二、石門水庫泥砂運移及渾水水庫特性
洪水期間入庫水流因挾帶一定量的懸移質載故其比重較水庫中既有清水大，就會潛入清水下形成一股渾水流，沿庫底向壩前運行，而形成水庫泥水異重流。在高濃度與足夠流量之條件下，底層渾水異重流可以流到壩前。
入庫洪峰一般都是陡漲陡落，洪峰高歷時短，由溢洪道洩洪排除上層清水，因此使異重流渾水積蓄在水庫下層，形成渾水水庫。即下部渾水水庫和上部清水水庫存在有明顯分界面，隨著異重流渾水量的增加或表層結構物洩水，渾水面近於水平地上升壅高(如圖1)。渾水水庫形成過程中，隨著渾水面的上升，從上游下來的異重流，沿著渾水密度相同的層面流動，形成中層異重流，成為渾水水庫和異重流的複雜流況。入庫渾水部份與上部清水發生摻混現象，在潛入點下游側表面產生倒流，使庫面匯集大量漂浮物。如果異重流到達能及時開啟排砂底孔閘門，異重流渾水即能排出庫外，此時站在壩頂，就能看到庫面清澈如鏡，而底部泄水孔渾水翻滾流出，這就是利用水庫發生異重流時，操作水庫達到蓄清排渾之目的。
筆者以前服務之巨廷公司採用淩來文等「恒山水庫排砂計算方法研究」排砂比函數關係之公式，並以石門水庫85年賀伯颱風、89年碧利斯颱風、90年納莉颱風、93年艾莉颱風、94年馬莎颱風等代表性颱風推估石門水庫排砂設施不同排砂流量與排砂比之關係如圖2所示。
利用石門水庫建庫以來42年之水庫實測資料及石門水庫上游霞雲水文站之泥沙資料來推估比較，石門水庫年平均入庫砂量345萬立方公尺/年。電廠防淤功能改善工程第一期工程改善後洩水能力為300cms，底孔排砂比約29 %（圖2），排砂能力為100萬立方公尺/年（345萬立方公尺/年×29%），亦即第一期工程完工後平均可增加100萬立方公尺/年排砂量。
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| 圖1 渾水水庫渾水面上升或下降示意圖 |
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| 圖2 石門水庫底孔洩水能力與排砂比關係 |
三、工程規劃與設計
石門水庫既有設施防淤工程分成二期執行，「電廠防淤第一期工程」係將石門發電廠2號機壓力鋼管銜接新建排砂壓力鋼管改為專供排砂通道，排砂水量由原本受限電廠機組負載與導翼開度限制之每秒鐘68.6立方公尺，提升為每秒鐘可排放最大至300立方公尺，估計每年可減少水庫淤積量100萬立方公尺；「電廠防淤第二期工程」因應第一期工程將2號機壓力鋼管改建為排砂鋼管後，為維持原電廠之發電功能，乃將原電廠1號機壓力鋼管增設分歧管使2號機組恢復發電功能，同時於各發電機組上游端設置隔離蝶閥，以利電廠的營運與維護並兼具防淤功能，防淤工程布置如圖3，一期工程3D示意如圖4。
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| 圖3 第一期及第二期工程配置圖 |
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| 圖4 第一期工程3D示意圖 |
1. 閘門型式、尺寸及受力
放水口高壓閘門應有上游維修閘門及下游操作閘門二道，而適合於本工程排流木的全斷面高壓閘門為High Pressure Slide Gate(高壓滑動閘門)及Jet Flow Gate(射流閘門)兩種，茲說明如下：
(1) 高壓滑動閘門：閘門之斷面為長方形，由於二側有閘槽，故流量係數略小於1.0，介於0.94至0.97之間。在高流速情況下，閘槽可能是產生Cavitation的來源，其形狀必須予以考慮。此閘門可在動水下操作，故可用為維修或操作閘門。
(2) 射流閘門：水流斷面為圓形，但閘門為方形，本閘門的特點在於止水面位於非流水面，故止水效果良好。此外由於閘門下游端有錐形的束縮，其流量係介於0.80至0.84之間，也因此可以維持其上游管段於正壓狀態，免除產生Cavitation的風險。
