2010/11/15

不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之五)


圖 九 小林村區域的線形構造分佈圖



圖 十 小林土石流發源地的旋扭構造




===不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之五)===

最後一個問題要問的是:小林土石流發生的機制是什麼?為什麼有那麼大的土方量?

讓我們先回憶一下,小林土石流發生的過程。在莫拉克颱風剛來襲時,累積雨量雖然不小,但是還沒有達到發生巨大規模土石流的程度。此時的雨水仍然匯集到
X河(即小林村北側的無名彎河)排洩,因為河水下切及側蝕的作用,造成X河下游的右岸發生順向坡滑動,堵塞了河道,因而產生導流效應,將X河上游的河水壅高,使其越過節點(高點),然後導入高縣DF006潛在溪流的河道;不旋踵,由於獻肚山發源地的岩層裂縫已經過份飽水,於是爆發猛烈的地滑,立刻轉變成土石流,並向下游直進猛衝;根據估計,約有60至80公尺厚的岩層捲入土石流中,另外還要加上從順向面及逆向面淘掘而來的土方,因此形成一個致命性的洪流,飛躍小林村後山的陡崖,衝向楠梓仙溪的河床及對岸,部份土石則在十數秒或數十秒鐘之內即將小林村覆蓋掩埋,連逃命的機會都沒有。

問題在於為什麼會有那麼巨厚的岩層被牽連?日本人提出順向坡深層潛移(Creep)的理論。但是從遙測影像上觀之,小林村地區並無形成順向坡的地質條件,因為實際上順向坡都傾向當地的水系,而不是傾向楠梓仙溪。再說,影像上也沒有發現有直交於流動方向的張力裂縫。因此,我們需要重新檢驗小林村區域的裂縫系統。

圖九顯示小林村區域的線形(Linear)分佈。最足堪注意的是標記為S的線形組合;它們都有一個共通的特點就是全由數個弧形線形及其所環繞的岩塊所組合而成的構造,稱為旋扭構造。圖十顯示的則是小林土石流發源地之旋扭構造特寫。旋扭構造係由旋扭式的剪力偶所形成。它的組成包括一個直立的圓柱(或稱旋扭軸,即弧形線形的圓心)、數個直立的旋迴面(即弧形線形的垂直面)、以及數個直立的旋迴岩塊(即兩個旋迴面所夾的岩塊)。旋迴面以圓柱為中心向外撒開,所以呈張口狀,越向外側,張口越大,因而提供了良好的貯水條件。一般而言,發育不良的旋扭構造常成掃帚狀,發育中等的旋扭構造則成旋捲狀,而發育最好的旋扭構造則會形成旋渦狀。因之,小林的旋扭構造應該是由中等程度的旋扭剪力所造成。中等旋扭構造的旋迴面厚度不下於數公里至數十公里;其比順向坡的潛移深度還要厚得多。

由以上所提出的證據可以證明:旋扭構造才是造成小林土石流在地質史上一再復發的主要原因,而且也是由於旋扭構造才可能造成災難性的巨大規模土石流。(全文結束)

2010/11/14

不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之四)


圖 六 小林地區的巨觀地質構造 (細白線為不同砂岩層的走勢線, 黃線為斷層; 小林村即位於影像中央,走勢線呈八字狀的地方; 如果仍然看不見, 可按滑鼠左鍵, 影像即可放大.)



圖 七 小林地區的地質構造 (H為高點或節點,即溢流點)



圖 八 小林地區順向面(DS)與逆向面(AS)組合而成的V槽及楔線



不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之四)



接著我們要討論的問題是發生小林土石流直前的地滑是否為順向坡滑動。

要回答這個問題之前,我們必須先了解小林地區的岩層位態及地質構造。

從衛星影像的廣域範圍來看(請見圖六),小林地區的岩層,其位態於不規則中卻有一些規則可循。例如圖中F1(甲仙斷層)以東,及F2(沿著楠梓仙溪)以西的地區,岩層非常規律的都向東傾斜;茲以T字表示,其梗柱表示傾斜的方向。但是在F1及F2之間,岩層則斷錯失序,無法比對;圖上的白線條表示不同砂岩層的走勢線;它們並非走向線,因為走向線必須為水平線。從影像上觀之,這裡的走勢線都向楠梓仙溪傾斜,類似褶皺構造的岩層之傾沒(Plunging),但是它們不是,它們另由其他原因所造成。

