跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(3.235.174.99) 您好!臺灣時間:2021/07/24 18:50
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:賴均銘
研究生(外文):Jun-Ming Lai
論文名稱:地震引致地下水變化之分析-以嘉南平原為例
論文名稱(外文):Analysis of Groundwater Variation Induced by Earthquake in the Jianan Plain.
指導教授:林美聆林美聆引用關係
口試委員:王國隆陳天健
口試日期:2015-07-31
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:235
中文關鍵詞:地震地下水位動態孔隙水壓Finn模式Biot模式壓密係數
外文關鍵詞:earthquakegroundwater level changesdynamic pore pressureFinn modeBiot modethe coefficient of consolidation
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:163
  • 評分評分:
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
2010年3月4日上午8時18分,台灣西南部發生芮氏規模6.4的甲仙地震,造成人民受傷、房屋傾斜及許多建築物損毀,也造成南部地區發生多起液化事件。由於在國內外許多地震事件中,經常發現地下水位在地震發生前後有異常變化之現象,因此,經濟部水利署在台灣地區設置高密度的地下水觀測井,而在發生甲仙地震的這段期間,嘉南平原一帶的水位觀測井分別記錄了當時地下水位所產生的變化。
本研究以嘉南平原為研究區域,選定竹圍、貴林、平溪、歡雅、下營及總爺等六站,利用地質調查所提供的地層柱資料,建立了各分析井的簡化剖面,並輸入中央氣象局設置的全國強震測站所提供的加速度歷時資料,最後進行富水地層受震之數值模擬,輔嘉南平原地下水位監測井網之水位變化資料作驗證,並探討不同地下水受震模式之適用情形。
為能了解富水層受地震力作用下其孔隙水壓變化的關係,本研究首先使用SHAKE程式當中的反卷積(Deconvolution)計算功能推得地下水觀測井基盤位置的地震加速度歷時資料,再利用FLAC程式建立地下水觀測井的地層剖面,輸入地震加速度歷時記錄,藉由數值軟體得到分析結果,以了解地震與地下水位變化之相關機制。
本研究利用有限差分軟體 FLAC 程式建構孔隙水壓力動態反應模式的模型,同時以Finn及Biot兩種模式進行分析,進一步根據嘉南平原的地下水觀測井網,於甲仙地震發生前後所記錄到的實際地下水位變化量等資料,與數值分析結果進行比較及討論。分析後發現以Finn模式進行的模擬成果較Biot模式來的優異;另外,地下水位變化分為階變反應變化及振盪反應變化,由Finn模式中可看出明顯的階變反應變化,而Biot模式則呈現振盪反應變化,此外Finn模式的激發量較大,Biot模式的孔隙水壓變化量則是集中在一範圍內。
比較數值分析結果與實際地下水位觀測變化,主方向輸入震波模擬結果較東西向及南北向輸入震波模擬結果較佳,此與斷層錯動、震波傳遞方向有關,主方向輸入震波為觀測井與震央之連線方向震波,與甲仙地震震波的主要方向一致,因此,以主方向輸入震波去模擬效果最為優異。
整體而言,以Finn模式進行數值模擬的結果中,富水層一及富水層二的模擬成效良好,雖與實際地下水位變化有所差距,但變化趨勢是吻合的,也與地表加速度尖峰值趨勢有正相關,但與震央距離關係則較不顯著;以Biot模式進行數值模擬的結果中,富水層一模擬結果較佳,與地表加速度尖峰值趨勢稍微相關,富水層二模擬結果則較差,這表示以Biot模式進行數值模擬適用於淺層土壤,深層土壤之模擬較不理想。
最後,利用模擬結果所得到的參數,計算出的各觀測井的壓密係數,發現壓密係數與數值模擬的地下水變化量有關,壓密係數越小,孔隙激發的地下水變化量則越大;另外,壓密係數於地震初期及地震後期的變化幅度與地表加速度尖峰值也有相關,地表加速度尖峰值越大,壓密係數的變化幅度就越大。


In 2010, Jia-Sian earthquake hit Taiwan, causing casualties, house collapses, and landslides, also caused many liquefaction cases in the alluvial plain of southern Taiwan. Groundwater level changes during earthquakes were recorded widely. The groundwater monitoring network established by the Water Resources Agency to the Jianan Plain recorded the groundwater level changes during the Jia-Sian earthquake.
