臺灣博碩士論文加值系統

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。
關鍵詞：局部沖刷、護坦、尾檻、沖刷坑

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.
Keywords：local scour、aprons 、sills、scour hole

目 錄
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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
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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
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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

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)。Aderibigbe, O. o., and Rajaratnam, N. “Effect of sediment gradation on erosion by plane turbulent wall jets.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 124(10), 1034-1042(1998).Ali, K. H. M., and Lim, S. Y. “Local scour caused by submerged wall jets.” Proc., Institution of Civil Engineers, London, England, 81(2), 607-645(1986).Akashi, N. and Saitou, T. “Influence of water surface on scour from vertical submerged jet,” Journal of Hydroscience and Engineering, 4(2), 55-69(1986).Altinbilek, H. D., and Okyay, S. “Localized scour in a horizontal sand bed under vertical jets.” International Association for Hydraulic Research, 1, 99-106(1973).Chatterjee, S. S., and Ghosh, S. N. “Submerged horizontal jet over erodible bed.” J. Hydr. Div., ASCE, 106(11), 1765-1782(1980).Chatterjee, S. S., Ghosh, S. N., and Chatterjee, M. “Local scour due to Submerged horizontal jet.” J. Hydr. Div., ASCE, 120(8), 973-992(1994).Farhoudi, J., and Smith Kenneth V.H. “Local scour profiles downstream of hydraulic jump.” J. Hydr. Res., IAHR, 23(4), 343-358(1985).Gaudio Roberto, Marion Andrea,and Bovolin Vittorio “Morphological effects of bed sills in degrading rivers.” J. Hydr. Res., IAHR, 38(2), 89-95(2000).Hassan, N. M. K., and Narayanan, R. “Local scour downstream of an apron.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 111(11), 1371-1385(1985).Hager Willi H. “Incipient jump conditions for flows over a vertical sill.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 122(8), 446-449(1998).Hogg Andrew J., Huppert Herbert E., and Brian Dade W. “Erosion by planar turbulent wall jets.” J Fluid Mech., 338, 319-340(1997).Hoffmans, Gijs J. C. M. “Jet scour in equilibrium phase.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 124(4), 430-437(1998).Johnston, A. J. “Scourhole developments in shallow tailwater.” J. Hydr. Res., IAHR, 28(3), 341-354(1990). Johnston, A. J., and Halliwell, A. R. “Jet behaviour in shallow receiving water.” Proc. Instn. Of Civil Engineers, Part 2, 81, 549-568(1986). Johnston, A. J., and Halliwell, A. R. Discussion on paper, “Local scour caused by submerged wall jets.”, by Ali and Lim, Proc. Instn. Of Civil Engineers, Part 2, 83, 875-886(1987).Julien, P. Y., SteIN, O.R., and Alonso, C. V. “Mechanics of jet scour downstream of a headcut.” J. Hydr. Res., IAHR, 31(6), 723-737(1993).Kobus, H., Leister, P., and Westrich, B. “Flow field and scouring effects of steady and pulsating jets impinging on a movable bed.” J. Hydr. Res., IAHR, 17(3), 175-192(1979).Mason, P. J. “Effects of air entrainment on plunge pool scour.” J. Hydr. Engrg., ASCE, 115(3), 385-399(1988).Rajaratnam, N., and Govinda Rao, N. S. “The submerged hydraulic jump.” J. Hydr. Div., ASCE, 89(1), 139-162(1963).Rajaratnam, N. “Erosion by circular wall jets in cross flow.” J. Hydr. Div., ASCE, 106(11), 1867-1883(1980).Rajaratnam, N. “Erosion by plane turbulent jets.” J. Hydr. Res., IAHR, 19(4), 339-358(1981).Rajaratnam, N. “Erosion by submerged circular jets.” J. Hydr. Div., ASCE, 108(2), 262-267(1982).Rajaratnam, N., and Beltaors, S. “Erosion by impinging circular turbulent jets .” J. Hydr. Div., ASCE, 103(10), 1191-1205(1977).Rajaratnam, N., and MacDougall, R .K. “Erosion by plane wall jets with minimum tailwater.” J. Hydr. Div., ASCE, 109(7), 1061-1064(1983).Raudkivi, A. J. “Functional trends of scour at bridge piers.” J. Hydr. Engrg, ASCE, 112(1), 1-13(1986).Wu, S., and Rajaratnam, N. “Effect of baffles on submerged flows.” J. Hydr. Engrg, ASCE, 121(9), 644-652(1995).