所謂岩層的走向線係指在同一個層面上,將高程相等的任意兩點連結起來的水平線;而傾向線則直交於走向線。因此,小林地區的岩層(指在F1與F2之間),其傾向幾乎都向著當地的水系傾斜(請見圖七)。

我們在上篇網誌已經討論過,小林土石流的流向係循著圖五中J-C-A的路徑向小林村直衝;可見它並非順向坡滑動。正確的講,應該是平行於走勢線的方向運動。從圖八中我們可以見到,小林土石流的發源地及流通段(節點以下的直進段除外)都侷限在一個由順向面(如此稱呼,以與順向坡有所區別),及一個逆向面所組合而成的V槽內;而V槽的槽底就是順向面與逆向面的交線,我們姑且稱為楔線;楔線的斜向指導著土石流的動向,類似楔形破壞(Wedge Failure)一般。 (待續)

2010/11/13

不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之三)


圖 四 小林土石流發生後不久所取得的低空斜攝航照 (齊柏林先生攝)



圖 五 小林土石流發生前的衛星影像 (Google Earth)


不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之三)


小林土石流發生後不久,齊柏林先生隨即開著小飛機,進行低空攝影,結果他得到如圖四的影像。在照片偏中間偏左的地方,有一個藍灰色、葫蘆形、表面平滑、稍微向著彎河(姑且稱為X河)的下游傾斜之地物,那是典型的堰塞湖影像。它的下方發現有一團深灰色、有如月弦的東西,正是滑體;該滑體首先攔擋了X河的流水,於水滿之後X河則自己沖出一條小水路來,色藍灰,與堰塞湖水的顏色相同。這個地滑對小林土石流的直進性可能發揮了積極的作用;它阻擋了土石流向右轉彎,且斷掉土石流循著X河道排洩的趨勢,迫使土石流越過高點或節點(即圖五中的A點),直接衝向小林村。

我們接著要問,地滑是怎麼發生的。這就要看圖五這一張災前影像;其中CHC就是X河;F是一個順向坡,從影像上可以輕易的判斷,它曾經發生過順向坡滑動,因此第一次堵塞了X河;再看滑體的前鋒,到達了G的右側外緣,覆蓋到三角錐古土石流堆積扇的局部。而滑體的左邊坡因為比較陡,所以發生了逆滑動,因而形成H邊坡,使得X河第二次被堵塞。因為X河的順向坡滑動相對的頻繁,所以X河為了達到縱坡的平衡剖面,就會不斷的往下切深;結果就不斷的淘刷順向坡的坡腳;順向坡的坡腳一旦被淘空之後,就不斷的觸動順向坡滑動。這種程序週而復始,遂造成X河的右岸順向坡被一層一層的往下剝離。在小林土石流發生的過程當中,上述的作用即再度重現。圖四中深灰色的月弦形土堆即是順向坡的滑體。

不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之二)



圖 三 小林村土石流災前的衛星影像(Google Earth), 可見到流通段上的節點, 約位於影像中央, 在小林村後山三角錐的頂點






圖 二 小林村土石流停積後所遺留下來的痕跡 (小林村位於楠梓仙溪古河岸, 即黃灰色陡崖之正下方)





要找小林土石流的源頭, 必須溯溪而上; 從圖二可以明顯的看出來, 小林土石流的發源地係位於獻肚山的地方(請見圖二及圖三). 在地形上略呈蕃薯葉或楓葉的三角狀淺盤, 位於影像中白雲的正下方兩公分處. 但問題是在流路的半途上出現了一個高點, 即節點, 它位於小林村後山的三角錐之頂點上. 理論上, 土石流應該順著節點左惻向外灣的河道往下游傾瀉才對, 它為什麼會爬上節點, 然後走直線而朝小林村的方向直沖?

