土石流发生之机制及整治措施.docx

1、土石流发生之机制及整治措施土石流發生之機制及整治措施一、前言台灣是位於歐亞邊緣的大陸島，為多高山相互擠壓之島嶼，世界少見；其地形地貌，全賴板塊擠壓，叢山綿延，雖位於多雨地區，然溪流多坡陡流急，不易蓄水，並常造成河川上游地區崩坍及河床之沖刷。近年來因全球氣候產生異常變化，洪水、乾旱不斷在世界各地發生，而台灣既有多山多雨的特性，每逢雨季或颱風來臨，更動輒須面臨豪大雨肆虐所帶來的災害，其中尤以土石流造成之財物損害及人命威脅最使人心驚。為了防止土石流等類似災害發生，治理單位常設置許多攔砂壩用來穩定河道及坡腳，然此舉未考量整體河川輸砂平衡，造成中下游因砂源補充不足，產生河岸侵蝕，河床下降現象，復因河川盜

2、採砂石嚴重，導致水工構造物如堤防及橋樑基礎裸露、與台灣近海海岸侵蝕，2000年高屏大橋陷落斷裂事件，即肇因於砂源無法補充及河床下降等因素所造成。除此之外，攔砂壩亦有設計高度及壩位選定的問題，一旦決策錯誤，在土石流發生時，易使土石流造成溢流亂竄，其所衍生之問題實不可不慎。台灣地狹人稠，面臨到的除了全球共有環境災害問題外，也因河川集水區、山坡地不斷開發之因素造成山崩、地滑、土石流等災害，若是一味的治標不治本，欲以人為防堵的力量去駕馭大自然，一旦遭到大自然反噬，將造成更大的災難及人命財產的損失。近年來，此類例證在台灣各地比比皆是。工程界由最早的治水防災觀念開始，漸漸反省到除了單純防治外，須再加上利水

3、的觀念，由有效開發山坡地的企圖心，漸漸衍生積極保育山坡地之省思。在以工程眼光考量防災問題時，應更進一步考慮環境生態因素，正視水的循環活動及大自然物理現象，順應其特性，始能免除災害發生，於是生態工法的觀念近年來在國內被推行提倡，且已有成功整治河溪及崩塌地的實例。 台灣因其特殊的地形及氣候環境，土石流經常發生本就是自然現象，但經過民國88年921大地震後，台灣中部山區受創嚴重，造成多處山坡地崩坍及大量的鬆動土石；921地震前，農委會曾委請學界進行台灣河溪狀況調查，結果顯示台灣土石流危險溪流計有485條，921地震後，單單中部地震重建區內，土石流危險溪流即增加了237條，主要是因為這些河川源頭區之山

4、坡地多以發生崩坍，土石堆積在河床上而成為發生土石流的危險潛在因子。根據水土保持局921地震災後依據航照判釋顯示，震後中部山區變異點達21969處，影響區域面積達到11297公頃，山坡地發生崩塌位置主要集中於南投縣及台中縣，其中尤以南投縣就佔了70.8，其受創程度及後續發展令人憂心。如此大規模之坡地崩塌除於坡地下方常有大量土石堆積外，邊坡亦常有發達之之裂隙發展，土壤遭到大力擾動而失去原有的安定平衡。這些數量驚人的鬆散堆積物，加上邊坡上方遭地震鬆動之土石，在適當的地形及大量降雨條件下，便易產生大規模崩坍，混合地表逕流進而轉化成土石流形成災害。有鑑於此，為防範豪大雨發生時造成大規模土石流災情，921

5、震災災後重建委員會即延請水土保持及大地方面專家學者，協助現勘調查，完成整體規劃並排定治理優先順序，施工方法以採用生態工法中之治本工法為主，期能以經濟且快速之方法完成土石流整治工作，並恢復大地生機。國內對於生態工法之研究尚在起步階段，而治本工法亦為震後政府所大力提倡推展，雖然在以往山坡地災害發生時，所使用之緊急處理工法與治本工法有類似之處，但皆顯得較不完整，因此大多只能做為臨時性的緊急處理使用。在生態環境保育及山坡地水土保持意識逐漸抬頭之際，如何發展出適合台灣獨特環境的防治施工技術及施工觀念，實已成為國內產、官、學共同研究的重要課題。二、何謂土石流災害 假設地球在宇宙間初形成時，即有降雨水流現象

