112 高普考高考三級 水土保持工程 考古題詳解

核心觀念

本題為水土保持工程申論題中的政策與環境思維綜合題，旨在測驗考生對於環境友善工程政策演進歷程、制度工具及國際最新調適思維的整合能力。涉及的核心觀念包括：

1. 生態工法：民國 88 年集集地震（921地震）後，針對脆弱地質與坡地災害，行政院推動兼顧防砂安全與生態平衡的技術手段（依據行政院公共工程委員會《生態工法推動方案》定義）。
2. 生態檢核：為制度化落實工程全生命週期之生態考量，依據行政院公共工程委員會《公共工程生態檢核注意事項》（民國 108 年修正版，命題當年民國 112 年適用）所建立的程序規範，強調跨領域參與及「迴避、縮小、減輕、補償」四大原則。
3. 自然解方（Nature-based Solutions, NbS）：依據國際自然保護聯盟（IUCN）定義，透過保護、永續管理與復育生態系統，因應氣候變遷等社會挑戰，並兼顧生物多樣性與人類福祉之總體策略。
4. 水土保持融合實務：水土保持主管機關（農業部農村發展及水土保持署，命題當年為行政院農業委員會水土保持局）在集水區治理與野溪整治中，將戰略（NbS）、制度（生態檢核）與技術（生態工法）串聯之治理模式。

解題方法

本題由「三者定義」與「水土保持工程融合方式」兩大子題構成，作答時切忌各寫各的片段式說明，應採「層次推進、系統整合」的方式架構答案：

1. 第一部分（定義與內涵）：分別列出「生態工法」、「生態檢核」與「自然解方（NbS）」之官方／國際公認權威定義，並解析其出發點與主要目標，凸顯三者由「技術手法」$\to$「作業程序」$\to$「整合戰略」的演進階梯。
2. 第二部分（融合方式）：以水土保持工程之「全生命週期（規劃、設計、施工、維護監測）」或「架構層級（戰略層、制度層、執行層）」為主軸，說明三者如何相互鑲嵌，發揮防減災、碳匯、生物多樣性與地方調適之多重效益。

題目申論詳解

一、三者之定義與核心內涵

(一) 生態工法（Ecological Engineering Methods）

• 定義：依行政院公共工程委員會之定義，係指基於對生態系統之深刻認知，為落實生物多樣性保育及永續發展，採取以生態為基礎、安全為導向之工程技術與方法，以減少工程對自然生態系統造成的負面衝擊。
• 核心意涵：

1. 著重於實質工程技術與結構型式。
2. 講求因地制宜、就地取材（如砌石工、木排樁、植生綠化），多採透水性、多孔隙之柔性構造，取代傳統封閉型巨量混凝土構造。
3. 保障既有防砂、防洪結構安全之前提下，營造生物棲息環境與廊道。

(二) 生態檢核（Ecological Verification Mechanism）

• 定義：指在公共工程的「全生命週期」（可行性評估、規劃、設計、施工至維護管理）各階段，由具備生態背景專業人員協同工程團隊，評估工程對環境生態可能產生的影響，並據以提出因應對策之標準作業程序與行政機制。
• 核心意涵：

1. 著重於流程管理與跨域溝通。
2. 依循生態保育對策之階層原則：迴避（優先避開生態敏感區） $\to$ 縮小（減少開挖與工程規模） $\to$ 減輕（採友善措施降低干擾） $\to$ 補償（無法減輕之損失予以棲地營造回饋）。
3. 導入民眾參與、資訊公開與自評查核機制，落實工程與環境資訊之透明化。

(三) 自然解方（Nature-based Solutions, NbS）

• 定義：依國際自然保護聯盟（IUCN）定義，係指「透過保護、永續管理與復育天然或經改變的生態系統，有效且具適應性地因應社會挑戰（如氣候變遷、水資源安全、災害風險減免等），同時提供人類福祉與生物多樣性效益的行動」。
• 核心意涵：

1. 著重於宏觀政策思維與系統性多重效益。
2. 超脫單一工程尺度的局限，將「生態系服務功能」（調節水文、固碳、固土保水）作為解決社會面臨極端氣候威脅的核心手段。
3. 須符合 IUCN 八大準則（包括因應社會挑戰、規模設計、生物多樣性淨增益、經濟可行性、包容性治理等），具備調適性治理之特色。

