不同壩體坡度異重流正湧波之研究

Abstract

水庫淤積與許多因素有關，其中主要的原因是，水庫蓄水後庫區和回水段的水深及斷面積都增大，水面坡度減小，導致水庫內的流速減緩，輸砂能力降低，其挾帶的泥砂大部分將在水庫庫底沉積。當河道水流進入水庫時，粗砂首先沉積下來，逐漸形成三角洲；同時異重流挾帶著細砂向壩前運動，並沿途不斷擴散，細砂也將沉積在整個水庫範圍內，其中大部分沉積在壩前，不過由於異重流正湧波的影響，在水庫以上的河道內還是會發生泥砂淤積。 本研究主要在探討若不考慮壩體附近有排砂行為的情況下，水庫異重流撞擊壩體後形成之正湧波機制、現象與其物理意義。因此，本研究藉由水槽試驗量測不同單位寬度入流流量、不同入流濃度與不同壩體坡度下，異重流的頭速、平均爬升速度、最大爬升高度、壅高高度、正湧波速度及撞擊前後的速度剖面變化等現象，並利用DV攝影後加以分析。 另外，本研究同時採用CFX4數值模式模擬異重流正湧波。因異重流正湧波屬於二相流問題，需考慮兩相之間的動量交換，所以採用ASM模式（Algebraic-Slip Model）與SIMPLEC數值方法來進行模擬。本研究首先以數組水槽試驗進行CFX4參數檢定工作之後，再進行異重流正湧波現象之模擬。 試驗分析結果顯示，在相同入流條件下，異重流正湧波波速與壩體坡度成正比，與運動距離成反比；異重流正湧波之波速主要受Richardson number、異重流正湧波所行之相對距離及壩體坡度之影響。本研究異重流正湧波波速之經驗式，可供不同壩體坡度的水庫概算出異重流正湧波回溯庫區之距離及速度，有助於估算形成渾水水庫所需的時間。