曾文水庫永久河道放水道操作風速改善策略報告

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曾文南化聯通管工程設計及施工諮詢

曾文水庫永久河道放水道操作風速改善策略報告

(定稿本)

委託機關：經濟部水利署南區水資源局執行機關：巨廷工程顧問股份有限公司

中華民國 108年10月

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曾文南化聯通管工程設計及施工諮詢曾文水庫永久河道放水道操作風速改善策略報告

( 定稿本) 巨廷工程顧問股份有限公司

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目錄 ... I 表目錄 ... III 圖目錄 ... IV 第一章前言 ... 1 - 1 1.1 計畫緣起及目的 ... 1 - 1 1.2 工作項目及內容 ... 1 - 2 第二章基本資料蒐集與分析 ... 2 - 1 2.1 曾文水庫 PRO 相關構造物 ... 2 - 1 2.2 曾文水庫防洪及排砂操作機制 ... 2-12 2.3 曾文水庫 PRO 運轉時風速資料分析 ... 2-16 2.4 通氣隧道風速現況模擬分析 ... 2-21 第三章 PRO 防淤運轉降低隧道風速之策略 ... 3 - 1 3.1 PRO 防淤運轉所需通氣斷面積評估 ... 3 - 1 3.2 改善方案研擬 ... 3 - 4 3.3 工程費估算 ... 3-14 3.4 方案評估與初步建議 ... 3-19 第四章結論與建議 ... 4 - 1 參考文獻 ... 參-1

附錄一 ANSYS CFX 理論與應用 ... 附1-1 附錄二歷次審查意見及辦理情形 ... 附2-1 附錄三曾文水庫運用要點 ... 附3-1 附錄四曾文水庫水門操作規定 ... 附4-1 附錄五 PRO 之流量率定曲線 ... 附5-1

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表目錄

表2.3-1 Beaufort 風級分類 ... 2-17 表3.3-1 方案一豎井工程經費估算表(1/2) ... 3-14 表3.3-1 方案一豎井工程經費估算表(2/2) ... 3-15 表3.3-2 方案二豎井-隧道-豎井複合式工程經費估算表(1/2) ... 3-16 表3.3-2 方案二豎井-隧道-豎井複合式工程經費估算表(2/2) ... 3-17 表3.3-3 方案三通氣隧道擴挖工程經費估算表 ... 3-18 表3.4-1 PRO 通氣各改善方案綜合評估 ... 3-21

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圖目錄

圖2.1-1 曾文水庫 PRO 整體平面布置圖 ... 2 - 4 圖2.1-2 PRO 維護隧道及通氣隧道現況照片 ... 2 - 5 圖2.1-3 永久河道放水道(PRO)消能工加強工程範圍圖 ... 2 - 5 圖2.1-4 永久河道放水道(PRO)消能工加強工程平縱斷面圖 ... 2 - 6 圖2.1-5 PRO 通氣隧道平縱斷面圖 ... 2 - 7 圖2.1-6 PRO 通氣隧道標準斷面圖(一) ... 2 - 8 圖2.1-7 PRO 通氣隧道標準斷面圖(二) ... 2 - 9 圖2.1-8 電廠水路佈置圖 ... 2-10 圖2.1-9 曾文防淤隧道工程布置圖 ... 2-11 圖2.3-1 PRO 進出通道及通氣隧道平面圖 ... 2-18 圖2.3-2 補氣量風速記錄表 ... 2-19 圖2.3-3 PRO 放流量與施工維護道路補氣量關係圖 ... 2-20 圖2.4-1 三維數值模擬模型及邊界條件示意圖 ... 2-22 圖2.4-2 三維數值模擬網格圖 ... 2-22 圖2.4-3 #1導水隧道水面速度分布圖 ... 2-23 圖2.4-4 #1導水隧道水流速度剖面分布圖 ... 2-24 圖2.4-5 Case1模擬範圍空氣剖面分布圖 ... 2-24 圖2.4-6 Case2模擬範圍空氣剖面分布圖 ... 2-25 圖2.4-7 #2導水隧道進入通氣隧道空氣剖面速度分布圖 ... 2-26 圖2.4-8 施工維護隧道進入#2導水隧道空氣剖面速度分布圖 ... 2-26 圖3.1-1 PRO 補氣路徑示意圖 ... 3 - 1 圖3.1-2 A1標#2導水隧道出口佈置圖 ... 3 - 2 圖3.1-3 A1標#2導水隧道出口防洪牆加高詳圖 ... 3 - 3 圖3.2-1 PRO 改善通氣方案平剖面圖 ... 3 - 6 圖3.2-2 PRO 通氣改善方案縱斷面圖 ... 3 - 7 圖3.2-3 豎井斷面標準圖 ... 3 - 7 圖3.2-4 豎井方案施工道路平面圖 ... 3 - 8

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圖3.2-5 豎井方案施工道路縱斷面圖 ... 3 - 9 圖3.2-6 水平隧道斷面圖 ... 3-10 圖3.2-7 既有施工通氣隧道與鄰近隧道透視圖 ... 3-11 圖3.2-8 PRO 通氣隧道擴挖方案布置圖 ... 3-12 圖3.2-9 電廠水道斷面圖 ... 3-13 圖3.2-10 方案三：PRO 通氣斷面標準圖 ... 3-13

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第一章前言

1.1 計畫緣起及目的

台灣南部區域降雨豐枯達9：1，枯水季長(10月至隔年5月)，近年極端氣候旱澇兩極及用水成長等情境下，既有供水設施及調度系統已無法滿足跨區調度支援需求，相較台灣其他區域，南部區域整體缺水風險較高，

而完備彈性的水源調度與管理機制，為降低缺水風險必要方法之一。

台南及高雄供水系統係屬整體聯合調度區，其中曾文水庫與南化水庫肩負此調度區供水穩定之關鍵重責；為盡早積極進行水資源風險管理，行政院於107年6月11日院臺經字第1070020685號函核定「曾文南化聯通管工程計畫」(以下簡稱本計畫)，使曾文水庫、南化水庫及高屏攔河堰之水源能串連，健全南部地區供水備援系統，並作為曾文水庫水源的另一緊急供水通道；本計畫完成後除可因應氣候變遷所帶來穩定供水挑戰，另盡早健全此區域整體供水調度備援彈性，以提升調適缺水風險的能力，減輕因枯旱或緊急事件導致缺水所帶來之民生經濟巨大損失。

「曾文南化聯通管工程計畫」期程自108年起至113年止，總經費以 120億元為上限，主管段及平壓管段(南化高屏聯通管約於台三線里程 382.2K 至鏡面水庫之管段)由經濟部水利署南區水資源局(以下簡稱南水局) 主辦，而本聯通管南化區四埔(約於台3線里程378.7K 處) 銜接至南化淨水場之分管段設計及施工，則由台灣自來水股份有限公司(以下簡稱台水公司) 南區工程處主辦。南水局主辦部分共分為 A1、A2及 A3等3標統包方式辦理採購，為使統包工程能如期順利推動，爰提出「曾文南化聯通管工程設計及施工諮詢」(以下簡稱本案)，其中 A1標範圍另包括曾文水庫永久河道放水道操作風速過高之改善工程。

為利於 A1標項下曾文水庫永久河道放水道操作風速過高改善工程能符合計畫需求，爰依契約規定提出「曾文水庫永久河道放水道操作風速改善策略報告」。

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1.2 工作項目及內容

曾文水庫永久河道放水道操作時有風速過高情形，依本案契約規定需於議價完成日後60日內，提出曾文水庫永久河道放水道操作風速過高改善策略，經南水局同意後列入 A1標機關需求書，為 A1標統包工程之工作項

