虹吸管道排砂研究計畫(2/2)(附光碟)

經濟部水利署南區水資源局

Dec 2011 · 中華民國政府出版品

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一、 計畫緣起與工作內容 (一) 計畫緣起及目的 台灣地質條件不穩定，受限早期水庫興建過程，缺乏排砂設施規劃，國內各水庫淤積問題逐漸惡化；此外台灣水資源難以儲蓄，造成水庫排砂操作風險增大，不當的水力排砂操作容易造成水資源浪費。虹吸抽泥為利用水庫水位與輸泥管出口間之水頭差所產生之管流擾動排放泥水的方式，為一種壩前有效的清淤方式，無須複雜的工程技術。具有不耗大量能源、能在水庫正常操作下清淤等優點，惟需足夠水頭維持其流速，清淤規模較小，適合壩前淤積嚴重水庫。本計畫擬定設計管道模組，進行虹吸管排砂基本試驗，並針對其關鍵技術評估適合操作地點，以及估計其可吸濃度。 (二) 計畫目標與工作流程 本計畫就今(100)年度各項工作項目之性質，將其分類為四大工作群組，包括：(一)試驗建置分析；(二)數值模式分析；(三)模組設計規劃；(四)操作建議規劃。今(100)年主要透過虹吸管道排砂試驗建置與案例分析與虹吸管道排砂輸送能力分析，探討其現地可行方案評估建議及操作建議規劃。 二、 水庫基本資料蒐集與分析 (一) 水庫虹吸管道排砂效率及可行性研究 本計畫經第一(99)年綜合評估，目前最適宜施作虹吸管道排砂之水庫為「阿公店水庫」，故本計畫今(100)年度相關虹吸排砂試驗、模擬研究，主要針對阿公店水庫進行探討。 (二) 阿公店水庫 1. 水庫更新改善後至民國99年10月止，目前剩餘有效容量為1,687.295萬m3，壩前淤積標高25.31 m。 2. 水庫更新改善後近5年年平均進水量約5,283.3萬m3，年平均放水量則約4,983.9萬m3；最大瞬時入流量發生於民國97年卡玫基颱風期間為775cms，次之為99年凡那比颱風637cms，第三則為民國98年莫拉克颱風之337cms。 3. 歷年清淤方案中評估以機械式浚渫來處理較佳。 4. 近壩區之淤泥多屬沉泥與黏土，本計畫補充調查之底泥D50粒徑約介於0.00570～0.00696mm，而比重則介於2.67～2.75。 三、 虹吸管道排砂水工試驗建置與案例分析探討 (一) 虹吸管道排砂吸泥頭試驗案例分析探討與評估 1. 在清水特性試驗中顯示，Type II吸泥頭平均排水量最大，但Type I吸泥頭吸力最大。 2. 在吸泥特性試驗中則顯示，Type II吸泥頭在塑膠砂與天然砂試驗(不論固定式或移動式吸泥頭)之平均含砂量、平均排水量及平均排砂量結果，皆相對較其他吸泥頭為佳。 3. 由平均含砂量、平均排水量及平均排砂量等3項指標來評估，不論塑膠砂或天然砂試驗，Type II吸泥頭之結果皆相對較佳，故本計畫優先以Type II吸泥頭來進行橫越與跨越方案試驗。 (二) 虹吸管道排砂橫越與跨越試驗案例分析探討與評估 1. 因虹吸排砂主要之動力來源為水庫上下游水頭差，水頭差大者，其所提供之動能亦越大，即流速越大(吸力亦越大)。所以不論在橫越或跨越試驗，在相同管徑條件下，水頭差大者，其排水量、排砂量及含砂量亦相對較大；而在相同水頭差條件下，管徑大者，相對其排水量與排砂量亦較大，但含砂量則不一定有相對之變化。 2. 在阿公店水庫橫越與跨越試驗結果可知，排砂位置高程會影響排砂結果，排砂位置高程低者，其排水量與排砂量會相對較大，但含砂量則不一定有相對之變化。 3. 在阿公店水庫之整體試驗結果，塑膠砂排砂之含砂量約介於36,100～133,900ppm；而天然砂則約介於38,300～92,500ppm。 四、 虹吸管道排砂輸送能力分析 (一) 虹吸管道橫越與跨越案例試驗 1. 在阿公店水庫試驗轉換為原型結果，其平均含砂量約介於38,300～92,500ppm，平均排水量約介於0.48～1.86cms，而平均排砂量則約介於18.2～149.7kg/s 2. 