二、三者於水土保持工程之融合方式

在集水區治理與坡地保育中，三者並非互斥，而是呈現「NbS 為上層戰略導引、生態檢核為中層程序管制、生態工法為底層執行技術」之縱向鑲嵌體系。融合架構與工程全生命週期之落實方式如下：

核心觀念

本題主要測驗考生對於天然堰塞壩（Landslide Dam）地質地工成因、水工破壞機制（Failure Mechanisms）及土砂災害緊急應變減災工法的整合掌握度：

1. 成因與壩體形態機制：降雨誘發土石流與地震誘發崩塌在運動方式（流況堆積 vs. 崩移碎裂）、沉積環境（支流交會口扇狀堆積 vs. 主谷兩岸崖壁深層破壞）及幾何形狀（高寬比、坡度、粒徑分選）之物理差異。
2. 潰決水力與地工力學：堰塞壩屬於無工程控制的非均質天然土石壩，潰決機制涉及水力越壩沖刷（Overtopping Erosion）、滲流潛蝕（Piping / Seepage Failure）、剪力邊坡失穩（Slope Instability）及外力誘發湧浪（Impulse Waves）。
3. 防救災工程規劃：緊急應變需考量施工可行性、可爭取之時間餘裕（Time to Overtopping），涵蓋水力控降（明渠開挖、抽排）、壩體抗蝕防護與非工程水情監警體系。

解題方法

本題為標準的申論三段式題型，解題架構宜依序開展，綱舉目張：

1. 子題一（形態差異）：自「平面與縱橫剖面幾何形狀」、「物質組成與架構」、「堵塞位置與交角」三維度建立對照，展現土壤力學與地質沉積學的精準分析。
2. 子題二（潰決方式）：依水動力與土體破壞原理，系統性區分為溢頂沖蝕、管湧滲流、邊坡滑動、湧浪衝擊四大類型，說明其破壞演變過程。
3. 子題三（減災工法）：依防災工程生命週期，劃分為「工程性措施（主動降水與分流、壩體穩定）」與「非工程性措施（水文地工監測、疏散避難）」，條列具體工法與工程效益。

申論詳解內容

一、土石流引發與地震崩塌引發之堰塞湖形態差異

二、堰塞湖的潰決方式

堰塞壩無排水設施與防滲心壁，其潰決機制主要分為以下四種：

1. 溢頂下切沖蝕潰決（Overtopping and Headward Erosion）：

• 發生機率最高（約佔八成以上）。
• 湖水水位上升超過壩頂最低鞍部（溢流點）後漫頂流出，高速水流剪力帶走鬆散土石，產生向下侵蝕（Bed Downcutting）與溯源沖蝕（Retrogressive Erosion）。
• 沖刷溝槽迅速擴大並造成兩側壩體邊坡失穩坍塌，導致下切斷面呈倍數級拓寬，引發洪水突潰。

2. 管湧與滲流潛蝕潰決（Piping and Seepage Internal Erosion）：

• 壩體上下游水頭差造成強大滲流動水壓力（Seepage Force）。
• 當出逸坡降（Exit Gradient, $i$）大於壩體臨界動水坡降（$i_c = \frac{G_s - 1}{1 + e}$）時，下游坡腳出逸點之細粒料被掏空帶走，逐漸沿水路向上游淘刷形成管道（Piping Conduit）。
• 管道孔洞擴張導致上覆土石崩落，壩體瞬間塌陷潰解。

3. 邊坡剪力滑動破壞（Slope Instability / Sliding Failure）：

• 下游坡滑動：壩體浸潤線（Phreatic Line）隨蓄水大幅升高，下游坡面孔隙水壓力上升、有效應力下降，誘發剪力破壞圓弧滑動。

核心觀念

本題考查「合理化公式」及集流時間對洪峰流量的影響。

合理化公式為：

$Q=0.278CIA$

其中：

• $Q$：洪峰流量，單位為 $\mathrm{m^3/s}$
• $C$：逕流係數
• $I$：集流時間所對應之降雨強度，單位為 $\mathrm{mm/hr}$
• $A$：集水區面積，單位為 $\mathrm{km^2}$