目。

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第二章基本資料蒐集與分析

2.1 曾文水庫 PRO 相關構造物

曾文水庫為增進防淤功能，決定將原有二座 PRO(永久河道放水道)之何本閥改為全水流斷面的射流閘門，連帶的也配合新設閘門更改下游消能工。該工程為施工需求興建有#1施工維護隧道(施工維護隧道)及#2施工維護隧道(PRO 操作維護隧道)，分別為大壩下方廠區與#2導水隧道及 PRO 操作維護隧道與改建閘室的聯絡通道；此外，於 PRO 操作維護隧道的下游側亦興建通氣隧道，三條隧道皆為5m(W)×5m(H)的門型隧道，斷面積 22.3m²。曾文水庫 PRO 消能工相關構造物包括 PRO 消能工、電廠及防淤隧道，其整體平面佈置如圖2.1-1，PRO 維護隧道及通氣隧道之現況照片整理如圖2.1-2所示，茲分別說明如下。

一、導水隧道

曾文水庫於施工期間設置兩座導水隧道，分別為#1及#2導水隧道。

#1導水隧道直徑12m，設計流量2,230cms，進口仰拱高程 EL.110.60m，

出口仰拱高程 EL.99.00m，總長度為1,250.57m，自封堵段下游端(仰拱高程 EL.110.34m)至出口的長度為987.70m；#2導水隧道直徑12m，

設計流量2,200cms，進口仰拱高程 EL.111.60m，出口仰拱高程 EL.109.50m ，總長度為 1,083.48m ，自封堵段下游端 ( 仰拱高程 EL.111.02m)至出口的長度為766.16m，另#2導水隧道出口設有消能設施。

二、PRO 消能工

曾文 PRO 消能工於民國104年3月改建完成，其佈置如圖2.1-3及圖2.1-4所示，水流由圖2.1-4左側輸水管經閘門控制射入消能室，消能後流入#1 導水隧道下游段入曾文溪，射流閘門中心線高程為 EL.115.763m ，由圖 2.1-4 之縱斷面可見消能室全長 52.55m(7.22+3.45+41.88)，其底板上設有二道尾檻，第一道尾檻位於閘門出口下游 31.32m(7.22+3.45+20.65) 處，該尾檻頂部高程 EL.115.83m(高度5m)，第二道檻則位於第一道檻下游11.48m(高度

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3.0m)，消能室頂部高程由上游端 EL.136.71m，長 20.0m，經斜 20.26m 坡段降至 EL.127.32m 下游銜接於原#1導水隧道之頂部高程為 EL.121.18m。圖2.1-4亦可見與閘室相連的通氣隧道出口，其底部高程為 EL.128.0m。PRO 防淤運轉主要通風路徑係由施工維護隧道至#2導水隧道，再分由通氣隧道(大部分)與 PRO 操作隧道(小部分)進行補氣，

通氣隧道之平縱斷面圖及標準斷面圖詳圖2.1-5~2.1-7。

三、電廠

曾文水庫之發電廠為地下式，發電設備、導水隧道及進水道工程都建於左岸山腹中，輸電設施設在大壩下游面之下，有通達隧道可進出電廠。電廠水輪機為豎軸法蘭西式，設計水頭101m，額定流量 56cms，額定出力為70,000馬力。

如圖2.1-8，電廠進水道全長289m，其中6m 為喇叭型入口，

283m 為內徑3.8m 之壓力鋼管。進水道之進水口中心標高為165m。

電廠尾水道之前142m 段為寬6m、高4.5m 之修正馬蹄型隧道，後段則利用一號導水隧道之下游段，長約730m，尾水道與一號導水隧道銜接。

四、防淤隧道

防淤隧道工程進水口位於大壩左壩座，於曾文溪#1導水隧道下游出水，全長1,237.69m，工程佈置如圖2.1-9所示。主要工程內容包括如下：

(一) 象鼻引水鋼管段

本結構由管中心高程 EL.195.00m 往下延邊坡舖設鋼管，至進水口管中心高程 EL.175.00m。

本段自 Sta.0k-146.37~Sta.0k-089.35，鋼管內徑10.00m，含前端之抗渦出挑鋼罩5.0m 長，則水平投影長約57m，水路長約60m。

(二) 進水口隧道段

本段銜接象鼻引水鋼管及擋水豎井，全長58.2m。

1.Sta.0k-089.35~Sta.0k-045.69 ：排砂道 φ10.00m ，漸變為 10.00m(W)×10.00m(H)矩型隧道，仰拱高程 EL.190.00m。

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2.Sta.0k-045.69~Sta.0k-031.15：10.00m(W)×10.00m(H)矩型隧道，

漸變為6.80m(W)×8.22m(H)矩型隧道，仰拱高程 EL.190.00m。

(三) 閘門豎井段

本段設置緊急/維護閘門及操作閘門，全長31.15m。

Sta.0k-031.15~Sta.0k-000.00：6.80m(W)×8.22m(H)矩型隧道漸變為6.80m(W) ×6.80m(H)矩型隧道，上半部為內徑10.0m 擋水豎井，排砂道仰拱高程 EL.190.00m。

(四) 隧道段

本段全長862.82m，各里程如下:

1.Sta.0k+000~Sta.0k+020.00：8.00m(W)×10.00m(H)矩型隧道，

漸變為下半部6.00m 高，上半部 R=4.00m 之門型隧道，坡度 10.00%。

2.Sta.0k+020.00~0k+100.00 ：下半部 6.00m 高，上半部 R=4.00m 之門型隧道，坡度10.00%。

3. Sta.0k+100.00~0k+120.00：由門型隧道漸變為外三心圓隧道 φ9.00m，坡度10.00%。

4.Sta.0k+120.00~0k+220.00 ：外三心圓隧道 φ=9.00m ，坡度 8.00%。

5.Sta.0k+220.00~0k+832.82 ：外三心圓隧道 φ=9.00m ，坡度 5.317%。

6.Sta.0k+832.82~0k+860.82 ：外三心圓隧道 φ=9.00m 漸變為 12.00m(W)×9.24m(H)門型隧道，再漸變為15.00m(W)×9.91m(H) 門型隧道，坡度5.317%，隧道仰拱高程 EL.133.41m。

(五) 消能池及出水口段

1.Sta.0k+860.82~Sta.1k+091.32：為有效消能，自隧道末端設置投潭消能池，長147.31m，淨寬18.0m，池底高程 EL.94m，堰頂高程 EL.110m；為與曾文溪銜接，布置兩階跌水工，第一階跌水工池底高程 EL.102m，堰頂高程 EL.108m，第二階跌水工池底高程EL.98m，堰頂高程 EL.103.5m。

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2.考量隧道結構安全，原淨寬18m 之隧道於第一座溢流堰後分為2 孔寬10m 之隧道出洞。

3. 出水口段末端(Sta.1k+067.18)寬度往下游漸擴至為38.96 m，降低單寬流量，出口溢流堰底並設置φ＝1.5 m，L=10 m 之排樁，

溢流堰下游20m 範圍內拋放混凝土塊及塊石作為河床及基腳保護

工。

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圖2.1-1 曾文水庫 PRO 整體平面布置圖

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#2導水隧道 PRO 通氣隧道

PRO 消能工上方 PRO 消能工

PRO 消能工 PRO 操作維護隧道

圖2.1-2 PRO 維護隧道及通氣隧道現況照片

圖2.1-3 永久河道放水道(PRO)消能工加強工程範圍圖

PRO 操作維護隧道

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圖2.1-4 永久河道放水道(PRO)消能工加強工程平縱斷面圖

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圖2.1-5 PRO 通氣隧道平縱斷面圖

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圖2.1-6 PRO 通氣隧道標準斷面圖(一)

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圖2.1-7 PRO 通氣隧道標準斷面圖(二)

