水利規劃分署水利規劃分署

計畫背景與緣由

石門水庫於民國93年受艾利颱風帶來大量泥砂影響，入庫渾水以異重流方式運移，加上石門水庫下層防淤通道規模不足，導致水庫「蓄渾排清」。尤其艾利颱洪後電廠停機，水庫下層累積高濃度渾水潭無法排放且沉降緩慢，水庫水體含泥砂濃度太高難以處理，造成連續18天無法正常供水與水庫大量淤積問題。因此，石門水庫急需擴增下層防淤通道，藉洪水期順勢排出下層運移或懸浮狀態之高濃度異重流或渾水潭，減少水庫上層清水溢洪量，可有效地提升水庫防淤功能與延長水庫使用壽命。

爰此經濟部水利署水利規劃試驗所(以下簡稱本所)配合水利署北區水資源局辦理石門水庫整治改善工程需要，於民國94年度配合本所水源課水資源開發及維護－水資源工程－多元化水源開發計畫，成立「石門水庫異重流排砂研究計畫」，接著配合北水局石門水庫及其集水區整治計畫於民國95年研提石門水庫更新改善工程水工模型試驗自辦計畫，以及成立委辦計畫協助現場全洪程觀測系統建置與數值模擬，整合本所相關課室辦理水庫分洪防淤規劃設計案，進行各項水理試驗與模擬分析，以提升石門水庫供水防洪防淤功能。

試驗工作大事紀要

本試驗主要試驗對象計有：(一)石門水庫電廠改建案；(二)增設分層取水工；(三)排洪隧道改建案；(四)分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案；(五)阿姆坪防淤隧道工程案等五項，各項試驗工作大事紀如表1。

試驗技術性說明

1. (一) 石門水庫電廠改建案：

   1. 模型相似律：福祿律。
   2. 模型種類：採用1/100、1/40與1/25等比模型。
   3. 定床試驗：採用固定底床地形，進行流量率定、清水與加砂水理流況及修訂試驗，模型配置，如圖1。

      圖1 電廠一號與二號壓力鋼管及永久河道模型平面配置圖

2. (二) 增設分層取水工

   1. 模型相似律：福祿律。
   2. 模型種類：採用1/100與1/21等比模型。
   3. 定床試驗：採用固定底床地形，進行流量率定、及水理流況及修訂試驗，上中下層取水工設計布置，如圖2。

      圖2 石門水庫增設取水工程上、中、下層取水隧道

3. (三) 排洪隧道改建案

   排洪隧道位於大壩右岸山脊之腰部距溢洪道約600公尺處，排洪隧道共有兩條，中心線距離30公尺，出口邊界採用出口戽斗搭配後池消能設施。每條隧道最大設計流量1,200秒立方公尺，進水口底部標高220公尺。排洪隧道平面圖及縱剖面圖，如圖3~4。改建案設計圖，如圖5及照片1。

   

   圖3 石門水庫排洪隧道平面設計圖

   

   圖4 石門水庫排洪隧道縱剖面圖(1號隧道)

   

   圖5 石門水庫排洪隧道延伸直徑9公尺排砂導管至庫床

   

   照片1 排洪隧道延伸至標高190公尺

4. (四) 分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案：

   1. 模型相似律：採用福祿律相似。
   2. 模型種類：採用1/100等比模型。
   3. 定床試驗：採用固定底床地形，辦理各方案，如圖6及相關設施防淤功能試驗。

      圖6 1/100石門水庫全模型布置圖

5. (五) 阿姆坪防淤隧道工程案：

   1. 模型相似律：採用福祿律相似。
   2. 模型種類：採用1/40等比模型。
   3. 定床沖淤試驗：阿姆坪防淤隧道沖淤池1/40等比模型，測試不同沖淤池型式包括單槽(單槽、大三槽及單槽複式斷面)與小三槽試驗，模型平面配置如圖7。主要試驗項目為進水口流量率定、沖淤池流態及沖淤效率。

      圖7 石門水庫阿姆坪防淤隧道1/40局部模型配置圖

試驗參與人員及試驗情形

試驗工作成果與報告

1. (一) 電廠改建案

   採1/40等比模型配合初步規劃案，並配合修改出口為跳斗型式進行試驗。接著進行1/25等比模型評估定案設計之水位流量與細部水理流況並修改出口跳斗坡度。經試驗結果改建後1號壓力鋼管流量110立方公尺/秒及2號壓力鋼管流量286立方公尺/秒，在無流木、雜物與淤泥干擾情況下，對排放流量與水理流況影響不大。

