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計畫緣起

自民國88年發生921大地震以來，大甲溪石岡壩下游河段河床受到地層抬升影響造成河道下刷能量增強，河床岩盤露出顯見河道有持續刷深之趨勢。本計畫以水利署中區水資源局提出之「大甲溪石岡壩下游河道穩定及消能改善工程計畫基本設計報告」，設計方案為於石岡壩下游至埤豐橋河段增設一座消能池及兩座固床工，本所配合該方案進行水工模型試驗，冀期成果可提供此河段進行河道消能及穩定時之參考。

改善工程基本介紹

河道管理單位針對石岡壩下游河道整治理念及首階段整治對策目標：「遏止侵蝕、低水治理」，設置1全河道斷面之消能工及2座固床工，其方案之設計原則如下：

一、消能工

    斷面軸向平行副壩軸向，頂部高程設定為EL.253.8m，訂定原則係配合銜接副壩底部高程(約EL.255.0m)，並配合低水治理及銜接下游河道深槽，回推至斷面S00-5附近所需高程。斷面型式採複式斷面設計，頂部高程由中央深槽區(EL.253.8m)向左、右側提升至EL.255m。本消能工係採垂直跌落式設計，水流上、下游跌落高差約3.8m，下游以20T異型塊佈設護坦，以保護消能工之基礎，另異型塊採疏鬆排列(間距0.5m)，以陡槽齒墩消能之概念，增加消能效率，異型塊底部並以混凝土固結，增加護坦之安定性。護坦末端設置尾檻，以長度7m、入岩2.0m之基礎保護，並搭配既有階梯保護工防止水流對護坦末端之淘刷破壞，增加消能工程之整體安定性。

二、1號固床工

   1號固床工軸向垂直深槽區洪水流心線方向，頂部高程設定為EL.245.0m，其訂定原則係原大甲溪下游河段縱坡約為1/100， 以埤豐橋下游固床工為沖刷基準面高程(約EL.237m)， 採S=1/100之坡度往上游回推做為河道縱坡調整。型式採垂直跌落式設計，水流上、下游跌落高差約3.5m，下游佈設20T異型塊護坦，底部以混凝土固結，護坦末端設置尾檻，以寬度2.0m、入岩3.0m，下游再搭配保護工加強保護基礎，防止水流對護坦末端產生淘刷破壞，增加固床工程整體安定性。

三、2號固床工

頂部高程設定為EL.243.0m，其訂定原則也依原大甲溪下游河段縱坡約為1/100，以埤豐橋下游固床工為沖刷基準面高程(約EL.237m)，採S=1/100之坡度往上游回推做為河道縱坡調整，橫斷面型式採複式斷面型式設計，因基礎座落於轉彎河段上，斷面軸向與洪水流心線之切線垂直，並向凸岸(右岸)進行拓寬(約35m)，使其斷面能容納Q₅之流量，減少水流向凹岸衝擊之趨勢，右側為混凝土坡面工，中央深槽區(EL.243.0m)，左側提升至EL.246.5~246.8m，並銜接既有護岸邊坡。縱斷型式採垂直跌落式設計，水流上、下游跌落高差約3.0m，下游以20T異型塊佈設護坦，底部並以混凝土固結，以保護固床工之基礎，另護坦末端設置尾檻，使護坦產生一水墊，緩衝水流衝力，尾檻處以寬度3.0m、入岩3.0m之基礎保護，並加設10m樁基礎，防止水流對護坦末端之淘刷破壞，增加本固床工程之整體安定性。

                                                                                               圖1  設計方案平面位置圖

                                                                                                                

                                                                                             圖2  設計方案縱斷面示意圖

模型建造

模型建造主要由河槽、床體建造及水工結構物製作等組成，其中河槽、床體建造需參照現地情況製作，以求河槽、床體與水工結構物相互之影響符合實際情況，其建造過程係將原型河道按設計的比尺塑造為幾何、水流運動等相似的模型河道，因此本計畫模型塑造包含網格製作、岩盤定床塑造、供水系統建置等，其建置過程及完成照片如圖3~圖8所示。

 

 

試驗成果

一、染色劑流場觀察

經由施放染色劑觀察流場可見，現況地形流場較為集中在深槽，較易持續溯源沖刷。且受地形地勢影響，流向主要偏向左岸，石岡水資源回收中心附近之階梯護岸段，水流仍形成斜向流之衝擊，第2固床工設計，有助於將水流流場導引至河道中央，符合設計方案預期效果。以流量Q₅=3,800cms為例，現況及規劃案藉由染色劑局部流場觀察如圖9所示。

二、流速量測分析

5年頻率洪峰流量下(Q₅=3,800cms)該區域平均流速由11.1 m/s降為6.6 m/s，流速降低40.5% ; 於20年頻率洪峰流量下(Q₂₀=6,200cms)則由12.6m/s降為7.4m/s，流速降低41%;於100年頻率洪峰流量下(Q₁₀₀=8,800cms)則由13.3 m/s降為9.5 m/s，流速降低28.6%，顯示消能工之設置確能達到局部消能之效果。於埤豐橋前斷面35位置，於5年頻率洪峰流量下(Q₅=3,800cms)該區域平均流速由11.9 m/s降為8.1 m/s，流速降低31.9 % ; 於20年頻率洪峰流量下(Q₂₀=6,200cms)該區域平均流速由11.5m/s降為10.4m/s，流速降低9.6% ;於100年頻率洪峰流量下(Q₁₀₀=8,800cms)則由13.8 m/s降為12 m/s，流速降低13%(圖10~圖12)。

三、新設消能工及固床工消能效率推估

規劃設計案之消能工及2號固床工，其堰體皆採垂直跌落式設計，垂直落差達3公尺，水流於該處跌水形成消能效果。另一號固床工因設計將深槽回填鑲補至與堰體等高，故無形成跌水現象。由試驗觀察得知，新設之消能工，於Q₅流量下跌水產生水躍消能，但於Q₂₀及Q₁₀₀時，因該處水深較深，堰體潛沒於水中，已無明顯水躍現象，故消能工位置僅推估探討Q₅流量下之消能效果。其各流量下消能工堰體位置水流狀況如圖13~圖15所示。藉由量測水躍前後之水深(y1、y2)、底床高程(Z1、Z2)及流速(V1、V2)，即可估算水躍潛後之能量損失及能量消散率。消能工於Q₅流量下之消能效率推估如表3所示。由推算結果可得知，其水躍能量損失為4.74m，能量消散率1.8%。