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圖2.1-8 電廠水路佈置圖

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圖2.1-9 曾文防淤隧道工程布置圖

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2.2 曾文水庫防洪及排砂操作機制

為有效達成曾文水庫防洪運轉及緊急運轉之目標，經濟部特訂定「曾文水庫運用要點」及「曾文水庫水門操作規定」，茲分別針對防洪與緊急運轉之規定說明如下：

一、曾文水庫運用要點 (一) 防洪運轉

1. 本水庫防洪運轉依下列規定執行：

(1) 當本水庫於颱風、豪雨、超大豪雨情況或蓄水量超過運用規線上限時，為增加本水庫滯洪容積，得執行調節性放水，唯其放水流量小於二千二百五十秒立方公尺。

(2) 超大豪雨情況時，水庫水位超過標高二百二十三公尺，或水庫水位及進水流量達到附表二(詳附錄三)之條件，得開始防洪運轉。

(3) 未達超大豪雨情況時，水庫水位超過標高二百二十六公尺，或水庫水位及進水流量達到附表三(詳附錄三)之條件，得開始防洪運轉。

2. 防洪運轉在洪峰通過前，放水流量超過二千二百五十秒立方公尺時，放水流量之增加率應小於水庫進水流量之最高增加率，

放水流量應小於最大進水流量。水庫水位及進水流量達到附表四(詳附錄三)之設計洪水情況時，得依本要點及水門操作規定允許之最大流量放水。

3. 防洪運轉在洪峰通過後，當水庫進水流量小於已發生洪峰流量之八成流量，放水流量不得大於進水流量之洪峰流量。

4. 本水庫有下列情事之一時，得停止防洪運轉：

(1) 依第十六點第二款規定開始之運轉，水庫水位未超過標高二百二十三公尺，且水庫水位及進水流量低於附表二(詳附錄三)之條件。

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(2) 依第十六點第三款規定開始之運轉，水庫水位未超過標高二百二十六公尺，且水庫水位及進水流量低於附表三(詳附錄三)之條件。

洪峰通過後，得適時調整水庫放水量以增加攔蓄水庫進水流量，

以利後續蓄水利用與防淤操作。

5. 南水局執行調節性放水或防洪運轉時，應於放水開始二小時前，

廣播放水警報，並以電話及傳真通報本部水利署、本部水利署第六河川局、臺南市政府、臺南市政府消防局、臺南市政府警察局及水利會，迅速轉知下游居民遠離河川區域，以策安全。

6. 執行調節性放水或防洪運轉之第一小時放水流量以小於一百五十秒立方公尺為原則，以示警告。

若玉井中正橋水位高於該橋在集水區降雨發生前之水位三．五公尺，或走馬瀨橋水位高於該橋在集水區降雨發生前之水位三．五公尺，得免除執行警告性放水。

7. 防洪運轉時，放水流量達五千五百秒立方公尺時，曾文發電廠應停止發電。

8. 為排除進水口附近淤砂或增加排除洪水來砂，得使用永久河道放水道、防淤隧道放水。

(二) 緊急運轉

1. 本水庫發生可能危及壩體安全之緊急情況，應實施緊急運轉。

2. 緊急運轉時，放水量視緊急情況而定，在不危及壩體安全範圍內，得實施調節性放水，有潰壩之虞者，放水流量得超過二千二百五十秒立方公尺。

3. 本水庫有潰壩之虞時，應立即發布警報與洩洪。

4. 本水庫於實施緊急運轉後，應將緊急應變處理經過，陳報本部水利署轉本部備查

二、曾文水庫水門操作規定

(一) 本水庫位於嘉義縣大埔鄉曾文溪主流上游，由本部水利署南區水資

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2-15

源局負責操作維護管理。

(二) 本水庫主要設施及相關水門如下：

1. 防淤隧道：閘門控制式，進口中心標高一百七十五公尺，設控制閘門及維修閘門各一座。控制閘門為弧形閘門，寬六．八公尺、高六．八公尺；維修閘門為直立式閘門，寬六．八公尺、

高七．七公尺。最低運轉水位為標高二百零二．五公尺。最大放水流量為一千零七十秒立方公尺。

2. 取出水工：

(1) 取水塔：斜依式取水塔，位於大壩左岸，後接發電放水路及永久河道放水道。

A. 發電放水路取水閘門：寬三．二公尺、高五．○公尺固定輪閘門一座，進口中心標高一百六十五公尺。

B. 永久河道放水道取水閘門：寬三．二公尺、高六．二公尺固定輪閘門一座，進口中心標高一百五十五公尺。

(2) 發電放水路：出口設垂直滑動閘門一座，寬六．○公尺、高四．

五公尺，進口中心標高一百六十五公尺，設計流量五十六秒立方公尺。

(3) 永久河道放水道：出口設射流閘門及環滑閘門各二組，閘門直徑一．九五公尺，進口中心標高一百五十五公尺。最大放水流量為一百八十秒立方公尺。

3. 發電廠：裝機容量五萬瓩，經由發電放水路供水發電，最低發電水位標高一百七十一公尺。

(三) 防淤隧道閘門操作規定如下：

1. 控制閘門：平時全閉，配合水庫防洪運轉、調節性放水或排除泥砂時開啟。

2. 維修閘門：平時全開，於控制閘門需要檢修維護時關閉之。

3. 控制閘門開度與流量關係曲線如附圖二。

4. 閘門開度每小時得調整一次，緊急運轉時不受此限。

(四) 取出水工閘門操作規定：

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1. 取水塔閘門：

(1) 發電放水路取水閘門：平時開啟，於壓力鋼管、水輪機受損或壓力鋼管及發電機組檢修維護時全閉。

(2) 永久河道放水道取水閘門：平時開啟，於永久河道放水道或出口射流閘門及環滑閘門檢修維護時全閉。

2. 發電放水路尾水閘門：平時開啟，於發電機組檢修維護時全閉。

3. 永久河道放水道放水閘門：

(1) 射流閘門：為控制閘門，平時全閉，於發電機組檢修維護、水庫水位低於標高一百七十一公尺無法發電放水、配合水庫防洪運轉、調節性放水或排除泥砂時開啟。開啟時可單閘操作或雙閘同步操作。射流閘門開度與流量關係曲線如附圖三及附圖四。

(2) 環滑閘門：為維修閘門，平時全開，於射流閘門需要檢修維護時關閉之。

(五) 各水門操作方式如下：

1. 溢洪道閘門：以現場電動操作為原則，並得以大壩閘控室遙控電動操作。

2. 防淤隧道閘門：以現場電動操作為主，以遙控電動操作為輔。

3. 取出水工閘門。

(1) 發電進水口閘門：平時以遙控電動操作，檢修設備或測試時改為現場電動操作。

(2) 永久河道放水道進水口閘門：現場電動操作。

(3) 發電尾水閘門：現場電動操作。

(4) 永久河道放水道出口射流閘門及環滑閘門：現場電動操作。

(六) 放水警報之配合操作規定如下：

1. 執行調節性放水或防洪運轉，經溢洪道、防淤隧道或取出水工放水至下游時，於預定放水前二小時，應對下游發布放水警報至開始放水後三十分鐘止，並依本水庫運用要點規定通知或通報相關單位。

2. 曾文發電廠開始取水發電或開啟防淤隧道閘門、永久河道放水

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道射流閘門前一小時，由曾文發電廠實施放水廣播。

3. 開啟溢洪道閘門、防淤隧道閘門、永久河道放水道射流閘門及曾文發電廠實施發電放水後，閘門開度之調整或增減放流量時，

不再發布警報、廣播、通知或通報。

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(七) 本水庫各水門操作情形應確實記錄。

(八) 本水庫各水門檢查及維護，應確實依照規定辦理。

(九) 本水庫運轉操作中，如遇緊急事故或異常狀況時，應採取必要之應變措施，事後應陳報本部水利署備查。

2.3 曾文水庫 PRO 運轉時風速資料分析

為了解 PRO 運轉時通氣隧道與施工維護隧道補氣流速，於通氣隧道及施工維護隧道各設置一處觀測點，監測位置如圖2.3-1，另補氣風速資料則如圖2.3-2所示，當二座射流閘門開度同為32%(流量共50cms)時，施工維護隧道入口與通氣隧道入口最高補氣風速分別為29.2及26km/hr，當 PRO 流量達100cms 時，則風速分別為82.2及72km/hr，當閘門全開，

PRO 流量達167cms 時最高補氣風速分別達118.7及78km/hr，各組風速資料都顯示施工維護隧道之補氣量較通氣隧道高，且在閘門全開情況前者最大風速約為後者的1.5倍，故判斷此差異可能源自於 PRO 操作維護隧道提供部份通氣量，通氣速度約40km/hr(118.7-78)是在可接受範圍。另 PRO 操作時亦有注意到#2導水隧道風速，惟因該隧道斷面積大，風速有限，沒列入記錄。

