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uA第五章 桥涵孔径设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3-13-1水庫用途：蓄存水量多時節餘的水，在水量少時供給用水。一、一般水庫構造(解釋名詞)1.呆容量：有時稱為無用容量，為放水口以下之容量，此部份蓄水無法放乾，其容量主要用於蓄砂。最低出水位標高之決定，除蓄砂外，尚須考慮各標的放水所需最佳位置。2.有效容量：出水口至溢洪道間之容量，可為各標的所使用，可依計畫標的區分為兩部份，某標高以下為用水容量，以上為防洪容量。23.超高容量：洪水時期遲滯洪峰之容量。4.滿水位：代表溢洪道頂之標高，平時蓄水之最高點。5.設計最高水位(最大運用水位)：一般均為設計洪水經過水庫時壅起之最大水面標高。6.出水高：設計最高水位至壩頂之垂直高度。一、一般水庫構造3圖3-1 水庫構造示意圖 4二、水庫種類1.1.以蓄水容量分類以蓄水容量分類(1)(1)大型水庫：大型水庫：容量大於容量大於1 1億立方公尺。億立方公尺。(2)(2)中型水庫：中型水庫：容量介於容量介於1 1億至億至5 5百萬立方公尺之間。百萬立方公尺之間。(3)(3)小型水庫：小型水庫：容量小於容量小於5 5百萬立方公尺。百萬立方公尺。2.2.以壩高分類以壩高分類(1)(1)大型水庫：大型水庫：壩高超過壩高超過6060公尺。公尺。(2)(2)中型水庫：中型水庫：壩高介於壩高介於1515至至6060公尺。公尺。(3)(3)小型水庫：小型水庫：壩高低於壩高低於1515公尺。公尺。5二、水庫種類(續)3.以蓄水空間分類(1)地面水庫：地面水庫：蓄水於地表面之上，一般水庫皆是。(2)地地下下水水庫庫：蓄水於地表面之下，在無適當地點建地面水庫地點、蒸發量大等情況下建立，例如澎湖赤崁水庫。4.以標的分類(1)單單目目標標水水庫庫：建水庫主要是為了達到某一種目標，例如：德基水庫是為了發電、虎頭埤是為了灌溉、南化水庫是為了給水。(2)多多目目標標水水庫庫：建水庫包含兩種以上之目標，例如：曾文水庫目標為灌溉、給水，翡翠水庫目標為給水、發電。6二、水庫種類(續)5.5.以河道或水源位置分類以河道或水源位置分類(1)(1)在在槽槽水水庫庫：水水庫庫直直接接建建在在進進水水之之河河道道上上，直接攔蓄河道水量運用。直接攔蓄河道水量運用。(2)(2)離離槽槽水水庫庫：水水庫庫建建在在進進水水河河道道旁旁之之小小集集水區，以管路引入進水河道水量。水區，以管路引入進水河道水量。(3)(3)越域引水：越域引水：水庫之水源引自不同流域。水庫之水源引自不同流域。7二、水庫種類(續)圖 3-2 水庫位置分類離8四、水庫泥砂 1.1.水庫淤砂：水庫建造完成後，最重要是防止泥砂淤積、維護水庫壽命及效益。所謂囚砂率(trap efficiency)指沈積水庫泥砂與流入水庫泥砂之百分比，為水庫殘餘容量對總入流量的函數。9四、水庫泥砂(續)2.推算水庫壽命之步驟：A.囚砂率查圖(1)蒐集水庫初期容量(C)、入流量(I)、年浮懸載總量 及年河床載資料。(2)由C/I查囚砂率包絡線(取上包絡線較保守安全，中包絡線較平實)得該年之囚砂效率。(3)（囚砂率）（年浮懸載總量）（年河床載量）=（年囚砂量）(4)(初期容量C)(年囚砂量)=（該年水庫剩餘容量）(5)重複(1)(4)步驟，直至水庫容量為零，其所需時 間即為水庫壽命。10四、水庫泥砂(續)A.囚砂率查圖例題3-4已知德基水庫推估之入流水量，浮懸載及河床載如表第(3)、(6)及(8)欄所示，試推算水庫壽命。11四、水庫泥砂(續)例題3-4 解：12圖3-71314四、水庫泥砂(續)3.