曾文水庫位於嘉義縣大埔鄉,攔截曾文溪水,是台灣最大的水庫

蓄水量最多(設計有效容量6億3120萬立方公尺,是第二位翡翠水庫3億4409萬的近兩倍)

庫區水位最大(滿水位時1805公頃,第二位翡翠水庫1024)

大壩體積也是全台之最(900萬立方公尺)

不過壩高134公尺,次於德基水庫的180,也和石門的133很接近

 

水庫興建的構想在日治時期即有規劃

1930年烏山頭水庫完工,供給嘉南大圳的灌溉用水

而烏山頭水庫是一座離槽水庫,庫區位於官田溪上游,但庫水是來自曾文溪上游的大浦溪

於兩流域之間的山嶺穿隧取水,即1930年完工的「烏山嶺引水隧道」

但烏山嶺隧道取水效率低,加上大浦溪旱澇水量差距大,因此便有了在引水隧道的上游,也就是今天曾文水度現址的地方蓋另一座水庫,

以調配大浦溪之溪水的構想

 

這個計畫沒有在日本殖民時期實現

到了民國時期,1959年再度展開相關計畫之籌備

1967年開始興建曾文大壩,於1973年完工蓄水,成就了這個台灣最大的水體建設

 

水庫的功能是防洪與蓄水供灌溉之用,與下游的烏山頭水庫串聯,支應嘉南大圳的農業用水

並設有發電量50百萬瓦的水力發電機組

本來的設計容量是可儲存63120萬立方公尺的水(也就是63120萬公噸的重量...不要問我為什麼要換算成這個)

但曾文水庫集水區面積不大,加上台灣南部有大半年降雨都少,因此水庫難以滿水

而2009年八月的莫拉克風災大來大量土石,瞬間為庫區增加了9100萬立方公尺的淤積

這大量的淤積等於讓水庫少了20年壽命,也使得底泥淤沙的高度來到海拔176公尺處,

甚至超出電廠進水口的165公尺與永久河道放水口的165公尺,嚴重危害水庫的運作

目前總體的淤積量已達2億8579萬立方公尺,有效容量只剩下4億6161萬立方公尺,僅存不到2/3

因此加速疏濬的工程迫在眉睫。

而一般以機具疏濬的方式成本高,疏濬量又緩不濟急

最好的方式便是開鑿出通向下游的排沙隧道,於洪水來時開啟,讓底部流動的淤沙自然隨著洪水排到下游

因此便展開了「曾文水庫防淤隧道」的興建工程

 

隧道始建於2013年,預計於2017年7月完工

今天亂入由社團法人中華民國地質學會、工程地質研究會、地層古生物研究會,與地質教育研究會所主辦的曾文水庫工程與曾文溪地質參訪活動

目的便是來看看這個堪稱創下多項工程突破的神奇隧道

順便跟著地質學家來看看出露於曾文溪流域的幾處精彩地質露頭

 

 

 

眾人在水利署曾文水庫工務所的簡報室聽取工程相關資料的簡報

之後直接來到曾文水庫,實地進行工程與地質考察

 

第一個地點是曾文水庫大壩上游左岸的瞭望台

是觀察排淤隧道工程的好地點

位於水岸圍堰底下的工程就是排淤隧道的端口,未來會在此處裝設一個虹吸鋼管

山坡上的建築是防淤隧道的閘門與豎井控制中心

 

 

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曾文水庫大壩設施的配置

紅色標示的是新建防淤隧道

同一座山裡已經有兩條導水隧道,與發電機組

其中藍色的一號導水隧道是曾文水庫的出水與發電尾水排出口

二號導水隧道封閉不使用

 

防淤隧道進水口海拔約175m,出水口約110m,落差65公尺,相當於15層樓的高度

排淤期間大量洪水夾雜泥沙沖瀉而下,動能十分可觀

而曾文大壩附近河道狹窄,出水口端沒有足夠腹地可興建消能池

工程師們想到的方案是在山體內開挖大截面的通道,讓洪水直接在隧道內消能的作法

因此實際上這項工程最困難的任務是在出水口端興建一個可能是台灣有史以來開挖過截面積最大的山內隧道。

等一下會進去這個神奇的消能池洞穴內部參觀

 