施工維護隧道及通氣隧道斷面積同為22.3m²，若以風速118.7km/hr 為平均風速，則可得空氣流量 Qa=(118.7/3.6)×22.3=735.3m³/s 與 PRO 放水量 Qw167m³/s 相較，Qa/Qw=4.4，換言之，每立方公尺的射流約挾帶4.4 m³的空氣。

由測試流量與補氣量繪製其相關性，如圖2.3-3所示，通氣隧道補氣量與 PRO 放流量之間的相關性則無明顯趨勢，但施工維護隧道之 Qa 與 PRO Qw則有Qa=7.23Qw0.8855之關係，其相關係數為 R²=0.8854。

表2.3-1為國際採用的英國 Beaufort 將軍於1805年制定之風級分類，

可見118.7km/hr=32.97m/s 相當於12級風，屬颶風等級(依中央氣象局颱風強度劃分標準已達到中度颱風等級)，而78km/hr=21.67m/s 屬9級風(依中央氣象局颱風強度劃分標準為輕度颱風等級)，兩者對行人安全都有威脅性，

考量操作維護人員檢視及本工程施工通行，風速過高問題應予改善以策安全。

(27)

2-19

表2.3-1 Beaufort 風級分類

級數風的名稱風的說明風速m/s km/hr

0 無風毫無風的感覺，炊煙筆直向上。 0~0.2 <1 1 軟風炊煙斜升，可看出風向。 0.3~1.5 1~5 2 輕風有風吹在臉上的感覺，樹葉搖動。 1.6~3.3 6~11 3 微風樹葉與小樹枝被吹動。 3.4~5.4 12~19 4 和風旗幟飄動不止，紙張飛揚，且有風沙。 5.5~7.9 20~28 5 清風池塘的水面波浪起伏。 8.0~10.7 29~38 6 強風張傘困難，大樹枝搖動，電線被吹的呼呼作響。 10.8~13.8 39~49 7 疾風樹全身搖動，逆風行走困難。 13.9~17.1 50~61 8 大風寸步難行，樹枝被拆斷。 17.2~20.7 62~74 9 烈風煙囪被吹倒，屋頂瓦片被吹翻。 20.8~24.4 75~88 10 狂風樹木被連根拔起，房屋會遭受嚴重災害。 24.5~28.4 89~102 11 暴風風力更強，許多建築物被吹壞。 28.5~32.6 103~117

12 颶風災害更大 32.7~36.9 118~133

13 颶風 37.0~41.4 134~149

14 颶風 41.5~46.1 150~166

15 颶風 46.2~50.9 167~183

16 颶風 51.0~56.0 184~202

17 颶風 56.1~61.2 203~220

註：依據中央氣象局對颱風強度之劃分，

輕度颱風中心附近最大風速17.2~32.6m/s，相當於8級至11級風。

中度颱風中心附近最大風速32.7~50.9m/s，相當於12級至15級風。

強烈颱風中心附近最大風速51m/s以上，相當於16級風以上。

(28)

2-20

圖2.3-1 PRO 進出通道及通氣隧道平面圖

(29)

2-21

閘門開度32% 閘門開度54.5% 閘門開度100%

資料來源：曾文水庫永久河道放水道改建防淤設施工程-出水工保固修復改正工作出水工測試作業第二天(2/24)測試情形報告，經濟部水利署南區水資源局，民國105年

圖2.3-2 補氣量風速記錄表

(30)

2-22

圖2.3-3 PRO 放流量與施工維護道路補氣量關係圖

(31)

2-23

2.4 通氣隧道風速現況模擬分析

曾文水庫 PRO 內的流場三維數值分析為多相流的範疇，參與計算的流體有水和空氣二相。本案採用 CFX 軟體，其具有完整、可靠且穩定的多相流模型系統，可以模擬離散相與連續相間相互作用的質量、動量與能量的傳遞問題，例如在不同介質流體的接觸面上可以處理多相流體的容積分率，因此相當適合用在多相流體水理分析中有自由液面（氣液兩相）及其它水理相關議題的數值模擬。CFX 也應用於國內的水庫模擬領域，如德基水庫淤積模擬、翡翠水庫泥沙運移特性解析、曾文水庫集水區漂流木潛勢分析、石門水庫的各項水工設施及後池的流場分析等。CFX 理論、模式選用標準與其應用範圍詳見附錄一所述。

本案使用三維數值模式模擬分析曾文水庫 PRO 防淤改善工程，做為設計參考。分別執行兩種施工維護隧道出口條件案例，以下分述三維模式模擬之物理、數值、邊界條件的設定與假設及初步的模擬分析結果討論。

一、物理、數值及邊界條件分析

在本案中，水庫自由液面屬於水與空氣之二相流體，此外，其流體差異主要在密度與黏滯性不同，但其流體運動特性相同，因此可以採用相同的紊流模式。三維數值模擬分析的物理數值條件如下：(可參考圖2.4-1)

(一) 假設流體為雙相流，所求解空氣（密度為1.273 kg/m³）和水（密度為997 kg/m³）的交界面即河道自由液面的位置。

(二) 假設流體為不可壓縮流，且為牛頓流體。

(三) 考慮重力場及紊流場（k-epsilon model）。

(四) #1導水隧道下游邊界條件設為 opening， P=1大氣壓。

(五) 施工維護隧道邊界條件為二，Case1設定為 P=1大氣壓。Case2設定為量測風速87.6 Km/hr。

(六) 探討 PRO 放流水理特性，計畫採用穩態模擬。

(七) PRO 總放流量167cms

(八) 假設邊界條件延長100公尺，使其流場發展為完全擴展層流。

(32)

2-24

圖2.4-1 三維數值模擬模型及邊界條件示意圖 二、幾何模型及網格建置

根據103年曾文水庫 PRO 防淤改善工程水工模型試驗成果報告中的2^nd修改方案二的案例模型，並參考各設施設計圖，利用 ICEMCFD 軟體進行建置模擬區域。因為計算範圍較大，所以計算網格採用混合式網格建置，包含六面體、五面體及四面體非結構網格，以節省時間計算時間，網格總數為156萬計算網格，模型及網格請參考圖2.4-2所示。

圖2.4-2 三維數值模擬網格圖

(33)

2-25

三、模擬結果分析

本案共執行兩個現況模擬，Case1為施工維護隧道出口邊界條件為1大氣壓力，Case2為施工維護隧道出口邊界條件為量測風速87.6 Km/hr。計算結果顯示 PRO 總放流量167cms，進入消能室後，水柱的速度最高10 m/s 左右，如圖2.4-3所示。兩個方案在水流現象並無太大的不同，水流直接衝擊第一座尾檻，越過第一座尾檻後，在第二座尾檻形成一個水躍。圖2.4-4為#1導水隧道水流速度剖面分布圖。

由於模擬範圍距離非常長，並且有隧道有曲率，無法單一切剖面進行討論，所以將每條隧道切成數塊剖面進行現象討論，圖2.4-5及 2.4-6為 Case1及 Case2兩個案例的整體範圍模擬結果空氣剖面速度分布圖，由分析成果圖顯示，PRO 放流時水流自#1導水隧道流入，因此從通氣隧道補氣進入#1導水隧道，當空氣自#2導水隧道進入通氣隧道時，因斷面積束縮，壓力變小，風速變快，最高風速位置出現在#2導水隧道與通氣隧道交匯處。本案利用與實測補氣量風速做比對驗證，

以驗證三維數值模擬分析結果之準確度。

圖2.4-3 #1導水隧道水面速度分布圖

(34)

2-26

圖2.4-4 #1導水隧道水流速度剖面分布圖

圖2.4-5 Case1模擬範圍空氣剖面分布圖

(35)

