臺灣博碩士論文加值系統

台灣豐、枯水期之水量變化非常大，造成河道的不穩定，也使得河床上之跨河結構物因沖刷而破壞，岩床沖蝕問題對於台灣來說是個不可忽視的問題。當岩床或岩岸屬於地質年代較為年輕之軟弱岩層時，岩石河床沖蝕尤其更為嚴重。數值模擬方法可任意控制變因、可大量進行分析，耗時較短之優點，又不受試體取樣與準備不易之困擾，本研究因而嘗試以數值模擬方法為工具，將數值模擬視為「虛擬沖蝕試驗」，代替實體試驗。本研究建立磨蝕沖蝕機制及顆粒彈跳撞擊兩種岩床沖蝕機制模型，進行虛擬岩床沖蝕試驗，以便透過模擬結果探討影響沖蝕機制與行為之重要因子，並探討沖蝕過程中材料中之消散能量變化與鍵結破壞狀況。
就岩床沖蝕模擬而言，當床面剪應力增加時（遭磨蝕）破壞顆粒數也會增加。岩床磨蝕試驗結果顯示對應新鮮岩盤材料的磨蝕啟動剪應力遠高於一般河道可能出現之床面剪應力尺度，顯示現地之岩床若未經乾溼循環或風化等因素強度大幅弱化，清水所造成之床面剪應力可能甚難以造成岩床之顯著磨蝕。
由顆粒彈跳撞擊之模擬結果，可發現（遭彈跳撞擊）破壞顆粒數會隨撞擊顆粒速度、角度及尺寸等撞擊因子增加而隨之增加。此外，就材料力學性質之影響而言，當楊氏係數增加時破壞顆粒數也增加，而試體張力強度增加時破壞顆粒數則降低。此外，比較破壞顆粒數與累積消散能量，可發現兩者間呈良好之相關性。

River discharge in Taiwan varies a lot during flooding season; this situation often results in unstable river channel. The intensive erosion of bedrock during flood may also endanger the stability of cross-river structures, especially for cases of river bed composed of soft rocks. This study makes use of numerical simulation as “virtual erosion test” to explore the mechanisms of rock erosion. In the simulation, rock material is modeled as a granular assemblage with inter-particle bonding; the erosion process is simulated as particles’ release due to de-bonding. Virtual rock specimen are subjected to boundary loads from either bed shear stress or saltating particle to simulates physical erosion experiments. The purpose of this thesis is to investigate the important factors that may control the erodibility of soft rock subjected to bed shear stress and particle saltation; also, the dissipated energy and bonding failure associated with the occurrence of rock erosion are studied.
For erosion due to bed shear stress, simulated results show that the number of de-bonded particles raises as the bed shear stress increases. It is found the shear stress required for the initiation of a de-bonded particle in fresh soft rock material is significantly higher than the typical in-situ bed shear stress that may occur in a flood. It appears clear water current alone may hardly erode a fresh rock material. However, it is common to see the degradation or weathering of soft rock exposed to the periodical variation of water level (i.e., subjected to drying-wetting cycles). These weakening processes are likely to cause the rock material become more erodible.
Saltating abrasion can be a consequence of impacts of gravels traveling along with water flow; the impact results in the local failure and causes abrasion of river-bed rock material. The major factors affecting the erodibility and erosion rate are examined through a series of virtual erosion tests. Simulated results show that more de-bonded particles may occur for a condition with higher impact speed, higher impact angle, larger gravel size, higher Young’s modulus, or lower rock strength. Besides, a good correlation relationship between the number of de-bonded particles and the accumulated dissipated energy is notable.

