本期主題:工程碳管理/低碳城市

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :胡憲倫

編輯工作小組:王志遠、周武雄、

林彥宇、鄭明文、高逸峰、陳婉寧

105年6月

地工合成材料在永續工程之應用

周南山 / 中華地工材料協會理事長 台大土木系兼任教授

摘要

  地工合成材料因在生產過程中及其生命週期中較傳統土木工程材料(如鋼筋、混凝土)更節能減碳,且具有易植生綠化、耐久性等特性,適合於永續土木工程之應用。國內地土合成材料應用最廣者應為地工格網在加勁擋土牆之應用。本文比較加勁擋土牆和 RC牆之碳排放量。

  此外,亦就地工合成材料應用邊坡保護與植生綠化之新技術,以一案例加以說明。最後並就地工砂腸袋在水庫淤泥和工業污泥之應用做一簡介,藉供工程界之參考。

一、前言

  台灣地處於菲律賓與歐亞板塊的交界帶,地質年代較輕,造山運動至今仍在持續進行。地殼因受造山運動的擠壓而褶皺斷裂,以致地表岩體破碎。由於臺灣土地狹小,山區佔全島面積70%以上,地理位置位處環太平洋地震帶,地震頻繁,且夏、秋兩季易受颱風暴雨侵襲。依照世界銀行發佈的全球風險分析,臺灣被列入未來的第一批氣候難民名單之列,是全球最容易受災的地區之一。

  面對極端氣候的嚴重課題,講究安全、經濟、生態、減碳之綠色生態工法為全球土木/營建工程之新趨勢。傳統工程人定勝天觀念,僅著重於結構強化的抵抗性作法無視於對環境生態景觀之破壞,已無法因應當今環境之快速變遷。

  2015年底全球氣候峰會通過「巴黎協定」,訂定溫室氣體減量目標,由全球共同面對氣候變遷。我國亦於 2015年通過「溫室氣體減量及管理法」,明定我國溫室氣體減量目標,及中央、地方與企業之減碳責任。我國「溫室氣體減量及管理法」訂定國家溫室氣體長期減量目標為 2050年之溫室氣體排放量降為2005年溫室氣體排放量50%以下。

  諸多研究顯示工程採用地工合成材料來取代傳統材料,確有減碳之效益, 故廣泛應用地工合成材料於土木工程,應可達成節能減碳之目標。

二、地工合成材料簡介

  所謂地工合成材料(geosynthetics,大陸譯為土工合成材材),根據美國材料試驗協會(ASTM)定義為:利用聚合物原料所製造而成的平面狀產品,可與土壤、岩石等天然材料結合,形成一種人造的工程結構物或系統。

  地工合成材料可依其產品種類區分為:地工織物(geotextiles; woven & nonwoven)、地工格網(geogrids)、地工格室(geocells)、地工流網(geonets)、 垂直排水帶(geodrains)、排水管(geopipes)、地工磚(geofoams)、地工毯 (geomats)、地工止水膜(geomembrances)、地工皂土毯(Geosynthetic Clay Liners, GCL)、地工複合材(geocomposites)及其他新興產品(Geo-others)。

  地工合成材料之功能大致可分為:加勁(reinforcement)、過濾 (filtration)、排水(drainage)、隔離 (separation)、屏障(barrier)、保護 (protection)、沖蝕控制(erosion control)、綜合功能(multiple functions)。 在土木、水利、環工常見的地工合成材料如圖一所示。


圖一(a): 土木水利工程常見的地工合成材料

圖一(b): 土木水利工程常見的地工合成材料

三、永續工程簡介

  永續工程(Sustainable Engineering) 與綠色工程 (Green Engineering) 、生態工程(Ecological Engineering) 這幾年在台灣、大陸乃至全球都大行其道。台灣在十幾年前(921大地震後) 工程會曾大力推廣生態工法(後來改稱生態工程),近五年來改推永續工程。而在建築領域,則推廣綠建築已廿餘年。筆者嘗試把台灣近年來綠色工程之發展以圖2加以歸納:

  由圖2可以看出,綠色/永續工程是將綠建築(含機電) 、綠土木、生態工法、低衝擊開發(Low Impact Development)、以及屬於永續類的幾個核心概念(永續環境、永續經濟、永續社會等)互相結合而成為綠色/永續工程。

