基隆河員山子分洪水工模型試驗研究

計畫背景與緣由

台灣省政府水利處為早日解決基隆河沿岸水患問題，於88年起推動「基隆河治理工程（初期實施計畫）」，偏重於省轄河段土地之取得及依原有治理基本計畫做低度保護工程之實施，以先完成防禦10年一次洪水頻率之保護目標，初期計畫執行期間，復遭受89年象神及90年納莉颱風肆虐，造成更嚴重之損失及人員傷亡災害，行政院為展現整治之決心與魄力，指示經濟部水利署評估各種方案後，以員山子分洪工程最有具體效果，並可避免徵收大量私地與橋梁改善，減少整體治理工程經費，於89年11月奉行政院長指示立即推動相關計畫。

「員山子分洪工程」為基隆河整體治理計畫之ㄧ(如圖1)，員山子分洪工程主要設計目標為200年重現期洪峰流量時，河道分洪量310立方公尺/秒、隧道分洪量1,310立方公尺/秒及隧道流況為明渠重力流況(非滿管壓力流況) 等3點。

圖1 員山子分洪主要工程平面位置示意圖

員山子分洪工程由經濟部水利署第十河川局執行，採統包方式招商，分別於91年5月完成工程發包及91年6月工程開工(承商、細部設計及監造單位分別為日商鹿島建設株式會社台灣分公司、中興工程顧問股份有限公司及聯合大地工程顧問股份有限公司)，由於進水結構(分洪堰、束縮段、隧道入口)、分洪隧道內部、出水結構水理狀況極為複雜且難以數值模式解析，為探討工程是否符合設計目標，在工程未發包階段，由本所配合工程基本設計(聯合大地工程顧問股份有限公司)，先行辦理基本設計水工模型試驗，工程發包施工及細部設計階段，則同步進行細部設計水工模型試驗，藉由不同階段水工模型試驗驗證及成果分析，提供經濟部水利署第十河川局、專案管理單位及施工單位針對需改善之工程設計作進一步修改參考。

試驗工作大事紀要

員山子分洪計畫成立至工程完工之主要工作大事紀要如表1所示。

試驗技術性說明

1. 試驗目的

   1. 基本設計試驗：針對攔河堰及分洪堰上游結構、進水結構及分洪隧道入口段分洪量及水理現象局部探討及驗證。
   2. 細部設計試驗：針對修改後之基本設計，將模型試驗範圍涵蓋整體分洪結構，包括部份攔河堰上、下游河段及出水口至低潮位之地形，進行分洪量及水理現象全面探討及驗證。

2. 模型種類

   採用等比定床模型設計及建造。

3. 相似律

   模型與原體需滿足幾何相似性及運動相似性，另模型試驗水流特性為明渠重力流，動力相似律以福祿數為基準。

4. 模型比尺

   考慮模型相似律、模型流量及模型場地等條件，局部模型(河道、進水結構及部份分洪隧道)及全模型分別採用以比尺(Lr)=1/50及 1/100等比，模型與原體各項比例尺關係如表2。

   表2 等比定床模型比尺

   模型比例	長度	流速	時間	流量	糙率	雷諾數	河床質粒徑	輪砂量
   關係式	Lr	Lr1/2	Lr1/2	Lr5/2	Lr1/6	Lr3/2	Lr	Lr5/2
   比例	1/50	1/7.071	1/7.071	1/17677	1/1.92	1/353.6	1/50	1/17677
   比例	1/100	1/10	1/10	1/100000	1/2.15	1/1000	1/100	1/100000

5. 模型配置

   • 比尺 1/50
   • 比尺 1/100

   照片1 比尺1/50及1/100模型配置

試驗參與人員及試驗情形

參與模型試驗人員及試驗情形如表3及照片2所示。

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照片2 試驗情形

試驗工作成果與報告

1. 試驗項目

   試驗方式分別採取定量流清水試驗及擬似變量流加砂試驗(僅進行200年重現期距流量)，試驗流量如表4所示。

   表4 試驗流量單位：立方公尺/秒

   重現期距	200年	100年	50年	20年	10年	5年
   洪峰流量(原體)	1620	1502	1375	1186	1022	837
   洪峰流量(比尺 1/50)	0.0916	0.0850	0.0778	0.0671	0.0578	0.0473
   洪峰流量(比尺 1/100)	0.0162	0.0150	0.0138	0.0119	0.0102	0.0084

2. 試驗成果

   試驗主要成果及試驗照片如表5~6及照片3~4所示。

   表5 試驗主要成果一覽表

   試驗別	試 驗 主  要  成  果  概  述
   基本設計(含修改及建議案)	基本設計(含修改及建議案)皆無法達到Q200，且隧道亦呈滿管壓力流況(清水試驗)。 基本設計側流堰上游(斷面125-4)產生斜水躍，使得側流堰與靜水兼沉砂池內流況極為紊亂(清水試驗)。 修改及建議案較基設案於河道直線段淤積較均勻及彎道凸岸淤積較明顯，靜水兼沉砂池淤積增加(加砂試驗)。
   細部設計(含細設前後修改案)	調整上游河道底床坡度及寬度、隧道入口段加寬及漸變段延長，並配合縮小河道放流孔口寬度隧道，可達到Q200設計目標(細設前修改案、清水試驗)。 細部設計可達到Q200設計目標(清水試驗)，加砂試驗局部斷面滿管，尚不致於造成全隧道滿管。 中隔墩修改為船首型並增加通氣孔，流況效果較佳，且可改善水流直衝中隔墩頂端及局部負壓問題。

   表6 細部設計案河道及隧道分洪量比較表單位：立方公尺/秒

   項目	重現期距(洪峰流量)	Q200 (1,620)	Q100 (1,502)	Q50 (1,375)	Q20 (1,186)	Q10 (1,022)	Q5 (837)
   設計目標	河道設計放流量	310	302	292	277	254	244
   	隧道設計分洪量	1,310	1,200	1,083	909	768	593
   試驗成果	河道放流量	306	305	304	299	302	284
   	隧道分洪量	1,314	1,197	1,071	887	720	550

   • 河道及靜水沉砂池
   • 隧道入口段
   • 橢圓型中隔墩

   照片3 Q200基本設計清水試驗流況

   • 細設前隧道入口調整
   • 分洪堰導流墩
   • 船首型中隔墩

   照片4 Q200細部設計(含細設前後修改案)清水試驗流況

模型與完工照片對照

進水結構

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出水結構

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照片5 模型與完工照片對照