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摘要：为能得到合理的土石坝震前静力、受震反应与震后变形分析结果，如何取得代表性的筑坝材料土壤参数是其主要关键。本研究搜集国内多座土石坝筑坝材料之静动态特性资料，并从某规划中土石坝借土区取样，制作夯实重模试体进行动态特性与动态强度试验，期望搜集的静动态特性资料与动态试验结果能初步建立台湾土石坝静动态性质参数资料库，并提供相关土石坝静、动态分析之参考依据。
关键词：土石坝；应变潜能；永久变形；总应力；有效应力；土壤液化
一、研究动机与目的
土石坝是兴建水库最常见的一种坝型，就地取材和施工简单是其特性，坝址的地质与地形条件较具弹性，其耐震性能较刚性坝体为佳。但是，过去世界各地均有土石坝在地震中损伤或严重破坏的案例；美国 Shefield Dam（1925）疑似坝身埋管漏水使坝体下部饱和，地震时产生液化而崩塌；印度 Koyna Dam（1967）蓄水诱发地震，坝体震裂；美国 Lower San Fernando Dam（1971）因坝体液化而发生上游边坡坍滑；中国陡河水库（1976）大坝坝基液化，坝身产生严重裂缝；日本 Niwaikumine Dam（1993）坝基与坝体均发生液化，造成近坝顶的上游壳层面沉陷 1.5～2.0 m。反观国内，1941 年中埔地震曾使乌山头左坝的上游坡面产生局部之浅层滑动，坡面平均滑落 2m 左右；兰潭水库则于 1965 年的几次地震中，上游坡面产生滑动，滑动面深度甚深；1999 年 921 集集大地震，台湾几座土石坝，包括鲤鱼潭坝、日月潭水库之头社坝与水社坝均可明显观察到震后沉陷与裂缝。综上所述，当大坝一旦发生破坏，除影响水库本身的功能与损失可观的经济利益外，同时也可能危害下游人民生命与财产安全。因此，如何能准确地预测土石坝受震反应与震后变形行为遂成为土石坝耐震安全评估之重要课题。
一般而言，土石坝动力分析方法依照是否可以考虑受震时的超额孔隙水压激发的影响，而分成总应力与有效应力两种分析方法。总应力分析方法以 Seed 等人（1973）、Lee（1974）与 Serff 等人（1976）提出的总应力应变潜能分析法为其代表，并为目前工程界最常采用的分析方法，但是这套分析流程需要应用多种独立的数值分析程式，分析程序繁杂，很难供一般工程师使用。虽然学术界已提出相当多类型的土壤有效应力分析模式，但也仅侷限于可以良好地模拟一般砂土在动态载重下之力学行为，对于是否可以应用于剪胀性很强的饱和夯实土壤，仍有待进一步研究。除此之外，无论采用总应力或有效应力分析法，都需要有具代表性的土壤参数才能合理地反应筑坝材料之动态力学行为，且分析参数需能透过一般传统试验求得，该分析方法才有实际应用价值。
因此，本研究的主要目的有三，其一系搜集国内各土石坝的静、动态试验结果，且加入本研究对夯实土壤所完成的动态试验成果，建立合理地静、动态参数资料库，供工程师使用。其二则为改善现有的总应力应变潜能分析程序，俾能以一单一商用软体 FLAC2D 程式完整地进行土石坝受震反应与震后变形分析。其三则为结合实用的土壤组成关系与水压激发模式，用于模拟土石坝受震时水压激发与土壤软化之行为，藉以简单合理地掌握土石坝受震时之动态行为。
二、筑坝材料之静、动态特性
