第 一 篇 灌 溉 排 水 工 程 概 論 第 一 章 緒 論 灌 溉 排 水 工 程 的 項 目 灌 溉 排 水 工 程 的 設 施 可 分 成 哪 些 項 目? 試 論 述 之 答 : 灌 溉 系 統 裡 的 各 工 程 設 施, 如 同 人 身 體 器 官 之 間 的 調 和 與 統 一, 各 司 其 職, 各 盡 所 能, 茲 將 各 設 施 項 目 分 述 如 下 : 水 源 設 施 : 大 壩 或 欄 水 堰 之 地 點 長 度 高 度 頂 寬 及 側 坡 等 大 壩 或 欄 水 堰 之 結 構 型 式 大 壩 之 進 水 口 溢 洪 道 等 地 點 及 最 大 流 量 大 壩 之 附 屬 工 程 功 能 引 水 設 施 : 進 水 閘 或 分 水 門 地 點 通 水 斷 面 最 大 流 量 及 結 構 型 式 進 水 口 如 用 機 械 各 種 機 具 之 型 式 性 能 操 作 方 法 其 他 附 屬 工 程 之 地 點 結 構 型 式 輸 水 設 施 : 導 水 幹 線 及 各 幹 支 分 線 之 起 訖 地 點 長 度 堤 頂 寬 渠 道 底 寬 斷 面 及 最 大 容 量 各 級 水 路 之 制 水 門 分 水 門 之 地 點, 門 孔 數 最 高 水 位 最 大 流 量 及 型 式 結 構 等 隧 道 虹 吸 渡 槽 暗 渠 及 跌 水 工 地 點 長 度 斷 面 結 構 配 水 設 施 : 7
第 一 篇 灌 溉 排 水 工 程 概 論 第 二 章 灌 溉 排 水 工 程 之 應 用 灌 溉 及 排 水 系 統 之 分 布 灌 溉 及 排 水 系 統 之 分 布 應 如 何 規 劃? 答 : 灌 溉 系 統 : 灌 區 規 模 的 大 小, 依 耕 地 面 積 的 規 模 水 源 的 豐 枯 土 壤 保 水 力 之 難 易 以 及 灌 溉 管 理 之 良 窳, 而 不 盡 相 同 假 定 耕 地 面 積 極 廣 水 源 豐 富, 但 土 壤 若 屬 砂 土, 保 水 力 極 差, 且 灌 溉 管 理 上 未 盡 理 想, 其 灌 區 未 必 有 甚 大 之 規 模 另 一 方 面, 儘 管 水 源 較 為 缺 乏, 但 土 壤 保 水 力 佳, 管 理 又 頗 為 妥 善 者, 其 灌 區 之 規 模 亦 未 必 較 前 者 為 小, 除 此 之 外, 農 田 灌 溉 的 情 況 必 然 極 為 順 利 為 支 配 全 灌 區 農 田 用 水, 以 利 生 產, 必 須 建 設 灌 溉 系 統, 而 灌 溉 系 統 必 須 分 布 遍 及 全 灌 區 之 各 角 落, 由 水 源 地 之 蓄 水 或 攔 水, 經 渠 首 工 程 進 水 後, 由 導 水 幹 線 支 線 分 線 輸 水 至 給 水 路, 而 由 給 水 路 配 水 給 各 小 給 水 路 補 給 水 路, 最 後 再 至 田 間 灌 溉 其 間 或 須 經 由 隧 道 而 進 水, 幹 支 分 線 制 水 門 以 提 高 水 位, 由 分 水 門 分 水 供 各 支 分 線 系 統, 並 由 量 水 設 備 公 平 量 測 水 量, 使 其 滿 足 各 系 統 之 需 求 另 外, 還 須 經 過 虹 吸 渡 槽 暗 渠 跌 水 等 工 程 由 上 可 知 灌 溉 滴 水 在 進 入 田 間 之 前, 必 須 經 過 複 雜 之 灌 溉 系 統 與 地 形 障 礙, 才 能 到 達 田 間 為 作 物 培 養 生 機, 為 農 業 增 產 水 源 地 之 攔 水 蓄 水 工 程, 稱 為 蓄 水 設 備, 又 稱 蓄 水 系 統 渠 道 工 程 中 之 進 水 閘 或 分 水 閘, 稱 取 水 設 備, 又 稱 取 水 系 統 自 導 水 幹 線 支 線 至 分 線 階 段, 稱 為 輸 水 設 備, 15