2-27

圖2.4-6 Case2模擬範圍空氣剖面分布圖

本案利用「曾文水庫永久河道放水道改建防淤設施工程-出水工保固修復改正工作」出水工測試作業(105年2月23~24日)測試時 PRO 兩道閘門完全開啟下之實際補氣紀錄為比對標準。依據測試報告#2導水隧道進入通氣隧道的量測點實測風速為62 Km/hr。模擬結果在 Case1 案例中空氣速度為45.97 Km/hr，因為此案例在施工維護隧道出口並沒有給定背壓，當作出口就是大氣壓力，所以空氣速度偏低。Case2案例中空氣速度為61.37 Km/hr，與實測風速相近。PRO 啟閉操作模擬成果說明如下：

(一) 於#2導水隧道進入通氣隧道觀測點，在此位置由#2導水隧道進入通氣隧道時斷面積速縮，壓力變小，風速變快。PRO 啟閉操作過程中 Case1案例的最高風速為100.51 Km/hr，而 Case2案例的最高風速來到140.08 Km/hr，如圖2.4-7所示。

(二) 施工維護隧道進入#2導水隧道，斷面積突擴，造成空氣速度進入

#2導水隧道削減，在施工維護隧道口模擬結果， Case1案例速度為65.2 Km/hr，而 Case2案例為87.62 Km/hr，Case2案例較接近實測值的87.6 Km/hr，如圖2.4-8所示。

(36)

2-28

圖2.4-7 #2導水隧道進入通氣隧道空氣剖面速度分布圖

圖2.4-8 施工維護隧道進入#2導水隧道空氣剖面速度分布圖

(37)

3-1

第三章 PRO 防淤運轉降低隧道風速之策略

3.1 PRO 防淤運轉所需通氣斷面積評估

曾文水庫為增進防淤功能，已將原有二座 PRO(永久河道放水道)之何本閥改為全水流斷面的射流閘門，連帶的也配合新設閘門更改下游消能工。

為施工需求該工程興建有施工維護隧道及 PRO 操作維護隧道平面，如圖 2.3-1所示。此外，於 PRO 操作維護隧道的下游側亦興建通氣隧道，三條隧道皆為5m(W)×5m(H)的門型隧道，斷面積22.3m²。於民國105年2月24 運轉測試時，發現 PRO 防淤運轉主要通風路徑係由施工維護隧道至#2導水隧道，再分由通氣隧道(大部分)與 PRO 操作維護隧道(小部分)進行補氣示意如圖3.1-1。測試作業顯示施工維護隧道風速最高達118.7km/hr(12級颶風)，而通氣隧道最大風速達78km/hr(9級烈風)。施工維護隧道及通氣隧道之風速過高，運轉時若有人員於該等隧道內進出有安全之虞，因此需予以改善並將改善工程列入本聯通管計畫之 A1標。各隧道設施通氣風速所需斷面積評估如后。

一、降低施工維護隧道風速之方案：曾文南化聯通管在#2導水隧道興建時必須將該隧道內既有封牆拆除，並於#2導水隧道出口設置防洪牆如圖 3.1-2及3.1-3所示，此時#2導水隧道即與外部聯通，可解決施工維護隧道及通氣隧道等高風速的問題。

圖3.1-1 PRO 補氣路徑示意圖

(38)

3-2

圖3.1-2 A1標#2導水隧道出口佈置圖

(39)

3-3

圖3.1-3 A1標#2導水隧道出口防洪牆加高詳圖

(40)

3-4

二、降低通氣隧道風速之方案：建議直接由消能室增設與外部聯結之通氣設施，或擴大既有通氣隧道斷面。初步改善所需通氣斷面積如下：

(一)採用6級風為設計目標，並以風速50km/hr=13.8m/s 為設計標準。

(二)測試時量得之最大風速為78km/hr，但估算風量時採通氣隧道平均風速80km/hr，故可得風量 Qa=(80/3.6)*22.3=496m³/s。增加通風斷面時必須在50km/hr 時達到此風量。

(三)所需斷面積為 Aa=496/13.8=35.94m²，採36.0m²。

(四)所需新增通氣斷面積 Aa=36-22.3=13.7m²，相當於約4.2m 的圓形斷面通氣管。

三、PRO 操作維護隧道風速約46km/hr 屬6級強風故尚符合設計目標，毋需改善。

3.2 改善方案研擬

3.1節所提出 PRO 運轉時降低施工維護隧道風速的策略是配合聯通管的興建打開#2導水隧道的封牆，大幅增加該處整體出入隧道的斷面積，至於降低通氣隧道風速的方案則採新增通氣隧道或擴挖既有通氣隧道的斷面，

使該通氣斷面至少達36m²，改善方案研擬三個構想如后。

一、方案一：新建通氣豎井

本方案為於消能室上方打鑿一豎井，依現有地形圖估算此豎井高度約150m，基於施工需求初步採用內徑 D=5.5m，本豎井與各設施及 PRO 消能室的相關位置如圖3.2-1及圖3.2-2，豎井斷面請參見如圖3.2- 3。

圖3.2-4為依1/5,000航照圖繪製之#2導水隧道上方地形圖，可見欲達豎井頂部位置有一條與環湖道路相接的山路，圖3.2-5為此一山路的縱剖面圖，此山路的上游段相當陡峭，車輛行駛、機具搬運、物料運送或棄碴的搬運等都較為不易，部份路段亦需改善以利施工。

二、方案二：新建通氣豎井-隧道-豎井複合式方案

(41)

3-5

本方案於曾文#1導水隧道上方打鑿一高度35m、內徑 D=5.5m 豎井，銜接水平隧道長約67.31m、5.5 m 寬之門型隧道施作，隧道末端擴挖10m×10m 及高度5m 之空間作為往下打鑿一豎井高度74.28m，

直徑5.5m 之複合式方案。本方案與各設施及 PRO 消能室的相關位置如圖3.2-1、圖3.2-2及豎井斷面如圖3.2-3，隧道斷面請參見圖3.2-1。

由於豎井佔用部份道路空間，因此將在道路下邊坡適當距離施作擋土排樁以恢復既有道路路寬。

三、方案三：擴大既有通氣隧道

圖3.2-7顯示#1導水隧道、#2導水隧道、通氣隧道、PRO 操作維護隧道、電廠水道及電廠通達廊道透視圖(曾文水庫興建時 PRO 消能室開鑿有1.5m(W)× 2.0m(H)的門型通氣隧道，但在 PRO 改建時，此隧道已與新建通氣隧道合併，故不列入)。圖3.2-8則顯示通氣隧道擴挖與既有結構的相關性，在斷面圖可見新建的通氣隧道與電廠水道相當靠近，兩者淨間距6.26m，圖3.2-9顯示電廠水道斷面圖。該水道內徑3.8m，外加鋼襯及0.7m 的混凝土襯砌。

依3.1節所做的分析，通氣隧道需增加的斷面積13.7m²，為達此標的，初步建議將新建通氣隧道降挖1.0m，並由半徑2.50m 擴挖為半徑3.20m 之門型隧道，如圖3.2-10所示，所得之斷面積為36.5m²，略大於36.0m²的需求值。此布置將改建的通氣隧道與電廠水道淨間距由

6.26m 縮至 5.05m 。

(42)

3-6

圖3.2-1 PRO 改善通氣方案平剖面圖

(43)

3-7

圖3.2-2 PRO 通氣改善方案縱斷面圖

圖3.2-3 豎井斷面標準圖

(44)

3-8

圖3.2-4 豎井方案施工道路平面圖

(45)

3-9

圖3.2-5 豎井方案施工道路縱斷面圖

(46)

3-10

圖3.2-6 水平隧道斷面圖

(47)

3-11

圖3.2-7 既有施工通氣隧道與鄰近隧道透視圖

(48)

3-12

圖3.2-8 PRO 通氣隧道擴挖方案布置圖 通氣隧道擴挖方案

(49)

3-13

圖3.2-9 電廠水道斷面圖

圖3.2-10 方案三：PRO 通氣斷面標準圖

(50)

3-14

3.3 工程費估算

PRO 通氣隧道改善研擬三個方案，方案一為豎井工程，豎井高度約 150m，直徑5.5m，方案二為豎井-隧道-豎井複合式工程，兩座豎井高度分別為35m 及74.28m，直徑皆為5.5m，而水平隧道長67.31m 之5.5m 寬門型隧道，而方案三為既有通氣隧道5.0m 寬門型隧道擴挖為6.4m 寬門型隧道，各方案工程費估算如表3.3-1~表3.3-3所示。