土石流具有直進的特性, 也就是說在它行進的過程當中, 如果遇到阻礙, 如彎道, 河道的斷面縮小等之類的地形時, 它就會溢流越岸, 然後直直的向前沖. 但這是否就是唯一的原因? 其實有很多證據可以證明另有原因在. (待續)

2010/11/12

不經一事 不長一智—以小林滅村為例 (之一)



圖 一 小林村坐落於古土石流堆積扇上的衛星影像 (Google Earth)



小林村於2009年8月莫拉克颱風來襲時,遭土石流掩埋的事件驚動全球。日本人因而提出深層滑動的理論;但由種種證據驗之,此說或有修正的空間。

地質學家常以現在的地質活動去解釋過去的地質現象。例如現在我們看到河川把大部份的陸上泥砂帶到海洋去沉積,依此推測,則過去的河川也是經由相同的地質作用,將泥砂攜帶到古海洋去堆積,終而形成沉積岩,後來則因地殼抬升而露出地表。我們對小林村土石流也可採用相同的推論方法,看看在地質歷史上,小林地區是否曾經發生過土石流。

要研究小林古土石流必須先回答四個關鍵性的問題,即 (1)小林村是位於河階台地或土石流堆積扇上? (2)小林土石流真如一般人所說的順向坡滑動? (3)小林土石流為什麼從獻肚山開始,採取直進的方式越過高點,直沖小林村? (4)猛暴雨有什麼能力可以在小林土石流的源頭剝掉60至80公尺厚的岩層?以下即一一來解答這些問題。

土石流堆積扇最大的特徵是它的扇頂一定位於谷口或河口,而且在橫向上呈現中間高、兩側地的微地形特徵(見圖一),在縱向上則從扇頂向著扇緣緩緩傾斜。反觀河階台地,它的總體台地面會封死谷口,而且河流會切過台地面,並在縱向上形成平順的河道梯度;同時,台地面比較平坦,且微微向下游傾斜,但絕不會像土石流堆積扇一樣,後者是從山麓以稍陡的角度向著河心傾斜。可見兩者的區別並不困難。

從圖一可以非常清楚的判定,小林村係坐落於三角錐狀的地盤上,其錐頂正好對著河口(即土石流潛在溪流高縣DF006),且呈現中間高、兩側低的典型土石流堆積扇微地形。不過,令人懷疑的是高縣DF006土石流是如此的短、窄、淺、小,又無明顯的發源地,怎麼可能形成那麼大的堆積扇?再者,小林村後山的三角狀地帶又是什麼?它為什麼會形成一個高約30公尺的陡崖?

從現場驗證的結果顯示,上述三角地帶乃是古土石流的堆積物,而其陡崖則是楠梓仙溪的古河岸。由此可以推測,小林村的古堆積扇乃是地質史上由大規模的土石流所造成,就像此次由莫拉克颱風所造成的致命土石流一樣。這是歷史重演所造成的宿命,非人力可抗拒。(待續)

2010/08/06

日本NHK所拍的小林村深層崩壞

謝謝你, Meier! 這部片子我看過. 日本人能拍出這麼好的影片, 當然是令人佩服的; 國內當然也可以拍, 但是沒有人願意拍, 第一是因為牽涉到政治責任歸屬的問題, 第二是沒有單位願意資助拍攝的問題 .

你家的事當然你最清楚, 同樣的道理, 台灣的事台灣人自己最清楚, 日本人只能隔靴搔癢. 在這部影片裡, 我們都同意日本人所說的深層滑動 (日本人用深層崩壞), 但是我個人並不同意日本人所說的[順向坡潛移 Creep]的滑動機制, 因為日本人沒有把小林村的地質情況搞清楚, 或者搞對.

潘大哥在去年就把小林村滑動的機制發表在[地工技術]上; 潘大哥用衛星影像判釋的技巧, 發現小林村滑動是歷史的重演, 也就是說小林地區在地質史上就曾經發生過同樣的滑動; 所以這次小林村的滅村是一種宿命 [當然這是事後孔明]. 可惜, 沒有人對我的話 Pay Attentions.

受到NHK這部影片的刺激, 潘大哥會把日本人錯誤的地方, 在[地工技術]九月份這一期裡面指出來, 並且提出我的看法.