中文摘要 II
ABSTRACT III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1岩床沖蝕下切模式 5
2.2 岩石河床的沖刷機制 7
2.2.1 磨蝕沖蝕(abrasion) 7
2.2.2顆粒彈跳撞擊(saltation) 9
2.2.3塊體抽離(plucking) 10
2.2.4穴蝕(cavitation) 12
2.3 室內沖蝕試驗 13
2.3.1磨蝕沖蝕(abrasion)之室內模擬試驗 13
2.3.2顆粒彈跳撞擊 (saltation)之室內模擬試驗 19
2.4 數值模擬之理論基礎 20
2.4.1 離散元素法 21
2.4.2 離散元素法之定義 21
2.5 PFC軟體之概述 22
2.5.1 PFC之基本假設 23
2.5.2 PFC之運算原理 23
2.5.3 力─位移定律 24
2.5.4 運動定律 28
2.5.5 PFC之接觸組合模式 29
2.5.6 微觀與巨觀參數之訂定 33
2.5.7 PFC之相關應用 35
2.6總結 37
第三章 研究方法 39
3.1岩床試體建立 39
3.1.1邊界設定 40
3.1.2顆粒集合體之建立 41
3.1.3 刪除虛浮點 42
3.1.4 參數率定 43
3.1.5 小結 45
3.2 驅動沖蝕力之模型建立 46
3.2.1 磨蝕沖蝕機制之模型建立 47
3.2.2顆粒彈跳撞擊之模型建立 52
3.3模擬沖蝕機制之目標 53
3.3.1 磨蝕沖蝕機制之試驗目標 54
3.3.2 顆粒彈跳撞擊沖蝕之試驗目標 55
第四章 參數率定 59
4.1參數率定之方法 59
4.2 材料參數率定之標的 60
4.3 三軸壓縮試驗之微觀模擬 63
4.3.1 軟岩材料A之三軸模擬試驗 65
4.3.2軟岩材料B之模擬三軸試驗 72
4.4 討論 75
第五章 沖蝕機制模擬結果 79
5.1磨蝕沖蝕機制模擬結果 79
5.1.1 結果討論 84
5.2 顆粒彈跳撞擊沖蝕之模擬結果 86
5.2.1軟岩材料彈跳撞擊模擬試驗 86
5.2.2 顆粒彈跳撞擊影響因子探討 97
5.2.3 連續性隨機彈跳撞擊沖蝕機制 115
5.2.4 楊氏模數與張力強度對沖蝕速度影響 123
第六章　結論與建議 126
6.1 結論 126
6.2 建議 129
參考文獻 131
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 岩床遭流水中懸浮載顆粒磨蝕情況圖(攝於八掌溪) 8
圖2.2 磨蝕沖蝕過程示意圖(Whipple et al. ,2000) 8
圖2.3 水夾帶顆粒撞擊岩體之撞痕(攝於大安溪) 10
圖2.4 岩塊抽離示意圖(Annadale,1995) 11
圖2.5 岩塊抽離機制(Whipple et al., 2000) 11
圖2.6 現地塊體抽離情形(攝於大安溪) 12
圖2.7 八掌溪觸口攔河堰沖蝕情況 13
圖2.8 (a) EFA試驗示意圖 (b)EFA試驗儀器照片(Briaud,2001) 15
圖2.9 不同剪應力與沖蝕速率關係(Briaud et al. 1999) 16
圖2.10 臨界剪應力門檻值與初始沖刷速率關係圖(Briaud, 2001) 16
圖2.11 沖蝕指數分類表 (Briaud, 2008) 17
圖2.12 多功能軟岩沖蝕試驗儀 (郭炳宏,2009) 18
圖2.13 不同岩性下之剪應力與岩樣沖蝕率關係圖 (郭炳宏,2009) 18
圖2.14 顆粒磨蝕試驗機(Sklar & Dietrich,2001) 19
圖2.15 岩床材料張力強度與沖蝕速率之關係 (Sklar ,2001) 20
圖2.16 河床載之粒徑與沖蝕速率之關係 20
圖 2.17 PFC運算之流程圖 24
圖2.18 球與球接觸模式圖 25
圖2.19 球與牆接觸模式圖 26
圖2.20 球與牆接觸模式下，法向量判斷示意圖 26
圖2.21接觸力與顆粒相對位移關係圖 32
圖2.22 平行鍵結模型圖 33
圖3.1 岩床試體圖 41
圖3.2 虛浮點檢驗判定流程圖 43
圖3.3 岩床試體建立流程圖 46
圖3.4 舊模型破壞情形(李佩錞,2009) 48
圖3.5 磨蝕沖蝕機制模擬示意圖 52
圖3.6 民國98年石岡壩之洪水剪力分佈 (單位：N/m2) 54
圖3.7 撞擊區域選取圖 58
圖4.1 參數率定流程 60
圖4.2 軟岩材料A之三軸試驗應力應變關係圖(國立交通大學防災與水環境研究中心,2010) 62
圖4.3 軟岩材料B在圍壓為3MPa之三軸試驗(陳賀瑞,1997) 62
圖4.4 微觀模擬三軸試驗流程圖 65
圖4.5 軟岩材料A之模擬室內三軸試體圖 66
圖4.6軟岩材料A彈性階段之模擬應力應變關係圖 67
圖4.7 軟岩材料A彈性階段之模擬體積應變與軸應變關係圖 68
圖4.8 摩擦係數與摩擦角之關係 69
圖4.9 軟岩材料A於圍壓0.5MPa下之模擬應力應變關係圖 70
圖4.10 軟岩材料B模擬之彈性階段應力應變關係圖 73
圖4.11 軟岩材料B模擬之彈性階段體積應變與軸應變關係圖 74
