不同水砂比及渠道坡度對沖積扇型態之影響

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陳瑞遠(Rui-Yuan Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

不同水砂比及渠道坡度對沖積扇型態之影響

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摘要(中)

台灣地震頻繁，土層淺薄且鬆軟，加上近年全球氣候急遽變化，高強度降雨事件增加，使得山崩、岩屑滑移與土石流事件發生頻率極高。台灣地狹人稠，山麓沖積扇成為許多村莊、公路的聚集地及必經之路。若土石流災害發生時，將對村莊、公路造成嚴重的損失。本實驗使用顆粒為粗砂，並設定不同坡度的渠道、不同濃度的水砂比(n)以及沖積平台上不同的積水深度進行實驗，藉此觀察沖積扇的型態變化。實驗改變參數為渠道坡度、水砂比(n)、平台積水深度，觀察沖積扇的縱剖面、橫剖面、平面堆積型態與歷程及頂積層(topset)、前積層(foreset)的狀態。縱剖面和橫剖面的堆積高度隨平台積水深增加而增加，堆積長度則相反；在無積水深時，平面堆積範圍最大且扇緣形狀不規則，隨著積水深增加，範圍逐漸縮小且趨於圓弧形；前積層角度因積水深度變深傾向安息角。頂積層角度則是隨水砂比增加或積水深增加而變小。渠道坡度越陡，使沖積扇堆積長度增加、使堆積高度降低，對堆積角度並無直接關係。但是整體而言，渠道坡度相較於水砂比與積水深度對沖積扇的型態影響較不明顯。

摘要(英)

Due to the impact of global climate change and fragile geological background, the slope-land disasters such as landslides and debris flows caused by highly intense rainstorms occur more frequently in Taiwan. Alluvial fans at foothills in Taiwan often accommodate villages and infrastructures, and are high-risk areas prone to the landslides and debris flows. In this study, the formation and the process of alluvial fans is explored by using experimental study with a small-scale flume basin model equipping with silo, laser lights and cameras. By changing the sediment concentration (i.e., the ratio of sediment discharge(Qs) to water discharge (QW)) and the base-level water depths, the longitudinal profiles, cross profiles, fan shapes, angles of topset and foreset angle have been analyzed. The size of the silo opening and particle size control the particle discharge. The longitudinal profiles of the fans depict a concave shape, while the lateral profiles are convex. The angles of topset slope decrease with decreasing sediment concentration, while the foreset slopes with tail water are close to the friction angle of the sediment. Overall, the effect of channel slope on the formation of fan is less than sediment concentration and the base level.

關鍵字(中)

★ 沖積扇
★ 渠道坡度
★ 積水深度
★ 堆積角度

關鍵字(英)

★ Alluvial fan
★ Channel slope
★ Base level
★ Foreset, Topset

論文目次

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號表 XI
第一章緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 3
1.3研究方法 3
1.4論文架構 3
第二章文獻回顧 6
2.1沖積扇理論 6
2.2沖積扇發展過程 9
2.3影響沖積扇型態之地文因子 11
2.4土石流運動型態與坡度 13
第三章實驗配置與研究方法 14
3.1實驗器材配置 14
3.2顆粒材料特性 15
3.3雷射標定裝置 17
3.4影像擷取設備 18
3.5實驗步驟 20
3.6沖積扇型態量測方法 21
3.6.1縱剖面量測方法 22
3.6.2橫剖面量測方法 22
3.6.3平面堆積範圍量測 24
3.6.4 堆積角度量測 24
第四章實驗結果與討論 25
4.1流量測定 25
4.1.1水流量測定,QW 25
4.1.2顆粒流量測定,QS 25
4.1.3各組實驗參數 27
4.2縱剖面分析 28
4.3橫剖面分析 32
4.4平面堆積型態分析 43
4.5扇緣堆積歷程分析 49
4.6堆積角度分析 53
4.7沖積扇型態無因次分析 57
4.7.1縱剖面無因次分析 57
4.7.2平面堆積無因次分析 60
4.7.3橫剖面無因次分析 64
4.7.4不同顆粒尺寸條件下沖積扇尺度比較 68
第五章結論與建議 69
5.1結論 69
5.2建議 71
參考文獻 72