6、，那麼即意味著土石流從那時起就不停的在發生，也因為有土石流，地球上才有那麼多沖積平原，供為人類活動的空間，甚而成為人類活動的精華區。台灣地區三十六萬公頃的土地，各地降雨強度皆大，加上山坡地坡度陡峻，地質不良，故土石流發生乃屬自然現象；而台灣地區目前能有約十一萬公頃的平地，也可以說是拜土石流之賜，因此土石流對於人類發展可以說仍有其公益的一面。 土石流是一種自然現象，對環境造成的利弊得失，因時空的不同，其結果亦有差異。土石流發生時，如未傷及人命，危害公共建設，即無土石流災害可言，此時土石流的發生也許利大於害。台灣早期即經常有土石流的發生，但多稱為山洪爆發，因當時開發較少，即使土石流發生，對人民生命

7、財產及公共設施造成的損害也很少，因此台灣地區早期予人的感覺就沒有什麼土石流的災害可言，而山洪爆發只是針對零星的事件才批露在媒體或報章一角，學界亦少研究。 台灣地區近年來人口逐漸增加，經濟活動頻繁，交通等各項公共建設愈來愈密集，快速的發展使得平地不敷使用，導致山坡地開發加速進行，一旦發生土石流，經常引起生命財產及公共設施之重大損失，遂使島上居民感受到土石流發生愈來愈頻繁，且危害也愈見加劇。 土石流發生時，必造成溪谷刷深，岩壁坡面崩塌，土石堆積擴大等地形之改變，所行之地橋樑、道路、農地、房舍及生命等無一倖免。民國79年歐菲莉颱風豪雨成災，使得土石流災害一詞在法規條文中最早出現在台灣省坡地災害防治作

8、業要點中，然該作業要點並未對土石流加以定義，其災害涵義亦未明確，民眾及學界仍未加注意；一直到民國83年5月公佈水土保持法之後，土石流防災觀念才開始被重視；且於民國88年6月行政院農委會特別針對土石流之可能影響範圍，及必要之保護對象條件訂定土石流危險區之劃定範圍，除依法公告禁止任何開發行為以外，並需依規定擬定長期水土保持計劃實施之。而遲至民國89年7月災害防救法中，才將土石流災害明確定位為法定天然災害。縱觀台灣近期發生事件，民國79年6月歐菲莉颱風侵襲本島，發生嚴重土石流災害，造成花蓮縣秀林鄉銅門村死亡及失蹤35人；民國85年賀伯颱風，南投陳有蘭溪集水區信義及水里鄉亦出現多處土石流，造成死亡及失

9、蹤41人，此次災情報導，信義鄉神木村土石流之動態，被透過電子媒體現場即時播放，其驚心動魄之畫面，讓觀看的民眾如臨現場，並首次感受到土石流無法抵擋的破壞力；民國88年921地震，造成中部地區山坡地崩坍及土石鬆動，後於民國90年7月遭逢桃芝颱風所挾豪雨，南投縣及花蓮縣爆發更嚴重的土石流災情，僅南投縣死亡及失蹤人數即達119人，花蓮縣亦有47人之多，道路及橋樑之損害更遠甚於賀伯颱風。土石流肆虐頻繁，使得土石流防治已成為山坡地水土保持最重要的工作。三、土石流發生機制 土石流一詞首見於日本，而為台灣所沿用，與英語之debris flow 相稱，係指水分浸入地表，與河溪上游堆積物如土、砂、石、礫、岩屑等鬆

