護坦及尾檻下游之局部沖刷分析

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姓名

陳瑞昌(Jui-Chang Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

護坦及尾檻下游之局部沖刷分析
(The Local Scour Behavior Downstream of Aprons and Sills)

相關論文

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摘要(中)

一般下游底床會有設置護坦和尾檻的保護工設施，以防止底床的嚴重淘刷。本研究通過清水流渠槽試驗，控制在一固定之流量及閘門開口下，改變兩種不同的粒徑，分別比較邊牆射流、邊牆射流護坦保護工及邊牆射流尾檻保護工等三種不同的試驗模型在深、淺尾水流況下，探討沖刷坑的沖刷機制與型態。且利用理論分析配合實驗結果，建立沖刷坑特徵尺度(最大沖刷深度、最大堆積丘高度、最大刷深位置、沖刷坑長、和基礎趾處刷深)預測模式，可用於推估並比較護坦保護工和尾檻保護工下游端之沖刷坑。以期能進一步瞭解保護工在邊牆射流作用下，下游河床之互制作用，達到最佳保護水工結構物設計之參考。

摘要(英)

Aprons and sills are the common countermeasures for protecting the downstream riverbed. In this study the local scour behavior downstream of aprons and sills are examined by employing laboratory experiments. The scour characteristics of two homogeneous sand beds caused by the wall jet, the wall jet with apron, and the wall jet with end sill, are compared. By using theory and experimental data, a prediction model is developed, and is used to explore the characteristics of local scour near those structures.

關鍵字(中)

★ 沖刷坑
★ 尾檻
★ 護坦
★ 局部沖刷

關鍵字(英)

