TWI452546B - Hybrid large - scale collapse model - Google Patents

Description

混合型大規模崩塌模型器

本發明係一種針對溪谷發生崩塌的狀況，設計出一種崩塌模型器，得以了解崩塌發生、運移、堆積掩埋的災害過程，進而有效預防及應變。

按由臺灣自921大地震加上水土保持不良，以致豪雨情況下有很高的機率發生溪谷型大規模崩塌案例(如小林村後方獻肚山及蘇花公路115.9k等大規模崩塌案例)，而為了解崩塌形成以便防患於未然，會設計出崩塌模型，而一般崩塌模型依其試驗尺寸分為現場模型試驗(Field Test)與室內物理模型試驗(Physical Modeling Test)，其中現場模型試驗為描述實際尺度邊坡崩塌最可靠、準確之方法，然基於安全性與經濟效益之考量下，欲完成如此浩大之試驗工作實屬不易。室內物理模型試驗雖與實際邊坡崩塌尺度差異較大，然其為實際崩塌現象簡化設計之模型成果，除可描述邊坡崩塌之重要特性外，亦可降低現場模型試驗之不確定性與複雜性，故為現階段國內外發展崩塌研究分析之重點。室內崩塌物理模型試驗係以應用高速攝影方法紀錄模擬材料崩塌運動過程，或利用靜態攝影與雷射掃描量測其堆積地形，最終可藉此獲得簡化之崩塌現象描述。Davies等人曾於1999年探討崩塌運動堆積範圍(運動距離及擴散範圍)與崩塌高度之關係。Okura等人(2000)曾探討崩塌運動堆積距離與崩壞體積之關係，發現岩塊群因 碰撞交互作用，導致崩塌量體增加時將增加堆積影響範圍。Lajeunesse等人(2004 & 2005)亦曾探討柱狀圓球顆粒群於平面上崩滑形成堆積之相關研究，結果發現崩塌源頭區初始長寬比對於山崩運動類型(顆粒流或碰撞運動)與堆積型態具顯著之影響性(Lajeunesse et al，2005)。McDougall and Hungr於2004~2005年以室內物理模型模擬快速山崩(Rapid Landslide)之運動堆積行為，並進一步建立其三維運動模式。Manzella與Labiouse(2007)曾針對大規模岩崩(Rock Avalanches)於固定坡度條件下之運動堆積行為，並設計主、支流溪谷地形，進行室內物理模型實驗，以釐清不同模擬材料、崩塌量體、落距、源頭區尺寸、分次堆積方式等，與運動衝出(Runout)距離、堆積形態變化(堆積體寬度、高度及長度等)、運動速度之關係。羅佳明於2009年曾設計室內落石物理模型實驗，進一步探討崩塌量體、岩塊形狀、配比排列、運動地形、崖線崩塌方式等，與運動過程及堆積型態之關係。然而，現階段國內外發展之崩塌模型，尚無法完整描述近期臺灣發生如小林村獻肚山及蘇花公路115.9k等大規模崩塌現象，其主要原因包含：

1.崩塌源頭區溪谷兩岸岩坡變形特性無法掌握：由於溪谷型大規模崩塌案例之源頭堆積物均為上游溪谷兩岸岩體變形或順、逆向坡崩滑堆積而成，尤其臺灣高山板岩區變形或潛移(Creep)特性最為明顯，以現行的崩塌模型器技術上無法模擬其複雜之崩塌機制及運移行為。

2.岩坡材料破壞模擬難度極高：岩塊分離數量與崩塌 規模關聯性甚高，其應為崩塌運移與最終致災範圍之關鍵要素。現階段國內外研發之崩塌模型器，均未考慮岩塊材料沿弱面破壞而分離運移之行為模式。

3.由崩塌轉為堆積土石流動機制複雜不易模擬：現階段國內外研發之崩塌模型器，大多數僅單純考量邊坡崩塌或土石流運移課題，對於邊坡因降雨引致崩塌轉為土石流之複合型山崩現象均尚未探討。

本發明者鑑於習知崩塌模型器所存在之問題點，有鑑於此，發明人本於多年從事相關崩塌模型器之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估進而用心研究開發，因此本發明主要目的係在提供一種混合型大規模崩塌模型器，主要係經由崩塌模型器簡化現地複雜現象與不確定性，進而有效取得解崩塌形成、運移過程與堆積特性之關鍵，以分析崩塌形成、運移過程與堆積影響範圍，以作為有效參考，得以規劃國內山崩地質敏感區劃設與規劃。