圖4.12 軟岩材料B在圍壓3MPa下三軸試驗之模擬應力應變圖 75
圖4.13 摩擦係數對模擬結果之影響(李佩錞,2009) 77
圖4.14 微觀鍵結強度參數與巨觀單壓強度之關係(張家銓，2007) 77
圖4.15 勁度與楊氏係數關係 78
圖5.1 單壓強度6.26MPa 下之剪應力與破壞數量 81
圖5.2 單壓強度調整與鍵結破壞對應關係 82
圖5.3 模擬牆面磨蝕之破壞情形 82
圖5.4 鍵結破壞與破壞體積關係圖 84
圖5.5 磨蝕沖蝕力施加後試體破壞剖面圖 85
圖5.6 磨蝕沖蝕力施加後試體應力分布剖面圖 85
圖5.7 試驗撞擊點示意圖 87
圖5.8 模擬中撞擊角度變化情況 99
圖5.9 軟岩材料A撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.10 軟岩材料B撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.11 不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖(Sklar,2004) 102
圖5.12 模擬材料A在不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖 102
圖5.13 撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係(Sklar,2004) 103
圖5.14 模擬之軟岩材料撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係 104
圖5.15 不同角度變化於△E=10焦耳之破壞情況 106
圖5.16 模擬中撞擊顆粒尺寸變化情形 108
圖5.17 軟岩材料A撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.18 軟岩材料B撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.19 影響能量因子之撞擊顆粒粒徑的沖蝕速率方程式(Sklar,2004) 111
圖5.20 模擬軟岩試體撞擊之顆粒粒影響沖蝕破壞程度關係圖 111
圖5.21 軟岩材料A撞擊顆粒速度變化影響 112
圖5.22 軟岩材料B撞擊顆粒速度變化影響 113
圖5.23 軟岩材料A顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.24 軟岩材料B顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.25軟岩材料A連續撞擊鍵結破壞類型 115
圖5.26 軟岩材料B連續撞擊鍵結破壞類型 116
圖5.27 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 117
圖5.28 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 118
圖5.29　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 119
圖5.30　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 119
圖5.31 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料鍵結破壞趨勢及變異程度 120
圖5.32 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料體積破壞趨勢及變異程度 121
圖5.33 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.34 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.35 模擬之楊氏模數與破壞體積關係 124
圖5.36 張力強度與破壞體積關係 125
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 岩床遭流水中懸浮載顆粒磨蝕情況圖(攝於八掌溪) 8
圖2.2 磨蝕沖蝕過程示意圖(Whipple et al. ,2000) 8
圖2.3 水夾帶顆粒撞擊岩體之撞痕(攝於大安溪) 10
圖2.4 岩塊抽離示意圖(Annadale,1995) 11
圖2.5 岩塊抽離機制(Whipple et al., 2000) 11
圖2.6 現地塊體抽離情形(攝於大安溪) 12
圖2.7 八掌溪觸口攔河堰沖蝕情況 13
圖2.8 (a) EFA試驗示意圖 (b)EFA試驗儀器照片(Briaud,2001) 15
圖2.9 不同剪應力與沖蝕速率關係(Briaud et al. 1999) 16
圖2.10 臨界剪應力門檻值與初始沖刷速率關係圖(Briaud, 2001) 16
圖2.11 沖蝕指數分類表 (Briaud, 2008) 17
