一、計畫緣起
台灣西部地區河川部分河段，因上游蓄水設施等因素(如八掌溪、大甲溪、濁水溪等)，造成河道於颱洪或豪雨期間產生劇烈沖蝕，其河床面為不存在護甲層之軟岩質河床，進行河道治理時甚為不易。又目前水工模型試驗對於軟岩河床，僅能以定床型式塑造地形，未能反映泥岩於颱洪期間沖刷趨勢，而低估了軟岩河道實際的沖刷情形，及可能對河道之結構物穩定造成破壞。目前國內外對於人造軟岩之研究，主要為製作接近於現地軟岩特性之人造材料，並進行物理試驗以求得各項參數，為定點試體樣本之分析，但未經模型相似率縮比之試體並無法適用於水工模型，因此，目前幾無應用於水工模型建置之相關研究。為求水工模型建造技術突破，建立模擬軟岩特性材料應用於水工模型有其必要性。本研究針對水工模型建置之特性需求，嘗試找出適合應用於水工模型之人造模擬軟岩材料，為一先期性之研究。
二、人造模擬軟岩試體製作
考量組成材料需普遍且製作費用低廉，在實驗室內，易於重複製作，且經試驗後對人、動植物及環境無毒性等為優先考量。經蒐集比較不同膠結材料之物理化學特性後，發現聚合物矽油(Silicone oil，分子式為C6H18OSi₂)為人造軟岩模擬材料之優良膠結材料，其最大優點為可使試體不需於水中養護即可完成製作，又因其於常溫下具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性、生理惰性、較小的表面張力及較高的抗壓縮性等特性，其中高度穩定性(熱脹冷縮小)及優良之疏水性(浸泡於水中不溶解及變形)，非常適合常需於水中進行試驗之水工模型軟岩模擬材料，故選為本研究研發不須水中養護方法之膠結材料。各試體製作過程主要為過篩、混合攪拌、水中養護等，如照片-1~照片-4所示。
三、試驗結果
(一)清水試驗平均沖刷深度:
各組試驗組合因其膠結材料之不同，其含量比率遞減情形下，各組試體之平均沖刷深度成指數型增大，如圖1所示，相關係數介於0.7966至0.9911之間。各組試驗平均沖刷深度表如摘表1所示。各組試驗後平均沖刷深度變化分述如下:
(1)泥岩+石膏:
石膏含量8%時，平均沖刷深度1.7mm;石膏含量減低至2%時，平均沖刷深度12.5mm。隨膠結材料減少，沖刷深度呈現緩慢增加。試驗結果顯示，以98%泥岩、2%石膏為配比，平均沖刷深度12.5mm，最為接近本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)。
(2)泥岩+噴固精:
噴固精含量8%時，平均沖刷深度2.7mm;噴固精含量減低至2%時，平均沖刷深度快速增加至59.5mm。試驗結果顯示，各組試驗沖刷結果皆不在本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)之內。
(3)泥岩+石膏+噴固精:
石膏與噴固精(各50%)含量8%時，平均沖刷深度2.5mm; 石膏與噴固精(各50%)含量減低至3%時，平均沖刷深度56mm。試驗結果顯示，各組試驗沖刷結果皆不在本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)之內。
(4)玻璃砂+矽油(#1000):
矽油(#1000)含量2.5%時，平均沖刷深度3mm; 矽油(#1000)含量0.5%時，平均沖刷深度51mm。試驗結果顯示，以99%玻璃砂、1%矽油(#1000)為配比，平均沖刷深度7.5mm，最為接近本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)。
(5)玻璃砂+矽油(#2000):
矽油(#1000)含量2%時，平均沖刷深度2mm; 矽油(#1000)含量0.3%時，平均沖刷深度8.5mm。試驗結果顯示，以99.7%玻璃砂、0.3%矽油(#2000)為配比，平均沖刷深度8.5mm，於本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)內。
