一、計畫緣起
大武崙溪排水係基隆河眾多支流排水路之一，排水路向東南於基隆河七堵區之八德橋上游右岸匯入基隆河。集水面積共約15.69平方公里、排水主幹線流長約11.1公里，區域內標高約介於20公尺至340公尺之間，於中、下游流經人口密集區。民國106年6月1日起陸續受西南氣流及滯留鋒面影響，基隆北海岸地區發生超大豪雨，造成基隆市安樂區大武崙排水沿岸嚴重淹水災情，包含基隆市安樂區基金一路、二路及武嶺街附近地區，淹水面積約6公頃，深度0.5~2.5公尺，淹水時間5-6小時，淹水戶數約700戶。行政院於0603大武崙溪現地勘災後，並請水利署提出改善方案，以供後續辦理改善工程之參酌。大武崙溪排水改善考量排水路沿岸開發情形及建物緊鄰水路，全面加大排水路本身通洪斷面相當困難，除了改善瓶頸段通洪斷面及橋梁改善外，建議可朝上游截流分洪、滯洪措施來規劃。目前應急搶修工程已完成外，後續短、中、長期之改善方案，其中長期規劃方案(上游截水道)主要截流上游內寮里之雨水下水道及山區逕流，往澳底漁港附近排放至外木山海域，截流面積約2.3平方公里，截水道長度約1.7公里，惟長期方案工程施工位置，仍應依治理計畫範圍線劃設後確定。本所為配合水利署指示規劃此長期方案工程可行性，爰成立本計畫辦理截水道排洪隧道水工模型試驗，試驗水理成果提供設計單位參考。
二、模型設計
(一)模型比尺決定
考量試驗目的、模型試驗範圍、試驗場地限制、供(量、迴)水設施、上下游水頭落差、模型場地大小與模型流量等因素，本計畫選擇採用比例尺(Lr)為1/50之等比模型，水流特性為明渠流，故以福祿數相似為主要控制參數。模型與原體各項比例尺關係如表-1所示。
(二)試驗模型方案介紹
規劃方案研擬4個分洪路線方案，分成上游分洪、中上游分洪及中游分洪等路線方案，各分洪路線如表-2及圖-1所示。因A1方案路線經過情人湖，為減少開挖所發生坍塌之風險， A1方案之可行性低，因此本計畫進行另3個方案水工模型試驗。模型河道採定床塑造，試驗流量採定量流施放，試驗流量大小及量測重點如表-3所示。
三、試驗結果分析
(一)A2方案試驗結果
由試驗觀察可知，當流體進入進水口豎井段，則進水口流況相當混亂，產生漩渦流態，隨著流量變大，漩渦強度有增強之趨勢，研判進水口集水槽邊壁空間太小，隨著流量變大，豎井排水量不及，使大量水流擠在進水口集水槽邊壁內產生漩渦並夾入大量氣體。當Q25或以上流量流經進水口可觀察出過路段為滿管流且在導流墩左右兩側產生氣泡。
在流量Q2~Q50下，流體在隧道段與出口消能段之水深與直徑比皆低於0.5，顯示於50年重現期距洪水時分洪均不會滿管且流況穩定，呈現重力流方式。
出口段流量Q2~Q50下，為流體在出口消能室(斷面8)水深與直徑比約為0.48~0.55，出水結構(斷面9)流速約為4.29m/s~5.7m/s，水深與直徑比約為0.13~0.28，經水工試驗觀察在流量Q50，流體射流進出口消能室並未碰到消能室之頂蓋，顯示消能室布置效果佳。
(二)B方案試驗結果