★ sills
★ aprons
★ local scour
★ scour hole

論文目次

中文摘要…………………………………..………………………...Ⅰ
英文摘要…………………………………..………………………...Ⅱ
目錄………………………………………..………………………...Ⅲ
圖目錄…………………………...………..…………………………Ⅴ
表目錄…………………..……...………..………………………..Ⅸ
符號表…………………………...……..……………………………Ⅹ
第一章緒論…………………………..……………………………. 1
1.1 研究緣起………………..………………..…………….. 1
1.2 研究方法………………..………………..…………….. 2
1.3 本文架構………………..…………….…………..……. 2
第二章文獻回顧…………….……………………………………. 4
2.1 沖刷坑型態之研究...…………………………………... 4
2.2 局部沖刷機制之研究………………………………….. 10
2.3 洩水閘門在護坦上對下游沖刷之研究………….……. 12
2.4 洩水閘門尾檻對下游流況之研究……….……………. 13
第三章理論分析…..…………………………………………….… 15
3.1 沖刷坑特徵尺度分析………………………………….. 15
3.1.1 深尾水特徵尺度………………………………... 15
3.1.2 淺尾水特徵尺度………………………………... 15
3.2 沖刷坑剖面曲線函數………………………………….. 17
3.3 尾檻與護坦效應之沖刷坑特徵尺度分析…………….. 19
3.4 設計沖刷坑剖面曲線函數…………………………….. 21
第四章水工模型試驗……………………………………………... 23
4.1 實驗目的……………………………………………….. 23
4.2 實驗設備……………………………………………….. 23
4.3 實驗條件……………………………………………….. 25
4.4 實驗方法與步驟……………………………………….. 26
4.4.1 水深量測………………………………………... 26
4.4.2 沖刷剖面之量測………………………………... 26
4.4.3 沖刷剖面演變歷程之量測……………………... 26
4.4.4 實驗步驟………………………………………... 26
第五章結果與討論………………………………………………... 31
5.1 邊牆射流護坦效應分析…………………………….…. 31
5.1.1 水深與護坦長度對於流況之演變過程………... 31
5.1.2 沖刷坑的相似剖面……………………………... 35
5.1.3 設置護坦效應之影響…………………………... 36
5.2 邊牆射流尾檻效應分析……………………………….. 38
5.2.1 水深與尾檻高度對於流況之演變過程………... 38
5.2.2 沖刷坑的相似剖面……………………………... 40
5.2.3 設置尾檻效應之影響…………………………... 41
5.3 沖刷坑之特徵尺度分析……………………………….. 43
第六章結論與建議……………………………………………….. 48
6.1 結論………………………………………………….…. 48
6.2 建議………………………………………………….…. 50
參考文獻………………………………………………………….… 51
圖目錄
頁次
圖2.1 沖刷坑特性參數示意圖 7
圖2.2 射流示意圖 9
圖2.3 尾檻高度和護坦長度之無因次關係 14
圖3.1 邊牆射流之水流示意圖(a)深尾水 (b)淺尾水 63
圖4.1 實驗水槽示意圖 64
圖4.2 實驗渠床質粒徑級配曲線圖 65
圖4.3 實驗流程圖 30
圖5.1 邊牆射流沖刷剖面各參數示意圖(a)淺尾水 (b)深尾水 66
圖5.2 邊牆射流深尾水之水流示意圖 67
圖5.3 邊牆射流深尾水下動沖刷剖面 67
圖5.4 護坦沖刷剖面各參數示意圖(深尾水) 68
圖5.5 平面邊牆射流深尾水(Yt=25cm)之流線示意圖 68
圖5.6 X0=20cm d=2.82mm平面邊牆射流深尾水下動沖刷平衡圖 69
圖5.7 邊牆射流淺尾水之水流示意圖 69
圖5.8 邊牆射流淺尾水之水面線剖面圖 70
圖5.9 邊牆射流淺尾水下動沖刷圖 70
圖5.10 邊牆射流淺尾水下動沖刷圖 71
圖5.11 邊牆射流淺尾水下動沖刷圖 71
圖5.12 護坦沖刷剖面各參數示意圖(淺尾水) 72
圖5.13 平面邊牆射流淺尾水(Yt=7.5cm)之流線示意圖 72
圖5.14 X0=20cm d=2.82mm平面邊牆射流淺尾水下動沖刷平衡圖 73
圖5.15 X0=60cm d=1.48mm平面邊牆射流淺尾水下動沖刷平衡圖 73
圖5.16 X0=40cm d=1.48mm 深尾水沖刷剖面演變過程圖 74
圖5.17 X0=40cm d=2.82mm平面邊牆射流淺尾水下動沖刷圖 74
圖5.18 淺尾水位時之水躍位置示意圖 75
圖5.19深尾水邊牆射流實驗結果與前人局部沖刷公式之差值比較圖 76
圖5.20淺尾水邊牆射流實驗結果與前人局部沖刷公式之差值比較圖 76
圖5.21 不同護坦長度與粒徑下，深、淺尾水之沖刷坑相似剖面圖 77
圖5.22 實驗之無因次沖刷剖面與數值曲線比較圖 78
圖5.23 邊牆射流護坦效應在深淺尾水位時之最大平衡沖刷深與護坦長度之無因次化關係圖(正值為刷深) 79
圖5.24 邊牆射流護坦效應在深、淺尾水位時之沖刷坑長與護坦長度之無因次化關係圖 79
圖5.25 邊牆射流護坦效應在深、淺尾水位時之水工結構物基礎處刷深與護坦長度之無因次化關係圖 80
圖5.26 轉向表面射流(Yt=28.2cm h=1.5cm) 80
圖5.27 Yt=7.5cm 低尾檻之水面線剖面圖 81
圖5.28 Yt=7.5cm 高尾檻之水面線剖面圖 81
圖5.29 h=1cm d=1.48mm 平面邊牆射流淺尾水下動沖刷平衡圖 82
圖5.30 h=2cm d=1.48mm 平面邊牆射流淺尾水下動沖刷圖 82
圖5.31 淺尾水(Yt=7.5cm)時高尾檻之平衡沖刷坑剖面圖 83
圖5.32 淺尾水(Yt=7.5cm)時低尾檻之平衡沖刷坑剖面圖 83
圖5.33 不同尾檻高度下，淺尾水沖刷坑相似剖面圖 84
圖5.34 水面線與動沖刷平衡剖面圖(低尾檻) 84
圖5.35 水面線與動沖刷平衡剖面圖(高尾檻) 85
圖5.36 實驗之無因次沖刷剖面與數值曲線比較圖 85
圖5.37(a) 最大沖刷深度與最大刷深位置無因次化沖刷相似剖面圖 86
圖5.37(b) 最大沖刷深度與最大刷深位置無因次化沖刷相似剖面圖 86
圖5.37(c) 最大沖刷深度與最大刷深位置無因次化沖刷相似剖面圖 87
圖5.38 邊牆射流尾檻效應在淺尾水位時之最大平衡沖刷深與尾檻高度之無因次化關係圖(正值為刷深) 87
圖5.39 邊牆射流尾檻效應之最大平衡刷深與尾水高度之無因次化關係圖 88
圖5.40 為水工結構物基礎處刷深與尾水深度之無因次化關係圖(正值為刷深，負值為淤積) 88
圖5.41 邊牆射流尾檻效應在淺尾水位時之水工結構物基礎處刷深與尾檻高度之無因次化關係圖(正值為刷深，負值為淤積) 89
圖5.42 深、淺尾水下，平衡時最大刷深與最大堆積丘受邊壁效應之影響圖(X0=20cm、d=2.82mm) 89
圖5.43 d=1.48mm深尾水(Yt=25cm)沖刷剖面演變圖 90
圖5.44 X0=0cm 不同粒徑與深、淺尾水深之最大刷深歷程圖 91
圖5.45 x=0cm不同粒徑與深、淺尾水深之最大堆積丘歷程圖 91
圖5.46 無因次之最大刷深與沖刷延時關係圖 92
圖5.47 為深、淺尾水在不同粒徑下，最大平衡沖刷深度與沖刷參數之關係圖 92
圖5.48 不同護坦長度下，深尾水(Yt=25cm)之平衡動沖刷剖面圖 93
圖5.49 淺尾水之最大平衡刷深與沖刷參數之關係圖 93
圖5.50 淺尾水之壩趾處平衡刷深與沖刷參數之關係 94
圖5.51 X0=20cm d=1.48mm深尾水之動沖刷圖 94
圖5.52 X0=40cm d=1.48mm 深尾水之動沖刷圖 95
圖5.53 X0=20cm d=2.82mm h=2cm淺尾水(Yt=7.5cm)沖刷剖面演變圖 95
圖5.54 無因次不同尾檻高度，淺尾水之最大刷深與沖刷延時關係圖 96
表目錄
頁次
表2.1 邊牆射流下游局部沖刷深度公式整理表………………….. 54
表2.2 邊牆射流護坦保護工下游局部之最大沖刷深預估公式…. 55
表2.3 邊牆射流下游局部沖刷坑曲線函數方程式………………. 56
表2.4 歸納深、淺尾水之分類標準………………………………. 57
表4.1 實驗之相關條件表…………………………………………. 25
表5.1 實驗結果彙整資料表………………………………………. 58
表5.2 護坦沖刷剖面各個斷面之參數值…………………………. 61
表5.3 尾檻沖刷剖面各個斷面之參數值…………………………. 62

參考文獻

李祈宏，「砂礫河床之跌水沖刷分析」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢(2000)。
呂習堯，「邊牆射流及尾檻對砂質底床之沖刷研究」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢(2001)。
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指導教授

周憲德(Hsien-Ter Chou)

審核日期

2002-7-4

推文