圖2.12 多功能軟岩沖蝕試驗儀 (郭炳宏,2009) 18
圖2.13 不同岩性下之剪應力與岩樣沖蝕率關係圖 (郭炳宏,2009) 18
圖2.14 顆粒磨蝕試驗機(Sklar & Dietrich,2001) 19
圖2.15 岩床材料張力強度與沖蝕速率之關係 (Sklar ,2001) 20
圖2.16 河床載之粒徑與沖蝕速率之關係 20
圖 2.17 PFC運算之流程圖 24
圖2.18 球與球接觸模式圖 25
圖2.19 球與牆接觸模式圖 26
圖2.20 球與牆接觸模式下，法向量判斷示意圖 26
圖2.21接觸力與顆粒相對位移關係圖 32
圖2.22 平行鍵結模型圖 33
圖3.1 岩床試體圖 41
圖3.2 虛浮點檢驗判定流程圖 43
圖3.3 岩床試體建立流程圖 46
圖3.4 舊模型破壞情形(李佩錞,2009) 48
圖3.5 磨蝕沖蝕機制模擬示意圖 52
圖3.6 民國98年石岡壩之洪水剪力分佈 (單位：N/m2) 54
圖3.7 撞擊區域選取圖 58
圖4.1 參數率定流程 60
圖4.2 軟岩材料A之三軸試驗應力應變關係圖(國立交通大學防災與水環境研究中心,2010) 62
圖4.3 軟岩材料B在圍壓為3MPa之三軸試驗(陳賀瑞,1997) 62
圖4.4 微觀模擬三軸試驗流程圖 65
圖4.5 軟岩材料A之模擬室內三軸試體圖 66
圖4.6軟岩材料A彈性階段之模擬應力應變關係圖 67
圖4.7 軟岩材料A彈性階段之模擬體積應變與軸應變關係圖 68
圖4.8 摩擦係數與摩擦角之關係 69
圖4.9 軟岩材料A於圍壓0.5MPa下之模擬應力應變關係圖 70
圖4.10 軟岩材料B模擬之彈性階段應力應變關係圖 73
圖4.11 軟岩材料B模擬之彈性階段體積應變與軸應變關係圖 74
圖4.12 軟岩材料B在圍壓3MPa下三軸試驗之模擬應力應變圖 75
圖4.13 摩擦係數對模擬結果之影響(李佩錞,2009) 77
圖4.14 微觀鍵結強度參數與巨觀單壓強度之關係(張家銓，2007) 77
圖4.15 勁度與楊氏係數關係 78
圖5.1 單壓強度6.26MPa 下之剪應力與破壞數量 81
圖5.2 單壓強度調整與鍵結破壞對應關係 82
圖5.3 模擬牆面磨蝕之破壞情形 82
圖5.4 鍵結破壞與破壞體積關係圖 84
圖5.5 磨蝕沖蝕力施加後試體破壞剖面圖 85
圖5.6 磨蝕沖蝕力施加後試體應力分布剖面圖 85
圖5.7 試驗撞擊點示意圖 87
圖5.8 模擬中撞擊角度變化情況 99
圖5.9 軟岩材料A撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.10 軟岩材料B撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.11 不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖(Sklar,2004) 102
圖5.12 模擬材料A在不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖 102
圖5.13 撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係(Sklar,2004) 103
圖5.14 模擬之軟岩材料撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係 104
圖5.15 不同角度變化於△E=10焦耳之破壞情況 106
圖5.16 模擬中撞擊顆粒尺寸變化情形 108
圖5.17 軟岩材料A撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.18 軟岩材料B撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.19 影響能量因子之撞擊顆粒粒徑的沖蝕速率方程式(Sklar,2004) 111
圖5.20 模擬軟岩試體撞擊之顆粒粒影響沖蝕破壞程度關係圖 111
圖5.21 軟岩材料A撞擊顆粒速度變化影響 112
圖5.22 軟岩材料B撞擊顆粒速度變化影響 113
圖5.23 軟岩材料A顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.24 軟岩材料B顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.25軟岩材料A連續撞擊鍵結破壞類型 115
圖5.26 軟岩材料B連續撞擊鍵結破壞類型 116
圖5.27 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 117
圖5.28 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 118
圖5.29　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 119
圖5.30　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 119
