111 年 國立成功大學資源工程學系碩士班甲組《地學通論》

本題主要考驗考生對工程地質中地下構造探勘方法的理解，包含直接與間接探勘法的種類、優缺點以及間接法的驗證方式。

核心觀念： 工程地質探勘方法、直接與間接探勘法的比較、間接法驗證。

解題步驟：

1. 直接探勘法列舉與說明：

   • 定義： 直接探勘法是透過實際接觸或開挖來獲取地下地質資訊的方法。
   • 三種方法：
     • 露頭調查 (Outcrop Investigation)： 在地表暴露的岩石或土壤層進行觀察、記錄其岩性、構造（如節理、斷層、層理）、風化程度等。
     • 探坑 (Test Pit) / 探槽 (Trench)： 開挖淺坑或淺溝，直接觀察淺層土壤或岩石的性質、地層分佈、地下水位等。
     • 鑽探 (Drilling)： 鑽孔以獲取岩心 (rock core) 或土樣 (soil sample)，並進行原位試驗 (in-situ tests) 如標準貫入試驗 (SPT)、現地剪力試驗 (in-situ shear tests) 等。
   • 優點：
     • 可直接獲取真實的地質體資訊，準確度高。
     • 可獲得樣本進行室內試驗。
     • 可進行原位試驗，了解現地力學性質。
   • 缺點：
     • 成本較高，尤其鑽探。
     • 施工較耗時。
     • 對於深部或大範圍地下構造的探勘，效率較低。
     • 對環境可能造成一定程度的破壞。

2. 間接探勘法列舉與說明：

   • 定義： 間接探勘法是利用地球物理學原理，透過在地表或孔內進行量測，推斷地下地質構造與性質的方法。
   • 三種方法：
     • 地球物理探勘 (Geophysical Exploration)：
       • 地震波法 (Seismic Method)： 利用人工產生地震波，量測其在地下的傳播速度、反射或折射現象，推斷地層界面、岩性、物性（如波速與密度的關係）等。常見的有淺層剖面探測 (SHP) 等。
       • 電法 (Electrical Method)： 利用不同岩土介質的電阻率差異，在地表施加電流，量測電位差，推斷地層電阻率分佈，進而了解岩性、含水性、鹽度等。常見的有電阻率法 (Resistivity Method)、感應極化法 (Induced Polarization, IP) 等。

本題考驗考生對工程地質中常用簡易現場試驗的熟悉度，以及這些試驗如何反映地層的狀況與強度。

核心觀念： 工程地質現場試驗、地層狀況、地層強度。

解題步驟：

在工程地質現場，有許多簡易且成本較低的測試方法，可以在初步評估地層狀況與強度時提供重要資訊。以下列舉三種：

1. 標準貫入試驗 (Standard Penetration Test, SPT)

   • 方法： 在鑽孔中，使用標準重量 (63.5 kg) 和標準高度 (76 cm) 的重錘，自由落下，敲擊標準鑽桿末端的標準取樣器 (split-spoon sampler)。記錄重錘落下 76 cm 的過程中，後 30 cm 所需的擊數。
   • 顯示資訊：
     • 地層狀況： 擊數 (N 值) 直接反映了土壤的密實度 (Density) 或硬度 (Stiffness)。N 值越大，表示土壤越密實或越堅硬。
     • 強度： N 值是評估土壤強度（特別是剪應力強度）的重要指標。例如，對於砂土，N 值可粗略估計其內摩擦角；對於黏土，N 值與不排水剪力強度 (undrained shear strength) 有關。
   • 優點： 廣泛應用，標準化程度高，結果易於與經驗值對比，可同時採集土樣。
   • 缺點： 試驗結果受鑽孔泥漿、鑽桿長度、操作者技巧等影響，精度有限。

2. 現地平板載重試驗 (In-situ Plate Load Test)

   • 方法： 在擬定試驗位置（可以是地表或回填後的基底），放置一個剛性圓形或方形的載重板 (plate)，施加壓力，並量測載重板下沉的變形量。
   • 顯示資訊：
     • 地層狀況： 試驗曲線（壓力-沉降量）可以顯示地層的變形特性，包括彈性模數 (modulus of elasticity) 和承載力 (bearing capacity)。
     • 強度： 透過載重板的變形量與施加壓力，可以估算地層的承載強度。
   • 優點： 直接模擬結構物與地層的接觸，提供較為真實的承載力與變形資訊，特別適用於評估淺基礎的承載能力。

本題考查「地層暴露時間」（standing time）的概念，以及影響其大小的因素，並探討其在工程設計上的重要性。

核心觀念： 地層暴露時間、風化作用、工程設計考量。

解題步驟：

1. 何謂地層的 standing time?

