第1367期-堰壩水理設計經驗談

一、前言

堰壩設計工作,有結構、基礎、水工機械和水理等項目;其中水理設計,主要有二:一、為決定機械閘門的門數及尺寸,以便堰壩能夠安全排出洪水;二、為設計消能設施,用以消減從堰壩排出水流衝擊的能量,防止下游河床淘刷而下降,致結構物基礎淘空,危害到堰壩的安全。

本文旨在解說一般中小型堰壩消能設施的水理設計道理,再舉國外兩個案例,敘說筆者在消能設施設計上的工作回憶和經驗,謹提供大家參考和指教。本文所舉案例:1.發電廠工程,該案詳細設計後要施工時,才發現基本設計的發電尾水路消能設施的水工模型試驗不合理,設計有瑕疵,必須變更設計;2.是一水壩已完工多年,因其下游河床和尾水位下降,導致消能設施無法達到消能效果,結構物下游端基礎和河岸兩側山腳,遭到嚴重淘空,必須設法改善和修復,以保護該壩的安全。

二、水理設計

天然河流有兩種流況:一、是在陡坡河道,水淺流速大,破壞力大,稱為「超臨界流」;二、是在緩坡河道,水深流速小,破壞力小,稱為「亞臨界流」。若欲辨明河流的這兩種流況,可撿起一顆石子投到河中,如果引起的水面波浪不能夠往上游推進,則該水流為超臨界流;反之,則為亞臨界流。

當水流由超臨界流的河段,進入亞臨界流河段時,在這兩水流交會處,會有水躍現象發生,見圖1(a):其水流勢如滾滾惡水,從上游急流而下,被水躍制伏後,再很平順地往下游遠離而流去。圖1(b):顯示從壩頂洩洪時,壩之下游端產生水躍的現象。堰壩的消能設施,即應用產生水躍的道理,來進行消能設計,以制惡水。這種方法一般應用在洩放水流速度不很大的中小型堰壩上,因其有靜定水流的效果,故在水利工程上,名之為「靜水池」,其常見設計者,如圖1(c)所示:池中一般設有尾檻,有時為加強消能效果,另有再加上消能墩,如圖中所示之瀉槽塊和砥柱塊來阻擋水流以加強消能,並用以減短靜水池的需要長度。

1367-2-1

圖1 水躍產生和常見堰壩靜水池設計

堰壩設計時,欲使水躍產生,靜水池的池內必須要有足夠的水深,也就是說要有相當高度的尾水位。靜水池設計的池底開挖高程,就根據這個尾水位高度來決定。自然河道各河段,依各種不同流量分別各有其水位,可應用「回水計算」方法,來推算堰壩地點的水深,即其尾水位。如果靜水池開挖深度不足,池內的尾水位淺,水躍不會產生,那麼由堰壩排出的高速水流,會衝出靜水池,無法達到消能效果,下游河床將會遭致淘刷下降,尾水位也跟隨降低;若池底開挖深度足,水深符合設計條件時,產生的水躍非常完美壯觀,可以達到消能效果,如圖1(b)所示。若開挖深度再大,池內設計水深也增大,水躍會被淹沒而消溶在尾水裡,如圖1(d)所示。這種淹沒水躍當然可以達到消能效果,但其池底開挖深度大,工程費高,或對堰壩站立可能也比較不安全。

此外,靜水池長度,亦為決定堰壩設計的成敗。以上這水躍設計安全考量,將關係到工程費高低和施工難度,因此最佳的水理設計,包括安全和工程費高低等,皆屬水利工程師的任務。

堰壩設計,一般都會同時進行水工模型試驗,來驗證靜水池等的設計,以瞭解水理設計是否能夠達到消能的預期安全效果,並根據試驗成果,再作必要的設計修正,期工程設計臻於完美。試驗用的需要流場水深,可應用前述回水計算方法來推算。回水計算,是由下游一已知水深為起始處,然後往上游逐步推算各河段斷面的水深,因此必須要有河道斷面測量等地形資料來分析計算。計算之第一起點已知水深位置,一般可根據兩種方法尋得:一、為找尋下游河道有寬度縮窄、或坡度變陡的地方,其水深可利用臨界水深公式求得;二、為找尋下游河道有規則而長且坡度平緩的地方,其水深可利用曼寧公式求得。