為了可達到前述的目的，本發明所運用的技術手段係在於提供一種混合型大規模崩塌模型器，其係包含：一基板，其包含有兩端，一端設置為設立區，另一端為堆積區；兩推動板，其直立地設置於該設立區之兩側，各該推動板設有至少一道呈縱長的長孔，該長孔中組設至少一可沿其長度方向位移的一方向調整器；一位於該兩推動板之間的一擬溪谷架，其包含兩可變 化開合夾角的夾板，該兩夾板兩相對之內側呈樞接，兩外側分別為一連接側，用以該連接側可活動地連接該方向調整器，供該推動板及該方向調整器，得帶動該擬溪谷架改變傾斜角度及該兩夾板開合之角度，以具模擬溪谷下切程度之作用，該擬溪谷架於上側、下側各別設定為一源頭區與一運動區，該源頭區中間為一擬河道區。

所述該擬溪谷架之該源頭區可放置該擬岩邊坡，用以模擬溪谷河岸的岩塊情形，該擬岩邊坡並且可受該擋板之擋靠。

因此依據本發明的技術手段，本發明可以獲得的功效，係如下之說明：本發明的崩塌模型器，精心地包含了一基板、兩呈直立的推動板、一位在兩該推動板之間的該擬溪谷架、至少各一連結推動板與擬溪谷架的方向調整器，藉以該兩推動板的可位移設計，以及配合該方向調整器提供擬溪谷架可上下位移、可多軸方向調整，讓該擬溪谷架可以模擬出溪谷的下切程度，並且巧妙地在該擬溪谷架設置之源頭區，設置模擬溪谷河岸岩塊的該擬岩邊坡，可以有效地模擬出溪谷在設定的下切程度、坡度，以及該擬岩邊坡模擬溪谷岩塊邊坡的負荷量，得以模擬出在降雨量程度，或是該擬溪谷架的傾斜角度來調整模擬出溪谷地形坡度的變化因素，透過擬岩邊坡的崩塌來建立堆積、崩塌運移的形成，探討溪谷型大規模崩塌形成特性而有助於釐清坡體變形與崩壞機制；因此藉由本發明的模擬成果，可根據不同地質材料(如 砂頁互層岩組、板岩、片岩等)、弱面分布、溪谷地形、侵蝕特性、崩塌量體等條件，有效規劃潛在大規模崩塌區之工程治理重點，降低大規模崩塌發生機率；由於本發明的崩塌模型器可具體模擬出溪谷大規模崩塌運動過程與堆積影響範圍，進而瞭解山崩運動行為、土石溢流位置及致災區域範圍，並製作不同條件下之大規模崩塌情境模擬，將有助於災中避難路線之規劃，同時強化災前整備與災中應變之效能。