In this research, records of six wells were chosen for simulation from Jianan Plain study area. They are Ju-Wei, Guei-Lin, Ping-Shi, Huan-Ya, Shia-Ying and Tzung-Ye. A simplified stratigraphic column profile was used for the water-rich strata in the earthquake simulation. Results were compared with the data of groundwater monitoring network for validation of water level changes using different modes of pore water excitation for the seismic analysis.
In order to understand the seismic behavior of water-rich strata, this research uses SHAKE program for deconvolution of ground motion record as the base motion of groundwater monitoring wells. Then FLAC was used with the simplified stratigraphic profile with input acceleration history for simulating the groundwater level changes caused by earthquakes.
Conceptual model of pore water pressure seismic response is constructed using the finite difference program, FLAC where both Finn and Biot modes of pore water pressure generation were used for analysis. Analysis showed that simulation of Finn mode is better than Biot mode. In addition, There are two types of groundwater level changes, step-wise and oscillating changes in response. The simulated water pressure curve from the Finn mode shows reactions of step-wise changes, and Biot mode exhibits oscillating changes. Finn mode triggered a large amount of the pore water pressure, while in Biot mode the pore pressure change is limit to some range.
Comparing numerical results with the observed data, the results of input primary-direction ground acceleration is better than input E-W and N-S ground acceleration. This is related to the fault dislocation and seismic wave transmission direction. Therefore, the simulation results with Primary ground acceleration is the best.
Generally speaking, simulation results of Finn mode of Aquifer 1 and 2 are fairly good. There are differences between the simulation results in Finn mode and the recorded groundwater level changes. The variations of simulated results with the peak ground acceleration are positively correlated, but irrelevant with the epicenter distance. Biot mode in ground water changes results in a small range, and only Aquifer 1can obtain good simulation results, when the depth increasing, the simulation of pore pressure change has not changed much.
Finally, by using the parameters of the simulation results to calculate the coefficient of consolidation in the observation well, the variations of simulated results with the coefficient of consolidation are found good correlation. In addition, the change of coefficient of consolidation also correlated well with the peak ground acceleration.


口試委員會審定書 i
致謝 ii
摘要 iii
Abstract v
目錄 vii
表目錄 xi
圖目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法與流程 2
1.3 論文內容 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 地震引致地下水異常變化之現象 5
2.1.1 前人研究 5
2.1.2 地下水發生變化之案例彙整 6
2.2 地震引致地下水變化之反應型態與特性 8
2.2.1 階變反應 8
2.2.2 振盪反應 9
2.3 集集地震引致地下水位變化模擬分析 10
2.3.1 孔隙水壓力動態反應模式 10
2.3.2 地層錯動模式 11
2.3.3 孔隙水壓激發模式(Finn-剪脹模式及Biot-體積壓縮模式) 11
2.4 甲仙地震斷層震源破裂過程分析 12
2.5 地震引致地下水變化之相關機制 13
2.5.1 地震引致地下水位變化的觀測門檻值 13
