雙環入滲實驗分析與數值模擬

Abstract

"由於台灣地質年輕、地形陡峻，當颱風或豪雨侵襲時，容易引發淺層崩塌造成生命財產受到威脅，而入滲是影響淺層崩塌是否發生的重要因子。雙環入滲儀是常被用來取得土壤入滲率的實驗，然而在野外進行雙環入滲實驗需要攜帶大量的水且實驗時間長，可說是費時費力。近年電腦計算能力大幅提升，市面上的數值軟體可考量土壤入滲機制進行模擬，並可透過更改模式輸入參數使物理模型描述具有時變性的影響因子，因此許多學者選擇使用數值軟體進行土壤入滲與邊坡穩定的研究。 為了能以更快速且便利的方法取得土壤入滲率，本研究欲探討使用數值模擬軟體取代雙環入滲實驗的可行性。本研究首先以不同初始含水量、單位面積夯實能量來製作五組砂箱實驗的土樣，進行砂箱雙環入滲實驗，並透過土壤力學室內試驗取得數值軟體的輸入參數，模擬取得砂箱雙環入滲實驗之入滲率曲線。數值軟體則選擇常被用來研究土壤入滲與邊坡穩定且應用範圍廣的有限元素軟體ABAQUS，以及受到學界廣泛認可且免付費的孔隙介質溶液傳輸模擬軟體HYDRUS-1D。透過模擬結果與實驗結果比較，探討使用數值軟體取代雙環入滲實驗的可行性。其中，模擬時使用者需自行輸入的保水曲線，須進行至少長達一周壓力鍋試驗才能取得。因此本研究採用粒子群最佳化演算法搭配ABAQUS來決定模擬時的保水曲線，而HYDRUS-1D則採用軟體內部既有功能，以實驗觀測值逆推求得保水曲線參數來獲得保水曲線。 研究結果顯示，ABAQUS與 HYDRUS-1D的模擬結果其入滲率曲線的RMSE大小都約與真實入滲率差在一個數量級左右，而模擬結果的絕對平均誤差率分別為110.56% 與67.22% 。這與同樣使用數值軟體 (HYDRUS-2D) 模擬雙環入滲實驗的Fatehnia et al. (2016) 研究結果相比，其平均絕對誤差率僅為9.32%。透過各種砂箱排水邊界條件的模擬結果推測，本研究的模擬誤差主要來自 (1)一維與二維模式難以模擬本研究使用紅磚頭與防震墊保護砂箱後，於壓克力砂箱四周與底部產生的複雜排水邊界 (2)模擬輸入參數之飽和滲透係數並非直接採用砂箱實驗之未受擾動土樣進行實驗，因此模擬使用的飽和滲透係數與砂箱土壤真實的飽和滲透係數可能有所差異 (3)模擬輸入的土壤參數多假設為均質土壤，然而真實的土壤具異質性 (4)黏質壤土在水分入滲後產生膨脹，使得土壤孔隙變小影響土壤入滲，然而數值模擬中未考量此因素的影響。 雖然本研究的結果無法良好地證明數值軟體取代雙環入滲實驗的可行性，但根據文獻探討亦有學者使用數值軟體模擬不同形式的現地入滲實驗(Fatehnia et al., 2016; Lai et al., 2012)，因此仍認為使用數值軟體取代雙環入滲實驗仍具有潛在的可能性，未來仍可持續進行相關的研究探討。 "