要得到合理的土石坝静、动态分析结果，务必要有能代表该土石坝材料的土壤参数可供使用，所使用的土壤参数最好能由一般实验室或现地常见的土壤试验结果求得，才容易被工程界接受进而广泛使用。最直接获得土石坝材料的方式，就是对坝体钻掘或开挖取样，所获得之土样最具有代表性。惟国内的土石坝均属于重大的水利工程建设，碍于政府法令，若无主管机关的许可，一般学术与研究单位是不容许直接对坝体取样，深怕危害坝体的阻水功能及其稳定性。在施行水库安全评估工作时，除非该土石坝建造年代久远，无设计或施工时的实验结果可供参考，水库主管机关才有可能同意执行单位对坝体钻掘或开挖取样。若已有相关资料可引用参考，水库主管机关一般不再允许对坝体取样与施作相关的实验，往后的安全评估主要以现地检查与数值模拟分析为主。若计划前往借土区采样，需要详细的借土区施工报告以确切知道借土区的所在位置、实际的开挖深度与真正作为筑坝材料之土石特性，还要投入大量的人力、经费与开挖设备，这对于一般学术与研究单位而言，是很难达成的。由以上可知，筑坝材料不仅取得不易，同一土石坝的室内与现地试验资料通常相当稀少，假如经费不足，有可能不会规划施作土壤动态性质与动态强度试验。因此，在设计、施工或安全评估时试验所得之土石坝静、动态特性资料就更显珍贵。本研究搜集 11 座国内大型土石坝过去的室内与现地试验资料，加以归纳整理，同时也取得目前某兴建中土石坝之筑坝材料，进行土石坝材料动态性质与动态强度试验，期望搜集与进行的静、动态特性资料与动态试验结果能作为建立台湾土石坝静、动态性质参数资料库之起步。
三、结论
1.静、动态特性试验资料
（1）本研究完整地搜集国内重要 11 座水库 12 座土石坝之 CU 试验强度参数、透水试验结果、Duncan 双曲线模型分析参数、动态性质曲线、动态强度与变形试验资料与现地波速量测与标准贯入试验结果，期望搜集的资料能提供工程界与学术界进行相关土石坝受震反应与变形分析之依据，作为建立台湾土石坝静、动态性质参数资料库之起步。
（2）本研究试验所得之夯实土石坝材料动态性质曲线，因试验数量相当完整，故能良好地掌握剪力模数比与阻尼比随剪应变之变化趋势；也廻归不同夯实能量下饱和夯实土壤最大剪力模数之经验公式与梅新规则骨架曲线之分析参数，供土石坝受震反应分析选择土壤动态性质参数之参考。
（3）根据林友胜（2008）对夯实土壤的动态强度试验结果可知，三种夯实土壤的动态强度均较一般砂性土壤高很多，极限孔隙水压比随应力反转程度增加而增加，在持续的动态荷载下均不会达到初始液化之状态，会呈现反覆流动性之特色。所整理动态变形与再压密体积应变试验资料，可用于估计土石坝之应变潜能与震后沉陷量。
（4）由室内动态试验所求得之动态特性参数，不一定能正确地反映于现地土壤之特性，可利用土石坝实测地震资料先估算坝体的主要振动频率，再根据弹性波理论计算坝体材料的初始剪力模数，如此才能良好地掌握土石坝真实受震之频谱特性。
2.总应力应变潜能分析程序之改良
（1）本文研究以商用软体 FLAC2D 程式为基础，撰写震前坝体填筑渗流分析、动态反应分析与震后变形分析所需要的FISH副程式，使单一的FLAC2D 程式可完整地执行传统复杂的变形潜能分析程序，整体分析结果与变形行为与传统复杂分析程序类似，显示本研究之改良分析程序，不仅较有效率，具有实际应用价值。
（2）本文研究土石坝填筑过程的静力分析所采用的土壤组成模式为 Duncanand Chang 双曲线模型，此模式已被工程界广泛使用，也建立许多种类土壤的分析参数可供选用，再配合本研究提出的应变与位移修正计算方法有效改善填筑过程中数值程式内部变形的计算错误，以得合理的震前静力分析结果。
