邊坡穩定生態工法 (上)

□洪明瑞／明志科技大學環安衛系 助理教授
□拱祥生／台灣省土木技師公會 技師報總編輯
□李維峰／台灣科技大學研發處 副教授
□林銘郎／台灣大學土木工程系 教授

摘要
        當世界邁入二十一世紀且人類科技正一日千里之際，寶島台灣卻不斷地發生河川氾濫、洪患、坡地崩塌、道路坍方等天然災害，尤其在歷經921集集大地震的洗禮後，各種山坡地災害（土石流、山崩、地滑以及落石等）更是接二連三的發生，不但讓社會經濟付出了慘痛的代價與影響整體國力的發展，更危及我們賴以維生的水土資源與生態環境。因此，該如何有效地採用合宜的生態工法進行山坡地之穩定與整治工作，實為坡地防災與環境地工領域上之重要課題，更是工程人員爾後所必須面對的嚴峻挑戰。邊坡穩定技術採用生態工法的理念，近年來雖已逐漸成為坡地整治工法之趨勢，然坡地穩定措施之選用，由於牽涉到地形與坡度、地質與土壤特性、環境條件、施工難易度、生態復育、景觀、成本、工期以及後續維護等諸多變因與不確定因素，若非有一系統性且全面性的認知，實不易有效且妥善地選用因地制宜的方案。有鑑於此，本文嘗試彙整國內、日本以及歐美等地區邊坡整治生態工法之類型與應用特性，透過相關圖表與照片之說明，藉以探討並比較各種工法的適用性、生態效益與相關問題點。值此國內產官學研各界積極推動生態工程之際，希望本文之提出具有拋磚引玉的功效，共為台灣生態環境之保護與國土之永續發展略盡棉薄之力。

一、生態工法的緣起與定義

        1938年德國工程師Seifert[1]首先提出「近自然(Near nature)河溪整治」的概念，希望以接近自然、廉價的治理方案，確保河川原有的美麗風貌與天然景觀，此可謂「生態工法」的濫觴。而「生態工法」一詞，最早則是美國生態學家H. T. Odum[2]博士於1962所提出，他主張自律行為（Self-organizing activities）的生態工程（Ecological engineering）觀念，對自然環境的變更，採用最少的人工能量，以維護棲地系統的自我更新能力，並將生態工程應用於污水之處理上。到了1989年，美國生態學家W. J. Mitsch等人[3]更明確定義出生態工法的觀念以及適用範疇，指出生態工法要注重人為環境與自然環境間的互動，並可達到人類與自然生態雙贏的目的，從此生態工法正式成為一研究學門。隨後，經過數十年的研究和討論（如Hohmann(1992)[4]認為人類應減少對生態的破壞，以維護環境多樣性及生態系統之平衡，Herricks(2000)[5]則主張生態工法應建構在工程施作以及生態學理論之上，並指出就工程面而言，應認清要做什麼與怎麼做；而在生態面上，則須做到充份地應用既有資源的原則等），生態工法逐漸從一種概念，發展成實務的施工準則，且從歐陸逐步散播到北美、日本，並成為全世界重要的工程方法之一。
        台灣早在1989年即引入生態工法並應用於環境政策之分析上，然迄2000年左右才陸續應用於各河道之治理以及九二一重建區大規模的崩塌地整治上；起步雖較晚，但近年來在政府大力推動以及民間環保意識高漲的推波助瀾下，讓早已千瘡百孔、滿目瘡痍的變色山河有一重新獲得休養生息的機會，並為台灣的環境保護與生態保育，重新燃起一道永續發展的契機。至於，由於各國對生態工法（或稱近自然工法、生態工程）之詮釋、應用以及發展背景皆有所不同（如圖1所示），國內公共工程主管機關「行政院公共工程委員會」（以下簡稱工程會）為謀求共識與觀念上的統一，以利生態工法的宣導與各工程主辦機關的推廣，遂於2002年組成生態工法諮詢小組，由不同領域之專家學者共同研議並定義如下：「生態工法（Ecotechnology）係指人類基於對生態系統的深切認知，為落實生物多樣性保育及永續發展，採取以生態為基礎、安全為導向，減少對生態系統造成傷害的永續系統工程皆稱之」[6]。此定義清楚地揭示出生態工法的精神（落實生物多樣性保育及永續發展）、原則（以生態為基礎、安全為導向）以及目的（減少對生態系統造成傷害），應可視為台灣地區工程建設與環境保護並重的最高指導原則。
        近年來，生態工法的推動，雖已累積相當的經驗與成果，然本土化生態工法的基礎性研究與技術資料的建立仍極為欠缺，以致引起諸多錯誤的施工，造成預算的浪費、社會大眾的誤解以及對環境的二次傷害等問題。此外，由於生態工法一詞，以往常遭人誤以為僅係一種施工技術或方法而衍生爭議，政府為了政策之持續推動，並與國際專業用語Eco-engineering接軌，工程會遂自2006年6月21日起，正式將「生態工法」更名為「生態工程」。今若進一步引用歐美國家對生態工程的認知，一般而言，生態工程的應用涵蓋：生態工法、生態技術、人工生態系、生態環境工程等領域（如圖2所示）；換言之，生態工法應為生態工程的一環與組成要素之一。因此，公共工程的推動須真正瞭解其本質、特性並因地制宜，方能有效地融合生態系統與工程技術，同時兼顧環境、生態、景觀甚至文化等之永續發展。