第 二 篇 渠 首 工 程 第 一 章 緒 論 渠 首 工 之 構 成 試 論 述 渠 首 工 之 構 成 可 分 成 哪 些 部 分 答 : 渠 首 工 (headworks) 係 指 自 湖 沼 河 川 或 蓄 水 池 等 引 水 入 渠 而 建 造 之 構 造 物 一 般 由 調 節 取 水 位 為 目 的 之 攔 河 堰 進 水 口 及 其 附 屬 設 施 所 構 成, 試 分 述 如 下 : 攔 河 堰 (diversion weir): 攔 河 堰 與 蓄 水 壩 功 能 雖 相 同, 但 外 形 上 攔 河 堰 較 蓄 水 壩 低 如 河 溪 流 量 足 用, 不 須 儲 蓄 洪 水 做 為 供 應 時, 以 攔 河 堰 為 選 用 之 對 象 一 般 河 的 溪 水 深 度 不 足 引 入 渠 道, 亦 即, 河 川 等 低 水 位 時, 為 了 抬 高 水 位 已 引 取 用 水 至 水 路, 橫 斷 河 川 而 設 之 堰, 此 結 構 物 稱 為 攔 河 堰, 其 目 的 僅 供 導 水 之 用 攔 河 堰 之 位 置, 其 高 度 必 須 高 於 灌 區 中 最 高 之 地 面, 才 能 夠 以 重 力 的 方 式, 藉 地 球 引 力 將 水 輸 入 灌 區 內, 若 應 用 動 力 方 式, 則 較 不 經 濟, 應 在 河 溪 中 選 擇 適 當 的 高 程 點, 測 取 地 形 圖, 再 作 全 盤 的 規 畫 與 設 計 最 經 濟 之 渠 首 工, 應 依 規 畫 法 則, 將 其 主 要 的 三 部 分 做 詳 細 的 經 濟 分 析, 選 用 成 本 最 小 者 此 外, 也 可 將 攔 河 堰 向 上 游 移 動, 所 需 的 工 程 費 將 較 低, 然 而, 若 攔 河 堰 若 向 上 游 移 動, 則 必 須 加 長 引 水 之 渠 道, 故 渠 道 之 增 長 值 同 時 亦 需 列 入 分 析 比 較 27
第 三 篇 輸 水 工 程 第 一 章 明 渠 渠 道 斷 面 設 計 原 則 渠 道 斷 面 設 計 的 原 則 為 何? 試 論 述 之 答 : 渠 道 的 斷 面 形 狀 : 在 渠 道 的 設 計 上, 當 選 定 了 設 計 流 量, 並 依 地 形 坡 度 大 致 決 定 渠 道 流 速 後, 便 可 決 定 斷 面 形 狀, 再 進 一 步 計 算 細 部 之 水 理 人 工 渠 道 以 有 計 畫 之 幾 何 斷 面 設 計, 有 梯 形 矩 形 圓 形 三 角 形 拋 物 線 形 圓 角 矩 形 圓 底 三 角 形 等, 其 中 以 梯 形 矩 形 圓 形 最 為 普 遍 決 定 斷 面 形 狀 需 考 慮 水 理 性 最 佳 斷 面, 亦 即 最 經 濟 斷 面, 同 時 需 考 慮 設 計 施 工 安 全 等 因 素 當 渠 道 路 線 有 下 列 情 形 時, 需 考 慮 採 用 暗 渠 或 隧 道 : 對 於 施 工 及 完 成 後 之 安 定 有 不 安 全 之 虞 者 挖 土 量 多 而 不 經 濟 者 採 用 迂 迴 路 線 時, 需 延 長 路 線 等 不 利 情 形 者 決 定 渠 道 斷 面 有 六 大 原 則 : 最 佳 水 力 斷 面 : 若 渠 道 之 斷 面 積 一 定, 而 有 潤 周 最 小 及 最 大 水 力 半 徑 之 斷 面 形 狀, 則 流 量 亦 為 最 大, 此 時 之 斷 面 稱 為 最 佳 水 力 斷 面 滲 透 最 小 斷 面 : 渠 道 之 滲 透 量 除 受 表 土 下 層 土 質 地 下 水 位 之 高 低 影 響 外, 與 水 力 半 徑 成 正 比, 並 與 水 深 有 關 渠 道 之 安 定 性 : 此 問 題 對 於 設 在 山 腰 部 之 渠 道 尤 其 重 要, 若 水 49