10、動地質材料互相混合，形成流體化，在地形坡度與水量供應條件之配合下，產生集體流動性之連續運動體。許多國家對於土石流之研究雖已行之有年，但仍缺少一致性，其主要原因，首先乃在於土石流中，小至沙塵般的粘粒、大至山中巨石之顆粒組合特性不一，而土石流發生時各類顆粒間雜混以不同之含水特性，以致在土石流整體運動時，面對這些問題的複雜性，實不易定量歸類；國內外各界目前對泥沙運移之特性，仍所知有限，而現地調查亦因不易觀測到流動狀態下之土石流，僅能從事後殘留之各種證據作為土石流之判斷，因此有關土石流現象之認定，多屬於定性之說明。 國內相關單位與學者對土石流之研究起步雖晚，但亦針對近年來國內發生之案例研究並匯整，依照

11、本土地形及地質對土石流加以定性及量化。土石流按照發生的地貌條件可分為河谷形土石流及崩塌形土石流，河谷形土石流試紙土石流的發生、運動和堆積過程在一條發育較為完整的河谷內進行，土石流所須之泥石材料主要來自於河床質。山坡形土石流是指土石流的發生和運動過程沿山坡面蝕溝或山溝中進行，而堆積過程發生在坡腳或沖蝕溝出口與主和交會處，土石流所須之泥石材料主要來自於坡面沖蝕。有關崩塌形土石流及河谷形土石流之比較，列於附表。土石流發生之條件必須包含三個要素，即大量且鬆散的土石堆積物、陡峻的坡度及足夠降雨量，三者缺一不可。（一）堆積物 發生土石流或隱含土石流潛勢之野溪或山溝，上游多曾有邊坡崩坍的情形，崩塌之土石鬆散

12、的堆積在崩塌坡面及溪床上，其間的細顆粒遇到大量的雨水，即容易形成狀如天然混凝土之土石流而向下流動。（二）坡度 土石流既是因水與溪床固體堆積混合物受重力作用而流動，就必須要有較陡的坡度才會發生。一般而言，國內發生河谷形土石流之溪床坡度約在15度 20度之間。坡度大於40度之溪谷可能先以崩坍型態移動，混合大量雨水後再以土石流型態流動。15度以下較平緩之溪谷，兩岸山坡崩坍時大量土石阻絕溪谷形成之天然壩，潰決時亦會引起土石流。亦有學者直接指出崩塌與土石流之分界應為20度。（三）降雨量 土石流發生時幾乎皆伴隨著豪大雨，一般而言，國內山坡地區累積雨量在150mm以上，且當時之降雨強度又在35mm / hr

13、 以上時，即有土石流發生之危險。四、土石流之主要特性 土石流發生時，除非是現場觀察，否則較難事後判定是否為土石流或其他土砂類型之災害，因此若能針對以往土石流發生時及發生後之共通情況，釐出具體的判定標準，對於事發後之主管單位責任歸屬及日後是否將依土石流防治標準規劃防治計劃，會有相當大之助益。目前水土保持工作者及相關學者對於土石流之認定約有以下幾點共識：1 .土石流多在坡面蝕溝或溪谷中出現，因其具有沖蝕及收集足夠水量之特性。2 .土石流流路經常因淤積而改道，故在土石流流動路徑出口處多會出現坡度平緩且大片之沖積扇狀地。3 .土石流流動時，依照粒子碰撞學之滾動運動原理，粗粒子雖大且重，仍會在運動過程中

14、逐漸上浮至土石流前端表層，俟土石流停止流動時，造成堆積區前緣多有巨大石塊。4 .前緣堆積石塊前後之堆積物，顆粒有明顯分界，巨石前方一般為大片之細砂堆積，巨石後方為粒徑較粗之礫石堆積；此乃因為石塊停止運動時，後方之粗顆粒被巨石阻擋而堆積在後方，細顆粒或細砂則容易越過石塊而落在前端平坦處。5 .土石流被稱為天然混凝土，除組成性質極為相似外，其所能帶動流體之單位體積重量約為1400 2300 kg/m3，兩者亦相去不遠。6 .土石流流動速度快，泥流型土石流約在2 20 m/s之間，礫石型亦可達到3 10 m/s之間，衝力強具直推性，遇民宅等障礙物時，顆粒可飛躍至數公尺高。7 .同一溪床或蝕溝比較，土