圖5.31 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料鍵結破壞趨勢及變異程度 120
圖5.32 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料體積破壞趨勢及變異程度 121
圖5.33 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.34 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.35 模擬之楊氏模數與破壞體積關係 124
圖5.36 張力強度與破壞體積關係 125
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 岩床遭流水中懸浮載顆粒磨蝕情況圖(攝於八掌溪) 8
圖2.2 磨蝕沖蝕過程示意圖(Whipple et al. ,2000) 8
圖2.3 水夾帶顆粒撞擊岩體之撞痕(攝於大安溪) 10
圖2.4 岩塊抽離示意圖(Annadale,1995) 11
圖2.5 岩塊抽離機制(Whipple et al., 2000) 11
圖2.6 現地塊體抽離情形(攝於大安溪) 12
圖2.7 八掌溪觸口攔河堰沖蝕情況 13
圖2.8 (a) EFA試驗示意圖 (b)EFA試驗儀器照片(Briaud,2001) 15
圖2.9 不同剪應力與沖蝕速率關係(Briaud et al. 1999) 16
圖2.10 臨界剪應力門檻值與初始沖刷速率關係圖(Briaud, 2001) 16
圖2.11 沖蝕指數分類表 (Briaud, 2008) 17
圖2.12 多功能軟岩沖蝕試驗儀 (郭炳宏,2009) 18
圖2.13 不同岩性下之剪應力與岩樣沖蝕率關係圖 (郭炳宏,2009) 18
圖2.14 顆粒磨蝕試驗機(Sklar & Dietrich,2001) 19
圖2.15 岩床材料張力強度與沖蝕速率之關係 (Sklar ,2001) 20
圖2.16 河床載之粒徑與沖蝕速率之關係 20
圖 2.17 PFC運算之流程圖 24
圖2.18 球與球接觸模式圖 25
圖2.19 球與牆接觸模式圖 26
圖2.20 球與牆接觸模式下，法向量判斷示意圖 26
圖2.21接觸力與顆粒相對位移關係圖 32
圖2.22 平行鍵結模型圖 33
圖3.1 岩床試體圖 41
圖3.2 虛浮點檢驗判定流程圖 43
圖3.3 岩床試體建立流程圖 46
圖3.4 舊模型破壞情形(李佩錞,2009) 48
圖3.5 磨蝕沖蝕機制模擬示意圖 52
圖3.6 民國98年石岡壩之洪水剪力分佈 (單位：N/m2) 54
圖3.7 撞擊區域選取圖 58
圖4.1 參數率定流程 60
圖4.2 軟岩材料A之三軸試驗應力應變關係圖(國立交通大學防災與水環境研究中心,2010) 62
圖4.3 軟岩材料B在圍壓為3MPa之三軸試驗(陳賀瑞,1997) 62
圖4.4 微觀模擬三軸試驗流程圖 65
圖4.5 軟岩材料A之模擬室內三軸試體圖 66
圖4.6軟岩材料A彈性階段之模擬應力應變關係圖 67
圖4.7 軟岩材料A彈性階段之模擬體積應變與軸應變關係圖 68
圖4.8 摩擦係數與摩擦角之關係 69
圖4.9 軟岩材料A於圍壓0.5MPa下之模擬應力應變關係圖 70
圖4.10 軟岩材料B模擬之彈性階段應力應變關係圖 73
圖4.11 軟岩材料B模擬之彈性階段體積應變與軸應變關係圖 74
圖4.12 軟岩材料B在圍壓3MPa下三軸試驗之模擬應力應變圖 75
圖4.13 摩擦係數對模擬結果之影響(李佩錞,2009) 77
圖4.14 微觀鍵結強度參數與巨觀單壓強度之關係(張家銓，2007) 77
圖4.15 勁度與楊氏係數關係 78
圖5.1 單壓強度6.26MPa 下之剪應力與破壞數量 81
圖5.2 單壓強度調整與鍵結破壞對應關係 82
圖5.3 模擬牆面磨蝕之破壞情形 82
圖5.4 鍵結破壞與破壞體積關係圖 84
圖5.5 磨蝕沖蝕力施加後試體破壞剖面圖 85
圖5.6 磨蝕沖蝕力施加後試體應力分布剖面圖 85
圖5.7 試驗撞擊點示意圖 87
圖5.8 模擬中撞擊角度變化情況 99
圖5.9 軟岩材料A撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.10 軟岩材料B撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.11 不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖(Sklar,2004) 102
圖5.12 模擬材料A在不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖 102
圖5.13 撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係(Sklar,2004) 103