圖片來源:經濟部水利署南區水資源局

 

 

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另外一個重點是防淤隧道進水口處的象鼻引水隧道,其實是個大型虹吸導水鋼管

直徑11.6公尺,管內水路長約62公尺,由鋼板彎曲焊接成雙層,內襯水泥以減少震動

由於鋼管過於巨大,無法以陸路運輸,因此是在水庫上游的岸旁建立工廠,組裝後再將整條鋼管從水路以拖船運到大壩旁的工地

鋼管進水口預計安裝的位置是在海拔175m的位置,而目前淤積已經來到176公尺

如遇洪患,泥水從上游沖刷上來時,因沉積物的比重大,會在庫底形成泥流

這時先將排淤隧道內的近水管路都灌滿水,再開啟排淤閘門

庫底的泥沙就可以因虹吸效應被源源不絕的抽送上來,排到底下出水口的曾文溪下游。

 

此外因進水口處地層長期浸水軟化、地質不穩定

這個工法採用的是水中破鏡開挖

也就是象鼻鋼管裝上去之後,已完成的導水隧道內再注水

在兩邊都有水、壓力平衡的情況下才貫通預留的鏡面位置(圖中紅色的構造)

 

最終這項工程會花掉約40億元

因為多了一個排水通道,曾文水庫的排洪能力增加995cms(立方公尺每秒)

而最重要的排砂功能,預期每年可以在汛期排出104萬立方公尺以上的泥沙

這相當於6.93億元的機械清淤費用。

 

圖片來源:經濟部水利署南區水資源局

 

 

大壩前有漂浮木攔截索

此時算是旱季,遠方地層浮現

 

 

 

曾文大壩所在的位置大約是隘寮腳層砂頁岩與茅埔頁岩、竹頭崎層的交雜處

大壩右岸這邊可見竹頭崎層的傾斜地層

 

左下岩壁可見水平的層狀線條

那不是岩層本身的結構,而是沒入水中後形成的沉積

 

 

排淤隧道的進水口

象鼻鋼管還沒裝上去

 

 

 

這項工程預計於2017年7月竣工

隧道段開挖施作幾乎都已經完成,再把這條象鼻鋼管接上去就成了

目前這條鋼管已沉入水中,和浮台錨定在大壩旁水深處

就是圖中那個小平台

要等梅雨季開始、曾文水庫水深提高到某個程度之後才能開始安裝

這也是影響接著能否順利完工的一個重要不確定因素 

 

 

再來到曾文大壩

 

 

 

大壩頂端的溢洪道出水口

 

 

 

曾文大壩有三個溢洪道

有各自的巨大閘門可控制

溢流堰頂標高是海拔211公尺,水位超過這個值就該洩洪了

至於大壩頂端則是235公尺

 

 

 

大壩旁出露地層

由厚層細砂岩、薄層砂岩、泥岩與頁岩互層組成

局部破碎可能與斷層有關

背後最高的是三腳南山 

 

 

大壩溢洪道

水道下方有落水池,可減緩洪流衝擊河床的力道

 

 

 

依恃地形興建,三條水道的形狀不太一樣

同時開啟時一共有9470cms的排洪能力

 

 

 

大壩下方有曾文發電廠

其實發電廠在山裡的隧道內,外面這個是開關站與變壓站

發電廠以一部豎軸法蘭西斯式水輪機連結發電機運作,水輪與發電機皆是三菱重工出品

發電機容量為50百萬瓦,每小時可提供五萬度電;輸出電壓1萬3800伏特,經由變壓站提高到6萬9千伏特,輸送至白河變電所

滿水位時引水口與發電機組的落差(水頭)有120公尺(曾文滿水位是230m,也就是說發電機組位於海拔110m處)

發電尾水排入一號導水隧道,每秒出水56噸(也就流量56cms)

 

 

曾文水庫大壩

很單純以土石滾壓堆疊而成,長400公尺,高134公尺,是台灣第二高(第一是德基水庫的180m)

上頭有一條十m寬道路

壩底部最寬處則寬700公尺

 

 

 

 