2.5.2 不同地下水位變化形態體積應變量及地表加速度關係 13
2.5.3 地震引致地下水位變化空間分布的物理機制 14
2.5.4 地震前兆性地下水變化之可能機制 14
第三章 研究區域之環境特性與地下水位變化 19
3.1 嘉南平原之概述 19
3.1.1 地理環境 19
3.1.2 水文條件 20
3.1.3 地質狀況 21
3.2 嘉南平原地層沈積環境 21
3.3 嘉南平原富水層概況 22
3.3.1 嘉南平原北段 22
3.3.2 嘉南平原南段 23
3.4 甲仙地震本身及地表加速度尖峰值(PGA)之討論 23
3.5 研究概念及研究區域之選定 25
第四章 土壤受動態剪力下之二維有效應力模式建立 48
4.1 土壤受動態剪力時之應力應變關係 48
4.2 孔隙水壓力激發模式 49
4.2.1剪力動態反應模式-Finn mode 49
4.2.2 Biot 三維壓密理論 52
4.3 二維動態概念模式 55
4.3.1 模式建立之概念 55
4.3.2 FLAC程式介紹 55
4.3.3 SHAKE程式介紹 57
第五章 地層地下水受震分析模式之建立 64
5.1 建立分析模型之考慮因素 64
5.1.1 基本假設 64
5.1.2 模型網格之建立條件 64
5.1.3 基盤位置限制與探討 65
5.2 SHAKE分析流程 66
5.2.1 土壤之動態參數曲線 66
5.2.2 土層剖面資料與地層簡化 67
5.2.3 輸入地震紀錄 69
5.3 FLAC數值模擬分析流程 70
5.3.1 建立模型網格 70
5.3.2 輸入材料參數 71
5.3.3 給定邊界條件,初始應力平衡 72
5.3.4 開啟滲流模式,進行滲流分析 72
5.3.5 關閉滲流模式,進行力學平衡 72
5.3.6 使用Finn模式及Biot模式 72
5.3.7 設定阻尼條件 72
5.3.8 動態分析 74
5.4 FLAC與SHAKE之地震紀錄比對 75
第六章 數值分析結果與討論 128
6.1 各富水層分析結果─Finn模式 128
6.1.1 南北向輸入震波之分析結果討論與比較 128
6.1.2 東西向輸入震波之分析結果討論與比較 131
6.1.3 主方向輸入震波之分析結果討論與比較 134
6.2 各富水層分析結果─Biot模式 137
6.2.1 南北向輸入震波之分析結果討論與比較 137
6.2.2 東西向輸入震波之分析結果討論與比較 140
6.2.3 主方向輸入震波之分析結果討論與比較 143
6.3 壓密係數(Coefficient of consolidation)之計算與比較 146
6.3.1 各觀測井位壓密係數計算之結果 147
6.3.2 各觀測井位壓密係數於受震前後期之變化趨勢 149
6.4 綜合討論 151
6.4.1 Finn模式與Biot模式之特性 151
6.4.2 各富水層在各方向輸入震波之分析結果統整─Finn模式 153
6.4.3 各富水層在各方向輸入震波之分析結果統整─Biot模式 154
6.5.4 Finn模式與Biot模式之模擬成效比較 155
6.5.5 綜合討論 155
第七章 結論與建議 229
7.1 結論 229
7.2 建議 231

參考文獻 .232


[1]Brace, W. F., B. W. Paulding Jr., and C. Scholz, Dilatancy in the fracture of crystalline rocks. J. Geophy. Res., 71(16), 3939-3953, 1966.
[2]Eaton, J.P. & Takasaki, N.J. (1959), Seismological Interpretation of Earthquake Induced Water-Level Fluctuations, Bulletin of the Seismological Society of America, H 49, (3), S. 227-245.
[3]Finn, W. D. L., Lee, K. W. and Martin, G. R. (1977), “An Effective Stress Model for Liquefaction,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 103, No. GT6, pp.517-533.
[4]FLAC (2000), Fast Lagrangian Analysis of Continua, Version 4.0.
[5]Grecksch, G., F. Roth, and H. J. Kumpel, Coseismic well-level changes due to the 1992 Roermond earthquake compared to static deformation of half-space solutions, Geophysical Journal International, Vol. 138, 470-478, 1999.
[6]Iwasaki,T.,and Tatsuoka,F., “Effects of grain size and grading on dynamic shear mouduli of sands”, Soils and Foundations, Vol.17, No.3, pp19-35. 1997
[7]Kawabe, I., I. Ohno, and S. Nadano, Groundwater flow records indicating earthquake occurrence and induced Earth’s free oscillation, Geophys. Res. Lett., 15, 1235-1238, 1988.
[8]Koizumi, N., Kano, Y., Kitagawa, Y., Sato, T., Takahashi, M., Nishimura, S. and Nishida, R., Groundwater anomalies associated with the 1995 Hyogo-ken Nanbu Earthquake, J. Phys. Earth, 44, 373-380, 1996.
[9]Montgomery D. R., and M. Manga, Streamflow and water well responses to earthquakes. Science, 300(27), 2047-2049, 2003.
[10]Muir-Wood, R., and G. c. P. King, Hydrological signatures of earthquake strain. J. Geophy. Res., 98, 22035-22068, 1993.
[11]Nur, A., Dilatancy, pore fluids, and premonitory variations of ts/tp travel times. Bull. Seismol. Soc. Am, 62, 1217-1222, 1997.