而排砂之水砂比約介於27.6：1～68.3：1，即進行虹吸管道排砂時，排出1m3之淤砂最少需耗費27.6m3之水。 (二) 不同邊界條件下虹吸管道排砂量推估分析 本計畫根據第三章3.1節輸送距離理論，以不同邊界條件進行虹吸管道排砂量推估分析，探討流量與輸送距離(吸口至駝峰之管道長度)之關係。 1. 流量與輸送距離關係 (1) 在相同水頭差與管徑條件下，根據第三章式(3-5)與(3-13)可知，含砂量大者，水頭損失就越大，以致輸送距離相對較短。 (2) 而在相同水頭差與含砂量條件下，管徑大者，輸送距離則相對較長。而在相同管徑與含砂量條件下，水頭差大者，輸送距離亦相對較長。 2. 輸送距離與排砂量關係 (1) 在相同水頭差與含砂量條件下，當在輸送同一距離時，管徑大者，排砂量則相對較大。 (2) 而在相同水頭差與管徑條件下，當在輸送同一流量輸送時時，含砂量大者，排砂量亦相對較大。 (三) 二維數值模式虹吸管道流場與排砂濃度模擬分析 1. 由灌溉管模擬結果顯示，含砂量介於91,700～309,600ppm，水砂比介於7.6：1～27.9：1。 2. 由溢洪模擬結果顯示，含砂量介於370,500～332,700ppm，水砂比介於6.2：1～6.9：1。 3. 由大壩模擬結果顯示，含砂量介於266,300～298,000ppm，水砂比介於7.9：1～8.9：1。 (四) 虹吸管道排砂試驗與數模分析結果比較探討 由試驗與模擬結果可知，試驗平均含砂量約38,300～92,500ppm，模擬則為91,700～370,500ppm；而水砂比部分，試驗為27.6：1～68.3：1，模擬則為6.2：1～27.9：1。 五、 虹吸管道排砂模組設計與相關設備配置規劃 (一) 虹吸管道排砂模組設計 1. 作業平台規劃 以船及浮箱型式平台為作業平台之主體，規劃之船及浮箱型式平台功能應具備：(1)吊掛與移動吸泥頭；(2)承載吸泥頭的升降設備及附屬設備；(3)承載吸泥頭的高壓射流攪砂設備及附屬設備；(4)拖動蛇行佈置的排砂管。 2. 控制泵站及附屬設施規劃 為控制虹吸管道排砂之運作，並設置排氣裝置，以避免水柱倒流或發生水錘現象，以保證泵站與管道之安全。 3. 吸泥頭及附屬設備規劃 吸泥頭主要關鍵技術：(1)吸泥頭的結構型式；(2)吸泥頭在水中位置及擺放姿勢控制；(3)吸泥頭內泥砂含量控制；(4)吸泥頭距底床表面探測 4. 高壓射流及附屬設備規劃 吸泥頭的高壓射流係由安裝在作業平台上的高壓泵站提供，考慮水位的變化因素以及底床泥砂可能出固結現象 (二) 水庫既有相關設施配置規劃與探討 依據第二章2.1節就各水庫既有設施之評估可知，各水庫皆有既有設施可供虹吸原理排砂，唯需有條件進行，即有閘門設施者需有閘門改建之配套措施(由於閘門改建較複雜，本計畫暫不考慮)，且其操作水位皆有所限制(使駝峰高小於10m)。故在不影響水庫正常、安全運轉的前提下，充分利用既有設施佈設虹吸排砂管道。 六、 虹吸管道現地設置可行方案評估建議 (一) 曾文水庫佈設方案 依據2.1節表2-2針對曾文水庫既有設施之評估，可行方案為跨越溢洪道與大壩。本計畫根據伯努力方程計算操作水位之高度，溢洪道適用之操作水位須介於203～211m，而大壩則須介於227～231.5m，始可進行虹吸管道排砂作業。 (二) 阿公店水庫佈設方案 依據2.1節表2-3針對阿公店水庫既有設施之評估，可行方案為跨越大壩。本計畫根據伯努力方程計算操作水位之高度，大壩適用之操作水位須介於34～37m，始可進行虹吸管道排砂作業。 (三) 牡丹水庫佈設方案 依據2.1節表2-4針對牡丹水庫既有設施之評估，可行方案為跨越溢洪道與大壩。本計畫根據伯努力方程計算操作水位之高度，溢洪道適用之操作水位須介於120～127.5m，而大壩則須介於137～142m，始可進行虹吸管道排砂作業。 (四) 白河水庫佈設方案 依據2.1節表2-5針對白河水庫既有設施之評估，可行方案為跨越溢洪道與大壩。本計畫根據伯努力方程計算操作水位之高度，溢洪道適用之操作水位須介於100～104m，而大壩則須介於105～109m，始可進行虹吸管道排砂作業。 七、 虹吸管道排砂操作建議規劃 (一) 水庫運轉條件及虹吸管道排砂時機評估與研擬 1. 曾文水庫 因每年6月至11月為梅雨、颱風期間，水庫進水量相對較多，故於此段期間，若水庫發生以下情況，則可針對壩前需清淤位置進行虹吸管道排砂作業： (1) 水庫水量超過上限欲洩放，且水庫水位超過203m(以跨越溢洪道位置排砂)或227m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 (2) 水庫於颱風或豪雨前，為增加水庫滯洪容積，得執行調節性放水，且水庫水位超過227m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 2. 阿公店水庫 因每年9月11日至11月為颱風、豪雨期間，水庫進水量相對較多，故於此段期間，若水庫發生以下情況，則可針對壩前需清淤位置進行虹吸管道排砂作業： (1) 水庫水量超過上限欲洩放，且水庫水位超過34m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 (2) 水庫於颱風或豪雨前，為增加水庫滯洪容積，得執行調節性放水，且水庫水位超過34m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 3. 牡丹水庫 因每年6月至11月為梅雨、颱風期間，水庫進水量相對較多，故於此段期間，若水庫發生以下情況，則可針對壩前需清淤位置進行虹吸管道排砂作業： (1) 水庫水量超過上限欲洩放，且水庫水位超過120m(以跨越溢洪道位置排砂)或137m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 (2) 水庫於颱風或豪雨前，為增加水庫滯洪容積，得執行調節性放水，且水庫水位超過137m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 4. 白河水庫 因每年6月至11月為梅雨、颱風期間，水庫進水量相對較多，故於此段期間，若水庫發生以下情況，則可針對壩前需清淤位置進行虹吸管道排砂作業： (1) 水庫水量超過上限欲洩放，且水庫水位超過100m(以跨越溢洪道位置排砂)或105m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 (2) 水庫於颱風或豪雨前，為增加水庫滯洪容積，得執行調節性放水，且水庫水位超過105m(以跨越大壩位置排砂)時，可利用部分欲洩放之水量進行虹吸管道排砂作業。 (二) 虹吸管道排砂能力推估 由本研究建立之理論結果中，可推得從流量與輸送距離，在同一管徑下含砂量越大則水頭損失越大，在同一水頭作用下其輸送距離就越短，因此可透過4.2節之理論計算推求在特定管徑與水頭差條件下之流量與輸送距離。另透過試驗資料轉換為原型，可建立流量與排砂量關係(請參閱圖7-5)，供水庫推估未來以虹吸管道排砂之排砂量。 (三) 虹吸管道排砂流程規劃 本研究虹吸管道排砂流程之構想為利用操作平臺控制吸泥頭沉降深度，並藉由操作平臺上檢測設備，高壓泵組、電氣設備、各種信號監測設備等進行監測輸砂過程排砂效果，於水面水下佈設數處浮筒，以減小作業平臺拖行管道之阻力，並於管道設置控制泵站、排氣閥以及管道下游處之控制閥門，利用控制泵站順利使虹吸管道滿水，高點管頂處之排氣閥適時進行調節管道內壓力以保證虹吸正常工作，控制閥門待管道滿水後開啟閥門啟動虹吸排砂或於作業結束關閉閥門(請參閱圖7-6)。