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研究生:黃偉哲
研究生(外文):Wei-Je Huang
論文名稱:水流通過透水式橋墩保護工之流況分析
論文名稱(外文):Flow Analyze of Water FlowPassing Through Bridge Pier Porous Protection Structure
指導教授:呂珍謀呂珍謀引用關係賴泉基賴泉基引用關係
指導教授(外文):Jan-Mou LeuChan-Ji Lai
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:水利及海洋工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:保護工滲流量二次流
外文關鍵詞:seepageprotection structuresecondflow
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中文摘要
本文藉由實驗來模擬水流通過透水式橋墩保護工的流況,針對保護工頂部及上下游的流速分佈進行量測,並計算通過保護工內部之滲流量。在保護工處屬於粗糙床的部分,其流速剖面內區中之流速分佈其實驗結果顯示,實驗值比理論值大,其原因乃是此處因橋墩的存在使得斷面束縮,又因保護工本身具透水性使得水流會往保護工內部之方向滲流入保護工內部。而從整個流速剖面來看,水流在近底床處因礫石的拖曳效應使得此處的流速有減小的趨勢,在靠近水表面處則因二次流效應之影響,所以此處之流速亦有減小的現象產生,因此整個流速剖面是呈現一個類似S形狀的流速剖面,所以在保護工頂部之流速分佈並不符合流速剖面中的對數律分佈。
在滲流量方面,以往在量測流量時都將這一部份忽略,因而造成流量計算上的誤差。本文中對保護工內部滲流量之計算方法是利用上游流量減去保護工頂部之流量所得之差即保護工內部之滲流量,實驗結果顯示,越往保護工下游其滲流量越大,當流量越大時,滲流量與總流量之比值也越小,而在低流量時,其滲流可達到32%,這表示在低流量時若將滲流量忽略將會導致流量計算上有相當大的誤差產生,因而影響到水工結構物在設計上的安全考量。
Abstract
Top and seepage flows passing through bridge pier porous protection structure, such as the riprap or neonychium, are studied experimentally. Velocity profiles are measured at several locations, at the front, top and rear of the piers; thus, the amount of the seepage through the neonychium can be estimated by deduction of the inflow from the top flow integrations. It is also observed that the vertical velocity distribution is gradually becoming non-logarithmic, as the measuring point is closer to the piers.
On top of the riprap, the velocity of at the lower part of the flow is higher than that at the upper part. This is due to vertical contraction of the neonychium, and the velocity profile has an S shape.
The result displays that the seepage in the downstream is large than that at the upstream. It is also observed that the amount of the seepage depends on the porosity and the water level difference at the up and downstream of the pier section. This is particularly important to the low flow since the ratio of the seepage to the total discharge in the experiments have a value of up to 32%.
The above results also imply that river flow measurement at the bridge section tend to be in error, if the real velocity profile and amount of the seepage under the riprap are not considered. More studies are still needed to find relations between the types of riprap to the velocity profile and the amount of the seepage flow.
目錄
中文摘要………………………………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………………………….Ⅱ
謝誌………………………………………………………………………………….Ⅲ
目錄………………………………………………………………………………….Ⅳ
表目錄……………………………………………………………………………….Ⅵ
圖目錄……………………………………………………………………………….Ⅶ
照片目錄…………………………………………………………………………….Ⅹ
符號說明…………………………………………………………………………….XI
第一章 緒論………………………………………………………………………….1
1-1 研究動機……………………………………………………….…….1
1-2 前人研究……………………………………………………………3
1-2-1 流速量測儀器………………………………………………4
1-2-2 拋石工法……………………………………………………5
1-3 本文架構……………………………………………………….…….6
第二章 橋墩保護工前後之流況析………………………………………….………8
2-1 基本定理……………………………………………………….……8
2-1-1壁定理…………………..…..…………………………………8
2-1-2速度欠損率…………………………………………………….9
2-1-3冪次定理………………………………………………………10
2-2 光滑底床………………………………………………………….11
2-3 粗糙底床……………………………………………………………12
2-3-1粗糙高度……………………………………………….…13
2-3-2粗糙床的基準面……………………………………….………13
2-3-3二次流的成因………………………………………….………14
2-4 連續方程式與能量方程式…………………………………………..15
2-4-1能量方程式……………………………………………………15
2-4-2連續方程式……………………………………………………17
