生态边坡稳定探讨

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简介： 近年来在土木工程中，改良或是保护的工程都有倾向生态工法的趋势，为的就是要以最少的人为破坏来达到良好稳定的效益，并且不破坏现地的生态平衡，此外在护坡工程上景观的要求也日益增加。在此就以边坡稳定方面为例，台湾是四面环海、高山地型居多的地方，就因如此台湾的坡地也到处可见，每年丰沛的降雨造成的冲刷及河川陡峻、水流量变化大的特性、人为的切削，皆对于边坡稳定有相当的影响，生态边坡稳定即成为值得深思、研究及重视的问题。
关键字：边坡稳定、生态工法

一、生态工法的定义

　　生态工法为一种对于环境、原生物等生态所造成最低影响，并且适当的还原、保护的工程概念，此工法并无制式的标准；性质为相对的，并非绝对的。总而言之，生态工法即为以生态为基础、安全为导向、环境景观为理念的工程方法(1)。

二、边坡破坏类型

　　边坡的地形型态本身就存在了许多的不稳定因素，通常边坡滑动破坏为其边坡内部某处土层的剪力强度不足以承受当时的载重或外力，造成不平衡状态出现而发生破坏，破坏后即会恢复平衡状态。

　　由于一般边坡的地质条件不同，因此边坡的破坏也有许多的模式，其中分为两大类的即为1.自然因素破坏；2.人为因素破坏，此二类的破坏又以自然因素的破怀最为广泛及频繁。

2.1边坡各种破坏因素：

　　自然因素破坏：地震、降水侵入、地层节理、张力裂缝、土石流冲击、土石崩落

　　人为因素破坏：切削、水土保持不良、挡土工不良带来连锁破坏效应(附录1)

2.2边坡破坏类型(2)：

　　土坡：平面滑动破坏、流动破坏、旋转滑动破坏

　　岩坡：楔型破坏、圆弧破坏、平面破坏、倾倒破坏

三、边坡保护工法(3)

一般处理边坡稳定有一下五种方法：

　　(1) 边坡内部排水，以增加边坡地层的剪力强度

　　(2) 将软弱或潜在危险的地层挖除

　　(3) 建立抵挡结构物或其它支承物

　　(4) 针对现地边坡土层加劲

　　(5) 化学处理以增加边坡地层的剪力强度

　　以上五种边坡保护工法大致上可分类为工程构造物稳定方法、生物稳定方法及土壤改良方法，本文就前二类方法加以探讨。

3.1一般工程构造物稳定方法

　　一般护坡工法是以一般力学的角度去思考的一种边坡稳定工法，通常都以安全为优先，但是可能忽略了绿化、景观的美化及生态上的考虑，容易影响现地原有的渗透能力及生态平衡，一般工程构造物是以改变边坡力学状态的工法，以下为简单的介绍。

　　3.1.1 混凝土喷浆─用以保护边坡表层避免风化、冲刷

　　3.1.2 土钉、微型桩、抗滑基桩、石柱─增加边坡内部的剪力强度

　　3.1.3 挡土墙─挡土墙型式有许多种，藉以结构物将可能破坏的边坡稳定提高

　　3.1.4 地锚─有锚碇段、自由段、及锚头三个部分，锚碇段与岩盘产生摩擦力提供锚碇力，而自由段则为传递锚碇力至锚头，在利用锚头的锁定功能将锚碇力传于挡土结构物或下方地层，藉以稳定边坡。

3.2生物稳定方法

　　生物稳定方法法原则是以较近自然的方式去稳定边坡浅层，使边坡土壤不易受到水的侵蚀，再者使用的材料也是以现地或是天然的石材、木材及植物为主，达到现地原本生态的发展、保护及永续性，另外景观上的美化也是需要考虑的。

　　3.2.1 植生工法(4)─主要研究植物施工对象，选择适合生长的植物材料，配合基础与保护工程将植生导入，达到设计目的的工法。植生工法有许多种方式，例如：外缘危木处理、铺网喷植等等(附录2)，但是植生工法施作的坡面最大限制约为60度左右(因为坡度过陡使水流太快而植生不易)，适合坡度约为50度以下。一般来说植生工法的植物可以分为二个部分：1.可以保护边坡表面2.增加边坡浅层土壤﹝约0~1.5M﹞的稳定。

　　3.2.1.1保护边坡表面─可以拦阻降水直接冲击边坡土壤，避免受到侵蚀，植物也可以使边坡表面粗造度增加，使水流产生迟滞，又因为植生植物根系深入边坡使坡面渗透性佳，可以让坡面粗糙化(5)，使水不会直接流失而渗入边坡内，涵养水源。

　　3.2.1.2增加边坡浅层土壤的稳定─因为植物的根系可以抓住土壤，使土壤的抗剪强度提高，其根系分布越广越可以增加坡面的抗剪强度，通常根部深度约为1.5M。

　　3.2.2 活树枝插植工法(6)─此工法是以活树枝插入欲保护的边坡内使树枝自生，生长出的树根具有加劲的功能，对于浅层边坡有稳固的作用，而且根系可吸收边坡内的水分，把水分移至边坡表面，如同排水带一样(如图一所示)，此工法可以与地工加劲材料相互配合，而且有不错的成效(图二、图三)。

