水庫大壩規劃設計 回顧經驗談

一、前言

目前地球氣候變異，頻發生久旱不雨，臺灣有很多水庫常乾枯見底，存水不多，需要限水供應自來水，造成生活不便。大家也許都很想知道有關水庫大壩以及其供水等的問題。筆者是土木水利工程師，曾參與國內外水庫和水壩的規劃設計興建工作，本文謹以昔日參與翡翠水庫大壩的規劃設計工作為例，提供大家參考。

二、水庫和大壩的一般規劃工作程序

水庫地點首要考慮是河流的流量要豐富，水庫地形要廣大開闊，而建壩地點的地形地質條件要良好。因此規劃工作的第一步是壩址勘查和選定，之後規劃工作程序及各類工程師的工作任務，大致如下：

1.地質師進駐水庫地區的深山河谷，調查壩址地質，進行地質鑽探，提取岩心送試驗室，以瞭解壩址的岩性和強度，並勘查壩址附近有沒有不良的斷層和弱帶等。

2.水利工程師進行下列工作：

●蒐集水庫集水區的水文紀錄，包括雨量、流量和洪水等資料。

●進行水文分析，根據供水目標之量，推估水庫需要開發規模(即水庫容量)。

●與各類工程師一同進行大壩及排洪設施等的工程佈置，並辦理水理設計和水工模型試驗等。

●研究和制訂水庫日後的運用操作規範，作為水庫調蓄和供水調度的操作依據。

3.地工工程師，分析水庫蓄水後大壩基礎是否穏定安全，據以進行大壩的基礎處理等改善工作。

4.地震專家，調查鄰近水庫地區的活動斷層和推測其可能的地震規模，供土木結構工程師進行大壩等結構物的詳細設計。

5.材料工程師，勘查壩址附近可供開採利用的築壩材料並勘驗品質。

6.估價師，計算工程建造等費用；財經專家，進行經濟分析，如計算水庫的原水成本及投資報酬率，並依收取水費，分析要幾年後才能回收水庫和大壩的投資成本等。

三、水庫開發規模確定

水庫一般係為供應農業、民生、工業、發電等用水而興建，也有為防洪及航運等目的，因此有單目標和多目標水庫。翡翠水庫為單目標水庫，係為供應臺北市民國119年為計畫目標年的用水需求而興建。其小發電廠為附帶發電用，並非為水庫開發目的而興建。長江三峽大壩的水庫為多目標水庫，有供水、發電、航運、防洪等多項目的。

如果水庫開發規模很大，當然能達到上述興建水庫的目的，但工程費用龐大，也可能因為水庫的庫容太大，沒有那麼多河水可以蓄存，水庫建成後常空水未滿，形成工程投資的浪費；但若水庫開發規模太小，則水庫將來無法達到上述興建水庫之目的。因此水庫開發規模的庫容推算和決定，是規劃設計階段的最主要工作項目。其規模大小，係根據水庫集水區的雨量和流量，再依其目的如為供應民生需水之量等來推定。

翡翠水庫的開發規模推定方法，簡要說明如下：

新店溪上游有北勢溪及南勢溪兩條支流，翡翠水庫大壩，位在這兩條支流合流口上游約2公里處的北勢溪上。大壩放水到下游供應臺北市需水的原水取水地點，位在新店溪直潭壩和青潭堰，見圖1。因此臺北市用水的水源，是來自南勢溪未能控制的天然流量和北勢溪在翡翠水庫建壩後能控制的調節放水量之合計。記得當時只有20幾年的流量紀錄，這對水庫規劃的需要流量紀錄太短了，因此筆者和工程團隊根據這些紀錄流量的平均值及其變化等特性，衍生推算出北勢溪及南勢溪，各5,000年各月份的日流量序列，以模擬河流在將來可能的各種流量變化情況，並將之分成100組，然後根據臺北市計劃需要供水量，連續逐年逐月逐日演繹計算各期間可能的不同缺水量，我們在這100組中各挑選出一個最大的缺水量組成一序列，推算在不同供水能力下翡翠水庫的需要庫容。

圖1 翡翠水庫大壩及淡水河各支流等位置示意圖 (筆者繪製)