二、生態工法的內涵

(一) 生態工法的精神
        生態工法包含了「生態」和「工法」兩個部分的融合，生態是指生物與其生存環境間的互動關係，而工法則是人類為了生活的安全，在環境中建造工程設施的方法或技術；然要在工法之中融入生態的觀念，最重要的精神則在於尊重環境中各種生物的「平等權」與「生存權」；同時，人類環境倫理的思想，亦必須拋開以往偏執且自私的「人類中心」（人為萬物之主宰並深信人定勝天），改以「生命中心」（尊重自然並強調人類與萬物平等）以及「生態中心」（追求生態體系之平衡與永續發展），方能畢竟全功。地球係由森林、草原、海洋、湖泊、濕地等各種不同生態系（Ecosystem）所組成，每一個生態系都有不同的環境和生物，而隨著環境的不同，工法的設計也要跟著改變。換言之，生態工法沒有固定的形式，必須因應個案的特性並對生態環境進行全盤瞭解與深刻的認知，才能減輕對環境的衝擊與影響。因此，工程雖是為了讓人類的生活更安全，但是亦必須能夠同時考慮到我們周遭其他生物的安全與生存，人類方能和大自然互利共處，營造地球的永續發展，而這也就是生態工法基本精神之所在。
(二) 生態工法的考量原則與優勢
        綜合文獻上有關生態工法的看法與主張，可將進行生態工法時所須把握的幾項基本原則，歸納如下：(1)應對整體性系統與環境進行整合；(2)應依現存之自然條件，建設一個良好的生態環境；(3)須對周邊環境從事永續性的維護、保存與利用；(4)應尊重自然環境原有之多樣性；(5)生態工法非僅是消極的保護，更應積極地促使自然環境再生，進而形成一理想的生態網；(6)應特別重視就地取材，運用當地資源進行工程規劃與施作；以及(7)須尊重自然環境既有之原始性等[7]。此外，生態工法相較於傳統工法，則具有以下幾項優勢，包括：(1)就地取材，較可節省材料與搬運費；(2)對自然環境影響小，較不會破壞大自然之生態景觀；(3)施工及養護成本可降低；(4)可創造生態多樣化之環境；以及(5)將工程與景觀結合，可創造較優質的生活空間等[7]。
(三) 生態工法的成功要件
        依行政院公共工程委員會的統計資料顯示，至2003年底，政府推動以生態工法處理全省之土石流及崩塌地等潛在危害地區，預計將超過3,000處[6]。其間，已累積諸多的成功經驗，但亦不乏功虧一簣的失敗案例；若再進一步綜合國外之施工案例，實不難發現，生態工法應用成功與否的關鍵主要係取決於心態問題，故有人一語道出「生態工法」其實就是「心態工法（Attitudinal engineering）」。此外，由於生態工法並無既定的標準模式，其應用往往須因地制宜、就地取材，同時考量不同的地理、人文與生態等條件以進行工法的設計與施工，自然無法以同一套標準適用於各地。因此，只有倚靠正確的基本理念，才是確保生態工法成功的不二法門。以下是從諸多經驗與施工案例中所彙整的七項生態工法成功要件，包含：(1)須從觀念及心態確實做起，意即尊重自然的心態工法（如圖3所示）；(2)需進行整體性與全面性的系統考量；(3)對現有生態環境應有深切的認知；(4)減少工程建設對生態之衝擊降到最小程度；(5)研究可能造成安全問題之因子，並從源點將危害因子去除；(6)因地制宜，就地取材；以及(7)不需做就不要做，減少資源之消耗等[6]。
