一、計畫緣起
水利署規劃辦理「曾文水庫防淤排洪工程計畫」，研擬於曾文水庫左岸興建防淤排洪隧道與既有設施更新改善，配合颱洪期間高濃度泥砂逕流入庫，藉由水庫新增排砂通道，適時排放水庫渾水異重流與渾水潭，增加水庫防淤功能達到減緩入庫泥砂淤積問題，同時提升水庫排洪能力。本所配合南區水資源局辦理相關設施之水工模型試驗，本計畫係新建防淤隧道局部模型檢討防淤改善工程之水理流況，冀期本防淤改善工程能夠達到預期之功能。
本計畫主要工作項目如下：
（一）基本資料及相關文獻蒐集分析。
（二）模型規劃設計及建造：採用1/32等比定床模型建造。
（三）曾文水庫新建防淤隧道局部模型清水水理試驗。
（四）曾文水庫防淤隧道局部模型修改及清水修正試驗。
（五）試驗成果檢討分析及簡報。
（六）報告撰寫。
二、模型設計與建造
（一）模型設計：本計畫試驗研究之水理流況主要是明渠水流，因此模型設計主要根據福祿相似律（Fr=1）進行各項物理量之轉換。模型設計過程主要考量以下影響因素，包括試驗計畫目的、現場研究範圍、上下游邊界條件、試驗場地限制、供水能力及隧道糙率等，擇定模型比例尺為1/32。
（二）模型建造：水工模型建置現場範圍為上游距離新建防淤隧道入口長約100公尺（防淤隧道附近地形長約90公尺）寬約190公尺，下游距離新建防淤隧道出口長約200公尺寬約150公尺，總長約1,450公尺，模型長約45公尺。採用民國100年底水庫淤積測量地形及曾文溪測量地形建造定床模型，防淤隧道以壓克力模型塑造，以利觀察隧道內之水理流況；模型上游邊界設計供水系統，下游邊界設計控制水位閘板及迴水系統，建立模型試驗供水與迴水之循環系統。
三、原布置方案模型試驗
（一）模型試驗項目
1.試驗一：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.205公尺。
2.試驗二：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.215公尺。
3.試驗三：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.220公尺。
4.試驗四：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.227公尺。
5.試驗五：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.230公尺。
6.試驗六：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.205公尺，下游河川水位EL.116.7公尺。
7.試驗七：弧形閘門開2/3，上游水庫水位EL.230公尺。
8.試驗八：弧形閘門開1/3，上游水庫水位EL.230公尺。
（二）模型量測項目及位置
1.壓力：模型布置三個位置點之測壓管以量測水壓力高程。
2.水位：模型以經緯儀量測水位高程。
3.流速：模型以電磁式二維流速儀量測流速大小。
（三）模型試驗方法：首先將弧形閘門開啟，施放上游邊界入流量於水庫中，調整到所需水庫水位並且達到平衡，達平衡後即刻進行量測水位及流速。在模型試驗項目之試驗一～試驗五、試驗七及試驗八並未調整下游邊界控制水位閘板；而在試驗六則調整下游邊界控制水位閘板至數值模式計算之河川水位（接近莫拉克颱風洪水位）。
（四）水庫水位與通過防淤隧道流量關係曲線：在弧形閘門全開條件下，率定得到得曾文水庫通過防淤隧道流量Q與水深h（水面線與隧道入口段底部EL.190公尺間之高差）之關係曲線為 ，其中Q為通過防淤隧道流量（立方公尺/秒）、h為水庫水頭（公尺）。
四、試驗成果分析檢討
（一）模型試驗流態分析檢討
1.象鼻引水鋼管進水口上方水庫水流流態：試驗時觀察得知，象鼻引水鋼管進水口上方水庫水流會出現漩渦流態，且隨著水位上升漩渦強度級數有漸小之趨勢。
2.擋水豎井垂直式固定輪閘門附近流態：試驗時觀察得知，擋水豎井垂直式固定輪閘門附近流態，上游水庫水位超過EL.202公尺會在豎井閘門上下游產生滿管現象。