本發明係一種混合型大規模崩塌模型器，如第1圖所示，該崩塌模型器(10)係包含：一基板(11)，其為長邊形板，一端設置為設立區(12)，另一端為堆積區(13)；兩推動板(20)(201)，其直立地設置於該基板(11)的該設立區(12)之兩側，該推動板(20)的一面突設有數肋板(21)，用以支持該推動板(20)呈立設狀，而該基板(11)上對應該推動板(20)設有數道限桿(22)，使該推動板(20)一側受該限桿(22)擋靠，只能沿該兩推動板(20)呈相向的方向來位移，該推動板(20)的一側穿空一道呈長形的該長孔(23)，位在該長孔(23)的壁面，沿該長孔(23)的長度方向間隔設置數道鎖孔(24)；至少一方向調整器(30)，其如第2圖所示，其包含一呈中空的基座(31)、一可活動地穿裝該基座(31)之第一轉軸(32)、一穿裝於該第一轉軸(32)的中介座(33)、一可活動地連接於該中介座(33)之調整桿(35)；其中該基座(31) 一端面係配合螺栓而鎖合設置於推動板(20)的該鎖孔(24)中，可隨設定參數條件不同，而移到不同高度的該鎖孔(24)，該中介座(33)底側凹設一空槽(331)，供一調整桿(35)橫向地進入空槽(331)，該空槽(331)空間大於該調整桿(35)進入的寬度，以便該調整桿(35)於該空槽(331)內有活動調整之空間，配合一第二轉軸(34)自該中介座(33)外側貫穿，並穿過該調整桿(35)，該調整桿(35)不同於該空槽(331)的另一端，係配合組穿一第三轉軸(36)；一位於兩推動板(20)之間而可改變模擬夾角的擬溪谷架(40)，該擬溪谷架(40)是包含兩可變化開合夾角的夾板(41)(42)，該兩夾板(41)(42)為長方形，兩相對內側彼此呈樞接型態，兩外側分別是連接側(43)，該連接側(43)如第2圖所示，藉由其底側供該方向調整器(30)之該調整桿(35)一端疊靠，供該第三轉軸(36)可轉動地組穿該調整桿(35)與該夾板(41)(42)之各連接側(43)，形成該擬溪谷架(40)可藉該第三轉軸(36)相對該推動板(20)(201)形成傾斜狀，同時也經由該連接側(43)來連結方向調整器(30)，利用第一、二、三轉軸(32)(34)(36)，提供該擬溪谷架(40)可有X、Y、Z軸的三軸方向調整，得以具體地使該擬溪谷架(40)依據山型模擬出較精準的情形；並且該擬溪谷架(40)進一步地在兩夾板(41)(42)的上側、下側各別設定為一源頭區(44)與一運動區(45)，該源頭區(44)係可安置模擬岩塊材料之處，在反向於該推動板(20)位置如第2圖所示，係各於夾板(41)(42)上立設有一擋板(46)，該擋板(46)維持直立的方式是活動型結構，在該源 頭區(44)上立設兩呈U形斷面的擋座(47)底側，於該擋座(47)中形成一道插槽(471)，供該擋板(46)由該插槽(471)上側插裝進入，如不需用時，則將該擋板(46)自該插槽(471)往上抽拉而出即可脫離，該源頭區(44)之尺度如在0.3m(長)×0.3m(寬)×0.15m(高)情形下，最大可容納0.0135m³ 之崩塌量體，該兩擋板(46)之間的距離即是一擬河道區(50)，藉該擬溪谷架(40)的兩夾板(41)(42)可開合角度、高度位置調整，而能進行15°~45°之角度變換。

此外，第3圖所示，係說明本發明之該推動板(20)(201)可以變換不同型式，其中該推動板(20)(201)可以為平板狀，各設有二道長孔(23)，以及各於該長孔(23)與該擬溪谷架(40)之該連接側(43)連結各一方向調整器(30)，使該兩推動板(20)(201)各有一方向調整器(30)來調整該擬溪谷架(40)的河谷坡度，而該推動板(20)(201)底側對應該限桿(22)而凹設有滑槽(25)，供兩該推動板(20)(201)之該滑槽(25)沿該限桿(22)而改變彼此相對距離，也改變擬溪谷架(40)的坡度。

請再配合第2、4、5圖來說明本發明利用該方向調整器(30)、該推動板(20)(201)來調整該擬溪谷架(40)的坡度。比如直線推動該兩推動板(20)(201)，使其朝該擬溪谷架(40)方向直線推進，即可透過該方向調整器(30)的該調整桿(35)以該第二轉軸(34)為支點，以及該第三轉軸(36)連接該擬溪谷架(40)的關係，讓該推動板(20)(201)的推擠力量來連動該擬溪谷架(40)產生改變，讓兩該夾板(41)(42)因空間縮小而變化兩夾板(41)(42)的夾合角度，也等於是 改變該源頭區(44)的傾斜角度變化，藉以因應模擬的溪谷兩岸不同下切程度所形成的溪谷地形；同理，第5圖顯示該方向調整器(30)可鬆開螺栓，滑動該第一轉軸(32)以改換該方向調整器(30)來到不同高度位置的該鎖孔(24)再緊固定位，再配合該方向調整器(30)以該第一轉軸(32)為支點來轉動，藉以調整該擬溪谷架(40)的傾斜角度。