15、石流之流量遠較清水流為大，坡度愈陡愈明顯。8 .淤積地點坡度平坦，坡度多在3 6度之間。9 .土石流流動時，最前端呈現波狀流動，當停止流動時，其堆積處橫斷面會呈現中央部分隆起之山丘型斷面，而其後續溪床橫斷面中央處卻成凹下之形狀。五、土石流危險溪流 自然界之野溪，若坡度較陡，常因上游曾出現崩坍而於溪床中堆積了相當數量之土石，此類河溪多具有發生土石流之潛勢，但並非全部稱為土石流危險溪流。危險溪流之定義，為崩坍地下游存在有保全對象，而於土石流發生時具有遭受侵害之威脅，才被歸類為土石流危險溪流。根據行政院農業委員會於民國85年委託學界調查全台地區危險溪流調查報告時指出，台灣地區危險溪流在當時僅有485

16、條；而在民國88年921地震後調查中部地區危險溪流時，全台增至722條；民國90年調查北部地區危險溪流時又續增為1131條；同年桃芝颱風過後，立即著手調查東部及南部地區野溪情況，調查工作雖未完成，但學界及水土保持業界預估，目前台灣地區之土石流危險溪流應在1400條以上。由於土石流危險溪流的防治工作與一般山坡地或河溪災害防治工作有極大差異，因此在從事治山防災工程設計規劃之前，須先判定該溪流是否為土石流危險溪流。 依照行政院農業委員會公佈的水土保持法，對於土石流危險溪流之判定，大致可歸納出兩項標準：1 .溪床坡度大於15度，其上游有效集水面積大於3公頃，山坡容易沖蝕、崩坍，溪床容易堆積鬆散土石，則

17、為具有發生土石流潛勢之溪流。2 .具有發生土石流潛勢，且有3戶以上或重要公共設施等保全對象者，即可判定為土石流危險溪流。六、土石流危險溪流分段防治工程之目標 土石流危險溪流之防治，需針對該野溪整體情況作適當之規劃設計，倘若設計不當，不但無法達到防治土石流之效果，其規劃設計之結構體有可能成為爾後治理之障礙物，這些結構體的設計不當甚至會土石流溢流改道之成因，造成更大之損失。 傳統之土石流整治工作，多僅在中下游地區興建防砂壩、沈砂池、整流工程、堤防或疏浚等消極攔截、圍堵、導流之防災工程，以消耗土石流潛勢，或侷限土石流流徑，整個防治工程多以混凝土構造物居多，對自然生態環境形成頗大衝擊。921地震發生後

18、，出現大量崩坍地，倘若仍以傳統工法施作防治工程而未採取治本處理，則不但效果有限，且顯得緩不濟急。 經過震災重建委員會及國內相關學者的研究討論及現地勘查，正確的土石流防治工程規劃設計，應將河道分為源頭段、發生段、流動段、堆積段四個段落分別處理：1 .源頭段： 此段以防止崩坍為主。土石流土石材料來源主要來自於河溪上游之崩坍或沖蝕土石，因此整個土石流野溪整治工作的成敗，其根本就在於河溪源頭段的治理，以有效減少土石材料來源。2 .發生段： 此段以抑制以崩坍之土石鬆動為主。土石流發生段之溪床坡度一般為1520度左右，堆積在此處之鬆散土石應予固定以抑制土石流之發生。3 .流動段： 此段以穩固溪床及調節土石

19、流流量為主。（1）土石流流動段之溪床坡度一般在615度之間，土石流流動後，其巨大的衝力會造成河溪橫向兩岸邊坡崩坍及縱向溪床刷深，提供土石流材料，故在流動段應設法穩定兩岸邊坡及溪床，避免造成更大規模之土石流。（2）在兩岸岸坡坡度不高的區段，需儘量維持土石流流動所需要的坡度，以避免土石流越過岸邊而改道竄流。而在溪床坡度較緩的區段若有壩體結構物時，其所攔截之淤積土石應常清除，確保調節功能。4 .堆積段： 此段以攔阻石塊及淤留流下之土石為主要目標。土石流在下游谷口段形成扇狀沖積，該處坡度一般為36度較平坦開闊地區，交通便利，村落聚集，一旦發生土石流，若無法有效阻止土石侵犯保全對象，勢將造成極大災情。七

