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地質調查新趨向:掌握山崩的前兆

山會動嗎?它什麼時候會動?如何知道它在動?高雄小林村的大山崩、國道3號3.1K的順向坡滑動等災害,有沒有方法掌握先機以事先防範?
 
 
 
坡地的危機與轉機

近年來在極端氣候的劇變下,全球各種坡地災害逐漸趨於大規模化、高頻率化及複合化。在台灣,颱風豪雨、地震、人為擾動等都會誘發山崩,導致重大的坡地災害,如草嶺、九份二山、國道3號3.1K順向坡、高雄小林村、林肯大郡邊坡等山崩事件,都造成了嚴重的傷亡與社會的衝擊。因此,每逢颳風豪雨,高風險的坡地,尤其是依據災防法劃定的土石流潛勢溪流,都會啟動警戒或疏散避難措施,危險路段也實施預警性封閉,以期降低生命及財產的損失。

儘管目前土石流的防災機制已漸趨成熟,但對於山崩問題的掌握仍有科技上的限制。由於山崩會衍生地表變形、建物龜裂、崩積物質掩覆、土石流、河道淤積堵塞、堰塞湖潰壩、洪水等災害,其災情往往也甚嚴重。因此如何妥適利用防災觀測儀器掌握山崩前兆,是當前山崩防災的重要議題。

形形色色的山崩現象

廣義來說,「山崩」包括落石、岩屑崩滑、岩體滑動、土石流等4種型態。前三者較接近剛體或塑性體的運動型態,土石流則較接近流體運動型態,但在每次的山崩中,都可能有這4種型態出現。

此外,國內對移動速度較緩慢而大致仍保持原狀的山崩,常稱其為地滑;而對運動速度較快,大部分已崩解者,則稱其為崩塌。滑動面積超過10公頃,土方量超過10萬立方米或深度超過10米以上,就稱為大規模崩塌。

有關山崩的移動方式,大致可分為兩種。

第一種是規模較大、深度較深(通常超過10米深,少數可達100米以上)的山崩型態,例如岩體滑動。其在發展初期,常以地滑的型式呈現,位移量緩緩累積、滑動速率較慢,甚至走走停停,並在滑動的過程中,留下許多與滑動相關的微地形證據,稱為老崩塌地。但若任其持續發展,則在豪雨或地震時,滑動就會加速,導致大規模崩塌發生。這種類型的山崩,藉由地形特徵、地表裂縫或位移量測技術,並透過長期位移觀測,就能掌握山崩前兆及警戒。

另外一種則是規模較小、深度較淺的山崩型態,如陡坡上的落石或淺層的岩屑崩滑,常突然發生在豪雨或地震時,並以崩塌的型式快速崩解,甚至沿坡面或溝渠迅速流動。這類型因缺乏山崩前兆,較難在事前掌握,山崩警戒技術仍持續研發中。

如何找出可能發生山崩的地點

老崩塌地暗示這個地區曾有滑動的歷史,顯然體質也較為脆弱,是較容易發生山崩的潛在地點。因此針對曾經滑動後的地形證據,再利用地形特徵的分析方式,可以找出這類潛在的山崩。

潛在山崩的地形特徵包括:坡頂緩斜面;崩崖、反斜崖、側崩崖、圓弧形裂縫;二重或多重山稜線;線狀凹地;圓弧形滑動體;坡趾隆起;坡面及側邊蝕溝;岩盤潛變等現象。傳統上常藉由多時期的航照或地形圖、測量、現場踏勘等方式,找出潛在山崩的範圍,但這些地形特徵往往受到茂密植生的影響而難以發覺。

近年來發展快速的光達(light detection and ranging,簡稱LiDAR)技術,藉著對地面大量發射雷射光束,提高雷射光穿過植物枝葉間隙到達地面的機會,可取得非常接近地表實際高程的資料。即使是隱藏在樹叢中只有1米高的小崩崖,在光達掃瞄到的數值地形圖上仍有可能辨識出來。光達地形資料經專業研判及野外調查確認後,就可掌握崩崖、裂縫、線狀凹地、坡趾隆起等代表孕育中的山崩地形特徵,進而找出可能發生山崩的範圍。