表3.3-1 方案一豎井工程經費估算表(1/2)

項目說明單位數量單價複價附註

一、豎井工程(方案一)

(一)豎井工程 (以第Ⅲ岩體，內徑 D= 5.50 m ，井深度 L＝ 150.00 m 估算)

1.岩石開挖(洞內機械開挖) M³ 5,451.00 3,710.00 20,223,210

2.豎井出土費 M³ 5,451.00 1,224.00 6,672,024

3.運棄方(100M³) [運距15Km 以上] M³ 5,451.00 610.00 3,325,110

4.140kg/cm²預拌混凝土及洞內澆注 M³ 10.00 2,827.94 28,279

5.210kg/cm²預拌混凝土及洞內澆注 M³ 1,413.00 2,814.51 3,976,903

6.鋼模(一般) M² 10,628.00 822.12 8,737,491

7.洞內鋼筋加工及組立 Ton 166.00 35,093.51 5,825,523

8.固結灌漿包 85.00 594.95 50,571

9.拱頂回填灌漿 M³ 71.00 5,644.00 400,724

10.壓力灌漿 M³ 57.00 10,500.00 598,500

11.樹脂岩栓 (φ25mm L=2~4m) M 2,362.00 860.00 2,031,320

12.自鑽式岩栓 M 1,575.00 580.00 913,500

13.桁型鋼支保 M 39.00 52,340.95 2,041,297

14.鋼支保 (H-125*125) 組/M 1,929.00 1,399.00 2,698,671

15.衝擊式鑽孔 φ=37mm M 2,362.00 240.00 566,880

16.隔幕灌漿 M 14,698.00 1,620.00 23,810,760

17.隧道洞內噴凝土 (厚度 t=15cm) M² 2,460.00 2,718.07 6,686,452

小計 88,587,215

每公尺造價 M ^{內襯及閘墩} 123,787.97 590,581

開挖支撐 466,793.03

(二)工區連外道路整地土建 (以平均路寬 W= 3.50 m ，整闢長度 L＝ 400.00 m 估算)

1.清除與掘除，t=30cm M² 420.00 100.00 42,000

2.岩石開挖(露天機械) M³ 315.00 345.00 108,675

3.挖方(機械) M³ 1,020.00 54.00 55,080

4.近運利用回填方 [運距100m] M³ 401.00 77.00 30,877

5.構造物回填夯實 M³ 200.00 170.00 34,000

(51)

3-15

表3.3-1 方案一豎井工程經費估算表(2/2)

6.餘方遠運處理(指定地點) [運距

2Km] M³ 1,193.00 150.00 178,950

7.210kg/cm²預拌混凝土及澆注 M³ 350.00 2,814.51 985,079

8.140kg/cm²預拌混凝土及澆注 M³ 140.00 2,582.94 361,612

9.乙種清水模型(使用6次) m² 560.00 610 341,527

10.丙種模型(使用8次) M² 140.00 496.22 69,471

11.鋼筋加工及組立 Ton 42.00 34,353.51 1,442,847

12.綠化植生 m² 2,100.00 380.00 798,000

小計 4,448,118 m 估算)

豎井工程(方案一)小計 93,035,333

雜項工程費（施工費項)×10％式 1 9,303,533 9,303,533

勞工安全衛生費（施工費項)×1％式 1 930,353 930,353

環境保護措施費（施工費項)×1％式 1 930,353 930,353

廠商品質管制作業費（施工費項)×0.8％式 1 744,283 744,283

小計 11,908,522

承包商管理費費率6.5％計式 1 10,202,297 10,202,297

工程保險費按年費率0.8％計式 1 833,509 833,509

營業稅按5％計式 1 5,757,308 5,757,308

發包工程費 121,736,969

工程管理費式 1 3,843,191 3,843,191

營建工程空氣污染防治費式 1 340,864 340,864

其他費用及規費式 1 277,200 277,200

總工程費 126,198,224

(52)

3-16

表3.3-2 方案二豎井-隧道-豎井複合式工程經費估算表(1/2)

上下層豎井及橫坑工程(方案二)

(一)上層豎井工程 (以第Ⅲ岩體，內徑 D= 5.50 m ，井深度 L＝ 35.00 m 估算)

1.岩石開挖(洞內機械開挖) M³ 1,272.00 3,710.00 4,719,120

2.豎井出土費 M³ 1,272.00 1,224.00 1,556,928

3.運棄方(100M³) [運距15Km 以上] M³ 1,272.00 610.00 775,920

6.鋼模(一般) M² 725.00 822.12 596,037

7.洞內鋼筋加工及組立 Ton 39.00 35,093.51 1,368,647

8.固結灌漿包 21.00 594.95 12,494

9.拱頂回填灌漿 M³ 17.00 5,644.00 95,948

10.壓力灌漿 M³ 13.00 10,500.00 136,500

11.樹脂岩栓 (φ25mm L=2~4m) M 551.00 860.00 473,860

12.自鑽式岩栓 M 367.00 580.00 212,860

13.桁型鋼支保 M 9.00 52,340.95 471,069

14.鋼支保 (H-125*125) 組/M 450.00 1,399.00 629,550

15.衝擊式鑽孔 φ=37mm M 551.00 240.00 132,240

16.隔幕灌漿 M 1,886.00 1,620.00 3,055,320

17.隧道洞內噴凝土 (厚度 t=15cm) M² 574.00 2,718.07 1,560,172

小計 16,733,937

每公尺造價 M 內襯及閘墩 82,913.03 478,112

開挖支撐 395,198.97

(二)橫坑工程 (以第Ⅲ岩體，內徑 D= 5.50 m ，隧道長度 L＝ 67.31 m 估算)

1.岩石開挖(洞內機械開挖) M³ 2,280.00 3,710.00 8,458,800

2.隧道洞內土石搬運 M³ 2,280.00 610.00 1,390,800

3.運棄方(100M3) [運距5Km 以上] M³ 2,280.00 550.00 1,254,000

5.280kg/cm²預拌混凝土及洞內澆注 M³ 613.00 3,301.08 2,023,562

6.鋼模(一般) M² 1,303.00 822.12 1,071,222

7.洞內鋼筋加工及組立 Ton 72.00 35,093.51 2,526,733

8.固結灌漿包 37.00 594.95 22,013

9.拱頂回填灌漿 M³ 31.00 5,644.00 174,964

10.壓力灌漿 M³ 25.00 10,500.00 262,500

11.樹脂岩栓 (φ25mm L=2~4m) M 1,060.00 860.00 911,600

12.自鑽式岩栓 M 707.00 580.00 410,060

13.桁型鋼支保 M 18.00 52,340.95 942,137

14.鋼支保 (H-125*125) 組/M 866.00 1,399.00 1,211,534

15.衝擊式鑽孔 φ=37mm M 1,060.00 240.00 254,400

16.隧道洞內噴凝土 (厚度 t=15cm) M² 1,104.00 2,718.07 3,000,749

小計 24,096,062

每公尺造價 M 內襯 86,205.69 357,986

開挖支撐 271,780.31

(53)

3-17

表3.3-2 方案二豎井-隧道-豎井複合式工程經費估算表(2/2)

(三)下層豎井工程 (以第Ⅲ岩體，內徑 D= 5.50 m ，井深度 L＝ 74.28 m 估算)