20、、坡地產生崩坍之主要環境因素 坡地產生崩塌破壞之主要原因，以自然環境條件為首要因素，簡單的說，類似的破壞其實是適宜的地質、地形條件下之一種自然現象。台灣地區地質破碎，侵蝕風化嚴重，已具備足夠之基本條件，若再加上其他自然動力的作用，即可誘發坡地災害之發生。誘發坡地災害之自然動力因素中，主要有豪雨集中與地震兩項因素，茲分別說明。（一）豪雨 台灣地區於5月左右之梅雨季及夏季颱風來臨時常降下豪雨，雨水滲入坡地較鬆軟土石，造成地下水壓上升，使邊坡之下坡推力上升，可抵抗之正向力減少。更有甚者由於雨水浸潤而使岩石或土壤材料強度降低，因而使坡地產生崩陷等之破壞。在過去數十年中，由於豪雨所引發之大規模災害甚多，

21、其中多是因為颱風所帶來之豪雨，颱風所挾帶之豪雨常在很短時間內降下極大雨量，造成重大災害。近幾年來尤以民國85年7月31日之賀伯颱風，其所降雨量直逼世界紀錄，在台灣南投等地區釀成重大災情，單單土石流即奪走41條人命，財產損失逾百億元。而90年7月桃芝颱風亦不惶多讓，總降雨量雖不及賀伯颱風多，但在南投及花蓮山區等地，每小時降雨強度卻屢創新高，在中台灣及東台灣造成更嚴重災情。（二）地震 地震經常發生於板塊之邊緣地帶，由於板塊間之碰撞推擠而產生，而環繞太平洋板塊邊緣，即有所謂環太平洋地震帶之存在。台灣地處板塊交接處，及座落於環太平洋地震帶上。地震對坡地之土體有一額外之加速度，故對其造成統體力之作用，如

22、其作用方向為向下坡方向時，則增加坡地之下坡推力，因而造成坡地之不穩定。台灣地區由於位在地震帶上，地震頻仍，由地震所引發之山坡地崩塌時有發生。其中較著名者，於民國30年之草嶺大崩山，即是由嘉義地震所引發。民國75年花蓮地震，造成中橫公路太魯閣邊坡大量崩坍。而後即為民國89年921地震，其崩塌地所造成的後續影響仍不知要持續多久。八、山坡地發生土石流之緊急救治 當大規模之坡地土石流災害發生時，其搶救首先應以搶通通訊為第一要務，以便進行災情之聯絡及通報。其次則為搶通聯外之交通，以便利搶救人員及設備進入災區，同時對於受災之民眾進行疏困及救助。並可採用特定之緊急措施，使崩塌面及堆積扇儘速穩定下來，減少下次

23、降雨可能造成的災害損失及影響範圍，並有利於後續之整治。 所謂的緊急救治包含坡頂上方截水、適度填補缺口、緊急削坡等等，與治本工法類似，但效果不若治本工法來的有效，尤其崩塌面都是位在人煙罕至之處，偏僻且不易到達，因此若要如同邊坡整治措施中的緊急削坡或是將堆積於崩塌坡面之滯留土石搬運離開，實在是不可能達成的事。九、生態工法 二十一世紀是國際環保意識覺醒的世紀，重視科技建設與生態維護並重，生態工法即為人類共同理念下所發展出來之柔性工法；事實上，早期人類社會在尚未接觸到混凝土及鋼筋、鋼骨等建材時，為了防汛、親水等需要，就常就地取材以達成目的，先民治理河川時，或挖浚清淤、或築土為堤，雖然並未輔以科學之論證