  2009年行政院核定的「振興經濟擴大公共建設投資計畫」即規定各項公共建設之設計應採用符合環保、節能減碳概念之綠色工法、綠色材料、綠色設計及綠色能源之「綠色內涵」,並指出「綠色內涵」原則不低於預算10%(如圖3所示),使綠色工法有了更明確的使用規範。

  嚴格來說,綠色工程與永續工程之定義並不完全一樣。所謂永續發展(sustainable development),係指滿足當代人的需求而不損及後代子孫滿足其需求的發展 (WCED, 1987) 。在中國大陸,Sustainable Development翻譯成 “可持續發展”,著重於耐久性與未來性。他們的解釋也很傳神: 吃了祖先的糧,不要斷了子孫的路。綠色工程似乎還沒有定義,筆者建議可比照美國環保署對綠建築之定義,稱之為 “對環境友善、在生命週期中對環境破壞最小的工程”。

  例如台灣近年來在都市工地旁規定以盆栽方式進行綠化,可稱之綠色工程,但非永續工程。又如許多河岸的混凝土護岸,也許安定且永續,卻非綠色工程。但大部份的情況,綠色與永續工程的目標、理念、方法一致,甚至成效也差異不大,因此此二名詞一般均互相通用。


圖 2. 台灣綠色工程之發展架構

圖3 公共工程委員會推廣之綠色內涵
(資料來源:行政院公共工程委員會,2010)

四、從漢長城到地工合成材加勁牆

  其實永續工程在中國歷史上源遠流長。包括長城、都江堰、坎兒井、大運河、靈渠等都是代表作。玆以加勁土壤為例,翻開中國建築史,使用天然植物作為加勁土壤結構之案例者,遠在新石器時代仰韶文化時期即已存在;又在玉門關一帶利用紅柳、蘆葦(照片1)混合砂礫構築而成的漢長城,雖歷經了二千年之風沙,某些地段卻仍高達數米(照片2) 。筆者於2012年絲路之旅親睹此工程,內心震撼之餘,也不禁對中國古代偉大的發明,竟然未能繼續發揚光大而遺憾,否則加勁土壤應是中國人的專利才是。

  有趣的是,加勁土壤其實是鳥發明的(照片3) 。直至1963年,法國工程師兼建築師Henri Vidal,因觀察鳥類利用泥和草築巢的過程中,啟發了加勁土壤結構的概念,乃提出以鋼片及砂質土壤結合混凝土面版建造加勁式擋土牆,正式將加勁土壤系統推展開來,而逐漸被大地工程界所重視。


照片1: 漢長城的加勁材料: 蘆葦、紅柳、樹枝

照片2. 玉門關的漢長城--古代的加勁土壤結構

照片3.: 鳥是加勁土壤的發明者

  加勁材料從古代漢長城的蘆葦、紅柳、樹枝,懸臂長城的岩塊等天然材料,至近代的鋼片、鋼筋網、地工織布、地工格網(目前最通用)等人工材料,材料之進化與時俱進,但原理、目的則相同,都是去彌補土壤中張力強度不足,形成一種複合土壤結構。類似RC結構中鋼筋承受拉力,混凝土承受壓力;在加勁土壤結構中,加勁材料承受拉力,土壤承受壓力。而土壤與加勁材料之間因土重提供了摩擦力,卻可抵抗了側向土壓力,減少土體的側向變形。由古代長城一座座壯闊而滄桑的遺跡.訴說著加勁土壤二千年的古老故事,可証明即便是缺乏面版且加勁材不連續的加勁土壤結構,也能夠千年永續!

  地工合成材料雖是塑化材料,乍看並非綠色材料,何以我們可視之綠色材料呢?因在生產過程中較傳統土木工程材料(如鋼筋、混凝土)更節能減碳,及其生命週期中,因其特殊之透空性質(如加勁格網容許草在其中生長),以及耐久性,形成了永續且綠色工程的載體。

  台灣流行的回包式加勁擋土牆提供了邊坡綠化的典範(照片4、5)。利用地工合成材料加勁土壤結構以取代傳統RC結構,可以減少碳排放量,甚至在生命週期中因植物光合作用釋放的氧氣,可以平衡生產過程中排放的二氧化碳,而達到零排放的目標(即碳中和) ,因此是永續且綠色的工法。


照片4: 暨南大學邊坡於九二一地震後重建,採用回包式加勁擋土牆

照片5: 台中秋紅谷四週加勁擋土牆植生茂密,讓都會區民眾能近距離瞭解加勁牆的功能

  以亞洲首張實體工程的碳足跡盤查驗證聲明書--盟鑫教育園區之加勁路堤為例,採用PAS2050為依據進行碳盤查,經評估分析後,得知功能單位「一座加勁路堤工程(路堤總長209公尺、平均寬度5.23公尺、平均高度2.54公尺)」之碳足跡約為101.22tonCO2e。