参考文献：
[1]王金山，「共振柱试验之土壤动力性质」，硕士论文，国立中央大学土木工程研究所，中坜（2004）。
[2]王雄，「土石坝填筑品质控制与施工规范」，地工技术，第 25 期，第36-45 页（1989）。
关键词：土石坝；应变潜能；永久变形；总应力；有效应力；土壤液化
一、研究动机与目的
土石坝是兴建水库最常见的一种坝型，就地取材和施工简单是其特性，坝址的地质与地形条件较具弹性，其耐震性能较刚性坝体为佳。但是，过去世界各地均有土石坝在地震中损伤或严重破坏的案例；美国 Shefield Dam（1925）疑似坝身埋管漏水使坝体下部饱和，地震时产生液化而崩塌；印度 Koyna Dam（1967）蓄水诱发地震，坝体震裂；美国 Lower San Fernando Dam（1971）因坝体液化而发生上游边坡坍滑；中国陡河水库（1976）大坝坝基液化，坝身产生严重裂缝；日本 Niwaikumine Dam（1993）坝基与坝体均发生液化，造成近坝顶的上游壳层面沉陷 1.5～2.0 m。反观国内，1941 年中埔地震曾使乌山头左坝的上游坡面产生局部之浅层滑动，坡面平均滑落 2m 左右；兰潭水库则于 1965 年的几次地震中，上游坡面产生滑动，滑动面深度甚深；1999 年 921 集集大地震，台湾几座土石坝，包括鲤鱼潭坝、日月潭水库之头社坝与水社坝均可明显观察到震后沉陷与裂缝。综上所述，当大坝一旦发生破坏，除影响水库本身的功能与损失可观的经济利益外，同时也可能危害下游人民生命与财产安全。因此，如何能准确地预测土石坝受震反应与震后变形行为遂成为土石坝耐震安全评估之重要课题。
一般而言，土石坝动力分析方法依照是否可以考虑受震时的超额孔隙水压激发的影响，而分成总应力与有效应力两种分析方法。总应力分析方法以 Seed 等人（1973）、Lee（1974）与 Serff 等人（1976）提出的总应力应变潜能分析法为其代表，并为目前工程界最常采用的分析方法，但是这套分析流程需要应用多种独立的数值分析程式，分析程序繁杂，很难供一般工程师使用。虽然学术界已提出相当多类型的土壤有效应力分析模式，但也仅侷限于可以良好地模拟一般砂土在动态载重下之力学行为，对于是否可以应用于剪胀性很强的饱和夯实土壤，仍有待进一步研究。除此之外，无论采用总应力或有效应力分析法，都需要有具代表性的土壤参数才能合理地反应筑坝材料之动态力学行为，且分析参数需能透过一般传统试验求得，该分析方法才有实际应用价值。
因此，本研究的主要目的有三，其一系搜集国内各土石坝的静、动态试验结果，且加入本研究对夯实土壤所完成的动态试验成果，建立合理地静、动态参数资料库，供工程师使用。其二则为改善现有的总应力应变潜能分析程序，俾能以一单一商用软体 FLAC2D 程式完整地进行土石坝受震反应与震后变形分析。其三则为结合实用的土壤组成关系与水压激发模式，用于模拟土石坝受震时水压激发与土壤软化之行为，藉以简单合理地掌握土石坝受震时之动态行为。
二、筑坝材料之静、动态特性
