of debris fans were classified as tributary deposited, part of mainstream deposited, completely mainstream deposited, and barrier-deposited and overflow.
The test results showed that the velocity of debris flow increased with the increase in the slope of tributary, also increased with the decline in the volume concentration. In general, when the angle of mainstream-tributary intersection increases, the debris flow squeeze the main river channel behavior becomes more obvious, the smaller deposition width, the larger deposition thick. In particular, the intersection angle of 90 °, most likely to form a short period of barrier lake, the impact to the upstream and downstream riversides is also the highest. Using the FLO-2D two-dimensional numerical model to simulate the flume experiments by the artificially building flume DEM, simulation results have similar trend with the flume experiment results.

目 錄
摘要......................................................I
Abstract................................................III
誌謝......................................................V
目 錄....................................................VI
表目錄....................................................X
圖目錄..................................................XII
第一章 緒 論..............................................1
1.1 前言..................................................1
1.2 研究動機與目的 ........................................1
1.3 研究內容..............................................3
第二章 文獻回顧...........................................5
2.1 坡度特性..............................................5
2.2 土石流濃度特性 ........................................7
2.3 土石流交匯...........................................10
2.4 土石流數值模擬 .......................................19
第三章 試驗材料、設備與研究方法..........................21
3.1 現地採樣.............................................21
3.2 現地土石物理試驗.....................................22
3.3 模擬級配曲線.........................................24
3.4 試體之準備...........................................27
3.5 試驗設備介紹.........................................28
3.5.1 水槽設備...........................................28
3.5.2 試驗水槽交匯.......................................31
3.5.3 試驗紀錄設備.......................................32
3.6試驗模型比尺限制......................................33
3.7 試驗方法.............................................34
3.7.1 試驗控制條件.......................................34
3.7.2 流槽模型試驗步驟...................................36
第四章 試驗結果與討論....................................38
4.1 試驗圖片與定義說明...................................38
4.2 影響因素探討.........................................40
4.3 交匯角30度...........................................41
4.3.1 支流坡度13度.......................................43
4.3.2 支流坡度16度.......................................48
4.3.3 支流坡度19度.......................................53
4.4 交匯角60度...........................................59
4.4.1 支流坡度13度.......................................61
4.4.2 支流坡度16度.......................................66
4.4.3 支流坡度19度.......................................71
4.5 交匯角90度...........................................76
4.5.1 支流坡度13度.......................................78
4.5.2 支流坡度16度.......................................84
4.5.3 支流坡度19度.......................................89
4.6 綜合討論.............................................94
4.7 試驗結果分類.........................................98
4.7.1 流入支流淤積型現地案例-松鶴部落...................100
4.7.2 部份淤積擠壓主河道型現地案例-高雄縣桃源鄉建山村...101
4.7.3 完全淤積前緣沖刷型現地案例-陳有蘭溪支流頭坑溪.....102
4.7.4 完全淤積堰塞溢頂型現地案例-布唐布那斯溪...........103
4.8 不同交匯角分類情況..................................104
第五章 FLO-2D數值模擬...................................109
5.1 FLO-2D程式理論簡介.................................109
5.2 控制方程式..........................................110
5.2.1連續方程式.........................................110
5.2.2運動方程式.........................................111
5.3 流變方程式..........................................111
5.4 相關比尺關係........................................116
5.5 試驗模擬參數決定....................................117
5.5.1 網格資料..........................................117
5.5.2 相關比尺計算......................................120
5.5.3 體積濃度..........................................120
5.5.4 土石流流量........................................120
5.5.5 模擬時間..........................................121
5.5.6 降伏應力及黏滯係數................................121
5.5.7 土石流體中土石比重(Gs)............................122
5.5.8 層流阻滯係數(K)...................................122
5.5.9 曼寧粗糙係數(n)...................................123
5.6 FLO-2D模擬結果與討論................................124
5.6.1 資料前處理........................................124