2010/06/15







[視傾角的求法]

岩層就像傾斜的千層糕一樣, 我們從不同的方向, 垂直的切下去, 其傾斜角度看起來都不一樣; 如果順著斜面的走勢 (即切面與千層糕的斜面相交成一條水平線), 垂直的切下去, 則在切面上看, 千層糕是水平的; 如果直交於剛才的切面, 垂直的切下去, 則千層糕的傾角是最大的, 這時候的傾角稱為真傾角; 任何其他的方向切下去, 千層糕的傾角都比真傾角小, 稱為視傾角 (Apparent Dip).

真傾角與視傾角存在著一定的三角函數關係, 即 Tan (視傾角) = Tan (真傾角) x Sin (切線與走向線的夾角, 在水平面上量之).

這樣知道了吼! 好! 底下就是我今年期末考試時, 考成大土木研究所學生的問題; 令我非常失望的是, 沒有人全部答對, 更有9成以上的學生沒有概念!?

[問題]軍方為了演習的需要,擬在一處南北走向、向東傾斜60°的岩盤內,挖掘三角形的直立壕溝,其東西向及南北向各長100公尺,試問在三條壕溝內,岩層的傾角看起來是幾度? 且向哪個方向傾斜?

[答案] 在附圖


[請注意] 在 CA 壕溝內往外看, 岩層向南傾斜51度; 在 FG 壕溝內往外看, 岩層向北傾斜51度. 這是不是很奇怪? 在同樣的一套岩層內ㄟ!

2010/06/14













視傾角的求法

岩層就像傾斜的千層糕一樣, 我們從不同的方向, 垂直的切下去, 其傾斜角度看起來都不一樣; 如果順著斜面的走勢 (即切面與千層糕的斜面相交成一條水平線), 垂直的切下去, 則在切面上看, 千層糕是水平的; 如果直交於剛才的切面, 垂直的切下去, 則千層糕的傾角是最大的, 這時候的傾角稱為真傾角; 任何其他的方向切下去, 千層糕的傾角都比真傾角小, 稱為視傾角 (Apparent Dip).

真傾角與視傾角存在著一定的三角函數關係, 即 Tan (視傾角) = Tan (真傾角) x Sin (切線與走向線的夾角, 在水平面上量之).

這樣知道了吼! 好! 底下就是我今年期末考試時, 考成大土木研究所學生的問題; 令我非常失望的是, 沒有人全部答對, 更有9成以上的學生沒有概念!?

[問題]軍方為了演習的需要,擬在一處南北走向、向東傾斜60°的岩盤內,挖掘三角形的直立壕溝,其東西向及南北向各長100公尺,試問在三條壕溝內,岩層的傾角看起來是幾度? 且向哪個方向傾斜?

[答案] 在附圖


[請注意] 在 CA 壕溝內往外看, 岩層向南傾斜51度; 在 FG 壕溝內往外看, 岩層向北傾斜51度. 這是不是很奇怪? 在同樣的一套岩層內ㄟ!

2010/05/01

從工程地質觀點看基隆的瑪東地滑 (二)



由於地滑發生前, 遇到一連數日的降雨, 雖然雨量不大, 但是就是因為雨量小, 所以雨水才能慢慢的滲入岩層內. 如果砂岩之下為頁岩, 則頁岩遇到地下水時, 即被軟化 (即剪力強度比乾燥時降低許多), 因而塑性大增; 同時, 頁岩吸水時, 其內部的黏土礦物於吸水後體積會膨脹, 以致砂岩與頁岩之間的凝聚力顯著的降低; 因而觸動滑動的發生. 至於雨水會從哪裡滲入, 因為這裡的岩層像很多三角板層層重疊 (S),而且越底下越大片, 所以位於底下的三角板,其三角面就是最好的逕流板 (見下圖的I), 雨水即順著它而滲入上,下兩個三角板 (即砂岩)之間的頁岩. 另外, 就是最上面的小三角板的三角面也可以接受垂直方向的雨水入滲, 當雨水到達較深部的頁岩時, 即被不透水的頁岩所阻擋, 一樣可以使它軟化及膨脹. 再者, 在南下車道西側的削坡, 其上半部有之字形道路 (黃色線條,箭頭示注水方向), 將順向坡切成三段, 它具有截水溝的功能, 如果路邊溝沒有襯砌, 那就等於將雨水集中, 然後灌入岩層內部, 不斷的腐蝕岩錨.

