水工結構物邊界磨損相關文獻

因為水工結構物所處環境特殊，長期 暴露於水流中加上水流中大部分含 有泥砂，當挾砂水流以較高的流速或水流於高水頭泄流於水工結構物時，

對結構物產生極大的沖擊與磨耗，使結構物混凝土表面產生破壞。由Creegn et al. (1989) 將磨損作用主要分類於下列三種：(1)水流挾帶之懸浮物，如砂、

礫、沉泥等，與混凝土表面磨 損而造成之破壞作用，稱為水中磨耗作用 (abrasion)。(2)受高速水流所產生之作用力(拖曳與分離力)或水流挾帶顆粒及 懸浮物，撞擊混凝土表面而產生破壞，稱為沖蝕或沖擊作用(erosion)。(3) 高速水流中易挾帶氣泡，當流速減緩使壓力增大，導致水中氣泡破裂而對 局部表面產生沖擊力，因而局部破壞，稱為穴蝕作用(cavitation)。

ASM International (2001)、Stachowiak and Batchelor(2005)認為沖蝕作用 對磨損的影響，決定性的因素主要為流速與沖角，所有材料沖蝕的行為皆

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與其有關。影響混凝土水中磨耗的因素很多，Truscott (1972)對水工結構物 的磨損做一系列詳細的調查，由調查結果可知，影響磨損主要可分為結構 物的材質、水中懸浮物的物理特性及流體特性等因素。日本土木學會之水 理公式(1999)為兼具實務與簡易要求，且包含磨蝕(沖擊)及磨蝕(摩擦)之推 估流程，但目前缺乏國內之材料沖擊及摩擦之相關係數。朱(2005)以大小不 同的顆粒及泥砂含量沖擊混凝土，得出隨著顆粒粒徑及含砂量的增加磨損 有增加的趨勢，另外以SEM 觀察受沖擊的混凝土試體表面，越大的顆粒，

試體產生的裂縫越大，在泥砂粒徑2.5mm 以下，漿體表面主要為剪切面，

並無裂縫產生。

在磨損理論分析上，Horszczaruk (2004，2008)提出一種純粹考量磨蝕(摩 擦)機理之磨損分析方法，其為一種考量可在試驗室中適用於磨蝕 (摩擦)試 驗之分析方法。黃(2006)等人把影響磨蝕的水力參數進行彙整，並從水流速 度、水流的型態、過流的歷時與水中的含沙量等四種不同的層面進行探討。

劉(2006)等人將日本學會之水理公式應用於員山子分洪隧道之現場案例，計 算其隧道邊界層之磨損厚度。呂(2008)對水工混擬土磨耗層進行分析，整理 前人的磨損理論與相關公式，並應用於員山子分洪隧道，將不同磨損公式 進行比較與進行敏感度參數分析。陳(2009)利用Bitter (1963)之理論提出沖蝕 變形理論來進行固體材料沖及擊及切割的分析，惟其材料特性以目前技術 仍不易求得。

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1-3 研究方法

在管流中，如果為滿管，以壓力流的情況處理之；若為非滿管，則以重 力流處理之。經蒐集石門水庫防洪防淤隧道相關的報告可以得知，為了避 免震盪造成過多小碎波，所以隧道設計是以重力流進行設計，原則上不會 發生滿管之現象。由於本研究目的是希望了解石門防洪防淤隧道內泥砂運 動行為及對邊界造成之影響，所以在建立模式時，以重力流模式為理論基 礎，故水理方面根據迪聖凡南方程式，然後加入泥砂條件，合併為一維水 砂方程式，數值方法採用顯式有限體積法並結合 WENO 以增加數值解之穩 定性。對於模擬結果，依據底床變化進行判斷，可以得知泥砂在管道、隧 道中之運動行為。若固體邊界上沒有發生淤積，也就是在高速水流情況下 不斷地沖刷邊界，則再進一步進行固體邊界磨損之探討，計算邊界之磨損 量。研究流程見圖 1-1。

案例選擇方面則先採用實驗室案例進行模式檢定與驗證，待檢定驗證完 成後再進行現場案例模擬。本研究現場案例欲對目前石門水庫排洪防淤隧 道的討論案最有可能實行之 C 案、D 案以及長遠規劃來看效益最大之 A 案 進行數值模擬，並就模擬結果進行分析與討論。

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