水庫防淤 防止水庫淤積方法：(1)預留淤積容量。(無法減少淤積，僅使水庫壽命延長，常用)(2)選擇天然泥砂入流量較低之壩址。或採用離槽水庫方式，減少泥砂進入。(3)集水區施行水土保持方法。(4)山溝使用攔砂壩攔阻泥砂。石門水庫上游有義興防砂壩、巴陵防砂壩等攔阻泥砂進入水庫。15四、水庫泥砂(續)3.水庫防淤 防止水庫淤積方法：(5)河流兩岸使用護岸，種植植物等保護工程。(6)設置洩水閘門排除砂。(7)使用機械挖土運除，並設法運用淤砂，以降低成本。例如：澄清湖水庫民國三十六年啟用後，一直未整治，至90年3月淤積底泥23萬，估計需半年才能清除，必須等91年春天烤潭給水廠擴建足供高雄地區水量時，澄清湖水庫才能放乾後挖除底泥。16四、水庫泥砂(續)4.本省流域泥沙治理之道宜從穩定河道、減少水庫淤砂、海岸漂砂、泥砂滲漏、沖刷防護、集水區經營等多方面著手研究、力求改善。17五、水庫優養 優養指水中有機物(例：氮磷)過多。當上游廢水排入水庫，由於其含有豐富營養成分(氮磷)，促進藻類大量繁殖，浮游生物也因而繁殖，魚類接著繁殖，當浮游生物、魚類排泄、死亡，有機物增加，水中溶氧因分解有機物而降低，濁度增加，引起臭味，提高供水處理的困難，增加費用。18六、臺灣地區現有水庫概況 19六、臺灣地區現有水庫概況(續)20六、臺灣地區現有水庫概況(續)21七、臺灣地區水庫淤積問題(一一)淤砂概況淤砂概況臺灣河川多流短坡陡，地質脆弱，易發生崩塌與表土沖蝕。暴雨時，洪水挾帶大量泥沙沖流而下，於下游出谷後，由於河床逐漸加寬水深變淺，容易造成洪水氾濫。22七、臺灣地區水庫淤積問題(續)根據水資會分析，臺灣各河川年總輸砂量約3.23億公噸，單位面積輸砂量1.06萬公噸/平方公里，平均年沖蝕深度約8.8公厘，其中西部約7公厘，東部約10.9公厘。臺灣河川集水面積小、輸砂量大，甚多河川單位面積輸砂量大於世界最大輸砂量河川，水庫淤積率亦較其他國家大。吳建民研究，相同承水條件(水庫容量與集水面積比)下。臺灣水庫淤積率為日本水庫之10倍，可見淤積問題之嚴重，此為水資源開發利用最不利之因素。233-2 3-2 壩工一、壩的分類1.1.依使用目的(1)單目標蓄水壩：專供灌溉、給水或水力發 電其中之一個目標使用。(2)多目標水壩：兼作防洪、給水、灌溉、航 運或發電等兩個以上目標使用。24(3)防洪水壩：暫時貯蓄洪水時期之超額水量為目標。(4)引水壩：抬高水位，方便引水進入灌溉渠道。(5)抬水壩：抬高水位，使水流坡降減小、流速變緩，以利航運發電。(6)通航壩：調節水位使船可在河道通航。(7)攔砂壩：減小水面坡降及流速，防制沖刷。1.1.依使用目的(續)252.依水力設計條件(1)(1)非溢流壩：非溢流壩：用以攔水、蓄水、抬高水位，另有溢洪道洩洪。(2)溢流壩：洪水位超過壩頂時，可安全容許越過壩頂宣洩。(3)潛壩：潛沒於水中之溢流壩，大都為甚低之重力壩，多在主壩下游遠處，以抬高水位，使水躍在溢洪道趾部發生。(4)透水壩：將河流中所攜泥砂，藉著使水於通過此透水材料時，減小流速，使泥砂沈積，填高河床。263.3.依材料型式(1)混凝土重力壩：簡稱重力壩，由鋼筋混凝土組成壩體需要良好岩盤地質。(2)混凝土拱壩：簡稱拱壩，由向上游凸出圓弧型鋼筋混凝土組成壩體，適狹谷兩岸良好岩盤地質。(3)扶壁壩(撐牆壩)：鋼筋混凝土材料，由承受載重之壩面及傳遞載重至基礎之扶壁組成。(4)土石壩：由土壤、石塊填築壩體，不需良好地質。亦可分土壩(以土壤為主要材料)、堆石壩(以石塊為主要材料)。(5)橡皮壩：以橡皮材料為壩體，為臨時性設施。274.4.依高度(1)高壩：壩高超過60公尺(2)中壩：壩高在1560公尺(3)低壩：壩高低於15公尺 高壩60 m中壩15 m低壩28二、各種壩型之特性、適用 情形及優缺點1.1.