文/黃璟勝/資源系教師
堰塞湖如何形成?
「堰塞湖」是因颱風、地震等災害導致大量土石崩塌並堵塞山谷中的河道,進而攔截河水所形成的湖。以花蓮馬太鞍溪的堰塞湖為例,2024年4月花蓮大地震導致山體鬆動,颱風進而造成大量土石從山體崩塌形成結構鬆軟的壩體,壩體堵塞馬太鞍溪形成堰塞湖。
為什麼堰塞湖很危險?
壩體是由土石組成的多孔介質,在湖水進入壩體之前,重力造成土石顆粒之間存在大小相等、方向相反的正向力(牛頓第三定律),正向力造成土石顆粒之間存在摩擦力,正是這個摩擦力,才使壩體維持穩定。若壩體中完全沒有水,壩體是否潰堤(或滑動)的分析方式與高中物理課程的「木塊是否從斜面上滑動」的分析方式完全一致(圖1A),若木塊不滑動(壩體穩定),須滿足沿斜面的木塊重量(Wsinθ,W:木塊重量,θ:斜面傾角)小於木塊和斜面之間的摩擦力(fsWcosθ,fs:靜摩擦係數),可寫為Wsinθ<fsWcosθ,消去W得到tanθ<fs或θ<arctanfs,這說明壩體不可以太陡峭,例如:fs = 0.577,其壩體傾角θ必須小於arctan 0.577 = 30° 才能夠維持壩體穩定。
湖水隨著時間逐漸滲入壩體,壩體中的湖水水壓會撐開土石顆粒,使土石顆粒之間的正向力變小,土石顆粒之間的摩擦力也隨之變小,壩體的穩定性因此降低。在此設計一個情景(圖1B)進一步說明水壓的影響:在原「木塊-斜面」情境中(圖1A)加入水壓,斜面上有讓水通過的孔洞(類似壩體的孔隙),用一個不透水蓋子罩住木塊,一塊不透水板阻隔木塊和水。在移開不透水板的瞬間,水通過斜面上的孔洞與木塊接觸,水壓頂住其上方的木塊,支撐了木塊的重量,木塊的重量由水和斜面共同支撐,可寫為N′ + Fw = Wcosθ(W:木塊重量,θ:斜面傾角,Fw:水壓引起的支撐力,N′:木塊和斜面接觸的正向力),故N′ = Wcosθ - Fw,木塊和斜面之間的摩擦力可寫為fsN′(fs:靜摩擦係數)。若木塊不滑動,須滿足沿斜面的木塊重量(Wsinθ)小於木塊和斜面之間的摩擦力(fsN′),可寫為Wsinθ<fs N′。Fw和水深(d)成正比,當水深足夠深時,木塊和斜面接觸的正向力為零(N′ = 0),木塊和斜面之間的摩擦力為零(fsN′ = 0),任意的斜面傾角都會造成木塊滑動。這說明當堰塞湖的深度夠深時,水壓能夠完全撐開土石顆粒,此時土石顆粒之間的正向力和摩擦力均為零,壩體如同由「水」組成,完全無法抵抗自身的重力而潰堤。
「堰塞湖的深度」、「湖水滲入壩體」、「土石顆粒之間的靜摩擦係數」是壩體是否穩定的重要因素。其中靜摩擦係數是無法改變的。隨著湖水進入壩體,堰塞湖的深度逐漸增加,壩體的穩定度逐漸下降,最終潰堤造成災情。簡言之,堰塞湖的處理是一場與時間賽跑的比賽。