圖5.14 模擬之軟岩材料撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係 104
圖5.15 不同角度變化於△E=10焦耳之破壞情況 106
圖5.16 模擬中撞擊顆粒尺寸變化情形 108
圖5.17 軟岩材料A撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.18 軟岩材料B撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.19 影響能量因子之撞擊顆粒粒徑的沖蝕速率方程式(Sklar,2004) 111
圖5.20 模擬軟岩試體撞擊之顆粒粒影響沖蝕破壞程度關係圖 111
圖5.21 軟岩材料A撞擊顆粒速度變化影響 112
圖5.22 軟岩材料B撞擊顆粒速度變化影響 113
圖5.23 軟岩材料A顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.24 軟岩材料B顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.25軟岩材料A連續撞擊鍵結破壞類型 115
圖5.26 軟岩材料B連續撞擊鍵結破壞類型 116
圖5.27 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 117
圖5.28 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 118
圖5.29　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 119
圖5.30　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 119
圖5.31 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料鍵結破壞趨勢及變異程度 120
圖5.32 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料體積破壞趨勢及變異程度 121
圖5.33 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.34 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.35 模擬之楊氏模數與破壞體積關係 124
圖5.36 張力強度與破壞體積關係 125
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 岩床遭流水中懸浮載顆粒磨蝕情況圖(攝於八掌溪) 8
圖2.2 磨蝕沖蝕過程示意圖(Whipple et al. ,2000) 8
圖2.3 水夾帶顆粒撞擊岩體之撞痕(攝於大安溪) 10
圖2.4 岩塊抽離示意圖(Annadale,1995) 11
圖2.5 岩塊抽離機制(Whipple et al., 2000) 11
圖2.6 現地塊體抽離情形(攝於大安溪) 12
圖2.7 八掌溪觸口攔河堰沖蝕情況 13
圖2.8 (a) EFA試驗示意圖 (b)EFA試驗儀器照片(Briaud,2001) 15
圖2.9 不同剪應力與沖蝕速率關係(Briaud et al. 1999) 16
圖2.10 臨界剪應力門檻值與初始沖刷速率關係圖(Briaud, 2001) 16
圖2.11 沖蝕指數分類表 (Briaud, 2008) 17
圖2.12 多功能軟岩沖蝕試驗儀 (郭炳宏,2009) 18
圖2.13 不同岩性下之剪應力與岩樣沖蝕率關係圖 (郭炳宏,2009) 18
圖2.14 顆粒磨蝕試驗機(Sklar & Dietrich,2001) 19
圖2.15 岩床材料張力強度與沖蝕速率之關係 (Sklar ,2001) 20
圖2.16 河床載之粒徑與沖蝕速率之關係 20
圖 2.17 PFC運算之流程圖 24
圖2.18 球與球接觸模式圖 25
圖2.19 球與牆接觸模式圖 26
圖2.20 球與牆接觸模式下，法向量判斷示意圖 26
圖2.21接觸力與顆粒相對位移關係圖 32
圖2.22 平行鍵結模型圖 33
圖3.1 岩床試體圖 41
圖3.2 虛浮點檢驗判定流程圖 43
圖3.3 岩床試體建立流程圖 46
圖3.4 舊模型破壞情形(李佩錞,2009) 48
圖3.5 磨蝕沖蝕機制模擬示意圖 52
圖3.6 民國98年石岡壩之洪水剪力分佈 (單位：N/m2) 54
圖3.7 撞擊區域選取圖 58
圖4.1 參數率定流程 60
圖4.2 軟岩材料A之三軸試驗應力應變關係圖(國立交通大學防災與水環境研究中心,2010) 62
圖4.3 軟岩材料B在圍壓為3MPa之三軸試驗(陳賀瑞,1997) 62
圖4.4 微觀模擬三軸試驗流程圖 65
圖4.5 軟岩材料A之模擬室內三軸試體圖 66
圖4.6軟岩材料A彈性階段之模擬應力應變關係圖 67
圖4.7 軟岩材料A彈性階段之模擬體積應變與軸應變關係圖 68
圖4.8 摩擦係數與摩擦角之關係 69
圖4.9 軟岩材料A於圍壓0.5MPa下之模擬應力應變關係圖 70