(四) 生態工程的規劃理念
        生態工法不是萬靈丹，亦非全無瑕疵的工程律典，更沒有固定或標準的模式可資遵循，但在工程擘劃之初，下列幾項基本的規劃與設計理念則必須加以考量，方能在滿足工程安全之餘，生態與環境品質亦能同時獲得確保。包括：(1)以最少量的營建來滿足需求；(2)整體性系統環境的整合（如圖4所示）；(3)全生命週期（規劃、設計、施工、維護與拆除）的考量；(4)從集水區源頭治理，減緩流速、增加入滲；(5)提高雨水截留、入滲，充份利用水資源；(6)保留河川蜿蜒多樣性，營造生物多樣性棲地；(7)就地取材運用當地資源；(8)減少公路闢設、減車道及採用適當的車道寬度；(9)利用自然植生穩定邊坡；以及(10)資源回收再生利用等[6]。此外，就工法本身而言，在規劃設計階段則應把握：表面孔隙化、構造物最小化、坡度緩坡化、材質自然化、界面透水化等五化原則，期能達到安全防災、生態保育、休閒遊憩等三合一功能的目標[8]。
1. 表面孔隙化
        傳統工程常利用鋼筋水泥作為營建材料，形成表面光滑、緻密的構造物，使得動植物沒有附著生長與躲藏的地方，造成生態嚴重的破壞。若改為表面孔隙化的砌石護岸等工程，就能增加生物覓食、遷徙與躲避天敵的棲地，恢復自然生態（如圖5所示）。
2. 構造物最小化
        當進行工程設施時，幾乎所有的構造物都會或多或少地造成環境的改變或破壞，因此人為構造物能不做就儘量不做、能最少化就最少化，將可減低人為不當的干擾與對環境的衝擊，同時也能節省工程經費、後續維護以及能源的消耗（如圖6所示）。
3. 坡度緩坡化
        工程構造物本身陡峭的坡度會讓生物難以遷移與親近，也容易受到水土的沖刷，所以降低水工構造物（如護岸、壩體）等的高度，並以踏步式的護岸或固床工來減緩坡度，不僅能保持功能，還能增加各種生物或人類親水的機會，豐富水陸交界處生物棲息地多元化之面貌（如圖7所示）。
4. 材質自然化
        自然的砌石、植被、木材或廢棄物再生利用等材料係進行生態工法時的最好素材，例如利用植草或木樁來當作穩定山坡地的材料，或河道土石之護岸等方法。自然的材質不僅取得容易，也能提供生物棲息最原始、貼近與舒適的空間，同時讓景觀更形自然、協調與美觀（如圖8所示）。
5. 界面透水化
        水的循環是自然生態極為重要的一環，讓雨水能夠滲入地層，而不直接流入河川、海洋，不但有利於水土保持、地下水資源涵養以及微氣候的調節，亦可充分滋養並豐富生物基盤之地下分解者，同時降低淹水與局部地區水患之發生。因此，透水的路面、溝渠、堤岸等，都是生態工程設計的重點（如圖9所示）。