壩身土石體積是全台灣最多,達920萬立方公尺

可以舖成一條20米寬、2米厚,基隆到高雄的道路

 

 

 

壩頂空地處立著「曾文水庫大壩改建工程竣工誌慶」紀念碑

這項工程於2008年七月開工,2009年六月竣工

將曾文水庫的有效水位從227公尺提升到230公尺

不過完工後的2009年八月就發生了莫拉克風災,帶來9100萬立方公尺的淤積

效益等於是沒了 

 

 

忍不住離題看看天上的雲

 

 

 

接著來到第三個地點,曾文大壩下游右岸的大壩觀景台

 

 

 

綜覽大浦溪(曾文溪)河道

左邊上游的高牆就是曾文大壩,有溢洪道、發電廠與底下落水池等設施

右邊則是曾文排淤隧道工程的地址

中間底下可以看到一個隱藏著的水道出口

 

 

 

曾文大壩

三條溢洪道坡度不一樣

右下角處的河床岩層明顯分為兩部分

 

 

 

溢洪道近觀

 

 

 

沒有使用的水道,是二號導水隧道的出口

這是當初興建大壩前預先開鑿的,將溪水由導水隧道引離河床,才能在大壩現址開工動土

等大壩完工、水庫開始蓄水就會封閉

導水隧道一共有兩條,一號隧道目前是當成發電廠尾水排出口而還在使用中 

 

 

 

看排淤隧道工程

 

 

 

其實真正的排淤隧道出水口不在這面

眼前這個小洞是為了施工而開挖的橫坑

工程人員與機具可由此出入

 

 

 

來看地層

 

 

 

三根電線桿

底下灰色的是鹽水坑頁岩

一個斜面過後與左邊灰黃色的隘寮腳層相接

這兩種岩層都是上新世早期的沉積岩

 

 

 

這座山的地層內有兩條右移斷層,防淤隧道貫穿其中

但因為在大壩施工挖通導水隧道前就已經做過地質調查

因此地質問題不是工程的最大難題

入水口的象鼻隧道與出水口的隧道內消能池才是

 

 

這條斷層地表上無法觀察

可以由河床上的頁岩岩層分布不連續看出來;但從觀景台看不到

另外斷層應該也影響了山坡的形狀

那個已經固化了的小崩塌不曉得是不是也有關係

 

 

 

接著前往第四個地點:排淤隧道出水口消能池工地

路邊放著一台隧道工程用的開挖機械

應該是用來鑽洞塞炸藥的

 

 

 

河畔的工地現場

 

 

 

傳說中的排淤隧道

就是右邊那兩個並立的洞口

 

 

 

其實裡頭是同一條隧道

那為什麼要出口要作成兩個洞口呢?主要還是為了消能、避免洪流沖擊河岸之故

但因為此處岩層強度不足,為了強化中間留下的那個隔壁也費了一番功夫

 

 

 

旁邊的圓孔隧道不斷有清水湧出

這就是一號導水隧道,目前排出的是發電廠用來發電後的尾水

灌注到河床補足曾文溪之溪流

不過到了下游不遠處,又會有大部分溪水被烏山嶺隧道領去烏山頭水庫

利用效率可說是十分高

 

 

 

工地前聚集

這條'防淤隧道主要是因應八八風災帶來的大量淤積

然而其實在曾文水庫施工的一開始,就該把這個工程也作出來才對

 

這據說是因為當初民國政府興建水庫時,是向美國的水利專家諮詢

而美國的水庫規模很大,沒有什麼淤積的問題

因此許多國民政府時期所蓋的水庫都沒有考慮排砂的機能

導致後來都遇到淤積超限難以清理的問題

必須再花費一番功夫另外想排砂的辦法。

 

較後期興建的水庫,如寶山、仁義潭、湖山水庫,都採用天生淤積就較少的離槽式設計

而翡翠水庫雖然直接截斷北勢溪溪流,但上游水土保護作得好,也沒有嚴重的淤積問題

 

 

 

 

隧道出口也有一個地質景觀

 

 

 

就在一號導水隧道上方

可見扭曲的岩層構造

但這不是摺曲,而是崩移構造(Slump structure)或旋捲構造(Convolute structure)

 

 

 