圖4.10 軟岩材料B模擬之彈性階段應力應變關係圖 73
圖4.11 軟岩材料B模擬之彈性階段體積應變與軸應變關係圖 74
圖4.12 軟岩材料B在圍壓3MPa下三軸試驗之模擬應力應變圖 75
圖4.13 摩擦係數對模擬結果之影響(李佩錞,2009) 77
圖4.14 微觀鍵結強度參數與巨觀單壓強度之關係(張家銓，2007) 77
圖4.15 勁度與楊氏係數關係 78
圖5.1 單壓強度6.26MPa 下之剪應力與破壞數量 81
圖5.2 單壓強度調整與鍵結破壞對應關係 82
圖5.3 模擬牆面磨蝕之破壞情形 82
圖5.4 鍵結破壞與破壞體積關係圖 84
圖5.5 磨蝕沖蝕力施加後試體破壞剖面圖 85
圖5.6 磨蝕沖蝕力施加後試體應力分布剖面圖 85
圖5.7 試驗撞擊點示意圖 87
圖5.8 模擬中撞擊角度變化情況 99
圖5.9 軟岩材料A撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.10 軟岩材料B撞擊角度變化之影響情形 100
圖5.11 不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖(Sklar,2004) 102
圖5.12 模擬材料A在不同角度的能量轉換及破壞體積關係圖 102
圖5.13 撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係(Sklar,2004) 103
圖5.14 模擬之軟岩材料撞擊角度垂直分量比率與沖蝕速率關係 104
圖5.15 不同角度變化於△E=10焦耳之破壞情況 106
圖5.16 模擬中撞擊顆粒尺寸變化情形 108
圖5.17 軟岩材料A撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.18 軟岩材料B撞擊顆粒尺寸變化影響 109
圖5.19 影響能量因子之撞擊顆粒粒徑的沖蝕速率方程式(Sklar,2004) 111
圖5.20 模擬軟岩試體撞擊之顆粒粒影響沖蝕破壞程度關係圖 111
圖5.21 軟岩材料A撞擊顆粒速度變化影響 112
圖5.22 軟岩材料B撞擊顆粒速度變化影響 113
圖5.23 軟岩材料A顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.24 軟岩材料B顆粒撞擊能量消耗與鍵結破壞關係圖 114
圖5.25軟岩材料A連續撞擊鍵結破壞類型 115
圖5.26 軟岩材料B連續撞擊鍵結破壞類型 116
圖5.27 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 117
圖5.28 軟岩材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 118
圖5.29　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之鍵結破壞趨勢 119
圖5.30　軟岩材料B顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 119
圖5.31 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料鍵結破壞趨勢及變異程度 120
圖5.32 顆粒連續性隨機撞擊下軟岩材料體積破壞趨勢及變異程度 121
圖5.33 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.34 虛擬材料A顆粒連續性隨機撞擊下之體積破壞趨勢 122
圖5.35 模擬之楊氏模數與破壞體積關係 124
圖5.36 張力強度與破壞體積關係 125

表3-1微觀參數表 45
表3-2 磨蝕沖蝕模擬探討之目標 55
表3-3 顆粒彈跳撞擊因子探討範圍表 57
表4-1 軟岩材料A之力學參數行為(國立交通大學防災與水環境研究中心,2010) 61
表4-2軟岩材料B之力學參數行為(陳賀瑞,1997) 61
表4-3 率定參數單位表 64
表4-4 軟岩材料A之三軸試驗參數對照表 68
表4-5 模擬軟岩材料B之三軸試驗參數對照表 74
表4-6 改變顆粒勁度下影響之楊氏係數值 78
表5-1 磨蝕試驗模擬結果 83
表5-2 軟岩材料A彈跳撞擊模擬案例一 88
表5-3 軟岩材料A彈跳撞擊模擬案例二 89
表5-4 軟岩材料A彈跳撞擊模擬案例三 90
表5-5 軟岩材料A彈跳撞擊模擬案例四 91
表5-6 軟岩材料A彈跳撞擊模擬案例五 92
表5-7 軟岩材料B彈跳撞擊模擬案例一 93
表5-8 軟岩材料B彈跳撞擊模擬案例二 94
表5-9 軟岩材料B彈跳撞擊模擬案例三 95
表5-10 軟岩材料B彈跳撞擊模擬案例四 96
表5-11 軟岩材料B彈跳撞擊模擬案例五 97
表5-13 楊氏模數變化下之模擬結果 124
表5-14 張力強度變化之模擬結果 125

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