回家的路、也可以多一份保障-消能式落石及土石流防護網』應用報導

台北市土木技師公會理事長 施義芳
董榮進技師
丘達昌技師


前言
每當颱風來襲,身為工程師的您,是在與一般大眾躲在家中看報導,還是在第一線與大自然學習生存之道?經由本文報導,相信更能讓參與土石流與邊坡防護的工程師,多一個工法的選擇,讓深處颱風當下的工程設計師,不再擔心所設計之工程構造物會輕易毀損,而有責任上身。

成功通過颱風侵襲考驗之土石流防護網工法與案例
先後襲台的卡玫基及鳳凰颱風,所引進之西南側環流帶來大量降雨,造成台南、高雄一帶山區出現800毫米以上的驚人雨量,導致多處落石坍方、邊坡塌陷,甚而產生大規模土石流,重創台灣南部地區。截至7月28日的統計,台灣地區總計有22人死亡、15人受傷,另有6人失蹤,道路交通共67處中斷,合計農業災損失達新台幣17億9千萬元。綜觀台灣本島,每逢颱風豪雨期間,山區道路因邊坡崩坍、河谷引發土石流而立即產生災害,屢屢造成路塌橋斷危及用路人車安全;對依山傍水之地區民眾,常因此而斷絕了維生通路,而必須處於湍急洪流或山崩地陷之惡劣情況下苦等外界救援、補充物資,甚至進而必須遷村等憾事。許多人因而流離失所,無法為自己找到一條安全回家的路。本文將介紹通過中華民國營建科技審查制度(CETES)驗證之先進工法,讓工法由交通部公路總局第三區養護工程處主辦,且位於此次連續颱風來襲後,土石流災情最為嚴重之高雄縣甲仙鄉山區,為接受颱風侵襲考驗之落石及土石流防護網成功案例,冀望透過該工法之成功應用,給予使用山區道路人多一份保障,亦提供國內工程界有另一項不同的選擇。

落石及土石流防護網系統組件與基本原理
落石及土石流防護網系統(簡稱防護網系統)主要組成構件(圖1)如下列說明:
(1)立柱
立柱為以鉸接安裝於基座鈑上,為系統之主要構造;其功能為固定防護網上緣之各類鋼索,架設於環形網之固定間距間,以協助防護網功能之發揮,其頂端設計為平滑之構造,無銳利之邊緣用以避免摩擦損害落石網上緣之各類繩索。

(2)基座鈑
基座鈑為防護網系統之基礎構造,其主要功能為固定立柱,設置位置則因地形而異;另可固定下緣各類鋼索,以避免防護網下緣形成空洞。

(3)錨碇鋼索
錨碇鋼索主要為固定防護網系統元件之構造,以螺旋形纏結之鋅鋁防蝕處理之鋼纜材料為主,頂部為具有彈性的錨頭,以確保任何方向之拉力皆可被傳遞吸收,整體錨碇鋼索皆有經特殊防蝕處理保護,具有加倍防止材料腐蝕、延長使用年限之效果。

(4)環形網
環形網為防護網中最主要元件,其主要採用可承受至少1,770 N/mm2之束狀高拉力鋼絲材料製成,此鋼絲材料之直徑約為3mm;環形網可直接吸收落石之衝擊能量,並容易適應於地型險峻之惡劣環境。

(5)消能環
消能環為防護網中主要消能系統,其藉由鋼環之摩擦與拉緊損毀產生消能作用,並保護上下緣固定鋼索免於損壞,其設置於防護網之內側面,有利於未來使用之頻繁更換工作。

(6)底部及頂部支承鋼索
底部及頂部支承鋼索主要以特殊固定扣環固定於防護網之上緣,為發揮其主要消能作用,其固定方式並非緊拉扣接,必須以放鬆姿態固定,達成其緩衝效能。

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防護網系統基本原理
防護網系統配置中,僅有鋼立柱為該系統中唯一的剛性結構,立柱可讓柔性環形網垂直地張掛在適當的位置上,而這些環形網是吸收撞擊能量的首要元件,環形網藉著變形來消弭落石或土石流衝擊之能量。
若衝擊能量超過連接環形網之消能限制時,外力會被傳遞至特別銜接於環形網之支承鋼索、側向錨錠鋼索和主錨錠鋼索之消能環上。此消能環裝置為第二道消能元件,它可吸收多餘之動能,其變形消能極限值即與主地錨體最大抗拉拔強度相當。

防護網系統以柔性消能構造取代傳統剛性攔阻結構,並以輕質結構體,配合特殊消能阻尼裝置之系統設計,達到阻攔落石、土石流並取代傳統笨重攔石格柵或防砂壩之目的;傳統剛性防砂壩受土石流能量衝擊(圖2),因無法承受落石、土石流之衝擊能量,造成壩體嚴重損毀情形。

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落石及土石流防護網之效能及優越性
一、防護性能
1. 防護網系統主要為被動式防護性能,當上邊坡發生不穩定時,下邊坡之防護系統即可防止災害發生及損失。
2. 防護網系統透過1:1全尺度現場試驗,吸收撞擊衝擊能量最大可達5,000 KJ。
3. 防護網採用合理數值分析設計,並藉現地1:1全尺度現場試驗加以印證。可攔阻約1,000m3之土石流。

