水里玉山線的地形由東
埔山塊與陳有蘭溪縱谷構成，此兩地形的位置恰為一南一北，故為便於陳述，依地形分成南段與北段。南段行經於東埔山塊，稜線呈南北走向，地形上屬於阿里山山脈，位置上為和社溪、沙里仙溪之分水嶺，其中行經於東埔山塊東面，因公路被沙里仙溪途的支流所經，比如烏乾溪
、大勇橋都發展成蝕溝，侵蝕旺盛。此外，自烏乾溪直上塔塔加之路段，受因於地形的限制，使水里玉山線得以數次的迴頭彎方式攀升，此一路段被地理學家王鑫稱「大迴頭彎」，到了東埔山路段，路線走向大致與稜線平行。北段是沿陳有蘭溪，鄰畔而行，此一路段受限於縱谷的走向，由斷層穿過而成一縱谷地形。在陳有蘭溪橋上可見陳有蘭溪東岸有一片裸露的山壁，這是受斷層作用所留下與溪谷近乎平行的證據，為該界限斷層出露明晰之斷層面。水里
玉山線沿途可見陳有蘭溪流域出現16處沖積扇，後來經過下蝕復活，這些沖積扇大多被河階化，其中新鄉、羅娜等地的河階都是台灣溪谷中面積最大的切割沖積扇，許多聚落位居於之上，因地勢高於公路之故，除郡坑一帶有小規模沖積扇，其餘大多無法完整見得其全貌]。
水里玉山線因路線的行經東埔山塊、陳有蘭溪，故地質的分布以此兩地形區分。東埔山塊位於塔塔加斷層以西，因水里玉山線迂迴而行，當中通過多處山溝、神木斷層、十八折坑斷層、兒玉斷層、和社背斜等，使該路段的岩性脆弱]。至於此一路段的地質，除了同富山向斜兩翼有南港層出露，其餘路段多屬南莊層。當公路越過和社溪之後，便會進入到沖積層、台地堆積層等地層，此一路段的地質主要受到陳有蘭溪與其支流的影響。在十八重溪橋是橫跨十八重溪，溪谷兩岸分布十八重溪層。繼續沿公路向北行經龍神橋路段，因路線行經緊鄰山壁，地質是介於白冷層、沖積層之間，於龍神橋往東望去濁水溪岸的山壁，可見白冷層露頭。繼續北行至頂崁，沿線的地質則是水長流層與白冷層
分布。
災害
烏乾溪的河床崩坍造成橋梁被沖毀，不僅受因於大雨造成，斷層的通過，使烏乾溪的地質破碎，成為崩坍的另一原因。
陳有蘭溪沿岸生成許多沖積扇是受因於流域內許多崩塌地，由於溪谷陡峭且長度短，加上地質複雜且岩層破碎，在河川本身的向源侵蝕與側蝕，以及降雨沖蝕、地震崩壞等因素，使土石隨著山坡崩塌或滾落下溪谷裡，直到颱風或梅雨等時機降下大雨，累積到足夠的推進力量會將溪谷裡土石給推動，形成河水混拌著土石般泥漿流動。當排洪斷面不足以河水挾帶大量土石與雜木流過，便會將橋孔淤塞，並發生土石流帶來的巨石粗礫撞擊橋身，導致橋樑流失、橋身傾斜、橋面移位，例如：賀伯颱風造成新興橋被土石流沖走，信義橋、郡坑橋皆結構受損，陳有蘭溪橋的橋孔被土石淤塞，其橋墩有發生傾斜的現象，神和橋的橋台、橋墩遭土石流沖刷裸露；桃芝颱風造成信義橋一端被土石流沖走，陳有蘭溪橋、松泉橋、愛玉橋、神和橋等四座橋樑全被土石流沖走；辛樂克颱風造成豐丘明隧道南口被土石流埋沒；莫拉克颱風造成橫跨烏乾溪的橋樑被土石流沖走。河岸侵蝕主因是受支流挾帶的土石淤積於主流，導致主流的河道縮減，水流方向被改變，使水量集中且流速加快的情況下，河水的侵蝕作用因此加劇，造成河岸淘刷，最後橋台塌陷，例如信義橋
、十八重溪
橋與陳有蘭溪橋皆曾於賀伯颱風、桃芝颱風發生過。再以莫拉克颱風為例，台21線在水里、信義之間的路段，受到陳有蘭溪的淘刷，使壽山橋與一旁的山坡被沖走，還有住宅房舍承受不住淘空，因而滾落溪裡。河道曲折會使河水宣洩不及，造成河流截彎取直流過平緩地，例如筆石溪在桃芝颱風就發生改道，直接流入陳有蘭溪，造成新中橫公路被沖斷。
被地理學家王鑫稱為「大迴頭彎
」的台21線，位於烏乾溪橋通往東埔山的路段，此處坍方的嚴重可由圖閱知。
在邊坡陡峭的路段，其坡角約40度～79度，落石發生率不明顯，當坡角超過80度，邊坡呈現崖形，其發生率高達100%，並受到岩性差異、節理發達、斷層通過、不連續面的間距等都會影響落石發生率，加上新中橫公路開闢之時，使用炸藥開路造成地層不穩，也留下炸孔與破裂面，尤以颱風降下大雨，落石發生率會高於乾燥季節。新高口、石山、塔塔加等路段，因公路接近稜線，故坡高不大，大多是細粒的土石崩落，其餘路段可見落石發生。地理學家王鑫曾對新中橫公路調查，以施工前、興建中、完工後比對道路工程對於邊坡穩定影響，發現崩塌是以大迴頭彎路段最為嚴重，主要以岩屑滑落與岩屑滑崩發生居多[62]。由於神木村以南開始，公路全屬於新闢，因此是直接將坡腳挖開，使岩層裸露，易受風化、降雨侵蝕，加上有背斜線與斷層通過，岩層褶皺，節理發達，岩性屬於砂頁岩互層的南莊層，容易發生差異侵蝕，正好這些因素集中在大迴頭彎路段，由烏乾溪谷、大勇橋溪谷與東埔隧道這三區較為易見，例如：莫拉克颱風發生烏乾溪橋被土石流沖毀，也造成路基被淘空52公尺之深，公路總局為應付這地形，疊砌50餘個貨櫃，其內填充土石成為路基，使工期可於20天內搶通。由於烏乾溪谷上緣是較開闊，呈現圈谷狀崩塌地，並有斷層通過，使邊坡岩層破碎，當大量雨水沖刷邊坡，成為烏乾溪土石流的土石來源。
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