石門水庫電廠防淤改善工程三維數值模擬及不確定性分析

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石門水庫電廠防淤改善工程三維數值模擬及不確定性分析

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簡介

在石門水庫電廠防淤改善工程中,係將電廠2號壓力鋼管改為專用排砂道,藉由設施之改善於適當時機配合排砂策略與操作,排除水庫內之淤泥至下游適當位置,不但可增加水庫之蓄水空間、延長水庫及電廠設施之壽命,使石門水庫得以永續經營與利用。
本計畫研究目的係依據民國97年經濟部水利署水利規劃試驗所(以下簡稱水規所)水工模型試驗條件,透過三維數值模擬結果,進一步了解壓力鋼管細部流場變化包括壓力場、流速場、管壁作用力、管壁剪應力等,並檢討在不同水位高程、泥砂濃度及出水口條件下,低於1大氣壓區域之不確定性分析。
本計畫數值模式的邊界條件,係採用水規所水工模型試驗結果。從模擬結果得知,壓力測點18~19間發生局部的壓力變化,甚至發現低於1大氣壓,這是原本水工模型試驗及過去研究報告中從未發現的現象。從壓力管不確定性分析得知,在清水條件下,電廠2號壓力鋼管右分歧管內側測點(約為距入口距離410公尺處)低於1大氣壓機率仍高達為83%,值得重視與後續的研究。
此外,物模結果的下游邊界條件量測是否適當,尚須進一步反覆驗證;以及物模結果是否與施工完成後的現場一致,也須於試運轉期間進行比對。本計畫已經建立一套檢定與驗證之分析流程,倘若能在完工後試運轉期間取得現場下游邊界壓力值與流量等數據,數模是可以模擬現場條件之細部流場變化,故建議持續推動相關的研究。


目次

目錄 I
表目錄 V
圖目錄 VII
摘要 XI
ABSTRACT XII
結論與建議 XIII
一、計畫目的及工作範圍 1-1
1.1計畫緣起及目的 1-1
1.2工作範圍及項目 1-2
1.3工作流程 1-4
二、相關文獻回顧與資料彙整 2-1
2.1資料彙整 2-1
2.2文獻回顧 2-3
2.2.1 三維數值模式之發展與應用 2-3
2.2.2 統計不確定分析之文獻回顧 2-6
2.3水工模型試驗 2-9
三、三維數值水理模擬 3-1
3.1模式理論 3-1
3.1.1控制方程式 3-1
3.1.2數值方法 3-2
3.1.3基本假設與模式限制 3-3
3.2模擬案例說明 3-3
四、三維數值模擬之檢定與驗證 4-1
4.1電廠2號排砂道鋼管之P-Q曲線分析 4-1
4.1.1物理條件與數值條件 4-1
4.1.2模擬分析結果 4-2
4.2水庫水位高程245公尺-檢定案例 4-7
4.2.1無背壓及無攔污柵之測試 4-7
4.2.1.1物理及數值條件 4-7
4.2.1.2模擬分析結果 4-9
4.2.2含攔污柵、不含背壓之測試 4-12
4.2.2.1攔污柵簡化模型 4-13
4.2.2.2模擬分析結果 4-14
4.2.3攔污柵滲透率K值、網格數及管壁粗造度之檢定 4-17
4.2.3.1物理及數值條件 4-17
4.2.3.2網格獨立性測試 4-19
4.2.3.3參數率定與模擬結果分析 4-19
4.3水位高程251公尺-驗證案例 4-21
4.3.1物理及數值條件 4-22
4.3.2驗證結果與分析 4-22
五、三維數值模擬之流場分析 5-1
5.1流速場分析 5-1
5.1.1物理及數值條件 5-1
5.1.2電廠2號壓力鋼管流量及速度場分析 5-2
5.2壓力場分析 5-9
5.3彎管作用力分析 5-17
六、防淤泥沙濃度分析 6-1
6.1泥沙通量分析 6-1
6.1.1 5.5萬ppm之驗證案例 6-1
6.1.2 渾水流量關係式之建立 6-3
6.2排砂量分析 6-5
6.3不同泥沙濃度之管壁剪應力分析 6-9
七、壓力管不確定分析 7-1
7.1基本概念 7-1
7.2控制點壓力分佈與流場特性探討 7-3
7.3管壓不確定性分析 7-8
7.3.1 管內壓力與風險因子統計特性分析 7-8
7.3.2 管內壓力與風險因子之衍生 7-10
7.3.3 管內壓力與風險因子相關式之推導 7-11
7.3.4 壓力累積機率分布函數建立 7-16
7.4壓力風險分析成果說明 7-17
八、參考文獻 8-1
附錄一、期初審查意見修正說明表 附1-1
附錄二、期中審查意見修正說明表 附2-1
附錄三、期末審查意見修正說明表 附3-1
附錄四、工作會議紀錄 附4-1
附錄五、教育訓練課程規劃 附5-1


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