重力壩(1)特性：完全以壩之自重抵抗蓄水壓力，使 不致傾覆及滑動。(2)適用情形：若岩基良好，附近有充分之混 凝土、交通便利，幾乎任何形狀之壩址皆 可建造。只要岩基堅強，基礎可固結密封，壩高幾可不受限制。291.1.重力壩(續)(3)優缺點：優點：(a)設計施工簡單。(b)以巨積混凝土法建造，混凝土不用鋼筋，省模板及人工費。(c)受氣候影響小，維護容易。(d)可利用壩頂溢洪。(e)建造時不虞洪水越頂。(f)壩頂可兼作公路。301.1.重力壩(續)缺點：(a)材料強度未充分發揮，材料費較貴。(b)安全受上舉力影響大，上舉力不易估計準 確。(c)對水位增加敏感，遇大洪水易傾覆滑移。(d)直重力壩易受地震影響。(e)大壩施工，水泥水化熱不易消散，常造成 裂縫，影響壩體壽命及安全。(f)檢查內部應力變化，大壩內須設巡視廊道。312.2.拱壩(1)特性：壩體兩端支撐在河谷兩側之壩座上，藉拱作用及懸臂作用，分別將水庫龐大壓力傳送至兩岸壩墩及壩基岩體上。(2)適用情形：壩基及兩側岩體應具足夠之強度及較小之壓縮性，適用於深川狹谷，壩高不受限制。322.2.拱壩（續）(3)優缺點：優點：(a)利用混凝土壓應力，省鋼筋費。(b)不受上舉力影響，可受意外荷重、耐震、抗傾覆、滑移，比重力壩安全。(c)施工迅速、易於散熱、透水性佳。(d)壩頂可設溢洪道。(e)美觀。33缺點：(a)適宜壩址地形難找。(b)結構計算複雜。(c)壩愈薄混凝土強度及成分要求愈高。(d)人工及模板費較貴。(e)施工技術要求高。2.2.拱壩（續）343.3.土石壩(1)特性：壩體底面積甚大，單位面積負荷相對減少。(2)適用情形：只要壩址附近有足夠土壤石塊材料，幾乎可在任何壩址建造，但溢洪道不可與壩身在一起。35(3)優缺點優點：(a)適用於混凝土、鋼筋材料缺乏處。(b)適用於地質鬆軟、透水性大、壩址極寬之處。(c)耐震、抗傾覆滑移，只需防止上、下游面塌陷。(d)壩頂可作公路。3.3.土石壩（續）36缺點：(a)體積大、佔地廣，搬運材料多。(b)出水高宜大、溢洪道容量要大，以避免壩頂漫溢。(c)施工時導水費較高。(d)不能築於過狹之壩址。(e)溢洪道不可與壩身在一起，管路不可穿過壩身。(f)電廠不能直接建於壩下，壓力鋼管或水道加長。(g)保養費高。3.3.土石壩（續）3738三、壩址選擇壩址選擇之注意事項：1.1.地質方面：蓄水庫須地質安全，沒有斷層及裂縫，以免潰壩或漏水，須由有經驗之地質師周詳考慮。2.2.水文方面：需有足夠水量，須配合週密水文觀測規劃。施工期需考慮洪水之處理。3.3.生態文化：做好環境影響評估了解影響程度，避免破壞生態或歷史古蹟。4.4.氣候方面：特別寒冷處不適混凝土壩。39四、作用於重力壩之力403-3 3-3 壩附屬結構壩附屬結構有溢洪道、發電廠、後池等，溢洪道較重要。一、溢洪道種類、特性及適用對象溢洪道為排除水庫洪水之結構物，保持水庫內水位低於原先設計之最高水位。1.1.溢流溢洪道(Overflow Spillway)：又稱臥箕(Ogee Weir)溢洪道。(1)特性：壩體之一部份，設計使水由溢頂溢流。(2)適用對象：可廣泛使用於重力壩、拱壩、扶壁壩，有些土壩也可以(但要有混凝土重力斷面)，常與混凝土重力壩建為一體。41一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）(3)要點：壩頂曲線為臥箕形，溢洪表面流經銳緣堰，順壩面溢流槽有一反曲線接於壩趾下之護坦與消能設施。流過堰之水舌下緣需與溢洪道表面吻合以增大流量係數，避免形成真空導致穴蝕現象，損害壩面。(4)實例：翡翠、德基。