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研究生: 趙衛君
Wei-chun Chao
論文名稱: 應用高斯過程建立分階式山區道路邊坡崩塌預測模式之研究-以阿里山公路為例
Application of Gaussian Processes on Slope Failure Predication along Alishan Mountain Road
指導教授: 廖洪鈞
Hung-jiun Liao
卿建業
Jian-Ye Ching
口試委員: 董家鈞
Jia-jyun Dong
林宏達
Horn-da Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 151
中文關鍵詞: 高斯過程鑑別分析阿里山公路降雨邊坡崩塌預測
外文關鍵詞: Alishan Mountain Road, discriminant analysis, rainfall, predication, slope failure, Gaussian processes
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  •   本研究之目的為建立一可預測道路邊坡潛在崩塌類型、崩塌潛能、降雨時崩塌機率及可能崩塌規模之分階式道路邊坡崩塌預測模式,期能提供相關單位作為道路邊坡分級管理之參考。
      本研究所採用之分析方法為高斯過程,研究對象為省道台18線-阿里山公路,主要針對研究路線在過去賀伯、桃芝、納莉及敏督利等四次颱風侵襲時所造成之邊坡崩塌進行研究,共蒐集及調查109筆案例(其中崩塌案例佔55筆、未崩塌案例佔54筆)。並選取可代表地形、地質、岩層位態、風化及破碎程度、植被、水系、道路開闢、地震力及降雨之影響因子共16項。
      由分析結果可發現在崩塌類型判別方面,高斯過程較之傳統鑑別分析法,其預測準確性之優勢並不明顯,但兩者皆可得到70%以上之正判率;而在崩塌潛能分析上,高斯過程之正判率皆在90%左右,明顯優於鑑別分析法,且高斯過程之分析結果顯示其所建立之模式較具機率之意義;在因子重要性檢定方面,可發現各因子皆在不同預測模式中顯示其重要性,此結果顯示本研究所選取之影響因子及量化方式具一定程度之代表性。最後由實例分析之結果,可證明崩塌機率預測模式具一合理的降雨量與崩塌機率之關係,亦驗證了本分階式預測模式應用於實際邊坡案例之可行性。


      This study proposes a process for evaluating the probability of slope failure along the mountain road in central Taiwan.
      It is a multi-step process and is aimed to simulate the procedure of dealing with slope maintenance problem in practice. Totally, four steps are considered including the identification of failure type, evaluation of failure potential and failure probability, and estimating the volume of failed slope. The probability of failure is determined based on the inherent factors of the slope and the triggering factor of rainfall.
      The statistical models of Gaussian processes and discriminant analysis together with 55 failed slope cases and 54 not-yet-failed slopes are used to establish the process. Although the former is more complicated than the latter, the accuracy of the results predicted by Gaussian processes is more satisfactory. So it is more appropriated to be used to predict where and at what potential and probability of a slope to fail.
      However, it is still difficult to predict when a slope failure will occur so far. More rainfall records are needed to get a better idea about the possible amount of rainfall at a specific slope site during a typhoon.