  如將相同之盤查標的結構形式與尺寸數量採用傳統RC構造來比較,其中RC構造方案僅採原料階段來做計算,尚不考慮製造(施工)、使用(維護)及廢棄階段,即高達約 340.06tonCO2e,約為加勁方案的3.5倍左右。此結果與德國Georg Heerten (2009)、成大研究發展基金會(2009)所得成果:「同樣尺寸之RC擋土結構與景觀加勁擋土結構,於結構安全無虞之前提下,生命週期CO2排放量RC擋土結構較加勁擋土結構高出5~8倍。」之趨勢符合,足見加勁工法對於減碳效益上的貢獻相當顯著,確實符合工程綠色內涵之低碳設計要求。

  台灣的潮濕氣候與政府大力推廣生態工法提供了綠色邊坡的優異環境,正如同意大利一樣。美國因地處乾旱,多採用Keystone或Reinforced Earth之類的混凝土面牆,植生式加勁牆較少見。而大陸的濕度介乎台灣和美國之間,綠色的邊坡或可期待。至於日本,原也適合回包式加勁牆,但因推廣3R工法(混凝土加勁面版),反而喪失了植生綠化和節能減碳的契機。因此筆者認為,台灣大力推廣的植生式加勁擋土牆應是全世界最能符合生態、減碳、經濟、施工簡易、美觀、耐久等綠色指標的加勁工法。

五、地工合成材料在邊坡植生之應用:以湖北廣水大邊坡為例

  地工合成材料之應用除了加勁擋土牆之外,在邊坡之植生工程應用甚廣。茲以筆者參與的湖北廣水岩石邊坡為例說明。

  廣水位於武漢之北約一百五十公里,地質上屬於變質岩。廣水與其接鄰的應州之間新闢應廣大道,以大邊坡開挖方式貫穿山體,高達百餘公尺,長亦達六、七百公尺。廣水之名令人誤以為水源豐富,其實廣水缺水,因此在岩坡上植生不易。

  一般常見邊坡之處理方式多以噴漿封面或混凝土格梁等處理之,前者封水、封景亦封氣。後者則費用高昂,鋼筋混凝土格梁結構對邊坡穩定與植生並無幫助(甚至造成下滑之趨動力),卻有礙景觀,並對自然生態之發展帶來長久負面之影響。因此本案之邊坡雖高達百米,且有落石和沖蝕之虞,在設計上並未採納一般在台灣和大陸常見的格梁與地錨工法,而以生態工法代之。包括:

  (1) 土釘配合掛網植生工法:具防邊坡沖蝕、可噴灑植生基材且施工便利的掛網工法,並搭配具主動式邊坡束制力之土釘 (錨杆)工法,可兼具防止落石(含淺層滑動)及可持續性植生之雙重效果。而在植生之設計上,為長久而有效之植生永續發展目的,本工程採用二次(層)噴植施工法,第一次噴植目的為填補原邊坡裂隙,並強化固結邊坡地質;第二次噴植則著重植生潛力。掛網則包括3D立體防沖蝕網(地工合成材料)及鍍鋅菱形鐵絲網之設計,搭配錨杆栓定,可同時兼顧落石主動式防護以及植生基材抵抗沖刷之全面式需求。而為力求施工之迅速有效以利縮短工期,工法之佈置上則特別安排可分段、分區、分工、分項之方式進行,不互相干擾。(見照片6)

  (2) 縱向排水溝: 採用獨創之蜂巢格框消能式縱向排水溝,施工簡易,自各階間之馬道以錨杆固定後向下一拉即可形成排水溝,不需鋼筋混凝土及模版。且因蜂巢格框具透水且消能之持性,能降低水流之衝擊力而減少沖蝕。施工可依照現地邊坡上業已形成之蝕溝,稍加整型即可形成水到渠成之縱向溝。(照片7)

  (3) 橫向排水溝: 本案並獨創以防沖蝕、抗風化之碎石袋相聯,並搭配透水管網置於坡頂(形成截水溝)與各階之馬道(形成橫排溝),以替代傳統之RC擬排水溝。此方法施工簡易,毋需開挖,且不妨礙未來馬道之使用,是最適合於空間有限、施工機具搬運不易的生態型邊坡導排水系統。