溪床上巨石遍佈

 

 

 

走便橋前往隧道工地 

 

 

 

工程便橋

因為上游是水庫所以應該不用擔心颱風時會被洪水沖垮

 

 

 

一號導水隧道

 

 

 

近觀上頭出露的扭曲岩層

 

 

 

看起來像蜷曲的花生糖

或是摺好的厚棉被

 

 

 

這是沉積物堆積時期,因重力緩緩滑動

與下方堆積若有磨擦力不均時,就會發生的扭曲現象

好像把麻糬放在斜面上,當它緩緩往下移動時就會因接觸面的摩擦力而扭轉起來

 

 

 

接著進入防淤隧道工地

 

 

 

有一個小入口可連接隧道頂的通道

 

 

 

鏘鏘

 

 

 

看一下下方還在進行的出水口補強工程

 

 

 

傳說中的防淤隧道排水口消能池

 

 

 

 

底下好高

 

 

 

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來看洞內消能池的設計

整條排砂隧道總長約1.09km,末端即是長約260公尺的消能池構造

其中包含長147公尺的消能池主體,與末端約長112公尺的雙孔出水隧道

消能池坑室寬約12公尺,最大高度約27.6公尺

應該是台灣開挖過最大的水利工程隧道建築

 

圖片來源:經濟部水利署南區水資源局

 

 

出水隧道有兩管

這是北出水口

站在架高的走廊上有點不安

 

 

 

出水口前有道溢流堰

可以在後方的消能池儲水

這樣啟動排砂時洪流才不會直接衝擊消能池的底部

 

 

 

因為地質強度不足, 開挖面又太大

這個隧道是採取邊開挖邊作襯砌的工法完成的

也就是從頂端開始挖除土石,同時水泥襯砌也同步加了上去

再逐漸降挖,同時完成兩邊牆壁的襯砌

整個挖完之後就只需要作底部鋪設就成了

 

一般的隧道工法是全部挖穿之後再架鷹架,由頂端開始蓋襯砌

但這個隧道太高,在裡頭架這麼高的鷹架會佔用太多空間而無法施工

 

 

 

圓拱型的隧道頂端 

 

 

 

來到洞口溢流堰的後方

空間這麼寬廣怎麼不拿來辦演唱會

回聲效果應該很好

 

 

 

分兩堵的洞口,靠這面牆區隔水流

看起來就像鼻子

因地層強度不足,所以除了留下來的岩層本身,還襯了很厚的水泥

並打地錨以加強牆面的抗衝擊能力

 

 

 

底下就是消能池了

還剩下一些表面強化的工程正在施作

 

 

 

巨大的山中構造

 

 

 

往上是排洪隧道段

今日的參觀止於此

未來將有秒速18~30m、夾帶大量泥沙的洪流從這頭噴出來

落到下方的跌水池中

等水流稍微靜緩之後再自然溢流出去,匯入曾文溪溪流。

 

由於預估的水流流速快,又夾帶大量固體,可能會對隧道內壁造成侵蝕(河床的壺穴就是這樣形成的)

因此整段隧道內壁都有鋪敷抗磨蝕的材料

這個項目據說也花了不少錢

 

 

等開始運作之後這條隧道就無法進來了吧

聽說在設計上即使以最大能力排洪這段消能池也不會被滅頂

所以說不定還是可以站在這條走道上看排砂喔

但應該不會開放給一般人來參觀就是了 

 

 

隧道出口的鼻型中間柱

 

 

 

回到洞口

 

 

 

北出水口

 

 

 

離開

 

 

 

由對岸眺望

 

 

 

以後就會有大量泥沙從這兩個洞口噴出來囉

像鼻涕一樣(啥)

 

 

 

離開曾文排淤隧道工地

來到第五個地點

 

 

 

走下曾文溪的河床

位於曾文大壩下游約五公里處

 

 

 

觀察山岩

 

 

 

此處是隘寮腳層與鹽水坑頁岩的交界

跟剛才在壩前看到的一樣

不過有露頭在河床上,可以就近觀察 

 

 

背後的岩山則是另一種地層,北寮頁岩

 

 

 

午光照射

看起來很壯觀

 

 

 