5.6.2 試驗模擬結果......................................125
5.6.3 試驗模擬與現地模擬探討............................130
第六章 結論與建議.......................................133
6.1　結論...............................................133
6.2　建議...............................................134
參考文獻................................................135

表目錄
表2-1土石流發生之坡度特性.........................................................................6
表2-2台灣地區土石流之現場地形坡度.........................................................7
表2-3土石流容積濃度相對關係.....................................................................8
表2-4砂礫濃度與含砂礫流體之關係.............................................................9
表2-5砂礫濃度與含砂礫流體之關係...........................................................10
表2-6土石流支流入匯主流堆積形式...........................................................10
表2-7朱平一(2000)提出土石流堵河之主要因子.........................................12
表2-8土石流匯入的主河河型分類表...........................................................15
表2-9擴張現象特性之比較...........................................................................18
表2-10前人使用FLO-2D之整理表..............................................................19
表3-1現地明坑採樣試驗結果.......................................................................24
表3-2試驗配置................................................................................................35
表4-1交匯角30°試驗條件與量測結果.........................................................42
表4-2交匯角30°坡度13°堆積圖..................................................................45
表4-3交匯角30°坡度16°堆積圖..................................................................50
表4-4交匯角30°坡度19°堆積圖..................................................................55
表4-5交匯角60°試驗條件與量測結果.........................................................60
表4-6交匯角60°坡度13°堆積圖..................................................................63
表4-7交匯角60°坡度16°堆積圖..................................................................68
表4-8交匯角60°坡度19°堆積圖..................................................................73
表4-9 交匯角90°試驗條件與量測結果........................................................77
表4-10交匯角90°坡度13°堆積圖................................................................80
表4-11交匯角90°坡度16°堆積圖................................................................86
表4-12交匯角90°坡度19°堆積圖................................................................91
表4-13試驗結果分類表....................................................................................98
表4-14 種類示意圖...........................................................................................99
表4-15支流淤積型..........................................................................................100
表4-16部份淤積型..........................................................................................101
表4-17完全淤積型..........................................................................................102
表4-18堰塞溢頂型..........................................................................................103
表5-1降伏應力、動力黏滯係數與體積濃度關係表...................................114
表5-2層流阻滯係數參考表............................................................................122
表5-3曼寧粗糙係數估計表............................................................................123
表5-4本研究FLO-2D模式各參數設定整理................................................125

圖目錄
圖1-1頭坑溪(DF202)土石流整體圖(修改自林基源，2009).........................2
圖1-2研究流程圖.............................................................................................4
圖2-1土石流堆積輸沙過程三種類型之發生區域(匡尚富1995)...............11
圖2-2土石流與主河交匯形式.......................................................................12
圖2-3土石流與主流水流交匯模式示意圖（陳德明，2000）...................13
圖2-4土石流入匯主流之型式（陳德明，2000）.......................................13
圖2-5脊線、軸線和沖刷角的定義示意圖(陳德明等2002).......................16
圖2-6淤積率與總流量關係...........................................................................17
圖2-7淤積率與流量比關係...........................................................................17
圖2-8堆積扇擴張過程分類圖.......................................................................18
圖3-1現地採樣地點.......................................................................................21
圖3-2現地採樣照片.......................................................................................22
圖3-3土壤粒徑分佈圖...................................................................................23
圖3-4現地粒徑分佈曲線與等重量替代模擬土石粒徑曲線.......................27
圖3-5水槽主支流交匯整體圖.......................................................................28
圖3-6運用GIS量測和社溪高程與溪流長示意圖.......................................29
圖3-7支流與卸料桶.......................................................................................29
