2008/07
     

土木工程就是文明工程(IX)
土木工程與環境


文/圖:洪如江

四、 土木工程與斷層的交會
一個地層或包含幾個地層的地盤,其所受到的大地應力(tectonic stress)超過其強度,產生一個破裂面,沿此破裂面曾經發生永久變形,大至數公里,小者數公分,稱為斷層(fault)。斷層的產生,有的是高速度的脆性破裂(brittle fracture),錯動在幾秒鐘到幾十秒鐘內完成;有的是非常緩慢的程序,稱為潛變(creep)或蠕動的位移可以長達數百年甚至數萬年還不停止。斷層常使兩側岩石產生破裂、強度降低、壓縮性變大、透水性增高與加速風化等等惡果。新中橫公路水里玉山線,強行在陳有蘭溪斷層之中開闢,選線錯誤,後患無窮。

但工程更怕與活動斷層交會。活動斷層的定義與分類準則,請參考經濟部中央地質調查所特刊第十三號,林啟文等氏(2000)所編著之臺灣活動斷層概論,第二版。根據該特刊,台灣本島中,第一類活動斷層共12條,第二類活動斷層11條,存疑性活動斷層19條。脆性破裂型態的活動斷層錯動,其所釋放的應變能,一部分使斷層及斷層周圍的岩石更加破碎,一部分轉變成熱能而消散,一部分用於產生地震。1999年的921集集大地震事件中,全長約100公里的車籠埔斷層向西逆衝,最大水平位移與最大垂直位移皆達10公尺之多,是全球百年來的最大地殼變動之一。車籠埔斷層在霧峰鄉光復國中操場逆衝(照片二一),造成百年難得一見的奇觀,故被保留成為博物館。大甲溪的石岡壩是世界上第一座被斷層錯動所破壞的壩工(照片二二)。橫跨大甲溪的埤豐橋也因斷層錯動及震動而破壞(照片二三)。中部地區的台3線公路,其沿線的十多座橋樑,在921集集大地震之時,全被震毀,無一倖免(圖一,照片二四)。這幾個土木工程個案,顯然是當年選址與選線錯誤,但錯誤可能是當年對斷層的知識不足所致。大地震之後,雖然已經知道當年選址與選線的錯誤,但也只能就地重建。工程避開斷層,上上之策;如無法避開,寧可正交,不要同行。增進對地形、斷層及地震的了解,可增進工程的安全,也減少環境的人為破壞。

照片二一 921地震,車籠埔斷層在光復國中操場逆衝所造成的奇觀(洪如江攝) 照片二二 921地震,石岡壩被因斷層錯動而破壞(連永旺先生攝)
照片二三 921地震,車籠埔斷層在大甲溪逆衝隆起,埤豐橋塌落中(洪如江攝) 照片二四 921地震造成一江橋全毀,背景為同一地震所引起的一大坍方(洪如江攝)

五、 橋樑與河川洪水、土石流的交會
河道,原是洪水或土石流的主要通道。以目前土木工程的技術,橋樑的一個 跨度,已近2公里,實在沒有必要在河道中建立許多橋墩。

在汐止下游的基隆河狹窄河道中,橋墩密集(照片二五),妨礙洪流的順暢通過,其迴水對上游地區的排水非常不利。

照片二五 汐止下游的基隆河狹窄河道塞入許多橋墩,形成瓶頸,妨礙洪水順暢通過(洪如江攝) 照片二六 選在河道狹窄處建造筆石橋,並降低高程,又塞入橋墩,成為筆石溪的瓶頸(林呈教授攝,19990826)

因為橋孔面積太小而致橋樑沖失、堤防被沖毀,而致廣大平地氾濫成災的案 例,曾經在台灣一再的重演。新中橫公路水里玉山線,在跨越筆石溪之前,降低高程,致所建跨溪之筆石橋橋面太低,而且在狹窄之河道中,再加建橋墩(照片二六),其橋孔面積實在無法讓颱風豪雨所產生的土石流通過。在桃芝颱風豪雨之時,土石流被筆石橋阻擋而湧昇,將大部分筆石社區的與整座筆石橋沖失無蹤(照片二七);其後,經以長跨度高鋼橋重建(照片二八),澈底解決陳有蘭溪豐丘至筆石(含)之交通及安全問題。

照片二七 筆石社區及筆石橋被土石流沖失,災情慘重(林呈教授攝,20010801) 照片二八 陳有蘭溪豐丘至筆石間(含)採用長跨度高鋼橋重建(蔡益成先生提供)

北橫公路的復興吊橋(照片二九)與陽明山國家公園內的馬槽橋(照片三十),皆採用大跨度高橋之設計,從未受到洪水或土石流之破壞。

照片二九 北部橫貫公路復興橋(洪如江攝) 照片三十 陽明山馬槽橋之橋孔夠高夠寬,不妨礙土石流通過(中華顧問工程師提供)

六、 水庫的泥沙淤積
水庫,若缺少有效的排沙道,必然有淤積問題;而且,水庫扣留大量泥沙,下游河床必然被刷深,造成橋墩與堤防基礎的裸露,也常造成河口與河口附近海岸線的後退。
在大水庫挖走淤泥,完全不切實際。首先,挖掘一立方公尺的淤泥,成本多少? 其次,搬運淤泥需要大量車次,有足夠的道路可以承擔? 對沿途居民不造成干擾? 再者,大量的淤泥何處去? 連工程廢土(其數量遠遠少於水庫淤泥)都難以管好,到處亂丟者時有所聞;數以百萬噸,甚至於千萬噸的淤泥,能夠管好?
石門水庫泥沙淤積,排沙不順(照片三一),曾造成桃園部分地區的停水事件;榮華壩(照片三二),目前淤泥已近壩頂,已經沒有替石門水庫欄沙的功能。集集攔河堰,攔截大量泥沙(照片三三),也減少下游泥沙供應。

埃及Aswan水庫建成之後,尼羅河三角洲再無肥沃的泥沙充作農耕所需要的天然肥料;三角洲的海岸線也因泥沙供應減少而後退。

照片三一 石門水庫泥沙淤積曾經造成桃園部分地區的停水事件(李錫堤教授攝) 照片三二 榮華壩後庫區,淤泥已近壩頂(洪如江攝) 照片三三 集集攔河堰攔截600立方公尺(庫容的60%)泥沙(洪如江攝)

七、 水庫的潰潭災害
義大利的Vajont 拱壩建成不久,因水庫水位上升以及豪雨的影響,邊坡坍方(1963年),二億多立方公尺的土石滑落水庫之中,庫水潑出,下游村莊Longarone浪高70公尺,村民1909人遇難。2002年夏天前往勘察時,拱壩尚健在,但壩後只見水庫坍方後之殘坡(殘留滑動面)及部分坍方材料,已無存水(照片三四)。其他,法國Malpasset拱壩破壞(1959年),美國Teton土石壩崩潰(1976年),都曾經造成下游眾多居民的死亡。潰潭,除了人命傷亡及財產損失之外,對環境也造成重大影響,而且,常常是不利的影響,包括:地景的破壞,水文條件的異動,輸沙量的增加造成河水的混濁,等等。(請接頁3)

照片三四 義大利Vajont水庫在左岸坍方(1963)後之狀況(洪如江攝於2002)

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