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石門水庫排洪隧道3維水理數值模擬及不確定性分析

石門水庫排洪隧道3維水理數值模擬及不確定性分析


書籍介紹

石門水庫排洪隧道主要在彌補溢洪道排洪量之不足。當發生颱風或豪雨情況,且集水區開始明顯降雨,水庫可先進行調節性放水,以增加防洪容量,或遇水庫水位過高時,可配合溢洪道同時洩洪,以確保石門大壩之安全。
近年來因氣候變遷造成極端降雨事件,使得排洪隧道必須經常性啟用,才能抒解最大洪峰流量。目前排洪隧道在開啟過程中會產生劇烈的振動現象,對於閘門結構系統的安全性有待本計畫進行分析與評估,並提出適當的防振措施,達到避振與減振的效果,同時可免除閘門操作人員對於閘門振動可能引發安全問題的心理畏懼和疑慮。此外,本計畫也將探討排洪隧道高速洩流洪水對於後池之影響。
本計畫將針對石門水庫排洪隧道進行三維流場數值模擬,內容包括流固之網格建置、流場模擬、力學分析、流固耦合計算及不確定性分析等,在獲得相關數據資料後,進行開閘過程之流力與固力整合分析,以及流體對後池作用力分析等,以釐清排洪隧道相關之物理特性,進而確保運轉時之安全性。
為了驗證三維數值模擬結果的正確性,已於民國100年9月6日辦理排洪閘門靜態振頻試驗(無排洪)及民國101年4月6日辦理排洪閘門動態振頻試驗(有排洪)與通洪量測(水庫水位241.15公尺,排洪閘門開度1.5公尺)。此現場試驗資料相當珍貴,也感謝水利署北區水源局(以下簡稱北水局)及台灣電力公司(以下簡稱台電)的協助。
在計算網格建置方面,由於排洪隧道豎井段及排洪閘門的幾何相當複雜,而且相關圖說已經年代久遠,也模糊不清,因此花費相當大的人力確認所有的尺寸大小與位置,才能順利重建排洪隧道及閘門的幾何。
在排洪隧道通洪分析方面,當水庫水位251公尺及排洪閘門全開情形下,所計算的通洪量為2305cms, 相較於民國68年1/60模型比尺的試驗值2410cms約減少105cms,亦即三維計算值約為試驗值的96%;在與水利署水利規劃試驗所(以下簡稱水規所)一起驗證4月6日現場試驗的通洪量,第1號排洪隧道的現場試驗值為216.64cms,三維數值模擬結果為248cms,水規所試驗值則為250cms,亦即現場試驗值約為三維計算值的87%。
在後池作用力分析方面,於後池A2及A3區(排洪隧道出口直線方向的區域)受到排洪隧道水流的衝擊最明顯,若後池水位高於133.72公尺以上,則可以產生有效的水墊消能作用;此外,後池受到地形限制,後池寬度不足,洩洪水舌在高流量條件下會超過對岸的護岸高程形成溢流;水流衝向對岸後大部分轉向下游A4區形成一環流型態,且隨著流量增加而逐漸增強,沿著左岸壁產生較大的水壓作用,因此在排洪隧道對岸的下游面,常會有護坡破損的問題。
在排洪閘門振頻計算方面,於無排洪情形下,經過三維固力計算與現場振頻試驗分析結果初步比對,閘門整體振形的頻率(global mode)主要落於80.4951Hz、133.88Hz與241.09Hz附近;於有排洪情形下,考量水庫背壓對閘門本身的自然模態,三維數值模擬結果顯示,其閘門整體模態之自然頻率差異不大。此外,透過閘門的密合度分析,得知當閘門開啟4m左右以後,此時閘門下端因受到水流衝擊力而使得上方懸空,產生槓桿的效果,所以造成閘門上端翹起來以致於部分滾輪有脫離的現象。此時因水流有擾動的狀況或有變動性的衝擊,滾輪與軌道之間將可能會產生來回接觸(碰撞),形成顫震。此狀況可能是閘門開啟到此高度後有振動現象的可能原因。
在通洪量不確定性分析方面,當排洪隧道在閘門開度小於2.5公尺時,通洪量折減率現行值高於模式推估值;反之,當閘門開度高於2.5公尺時,通洪量折減率現行值卻低於模式推估值。因此,閘門開度高於2.5公尺時,通洪量折減率可能因過於保守而低估排洪隧道通洪能力。但因通洪量折減率現行值為根據現場防洪作業之經驗所訂定,仍有一定的參考度。因此,本計畫綜合現行所採用通洪量折減率與不確定性模式推估值,取其平均值作為洩洪量折減率之建議值。

分類 其他詳細資訊
  • 英文題名:3D numerical flow simulation and uncertainty analysis on flood diversion tunnels of Shihmen reservoir
  • 出版品網址(線上版或試閱版):連結
  • 適用對象:成人(業務參考),成人(學術性)
  • 關鍵詞:排洪隧道, 三維數值模擬,.不確定性分析
  • 附件:無附件
  • 頁/張/片數:380
授權資訊
  • 著作財產權管理機關或擁有者:經濟部水利署北區水資源局
  • 取得授權資訊:聯絡處室:養護課 姓名:李國裕 電話:03-4712001#426 地址:桃園市龍潭區佳安里佳安路2號