3.弧型閘門出口及下游流態：試驗時觀察得知，弧型閘門操作對上游水庫水位及下游通過防淤隧道流量為重要控制因子，且閘門操作對水流影響相當敏感。
4.隧道段流態：試驗時觀察得知，防淤隧道內流態皆為非滿管流。
5.消能池流態：試驗時觀察得知，消能池流態隨通過防淤隧道流量增大，跌水射流位置會往消能池下游移動，上游水庫水位為EL.230公尺時，跌水射流位置已靠近逆坡工，造成水流在分流工前相當湍急且混亂，有部份水流已跳躍衝擊到頂蓋。
6.出口段流態：試驗時觀察得知，出口段流態水流相當湍急，在未調整尾水閘板時皆能順利排向下游曾文溪；在調整尾水閘板高程至EL.116.7公尺時，雖能順利排向下游曾文溪，但造成水流在分流工處相當混亂，有部份水流已跳躍衝擊到頂蓋。
（二）模型試驗成果分析檢討
1.八種模型試驗項目之控制條件及試驗結果如表1所示。
2. 在測壓管3位置之能量水頭，計算結果如表2所示。
（三）模型試驗與水理計算比較
在相同設計布置案上游水庫洪水位EL.230公尺條件下，比較模型試驗五及試驗六試驗結果與水理計算結果之差異性，水位高程互有高低差異並不大，表面流速模型試驗結果較水理計算結果大，通過防淤隧道流量模型試驗結果為1,075立方公尺/秒比水理計算結果815立方公尺/秒大，造成消能池長度不足消能效果較不佳。
六、消能池修改案模型試驗
根據期中報告書審查會議紀錄辦理，針對原布置方案消能池長度不足消能效果不佳進行消能池修改案，主要修改項目為原消能池長度由50公尺調長為100公尺、原消能池渠底由EL.100公尺調降為EL.94公尺及消能池逆坡工下游出口段布置方式調整，模型試驗項目及與原布置方案水理比較結果如下：
（一）模型試驗項目
1.消能池修改案試驗一：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.230公尺，下游河川水位EL.109.1公尺。
2.消能池修改案試驗二：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.230公尺，下游河川水位EL.116.7公尺。
（二）與原布置方案水理比較
在相同設計布置案水庫洪水水位EL.230公尺條件下，比較原布置方案之試驗五及試驗六與消能池修改案之試驗一及試驗二，在相同位置0K＋800公尺～1K＋066公尺（隧道出口處）之水理量測結果及由照片觀察得知，消能池修改案比原布置方案在消能池部份水面較平順、隧道出口處流速較緩，消能效果較佳。
消能池調整布置案模型試驗
根據期末報告書審查會議紀錄及南區水資源局提供之設計圖辦理，由於消能池修改案試驗成果顯示消能池水理流況尚未盡理想，經調整後進行消能池調整布置案（詳摘圖1所示）模型試驗，主要修改項目為消能池長度由100公尺調短為90公尺；投潭尾端增加導流牆布置，由第一尾檻往上游延伸5公尺；尾檻調整方式為第一尾檻及左側雙孔隧道第二尾檻配合池底往上游移10公尺，右側雙孔隧道第二尾檻則往上游移16公尺，以擴大第二尾檻與第三尾檻之空間增加消能之效果，模型試驗內容如下：
（一）模型試驗項目
為與消能池修改案進行比較，並將曾文溪水位及修正座標系統條件納入考量，根據設計單位所提供之數值演算結果調整尾水控制條件，進行下列兩種消能池調整布置案試驗項目，試驗條件如下：
1.消能池調整布置案試驗一：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.230公尺，下游河川水位EL.107.18公尺。
2.消能池調整布置案試驗二：弧形閘門全開，上游水庫水位EL.230公尺，下游河川水位EL.115.40公尺。
（二）與消能池修改案水理比較
在相同設計布置案水庫洪水水位EL.230公尺條件下，比較消能池修改案與消能池調整布置案之試驗一及試驗二之結果得知，消能池調整布置案比消能池修改案在隧道出口處流速較緩，試驗一流速由13.12公尺/秒減緩至10.07公尺/秒，試驗二流速由9.39公尺/秒減緩至8.86公尺/秒，另外由試驗一量測出水口表面及底部流速，河道最大表面流速為8.54公尺/秒，最大底部流速為6.21公尺/秒，顯示消能池調整布置案消能效果較佳。本計畫各方案之試驗過程、條件及優劣情況如表三所示。