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   照片2 1/40與1/25模型電廠1、2號壓力鋼管試驗水理流況

2. (二) 增設分層取水工

   試驗評估原設計案取水與輸水功能，發現上層取水隧道進到豎井容易產生漩渦捲氣及下游輸水隧道充水過程會產生壓縮氣體導致豎井瞬間湧升水位。因此，建議變更設計上層取水隧道進到豎井加上90度彎管及輸水隧道加裝排氣閥，可明顯改善水理流況，如圖8。

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   照片3 三層取水鋼管隧道、豎井、蝶閥與輸水鋼管隧道模型

   

   圖8 上層取水隧道與取水豎井延伸90度彎管縱剖面圖

3. (三) 排洪隧道改建案

   加砂試驗僅左邊1號排洪隧道向下延伸入口段至標高190公尺，單場艾利颱洪排放527萬噸，右邊二號排洪隧道入口維持標高220公尺排放80萬噸，兩道合計排砂量607萬噸（排砂比20.8 %），一號排洪隧道提前14小時排放渾水異重流，試驗單場艾利颱洪既有設施改善後過庫泥砂百分比62.1 %，如圖9及表3。

   

   圖9 模擬艾利颱洪水庫各排放口出流濃度歷線圖

   表3 模擬艾利颱洪各排放口濃度量測推估過庫泥砂量第2次試驗（單管延伸）

   

4. (四) 分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案

   先試驗評估分洪防淤隧道初步規劃案，經初步試驗結果顯示A案最佳，惟隧道長度超過8公里目前經濟上較不可行。而C案進水口開渠式引水隧道及D案開闊斷面排砂效果不佳。因此測試C案具象鼻鋼管將入口延伸至標高190公尺，試驗結果顯示，單場艾利颱風防淤量為920萬噸，比較原初步規劃進水口開渠式防淤量238萬噸，C案具象鼻鋼管有明顯提升水庫防淤功能，且若C案與D案同時採用具象鼻鋼管，則水庫同時操作C案與D案進行異重流排砂其防淤功能小於C案。因此決策採用擴大C案防淤功能(將隧道直徑從12公尺增為13公尺)，並將D案隧道規模縮小作為清淤與運送專用道。

   • 照片4 加砂情形
   • 照片5 溪口台A2初步規劃案
   • 照片6 水庫異重流運移現象
   • 照片7 阿姆坪D2案初步規劃案
   • 照片8 斷面流速量測及濃度取樣
   • 照片9 大灣坪可行性規劃案
   • 照片10 大灣坪C1初步規劃案
   • 照片11 比重瓶法量測含砂濃度

5. (五) 阿姆坪防淤隧道工程案

   試驗評估原設計槽寬120公尺方案，其單槽沖淤池與臨時土堤布置，試驗結果顯示效果不佳。接著試驗檢討寬度120公尺分三槽方案，其沖淤功能不如預期。因此修改為單槽複式斷面方案，惟因側坡平緩且橫向輔助沖淤孔分散其沖淤能力不佳。接著測試側坡加陡方案，結果顯示沖淤效果有明顯改善，接著辦理布置分段橫向沖淤方案試驗，沖淤效果更好，惟此方案因兩側分9段需設置16道閘門進行控制，導致工程經費超出預算且需操作多道閘門分段沖淤，不利於營運管理。所以修訂為每槽15公尺寬之小三槽布置方案，試驗結果顯示其堆放淤泥量與沖淤效率接近單槽複式斷面之沖淤功能。最後考量提升沖淤總量，修訂試驗為每槽20公尺寬之小三槽布置方案並建議增設高壓輔助沖淤設施。

   照片12 阿姆坪防淤隧道取水口

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   照片13 單槽與三槽沖淤池沖淤試驗

1. (一) 石門水庫相關設施水工模型試驗九十六年度成果報告，96年12月。
2. (二) 石門水庫相關設施水工模型試驗九十七年度成果報告，97年12月。
3. (三) 石門水庫相關設施水工模型試驗成果報告，98年12月。
4. (四) 石門水庫上游主河道分洪防淤工程初步規劃及水工模型試驗研究-水工模型試驗報告，101年8月。
5. (五) 石門水庫阿姆坪防淤隧道水工模型試驗研究103年度成果報告，104年11月。
6. (六) 石門水庫阿姆坪防淤隧道基本設計水工模型試驗研究104年度成果報告，105年12月。
7. (七) 石門水庫阿姆坪防淤隧道基本設計水工模型試驗研究105年度成果報告，106年5月。