模型比 1/13.1 試驗成果分析

將階梯式豎井消能工模型比 1/13.1 的壓克力模型與豎井水位控制 設施組裝完成後，即進行不同輸水量(由 10 萬 CMD 至 80 萬 CMD)與 不同豎井水位的清水試驗。其中不同豎井水位，包括木瓜園輸送至南 化淨水場與木瓜園輸送至內門減壓池所需之豎井水位，以及考慮光滑 管與粗糙管不同情境下的水位變化。試驗結果顯示，階梯式豎井消能 工其水理現象與模型比 1/20 的試驗成果相近。顯示階梯式豎井消能工 基本上是可以達到預期的消能效果，也兼具逐階消能降低投潭速度減 少氣泡進入下游輸水滿管段，冀期下游長距離滿管流穩定輸水之目 的。試驗過程觀測調整池水位隨輸水量自然變動，無需人為操作，模 型試驗結果輸水量 10 萬 CMD 至 80 萬 CMD，調整池水位介於 EL.174.6m~181.1m 之間，均低於調整池溢流頂水位 EL.182m。

經過階梯式豎井消能工模型比 1/13.1 的清水試驗，發現隨著輸水 量越大所需的豎井水位越高。雖然高流量時在階梯式豎井消能工水體 交替震盪流況較劇烈，但是高流量所需削減的水頭越小，如照片 4-18 所示。經過模型比 1/20 試驗成果，基本上已確認採用有階梯式豎井消 能工，接著 108 年度進行模型比 1/13.1 試驗是評估不同模型比之比對 驗證。模型比 1/13.1 之主要試驗項目，係進行不同輸水量(由 10 萬 CMD 至 80 萬 CMD)與控制不同豎井水位之清水試驗。其中不同豎井水位，

包括木瓜園輸送至南化淨水場與木瓜園輸送至內門減壓池所需之豎井 水位，以及考慮光滑管與粗糙管不同情境下之水位變化。模型比 1/13.1 之試驗結果，水理現象與模型比 1/20 的試驗成果相近，惟其中捲氣量 及捲氣深度略大於模型比 1/20，呈現模型比尺效應。試驗過程中可觀 測到各階梯均能阻擋氣泡下移，由模型比 1/13.1 試驗結果階梯式豎井 消能工尚可達到預期之消能與控制投潭捲氣影響，詳如表 4-5 及照片 4-19~4-24 所示。

4-41

表 4-5 模型比 1/20 試驗投潭深度與模型比 1/13.1 試驗成果比較

照片 4-18 高流量需豎井內高水位劇烈震盪範圍很小

4-43

照片 4-19 輸水量 10 萬 CMD 捲氣深度約 1.8 公尺

照片 4-20 輸水量 20 萬 CMD 捲氣深度約 1.9 公尺

照片 4-21 輸水量 30 萬 CMD 捲氣深度約 2.4 公尺

照片 4-22 輸水量 40 萬 CMD 捲氣深度約 3.2 公尺

4-45

照片 4-23 輸水量 50 萬 CMD 捲氣深度約 3.8 公尺

照片 4-24 輸水量 60 萬 CMD 捲氣深度約 4.1 公尺

五、 模型試驗成果綜合評估

經由模型比 1/20 試驗結果顯示，階梯式豎井消能工內跌水過程呈 現的水理流況，於民國 107 年 12 月邀請階梯式豎井消能工發明者 Odgaard 教授蒞臨指導，如照片 4-25。Odgaard 教授提出兩點建議，第 一點目前出流方向跌水板超過豎井之中心線較多，容易跌水時水流擠 壓在跌水板末端形成旋轉水流，建議將跌水板長度略微往後退縮，如 照片 4-26；第二點目前通氣孔為矩形垂直方向較長，水流在跌水板震 盪時容易從通氣孔噴至通風側，影響通風側水位穩定，建議將通氣孔 採用橫放，減少部分水體從消能側震盪跳越至通風側。

經過豎井消能工模型比 1/13.1 的清水試驗，彙整兩種不同模型比 的試驗成果，加以比較綜合評估如下：

（一） 豎井消能工各階梯間的垂直隔牆分別設置通氣孔，考量未來維護 檢查通道，建議適度調整水平位置、尺寸及維護通道，以利工作人 員進出。

（二） 考量適度退縮消能板長度與調整隔牆位置增加跌水空間，以降低 水流跌水時擠壓在消能板末端及改善水理流況。

（三） 如考量微調降低入水管與第一階跌水板之高差(現況 2 公尺)，則建 議最下層增加一階消能隔板(即增設第 16 階)，以及入水管進入豎井 水流之方向，盡量與跌水板流向平行。