   • 定義： 地層的 "standing time" 指的是地層在被開挖或暴露於地表環境後，所經歷的空氣、水、溫度變化等自然作用的時間長度。更具體地說，是指岩石或土壤體在從其原始的地下埋藏狀態，被開挖至地表或工程基坑邊坡後，所暴露在風化條件下的時間。
   • 重要性： 在這段暴露期間，地層會受到風化作用（物理風化、化學風化、生物風化）的影響，導致其物理力學性質發生變化，通常是強度降低，變形能力增加。

2. 何種因素會決定這個值的大小?

   • 工程類型與施工進度： 不同的工程（如開挖邊坡、基坑、隧道、壩址）其地層暴露的時間需求不同。快速施工的基坑可能 standing time 短，而長期開挖的邊坡或隧道則 standing time 長。
   • 地層的原始特性：
     • 岩性 (Rock Type)： 某些岩石（如泥岩、頁岩、砂岩）比其他岩石（如花崗岩、安山岩）更容易風化，因此即使暴露時間相同，風化程度也可能不同。
     • 結構面 (Discontinuities)： 岩體中的節理、斷層、層理等結構面的密度、寬度、填充物、濕潤程度，都會影響風化作用的滲透與發展。
     • 地下水狀況： 地下水位的高低、水質（如含酸性）會加速岩石的化學風化。
   • 環境因素：
     • 氣候條件： 溫度變化（凍融循環）、降雨量、空氣濕度、大氣成分（如 CO2 含量）等，都會影響風化速率。
     • 地形與坡度： 暴露的坡度與朝向會影響日照、風力、雨水沖刷等。
     • 植被覆蓋： 植被可以提供保護，減緩風化；但某些生物作用也可能促進風化。

本題考查考生對地下工程（洞室工程）與地表工程在工程地質考量上的差異。

核心觀念： 地下工程、地表工程、工程地質影響。

解題步驟：

地下洞室工程（如隧道、儲坑、地下電廠、地下صالات等）與地表工程（如建築物、橋梁、道路、水壩等）在工程地質上的設計考量存在顯著差異，主要體現在以下幾個方面：

1. 應力狀態與圍岩壓力 (Stress State & Rock Pressure)：

   • 地下工程： 圍岩本身承受著原有的地應力（垂直應力來自上覆土岩，水平應力與地質構造、區域應力場有關）。洞室開挖會改變原有應力分佈，產生應力集中，圍岩需承受來自周圍土岩的壓力。設計重點在於圍岩的穩定性以及支護結構抵抗圍岩壓力的能力。
   • 地表工程： 主要承受來自建築物自重、活載（人員、設備）以及外部載荷（風、雪、地震）的應力。地基土岩的承載力是主要考量。

2. 地下水影響 (Groundwater Influence)：

   • 地下工程： 幾乎所有地下工程都不可避免地要與地下水打交道。地下水的滲流、孔隙水壓力、浮力、以及水質（腐蝕性）對圍岩穩定性、支護結構、施工安全都有重大影響。需考慮抽水、排水、防水措施。
   • 地表工程： 地下水主要影響地基的承載力（飽和土強度降低）和沉降。對於水壩等結構，水的靜壓力與動壓力是主要設計考量。

3. 地質條件的不可預測性與變異性 (Unpredictability & Variability of Geological Conditions)：

   • 地下工程： 雖然有勘探手段，但地下地質的複雜性（如斷層、破碎帶、溶洞、地下水異常）常常難以完全掌握。開挖過程中可能遇到預期之外的地質條件，需要施工過程中不斷調整設計和施工方案（變形性、塑性、強度隨時間變化）。
   • 地表工程： 地表的地質條件雖然也有變異，但可透過較密集的勘探（如鑽探）獲得較為可靠的資訊，設計變數相對較小。

本題考查考生對工程地質圖的定義、目的以及建置方法的理解。

核心觀念： 工程地質圖、地質資訊、工程應用。

解題步驟：

1. 何謂工程地質圖？

   • 定義： 工程地質圖是專門為工程目的而編繪的地圖，它整合了地質、水文地質、工程性質等資訊，並以圖形、符號、文字、圖例等方式呈現，用以說明特定區域的地質條件對工程建設的影響。
   • 目的：
     • 提供工程規劃、設計、施工、營運各階段所需的工程地質資訊。
     • 評估潛在的地質風險（如滑坡、崩塌、地震液化、地下水問題）。
     • 協助選擇適宜的工程地點、規劃工程佈局。
     • 作為工程設計參數（如岩土參數、承載力）的依據。
     • 溝通不同專業領域（地質師、工程師、規劃師）之間的資訊。

2. 要如何建置？
   建置工程地質圖是一個系統性的過程，通常包含以下步驟：

   • 資料收集與彙整：

     • 現有資料蒐集： 收集區域地質圖、地形圖、水文地質圖、土壤調查報告、遙感影像、地球物理探勘報告、既有工程鑽探資料、文獻資料等。
     • 實地調查： 進行地質露頭調查、地形判釋、地下水位量測、以及必要時進行簡易的現場試驗。

