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白河水庫防淤工程水工模型試驗研究

 

一、計畫背景與緣由

白河水庫於民國54年6月完工，為兼具灌溉、防洪、給水及觀光等多目標功能，原始設計水庫總庫容為2,509萬m³(民國56年測)，至民國106年12月僅餘1,018萬m³，為原始庫容42%，顯示水庫淤積嚴重。為恢復庫容、降低缺水風險及提昇防洪功能，行政院於106年4月核定「白河水庫更新改善工程計畫第一階段」，於第一階段完工後接續辦理白河水庫繞庫防淤渠道工程。為了解繞庫防淤渠道之排砂效率與水庫既有之溢洪道、庫區防淤隧道、主出水工等洩水設施，於全洪程營運操作方式，研擬排砂策略以提高整體排砂效率，作為後續營運參考，爰辦理水工模型試驗。

白河水庫防淤工程試驗整體計畫內容與期程，此三項試驗計畫均已完成，各項試驗進度詳如表1。

 表1 計畫總進度甘梯圖

計畫名稱	102	103	104	105	106	107
(一) 白河水庫更新改善防淤工程水工模型試驗第一階段計畫	----	----
(二) 白河水庫更新改善防淤工程水工模型試驗第二階段計畫			----	----
(三) 白河水庫繞庫防淤渠道水工模型試驗研究					----	----

二、計畫範圍

本計畫白河水庫更新改善計畫範圍以新建兩條防淤隧道為主體，庫區防洪防淤隧道已於108年竣工，詳如圖1，本計畫規劃設計中繞庫防淤渠道工程，詳如圖2。

圖1 興建中庫區防洪防淤隧道與白河水庫結構物相關位置圖

圖2　規劃設計繞庫防淤渠道工程與白河水庫相關設施位置圖

 

三、試驗工作成果

(一)白河水庫更新改善防淤工程水工模型試驗第一階段計畫：

1. 模型相似律：採用福祿律相似。

2. 模型比例尺：採用1/50等比模型，庫區防淤布置詳如圖3及圖4。

圖3　第一階段原規劃庫區防淤隧道平面圖

圖4　第一階段原規劃庫區防淤隧道縱斷面圖

1. 試驗目的：

    試驗目的為檢討防淤隧道工程之水理流況，檢核2條防淤隧道工程的預期功能。

2. 試驗成果：

(1)庫區防淤隧道豎井閘室下游漸變段試驗後，需局部修改後即能有效消除跳水現象，詳如照片1及照片2。

照片1　白河水庫模型繞庫防淤隧道出口處流況

照片2　白河水庫模型出口段於200年重現期距流量下之匯流流況

 

(1)新建繞庫防淤隧道出口段階梯流況不佳，建議進行改善;新建庫區防淤隧道與溢洪道匯流處水位有湧高現象，顯示側牆高度不足，建議匯流位置往下游移動，避免匯流處水位湧高。

(2)因為主出水工改建入口高程EL.85公尺較新建庫區防淤隧道入口高程EL.88公尺低，量測濃度結果，主出水工較新建庫區防淤隧道濃度高，建議降低新建庫區防淤隧道入口高程，以利於排砂。

 

(二)白河水庫更新改善防淤工程水工模型試驗第二階段計畫：

1. 模型相似律：採用福祿律相似。

2.  模型比例尺：採用1/50等比模型，庫區防淤布置詳如圖5及圖6。

圖5　第二階段庫區防淤隧道修改案布置平面圖

圖6　第二階段庫區防淤隧道修改案布置縱斷面圖

1. 試驗目的：

第二階段修改案模型主要修改處為庫區防淤隧道線型、高程及斷面大小，主要目的為進行水理試驗探討是否符合基本設計要求。另外為配合基本設計期程需要，進行庫區防淤隧道入口處緊急閘門及豎井閘室下游漸變段局部修改。

2. 試驗成果：

(1)庫區防淤隧道豎井閘室下游漸變段局部修改後，有效消除跳水現象，詳如照片3及照片4。

照片3  修改案模型豎井閘室下游漸變段修改前跳水流況

照片4  模型豎井閘室下游漸變段修改後流況

(2) 在閘門控制條件為主出水工全關、溢洪道全關及庫區防淤隧道全開條件下進行，水庫水位約EL.109公尺時，原設計流量為250立方公尺/秒，模型試驗率定流量為271立方公尺/秒；在水庫水位EL.111.35公尺時，原設計流量為261立方公尺/秒，模型試驗率定流量為286立方公尺/秒。

(3) 第一階段與第二階段庫區防淤隧道比較，詳如表2:

 表2 第一階段原庫區防淤隧道與第二階段庫區防淤隧道修改案比較

	第一階段庫區防淤隧道布置	第二階段庫區防淤隧道修改案布置
設計流量	水庫高程EL.95.5m時，設計流量為85cms；水庫高程EL.103m時，設計流量為112cms。	水庫高程EL.109m時，設計流量為250cms；水庫高程EL.111.35m時，設計流量為261cms。
模型率定流量	水庫高程EL.94.5m時，模型率定流量為85cms；水庫高程EL.103m時，模型率定流量為128cms。	水庫高程EL.109m時，模型率定流量為271cms；水庫高程EL.111.35m時，模型率定流量為286cms。
進水口底檻高程	EL.88.0m	EL.83.0m
進水口隧道斷面	斷面為寬4m、高5m(含R=2m頂拱)之門形斷面。	內徑5.0m之圓形斷面，RC內襯砌為75cm。

 

(三)第三階段白河水庫繞庫防淤渠道水工模型試驗研究：

1.模型相似律：採用福祿律相似。
2.模型比例尺：採用1/50等比模型，布置方式如圖7及圖8。

圖7  白河水庫模型試驗場地配置圖

圖8  白河水庫現場地形測量範圍及工程設置位置圖

3.試驗目的：
為了解繞庫防淤渠道完工後之排砂效率與水庫既有之溢洪道、庫區防淤隧道、主出水工等洩水設施，未來營運階段之操作時機，並研擬排砂策略以提高整體排砂效率，作為後續營運參考，爰辦理水工模型試驗。
4.試驗成果：
(1)繞庫防淤渠道流量清水率定試驗成果，詳如表3所示。

表3  進入繞庫防淤渠道流量率定表

上游現場流量	200cms	338cms	466cms	557cms	663cms	1,026cms
進入渠道流量	161cms	179cms	188cms	191cms	194cms	200cms
進入流量比率	80.50%	52.96%	40.34%	34.29%	29.26%	19.49%

2)繞庫防淤渠道模型進行上游PMF流量為1,026立方公尺/秒清水初步試驗(進入繞庫防淤渠道最大設計流量為200立方公尺/秒)，在超高段及陡坡段至出口時，發生溢過渠道頂現象，詳如照片5~照片7。根據試驗結果，設計單位已修正設計圖。

照片5  繞庫防淤渠道流量200立方公尺/秒於左轉彎超高段流況

照片6  繞庫防淤渠道流量200立方公尺/秒於右轉彎段流況超高

照片7  繞庫防淤渠道流量200立方公尺/秒於陡坡段至出口流況

(3)繞庫防淤渠道於各重現期距洪水與莫拉克颱加砂試驗成果，詳如表4所示。

 表4  進入繞庫防淤渠道各重現期距洪水與莫拉克颱洪加砂試驗成果

各重現期距 洪水	重現期距流量(cms)	繞庫防淤渠道排砂比(%)	庫區防淤隧道排砂比(%)	主出水工排砂比(%)	總排砂重量(公斤)	總排砂比(%)
10年	394	29.3	17.7	5.3	6,882	52.3
5年	316	35.1	12.2	5.6	4,573	52.9
2年	209	55.0	5.1	0	2,364	60.1
模擬莫拉克颱風	270	68.7	3.4	0	11,635	72.1

(4)各重現期距流量水庫空庫與滿庫情境下模型試驗成比較表，詳如表5所示。

 表5  各重現期距流量水庫空庫與滿庫情境下模型試驗成比較表

各重現期距 洪水	重現期距流量(cms)	空庫總排砂比(%)	空庫總排砂重量(公斤)	滿庫總排砂比(%)	滿庫總排砂重量(公斤)
10年	394	52.3	6,882	41.2	5,421
5年	316	52.9	4,573	42.8	3,700
2年	209	60.1	2,364	55.6	2,187

(5)研擬白河水庫排砂策略以提高水庫整體排砂效率，經由不同重現期距洪水與莫拉克颱洪事件所進行加砂試驗模擬，經分析結果顯示汛期渾水逕流入庫前，維持空庫防淤操作可提高整體排砂效率。當然優先啟動白河水庫繞庫防淤渠道進行防淤操作，超過繞庫防淤渠道流量可以參考阿公店水庫空庫防淤操作經驗，於空庫期間過長深槽與高灘淤泥固化或是長草，增加抗沖能力或是加速落淤問題。因此空庫期間仍需蓄到足夠水深避免淤泥固化或是長草問題，俟颱洪入庫前提前放空水庫，藉由颱洪逕流產生溯源沖刷深槽，以利維持空庫防淤深槽之穩定，有效提升白河水庫整體排砂效率。

四、 專家學者與外賓參觀模型照片

照片8  108年2月21日期初簡報會議專家學者指導照片

照片9  108年4月11日第3屆水庫防淤通砂隧道外賓參訪照片