猶記得翡翠水庫的開發準則，是其供水能力的可靠度必須達到95%，也就是說在其計劃供水需求的目標年（民國119年）時，僅有很小的5%機率，會發生供水不足而有缺水的現象。按此準則及應用上述推算的100個缺水量序列，利用統計學方法，可以推算得翡翠水庫的需要庫容。大壩高度，就根據這個庫容，再按水庫地形測量圖，計算各種不同壩高下所能擁有的庫容來決定壩高。

圖2 翡翠水庫(本照片係筆者利用完工紀念碑攝製)

由此，翡翠水庫(見圖2)需要庫容為4億6百萬立方公尺，大壩高為122.5公尺。長江三峽大壩高185公尺，庫容高逹221.5億立方公尺，兩者相比，翡翠水庫真是小巫見大巫了！由於臺灣河流地形條件差，河流短、坡度陡，即使水壩很高，也不能有很大的水庫容量，但為了供應臺北市用水，我們需要翡翠水庫。

四、水壩壩型的方案研究和選定

一般常見而採用的水壩壩型，有混凝土拱壩、混凝土重力壩、土石壩，三者壩體剖面，如圖3。

圖3 一般常見的三種壩型(取自Handbook of Applied Hydraulics, Third Edition)

不同壩型的初步工程佈置方案之研究，先比較其優劣點，選定其中最適合的水壩壩型為建議案，再進行下一步詳細工程佈置和大壩等各結構物的詳細設計，並進行發包施工。

這三種壩型簡介如下：

1. 拱壩壩體很薄，像一位體力健壯的大力士，伸開大臂雙手，按壓在大壩左右兩岸的山壁壩座，以支撐水庫蓄水後壓在壩體身上的水庫水壓力，所有的水壓力幾乎都由山壁來支撐，只有少量的水壓力傳送到壩底基礎，故拱壩要有很強的左右山壁壩座。因為大力士伸開手臂不宜太寬太長，故拱壩僅適合在狹谷河道裡興建。翡翠水庫和臺灣中部大甲溪上德基水庫，壩址河道是狹谷，地質良好，故採用混凝土拱壩。翡翠水庫大壩壩體薄，壩型很美，是國人設計的第一座大型拱壩，為顧及其山壁壩座力量，曾大力進行處理岩層弱帶，以強化其壩座。

2. 混凝土重力壩比拱壩厚很多，似一位強健而不會翻倒的胖哥不倒翁，它以壩體緊扣其壩底基礎，以支撐壓在壩體身上的全部水庫水壓力而不翻倒。因此，重力壩與拱壩不同，重力壩要有很大重力和很強的壩底基礎，其設計及施工比拱壩容易。日月潭抽蓄發電用的下池水里壩及長江三峽大壩，都是混凝土重力壩。

3. 土石壩像一位超級大胖子，如一座小山。當壩基及兩岸壩座岩盤強度不大，而不適合建拱壩和重力壩時，則應用土石壩來興建。顧名思義，它是用土石材料來興建，因為需要大量優質建壩土石材料，故採用本壩型的首要條件，為施工壩址附近要有這些建壩材料。它以壩體頂住水壓力，而不被庫水推動。壩體上下游坡面要防沿坡面不穏而向下溜滑坍塌，坡面並舖以大小石塊保護以防雨水沖刷，更要緊的是，要防庫水滲入壩體帶出細料淘空壩體，像管湧流出，致壩體破壞，因此土石壩內部，一般建有不透水心層等，如圖3中的壩體中央，設有直立不透水心柱。石門和曾文水庫屬於土石壩興建。

五、水壩排洪設施和水理設計

水壩設計，除其結構和基礎要安全外，也必須能夠安全排洪。而最怕的是預估設計用的洪水太小，或設計的排洪設施其排洪能力不足，兩者若有錯誤閃失，將來必須增設排洪設施來補救，否則洪水將可能溢頂，致大壩崩潰。此外，排洪時機亦很重要，若因排洪操作不當，在洪峰來到之前水庫早已儲滿，此後不得不大量瀉洪，若此時的排洪時機不對，遇到下游河口漲潮或下游支流也必須排洪時，則將造成大壩下游大淹水，例如以前石門水庫及目今長江三峽水庫都曾發生過。