新 編 水 利 工 程 設 計 全 真 模 擬 試 題 水 力 深 度 (hydraulic depth): 通 常 以 D 表 示, 即 D= A T, 為 渠 道 之 截 水 面 積 A 與 水 面 寬 度 T 之 比 值 渠 道 坡 度 (slope of channel): 亦 稱 渠 底 坡 度, 通 常 以 tanθ 表 示, 為 渠 道 底 床 最 低 點 與 水 平 地 面 所 夾 之 角 度 當 渠 道 坡 度 很 小 時, 即 θ 很 小 時,tanθ sinθ θ 當 渠 道 坡 度 水 平 時,y=d 當 渠 道 坡 度 很 大 時, 則 d=ycosθ 當 渠 道 坡 度 很 小 時,cosθ 1 則 y d 註 : 參 謝 平 城 著,2010, 渠 道 水 力 學, 五 南, 頁 2~3; 農 田 水 利 入 口 網 - 多 語 詞 彙,http://doie.coa.gov.tw/vocabulary/ vocabulary.asp(2012/6 瀏 覽 ) 求 渠 寬 窄 縮 程 度 有 一 甚 長 之 明 渠, 其 均 勻 流 水 深 為 1.5 m, 渠 寬 為 3 m, 坡 度 為 0.001, 曼 寧 粗 糙 係 數 n=0.015, 試 求 使 此 水 流 產 生 臨 界 水 深 所 需 渠 寬 窄 縮 至 少 至 何 種 程 度 ( 即 最 小 渠 道 坡 度 B min )? 83 高 考 二 級 答 : 水 深 d=1.5 m, 渠 寬 B=3 m, 坡 度 S o =0.001, 粗 糙 係 數 n=0.015 由 曼 寧 公 式 可 知 : V= 1 2 1 n R 3 2 S o V: 流 速 n: 曼 寧 粗 糙 係 數 R: 水 力 半 徑 S o : 渠 道 坡 度 V= 1 2 1 0.015 ( 3 1.5 3+2 1.5 ) 3 (0.001) 2 =1.74(m/s) 58
第 三 篇 輸 水 工 程 第 二 章 暗 渠 暗 渠 之 定 義 何 謂 暗 渠? 選 定 暗 渠 路 線 時 應 注 意 哪 些 地 方? 答 : 暗 渠 為 管 路 之 一, 除 受 渠 道 內 的 水 流 壓 力 之 外, 並 無 其 他 內 壓 力 存 在 下 列 情 形 適 用 於 暗 渠 工 程 : 坡 面 過 長 挖 土 量 過 多 或 地 下 水 位 高 需 承 受 上 揚 力 湧 水 過 多, 使 明 渠 在 構 造 上 不 安 定 經 濟 上 有 不 利 的 情 形 穿 越 道 路 等 因 覆 蓋 土 太 小 無 法 以 隧 道 方 式 施 工 時 依 其 使 用 目 的 可 分 為 灌 溉 暗 渠 與 排 水 暗 渠 二 種, 除 適 用 於 上 項 各 條 件 外, 在 地 質 風 化 或 沖 積 土 中 有 岩 石 節 理 砂 土 等 不 良 地 質, 不 易 開 鑿 隧 道 或 不 易 施 工 時 設 置 之, 後 者 即 於 橫 越 道 路 堤 防 時 與 橋 梁 之 設 置 相 互 比 較, 如 為 經 濟 或 橫 越 堤 防 而 無 法 架 橋 時, 或 因 用 地 不 能 開 明 渠 時 設 置 之 暗 渠 應 用 在 灌 排 兼 用 者, 因 灌 排 兼 用 具 有 較 多 之 缺 點, 若 非 不 得 已, 應 盡 量 避 免 之 在 形 狀 上, 暗 渠 分 成 圓 形 方 形 梯 形 拱 形 或 其 他, 在 構 成 材 料 上 則 分 成 金 屬 混 凝 土 木 材 等, 一 般 以 預 製 混 凝 土 之 圓 形 管 或 矩 形 整 體 現 場 灌 製 之 混 凝 土 箱 最 為 普 遍, 直 徑 較 小 之 暗 管 可 在 市 面 上 各 水 泥 製 品 廠 之 目 錄 中, 依 其 大 小 及 受 壓 力 之 大 小 選 購 較 為 方 便 且 經 濟 決 定 暗 渠 的 路 線 時, 應 注 意 下 列 事 項 : 由 於 暗 渠 每 公 尺 之 造 價 較 明 渠 高 出 約 二 至 三 倍, 所 以 在 地 質 條 91