三、 案例回憶

第一例 發電尾水路設計

本案例是當時印尼的最大水力發電廠工程,位在印尼西爪哇省的「吉他侖河」中游,工程分二期施工,由一國際知名顧門公司設計,兩期工程設計結構型式大致相同。當時第一期已施工完成並運轉;第二期工程位在同一吉他侖河的岸邊山內,距離第一期工程位置上游不遠處,並已完成基本設計,準備要施工。由我們中興顧問公司競爭得標,負責從前頭水庫的頭水隧道至發電廠尾水路的詳細設計、及施工監造。兩期工程同一地下發電廠,各有四部發電機組和發電尾水路。在雅加達進行詳細設計時,重新開啟當時基本設計時之水工模型進行試驗,以瞭解及審視第二期工程發電尾水路消能設施的設計,並確認其是否須做最後必要之修改。試驗時,無意中發現該尾水路出口射出水流速度超大,衝向河道對岸,沿山腳流速非常大,山腳有被淘刷可能,其流況見圖2(a)。該處河道地質差,對面高台地邊坡曾發生過大崩塌,其上有一電力輸送高壓線電塔。當時中興人員和業主看到這試驗結果,相當駭異及關心山坡和電塔的安全,經商討及業主同意後,急電中興臺北總公司即刻派人前往雅加達設法解決,筆者當時奉令前往支援。

1367-2-2

圖2 發電尾水路基本設計和變更設計示意圖

經審視基本設計時進行試驗的水工模型,發現其採用的模型比例尺不合理,試驗用頭水箱涵之設置太高,致發電尾水路射出水流速度超大,雖然在其消能設施池裡,設有消能墩消能,但因池內水深不足,無法產生水躍,反見激起水流更亂,無能抵擋這洶湧水勢到來。之後前往已完工的第一期工程現場勘查,看得見尾水路的水勢,其排出水流,一路平平地貼近河道水面,澎湃衝向對岸,捲起大波浪和數堆大小漩渦,沿對岸山腳的流速很大。

推其細因及依據原模型採用的四支尾水路鋼管尺寸以及其發電用水量,筆者修正模型的比例尺,再調整頭水箱設置高度及變更尾水路的設計,重新塑造尾水路和河道地形的模型等措施,來進行試驗。變更設計,是依據所見第一和第二兩期工程設計大致一樣,可預見將來第二期工程的流況,將與現場所見第一期工程者相同,因此不宜採用原設計尾水路的靜水池方式來消能;再者,根據河道底的河床測量,第一期工程臨尾水路基礎的河床地點已經淘刷很深,必須設法保護尾水路的安全,因此進行變更設計,如圖2(b)所示,將尾水路末端向下圓弧彎曲下降,再沿河床舖設混凝土,和順地將水流引至河中,利用前述水躍被淹沒方法來消能。本變更設計河床混凝土舖設長度,必須再根據試驗所見流況及測得流速,做最後決定。此變更設計,雖然必須圍水施工,工作困難,工程費高,但可以獲得正確的消能效果,保護河床以免受淘刷和確保對岸山坡的安全。

以上變更設計,經模型試驗所呈現結果,不論發電四機組是如何錯開或同時發電運轉,以及與第一期工程發電或不發電的放水量,在共同河道池內水深的相互關係,顯見河道內流況均相當穏定;沿對岸山腳流速,也降低到每秒2公尺以下,與已完工的第一期工程現場實際流況相比較,第二期工程的流況良好太多了。這流速的限制,是經與業主討論後而決定的,希望不致於淘刷對岸山腳而危害到山坡的安全。

由於前基本設計的試驗不合理及設計有問題,業主對本第二期的工作也就特別看重,步步留心,時時謹慎,緊盯著筆者試驗的進行和關心設計的變更,也要求筆者再用理論來印證變更設計後,其水理是否真的確如試驗的結果一樣好。經再按「有限元素法」,分析河道內流場各點的流向和流速分布圖,結果顯示與水工模型試驗者的流況,大致一樣,沿對岸山腳流速也降低到業主要求的流速限制。至此,業主才放心筆者的試驗工作和同意變更設計。