考慮每排砂道為單一水路或對稱分叉管二條水路二方案，若採單一水路則閘門尺寸達2.8m(W)×3.2m(H)，其設計水壓高達1,254噸，且其流量達300cms。受限閘門尺寸不宜太大可能影響水密性，故採用Escher Wyss對稱分歧管，由上游3.6mf母管分成二支2.5mf支管，然後束縮成2.2m(W)×2.4m (H)的高壓滑動閘門，之後再擴大為2.5mf 射流閘門。在設計水壓14.00 kg/cm2情況下，高壓滑動閘門與射流閘門之受力分別為739.2噸及686.9噸。
四、工程整體佈置
1. 石門發電廠2號機壓力鋼管改建
將原有壓力鋼管長度35.693m(直徑4.5mf)拆除後，改以長度6.248m之鋼管縮管(直徑4.5mf的漸縮為3.6mf)，並由北轉向東北，再銜接長度93.161m(直徑3.6mf)的壓力鋼管至分歧管。
2. 閘門操作室（閘閥室、操作室）
閘閥室為地上一層結構，長24.2m、寬16.2m、高17.2m；操作室為地上二層結構，長17.6m，寬10.8m，每層樓高4.5m，總高9.0m。
3. 戽斗挑流出水工
射流閘門出口的高流速水流以挑流方式進入後池，戽斗尾檻為EL.144.00m，略高於後池最高水位EL.143.60m，確保在任何情況下本設施可安全運轉。戽斗採挑流圓弧半徑10.00m及均勻30°斜角，同時寬度由上游端W=3.25m，以q=2.86°的擴散角，擴大其流水寬度，出口處水流寬度為5.00m。圖5為驗證規劃設計之水理現象所進行之水工模型試驗。
4. 水工機械及閘室壓力鋼管
分歧管採對稱「Escher Wyss對稱分歧管」型設計，由3.60mf單管分成二支2.5mf雙管，各再銜接2.0m(W)×2.40m(H) 高壓滑動閘門及2.50mf 射流閘門。
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| 圖5 模型1/25試驗開度100％照片 |
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| 圖6 Escher Wyss對稱分歧管安裝情形 |
五、水庫防淤營運效益
石門水庫防淤第一期工程於民國98年12月23日開工，101年12月28日完工，歷經兩年半的施工過程。
石門水庫過去未有專用排砂設施，颱風排砂比僅約15~24%，排砂隧道啟用後，102年於蘇力、潭美颱風時之排砂比已提升至34%~37%，發揮降低庫區濁度、穩定供水與防淤延壽功效，圖7為蘇力颱風防淤運轉狀況。兩次排砂合計約100萬立方公尺，若以機械清淤每立方公尺500元計算，排砂效益達5億元，相較排砂隧道工程投資金額7億元，顯示水力排砂之高經濟效益，亦可作為其他水庫提升排砂防淤功能之參考。
104年杜鵑颱風9/29上午入庫流量1,159立方公尺/秒，排砂隧道流量300cms，排砂濃度11.06公斤/立方公尺，約排出30萬立方公尺，若以機械清淤每立方公尺500元計算，排砂效益達1.5億元。圖8 杜鵑颱風防淤運轉狀況。
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資料來源:水利規劃試驗所吳慶現博士提供。
圖7 蘇力颱風防淤操作情形 |
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資料來源:水利規劃試驗所吳慶現博士提供。
圖8 杜鵑颱風防淤操作情形 |
六、結語
石門水庫電廠防淤工程是我國首座水庫利用發電設備改建為排砂道工程，具有活化水庫的特殊性，且為使用中水庫，增加施工之困難度，「電廠防淤第一期工程」完工後除可維持石門電廠放水發電功能外，石門水庫將因擴大底層洩水結構之排洪能力300cms，可由現有”蓄渾排清”朝向”蓄清排渾”的運轉模式，可減緩水庫淤積速率，穩定取水，延長水庫壽命，並配合本局其他防淤計畫以達到石門水庫永續經營的目標。
參考文獻
1. 經濟部水利署北區水資源局(2006)，「石門水庫既有設施防淤功能改善工程計畫－工程調查規劃報告」。
2. 凌來水、郭志剛、李新虎、趙光梅，「恒山水庫排砂計算方法研究」，中國水利學會，1991年12月，pp.47-53。
3. 經濟部水利署北區水資源局(2010)，「石門水庫既有設施防淤功能改善工程計畫－電廠防淤第一期工程細部設計報告」。
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