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計畫緣起

經由長期的地下水位及地層下陷監測資料評析得知，顯著地陷區內地層壓彈行為與地下水位週期性變化有高度關聯性，另地下水位歷經大旱最低水位後，顯著地陷區內的地層下陷仍持續發生。由現地鑽探資料得知顯著地陷區400m內地層粗顆粒土層(礫土、砂土層)比例約達70%，因此地層下陷的機制不應侷限於孔隙水壓消散之壓密行為(細顆粒土層如粉土、黏土)，也應該考慮粗顆粒土層(礫土、砂土層)因完全排水之震陷行為。

計畫目的

本計畫利用長期的地下水位、地陷井分層磁環、地表變形量的監測資料，搭配透過鑽探所取得現地不同深度的岩心進行室內力學試驗，以地下水位振幅作為應力變化輸入條件，磁環應變量等作為試驗數據律定值，土壤材料不同則選定對應的力學機制(細顆粒土層以壓密理論、粗顆粒土層以震陷理論)，透過多組試驗獲得二種材料分別的地陷量推估經驗公式。

目前成果

為能瞭解地陷機制與推估地陷量，本計畫建立評估流程如圖1所示，從最底層需蒐集現地監測資料、取得地層岩心，進入到第二層由試驗取得土壤基本參數，更進一步到第三層利用不同力學機制完成地陷機制評估，最終可利用所獲得的經驗公式來推估地陷量。

圖1 地層下陷評估機制流程圖

目前研究成果已確立因土壤力學機制不同，因此黏土層與砂土層須分別考量不同力學機制，黏土層以壓密理論、砂土層以震陷理論。由機制探討的過程中發現不論是哪種類型的土壤，應力振幅是控制地陷量的核心因子，意即若能有效管控地下水位的上下振幅幅度，即可以有效降低地限量，所以在顯著地陷區內砂土層粗顆粒土壤即便未出現長期水位下降，只要有效應力振幅仍持續存在，砂土仍會累積震陷壓縮。又透過地質鑽探岩心得知，因砂土層的厚度比黏土層厚，在相同應變率下其應變量較大，因此砂土層貢獻壓縮量可高達 60~92%，黏土層占比約8~40%。

本計畫另一重要研究成果為透過多組力學試驗成果，分別回歸出砂土層與黏土層的經驗公式，建立顯著地陷區的地質力學模型，可推估在不同地下水位振幅下的終期地陷量與終期穩定時間。以土庫國中為例，在現況地下水位條件下，114年推估地陷量為3.3公分、115年為2.3公分，但若以地下水位較現況水位振幅減少1公尺條件下，114年推估114年推估地陷量為2.5公分、115年為1.8公分，只要降低地下水位振幅1公尺，就能有效減緩地陷量約22%~24%，顯示減少水位的振幅可有效減緩地陷量。

表1 土庫國中地陷量推估比較

後續工作

目前地質力學模型已能初步完成雲林顯著地陷區的地陷量推估，由於顯著地陷區內的監測資料相當多元豐富，且本計畫過去也進行5處的地質分類與相關力學試驗，因此後續將利用機器學習多變量分析的優勢，輸入多元的地陷相關監測資料、以及過去力學試驗成果，並以材料壓縮機制進行物理模型約束，分層磁環監測數據做為率定，建立具有物理意義的灰盒機器學習模型，利用模型來計算分層壓縮量進而加總為單站地陷量，提供更精確評估資料提供管控水位參考，並期望能突破地域性的限制應用在其他地陷區。