曾文溪河床上有工程正在進行

藉機走下溪畔觀察

 

 

 

沉積岩紛亂處

 

 

 

觀察山形

那道光斑剛好標示出地層中隘寮腳層與鹽水坑頁岩的界線(我不是故意的...是回來看照片才發現居然這麼剛好)

光斑左邊屬隘寮腳層沉積岩,右邊是鹽水坑頁岩

以地質時代來看,兩者皆為上新世早期的沉積岩

不過鹽水坑頁岩時代早於隘寮腳層。

 

這兩層地層及對應到台灣中部的桂竹林層、北部的二鬮層

為什麼台灣這麼小,同樣的地層卻有這麼多名字呢

除了質地與構成還是略有不同之外,主要是台灣早期沒有經過統一的大規模地質調查

都是當地要興建水利設施或要鑽井時才會各自查探

如桂竹林層,標準露頭在苗栗桂竹林,是中油鑽探時調查命名的

後來各地都有了鑽探資料,一一比對才對照出各地層的對應關係

不過還是來不及了名字已經太多了

 

 

 

因岩性之差異,頁岩比較細緻不耐侵蝕

這個因素也反映在界線右左兩邊的山體形狀上

 

 

 

河床上正在作什麼呢

不遠處的上游即是烏山嶺引水隧道的入水口,也就是烏山頭水庫的取水道

完成於1929年

因過於老舊不敷使用,且有滑移與坍塌之疑慮,目前正在下游處開挖第二條入水隧道

 

 

看茅埔頁岩之山丘

這是地質年代比隘寮腳層更新的堆積

 

 

 

前往河床對岸

因為水流都被引去烏山頭水庫,所以旱季時曾文溪上游基本上沒有什麼水

 

 

 

隘寮腳層砂岩與鹽水坑頁岩交界

 

 

 

站在細細碎碎的鹽水坑頁岩上

 

 

 

鹽水坑頁岩是質地均勻的厚層頁岩

所謂頁岩就是由非常細緻的泥沙壓實後形成的沉積岩

因為質地均勻細緻,本身又不耐侵蝕

受風化後整體會整塊片狀剝離,像起來像一層層的洋蔥

稱洋蔥狀風化

 

 

 

夾雜薄層的砂岩堆積

因為砂岩比較耐侵蝕,會在岩壁上顯露出來

 

 

 

來到一個中型的地質構造

 

 

 

這個凹陷是一處蝕溝鑄痕(Gutter cast)

簡言之是古海濱或溪流三角洲的堆積

在沉積岩形成初期突然發生大規模洪水

使得原本的沉積地形遭到一次性的強力下切侵蝕,突然又被挖出多條溝槽

因為這種洪水頻率沒那麼高,因此挖出來的溝槽又會漸漸被堆積物覆蓋

或者溝槽內會堆積洪水帶來的沉積物

這些溝槽留下來便形成了地層內一條條沉積紊亂、不均質的異變結構。

 

 

不過也不一定是陸地的洪水才會形成這種結構

穩定的海岸如果突然發生海退,使得海岸線變化,產生波浪侵蝕

也會塑造出蝕溝鑄痕

可以比對溝內與周邊堆積物,就由兩者沉積的差異來推測可能的地質事件

 

 

 

 

但總而言之,由這個構造就可以知道這處隘寮腳層與鹽水坑頁岩的交界地帶

以前應該是溪流出海口的三角洲區域

 

 

 

前來隘寮腳層砂岩

砂岩上有爬升漣痕(Climbing Ripples)的紋跡

這是海岸線地區的地層,因波浪拍打而形成的韻律條紋

從波紋的角度可以判定這些波痕形成時地層正逐漸下陷

因此這一連串漣痕是不斷往上堆積出來的,稱爬升漣痕

 

 

 

當然沉積岩中也有化石碎屑

 

 

 

薄薄的粉質砂岩互層

 

 

 

最後來看一個剪裂帶

 

 

 

這邊的地層中有一條不連續面

因斷裂處比較容易受侵蝕,而在岩層中凸顯了出來

 

 

 

比對剪裂帶兩邊的岩性

這應該是一條右移斷層

 

 

 

END 

 

 

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