另外一個值得探討的問題是高速公路於興建完成之後,後期工程陸陸續續又在下邊坡進行開挖, 如上圖所示的交流道, 以及更下方的快速道路62 (C為削坡的部份), 它們都在西側的地方砍斷順向坡的坡腳 (下圖的紅色線條, 鋸齒示開挖側). 如果將這次地滑的滑動面往下邊坡的方向延伸, 其與後續工程的關係宜進一步解析.

從工程地質觀點看基隆的瑪東地滑 (一)



基隆的瑪東地滑於民國99年4月25日發生於瑪東地區的師公格山; 整座山的表層完全剝離, 並且滑到國道三號高速公路上, 共有4人被掩埋, 交通嚴重受阻, 如下圖所示.

在地形上, 瑪東地區有如許多三角板 (用S表示) 互相重疊 (見上圖, 注意北在左邊), 它們的頂角在北, 底邊在南; 同時, 越底下的面積越大, 所以這次滑下來的是最上面的最小三角板. 這是一種典型的順向坡地形, 岩層向東南傾斜約34度 (量測時岩層已受擾亂), 即傾向高速公路的南下車道 (見上圖的T).

高速公路在此段為切坡設計, 開挖成地塹; 順向坡位於西側, 其坡腳被砍斷, 並以擋土牆固定之; 上邊坡則削成緩坡 (見上圖的C), 但是坡度仍大於岩層的傾角,也就是全部岩層均露出見光, 雖然分兩階錨碇, 但是效果自然打折.

滑體為塊狀砂岩組成, 滑動面在三角板的頂端露出, 由於施工中無法接近, 遠望似為頁岩. 滑體的厚度估計約超過10米. 如果將滑動面從出露處往下延伸, 則將穿越南下車道之下, 亦即南下車道也被推到北上車道的外側, 而被阻於地塹的東翼. 因為滑體抵達地塹時, 有向下及向外擴散的趨勢, 所以南下車道的伸縮縫, 有受到擠壓而密合的現象. 位於地塹北側的高架橋之橋墩是否受損, 則需進一步檢視.

2010/01/04

堰塞湖的溢流道會以曲流的型式偏向堆積體最薄的部位自己沖出一條水路來



















最近為了莫拉克颱風的災情, 看了不少土石流的案例, 結果歸納出一個結論:堰塞湖的溢流道會以曲流的型式偏向堆積體的後側, 且其凸向與滑向相反.

我們依照從下至上的順序來看看6張影像. 最下面一張是齊柏林先生從飛機上所拍的小林村照片, 其最吸引人的地方是照片中央的堰塞湖, 是原溪溝被一個大規模的順向坡滑動 (堆積體呈深灰色) 阻斷後所造成的, 我們可以很清楚的看到溢流道發生在堆積體的後側.

其上一張影像為福衛二號所取得的小林村影像 (羅佳明博士提供). 它拍的時間較晚, 堰塞湖的湖水已經不見了, 但是可以很清楚的看到溢流道已經在堆積體的後緣形成一個曲流, 且凸向滑動區的源頭 (即上邊坡方向), 也就是說曲流的凸向正好與滑動體的滑向相反.

我們找出災前的Google Earth影像, 在S的地方是一個古地滑的滑動面 (屬於順向坡滑動), S1則是堆積體. 同樣的, 河道也是從堆積體的後側通過.

再上一張影像為高雄縣那瑪夏鄉的民族村, 雖然是一張災前的影像, 但是這次釀成災害的土石流則與影像中的紅色線條在位置上完全吻合. 可見土石流具有遺傳的特性, 即新土石流總是繼承著舊土石流的溝槽一再復發.從影像中再度見到曲流總是凸向上邊坡的方向.

我們挑選更早的草嶺地滑為例, 更上一張影像為草嶺地區的地質圖 (中央地質調查所資料), 我們清楚的看到清水溪在地滑體的趾部形成一個很大的曲流, 它同樣也是凸向上邊坡, 而且也是發生在堆積體(呈橘黃色)的後側; 其前側係位於清水溪的左岸, 靠近嘉義縣的邊界.