三、一般邊坡穩定技術

        邊坡穩定工法之選擇，由於牽涉到地形、坡度、地層類型、構造條件以及穩定之目的與保全對象等諸多影響因素，故須審慎評估並配合豐富的經驗，方能選用一因地制宜之有效方案。傳統上，邊坡穩定工法選用之主要著眼點在於穩定效果與安全性之考量，甚少將坡地景觀與生態等納入考量，表1[9]所示即為著眼於穩定功效與安全性考量之邊坡穩定工法。
        由於地理位置、地形地貌、氣候因素以及坡地利用與開發方式等的差異，世界各地對於邊坡穩定技術則有不同的分類方式。以坡地開發與整治法令相當完備且在坡地安全防災上極具成效的日本地區[10]為例，其工法型態亦因不同的專業觀點或坡地災害類型及防護對象等而有不同的分類方式，諸如：
         (一) 日本材料學會(1986)將其分為：避開工、坡面保護工、排水工、地盤改良工、擋土工等五種工法[11]。
         (二) 日本全國地滑及傾斜地崩壞對策協議會(1981)[12]針對急傾斜地（Steep slope）提出：抑制工（Restraint works，排水工、坡面植生保護工、噴覆工、泥水工、木工、切除工）、抑止工（Countermeasure works，切土工、擁壁工、杭工、錨定工、盛土工）以及其他工事（鋪面材料保護工、落石防護工、防墜工、臨時防護工）等對策。
         (三) 申潤植(1995)[13]針對山體滑動（地滑）之防止對策，歸納為抑制工（排土工、回填工、溪間工、水路工、地下水排除工、煤氣排除工）與抑止工（擁壁工、杭打工、竪井排桩、地錨工）兩大類。
         (四) 日本鐵路施設協會(1984)[14]針對落石防護對策，提出預防工法（落石防止林、斜面切取、浮石整理、根固工、表面被覆）與防護工法（落石防止林、多段式落石止柵、落石誘導柵、落石防止壁、落石止柵、落石防止網、落石覆、落石止擁壁、落石止土堤）之要點與適用性。
         (五) 新田伸山等人(1984)[15]將邊坡保護工分為：植生工法（吹付工、播撒工、植生筋工、筋芝工、植生袋工、植生盤工、植生穴工等）、土木工作物坡面保護工法（坡面保護工、坡面排水工、擋土工、落石防止工）等兩大類。
         (六) 小橋澄治(1983)[16]依坡面保護之目的與適用性，將其歸納為：植生工、構造物坡面保護工、擁壁、坡面排水工、落石防止工等五類。
         (七) 部分機構依邊坡破壞機制進行之分類：抑制工（淺層控制）、抑止工（深層控制）、防護工（落石控制）、防治工（土石流控制）等[9]。
        圖10所示即為日本地區常見的邊坡穩定工法之選擇流程[9]，至於，在歐美地區，根據美國公路研究會（Highway Research Board，簡稱HRB，1958）之研究報告[17]以及Abramson etc.(1996)[18]等對邊坡滑動之防治，將其分為：迴避法、挖除法、地表排水、地下排水、擋土結構以及其他工法等類型。表2所示為上述部分穩定工法之進一步彙整，詳細資料則可自行參閱各文獻之說明。至於，其他部分機構則依淺層或深層等穩定機制的差異，將邊坡穩定方式分為：生物性穩定工法、物理性穩定工法、化學性穩定性工法等三種型態，如圖11[9]所示。