第 三 篇 輸 水 工 程 第 四 章 陡 槽 設 計 陡 槽 之 定 義 何 謂 陡 槽? 其 構 造 及 作 用 為 何? 答 : 陡 槽 (chute): 指 從 高 水 位 向 低 水 位 輸 水 的 高 速 輸 水 道, 亦 稱 為 急 流 工, 與 跌 水 工 具 有 同 等 功 用 之 輸 水 構 造 物 當 渠 道 經 過 陡 坡 或 地 形 突 變 處, 渠 線 之 坡 度 因 不 能 按 照 地 面 坡 度 而 設 立 時, 應 選 擇 適 當 之 地 點 建 造 陡 槽 或 跌 水 工 以 消 除 過 大 之 能 量 至 於 設 置 陡 槽 或 跌 水, 須 考 慮 地 形 條 件 以 及 經 濟 條 件, 一 般 而 言, 若 縱 斷 方 向 距 離 短 且 落 差 大, 應 選 擇 跌 水, 而 縱 斷 面 距 離 長 且 坡 度 均 一 者, 以 陡 槽 較 有 利 陡 槽 可 能 為 管 路 渡 槽 或 明 渠, 典 型 的 陡 槽 設 計 可 分 為 : 進 口 漸 變 段 急 流 槽 拋 射 槽 靜 水 池 出 口 漸 變 段 而 在 進 口 漸 變 段 內 尚 需 設 控 制 斷 面 以 控 制 水 深, 以 免 上 游 渠 道 因 水 位 洩 降, 流 速 增 大 而 遭 沖 刷 流 經 陡 槽 斜 面 的 流 速 大 於 臨 界 流 速, 此 時 正 常 水 深 (normal depth ) 小 於 臨 界 水 深 (critical depth), 而 實 際 水 深 介 於 這 兩 者 之 間, 正 常 水 深 即 是 水 面 坡 降 平 行 渠 底 坡 降 時 的 水 深 斜 面 之 水 面 曲 線 可 117
第 四 篇 節 制 與 調 節 工 程 第 一 章 分 水 工 分 水 工 分 水 工 (division works) 為 灌 溉 管 理 配 水 上 的 重 要 工 程 設 施, 試 回 答 下 列 問 題 : 設 置 的 目 的 為 何? 分 水 設 備 有 哪 些 類 型? 主 要 應 具 備 哪 些 條 件? 位 置 應 如 何 選 定? 答 : 目 的 : 分 水 工 為 從 一 供 水 渠 道 分 配 所 需 之 流 量 至 二 個 或 更 多 渠 道 之 構 造 物, 其 同 時 具 有 調 整 水 位 之 功 能 分 水 工 可 為 單 獨 構 造 物 或 需 要 再 次 分 水 的 虹 吸 管 跌 水 或 斗 門 的 出 水 口, 如 分 水 處 不 需 量 水 時, 通 過 構 造 物 的 水 流 可 直 接 通 過 具 有 閘 門 或 閘 板 的 各 種 出 水 口, 如 需 量 水, 則 按 可 利 用 水 頭 之 大 小, 連 接 適 宜 之 量 水 設 施 以 便 分 水 分 類 : 依 水 理 性 質 可 分 成 : 潛 流 型 : 包 括 水 門 式 孔 口 式 樋 管 式 短 嘴 式 溢 流 型 : 包 括 比 率 式 明 槽 式 堰 式 控 制 閘 混 合 型 : 包 括 分 水 器 分 水 井 虹 吸 分 水 器 應 具 備 條 件 : 分 水 正 確, 不 需 加 以 調 整 構 造 堅 固, 不 容 易 發 生 誤 差, 避 免 增 加 檢 查 活 動 部 分 的 繁 複 169
