水工混凝土磨耗層分析

水工混凝土結構物如河道、防波堤、水庫之排洪隧道、溢洪道等,由於長期與水接觸,並受到地形、水流環境等影響,在豪雨或颱風過後,水流便會以極快的流速、挾帶大量的砂礫泥砂,直接對水工混凝土造成損壞。所以對水工混凝土結構物,必須先設計一防護層已抵抗這些外來的磨損作用。而水流挾砂的磨損作用主要有三種:磨耗作用、沖蝕作用及穴蝕作用,各個作用對材料損壞磨損的方式都不相同,因此也發展出不同公式模型來推算不同作用下的磨損量。影響磨損程度的因素有很多,不外乎為材料及環境的因素,從材料面著手增加混凝土抵抗磨損的手段有:添加卜作嵐材料、骨材強度等等…前人的研究很多,不外乎提升混凝土各項性質以增加其抗壓強度,進而有效抵抗水流及砂礫的磨損作用;對於外來環境因素水流的影響,因為水流的動能帶動了水中泥砂顆粒運動產生了各種不同的運動方式,而水中顆粒的躍移運動主要受力學特性所影響,造成顆粒沖擊的速度及角度有所不同,影響著磨損的作用方式和磨損程度。本研究將探討各個作用因素下對磨損影響的程度,並以數值分析方式配合力學的機制模擬顆粒於水中磨耗試驗下二維單顆粒的躍移運動,進而求得沖角及流速。並藉由水流挾砂試驗的成果建立理論模型中的材料特性參數,求取磨損量。最後藉由實際案例的成果資料與理論公式作結合評估模型公式的正確性。從本研究藉由模型公式分析計算與試驗的結果比對發現,以該理論模型公式計算混凝土磨耗量有其適用性,雖然在實際案例的計算上有所差異,但在分析計算的過程中發現了許多值得改進的缺點,可以提升磨損量的精確度,提供了水工混凝土材料磨耗層後續研究之參考。

作者:呂昆樹