圖3-8閥門開關................................................................................................30
圖3-9三角堰....................................................................................................30
圖3-10整流管..................................................................................................31
圖3-11沉砂池與抽水機..................................................................................31
圖3-12主支流交匯90°...................................................................................31
圖3-13主支流交匯60°...................................................................................31
圖3-14主支流交匯30°...................................................................................31
圖3-15 HDR-XR150數位攝影機...................................................................32
圖3-16 DCR-SR220數位攝影機....................................................................32
圖3-17 DMC-ZS7數位照相機.......................................................................33
圖4-1主支流語交匯區示意圖.......................................................................38
圖4-2堆積長示意圖.......................................................................................38
圖4-3堆積寬示意圖.......................................................................................38
圖4-4通水斷面寬示意圖...............................................................................38
圖4-5擠壓率示意圖.......................................................................................39
圖4-6束縮比示意圖.......................................................................................39
圖4-8堆積厚示意圖.......................................................................................39
圖4-7堆積寬示意圖.......................................................................................39
圖4-9交匯角30°匯入主流堆積上視圖.........................................................41
圖4-10交匯角30°水流沖刷上視圖...............................................................41
圖4-11試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度13°)........43
圖4-12試驗土石堆積沖刷情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度13°)....................44
圖4-13土壤體積濃度在坡度13°流速...........................................................46
圖4-14土壤體積濃度在坡度13°擠壓率.......................................................46
圖4-15土壤體積濃度在坡度13°束縮比.......................................................47
圖4-16土壤體積濃度在坡度13°寬厚比.......................................................47
圖4-17試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度16°)........48
圖4-18試驗土石堆積沖刷情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度16°)....................49
圖4-19土壤體積濃度在坡度16°流速...........................................................51
圖4-20土壤體積濃度在坡度16°擠壓率.......................................................51
圖4-21土壤體積濃度在坡度16°束縮比.......................................................52
圖4-22土壤體積濃度在坡度16°寬厚比.......................................................52
圖4-23試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度19°)........53
圖4-24試驗土石堆積沖刷情況(交匯角30°、CV=0.45、坡度19°)....................54
圖4-25土壤體積濃度在坡度19°流速...........................................................56
圖4-26土壤體積濃度在坡度19°擠壓率.......................................................56
圖4-27土壤體積濃度在坡度19°束縮比.......................................................57
圖4-28土壤體積濃度在坡度19°寬厚比.......................................................58
圖4-29交匯角60°匯入主流上視圖...............................................................59
圖4-30交匯角60°水流沖刷上視圖...............................................................59
圖4-31試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度13°)........61
圖4-32試驗土石堆積沖刷情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度13°)....................62
圖4-33土壤體積濃度在坡度13°流速...........................................................64
圖4-34土壤體積濃度在坡度13°擠壓率.......................................................64
圖4-35土壤體積濃度在坡度13°束縮比.......................................................65
圖4-36土壤體積濃度在坡度19°寬厚比.......................................................65
圖4-37試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度16°)........66
圖4-38試驗土石堆積沖刷情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度16°)....................67
圖4-39土壤體積濃度在坡度16°流速...........................................................69
圖4-40土壤體積濃度在坡度16°擠壓率.......................................................69
圖4-41土壤體積濃度在坡度16°束縮比.......................................................70
圖4-42土壤體積濃度在坡度16°寬厚比.......................................................70
圖4-43試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度19°)........71