   • 野外調查與測繪：

     • 地質測繪： 在調查區域內，沿著選定的路線或網格，詳細記錄地層分佈、岩性、構造（斷層、褶皺、節理、層理）、侵入體、變質岩等。
     • 鑽探與取樣： 依據初步調查結果，規劃鑽探位置與深度，獲取岩心或土樣，進行室內試驗。
     • 現場試驗： 進行標準貫入試驗 (SPT)、現地平板載重試驗、剪力試驗等，獲取工程參數。
     • 水文地質調查： 記錄地下水位、泉點、滲流方向，必要時進行抽水試驗。

本題考查考生如何從地質工程的角度，對一個工程規劃進行初步的適宜性評估。

核心觀念： 工程地質風險評估、規劃可行性、前期調查。

解題步驟：

事先評估地質工程規劃的合適性，主要是透過一系列的勘查、分析與風險評估，來判斷該工程計畫在所選定的地點，其地質條件是否有利、潛在的地質風險是否可控，以及是否具備工程實施的可能性。以下是關鍵的評估面向：

1. 區域地質背景調查 (Regional Geological Background Investigation)：

   • 目的： 了解規劃區域的地質構造、岩性分佈、地層年代、斷層活動性、火山活動、土壤類型等。
   • 評估點：
     • 是否存在活躍的斷層、地震帶？
     • 地層是否穩定，或存在軟弱、膨脹性、液化潛勢高的土層？
     • 是否有溶洞、滑坡、崩塌等歷史地質災害紀錄？
     • 岩體是否完整，還是破碎、節理發達？

2. 潛在的地質災害風險評估 (Geohazard Risk Assessment)：

   • 目的： 識別與評估工程場址可能面臨的各種地質災害。
   • 評估點：
     • 地震風險： 區域地震活動性、場址的地震動參數（如 PGA, PGV）。
     • 邊坡穩定性： 規劃區域（特別是邊坡開挖、擋土牆、橋台附近）是否存在滑坡、崩塌、落石的潛在風險。
     • 地下水與滲流： 高地下水位、強滲流可能導致的穩定性問題、侵蝕、土壤液化。
     • 其他： 如地面沉降、火山噴發、地面塌陷（溶洞）等。
   • 方法： 運用地質圖、遙感影像、歷史紀錄、現場調查、以及初步的數值模擬。

3. 場址地質條件的初步勘查 (Preliminary Site Geological Survey)：

   • 目的： 獲得規劃場址內地質條件的初步資訊。
   • 方法：
     • 地表調查： 進行地質露頭觀察、地形判釋。
     • 遙感探測與地球物理探勘： 運用雷達、地震波、電法等技術，初步了解淺層地質結構、斷層、地下水。

本題考查考生對土石流災害整治效率評估方法的理解。

核心觀念： 土石流災害、整治工程、效益評估、風險管理。

解題步驟：

評估土石流災害整治效率，需要從多個面向進行綜合考量，不僅是工程本身是否完成，更重要的是其在減災、防災、環境、經濟及社會層面的實際效益。以下是主要的評估方法：

1. 減災效益評估 (Disaster Mitigation Benefit Assessment)：

   • 目的： 評估整治工程在降低土石流發生頻率、規模、破壞力方面的成效。
   • 指標：
     • 災害損失減少量： 比較整治前後，因土石流造成的生命財產損失（人命傷亡、房屋損毀、農田淹埋、基礎設施破壞）的減少幅度。
     • 警戒區縮小或解除： 評估原先被劃為土石流潛勢區的面積是否縮小，或部分區域是否因整治而解除警戒。
     • 土石流發生頻率與規模變化： 監測整治區域內土石流事件的發生次數、土方量、流速等，與整治前的數據進行對比。
     • 保護對象安全度提升： 評估工程對下游聚落、重要設施（如道路、橋梁、學校）的保護等級提升程度。

2. 工程效益與成本分析 (Engineering Benefit-Cost Analysis)：

   • 目的： 量化整治工程的經濟效益與投入成本。
   • 指標：
     • 成本效益比 (Benefit-Cost Ratio, BCR)： 計算整治工程的總效益（如減少的災害損失、土地價值提升、生態恢復效益）與總成本（工程建設、維護、監測）的比值。BCR > 1 表示效益大於成本。
     • 淨現值 (Net Present Value, NPV)： 將未來效益折現至現在，減去總成本。NPV > 0 表示工程有利可圖。
     • 投資回收期 (Payback Period)： 計算投入的成本多久能透過效益回收。

3. 環境影響評估 (Environmental Impact Assessment)：

   • 目的： 評估整治工程對當地生態環境的影響。