公路邊坡淺層滑動依時預警與無線感測模組研發

臺灣地區地狹人稠，山區與坡地仍有人類與經濟活動，山區道路除為當地居民對外聯繫主要途徑，更具有觀光與國防之重要性，而臺灣受造山運動影響導致地質脆弱之坡地分佈廣泛，且颱風與地震發生頻繁，整體天然環境因素導致坡地崩塌無法避免，而山區公路邊坡崩塌常導致人員損傷、交通中斷及經濟損失等。山區道路邊坡崩塌主因為地震與降雨引致，其中降雨引致之邊坡破壞其發生頻率與範圍遠較地震引致崩塌為高，且降雨引致之邊坡破壞具有一定之延時與前期徵兆，使得此類災害之預警較為可行且易發揮成效。現有對於降雨引發崩塌之評估方法可概分為經驗法與解析法兩種。經驗法為根據以往崩塌資料及崩塌的內在因素與外在誘因，如地形、地質、降雨資料與崩塌相關性之統計迴歸與整理，歸納出簡易的關係式，作為評估崩塌之用。經驗法因具有簡單與單純性，因此較為廣泛地被使用，尤其是對區域性之坡地崩塌分析與預警機制之擬訂已行之有年，如以累積降雨量或降雨強度為基準發佈土石流警戒燈號即為典型之應用。但是此類經驗法因缺乏嚴謹之力學概念，且近年來受極端氣候常態化影響，降雨有趨於異常強烈之傾向，導致近期之崩塌案例其緩坡之崩塌面積擴大與陡坡之滑動面深度增加，限於過去類似經驗有限，經驗法則對此類邊坡崩塌之預測有其侷限。公路邊坡依其滑動深度可分為淺層與深層滑動，二種邊坡破壞其滑動機制與致災因子顯著不同，因此其解析程序及對應之崩塌預警模式亦應分開考慮，本研究以較常見之淺層降雨崩塌為研究對象，淺層滑動依Varnes（1978）之邊坡移動分類方法屬土壤之平面或圓弧滑動，水土保持局山崩分類方法中之地滑，依楊樹榮等（2011）所提本土化山崩分類系統中之弧形崩塌及平面型崩塌，其定義為發生於崩積土壤或崩塌岩屑，破壞深度在2～3 m內，且以固體型態滑動之破壞類型。現今對淺層邊坡預警之趨勢為整合考慮地形、地質材料特性之場址破壞機制分析，搭配即時監測相關引致滑動之土層物理量與地層運動之預警系統，此類預警技術包含兩部分，其一為藉由地質探勘與地形測量，建立場址地質模型並據以進行解析法分析，預測其滑動機制、範圍及不同階段警戒值；其二為佈設監測硬體於反應敏感之位置，進行即時土層監測並發佈警報。目前以數值方法進行淺層崩塌機制分析已有相當進展，但是現地土層邊坡預警監測系統仍有價格昂貴、佈設不易及維護困難等瓶頸，因此發展具備無線土層監測之模組化系統，對於推廣以解析法為依據之淺層公路邊坡降雨崩塌預警系統具重要關鍵。本研究針對公路邊坡可能遭遇之淺層崩塌破壞進行解析法分析並研發與解析法搭配之無線感測土層反應模組，發展不同於現有以雨量監測為指標之經驗法預警模式，以提高預警之準確與時效性。研究結合解析法與邊坡無線土層監測模組，發展場址客製化淺層公路邊坡降雨崩塌預警系統，利用建立之場址地質模型進行水力力學耦合（coupled hydro-mechanical）邊坡滑動分析，預測邊坡依時性反應，作為無線土層反應監測模組佈設及制定警戒值之依據。研究採用廣為應用於消費性電子產品及醫療器材之微機電系統（Micro-electro-mechanical system, MEMS）感測器，利用台灣高科技產業電子整合能力，客製化具無線網路通訊功能且可監測地表傾角、地表位移、土層體積含水量之監測模組，形成分布式淺層土層感測網路。由於此類電子產品可大量生產因此可大幅降低成本，且監測點位選定與分布式監測感測反應詮釋一併考量，監測之結果亦可回饋解析法分析模式，此流程將可作為開發可快速佈設且具依時特性之公路邊坡淺層破壞預警模組，利於相關單位對此類災害預警及管理之決策參考，作為相關防災作為啟動之準據。