要得到合理的土石坝静、动态分析结果，务必要有能代表该土石坝材料的土壤参数可供使用，所使用的土壤参数最好能由一般实验室或现地常见的土壤试验结果求得，才容易被工程界接受进而广泛使用。最直接获得土石坝材料的方式，就是对坝体钻掘或开挖取样，所获得之土样最具有代表性。惟国内的土石坝均属于重大的水利工程建设，碍于政府法令，若无主管机关的许可，一般学术与研究单位是不容许直接对坝体取样，深怕危害坝体的阻水功能及其稳定性。在施行水库安全评估工作时，除非该土石坝建造年代久远，无设计或施工时的实验结果可供参考，水库主管机关才有可能同意执行单位对坝体钻掘或开挖取样。若已有相关资料可引用参考，水库主管机关一般不再允许对坝体取样与施作相关的实验，往后的安全评估主要以现地检查与数值模拟分析为主。若计划前往借土区采样，需要详细的借土区施工报告以确切知道借土区的所在位置、实际的开挖深度与真正作为筑坝材料之土石特性，还要投入大量的人力、经费与开挖设备，这对于一般学术与研究单位而言，是很难达成的。由以上可知，筑坝材料不仅取得不易，同一土石坝的室内与现地试验资料通常相当稀少，假如经费不足，有可能不会规划施作土壤动态性质与动态强度试验。因此，在设计、施工或安全评估时试验所得之土石坝静、动态特性资料就更显珍贵。本研究搜集 11 座国内大型土石坝过去的室内与现地试验资料，加以归纳整理，同时也取得目前某兴建中土石坝之筑坝材料，进行土石坝材料动态性质与动态强度试验，期望搜集与进行的静、动态特性资料与动态试验结果能作为建立台湾土石坝静、动态性质参数资料库之起步。
三、结论
1.静、动态特性试验资料
（1）本研究完整地搜集国内重要 11 座水库 12 座土石坝之 CU 试验强度参数、透水试验结果、Duncan 双曲线模型分析参数、动态性质曲线、动态强度与变形试验资料与现地波速量测与标准贯入试验结果，期望搜集的资料能提供工程界与学术界进行相关土石坝受震反应与变形分析之依据，作为建立台湾土石坝静、动态性质参数资料库之起步。
（2）本研究试验所得之夯实土石坝材料动态性质曲线，因试验数量相当完整，故能良好地掌握剪力模数比与阻尼比随剪应变之变化趋势；也廻归不同夯实能量下饱和夯实土壤最大剪力模数之经验公式与梅新规则骨架曲线之分析参数，供土石坝受震反应分析选择土壤动态性质参数之参考。
（3）根据林友胜（2008）对夯实土壤的动态强度试验结果可知，三种夯实土壤的动态强度均较一般砂性土壤高很多，极限孔隙水压比随应力反转程度增加而增加，在持续的动态荷载下均不会达到初始液化之状态，会呈现反覆流动性之特色。所整理动态变形与再压密体积应变试验资料，可用于估计土石坝之应变潜能与震后沉陷量。
（4）由室内动态试验所求得之动态特性参数，不一定能正确地反映于现地土壤之特性，可利用土石坝实测地震资料先估算坝体的主要振动频率，再根据弹性波理论计算坝体材料的初始剪力模数，如此才能良好地掌握土石坝真实受震之频谱特性。
2.总应力应变潜能分析程序之改良
（1）本文研究以商用软体 FLAC2D 程式为基础，撰写震前坝体填筑渗流分析、动态反应分析与震后变形分析所需要的FISH副程式，使单一的FLAC2D 程式可完整地执行传统复杂的变形潜能分析程序，整体分析结果与变形行为与传统复杂分析程序类似，显示本研究之改良分析程序，不仅较有效率，具有实际应用价值。
（2）本文研究土石坝填筑过程的静力分析所采用的土壤组成模式为 Duncanand Chang 双曲线模型，此模式已被工程界广泛使用，也建立许多种类土壤的分析参数可供选用，再配合本研究提出的应变与位移修正计算方法有效改善填筑过程中数值程式内部变形的计算错误，以得合理的震前静力分析结果。
参考文献：
[1]王金山，「共振柱试验之土壤动力性质」，硕士论文，国立中央大学土木工程研究所，中坜（2004）。
[2]王雄，「土石坝填筑品质控制与施工规范」，地工技术，第 25 期，第36-45 页（1989）。