圖3-11 溢流溢洪道 示意圖422.2.豎井溢洪道(Shaft Spillway)：又稱喇叭型溢洪道。(1)特性：水由一豎井(垂直井)進入，進而流經一穿越壩體或基礎之水平管路排水。(2)適用對象：無足夠空間建其它型式溢洪道時。(3)要點：進水口可設閘門控制溢流，豎井與水平管連接處要有漸變段以避免穴蝕；並需攔柵防止漂流物堵塞。豎井易堵塞及穴蝕為其缺點。(4)實例：阿公店、曾文(局部)、烏山頭(局部)。一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）43圖3-12 豎井溢洪道 示意圖一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）44一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）3.3.虹吸溢洪道(Siphon Spillway)：(1)特點：水由虹吸作用流出。滿管流的水頭為水庫水位與出口或尾水位高程差，主要優點為可準確控制水位。(2)適用對象：不需要大洩洪量且空間有限時。(3)要點：設計時避免在冠頂產生穴蝕。45一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）圖3-13 虹吸溢洪道示意圖46一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）4.陡槽溢洪道(Chute Spillway)：又稱瀉槽溢流道、鞍部(Saddle)溢洪道。(1)特點：另設於水庫旁，水由溢頂溢流至另一陡槽。(2)適用對象：廣用於土壩推石壩，當河面較寬，基礎不良，土石壩不適溢流時，常設於壩座之鞍部。(3)要點：要陡至水深(臨界水深)。(4)實例：石門、曾文、烏山頭、寶山水庫。47圖3-14 陡槽溢洪道示意圖48一、溢洪道種類、特性及適用對象（續）5.5.側槽溢洪道(Side Channel Spillway)：(1)特點：以與壩頂平行之渠槽，將溢頂水流引經過轉 後流至主要輸水渠道。(2)適用對象：壩短、兩岸為峭壁，無足夠之空間以建溢流式或陡槽式溢洪道時。(3)實例：胡佛水庫。49圖3-15 側槽溢洪道水流示意圖50二、保護(溢流)溢洪道方法 溢洪道水理、形狀上都是臥箕，只是佈置不同。依尾水深不同可分為5種(儘量使水躍後水深與尾水重合)：1.1.水躍後水深(上共軛深度)與尾水重合：水躍將在溢洪道趾部發生，用混凝土水平護坦即可保護。為保水躍安全形成，溢洪道下游面及水躍池兩邊，應設導牆。51二、保護(溢流)溢洪道方法（續）圖3-16 水平護坦52二、保護(溢流)溢洪道方法（續）2.2.水躍後水深低於尾水位：尾水將水躍淹沒，能量沒消失，水仍高速沿渠道底部前進相當距離。保護方法：(1)造一斜護坦，調整度使水躍發生；圖3-17 傾斜護坦 53(2)設翻斗護坦，偏轉水流向上。圖3-18 翻斗護坦二、保護(溢流)溢洪道方法（續）543.3.水躍後水深高於尾水位：(1)在主壩下游建一副壩抬高水位，使壩址形成水躍，在主副壩間設一傾斜護坦，使不同流量皆形成良好水躍。二、保護(溢流)溢洪道方法（續）55 圖3-19 副壩 56二、保護(溢流)溢洪道方法（續）3.3.水躍後水深高於尾水位：(2)溢洪道下游挖靜水池，使池底傾斜，不同流量皆可形成水躍。57 圖3-20 傾斜水池584.4.水躍後水深，低流量時高於尾水位，高流量時低於尾水位：副壩與傾斜護坦組合使用，使增尾水深度，使低流量形成水躍。5.5.水躍後水深，低流量時低於尾水位，高流量時高於尾水位：用副壩或靜水池，增加水深度，使在高流量形成水躍。二、保護(溢流)溢洪道方法（續）59