[12]Ohno, M., H. Wakita, and K. Kanjo, A water well sensitive to seismic wave, Geophys. Res. Lett. 24, 691-694, 1997.
[13]Okada, Y., Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bull. Seismol. Soc. Am, 82(2), 1018-1040, 1992.
[14]Roeloffs, E. A., Poroelastic techniques in the study of earthquake-related hydrologic phenomena, in Advances in Geophysics, edited by R. Dmowska, Academic, San Diego, Calif, Vol. 137, 135-195, 1996.
[15]Schanabel, P. B., Seed H. B. & J. Lysmer, Shake-A computwe Program for Earthquake Response Analysis of Horizontally Layered Site, Report No. EERC 72-12, Univ. Calif. Berkeley, 1972.
[16]Scholz, C. H., L.R. Sykes, and Y.P. Aggarwal, Earthquake prediction: A physical basis. Science 181, 4102, 803-810, 1973.
[17]Wang, C. Y., Cheng, L. H., Chin, C. V., and Yu, S. B. (2001). Coseismic hydrologic response of an alluvial fan to the 1999 Chi-Chi earthquake, Taiwan. Geology, v. 29, p.831-834.
[18]Wakita, H., Water wells as possible indicators of tectonic strain, Science, vol. 189, 553-555, 1975.
[19]Wright, M., P. Dillon, P. Pavelic, P. Peter, and A. Nefiodovas, Measurement of 3-D hydraulic conductivity in aquifer cores at in situ effective stresses, Ground water, 40(5), 509-517, 2002.
(http://gdms.cwb.gov.tw/index.php)。
[20]中央氣象局地球物理資訊管理系統,自由場強地動觀測站及地表加速度歷時查詢
[21]江崇榮、賴典章、賴慈華、黃智昭、費立沅、侯進雄、陳瑞娥、陳利貞、呂學諭、周素卿、鄂忠信、黃明昌、陸挽中、張閔翔、劉幸樺、李耀文,「台灣地區地下水觀測網第一期計畫濁水溪沖積扇水文地質調查研究總報告」,共130頁,1999。
[22]李巧盈,台灣南部震源機制及應力分析,國立台灣大學地質科學研究所,2012。
[23]李偉誠,民國92年6月,大型剪力試驗盒砂土液化試驗孔隙水壓之激發,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文。
[24]李憲忠、梁文宗、雷蒂夏、許雅儒、呂靜渝、黃文紀、黃柏壽,M6.4甲仙地震,台灣有限斷層震源破裂過程分析,中央研究院地球科學研究所,2011。
[25]邱建銘,民國90年6月,以剪力波速評估員林地區液化及其地層動態反應研究,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文。
[26]翁贊鈞,員林地區傾斜地盤二維有效應力分析,國立台灣大學土木工程學系研究所碩士論文,2002。
[27]國家地震工程研究中心,強震測站場址地質資料查詢,(http://egdt.ncree.org.tw/news.ht)。
[28]陳柏宏,地下水受震模式之分析─以濁水溪沖積扇為例,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文,2010。
[29]陸挽中、賴慈華、陳瑞娥、林燕初、黃智昭、費立沅,台南高雄地區地下水文地質概況,第二屆資源工程研討會論文集,2005。
[30]黃筱卿,員林地區土壤液化之地盤反應分析,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文,2002。
[31]經濟部中央地質調查所,中彰、雲嘉與屏東都會區地下地質與工程環境調查研究報告,2006。
[32]經濟部中央地質調查所,台灣地區地下水觀測網第一期計劃(81~87年度)之嘉南平原(朴子溪以北)水文地質調查研究總報告,1999
[33]經濟部中央地質調查所,台灣地區地下水觀測網第二期計劃(88~92年度)之嘉南平原(朴子溪以南)水文地質調查研究總報告,2003。
[34]經濟部中央地質調查所,岩心查詢(http://hydro.moeacgs.gov.tw/)。
[35]經濟部水利署,地震發生前後地下水水位異常變化之研究,2005。
[36]鄭斐文,利用甲仙地震研究台灣西南部場址特性,國立中央大學地球物理研究所,2011。
[37]賴文基,地震已震地下水位變化機制之研究,國立成功大學資源工程研究所,2010。
[38]賴岳庭,地震引致地下水變化之研究─以集集地震為例,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文,2007。


QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top