    目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 IX 照片目錄 X 第一章 緒論 1 1.1研究動機及目的 1 1.2研究方法 1 1.3論文架構 2 第二章 文獻回顧 4 2.1邊坡崩塌之類型 4 2.2邊坡崩塌之影響因子 8 2.2.1自然因素 8 2.2.2人為因素 9 2.2.3前人研究之重要性影響因子 10 2.3邊坡崩塌潛勢分析方法之演進 12 2.3.1定性的專家評分法 13 2.3.2定量的統計分析法 14 2.4阿里山公路邊坡崩塌之相關研究 22 2.4.1邊坡崩塌特性 22 2.4.2邊坡崩塌之重要性影響因子 24 2.5邊坡崩塌潛勢分析之重點研究方向 24 第三章 模式建立與分析方法 25 3.1分階式山區道路邊坡崩塌預測模式 25 3.1.1各階段預測模式之介紹 25 3.1.2各階段預測模式之建立 27 3.1.3各階段預測模式之應用 30 3.2高斯過程 31 3.2.1貝氏分析 32 3.2.2高斯過程在迴歸分析上之應用 33 3.2.3高斯過程在二元分類分析上之應用 40 3.2.4高斯過程在多元分類分析上之應用 42 3.2.5 Hybrid Monte Carlo隨機取樣法 43 第四章 影響因子與分析案例 47 4.1影響因子選取及量化 47 4.1.1基本因子 47 4.1.2變動因子 56 4.1.3誘發因子 57 4.2研究對象-阿里山公路 59 4.2.1研究區域概述 59 4.2.2研究區域過去發生之重大災害事件 62 4.2.3研究範圍及致災事件之選定 64 4.3分析案例取得 65 4.3.1資料蒐集 65 4.3.2現場調查 66 第五章 分析結果與討論 71 5.1分析程式及參數設定 71 5.1.1分析程式-Software for Flexible Bayesian Modeling 71 5.1.2分析參數設定 72 5.2高斯過程與鑑別分析之比較 80 5.2.1測試方法 81 5.2.2崩塌類型預測模式 81 5.2.3崩塌潛能預測模式 82 5.2.4崩塌機率預測模式 82 5.3高斯過程之迴歸分析-崩塌規模預測模式 83 5.4因子重要性檢定 84 5.4.1崩塌類型預測模式 85 5.4.2崩塌潛能預測模式 86 5.4.3崩塌機率預測模式 88 5.4.4崩塌規模預測模式 88 5.5綜合討論 89 5.5.1阿里山公路里程與邊坡崩塌類型之關係 89 5.5.2邊坡崩塌影響因子之探討 90 第六章 實例探討 93 6.1案例說明 93 6.2分析結果 93 第七章 結論與建議 97 7.1結論 97 7.2建議 98 參考文獻 100 附錄A 崩塌案例(55筆)量化資料 106 附錄B 未崩塌案例(54筆)量化資料 110 附錄C 各影響因子統計直條圖 114 附錄D 高斯過程之分析輸入指令 120 附錄E 鑑別分析之分析輸出結果 126 附錄F 崩塌類型預測模式之分析結果 131 附錄G 未崩塌案例之潛在崩塌類型預測結果 134 附錄H 崩落潛能預測模式之分析結果 137 附錄I 坍滑潛能預測模式之分析結果 140 附錄J 沖蝕潛能預測模式之分析結果 142 附錄K 阿里山公路沿線地震測站資料 145 附錄L 阿里山公路沿線雨量站資料 147 附錄M 研究區域地層描述 149 圖 目 錄 圖2.1 五種基本崩塌類型 7 圖3.1 分階式山區道路邊坡崩塌預測模式 26 圖3.2 條件機率分布 35 圖3.3 不同超參數設定下以高斯過程進行迴歸分析之結果 37 圖3.4 相關變異數矩陣 39 圖3.5 之函數形式 44 圖4.1 阿里山公路沿線地質圖 51 圖4.2 集水區範圍決定方式 54 圖4.3 坡趾開挖高度及坡度改變量示意圖 55 圖4.4 921集集地震之最大水平地表加速度分布 57 圖4.5 納莉颱風之區域累積降雨量分布 58 圖4.6 阿里山公路位置圖 59 圖4.7 阿里山雨量站之歷年雨量統計圖 60 圖4.8 阿里山雨量站之月平均雨量統計圖 61 圖4.9 研究範圍及現場調查點位置圖 65 圖4.10 各次颱風之崩塌案例佔全部崩塌案例之比例 67 圖4.11 各崩塌類型之崩塌案例佔全部崩塌案例之比例 68 圖5.1 預測崩塌規模與實際崩塌規模之比較 84 圖5.2 未崩塌案例之潛在崩塌類型比例 89 圖5.3 阿里山公路之里程與崩塌類型關係圖 90 圖6.1 艾利颱風二處崩塌案例之崩塌機率與颱風累積降雨量關係圖 96 表 目 錄 表2.1 崩塌分類表 5 表2.2 前人研究採用之崩塌潛勢分析方法一覽 20 表3.1 各階段預測模式建立所使用之分析資料 29 表4.1 影響因子及量化範圍 48 表4.2 研究區域內地層種類及量化方式 50 表4.3 重大颱風災害事件對阿里山公路造成之崩壞情形 64 表5.1 崩塌類型預測模式分析結果之比較 82 表5.2 各崩塌類型之崩塌潛能預測模式分析結果之比較 83 表5.3 崩塌類型預測模式之因子檢定結果 85 表5.4 崩落潛能預測模式之因子檢定結果 86 表5.5 坍滑潛能預測模式之因子檢定結果 87 表5.6 沖蝕潛能預測模式之因子檢定結果 87 表5.7 崩塌規模預測模式以高斯過程分析之因子檢定結果 88 表5.8 各預測模式之重要性影響因子 92 表6.1 台18線82k+855及82k+935二處案例之因子量化值 95 表6.2 台18線82k+855及82k+935二處案例之分析結果 96 照 片 目 錄 照片4.1 崩落 68 照片4.2 坍滑 69 照片4.3 沖蝕 69 照片6.1 台18線82k+855處崩塌照片 94 照片6.2 台18線82k+935處崩塌照片 95

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