集流時間為：

$t_c=\frac{n^{0.6}L^{0.6}}{S^{0.3}}$

題目給定之降雨強度公式為：

$I=\frac{456}{(t_c+1.9)^{0.45}}$

由於降雨強度 $I$ 隨集流時間 $t_c$ 減少而增加，因此開發造成地表變得較光滑、逕流係數增加時，會同時提高洪峰流量。

解題方法與計算

面積為：

$A=10\ \mathrm{ha}=0.1\ \mathrm{km^2}$

一、開發前

集流時間：

降雨強度：

洪峰流量：

二、開發後

集流時間：

因曼寧係數由 $0.1$ 降為 $0.04$，表示地表阻力降低，逕流集中速度加快，集流時間縮短。

降雨強度：

洪峰流量：

三、流量增加量

因此，開發後洪峰流量約增加：

$\boxed{1.83\ \mathrm{m^3/s}}$

增加率約為：

除滯洪池外，可降低流量的地貌因子

可從降低逕流係數、增加集流時間及增加地表阻力三方面著手。

1. 降低逕流係數 $C$

增加入滲及蓄水能力，例如：

• 減少不透水鋪面
• 採用透水鋪面
• 增加植生覆蓋
• 保留森林、草地及裸地上的土壤孔隙
• 設置雨水花園、入滲溝及生態排水設施
• 減少直接連接至排水系統的不透水面

逕流係數降低後，相同降雨強度下所形成的有效逕流量減少。

2. 增加曼寧係數 $n$

增加地表粗糙度，使水流速度降低，例如：

核心觀念

本題評量考生對山坡地開發中「道路工程引發之力學與水文環境變異」及「山區道路防災工程系統化設計」的掌握程度。核心涵蓋：

1. 法規依據：以命題當年（民國 112 年）之《水土保持技術規範》第二編「農地水土保持」與第三編「工程水土保持」（特別是道路與開挖整地專章）、《水土保持法》及其施行細則為準。
2. 力學破壞機制：山區道路開闢切除坡腳破壞原有斜坡平衡（引發抗剪力小於剪應力），填土增加邊坡荷重，誘發滑動與落石。
3. 水文變異機制：道路截斷自然逕流，使地表水集中沖刷路基與邊坡；若地下水路遭截斷未妥善引排，會使孔隙水壓力升高，降低土壤有效應力 $\sigma' = \sigma - u$。

解題方法

本題為標準的雙子題申論題，答題架構應以「災害病理學」連結「工程處方學」：

1. 第一子題（土砂災害）：依「發生位置」與「作用機制」分類論述，涵蓋切土邊坡、填土路堤、路面及邊溝、下游集水區與野溪交會處，具體列舉崩塌、落石、沖蝕、路基滑動及土石流等現象。
2. 第二子題（妥善設計對策）：依循道路工程之生命週期與系統結構，採用「線形規劃與選線 $\to$ 土石方與邊坡穩定 $\to$ 水系連貫與排水系統 $\to$ 邊坡防護與生態工法 $\to$ 維護與監測」五大構面建立整體防護系統，展現水土保持工程師的整合規劃思維。

選項分析

本題為申論題，非選擇題。作答時切忌零散條列名詞，須展現各項災害背後的水力與力學成因，並提出對應之工程設計標準與配置邏輯。

解題技巧

1. 五字構架法：記憶設計要點可依「線（選線規劃）、土（土石方平衡）、水（地表與地下排水）、坡（邊坡工程）、管（營運管理）」五大主軸展開，層次分明且不遺漏得分點。
2. 因果對應扣合：後段的設計方案必須直接回應前段提出的土砂災害（例如：前段提到「集中沖刷」，後段必須對應「出水口消能與跌水」；前段提到「孔隙水壓力升高」，後段對應「仰斜式排水管與盲溝」）。
3. 專業術語化：多使用「有效應力」、「順向坡坡腳切除」、「挖填平衡」、「消能設施」、「天溝截水」等規範標準用語。

【答案】

一、開闢山坡地道路常見之土砂災害

開闢山區道路改變地形坡度、土壤構造及水流路徑，常見之土砂災害可依機制分為以下五類：

1. 路塹（切土）邊坡崩塌與落石

• 成因：開挖路塹切除坡腳，造成斜坡應力集中；遇順向坡地質時，切斷岩層趾部極易誘發沿層面滑移之平面滑動；風化破碎岩層或高陡邊坡則易因節理發育產生物理性崩落與落石。

2. 路堤（填土）滑動與基底沉陷

• 成因：路堤填築於陡坡且未設階梯式固基截槽，或填土未分層充分夯實；當雨水下滲或地下水位抬升時，土壤飽和軟化、孔隙水壓力上升，導致路堤沿天然坡面產生整體剪力滑動。