自從921集集烈震發生後, 到現在已經有10年的時間, 曲流已經由一大變成二小 (見最後一張影像), 也就是說曲流對順向坡的趾部攻擊, 已經由一點變成兩點, 這樣是否會縮短復發的週期, 有待密切的監測.

那麼為什麼會發生以上這些現象? 筆者的解釋是在縱向上堆積體分別躺臥在滑動面上及河槽內, 形如錐體, 其錐尖 (位於上邊坡方向,即滑動面上) 薄, 橫斷面短; 錐底 (位於下邊坡方向, 即河槽內) 厚, 橫斷面長. 因為鬆散堆積物越薄, 河水越容易侵蝕, 所以河道容易朝上邊坡的方向發育.

特別要注意的是以上的論證只適用於堰塞湖的案例. 如果堆積物未堵塞整個河道, 或者滑動是屬於緩慢型的潛移 (Creep) 型時, 則結果完全相反, 即曲流會發生在滑動體的前緣, 且其凸向與滑向一致; 因為滑體的滑速太慢, 不足以堵塞河道, 所以河道還是繼續存在, 不過卻慢慢的被滑體給往外推移.

(保留著作權)

2010/01/02

土石流的時空分佈--以高雄縣民族村為例





土石流的時空分佈具有三大特性, 它們是繼承性, 週期性, 及交替性.

所謂繼承性是指新土石流絕大部份都發生於舊土石流的軌跡上, 所以只要找出既生土石流 (年代較新) 或古土石流 (發生年代較久遠, 可能千年以前), 就可以預測未來會發生土石流的地方. 然而要清查過去發生過的土石流則非用遙測方法不為功.

週期性指的是土石流會在舊有軌跡上一再的復發, 必要條件是必須具備足夠的土石料源, 以及充沛的雨量. 不過每次復發的規模 (土石量) 不見得會一樣. 一般而言, 規模大者週期長, 規模小者週期短. 土石流的週期很難求, 因為牽涉到時間的關係, 我們沒有足夠的歷史紀錄可以拿來作分析. 目前唯一可操作的方法就是仰賴資料比較齊全的衛星影像. 自從衛星遙測科技發展以來, 幾乎對同一個地區每天都會產出一張影像. 而法國的SPOT衛星影像則是我們最常用的影像, 因為它的解像力可以被接受, 而且時間也夠長, 約20年的時間.

交替性指的是土石流有群發的特性, 它們會在不同的群組中輪流發生. 也就是說這一次發生了土石流, 下一次就會輪到別條土石流發生. 主要原因是土石料源一旦被土石流清光之後, 一定要等到新料源產生了, 才會再度發生土石流. 那麼新料源為什麼會不斷的產生? 最重要的原因是料源的岩盤破碎, 經過風化,侵蝕,及重力作用之後很快又會製造出新料源, 其中以物理風化中的解壓, 凍融, 及溫差作用才是產出料源最關鍵的力源.

這次莫拉克颱風在荖濃溪及楠梓仙溪流域發生嚴重的崩塌及土石流災害. 我們且舉高雄縣那瑪夏鄉 (昔稱三民鄉) 的民族村為例. 這一次有兩條土石流影響到該村的安全 (見上圖), 其規模為一大一小, 表現非常的不對稱. 我們找來災前的Google Earth 影像 (見下圖), 從影像中很容易可以辨識上述兩條土石流 (規模大的用紅色表示, 規模小的出影像之外). 但是紅色土石流下方的一條白色舊土石流竟然在此次沒有發生; 此即土石流交替性的緣故. 不過很難保證它以後不會復發.

紅色土石流有一個極大的隱憂, 就是在靠近民族村的地方, 它繞了三個半圈 (見上圖). 根據土石流的直進性, 如果規模再大一些的話, 紅色土石流就有可能走直線, 直衝民族村, 並且造成埋村的慘劇. 此次小林村的埋村即遭到同樣的機制所害.

經過這番分析之後, 民族村的村民是否願意遷移? 那要看自己願意冒多大的風險! 即使不看此生, 也要顧慮未來子子孫孫的安危. 小林村的劇變可謂殷鑑不遠!!