二、消能性
1.落石防護網系統配備四套消能裝置(環型網、立柱構件之轉動、消能環及錨碇鋼索),並依現場試驗,確保防護網系統標準設備規格符合其防護能量分級所需之控制。
2.土石流防護網系統具備兩類標準配置(視防護寬度決定是否裝設中間立柱),使用消能裝置則與落石防護網相同。

三、設計準則
1.落石防護網系統具備六組消能分級標準設備規格,經由邊坡斷面數值分析落石大小、速度、反彈高度及頻率選擇適合規格,可視個案需求調整。
2.土石流防護網之設計則依據德國Rickenmann博士發表於瑞士森雪及地滑研究院(WSL)技術文件之學理機制推算土石流衝擊動能,並輔以數值分析與現地足尺寸試驗佐証。

四、耐久性
防護網系統所使用之鋅鋁防蝕處理能持續維持產品平滑且使用壽命為一般熱浸鍍鋅處理者之3~4倍,於自然環境影響 (風雨作用)下可維持達20年以上。

五、生態保護性能
1.土石流防護網可有效沉澱保持土石流內固態顆粒而液態流體則順利通過,保護邊坡沖刷。其安裝過程無大面積開挖整地,對環境破壞極小。
2. 高透水性之工程設施除有效攔阻土石外亦可供溪流魚蝦洄游之生態保護環境。

六、環保節能減碳
落石及土石流防護網系統自建材生產、運輸至現場施工所產生之二氧化碳排放量,相對於以鋼筋混凝土材料為主之傳統防砂壩,大幅降低為防砂壩之10-15%;此外,防護網材料運送方便,並不需額外考慮偏遠山區混凝土澆置輸送問題;系統易施工組裝,施工透明易檢驗,且事件發生後維修簡單,可更符合政府單位提倡公共工程節能減碳目標。

省道台21線(216k+800)防土石流網安裝工程案例
本工程為防土石流網系統,由現地調查發現當地地質為極度風化之岩坡且有崩塌堆積,顯示本處原始為河床。因此,本處可能發生之破壞為混合落石及土石流之破壞模式。預估落石及土石流之分析結果如下,土石流計算結果約有土石流體積約1,200 m3,並產生約2,405 kJ衝擊能量。

斷面

卵石質量

彈跳高度

衝擊能量

如圖

10,471 kg

2.24 m

2,405 kJ

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609-2-4落石及土石流防護網工程應用成果
本工程於96年7月24日施工驗收完成,歷經一整年,始於7月17日卡玫基颱風與7月28日鳳凰颱風侵襲並接受考驗,其所引進之旺盛西南氣流造成台灣中部及南部累積降雨量近千毫米。本工程位處於土石流災情最為慘重之高雄縣甲仙鄉山區,因附近土石較為鬆動,加上蓄含大量雨水之土石混合體開始崩落坍陷,而朝向河谷低窪處運動;土石流撞擊至防護網時,為其所攔阻並迅速累積吸收土石流衝擊能量,而這些已經被攔截住的土石則是具有阻擋後續接踵而來之土石流的能力,當達到一相當淤積坡度後(約原地形坡度之2/3、淤積高度則約為防護網高度之3/4),即可使土石流流速減緩。

防護網系統成功發揮良好土石流效果
水是影響土石流效率的關鍵因素,由於環形網具有高透水性,土石流所挾帶的水份在防護網前可輕易地濾除,而土石塊則被攔阻住;如此,土石流即能局部地停止運動,停頓後之土石形成一道自然重力攔砂壩,其自身亦具有足夠的強度阻止的後續土石流向前運動。卡玫基颱風過後,現場防護網土石淤積情形(圖3),可發現落石及土石流防護網除可攔阻大量顆粒型土石外,亦可提供舊河床坡度減緩之效,並利用網身高透水性而迅速排除地下水及雨水,使得該防護網系統於未破壞下成功發揮良好效果。

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工程師不僅關心環保更關心民眾行的安全
結語
身為一個土木工程師,當以工程專業角度立場為出發點,藉由其規劃興建之工程設施,應能讓使用者安心無虞。曾於現有蘇花公路來往的人都清楚,雖然太平洋浩瀚碧海令人心曠神怡,而另一側的山壁卻似未出閘之猛獸,隨時都有可能投擲出一顆會奪人性命的巨石,每當戰戰兢兢通過山壁陡峭的蘇花公路時,捧著數不完的心跳、跨越點不清的落石,這些情景明顯地道出用路人心中的無奈。其實工程師是隨時在傾聽用路人的心聲,並落實在工程科技的研發上。雖然當今的環保觀念受到高度重視,造成蘇花高速公路的興建迄今尚有爭議,但蘇花替代道路的誕生是否仍落入蘇花公路安全的迷思呢?然而,隨著工程科技的與時俱進,工程師不僅關心環保,更關心民眾行的安全,消能式落石及土石流防護網正是另一種專業的技術工法選擇,讓『回家的路』,也可以多一分保障。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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