第二例 水壩靜水池修復設計

本案例亦是一水壩發電廠工程,位在印尼東爪哇省的最大河流「布蘭達斯河」上游。該水壩的水庫深約20多公尺,壩頂洩洪水流應用靜水池來消能,當時所現水躍很完美,見圖3(a)。但是經過數年後,由於下游河道淘刷,河床下降,該壩尾水位也跟著降低,壩頂洩下之射流衝出靜水池,不見水躍,消能無法逹成,因此池末端部分基礎和兩岸山腳,有大小不同程度的淘空,水壩岌岌可危,見圖3(b)。

當時我們中興公司得標,進行布蘭達斯河的防洪工程計畫,本案例為本計畫工作項目之一。經勘察該壩現場之後,認為最適宜的修復方法,是恢復原有設計的尾水位及其原有的水躍消能方法,因此我們建議:在其下游興建一小副壩,來抬高尾水位,見圖3(c)。本建議案獲業主同意後,進行淘空基礎和兩岸山腳的修復。

1367-2-3

圖3 水壩靜水池原設計、受損時、修復後的三種消能示意圖

四、結語

堰壩破壞,除因結構、基礎、機械閘門排洪能力等設計不良外,一般係因下游河床和尾水位下降所造成,下降原因有下列數項:(1)、堰壩的水理設計不良,靜水池無法發揮消能效果,致強大洩放水流淘刷下游河床,尾水位下降,淘空堰壩基礎,此為常見之堰壩破壞現象;(2)、上游建有水庫,減少了下游河道砂石的來源。例如,我們國內鳶山堰為新北市重要水源地,其上游有石門水庫,因之下游河床刷深及下降嚴重,曾長年進行維修,現金可見大混凝土塊排排一階一階高高堆疊,護著堰體,蔚為大觀;(3)、下游河道進行疏浚抽沙整治等工程,例如,本文在上述所舉的水壩靜水池修復案例;(4)、河道舊有建物的拆除,例如,中興公司在印尼中爪哇省,設計有農業灌溉用之一大型攔河堰,完工數年後,因拆除了緊臨其下游端的舊橋墩,而引起尾水位下降,致該堰靜水池基礎淘空的破壞;(5)、不法盜採砂石供建材用,因此,有很多臨近該採砂石河段的工程設施遭到破壞,例如,我們大甲溪上的高速公路橋墩,其周圍河床,曾遭盜採砂石刷深而進行加固工程等。

水力量之大,自古就有名言說,「滴水可穿石。」如果水流是日夜不斷兇猛沖擊時,河裡工程建物,難免遭受破壞,因此,水利工程不宜以「水來土擋」的直接對撞的強制方法來治水,宜『以柔治剛順水勢』來設計工程。例如,本文前述之發電廠尾水路設計案例,就是一以剛克剛極不宜的水理設計方法之明證!

回憶完成上述工作,在提出工作報告及經審核後,復應業主要求,筆者赴雅加達向參與工作的各工程師們做報告,解說工作過程和成果,會後得到一份贈送精美紀念品。當時手中捧著禮物,心中感覺愉悅強過尋獲珍寶,一時喜向雙眼眉尖翹,樂朝兩頰笑臉生,真是何等的喜樂!之後完工後半載,筆者再赴該工地,見得實際流況與設計推估大抵吻合,感覺心中恰似滾滾江水灌大海,肩膀如釋萬斤重擔,萬慮齊除,安心回到另一工作所在地。

註:本文圖1和圖3 之底圖係取自下列書本,再經筆者改造和彩繪,並加註中文文字和加繪圖示而成,而其中圖2示意圖是筆者繪製者。

1.Ven Te Chow:「Open-channel hydraulics」。

2.Davis and Sorensen:「Handbook of applied hydraulics」, Third edition。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


Ads sidebar 2-1

來來來哩來按個贊!


【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。