圖4-44試驗土石堆積沖刷情況(交匯角60°、CV=0.45、坡度19°)....................72
圖4-45土壤體積濃度在坡度19°流速...........................................................74
圖4-46土壤體積濃度在坡度19°擠壓率.......................................................74
圖4-47土壤體積濃度在坡度19°束縮比.......................................................75
圖4-48土壤體積濃度在坡度19°寬厚比.......................................................75
圖4-49交匯角90°匯入主流上視圖...............................................................76
圖4-50交匯角90°水流沖刷上視圖...............................................................76
圖4-51試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度13°)........78
圖4-52試驗土石堆積沖刷情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度13°)....................79
圖4-53土壤體積濃度在坡度13°流速...........................................................81
圖4-54土壤體積濃度在坡度13°擠壓率.......................................................81
圖4-55土壤體積濃度在坡度13°束縮比.......................................................82
圖4-56土壤體積濃度在坡度13°寬厚比.......................................................83
圖4-57試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度16°)........84
圖4-58試驗土石堆積沖刷情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度16°)....................85
圖4-59土壤體積濃度在坡度16°流速...........................................................87
圖4-60土壤體積濃度在坡度16°擠壓率.......................................................87
圖4-61土壤體積濃度在坡度16°束縮比.......................................................88
圖4-62土壤體積濃度在坡度16°寬厚比.......................................................88
圖4-63試驗土石流匯入主流堆積情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度19°)........89
圖4-64試驗土石堆積沖刷情況(交匯角90°、CV=0.45、坡度19°)....................90
圖4-65土壤體積濃度在坡度19°流速...........................................................92
圖4-66土壤體積濃度在坡度19°擠壓率.......................................................92
圖4-67土壤體積濃度在坡度19°束縮比.......................................................93
圖4-68土壤體積濃度在坡度19°寬厚比.......................................................93
圖4-69交匯角90°流速情形...........................................................................94
圖4-70各交匯角在坡度19°擠壓率...............................................................95
圖4-71各交匯角在坡度13°束縮比...............................................................96
圖4-72各交匯角在坡度19°寬厚比...............................................................97
圖4-73支流松鶴二溪與主流大甲溪交匯情況...........................................100
圖4-74支流高縣DF061與主流荖濃溪交匯情況......................................101
圖4-75支流頭坑溪與主流和社溪交匯情況...............................................102
圖4-76支流布唐布那斯溪與主流荖濃溪交匯情況...................................103
圖4-77交匯角30°分類.................................................................................104
圖4-78交匯角30°分佈分類.........................................................................104
圖4-79交匯角60°分類.................................................................................105
圖4-80交匯角60°分佈分類.........................................................................105
圖4-81交匯角90°分類.................................................................................106
圖4-82交匯角90°分佈分類.........................................................................106
圖4-83交匯角分佈圖...................................................................................108
圖5-1座標系統圖.........................................................................................110
圖5-2剪應力與剪應率之關係圖(FLO-2D使用手冊) ................................113
圖5-3降伏應力與體積濃度相對圖（FLO-2D使用手冊）......................115
圖5-4動力黏滯係數與體積濃度相對圖（FLO-2D使用手冊）..............115
圖5-5 FLO-2D模擬流程圖...........................................................................118
圖5-6交匯角30°縮放比例係數100倍之水槽網格...................................119
圖5-7交匯角60°縮放比例係數100倍之水槽網格...................................119
圖5-8交匯角90°縮放比例係數100倍之水槽網格...................................119
圖5-9模擬CV=0.60在交匯角30°坡度16°堆積情形................................126
圖5-10模擬CV=0.55在交匯角60°坡度16°堆積情形..............................126
圖5-11模擬CV=0.45在交匯角90°坡度19°堆積情形..............................126
圖5-12土壤體積濃度0.60在交匯角30°坡度16°試驗結果.....................127
圖5-13土壤體積濃度0.55在交匯角60°坡度16°試驗結果.....................127
圖5-14土壤體積濃度0.45在交匯角90°坡度19°試驗結果.....................128
圖5-15模擬CV=0.60在交匯角30°坡度16°流速情形..............................128
圖5-16土壤體積濃度0.60在交匯角30°坡度16°水流沖刷情形.............129
圖5-17模擬CV=0.50在交匯角60°坡度16°流速情形..............................129
圖5-18土壤體積濃度0.50在交匯角60°坡度16°水流沖刷情形.............130
圖5-19頭坑溪各重現期土石流影響範圍比較圖(蔡旻霖2011)................131
圖5-20修正DEM匯流最大深度之等高線圖(蔡旻霖2011).....................132
圖5-21模擬室內水槽主支流交匯與試驗結果...........................................132

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