活树枝插植意识图(图一)

加劲挡土墙层间塞植活枝条（Gray & Sotir, 1996）(图二) 活枝条发芽长成后情形（Gray & Sotir 1996）(图三)

　　3.2.3 培地茅植生工法(6)─培地茅﹝Vetiver﹞是一种深根植物，其根部可达约3~5公尺，张力强度约为40~120Mpa，宛如天然的土钉一样使边坡更加稳定，许多国家均有成功的案例，但是并非所有边坡都适合此工法，例如泥岩边坡(附录三)。

3.3植生混合工法

　　植生对于稳定边坡浅层的土壤有一定的效果，不过一但发生大量的冲刷侵蚀、地震的影响或是边坡本身自重而产生的下滑都会造成边坡深层的破坏，这是植生所不能稳定的，因此可以配合结构型挡土系统来稳定边坡的深层，其中材料可以为混凝土、石材、木材等等，一般来说植物都可以和具有孔隙的文件土结构组合，而且也可以适用于坡度较陡的地方，另外此工法亦可用一般边坡稳定方法分析(7)。

图四(交通部公路总局第五养护工程处)

位置-国三线9K+000~9K+450

坡度-约45度

背景说明-采此工法可以克服陡坡施工的困难，并利用格梁保护植生基材被冲刷

(交通部台湾区国道新建工程局)

位置-国三线97K+600

坡度-约50度

背景说明-此为岩层坡面，利用打桩编栅回填客土植生，并防止冲刷，有利植物生长

(交通部台湾区国道新建工程局)

四、边坡稳定方法与适用性(8)

A：中深层滑动 C：浅层滑动(大范围)B：中浅层滑动 D：浅层滑动(小范围)

五、引进新工法介绍

　　5-1 EPS轻质填土工法(9)

　　EPS﹝Expandable polystyrene﹞即为发泡级聚苯乙烯之块状化学合成材料，其块体可作为工程回填土方材料；对于土木工程而言土壤是很微妙的工程材料，若施工、规划完善，土壤可以成为良好的基础材料，反之则会因土壤的自重而造成边坡的破坏及结构体的毁损，因此若能够减轻回填材料的自重或是降低边坡自重，则可以降低边坡的破坏机制。在台湾此工法并未大量引用，若要妥善应用EPS则须对其工程性质有充分了解，以提供工程规划设计的参考。台湾的地形复杂，往往以传统工法边坡开路时，都会大量开挖下层边坡，若能够以EPS直立式边坡工法，公路中心线可以向溪谷侧移动，减少边坡大量的开挖，保留原有的山坡绿地，其材料贴附于刚性边坡可以有效的降低水平土压，EPS是一种具有开发潜力的工程材料。

以下是EPS轻质材料的优点：

　　1.超轻量材料─单位重约为0.12~0.29 kN/m³，密度约为砂土的1/100

　　2.经济性─工期缩短、挖方少、维护费用低

　　3.施工简便─不需大型机械搬运，可以人力即可轻便迅速施工

　　4.自立性良好─柏松比小，自立性高，可降低侧向土压力，适合挡土结构的背填材料，减少侧向压力，其型块=0.5*1.0*2.0m

　　5.缓冲性优─单独气泡体能发挥优越缓冲性，具减少冲击、震动的效果，其耐压缩强度约0.4~2.8 kgf/cm²，

　　6.耐水性佳─单独气泡体不易吸水，材料不易变形

　　5.1.1 EPS在施工管理上需注意事项

　　1.EPS容易被贯穿，不宜于有直接且集中荷重之处使用，一般会在上方浇置钢筋混凝土版或覆盖适当的土层，以作为保护或是将集中载重转换成均部荷重。

　　2.EPS容易受到汽油及有机溶液侵蚀而溶化损坏。

　　3.EPS为易燃物品，需远离火源。

　　4.EPS长期在阳光的曝晒下，阳光中的紫外线会破坏材料组织。

　　5.EPS可能会受到虫害的影响，须做防虫的处理。

　　6.由于EPS较水轻，容易受到地下水的上举力而破坏，所以施工时必须做适当的加载或有效的控制地下水位。

　　7.应特别注意型块间不可以产生错动或位移。

　　8.当EPS设置多层时，则每隔2m~3m高度时需打设一层厚度10~15cm的混凝土版。

5.2连续纤维补强工法(6)