定流量清水試驗以各重現期距於大武崙溪中游約斷面65位置及支流施放流量，主流與支流交匯處往下游崇倫橋流量甚大，由試驗觀察可知，流量Q5~Q10時，水流高度幾乎與在主流與支流交匯處崇倫橋之橋墩同高，量測水位深度約為2.93公尺。試驗觀察若流量大於Q5~Q10，因水流會碰觸崇倫橋橋面及護欄，使得水流積在崇倫橋上游面，導致上游水位抬升，造成崇倫橋結構安全問題。B方案進水口為溢流堰設計，由試驗可觀測知，當施放大於流量Q2，流體從分流溢流堰頂往底流入隧道段時，會在溢流堰底部(EL.30m)產生水躍，當流量越大，水躍能量越大，流量大於Q25，水躍高度有時能打到頂蓋。發生原因可能為溢流堰長度不足及坡度過大導致消能不及進而產生水躍。流量Q2~Q50下，試驗觀察隧道直線與轉彎段並未發現滿管現象。當隧道內流量約85cms，隧道大部分仍可維持重力流況。流量Q2~Q50下，為流體在出口消能室(斷面6)水深與直徑比約為0.48~0.52，出水結構(斷面7)流速約為3.5m/s~4.2m/s，水深與直徑比約為0.15~0.28，經水工試驗觀察在流量Q50，流體射流進出口消能室並未碰到消能室之頂蓋，顯示消能室布置效果佳。依不同重現期距測量出各分流量之大小，隧道分洪量佔總流量約45%，而下游河道分洪量占總流量約55%，在Q50條件下，隧道分洪量約排放68.21cms，而下游河道流量仍有90.40cms。
(三)B’方案試驗結果
因分洪進水口設置於崇倫橋上游，因此崇倫橋流量由上游主流少部分流量及支流流量提供，因此當流量Q25及Q50，崇倫橋上游水位高度約落在EL.37.7~38.1m(崇倫橋梁底高程為EL.38.64m)，水位比崇倫橋梁底高低一點，與B方案相比，增加崇倫橋之結構安全。B’方案進水口於沉砂池下游左右兩側規劃固定堰及階梯堰溢流各一座，因左右兩側並未對稱，由試驗可觀測知，大部分水流由階梯堰流入隧道，少部分水流經固定堰中RCP管流入下游，也因水流經固定堰阻擋之原因，左右兩邊流入階梯堰之流量不同，導致水流經階梯堰底部造成不均勻流。水流水位高達EL.37m，水流便流入階梯溢流堰，並在溢流堰底部產生水躍之情況，且溢流堰左右兩側之水位深度並不等高，呈現左邊水位高、右邊水位低的情形，兩者水位差異約20cm~30cm，左邊流速約5.5m/s~5.9m/s，而右邊流速約0.9m/s~2.5m/s，左右邊流速差異較大，在溢流堰可觀測出紊流之現象。因方形隧道之曲率半徑僅約20m且轉彎角度約62度，因彎道效應影響，流速相對緩慢，在水流通過方形隧道容易發生流速慢、水位高之現象，當流量≧Q25，方形隧道內幾乎為滿管現象及產生夾氣，流體進入圓形隧道並呈明渠狀態。
在Q2~Q50下，當水流過進水口後遇到大轉彎方形隧道位置內流速變慢，水位抬升。當流量越大，水位抬升更明顯，亦接近滿管狀態，水流過了此位置後，隧道內逐漸變成明渠流。在大流量Q50，圓形隧道內並未產生滿管現象且流況穩定設計隧道之坡度為0.78%，設計福祿數為1.3。當主流流量約88cms，隧道仍可維持重力流況。流量Q2~Q50下，流體在出口消能室(斷面9)水深與直徑比約為0.48~0.5附近，出水結構(斷面10)流速約4.45m/s~4.88m/s，水深與直徑比約為0.20~0.32，經水工試驗觀察在流量Q50，流體射流進出口消能室並未碰到消能室頂蓋，顯示消能室布置效果佳。B’方案能將大武崙主流流量分洪至外海，減少大武崙溪下游之流量，基本上分洪隧道能將主流所有流量往外海排放，甚至能將些許支流流量往外海排放。將A2、B及B’方案試驗結果分進水口、隧道段、出水口及分洪比進行分析比較，如表4所示。