1.岩石開挖(洞內機械開挖) M³ 2,516.00 3,710.00 9,334,360

2.豎井出土費 M³ 2,516.00 1,224.00 3,079,584

3.運棄方(100M³) [運距15Km 以上] M³ 2,516.00 610.00 1,534,760

5.210kg/cm²預拌混凝土及洞內澆注 M³ 700.00 2,814.51 1,970,157

6.鋼模(一般) M² 5,183.00 822.12 4,261,048

7.洞內鋼筋加工及組立 Ton 82.00 35,093.51 2,877,668

8.固結灌漿包 42.00 594.95 24,988

9.拱頂回填灌漿 M³ 35.00 5,644.00 197,540

10.壓力灌漿 M³ 28.00 10,500.00 294,000

11.樹脂岩栓 (φ25mm L=2~4m) M 1,170.00 860.00 1,006,200

12.自鑽式岩栓 M 780.00 580.00 452,400

13.桁型鋼支保 M 19.00 52,340.95 994,478

14.鋼支保 (H-125*125) 組/M 955.00 1,399.00 1,336,045

15.衝擊式鑽孔 φ=37mm M 1,170.00 240.00 280,800

16.隔幕灌漿 M 4,063.00 1,620.00 6,582,060

17.隧道洞內噴凝土 (厚度 t=15cm) M² 1,218.00 2,718.07 3,310,609

小計 37,576,288

每公尺造價 M 內襯及閘墩 123,161.87 505,874

開挖支撐 382,712.13

上下層豎井及橫坑工程(方案二)小計 78,406,287

雜項工程費（施工費項)×10％式 1 7,840,629 7,840,629

勞工安全衛生費（施工費項)×1％式 1 784,063 784,063

環境保護措施費（施工費項)×1％式 1 784,063 784,063

廠商品質管制作業費（施工費項)×0.8％式 1 627,250 627,250

小計 10,036,005

承包商管理費費率6.5％計式 1 9,251,409 9,251,409

工程保險費按年費率0.8％計式 1 705,400 705,400

營業稅按5％計式 1 4,884,685 4,884,685

發包工程費 103,283,786

工程管理費式 1 3,618,062 3,618,062

其他費用及規費式 1 273,950 273,950

總工程費 107,464,993

(54)

3-18

(55)

3-19

表3.3-3 方案三通氣隧道擴挖工程經費估算表

5.00

通氣隧道擴挖工程(方案三) (以第Ⅲ岩體，內徑 D= 6.40 m ，隧道長度 L＝ 104.00 m 估算)

1.岩石開挖(洞內機械開挖) M³ 2,796.00 7,235.00 20,229,060

2.有筋混凝土鑿除(以機械) M³ 999.00 6,800.00 6,793,200

3.隧道洞內土石搬運 M³ 3,795.00 610.00 2,314,950

4.運棄方(100M³) [運距5Km 以上] M³ 3,795.00 550.00 2,087,250

6.350kg/cm²預拌混凝土及洞內澆注 M³ 1,594.00 3,282.65 5,232,544

7.固結灌漿包 7.00 594.95 4,165

8.拱頂回填灌漿 M³ 6.00 5,644.00 33,864

9.壓力灌漿 M³ 5.00 10,500.00 52,500

10.樹脂岩栓 (φ25mm L=2~4m) M 1,906.00 860.00 1,639,160

11.自鑽式岩栓 M 1,270.00 580.00 736,600

12.桁型鋼支保 M 32.00 52,340.95 1,674,910

13.鋼支保 (H-125*125) 組/M 1,556.00 1,399.00 2,176,844

14.衝擊式鑽孔 φ=37mm M 1,906.00 240.00 457,440

15.隧道洞內噴凝土 (厚度 t=15cm) M² 1,985.00 2,718.07 5,395,369

小計 49,155,897

每公尺造價 M 內襯 3,154.24 472,653

開挖支撐 469,498.76

雜項工程費（施工費項)×10％式 1 4,915,590 4,915,590

勞工安全衛生費（施工費項)×1％式 1 491,559 491,559

環境保護措施費（施工費項)×1％式 1 491,559 491,559

廠商品質管制作業費（施工費項)×0.8％式 1 393,247 393,247

小計 6,291,955

承包商管理費費率6.5％計式 1 7,350,133 7,350,133

工程保險費按年費率0.8％計式 1 445,503 445,503

營業稅按5％計式 1 3,162,174 3,162,174

發包工程費 66,405,662

工程管理費式 1 3,168,149 3,168,149

其他費用及規費式 1 275,400 275,400

總工程費 70,035,147

(56)

3-20

3.4 方案評估與初步建議

以下依補氣量、對既有結構安全性、工程費、施工性及法規面等五個因子，評估降低通氣隧道風速之三個方案綜合比較如表3.4-1所示。

一、補氣量

方案一豎井及方案二豎井-隧道-豎井複合式之通氣斷面積為

1

4πD²=23.7m²，方案三通氣隧道擴挖新增通氣斷面積為=36.5- 22.3=14.2m²，故方案一及方案二可補氣量較方案三為大。

二、對既有結構物之安全性

方案一對曾文環湖道路隧道為平行淨間距 24.9m ，依 Underground Excarations-書作 Hoek & Brown 所提之岩力理論，在水平向兩側隧道中心點之安全距離為D=2.5(a₁+a₂)×F_s，a₁及a₂為兩隧道之半徑F_s為安全係數。環湖道路隧道半徑7.25m，豎井開挖半徑 3.25m，所需最小安全距離為D_min=2.5×(7.25+3.25)×1=26.25m，則淨間距=26.25-7.25-3.25=15.75m，故方案一對曾文環湖道路隧道應無影響。方案二對曾文環湖道路隧道為水平淨間距25.2m，在垂直向上下之兩隧道中心點之安全距離為D=1.87(a1+a₂)×F_s，所需最小安全距離為 Dmin=1.87×(7.25+3.25)×1=19.64 ，則淨間距 =19.64-7.25- 3.25=9.14m，故方案二對曾文環湖道路隧道應無影響。方案三對電廠壓力鋼管淨平行距離 5.05m ，在水平向所需最小安全距離 Dmin=2.5×(a1+a2)×Fs=2.5× (3.8/2+3.7)×1=14m× 則淨間距為 14-^3.8₂ -3.7=8.4m，故方案三對電廠壓力鋼管影響較大。

三、工程費

(一) 方案一：總工程費約1.26億元。

(二) 方案二：總工程費約1.07億元。

(三) 方案三：總工程費約0.70億元。

以上比較顯示方案三通氣隧道擴挖方案工程費較低。

(57)

3-21

四、施工性

(一)方案一，因既有便道坡度陡及新設施工便道位於順向坡施設困難，

且豎井深達150m，施工困難度較高。

(二)方案二，因施工便利性可利用曾文環湖道路做為豎井入口，而施作時亦不影響曾文環湖道路之通行，而水平隧道與豎井交接處擴挖處理後打鑿豎井深度僅約74.28m，故施工困難度較方案一低。

(三)方案三因施工便利性，但機械擴挖因通氣隧道有筋襯砌混凝土強度 350kgf/cm²敲鑿困難高及產生震動可能影響電廠設施。

五、法規面

(一) 方案一因涉及施工道路開闢及既有道路改善，依水土保持法第12 條三項修建鐵路、公路、其他道路或溝渠等及水土保持計畫審核監督辦法第3條第三項修建鐵路、公路、農路以外之其他道路：路基寬度未滿4公尺，且長度未滿500公尺者需提簡易水土保持申報書審查，依方案一施工便道長約407m 及施工便道路寬採4m，則方案一須提簡易水土保持申報書審查。

(二) 方案二及方案三則與外界無關，對環境沒有影響，故無簡易水土保持申報書提送問題。

依據以上評估，以補氣量大，對既有結構物安全應無影響、施工性及法規面佳初步建議採用方案二，予以豎井-隧道-豎井複合式方式取得必要的通氣斷面。

(58)

3-22

表3.4-1 PRO 通氣各改善方案綜合評估

項目方案一：豎井方案二：豎井-隧道-豎

井複合式方案三：通氣隧道擴挖

補氣量新增通氣面積23.7m²相較可補氣量大

新增通氣面積23.7m²相較可補氣量大

新增通氣面積14.2m²相較可補氣量小

對既有結構物安全性

對曾文環湖道路隧道應無影響

對電廠壓力鋼管安全影響較大

總工程費 1.26億元 1.07億元 0.70億元

施工性 1.施工便道坡度陡及深井開挖施工性較差

2.施工便利性佳，施工困難度較方案一低

3.施工便利性佳及機械擴挖可施工性差

法規面提出簡易水土保持申請

書無簡易水土保持問題無簡易水土保持問題

建議 V

(59)

