一、計畫緣起
曾文水庫目前僅能透過烏山頭水庫供水，對南部地區水資源供水調度存在風險，為配合經濟部水利署南區水資源局辦理曾文水庫增設豎井消能工研提本項試驗計畫，確保水庫既有設施新增下游聯通管路工程之安全無虞。本項聯通管路工程起點為曾文水庫電廠壓力鋼管取水，採重力輸水方式至台南南化淨水場之調節池及南化區北寮銜接既有南化高屏聯通管，設計最大輸水能力為80萬CMD。豎井消能工設計內部直徑7.6公尺，淨高度61公尺，為了解豎井消能工之水理流況、夾氣排除與消能效果，爰辦理水工模型試驗檢討。模型設計比尺採1/20及1/13.1，模型範圍包含豎井消能工前段之調整池、豎井消能工、豎井消能工出口部份管段。
二、資料蒐集
臺灣南部地區雨量豐枯比懸殊9:1 為全臺灣之最，枯水季長(10月至隔年5月)，近年來極端氣候旱澇兩極、用水成長、汛期高濁度及水庫防淤操作等需聯合調度情境下，既有供水設施及調度系統已無法滿足跨區調度支援需求，相較臺灣其他地區，南部地區整體缺水風險較高。
原規劃方案為閥室消能設施，係依據流量之高低採用三條平行管線，因操作複雜且後續維護成本較高。因此規劃設計單位於消能方案再檢討時，發現水庫下游曾庫公路西側上邊坡有適合建置豎井消能工的工作平台，稱為木瓜園台地。此台地高程介於EL.175~200m之間，高程適中，屬於國有地且由南水局管轄。因此消能設施改採具有消能井、調整池與消能豎井(Baffle-drop)方案，即於木瓜園台地興建消能井與調整池進行第一階段消能。調整池設計水位係考量最大輸水量(80萬CMD)有足夠能量輸送至南化淨水場及內門減壓池；第二階段消能係利用近年來美國愛荷華水利學院(Iowa Institute of Hydraulic Research) 開發的階梯式豎井消能工(Baffle-drop structure)，調整不同輸水量所需之位能。豎井直徑D由流量Q概估，每個階梯高度為h，隔牆位置為B，版厚度為t，本設計案符合此3項設計原則(1)1/2D≦B≦2/3D (2)0.12<F=(Q2/(B5g))1/3<0.23 (3)0.26<(h-t)/B<0.47，詳如圖1~3所示。
三、試驗成果
本項試驗主要以壓力計量測壓力變化，量化豎井消能工水位及壓力變化範圍。設計A、B、C三處壓力量測點，如圖4及圖5所示。A點及B點在取水管(出水管)同一軸線上，高程設置在豎井底部EL.122公尺，A點設置在階梯式消能側、B點設置在通風側，距離豎井邊壁為豎井半徑之1/3(即距離豎井中心2.53公尺)，以比較有階梯式消能側及通風側之壓力差異性。C點則設置在輸水管(入水管)軸線上對角之邊壁上EL.122.6公尺(即距離豎井中心3.80公尺)，藉以了解無階梯式豎井消能工在直接投潭時，量化投潭產生之壓力變化。有階梯式豎井消能工與無階梯式豎井消能工之測壓位置相同，以利評估豎井有無階梯式消能之壓力變化與差異程度。
(一)無階梯式豎井消能工之試驗結果
無階梯式豎井消能工進行定量流試驗，分別進行10萬CMD到80萬CMD等8組試驗，以及試驗一組10萬CMD變量流，即試驗模擬豎井於充水過程之壓力變化。試驗結果在低流量10萬CMD及20萬CMD時，由調整池進入豎井直接投潭，跌水正對測壓點C且接近投潭影響深度，以致測壓點C產生最大振幅。但是隨著流量增加豎井內部水位上升，則測點C逐漸避開投潭影響範圍，測點C之最大振幅逐漸變小，且小於測點A及測點B。變量流10萬CMD流量充水時，因測點B及測點C較接近投潭影響範圍，所以測點C及測點B之壓力震盪較測點A大。測點A及測點B所量測之標準差及振幅則較為相近，標準差大多在0.2~0.5公尺左右，以波高來看則為0.4~1.0公尺左右；而最大振幅2.1公尺是50萬CMD測點A，亦即最大波高可達2公尺甚至4公尺，詳細數據比較，如表1。
(二)有階梯式豎井消能工試驗結果
試驗有階梯式豎井消能工於定量流情況下，分別進行10萬CMD到80萬CMD等8組壓力量測值，另試驗一組變量流，從0至10萬CMD，即模擬豎井於低水位時充水過程之壓力變化。試驗10萬CMD變量流於充水過程，因測點A'較接近消能板跌水影響範圍，所以測點A'及測點B'之壓力震盪較測點C'大。測點A'及測點B'所量測之標準差及振幅則較為相近，標準差大多在0.02~0.13公尺左右，以波高來看則為0.04~0.26公尺左右；而最大振幅在0.05~0.80公尺左右，亦即最大波高可達0.1~1.6公尺；另於下游出水管段距離豎井7公尺設置壓力計，量測結果進入下游管段後壓力值之標準差小於0.04公尺，最大振幅小於0.17公尺，即壓力最大波高可能達0.35公尺，詳細數據比較如表2。
(三)模型比1/20試驗成果比較分析
經過試驗評估無階梯式與有階梯式豎井消能工之差異性，基本上消能效率差異不大，呈現出各測點壓力量測之平均值相近，無階梯式豎井消能工壓力量測之平均值略大，詳如圖4所示，圖中標註A、B、C為無階梯式豎井消能工之壓力量測值，標註A'、B'、C' 為有階梯式豎井消能工之壓力量測值。惟無階梯式豎井消能工投潭速度快，投潭後產生大量夾氣且捲氣影響深度大。量化水面劇烈震盪以致量測壓力產生較大標準偏差及最大振幅，詳如圖5~6及表3所示。無階梯式豎井消能工之壓力標準偏差與最大振幅隨著不同輸水量投潭位置轉移產生明顯變化。階梯式豎井消能工不僅降低投潭流速、減少夾氣量與捲氣深度，減少水面震盪達到穩定供水與降低下游排氣閥負擔。因此豎井消能工應採用具有階梯式之豎井消能工。