　　此工法为一种绿化工法，称为GEOFIBER工法，是日本NITTOC Construction Co., Ltd.所发展的边坡保护工法，改良自法国的Texsol技术，连续纤维补强工法可综合1.地盘补强、2.边坡坡面补强、3.植生工三种边坡保护工法之功能，基本上其主要的原理是应用砂、纤维、添加剂、水、客土、有机肥搅拌后，再于喷枪口与连续纤维丝﹝聚酯纤维﹞结合，构成具有植物生长与纤维补强功能的基材土壤，喷布于坡面上形成一厚约30~120cm的连续纤维补强土壁面，壁内需设排水带，若有需要也可以搭配岩钉、土钉或是地锚等结构型稳定工法稳定边坡。此补强土的剪力强度较砂土高，呈多孔性，植物亦容易生长，此外若现地边坡有原生树木均可顺利施工，保留下来的树木可继续存活生长，更具绿化美感。

　　5.2.1连续纤维补强工法优缺点

　　优点：容许较陡的坡角﹝约70度﹞、抗冲刷侵蚀、植生容易、不影响坡面渗透性、易于配合地形施作和工期短。

　　缺点：需要专业技术较多、机具材料需进口、施工质量高、操作人员需训练，综合成本高。

六、结论与感想

　　台湾山坡地的整治已经有许多的经验，在多种的工法中并没有绝对安全的，一但发生边坡的破坏已是无法在回复原本的景貌，因此在边坡的稳定分析及施工需经由多方向的考虑，而地质的分析与钻探就显的格外的重要与精确，而选择适合的工法也是重点之一。一般来说，生态工法是以最少的破坏、维持原本的地貌、不破坏现地的生态平衡、绿化美观为依归，生态工法也是现阶段急需推动的工法，而废弃物再回收利用在工程上也是需被重视的。

　　另外值得一提的是生态工法对于边坡的稳定都是解决浅层的稳定，若有中深层的稳定则需要以结构型的稳定工法加以补强，因而生态工法与传统工法则是需互相配合的，工法的选择是需要慎重考虑。一般边坡的稳定工法或许都只是选择以一种工法施工，笔者认为边坡生态工法与边坡传统工法缺一不可，要在其中找出可以互相搭配的工法亦是边坡稳定处理必须注意的问题，并非每一种边坡都适合生态工法或是适合传统工法，而是要找出大自然与工程之间最能够和谐的工法。边坡整治工法极多，但于生态考虑下，则应选择适合植物生长，环境冲击小，视觉景观较佳及施工过程较环保之处理方式(7)。

　　所有的大地工程设施结构皆是必须与大自然相辅相成，而土木人必须做的就是找出土木与大自然能够平衡的机制，这是土木人永远的目标与责任。

七、附录

　　1. 挡土工不良带来连锁破坏效应─边坡可能会因为边坡上部挡土结构破坏，土石崩落、下滑，产生额外的外力而造成边坡下方连锁的破坏。

　　2.外缘危木处理─为了防止边坡崩塌外缘的危木或倾斜木受台风摇动而牵动根系引发土壤松动及裂隙渗水、续崩等问题，并且需视坡度、坡向延伸或张力裂缝的情形，将危木移除或伐除﹝截短﹞。(4)

　　铺网喷植─于坡面铺上一层镀锌铁丝网或塑料网，暂时裹住浮石或岩块，防止松动移位，增加坡地稳定后，再将土壤、黏着剂及种子喷植于边坡上，藉由网层之嵌握效果使表面基材成为均一的培育层，逐渐的植物增生，其根系相互缠绕，具有护土的效果，适用于坡度约50度左右，此工法为一般常用之工法，施工快速容易，节省成本且成效良好。(4)

　　3.泥岩边坡稳定(10)─边坡稳定强烈受到地质、气候、地形、土壤等潜在因素影响，各种工法的适用性受到先天的限制，需考虑现地的的地形、地质、气候、水文后再与景观取得平衡点。在泥岩边坡灾害防治首先需克服地质构造问题，就算边坡有良好的坡面防护，最后也会沿着层面滑落而下。

八、参考文献

　　(1)吴辉龙、邹宗儒、张承愈(2002),“边坡稳定工法与自然保育”,地工技术【94】,pp.61-72

　　(2)廖瑞堂(1998),“山坡地护坡工程设计”,pp.113-114

　　(3)ABRAMSON L.W., LEE T.S, SUNIL SHARMA, BOYCE GLENN M.,“SLPOE STABILITY AND STABILIZATION METHODS”,pp.462

　　(4)林信辉、黄俊仁(2000),“地震崩塌地植生工法应用之探讨”,地工技术【92】,pp.27-36

　　(5)吴辉龙(2002),“水土保持之自然生态工法”

　　(6)冯正一、林永光(2000),“考虑环境、生态与景观需求之边坡保护技术”,地工技术【92】,pp.5-p18

　　(7)水环境研究中心,http://www.cc.ntut.edu.tw/~wwwwec/chinese_vresion.htm

　　(8)廖瑞堂、陈昭维、杨品铮(2002),“地锚在台湾之边坡稳定发展沿革及适用性探讨”,地工技术【94】,pp.105-116

　　(9)林利国(2002),“EPS轻质填土材料在边坡稳定之防灾应用与施工管理”,地工技术【94】,pp.93-104

　　(10)李德河,林宏明,杨沂恩(2002),“泥岩边坡之稳定处理”,地工技术【92】,pp.41-52