4-1

第四章結論與建議

一、曾文水庫底孔洩水排砂主要有 PRO 及新建防淤隧道等結構物設施，

為維持曾文水庫有效庫容目標，水力排砂及浚渫清淤為其主要手段，

因此 PRO 為排除水口附近淤砂使水庫能順利供水運轉，故 PRO 在汛洪期經常性運轉實屬有必要性。

二、PRO 已由荷本閥改為全斷面通水之射流閘門，但因補氣風速過高影響人員進出安全，而本聯通管工程在運轉維護期間人員進出亦將受其影響，故本工程A1標建議納入 PRO 通氣改善工程有有其需要性。

三、PRO 通氣主要途徑為由施工維護隧道至#2導水隧道，再大部分由通氣隧道及小部分 PRO 操作維護隧進行補氣。而施工維護隧道通斷面積不足可由打開#2導水隧道封牆解決，PRO 操作維護隧道及#2導水隧道之風速屬6級風毋需改善，通氣隧道風速改善方案建議直接由消能室增設與外部聯結之通氣設施，或擴大既有通氣隧道斷面等方案評估。

四、通氣設施建議採6級風為設計目標，研擬通氣隧道風速改善方案，方案一為豎井工程直徑5.5m，方案二為豎井/隧道/豎井複合式工程直徑 5.5m，方案三為通氣隧道擴挖至6.4m 寬門型隧道，三個方案皆可有效降低通氣隧道風速在6級風範圍內。

五、本案以補氣量、對既有結構物安全、工程費、施工性及法規面等五個因子評估，建議採用補氣量大，對既有結構物無影響、施工性及法規面佳之方案二，豎井 - 隧道 - 豎井複合式方案。

(60)

參-1

參考文獻

1. 「曾文及南化水庫聯合運用可行性規劃」，經濟部水利署水利規劃試驗所，民國91年。

2. 「曾文南化水庫聯通管輸水工程可行性分析」，經濟部水利署水利規劃試驗所，民國102年。

3. 「曾文水庫永久河道放水道改建防淤設施工程」竣工圖，民國104年。

4. 「曾文南化聯通管工程計畫-基本設計報告」，經濟部水利署南區水資源局，民國107年。

5. 「曾文南化聯通管工程」基本設計圖，民國107年。

6. 「曾文南化聯通管工程設計及環境影響檢討-成果報告」，經濟部水利署南區水資源局，民國108年。

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

(61)

附錄一 ANSYS CFX 理論與應用

(62)

附1-1

附錄一 ANSYS CFX 理論與應用

一、三維數值模式之發展與應用

目前商業版泛用型三維計算流體力學軟體已被廣泛地應用到工業界處理複雜的三維流場問題，其中包括壓縮及不可壓縮流場、

層流與紊流、暫態與穩態流場、化學變化、多相流、濃度計算、

燃燒熱傳、輻射…等功能。而且針對軟體功能的延展性，一般泛用型商業版軟體也提供了相當多且具彈性的使用者副程式（Users Subroutines），可供使用者動態改變所需的物理參數與邊界條件設定，以符合實際的物理問題。因此，本模式曾採用商業版泛用型三維計算流體力學軟體來模擬石岡壩水理之三維流場與壓力場。

目前國內常用之商業版泛用型三維計算流體力學軟體大致可分為 ANSYS CFX、ANSYS Fluent、CFD-ACE+以及 Flow3D 等，

其簡介如表4-1所示。基本上，各家軟體可適用的範圍都相當廣泛，

因此軟體的選擇將取決於建模的難易度以及使用者的熟悉程度，

在水利計算中常用的軟體為 ANSYS CFX、ANSYS Fluent 和 Flow3D。ANSYS CFX 進行流場之分析，其數值方法是採用有限體積法及 Van Doormaal 所提出的二階線性斜上游差分法及物理移位校正法，該方法為 Raithby 的斜上游差分法的改進，採用此方法的好處是有明確的物理意義，積分點的近似值沿著流線方向所求出，因此可減低因流線與差分方向相異而產生的誤差，如此不僅可增快收斂速度，準確度也可提高。ANSYS Fluent 是美國 Fluent 公司所發展的三維計算流體力學軟體，此軟體已廣泛地被用在空氣動力學(如飛機流場、汽車流場…)、工業工程及建築通風設計、多相流場等。使用 finite volume、pressure based 三維計算流體力學軟體。此外，在壓力項求解方面，則可採用 SIMPLE、

SIMPLEC 或 PISO 等數值方法，而紊流模式則可採用或紊流模式，但使用者操作門檻較高。FLOW3D 軟體專長在模擬具

ε

k

−

k

−

ω

(63)

附1-2

有自由液面流場模擬分析(以 VOF 法模擬分析)，以卡氏座標網格模擬計算簡化使用者花費過多時間在分析前處理網格製作。 FLOW3D 在操作設定上非常簡便，網格製作使用卡氏座標網格。

但是，卡氏座標網格在流場變化不大區域依然細化網格，造成計算量龐大導致分析時間過長。三套軟體的優缺點比較表如表4-2所示。

表4-1 商業版泛用型三維計算流體力學軟體簡介

軟體簡介

ANSYS CFX

CFX 是由英國 AEA 公司所開發的計算流體力學軟體，其強大的圖形界面功能可節省傳統 CFD 計算條件設定的時間，搭配新的外型與網格建立模組ICEM CFD，可快速建立複雜的幾何外型並產生計算網格，具不相稱網格交界面處理能力，可計算具有multiple frame of reference、

紊流、燃燒與輻射、兩相流、自由液面等特徵的流場。

ANSYS Fluent

FLUENT 是美國 Fluent 公司所發展的三維計算流體力學軟體，此軟體已廣泛地被用在空氣動力學(如飛機流場、汽車流場…)、工業工程及建築通風設計、多相流場等，而目前最新的版本(Fluent 6.2)則含有電漿流場與噪音計算等功能。FLUENT 是一泛用型 finite volume、pressure based 三維計算流體力學軟體，網格可為結構性與非結構性網格。

CFD-ACE+

CFD-ACE+ 是美國 CFDRC (CFD Research Corporation)公司所發展的三維計算流體力學軟體，此軟體已廣泛地被用在空氣動力學(如飛機流場、

汽車流場…)、工業工程及建築通風設計、半導體設計、流場結構耦合計算、電漿流場、流場結構電場耦合計算等等。CFD-ACE 是一泛用型 finite volume、pressure based 三維計算流體力學軟體，網格可為結構性與非結構性網格。

Flow3D

FLOW3D 其 CFD 之解算技術 True V.O.F.在實務問題的擬真與計算結果有極高的準確度。其特別的 FAVOR 技巧更是針對自由液面（Free surface）如常見的金屬壓鑄(Metal Casting)與大地水利學等複雜問題提供了高精度、高效率的解答。

(64)

附1-3

表4-2 商業版泛用型三維計算流體力學軟體簡介(1/2)

軟體 CFX Flow3D Fluent

軟體介紹 CFX 是由英國 AEA 公司所開發的計算流體力學軟體，其強大的圖形界面功能可節省傳統 CFD 計算條件設定的時間，搭配新的外型與網格建立模組 ICEM CFD4. CFX，可快速建立複雜的幾何外型並產生計算網格，具不相稱網格交界面處理能力，可計算具有 multiple frame of reference、紊流、燃燒與輻射、兩相流、自由液面等特徵的流場。

FLOW3D 軟體專長在模擬具有自由液面流場模擬分析(以 VOF 法模擬分析)，以卡氏座標網格模擬計算簡化使用者花費過多時間在分析前處理網格製作。FLOW3D 在操作設定上非常簡便，網格製作使用卡氏座標網格。

FLUENT 是美國 Fluent 公司所發展的三維計算流體力學軟體，此軟體已廣泛地被用在空氣動力學(如飛機流場、汽車流場…) 、工業工程及建築通風設計、多相流場等，而目前最新的版本 (Fluent 14)則含有電漿流場與噪音計算等功能。FLUENT 是一泛用型 finite volume、pressure based 三維計算流體力學軟體，網格可為結構性與非結構性網格。