第八卷 第九期 - 2009年五月十五日
濁流中地工格網之磨耗損傷
黃景川


 
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要:
本研究針對高分子地工合成物應用於河(海)岸之濁流中磨耗損傷的問題,設計製作一圓形流槽,進行濁流中高分子地工格網磨損行為之模擬。圓形流槽可改進傳統水利工程相關研究中常用之直線流槽之缺點,如濁流中顆粒難以定量控制,顆粒之回收與利用過程費時,及大量抽水及貯水設施等問題。本研究証明圓形流槽可定量且有效率進行濁流中地工合成物之磨損模擬試驗。本研究發現地工格網在濁流中之磨損所造成極限抗拉強度之折減量與顆粒之體積濃度及流速成正比;EPOXY之被覆材相較於傳統之PVC被覆材在相同之濁流條件下可減少約20%之磨耗損傷,為值得繼續開發之新抗磨耗材料。減少濁流中格網磨耗損傷之另一方法為採用較粗之纖維束,此一發現亦值得後續實驗建立量化之磨耗損傷估計模式。
圖一 使用海灘礫石及高分子地工網袋做為海岸保護之先導嘗試計畫現場(取自Huang and Liao, 2007)


重點內容:
在永續發展前提下,就地取材做為公共工程材料之嘗試為不可或缺的一環。以地工合成物(Geosynthetics)配合海灘礫石之‘地工格網箱籠工法’嚴苛的挑戰之一發生於海岸保護工程,其中構造物承受長期海浪之反覆作用。本研究根據一大型海岸保護先導性計畫之現場觀察(圖一),發現使用於海岸保護之「高分子地工格網箱籠」在海岸承受礫石反覆之摩擦作用發生磨損之現象(圖二),在實驗室中設計製造一圓形流場模擬裝置,定量評估流速、顆粒濃度、延時及地工格網被覆材料種類對地工格網極限抗拉強度損傷之影響。本研究中設計製作之圓形流槽設施示於圖三,此一實驗裝置改進傳統水利工程常用之直線流槽所具有之大量用水、不易處理濁流中顆粒及系統佔地大之缺點,可同時提昇濁流之相關實驗量測之準確性與經濟性。此一裝置之圓周內側以圖四之流速儀量測結果顯示本裝置可產生相當規律之流速場,如圖五所示。
圖二 受海岸礫石之往復磨損作用之地工箱籠(a)中度損傷之例, (b)嚴重損傷之例(取自Huang and Liao, 2007)

圖四 以電子流速儀量測地工格網試片附近流速分佈(取自Huang and Liao, 2007)
圖三 直徑1.5 m, 高度1.0 m之圓形流場試驗槽(取自Huang and Liao, 2007)


圖五 試片附近斷面之流速分佈, (a)馬達轉速40RPM,平均流速Vm = 2.2 m/s, (b)馬達轉速50RPM,平均流速Vm = 2.5 m/s. (取自Huang and Liao, 2007)


本研究發現濁流中之地工格網損傷有兩種形式:1. 沿水流方向之格網表面磨損(圖六-a);2. 與水流方向垂直之衝擊損傷(圖六-b)。此兩種損傷可由試驗結果反映於實際應用,以評估地工格網箱籠之整體安全性。本研究對三種地工格網進行試驗發現格網損傷程度(以強度損失率P.S.R.表示)與延時(T)在T ≦ 24小時成線性關係,其後之單位時間損傷率變小(如圖七)。本研究亦發現,採用EPOXY被覆之格網相較於傳統之PVC被覆大約減少20%之磨耗損失。這顯示耐磨損被覆材料之研發可成為地工格網在嚴苛環境應用時重要角色之一。
圖六 地工格網(GRID 2)在T = 8 hrs.時之損傷狀況: (a)平行水流方向之磨損, (b)垂直水流方向之衝擊損傷(取自Huang and Liao, 2007)

圖七 在流速 Vm = 2.5 m/s及濃度 Pc = 4.6±1% 條件下各種格網之強度損失率( P. S. R. ) 與暴露時間( T ) 之關係 ( 取自 Huang and Liao, 2007 )

本研究根據在不同顆粒濃度之濁流中各種格網之磨耗損傷試驗結果(如圖八、九),建議濁流中採用地工格網材料時,應將格網之磨耗損傷考慮為一主要之損傷機制。同時可採用較厚纖維束之編織或採用EPOXY之被覆材料以減少格網之磨耗損傷。
圖九 以EPOXY被覆格網(GRID 6)之PSR vs. Pc關係(取自Huang and Liao, 2007)
圖八 傳統PVC被覆之地工格網(GRID 2)損傷程度(PSR)與顆粒濃度(Pc)之關係(取自Huang and Liao, 2007)




本文摘自:
Huang, C.C. and Liao, C.C. (2007) “Abrasion damage of geogrids induced by turbid flow” Geotextiles and Geomembranes, Vol. 25, No. 2, pp. 128-138.

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