照片6: 湖北廣水岩坡植生工程施工(分階施打土釘、掛網、安置菱形地工合成材網及不織布、噴植)

照片7: 湖北廣水岩坡植生工程施工(採用蜂巢格網替代傳統的 RC洩槽)

  此生態工法雖然迄今尚未完工,目前已在貧瘠的變質岩中長出綠芽,植生達到預期效果。

六、地工砂腸袋在水庫淤泥之應用

  台灣各水庫均已淤積嚴重。茲將翡翠、石門及曾文三座最重耍水庫淤積現況進行比較,整理如表1:

表 1. 台灣三大水庫淤積概況

  由表1可以發現,石門、曾文水庫自建成至今淤積量體已經佔據近1/3的設計庫容,形同半殘廢狀態,只有翡翠水庫得天獨厚,得到老天應有的關愛。若是繼續維持這種累積速率,全台灣大多數地區將陷入沒有水庫之苦,因此積極清淤絕對是必要的。

  水庫清淤的方法,目前水利署已採用的(或正在規劃的)方法包括:抽泥船水上浚挖 (利用沈澱池沈澱)並以車輛運輸、水力排砂、隧道排砂、繞庫排砂等。然而,還有一項利用地工砂腸袋或砂袋排水的工法似乎尚未試過。而本學會認為其效益可能較其他工法為佳,非常值得嘗試,故特別提出供各界參考。

  地工砂腸袋(Geotube)一般係以地工織物(Geotextile)用縫合加工等方式製成各種類型、尺寸之袋體類產品概稱之。常見母材織物以PP及PET織布為主,部份產品因應功能需求會增加不織布使用。依使用功能、施工方式及尺寸可概分成三種類型:地工沙腸、地工砂櫃、地工砂袋。其主要目的為利用抽泥船將水及泥砂等混合物灌入砂腸袋內,並利用織布之孔隙脫水囚砂 (見照片8)。

  因此加速脫水時間、提升處理效率、張力強度和耐久性均為砂腸袋設計之主要考慮因素。

  因為有囚砂之功能,砂腸袋近年來常用於填海造陸、海岸侵蝕防護和水庫、河川淤泥去化等用途。


照片8: 利用地工砂腸袋可以脫水囚砂

  現有石門水庫清淤係利用十三個沈澱池,將淤泥沈澱後以卡車運走。然而車輛運輸和淤泥棄置所造成社會成本過大,建議研究對環境衝擊較小的永續處理淤泥方式。例如:

  (1)直接自水庫接鋼管至海岸(見圖4 ),並將淤泥注入砂腸管等方式將淤泥圍束於固定範圍,以建立海浦新生地並防海岸侵蝕。除可有效提升淤泥處理能量外,另外衍生的土地經濟價或可產生經濟誘因,例如新生地可供離岸風機之設置,避免海上打設基椿之困難度。此法對環境之負面影響最小。然而因需消耗水庫中的蓄水,故僅適於豐水期施作。


圖4: 自石門水庫將淤泥和水以鋼管直接輸送至海岸路線示意圖

  (2)利用水庫上游之高灘腹地,將淤泥以砂袋或小型砂腸袋堆高,利用堆高產生之重力加速壓密脫水,餘水可回流至水庫內,不致浪費。壓密脫水後之泥餅可利用做為陶器、磁磚、輕質材料等高經濟產品。亦可將砂腸袋之餘土以車輛運送至台北港等公有及私有收容區做為未來填築之用。因儲存在砂袋內之土壤其含水量隨時間逐漸降低,故搬運成本較低,加以利用之機會大增。

  至於河川內之泥砂及工業區污染物亦可用類似之方法,抽入砂腸袋後予以存放。中新天津生態城利用砂腸袋處理污泥之案例見照片9。


照片9: 中新天津生態城利用砂腸袋處理污泥

三、結論

  1. 面對極端氣候的嚴重課題,講究安全、經濟、生態、減碳之綠色工法成為全球土木營建工程之新趨勢,而其中地工合成材料最符合綠色永續之需求。

  2. 本文探討地工合成材料近年來的幾項發展,包括加勁擋土結構、邊坡植生及排水材料及砂腸袋在水庫淤泥之應用等,並以台灣及大陸近年來之案例佐証。

  3.以老祖宗所揭示的順天應人哲學,配合最新地工合成材料技術,兼顧環境、生態、景觀、節能減碳之設計乃是綠色工程發展之趨勢。

參考文獻

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