白河水庫防淤工程水工模型試驗研究

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之水庫，目前由嘉南農田水利會營運管理，民國56年水庫總庫容為2,509.3萬m3，至民國106年12月僅餘1,018萬m3，約為原始庫容42%，水庫淤積情形相當嚴重。為恢復水庫蓄水庫容、減低缺水風險及提昇防洪功能，「白河水庫水利設施改善工程計畫」由經濟部水利署南區水資源局(以下簡稱南水局)辦理相關設計工程，為了解其水理及防淤功能，因此由本所搭配水工模型試驗同步進行檢討，爰成立各階段試驗計畫。

整體計畫內容與期程

白河水庫防淤工程試驗主要對象計有：(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；等三項，其中(一)~(二)已完成，(三)目前辦理中，各項試驗進度詳如表1。

本計畫範圍

本計畫白河水庫更新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興建中，詳如圖1，本計畫規劃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 規劃中繞庫防淤渠道工程與白河水庫結構物相關位置圖

已完成試驗工作與成果

1. (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. 1. 模型相似律：採用福祿律相似。
   2. 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

   3. 3. 試驗目的：

      試驗目的為檢討防淤隧道工程之水理流況，冀期所提2條防淤隧道工程能夠達到預期之功能成效檢核，整體評估水庫防淤策略，除能使更新改善工程計畫順利推動外，亦提供未來排砂設施操作及啟動時機參考。

   4. 4. 試驗成果：
      1. (1) 庫區防淤隧道修改布置案經清水試驗結果得知，庫區防淤隧道豎井閘室下游漸變段局部修改後對跳水現象明顯有效消除，詳如照片1及照片2；庫區防淤隧道入口處緊急閘門設置前後於低水位時對渦流影響略有差異，高水位時對渦流影響差異不大，低水位及高水位經流量率定結果得知設置前後流量並無明顯差異。

         照片1 白河水庫模型繞庫防淤隧道出口處流況

         

         照片2 白河水庫模型庫區防淤隧道施放重現期距200年流量之流況

      2. (2) 根據模型清水試驗結果顯示，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。
      3. (3) 模型經加砂試驗量測新建庫區防淤隧道及主出水工改建排砂濃度比較得知，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，主出水工改建較新建庫區防淤隧道大部份高，建議降低新建庫區防淤隧道入口高程，以利於排砂。
2. (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. 1. 模型相似律：採用福祿律相似。
   2. 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

   3. 3. 試驗目的：

      由前期第一階段原規劃布置方案模型試驗成果顯示，尚有需改善布置之處，因此辦理第二階段修改案水工模型試驗。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，其目的為觀察庫區防淤隧道入口處緊急閘門設置前後對渦流影響及觀察豎井閘室下游漸變段局部修改後對跳水現象是否能有效消除。

   4. 4. 試驗成果：
      1. (1) 庫區防淤隧道修改布置案經清水試驗結果得知，庫區防淤隧道豎井閘室下游漸變段局部修改後對跳水現象明顯有效消除，詳如照片3及照片4；庫區防淤隧道入口處緊急閘門設置前後於低水位時對渦流影響略有差異，高水位時對渦流影響差異不大，低水位及高水位經流量率定結果得知設置前後流量並無明顯差異。

         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. (2) 庫區防淤隧道修改布置案經清水試驗結果得知，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，原設計流量約為250立方公尺/秒，模型試驗率定流量約為271立方公尺/秒；在水庫水位EL.111.35公尺時，原設計流量約為261立方公尺/秒，模型試驗率定流量約為286立方公尺/秒；當水庫水位超過約EL.91公尺以上時，庫區防淤隧道入口處會發生夾氣漩渦現象，隨著水庫水位上升，夾氣漩渦現象會有減緩趨勢；當水庫水位超過約EL.89.4公尺以上時，庫區防淤隧道入口至豎井閘門間隧道段開始產生滿管現象；由水庫水位與隧道水壓力對應關係圖顯示，水庫渦流對隧道震盪沒有造成負壓。
   5. (三) 第一階段與第二階段庫區防淤隧道比較，詳如表2:

目前進行中試驗工作

1. (一) 白河水庫繞庫防淤渠道水工模型試驗研究:

   1. 1. 模型相似律：採用福祿律相似。
   2. 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. 3. 試驗目的：

      南水局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. 4. 目前試驗成果：
      1. (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. (2) 繞庫防淤渠道清水水理試驗成果，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)，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。根據試驗結果南水局目前正進行修改設計圖。
      

      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/秒於右轉彎超高段流況

      

      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

   5. 5. 尚待辦理事項：
      1. (1) 108年試驗工作項目: 評估繞庫渠道出流量及排砂量，在白河水庫後續更新改善工程計畫第一階段完成後，庫容恢復至1,250萬m3與重現期距2、5、10、50、100年流量並分別在水庫滿庫及空庫情境下，進行繞庫防淤渠道加砂試驗，並觀測河道斷面變化。
      2. (2) 109年試驗工作項目: 為了解白河水庫後續更新改善工程計畫第一階段完成後，在庫容1,250萬m3與特定事件之情境下，水庫相關洩水設施操作時機及提升排砂效益之策略研擬。

2. (二) 專家學者與外賓參觀模型照片

   1. 1. 108年2月21日期初簡報會議專家學者指導照片
   2. 2. 108年4月11日第3屆水庫防淤通砂隧道外賓參訪照片