四、邊坡穩定生態工法

        事實上，邊坡穩定生態工法大都由傳統的坡地穩定技術衍生而來或與之息息相關，並非全是新的施工方式或技術，任何一種傳統工法均可藉由構造物表面的粗糙化、孔隙化、透水化、自然化，同時利用植生或景觀處理等手法，達到回復生態及降低環境衝擊的目的。換言之，只要工程人員秉持前揭生態工法的精神、考量原則、成功要素以及規劃設計理念，同時整合「低環境生態衝擊與破壞」、「低資源使用與損耗」、「廢棄資源再生利用」、「工程生命週期的延壽」等綠營建（Green construction）概念，即可創造一良好的邊坡穩定生態工程。
        根據Gray and Sotir(1995)[19]的分類，邊坡生態工法可分為兩大類型，其一為「生物穩定技術（Biotechnical stabilization）」，另一為「土壤生物工程方法（Soil bioengineering）」。其中，生物穩定技術係指整合具有生命力的植物與無生命力的力學元件（如地工織物、土釘、石籠等）之邊坡穩定設計方法，如格框噴植法、土釘混合噴植法；而土壤生物工程則指僅利用具生命力的植物植生之邊坡穩定設計方法，如打樁編柵法、培地茅（Vetiver）植生工法[20]。惟不論生物穩定技術或土壤生物工程方法，其目標均是以模仿自然生長的方式來加速邊坡本身生態的恢復能力[21]，同時減少環境的衝擊與傷害；因此，「植生復育」與「生態綠化」可謂是邊坡穩定生態工法的營造重點且有別於傳統工法的主要差異所在。
        然值得一提的是，邊坡穩定生態綠化的精神與目的，與一般所謂的環境或景觀綠化並不相同。生態綠化的目的係在於追求復育一個符合生態原則的天然環境，故對於坡面植生的選擇，除須考量當地潛在的植被與環境特性，選擇演替過程中優勢的種類作為培育的對象外；同時，在栽植過程中更要考量彼此間生長的相互影響，方能真正建造一個具有層次變化、高歧異度、多功能性且結構完整的植物社會與生態環境，達成植物社會「極相（Climax）」之最終狀態。
        生物穩定技術與土壤生物工程方法除了牽涉到坡面之景觀美學外，對於邊坡穩定與安全所需之力學與水力機制更是息息相關。然工程人員大致上習以傾向採用並熟悉鋼筋混凝土等人為構造材料的設計與分析，對於植物與石材等天然資材的認知相對較少，且大多欠缺施工規範可茲遵循；故利用植物的莖幹或根系作為穩定坡面的設計元素，並能同時滿足力學與水力上的需求，將考驗著工程師之專業與智慧，更為邊坡穩定生態工程追求永續發展所必須努力的方向。
(一) 國內邊坡穩定生態工法
        見諸以往邊坡穩定生態工法失敗的案例，究其因不外乎單向的思考模式，常常頭痛醫頭、腳痛醫腳，甚至於急病亂投醫，此無異與生態工法尊重自然的精神以及整體考量、規劃且自源頭整治起的理念背道而馳，焉能有不敗之理呢？因此，完整的邊坡整治或復育計畫，至少應包含：坡面穩定處理、坡趾擋土工程、坡頂截排水措施以及整體邊坡之綠美化等全面性之規劃與設計，缺一不可且應畢其功於一役，方能展現生態工法對環境保護以及生態永續的效益，茲分別探討如下。
1. 坡面穩定措施
        國內邊坡穩定生態工法之應用型態涵蓋「生物穩定技術」與「土壤生物工程方法」，其中，較具生態與景觀優勢的工法當中，以近年來大台北地區及其他縣市山坡地社區崩塌之整治工程、第二高速公路沿線挖方坡之保護以及野溪河谷坡面局部崩塌之整治等施工案例顯示，較常見的有：格框（預鑄混凝土框、鐵或鋼製框、場鑄連續混凝土框、木製框）噴植法、土釘混合噴植法、打樁（木樁、鋼筋樁）編柵法、坡面噴植法（直接噴植、鋪網客土噴植、TG綠化工法）、植生帶（束）鋪植法（不織布植生帶、肥束帶）以及草苗栽（鋪）植法等幾種方式。
        有關上述各種工法之型態、圖例、適用性、優缺點以及施工規範等之詳細內容，讀者可進一步查閱文獻[22-27]或工程會「基層公共基本圖彙編」[28]之說明；本文僅針對格框噴植法、坡面噴植法、土釘混合噴植法、植生帶（束）鋪植法等生物穩定技術，以及打樁編柵法與草苗栽（鋪）植法之土壤生物工程方法等幾種常用之工法（如表3所示），簡要說明如下。
        (1) 格框噴植法
        格框噴植工法係於較為陡峭的坡面（約45∘~60∘），利用水泥、鋼筋混凝土、鐵或鋼絲網、木材等材料，利用預鑄或於現場澆置等方式構築成方形、圓形、菱形或自由形狀等之固定格框，並於其內噴植草種、植生基材或客土植生，以形成一道加勁且具有連貫性的穩定坡面，減緩坡面之風化與沖刷作用，完成後不久即可達到綠化之效果。各種不同型態與材料所構成之格框，如圖12[11,23,24]所示，至於，圖13則為山坡面常見格框噴植工法之施工情形。

《未完待續》