本題為民國 112 年公務人員高等考試三級考試「水土保持工程」類科之經典申論題，旨在測驗考生對不同擋土結構之力學行為、地工特性、適用邊界條件，以及在複雜地形與工程需求下進行複合式（剛柔併用）設計的整合能力。

核心觀念

1. 結構剛度與變形機制：

• 硬性結構（剛性，Rigid Structures）：以結構斷面剛度（混凝土、漿砌石）與自身重量抵抗土壓力。其容許變形量極小，主動土壓力之發揮仰賴牆體之平移或轉動微小位移；對基礎不均勻沉陷極度敏感，若地基變形過大易產生剪裂或斷裂破壞。
• 柔性結構（Flexible Structures）：由離散顆粒、網體或地工合成加勁材組成（如箱籠、加勁擋土結構），具有顯著之韌性與變形調節能力。可藉由材料內部變形吸收及重分配土壓力，能耐受較大幅度之地基不均勻沉陷而不致瞬間崩塌。

2. 水土保持技術規範依據： 依據《水土保持技術規範》（以命題當年民國 112 年法規為準）之規定，擋土構造物之選用應視邊坡穩定程度、地質狀況、施工環境、排水條件、景觀生態及經濟性等綜合評估；且必須檢核外在穩定（抗滑動、抗傾覆、承載力、深層滑動）與內部穩定。
3. 複合結構之剛柔互制原理： 將硬性與柔性結構合併設計（Hybrid / Composite Wall）時，核心關鍵在於「變形協調（Deformation Compatibility）」、「荷載傳遞機制」與「界面水土控制」。

解題方法

本題為標準的雙核心申論題，解題切入點應分為兩大部分：

1. 分別闡述適用範圍：採取「地基條件、變形容許、排水需求、施工受限與環境景觀」等五大工程指標，具體對比硬性與柔性結構的適用條件與局限。
2. 申論合併設計之組合原則：立足於岩土力學與施工實務，從「剛度與空間配置（幾何位置）」、「變形協調與緩衝」、「整體與局部穩定分析」、「排水連續性與防淘刷」、「施工順序」五大原則建立嚴謹的設計邏輯。

選項分析

（本題為申論題，針對題幹所列之各項代表性結構進行特點與適用性之深入評析）

1. 硬性結構代表類型評析：

• 重力式擋土牆（Gravity Wall）：完全依賴混凝土或漿砌石自重抗滑抗傾，高度一般不宜超過 $5\text{ m}$。適用於石料充沛、地基承載力良好之矮牆。
• 懸臂式擋土牆（Cantilever Wall）：利用鋼筋混凝土底版上的填土重量維持穩定，斷面呈 T 型或倒 L 型，經濟高度一般為 $3 \sim 8\text{ m}$。適用於地基承載力中等以上、填方斷面較陡、空間受限需垂直擋土之邊坡。
• 扶壁式擋土牆（Counterfort Wall）：牆高超過 $8\text{ m}$ 時，為減小牆面版之彎矩與剪力，每隔一定間距設置垂直肋版（扶壁）。適用於高填土、高路塹且對側向變形要求嚴格之重要工程。

2. 柔性結構代表類型評析：

• 蛇籠／箱籠（Gabion Wall）：由鍍鋅抗腐蝕鋼絲網編織成籠並充填卵礫石而成。透水性極高、具備自我修復與追隨沉陷變形之能力。特別適用於野溪護岸、地下水豐沛之邊坡、坡腳沖刷帶及軟弱地基。
• 加勁擋土結構（MSE / Reinforced Soil Retaining Wall）：藉由回填土內分層鋪設之地工格網（Geogrid）或金屬加勁帶與土壤產生摩擦剪力，形成一均勻複合之自承重重力體。適用於高填方路堤、大面積整地、地基相對軟弱或強震區，兼具經濟性與抗震韌性。

解題技巧

1. 得分口訣：「下剛上柔、前剛後柔、排水平順、界面緩衝、先下後上」。
2. 作答常見陷阱：

• 切忌回答「下柔上硬」：若將硬性混凝土牆置於柔性箱籠或加勁土之上，下層必然產生的塑性變形與較大沉陷，將直接造成上部硬性結構折裂破壞，此為水保與地工設計大忌。
• 不可忽略接觸面的水土控制：柔性結構透水性極佳，硬性結構透水性差，兩者交接處必為水流匯集之弱面，作答時若未提及「防淘刷／過濾織物」會大幅失分。

【答案】

一、硬性結構與柔性結構之適用範圍