第 四 篇 節 制 與 調 節 工 程 第 二 章 量 水 設 備 設 計 巴 歇 爾 量 水 槽 已 知 : 測 定 範 圍 由 0.113~1.133 c.m.s. 水 路 條 件 : 底 寬 b=1.80 m, 邊 坡 m=1.5, 水 深 d=0.60 m, 水 面 寬 B=3.60 m, 出 水 高 Fb=0.45 m, 上 游 水 路 底 標 高 =50 m 容 許 落 差 0.20 m 試 求 在 自 由 流 範 圍 內, 應 選 擇 何 種 巴 歇 爾 量 水 槽? 答 : 由 水 槽 尺 寸 與 流 量 測 定 範 圍 之 表 ( 如 下 ), 查 得 3 呎 ~8 呎 寬 的 巴 歇 爾 槽 均 可 測 定 之 中 小 型 巴 歇 爾 水 槽 各 部 分 尺 寸 表 (W Y 之 單 位 :cm) W (3 ) 91.44 (4 ) 121.92 (5 ) 152.40 (6 ) 182.80 (7 ) 213.36 (8 ) 243.84 A 167.64 182.88 198.12 213.36 228.60 243.84 2 A 3 111.76 121.92 132.08 142.24 152.40 162.56 B 164.47 179.39 194.31 209.23 224.16 239.08 C 121.92 152.40 182.88 213.36 243.84 274.32 D 157.16 193.68 230.17 266.70 303.21 339.93 E 91.44 91.44 91.44 91.44 91.44 91.44 F 60.96 60.96 60.96 60.96 60.96 60.96 181
第 四 篇 節 制 與 調 節 工 程 第 三 章 制 水 門 制 水 閘 門 之 型 式 制 水 閘 (check/cross regulator) 係 一 水 位 調 整 設 施, 在 適 當 位 置 橫 跨 渠 槽 之 水 工 建 築 物, 用 以 控 制 水 位 及 調 節 排 放 流 量 其 可 以 是 單 獨 的 建 築, 也 可 以 與 其 他 水 工 結 構 物 如 跌 水 橋 梁 分 水 閘 洩 水 閘 等 結 合 興 築 試 說 明 制 水 閘 門 之 型 式 及 其 適 合 之 條 件 答 : 制 水 閘 門 之 型 式 及 適 合 條 件 : 活 動 橫 插 板 式 閘 門 : 活 動 橫 插 板 式 閘 門 多 為 木 製, 由 寬 15~20 公 分 之 木 板 組 合 而 成, 其 厚 度 需 要 足 夠 支 撐 所 受 之 水 壓 力, 此 等 木 板 係 分 別 逐 一 橫 置 於 閘 槽 中, 而 以 鉤 桿 升 降 之 在 水 深 超 過 20 公 尺 時, 以 人 工 方 式 裝 卸 此 項 插 板, 甚 感 不 便, 且 容 易 導 致 巨 量 之 滲 漏, 因 為 此 項 關 係, 該 式 閘 門 雖 具 有 取 入 河 川 表 面 清 水 之 優 點, 但 仍 然 不 適 宜 用 於 重 要 之 幹 渠 建 築 物 此 種 閘 門 於 配 水 系 統 之 建 築 物 中 採 用 較 為 廣 泛 弧 形 閘 門 : 此 種 閘 門 形 狀 其 擋 水 面 呈 圓 弧 形, 承 軸 適 合 位 於 圓 弧 之 中 心, 任 何 水 位 下 水 壓 力 之 合 力 線 必 穿 過 承 軸, 故 開 啟 閘 門 時 所 需 克 服 之 阻 力 僅 為 閘 門 之 本 身 重, 承 軸 轉 動 時 及 橡 皮 帶 沿 閘 敦 移 動 時 所 引 起 之 摩 擦 阻 力 而 已 啟 閉 所 需 之 動 力 既 小, 故 可 適 用 於 較 寬 之 閘 孔, 此 式 閘 門 最 適 用 於 洩 水 排 砂 及 分 水 等, 適 合 用 於 下 射 式 閘 門 之 建 築 物, 建 築 物 之 宜 用 上 溢 式 閘 門 者, 如 節 制 閘 等 亦 可 將 此 型 閘 門 分 為 數 部, 各 具 放 射 式 之 臂 桿 及 獨 立 之 承 軸, 197