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重點業務與回顧

經濟部水利署

水利規劃試驗所

Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs
水利規劃試驗所
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  1. 首頁
  2. 重點業務與回顧
  3. 試驗類
  4. 現行重點業務

石門水庫更新改善工程水工模型試驗研究

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  1. 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,於洪水期順勢排出下層運移狀態之高濃度異重流,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95年研提石門水庫更新改善工程水工模型試驗自辦計畫,配合現場監測、規劃設計案與數值模擬等相關計畫,進行各項水理試驗分析,以提升石門水庫供水防洪防淤功能。

  2. 整體計畫內容與期程

    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)分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案;(四)阿姆坪防淤隧道工程案等四項,其中(一)~(三)已完成,(四)目前辦理中,各項試驗進度詳如表1。

    表1 計畫總進度甘梯圖
    年份
    計畫名稱
    96年 97年 98年 99年 100年 101年 102年 103年 104年 105年
    (一)石門水庫電廠改建案試驗                    
    (二)增設分層取水工試驗                    
    (三)分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案試驗                    
    (四)阿姆坪防淤隧道工程案試驗                    
  3. 試驗技術性說明

    1. 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。
      4. 試驗過程:先採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。最後辦理1/100等比模型試驗模擬艾利颱風全洪程之電廠防淤功能。
      電廠一號與二號壓力鋼管及永久河道模型平面配置圖

      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. 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。
      4. 試驗過程:先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。
      石門水庫增設取水工程上、中、下層取水隧道

      圖2 石門水庫增設取水工程上、中、下層取水隧道

    3. 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(詳圖3)及相關設施防淤功能試驗。
      4. 試驗過程: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。
      1/100石門水庫全模型布置圖

      圖3 1/100石門水庫全模型布置圖

    4. 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4。主要試驗項目為進水口流量率定、沖淤池流態及沖淤效率。
      4. 試驗過程:先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。為考量提升沖淤效率,後續將辦理增設高壓輔助沖淤設施及加大每槽寬度為20公尺布置方案試驗。
      石門水庫阿姆坪防淤隧道1/40局部模型配置圖

      圖4 石門水庫阿姆坪防淤隧道1/40局部模型配置圖

  4. 已完成工作與成果

    1. 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. 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. 石門水庫相關設施水工模型試驗成果報告,98年12月。
    4. 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. 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。
  5. 本年度工作概要

    1. 石門水庫1/100全模型進行艾利颱洪模擬水庫暨有設施改善、阿姆坪防淤隧道及大灣坪防淤隧道聯合操作之加砂試驗。
    2. 1/40局部模型試驗在不同堆置時間下,單槽複式斷面案與三槽方案之沖淤試驗。
    3. 1m、3m及6m沉降管試驗,探討時間與沉降管高度影響淤泥含水量之關係。
    4. 輔助沖淤試驗,試驗抽泥管在不同出口管徑束縮比例下,流量及流速之關係。
  6. 試驗情形剪影

    1. 電廠改建案

      • 1/40與1/25模型電廠1號壓力鋼管試驗水理流況
      • 1/40與1/25模型電廠2號壓力鋼管試驗水理流況

      照片1 1/40與1/25模型電廠1、2號壓力鋼管試驗水理流況

    2. 增設分層取水工

      • 三層取水鋼管隧道、豎井、蝶閥與輸水鋼管隧道模型-照片(1)
      • 三層取水鋼管隧道、豎井、蝶閥與輸水鋼管隧道模型-照片(2)

      照片2 三層取水鋼管隧道、豎井、蝶閥與輸水鋼管隧道模型

    3. 分洪防淤隧道初步規劃案及可行性規劃案

      • 加砂情形照片3 加砂情形
      • 溪口台A2初步規劃案照片4 溪口台A2初步規劃案
      • 水庫異重流運移現象照片5 水庫異重流運移現象
      • 阿姆坪D2案初步規劃案照片6 阿姆坪D2案初步規劃案
      • 斷面流速量測及濃度取樣照片7 斷面流速量測及濃度取樣
      • 大灣坪可行性規劃案照片8 大灣坪可行性規劃案
      • 大灣坪C1初步規劃案照片9 大灣坪C1初步規劃案
      • 比重瓶法量測含砂濃度照片10 比重瓶法量測含砂濃度
    4. 阿姆坪防淤隧道工程案

      • 阿姆坪防淤隧道取水口-照片(1)
      • 阿姆坪防淤隧道取水口-照片(2)
      • 照片11 阿姆坪防淤隧道取水口

      • 單槽與三槽沖淤池沖淤試驗-照片(1)
      • 單槽與三槽沖淤池沖淤試驗-照片(2)
      • 照片12 單槽與三槽沖淤池沖淤試驗