表目錄
表2-1含砂水體分類 13
表3-1顆粒特性 16
表4-1不同顆粒及開口情況下對應之顆粒出流量 26
表4-2各組實驗參數 27
表4-3個組實驗參數與堆積角度 54
表4-4各組實驗α值、β值與相關係數R2 63
表4-5 橫剖面γ值與R2 67
表4-6不同顆粒與沖積扇尺度比較 68

圖目錄
圖1-1 苗栗火炎山沖積扇空拍圖(圖片來源:Google Earth,2016) 1
圖1-2荖濃溪與支流三合溪交會口處沖積扇(圖片來源:台灣自然科學博物館,2010) 2
圖1-3研究流程圖 5
圖2-1沖積扇剖面圖及俯視圖(CHANT，1999) 6
圖2-2集水區面積(Ac)與沖積扇面積(Af)示意圖(Bull，1984) 7
圖2-3-a 小塊體示意圖(Nanninga &Wasson，1985) 8
圖2-3-b 沖積扇體積計算圖(Nanninga &Wasson，1985) 8
圖2-4 沖積扇三階段過程圖(Clarke et al.，2010) 9
圖2-5 沖積扇渠道遷移與荒廢(Clarke et al.，2010) 10
圖2-6 沖積扇面積與集水區面積關係圖(Kochel，1990) 11
圖2-7土石流各區坡度 13
圖3-1 實驗配置示意圖 15
圖3-2 粗砂 15
圖3-3 等高線標定雷射(A.綠色點源雷射 B.紅色線源雷射) 17
圖3-4 橫剖面標定雷射 18
圖3-5 SONY RX10 19
圖3-6 NICON D3200 19
圖3-7 實驗裝置三軸前視圖 21
圖3-8 實驗裝置三軸俯視圖 22
圖3-9 縱剖面量測圖 22
圖3-10 橫剖面雷射標定 23
圖3-11 各斷面網格示意圖 23
圖3-12 扇緣量測示意圖 (A)無積水深 (B)積水深6cm 24
圖3-13 堆積角度量測示意圖 24
圖4-1不同坡度下沖積扇縱剖面，水砂比(n=1.84) 29
圖4-2不同坡度下沖積扇縱剖面，水砂比(n=2.94) 30
圖4-3同積水深下各組縱剖面 31
圖4-4 S= 5o,n=1.84之橫剖面 33
圖4-5 S= 7o,n=1.84之橫剖面 34
圖4-6 S=10o,n=1.84之橫剖面 35
圖4-7 S=5o,n=2.94橫剖面 36
圖4-8 S=7o,n=2.94之橫剖面 37
圖4-9 S=10o,n=2.94橫剖面 38
圖4-10水深Hw=0cm 各組橫剖面 39
圖4-11 水深Hw=2cm 各組橫剖面 40
圖4-12 水深Hw=4cm 各組橫剖面 41
圖4-13 水深Hw=6cm 各組橫剖面 42
圖4-14 角度S=5o A、D組平面堆積型態 44
圖4-15 角度S=7o B、E組平面堆積型態 45
圖4-16 角度S=10o C、E組平面堆積型態 46
圖4-17水深Hw=0cm、2cm 各組平面堆積型態 47
圖4-18水深Hw=4cm、6cm 各組平面堆積型態 48
圖4-19 A1、A4、B1、B4平面堆積歷程 50
圖4-20 C1、C4、D1、D4平面堆積歷程 51
圖4-21 E1、E4平面堆積 52
圖4-22坡度與縱剖面最大長度變化圖 55
圖4-23坡度與最大堆積高度變化圖 56
圖4-24積水深0cm、2cm、4cm、6cm各組縱剖面無因次化 59
圖4-25α值與積水深度變化圖 59
圖4-26積水深0cm、2cm、4cm、6cm各組平面堆積無因次化 61
圖4-27β值與積水深度變化圖 62
圖4-28積水深Hw=0cm 各斷面橫剖面無因次化 65
圖4-29積水深Hw=6cm 各斷面橫剖面無因次化 66

參考文獻

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指導教授

周憲德

審核日期

2016-7-22

推文