因此如第6圖所示，在實施時，可選定某地方的溪谷，依據該欲模擬的溪谷坡度來調整該推動板(20)(201)，使其連動該方向調整器(30)來對該擬溪谷架(40)產生角度與位置、高度之改變，以符合欲模擬溪谷的下切程度，以及使該擬溪谷架(40)的該運動區(45)因應溪床角度來模擬變換，調整好位置即予鎖定；其次，將溪谷河岸的岩塊以堆積的一模擬球(55)來模擬，該模擬球(55)係模擬的岩塊材料搭配稀釋膠酯或洋菜粉進行膠結，並依據不同弱面分層排列型式，以物理模型與分離元素等模擬該源頭區(44)的岩體變形及潛移之行為，建置溪谷兩岸不規則岩體，因此該數模擬球(55)之間以白膠黏著並且堆積為立體模型的該擬岩邊坡(56)，使黏著該擬溪谷架(40)的該兩夾板(41)(42)上之該源頭區(44)，此時該擬岩邊坡(56)受到該擋板(46)的阻擋，暫時先定位好；其次，如第6、7圖所示，往上抽拉起擋板(46)，再配合該方向調整器(30)來調高該擬溪谷架(40)的坡度，或是透過降雨模擬器，以如圖所示往下箭頭來表示模擬降雨的情況，可供了解在降雨或是改變該擬溪谷架(40)的坡度在對該擬岩邊坡(56)產生的重力作用。其其中該擬岩邊坡(56) 將隨著該擬溪谷架(40)坡度變化或是降雨而產生重力變形，逐漸對該擬岩邊坡(56)各該模擬球(55)之膠結力量產生分離作用，導致該擬岩邊坡(56)的各該模擬球(55)逐漸被拉開或分離，形成模擬土石崩塌現象，令崩塌的該擬岩邊坡(56)由該源頭區(44)往中間的該擬河道區(50)移動，隨著該擬溪谷架(40)的坡度，被重力推向該運動區(45)，在該擬岩邊坡(56)由原本集結堆積，乃至崩塌、運移至該運動區(45)、該堆積區(13)的整個過程，透過本發明的該崩塌模型器(10)就可以得以模擬出溪谷坡度改變、降雨量的影響，會對溪谷兩岸堆積的岩塊造成崩塌的結果；而本發明可利用高速攝影機記錄其運移至堆積過程，並依此建立溪谷型大規模崩塌形成、運移與堆積之基本行為，因為力學模擬參數與實際岩塊群運動均須考量岩塊碰撞消能關係，而回彈係數之量測為本研究於力學消能參數選取上之關鍵，當前有關岩塊碰撞之回彈係數量測配合高速攝影設備輔助量測出岩塊碰撞前後之速度，以能求解較精確之回彈係數。

如果溪谷的坡度一段一段不同，比如一段13度，接下來一段是47度，本發明可以分段模擬，意即本發明的模型器調整該推動板(20)(201)與該方向調整器(30)，帶動擬溪谷架(40)以模擬溪谷的坡度在13度的情形下，藉以觀察崩塌情形，紀錄之後，再模擬坡度為47度的情形。如此一來，便可藉本發明透過模型器來模擬溪谷的地形，來了解潛在的大規模崩塌區位，以作為工程整治、災前整備之參考。

上述實施例僅為例示性說明本發明之技術及其功效， 而非用於限制本發明。任何熟於此項技術人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化，因此本發明之權利保護範圍應如後所述之申請專利範圍所列。