24、，但經由經驗傳承及智慧累積，其實常具有不錯之效果，且多有建設流傳後世，中外皆然。然而近代長久以來，在工程運作的體系中，一直承襲於傳統鋼筋混凝土結構化的思考模式和運作，雖然大多數工程均能達到預期之安全及防災功能，但卻常造成生態上的破壞，甚至反因而更蒙其害，其中尤以溪溝治理工程之影響最為鉅大且深遠。 早在1938年Seifert就已提出近自然河溪治理的概念，而在50年代德國正式實踐了近自然河道治理工程，將河道整治目標定為植物化、生命化，於是生態工程（ecological engineering）應運而生。1971年Schlueter認為近自然治理（Near natural contral）的目標，

25、是首先要滿足人類對溪河利用的要求，同時要維護或創造河溪的生態多樣性；1992年Hohmann從維護河溪生態系平衡的觀點出發，近自然治理的實質就是景觀生態學與溪河治理學的完美結合，就是既有防護作用又能維護溪河自然景觀的管理工程。生態工法雖發源於德國、奧地利、瑞士等歐洲國家，近年卻在美國及日本被積極運用且發揚光大，而對於生態工法之定義仍少見於文獻中。歷史上，各國對於其環境上所面臨之問題及維護的心態與手段皆有其獨特性，台灣因氣候及地形之緣故，必須比其他國家承擔更多防洪、防災的壓力，在水質水量生態三個面向上，前兩項就已叫主管單位左支右絀，在以往講求防災速成及偏重經濟的考量下，生態方面常被忽略犧牲。隨著

26、國人生活品質逐漸提高以及國際環境保育之壓力下，台灣社會對於自然資源維護及親近大自然之需求大增，一般傳統野溪整治工程漸為國人所詬病。民國88年921地震之後，災區重建委員會為避免雨季來臨時導致土石流危險溪流產生大規模土石流災害，欲在最快速的時間內，有效達成防止土石災變發生之目標，於是採用生態工法來整治野溪。生態工法基本上是遵循自然法則，使自然與人類共存共榮，把屬於自然的地方還給自然。生態工法是盡量少以外力干擾之方式，多配合現地地形、植栽、生態所重建的近自然環境，是一門長遠卻又新穎的學問。其中包含了生態保育學者、土木水利工程人員、環境保護義工等多方面的心力，以期達成以安全為基礎、生態為導向、永續為

27、目標的近自然土木技術。 生態工法廣義的來說，是對環境保存維護，永續性利用、復舊及改良所施作的工事，包括生物與非生物材料的應用，而狹義的來說，是採用天然資材為主要材料，以融合週邊地形自然景觀，減少造成生態環境之衝擊為理念設計，構築可供動植物棲息之空間，創造兼具防災及生態復育功能之工法；其精神為利用工程的手法防災，以能達到生態平衡為目標之工法。十、結語 土石流對於山坡地居民及建物所造成之傷害，往往非事後所能彌補，其復原工作尤其況日費時，欲減低土石流在台灣地區所造成之災害損失，事前的防治工作愈加重要。目前中部山區震災重建區內多應用生態工法整治山坡地，雖然有些山坡地施作後仍無法有效防範土石流的發生，且

28、已引發國內學界及業界正反兩面極大之異見，但其倡導居民與環境永續共生共榮之理念，實已成為多數人心中共同的願望。寄望科技日新月異的發展下，終有一日能夠達成此目標，使土石流成為遠颺的記憶。附表 崩塌形土石流與河谷形土石流之比較 類 型 特 性崩 塌土 石 流發 生 位 置邊坡斜面溪谷或蝕溝等流路發 生 坡 度約20以上為多20以下為多運 動 型 態崩、塌、滑、落、陷流動運 度 土 體非連續體連續體速 度 剖 面不存在存在堆 積 範 圍邊坡坡址附近溪谷沿線及谷口扇狀地堆 積 地 形崖錐，緊接坡址之堆積扇狀地谷口擴張之充飢扇，谷中上下游斷續出現舌狀堆積地形土 石 分 佈堆積表面之土石無明顯之篩分現象堆積表面之前緣有較粗大之石、礫等材料林 木傾倒之林木尚附著枝葉樹幹表皮充分磨損，無枝葉附著