坡地是否有動靜,到現場勘查是最直接的方式。由於樹木有垂直向上生長的特性,因此樹木歪斜的狀況可反映曾有的坡地滑動,當滑動停止後,樹木會重新垂直向上生長。如此彎彎曲曲的樹木,有人稱做「馬刀樹」或「酒醉的樹」。如果知道這樹種的生長速度,只要計算樹木最後一段垂直向上生長的時間,便可以知道這地區滑動的歷程。此外,若道路、擋土牆或結構物中出現方向一致、具連貫性的新生裂縫,也可反映山崩的前兆與範圍。

替山把脈

想知道坡地動態,應該要有科學的數據。因此,必須有可量化的觀測技術。山崩的觀測儀器種類繁多,包括量測降雨、水文、應力、傾斜及位移的儀器,其中位移是最直覺的山崩前兆。對於活動性較明確,可能危及居民安全的坡地,自動化的位移觀測技術顯然最為需要,但設置的成本較高。

測傾儀是最常用且簡易的地中位移觀測方法。利用地質鑽孔埋設具溝槽的測傾管,再定期置入測傾儀量測每一深度的傾斜角度,進而推算相對於孔底(假設不動點)的各深度水平位移量及滑動面深度。雖然測傾管是探查山崩動態的好方法,但必須依賴人工定期量測,無法自動化取得時間連續的觀測資料,且塑膠材質的測傾管材被地層滑動剪斷後就失去功能。因此對於具有山崩活動特徵的危險聚落,顯然需要另謀可自動化、可即時傳輸資料的位移量測方法。

為解決自動化的問題,發明家從電影製作的動作捕捉技術中獲得了靈感。例如在動畫電影〈變形金剛〉的製作過程中,動畫角色的動作是由真人穿戴3軸傾斜感測的微機電晶片進行模擬。因此,把微機電晶片等距(間距0.5米)地串接在電纜中,最後把電纜置入鑽孔內並回填,便可即時量測各深度的傾斜訊號,再推算為各深度位移向量,便成為類似測傾儀但可自動化量測位移的「多點式地中變位儀」(shape accel array, SAA)。這項技術能獲得隨時間變化的地中3D動態位移曲線,且不易損壞,是目前偵測山崩動態的最新利器。

孔內伸縮計也是一種常用的地中自動化位移計。同樣利用鑽孔把鋼索一端固定在孔底(假設不動點),另一端在孔口處是自由端並連接變位計,便能自動量測孔口與孔底之間的相對位移,缺點是無法了解位移深度及多個滑動面的個別位移量。惟近期已開發出類似前述可用於地層下陷監測的多段式孔內伸縮計,在鑽孔中置入多段鋼索,固定端個別錨定在設計深度,便能求得不同滑動面間的相對位移。

其他還有許多地表自動化的位移量測方法,包括地表伸縮計、裂縫計、傾斜計、GPS、全測站經緯儀、合成孔徑雷達差分干涉法等創新技術。但各種量測方法都需考量適用條件與限制,例如量測精度、溫度、人為干擾、植生等的影響。

山崩的前兆

從學理推論,降雨不僅沖刷地表,也會滲為地下水並軟化土體或岩體,造成坡地不穩定而導致山崩。因此,若觀察到地下水位急遽升高或突然降低、坡面湧水、裂縫滲水,或地表出現系統性裂縫、地中位移加速,甚至震動造成的地鳴聲,都可能是山崩的前兆。

一般而言,坡地從開始滑動到最後完全崩壞的過程,可利用時間及位移的歷時曲線圖來說明,曲線的斜率代表位移速率,越陡處反映位移速率越快。斜率類型大致可分為5種:緩慢型位移、等速型位移、間歇型位移、階段型位移、加速型位移,在坡地完全崩壞之前,位移類型多屬於前4種之一。

坡地若因降雨減緩導致地下水位不再上升,位移便會停止。惟當下次降雨量夠大或地下水位上升時,會使邊坡位移持續發生、位移速率再度上升,達到不穩定的臨界狀態,進而變成加速型位移的型態,成為即將要發生山崩的臨界狀態。若環境條件未改善或甚至持續惡化,最後會完全崩壞。