(二)懸浮載(細沙)含砂水流沖刷試驗
選用細沙做為懸浮載為主之沖刷試驗，探討若上游來砂若僅為懸浮泥砂之細顆粒磨蝕沖刷情形，試驗用細沙照片如照片5，其泥砂粒徑分佈曲線如圖2所示，其D50約為0.3mm。由於清水沖刷試驗得知，玻璃砂添加矽油之模擬軟岩，無論在製作便利性及試體均值均向性，均為各試驗組中較佳者。因本計畫期程及試驗時間有限，因此以本次研發之不須水中養護之模擬材料，進行加砂試驗。
各組試體平均沖刷深度及最大沖刷深度，分述如下:
(一)玻璃砂+矽油(#1000):
各組試驗試驗後照片如照片6所示，平均沖刷深度如圖3所示，矽油(#1000)含量高於1.5%時，試體平均沖刷深度與最大沖刷深度約在10mm內; 矽油(#1000)含量低於1.5%時，試體平均沖刷深度與最大沖刷深度則明顯增加 。
(二)玻璃砂+矽油(#2000):
各組試驗試驗後照片如照片7 所示，平均沖刷深度如圖4所示，經測試矽油(#2000)含量降低至0.3%時，試體平均沖刷深度與最大沖刷深度約在10mm左右，顯示只要極微量即可使試體能保持良好的膠結性。
若考量懸浮載形成之細顆粒磨蝕沖刷，則在本試驗設計流量下，以99.5%玻璃砂、0.5%矽油(#2000)為配比，平均沖刷深度8.0mm，最大沖刷深度9.0mm;以及99.7%玻璃砂、0.3%矽油(#2000)為配比，平均沖刷深度10.0mm，最大沖刷深度11.0mm，於本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)內。
(三)推移載(粗砂)含砂水流沖刷試驗
選用粗砂做為模擬推移載為主之沖刷試驗，探討上游來砂若為粗顆粒泥砂之滾動磨蝕情形，試驗用粗砂照片如照片8，其泥砂粒徑分佈曲線如圖5所示，其D50約為0.4mm。模擬軟岩則採用無水養護之玻璃砂加矽油之人造試體，進行加砂試驗。
推移載加砂試驗後各組試體平均沖刷深度及最大沖刷深度，分述如下:
(一)玻璃砂+矽油(#1000):
各組試驗試驗後照片如照片9 所示，試驗後平均沖刷深度及最大沖刷深度如圖6所示。由試驗結果可得知，因河床載之滾動及撞擊，對試體表面產生較大之沖刷，當矽油(#1000)含量低於1%時，則產生較大的局部沖刷坑。
(二)玻璃砂+矽油(#2000):
各組試驗試驗後照片如照片10 所示，試驗後平均沖刷深度及最大沖刷深度如圖7所示。由於矽油(#2000)製作之人造軟岩試體凝聚力較強，由試驗結果可得知，各試驗組之沖刷深度明顯較以矽油(#1000)製作之人造軟岩小。
若考量推移載形成之粗顆粒滾動及撞擊產生之沖刷，則在本試驗設計流量下，以97.5%玻璃砂、2.5%矽油(#1000)為配比，平均沖刷深度10.0mm，最大沖刷深度12.0mm; 98%玻璃砂、2%矽油(#1000)為配比，平均沖刷深度11.0mm;以及99.5%玻璃砂、0.5%矽油(#2000)為配比，平均沖刷深度12.0mm，於本試驗預計之理想沖刷範圍(8mm~12mm)內。
四、模擬軟岩試體材料優選
茲將上述各模擬材料之試驗結果，依適於作為水工模型軟岩製作之模擬軟岩材料選取的條件，進行序位法材料優選。優選項目分別為: (1)模擬材料之取得容易 (2)具均質均向性 (3)可快速且有序的重製 (4)能較精確地控制特地影響因子 (5)製作費用低廉。具前述該項特性者給予1分;具該特性但不顯著者給予0.5分;無此項特性則給予0分。加總之總分最高者為優選為水工模型軟岩製作之模擬軟岩之材料。總和上述計分結果，整理之優選結果如表2所示。
由計分結果顯示，玻璃砂與矽油為人造模擬材料，在總分5分之優選項目得到4.5分，為各模擬材料中最高分者，故優選為適合製作水工模型軟岩地形之材料。由於本研究為一先期性之研究，其試驗結果提供了初步之建議，未來建議可由模型試驗需求單位，依不同模型製作需求，對人造軟岩再進一步調整及改良。