（四） 調整池銜接豎井之入水管，其前端設置彎頭有其必要性，且兼具 抗渦功能。經補充試驗彎頭最高點，設置 10 英吋通氣孔對短管輸 水之水理流況影響不大，建議無需設置通氣管，如照片 4-27。

4-47

照片 4-25 Odggard 教授指導豎井消能流況

照片 4-26 消能板建議略微退縮

退縮 退縮

照片 4-27 調整池入水管前端灣頭頂部測試設置通氣孔之影響

參-1

參考文獻

1.水工模型試驗理論與案例研究分析暨模型試驗參考手冊研擬(2/2)，經 濟部水利署水利規劃試驗所，民國 100 年 12 月。

2.曾文水庫聯通管工程設計及環境影響檢討基本設計報告，經濟部水利 署南區水資源局，民國 107 年 11 月。

3.〞Baffle-Drop Structure Design Relationship〞(Journal of Hydraulic Engineering, September ,2013 , Prof. A. Jacob Odgaard.

附錄一、工作人員名單

職 位 姓 名 工 作 項 目 備 註

課 長

謝 天 元

工作方針指導、策劃、報告審查

107.1.1~107.3.2

陳 春 伸 107.3.2~108.2.1

徐 必 杰 108.2.1~108.12.31

工 程 員 粟 群 超 工作策劃、報告撰寫 107 年計畫主辦 正工程司 吳 慶 現 工作策劃、報告撰寫 108 年計畫主辦 專 業 研 究

助 理 楊 婷 卉 基本資料蒐集、繪圖及協助試驗 計畫協辦 技 工 賴 明 士 協助模型材料採購及模型組裝

製作

技 工 蕭 孟 福 協助模型組裝製作及人力調配 試驗助理 汪 百 得 協助模型組裝製作與防漏處理 試驗助理 王 麗 輕 協助模型組裝製作與試驗量測 試驗助理 陳 玉 如 協助文書打字、影印及公文 試驗助理 洪 春 暖 攝影及拍照

附-2

2. 調 整 池 將 來 操 作 採 用 常 水 位

附-4 其與 Odgaard(2013)分析(含 3 項 假設)之異同。

2.豎井直徑 D 先由流量概估，本設計 D=7.6m、消能板厚 t=0.4m、消能板長 度 B=4.6m，設計間距 h=2.25m，均符 合設計原則範圍(1)1/2D=3.8m≦B≦

2.整個豎井消能工設計的原理， 依據 Odgaard(2013)設計原則研選。

3.調整池上游的「消能井」，一要

附-6

2.請補充說明 Shaft Dia D，Baffle spacing h，及隔牆位置 B 的設

5.出水口的流況非常重要，應盡

附-8

2.有關量化豎井消能效率，後續 列表呈現不同流量與不同配置 方案之比較，以利研判其差異 性。

2.不同流量與不同配置方案之豎井消能 效率均相同，主要差異在於投潭速 度、挾氣量與挾氣影響深度，以及挾 氣是否影響下游輸水管路。

3. 出口邊界條件的影響，請設計 單位評估流量變化時可能產生 的壓力變化範圍，以利後續試 驗模擬之檢討。

3.本工程緊急關閉流程，先由上游消能 井錐型閥關閉後，再啟動下游閥門關 閉，其閥門關閉時間約 25 分鐘，屬於 緩慢關閉，因此其所產生壓力變化範 圍有限。

4. 後續試驗內容及項目，再與南 水局召開工作會議討論，以利 後續工展。

4.業已研商論確定後續試驗內容及項 目。

附-10

2.本型消能工確實有可應付 80 萬

附-12

4.若要考慮聯通管與發電尾水專 及圖 4-1、圖 4-2（P.4-1、P.4-2) 之 進 水 管 、 入 水 管 及 輸 水 管

P.2-8,及圖 4-12，照片 4-17，

P.4-40)操作對非満管液面是否 3-1(P.3-6）及照片 4-2 等(P.4-2 至 P.4-9)說明模型比 1/20 之控 制豎井內部水位（P.3-3)的試驗 方法。

3.遵照辦理。 第三章及

第四章

附-14

2.里程(Sta. 1K+548.19)消能井是 否能完全消能，設計布置及準 則請參考 Design of small canal structures1978 資料。

2.設計單位建議施工時加強管控，以及

2. 竪井中間隔牆的位置，理論上

附-16