以南投廬山溫泉北坡為例,這是一處面積達34公頃,滑動面深度超過109米的潛在山崩地區,在101年0610豪雨期間,總累積雨量達1,093毫米。70米深的孔內伸縮計的累積位移量超過80毫米,20米深的多點式地中變位儀的累積位移量也超過76毫米。

這兩處位移計都自6月11日起偵測到地中位移現象,這時累積雨量約500毫米。隨後位移漸漸加速,至6月13日中午,累積雨量達1,050毫米,孔內伸縮計達到最高的位移速率約每小時1.4毫米,多點式地中變位儀達到最高的位移速率約每小時0.52毫米。所幸之後降雨停歇,位移速率漸減,位移延續約1個月後才完全停止。

由於坡地開始位移後,並無法確知位移是否會停止或加速至崩壞,因此在實務運作上,只要獲知超過觀測儀器精度的位移量,就視為是山崩的前兆。對於危險而重要的地區,更需要訂定較保守的觀測管理值,以做為提前警戒的管理措施。

掌握山崩前兆的危機意識

觀測管理值一般可分為注意值、警戒值及行動值,訂定方式主要是參考過去的滑動歷史紀錄、國內外案例經驗、規範或數值分析等。

位移計是最常做為山崩觀測管理值的項目,當達到注意值時(例如每月2毫米),就顯示坡地可能進入不穩定狀態,這時應審慎注意其他不利的環境條件或位移徵兆。若達到警戒值時(例如每日2毫米),顯示坡地已有明確的滑動現象,必須做好萬全的警戒與疏散準備。甚至達到行動值時(例如每小時2毫米),顯示坡地可能開始加速滑動,在無法掌握未來會持續加速或停止的狀況下,儘速把山崩影響區內的民眾撤離至安全的地點才是上策。

降雨是導致山崩的主要誘因,因此實際或預報的累積雨量及降雨強度也常做為觀測管理值。例如國內土石流潛勢溪流的警戒雨量,目前設定在200至600毫米之間;公路單位也有依據雨量而設定的防災封路機制。104年8月蘇迪勒颱風期間,桃園合流部落在達到預測的警戒雨量時,立即提前疏散撤離,成功地使部落居民免於山崩與土石流的災難。

地下水位的高低也可間接反映坡地的穩定狀況,但因不是直接的滑動證據,通常僅設定注意值及警戒值。此外,地震也會造成山崩,但在目前地震都難以預測的狀況下,更難以掌握地震引致的山崩地點。不過,具山崩地形特徵的「潛在山崩」或「老崩塌地」,是致災機率較高的地區。

極端氣候的啟示

面對全球氣候變遷,極端氣候已成常態,自然災害的強度與規模常常超乎大家的預期。例如104年夏天,位在台北水源地的南勢溪流域,鮮少發生地質災害的蔥鬱樹林,竟然無法承受蘇迪勒颱風及杜鵑颱風的侵襲,而造成嚴重的坡地災害。

烏來地區也是災區,當時福山的雨量站測得最大時雨量高達95毫米、3小時是253毫米、6小時是442毫米、12小時累積降雨量是655毫米,不僅高於其他颱風事件的降雨量,也超過200年降雨頻率,是史無前例的短延時強降雨,引致許多山崩及大量土砂運移,連帶影響了飲用水的品質。

若能藉由光達技術的判釋,無論是老崩塌地或潛在山崩,在災前都有機會發覺,及早進行坡地動態觀測,也有機會提前防備。但是這些措施都需要長期投入大量的經費、人力與研究,而且國內近年才擁有這類技術及高解析度地形資料,因此尚有漫漫長路要走。

面對極端降雨及無法預料的異常氣候,現今的科技仍無法精確地掌握豪大雨會下在哪裡、下多少、下多久,同時我們對山崩的發生機制所知也有限,觀測技術也有其限制條件。因此,防災的思維已不再是人定勝天,而必須強化防災意識,完成整合性防災地圖,並落實各項防災機制,包括長期觀測、防災演練、災情傳遞、疏散撤離等,共同做好防災與避災的準備。
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