(10)‧‧‧崩塌模型器

(11)‧‧‧基板

(12)‧‧‧設立區

(13)‧‧‧堆積區

(20)(201)‧‧‧推動板

(21)‧‧‧肋板

(22)‧‧‧限桿

(23)‧‧‧長孔

(24)‧‧‧鎖孔

(25)‧‧‧滑槽

(30)‧‧‧方向調整器

(31)‧‧‧基座

(32)‧‧‧第一轉軸

(33)‧‧‧中介座

(331)‧‧‧空槽

(34)‧‧‧第二轉軸

(35)‧‧‧調整桿

(36)‧‧‧第三轉軸

(40)‧‧‧擬溪谷架

(41)(42)‧‧‧夾板

(43)‧‧‧連接側

(44)‧‧‧源頭區

(45)‧‧‧運動區

(46)‧‧‧擋板

(47)‧‧‧擋座

(471)‧‧‧插槽

(50)‧‧‧擬河道區

(55)‧‧‧模擬球

(56)‧‧‧擬岩邊坡

(一)圖式部分

第1圖係本發明較佳實施例之立體圖。

第2圖係本發明較佳實施例之方向調整器立體圖。

第3圖係本發明較佳實施例之適用不同形式推動板的立體圖。

第4圖係本發明較佳實施例之調整推動板以模擬河谷雨岸坡度變換。

第5圖係本發明較佳實施例之調整推動板與方向調整器，帶動擬溪谷架模擬河谷坡變換。

第6圖係本發明較佳實施例之擬岩邊坡位於源頭區的立體示意圖。

第7圖係本發明較佳實施例之擬岩邊坡模擬溪谷土石崩塌的立體動作示意圖。

(10)‧‧‧崩塌模型器

(11)‧‧‧基板

(12)‧‧‧設立區

(13)‧‧‧堆積區

(20)(201)‧‧‧推動板

(21)‧‧‧肋板

(22)‧‧‧限桿

(23)‧‧‧長孔

(24)‧‧‧鎖孔

(30)‧‧‧方向調整器

(40)‧‧‧擬溪谷架

(41)(42)‧‧‧夾板

(43)‧‧‧連接側

(44)‧‧‧源頭區

(45)‧‧‧運動區

(46)‧‧‧擋板

(50)‧‧‧擬河道區

Claims (9)

1. 一種混合型大規模崩塌模型器，其係包含：一基板，其包含有兩端，一端設置為設立區，另一端為堆積區；兩推動板，其直立地設置於該設立區之兩側，各該推動板設有至少一道呈縱長的長孔，該長孔中組設至少一可沿其長度方向位移的方向調整器；一位於該兩推動板之間的擬溪谷架，其包含兩可變化開合夾角的夾板，該兩夾板兩相對之內側呈樞接，各該兩夾板之兩外側分別為一連接側，且該方向調整器包含一呈中空的基座、一可活動地穿裝該基座之一第一轉軸、一穿裝於該第一轉軸的中介座、一可活動地連接於該中介座之調整桿；其中該基座一端面係配合螺栓而鎖合設置於該推動板的該鎖孔中，該中介座底側凹設一空槽，供該調整桿橫向進入該空槽，該空槽空間大於該調整桿進入的寬度，一第二轉軸自該中介座外側貫穿，並穿過該調整桿，該調整桿不同於該空槽的另一端配合組穿一第三轉軸；用以該連接側可活動地連接該方向調整器，供該推動板及該方向調整器，得帶動該擬溪谷架改變傾斜角度及該兩夾板開合之角度，以具模擬溪谷下切程度之作用，該擬溪谷架於該兩夾板上側、下側各別設定為一源頭區與一運動區，該源頭區中間為一擬河道區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該基板為長邊形板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模 型器，所述該推動板一面突設有數肋板，以支持該推動板呈立設狀，該基板對應該推動板設有數道限桿，供該推動板沿限桿直線位移。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述推動板位在長孔的壁面，沿長孔的長度方向間隔設置數道鎖孔。
5. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該擬溪谷架之該連接側，於其底側供該方向調整器之該調整桿一端疊靠，供該第三轉軸可轉動地組穿該調整桿與該夾板之各連接側。
6. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該擬溪谷架於該源頭區反向於該推動板位置，於各兩該夾板各立設一擋板；其中該擋板可活動放置與抽出，其中該源頭區立設兩呈U形斷面的該擋座底側，於該擋座中形成一道插槽，供該擋板由該插槽上側插裝進入，不需使用則將該擋板自該插槽抽拉而出即可脫離。
7. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該推動板可為平板狀，各設有二道長孔，以及各於該長孔與該擬溪谷架之該連接側連結各一方向調整器，該基板上設有該限桿，供該推動板底側凹設之該滑槽滑設於該限桿。
8. 如申請專利範圍第1項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該擬溪谷架之該源頭區可放置該擬岩邊坡，用以模擬該溪谷河岸的岩塊情形，該擬岩邊坡並且可受該擋板之擋靠。
9. 如申請專利範圍第8項所述之混合型大規模崩塌模型器，所述該擬岩邊坡係為堆積為立體型態的模擬球而成型，該模擬球以該模擬岩塊材料進行膠結，並依據不同弱面分層排列型式，黏著該擬溪谷架的該源頭區。