設計洪水的洪峰推算，一般有兩種，一按壩址過去洪水記錄來推算各種不同頻率的回歸年數洪水；二按水庫集水區的地形、水庫地區最不利的氣象因子、最不利的颱風路徑等，來推算壩址的最大可能洪水。中小型水庫的設計洪峰，一般採用頻率如100年以上的洪水來設計排洪設施；大型水庫，一般採用最大可能洪水來設計，如翡翠、石門、曾文等水庫。

至於常見的水壩排洪設施，有混凝土壩的壩頂溢洪道、土石壩外側山坳岩盤挖建的溢洪道、還有在山壁內開挖的排洪隧道等。排洪設施設有閘門，以開啟控制排洪，也有無閘門由溢洪道頂部自由溢流洩洪。翡翠水庫採用壩頂溢洪道，設有閘門，洪水直接由壩頂洩至壩趾下方消能池(見圖2)；石門水庫採用大壩外側挖建的溢洪道和排洪隧道，都設有閘門，洪水經由排洪水道拋洩到離壩趾遠方的消能池。因為現今石門水庫集水區情況改變，洪水變大，故其排洪隧道是後來增建的，目的是用以提高其原有設計的排洪能力。

排洪設施水理設計是為定出：溢洪道要有幾扇閘門及尺寸、排洪隧道口徑大小，溢洪道下方排洪水道寛度、牆高和其末端的消能設施(如消能池)。消能設施是用以消減排洪時的水勢衝擊能量，以免下游水道設施遭受洩洪時破壞。

此外，並進行水工模型試驗，以驗證上述的水理設計是否完善及提供必要之修改，期各項設計更臻完美。根據以上閘門的設計，當洪水大於設計洪水時，在開啟閘門控制排洪下，有能力在一邊排洪及同時水庫水位上升的情況下，在洪峰到達前後、及閘門由局部開啟到全開下，水庫的水位剛好上升到水庫的最高設計洪水位。此後水庫水滿滿，控制閘門開度繼續排放洪水的尾巴，水庫的水位不會上升到壩頂而溢流，並攔截及儲存了大量的洪水量，供水庫將來營運利用，並對下游地區也達到防洪的效果。

六、結語

水庫和大壩，從規劃設計開始到興建完成，一般要進行很長的時間，期間會遭到反對興建的聲浪。例如，翡翠水庫是從民國60年開始規劃，到民國76年大壩才興建完成，共歷時16年，其中大壩施工長逹8年。當時有人認為大壩太靠近臺北市，而臺灣地震也多，又有臺海戰爭受攻擊的危險，有顧慮壩的安全者。此外，有些龜鱉黿鼉頭面人物提出謬論說：翡翠大壩身後水庫是筆直數公里，洪水在壩前沒轉個彎將一路衝下來，水壩如何承受得了這衝擊？庫水的水壓力也一路向下游推擠纍積增加，壓在壩體身上，水壩又如何抵擋得了這巨大力量？也描述潰壩時臺北市大災難的可怖情景，驚動得人心惶惶不安...，一時有些蝦兵蟹卒憨厚之屬，也反對興建。

但，臺北市是首都，是國際人士來臺投資、經商和旅遊觀光等的國門；人民生活要過得好，民生等用水極端重要，城市斷不能缺水，而翡翠水庫正能提供所需的水源。因此，當時臺北市長林洋港先生，認為水庫不建終將後悔莫及。也相信國人有智慧、有能力和技術，興建安全的大水庫和大壩，他審慎評估後，獨排眾議，拍案決定興建翡翠水庫。今日我們有這安全的水庫，臺北市這三、四十年來無那缺水之苦，而且飲用水質又潔淨，臺北都會區也欣欣向榮，是得自當時曾自稱是一頭水牛及人稱「阿港伯」市長的睿智、遠見和果斷。筆者每思及昔日參與本水庫的規劃設計工作時，淵深感激
｢阿港伯｣高瞻遠矚，決定興建翡翠水庫，實值得大家向他感恩致敬！

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