水工混凝土之輸砂磨耗分析

Abstract

台灣地區因為山高坡陡，每當颱風或梅雨季來臨時，豐沛雨量帶來的高流速、流量之水流其所挾帶之岩石砂礫常對水壩、分洪道等水工結構物造成嚴重之損壞。為了延長結構體之使用壽命，一般會在結構體外層築一防護層，亦稱為磨耗層，以便於提高結構體之安全與維修便利性。 本研究以座落於基隆河瑞芳鎮員山子分洪隧道為實際案例做分析主軸，由選用之磨耗公式代入不同環境與材料參數，配合相關實際案例計算結果之映證，來求得水工結構物所需設計之磨耗層厚度。而就環境參數的取得方面，主要架構在由經濟部水利署已知的實際水文量測資料上，推導出計算所需代入的環境變數諸如員山子隧道之年平均輸砂量、砂粒直徑和雨水流速度等，輔以二維顆粒躍移運動分析求得顆粒沖角、砂速、躍移長度。並以高速水流挾砂試驗所得到之材料參數，經由迴歸分析後，將上述兩種參數代入 J.G.Bitter之磨耗量預測公式，以估算員山子分洪隧道之年平均磨耗深度，最後再由ASTM C1138「水中磨耗試驗機」之實驗結果反推磨耗公式之鋼珠磨耗在水流運動中產生的能量，並修正磨耗公式之內容，以便了解鋼珠在水中的運動行為。 文中亦介紹水中磨耗機制的種類及特性，並探討建構本分洪隧道之主體材料:高爐石混凝土之配比與性質，再與水中磨耗試驗之模擬實際水流浹砂裝置作承接，配合參數敏感度分析，以了解混凝土在水中之磨損機理。