2-5 滲流量計算.…………………………………………………………17
第三章 實驗方法與步驟……………………………………………………………19
3-1 實驗設備....………………………………………………………19
3-1-1 試驗渠道………………………………………………….19
3-1-2 實驗儀器與設備………………………………………….20
3-1-3 儀器之率定………………………………………….……22
3-1-4 消除雜訊的方式…………………………………….……24
3-2 實驗佈置..…………………………………………………………26
3-3 實驗方法與步驟..…………………………………………………28
第四章 實驗結果分析與討論………………………………………………………33
4-1 能量坡降線與水力坡降線..….…………………………….……33
4-2 實驗之流況分析...……………………………………………….34
4-2-1 光滑床…………………………………………………35
4-2-2 粗糙床.……………………………………………………..36
4-3 摩擦速度分析…………………………………………………37
4-4 表面流場之分析………………………………………………38
4-5 滲流量之計算…………………………………………………..39
第五章 結論與建議…………………………………………………………………80
5-1 結論………………………………………………………….……80
5-2 建議 ………………………………………………………………81
參考文獻…………………………………………………………………………….83
附錄………………………………………………………………………………….86表目錄
表 3-1 校正係數與流速及出力電壓之關係……………………………23
表 4-1 實驗條件…………………………………………………………40
表 4-2 水流通過橋墩保護工前後之能量與能量損失…………………41
表 4-3 渠道各斷面之滲流量…………………………………………....41
圖目錄
圖1-1 高屏大橋橋基保護工在賀伯颱風過後保護工被沖毀之情況…………2
圖1-2 高屏大橋橋基保護工…………………………………………………….6
圖2-1 紊流邊界層平均速度剖面圖……………………………………………10
圖2-2 粗糙床之基準面示意圖…………………………………………………14
圖2-3 二次流流場示意圖………………………………………………………15
圖2-4 能量坡降示意圖…………………………………………………………16
圖2-5 保護工滲流量示意圖……………………………………………………18
圖3-1 實驗渠道平面佈置圖……………………………………………………20
圖3-2 水位計率定關係曲線圖…………………………………………………22
圖3-3 定水頭流量率定關係曲線圖……………………………………………24
圖3-4 保護工示意圖……………………………………………………………27
圖3-5 橋墩模型示意圖…………………………………………………………27
圖3-6 實驗步驟流程圖…………………………………………………………30
圖4-1 渠流通過橋墩之狀況……………………………………………………34
圖4-2 實驗一之能量坡降線與水力坡降線圖…………………………………42
圖4-3 實驗二之能量坡降線與水力坡降線圖…………………………………42
圖4-4 實驗三之能量坡降線與水力坡降線圖…………………………………43
圖4-5 實驗四之能量坡降線與水力坡降線圖…………………………………43
圖4-6 實驗一光滑底床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(7m)……44
圖4-7 實驗二光滑底床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(7m)….…44
圖4-8 實驗三光滑底床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(7m)……..45
圖4-9 實驗四光滑底床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(7m)……..45
圖4-10粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.1m , profile 1/4)..46
圖4-11粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.1m , profile 1/2)..46
圖4-12粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.4m , profile 1/6)..47
圖4-13粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.4m , profile 2/6)..47
圖4-14粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.4m , profile 3/6)..48
圖4-15粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.75m , profile1/6).49
圖4-16粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.75m , profile2/6).49
圖4-17粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(8.75m , profile3/6).50
圖4-18粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9m , profile 1/6)….51
圖4-19粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9m , profile 2/6)….51
圖4-20粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9m , profile 3/6)….52
圖4-21粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.25m , profile1/6).53
圖4-22粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.25m , profile2/6).53
圖4-23粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.25m , profile3/6).54
圖4-24粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.6m , profile 1/6)..55
圖4-25粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.6m , profile 2/6)..55
圖4-26粗糙床無因次流速剖面實驗數據和理論曲線比較圖(9.6m , profile 3/6)..56
圖4-27 底床處水流受到礫石拖曳效應示意圖……………………………………56
圖4-28 實驗一各斷面在渠道中心處之流速剖面圖………………………………57
圖4-29 實驗一各斷面在渠道六分之一與六分之二處之流速剖面圖……………59
圖4-30 實驗二各斷面在渠道中心處之流速剖面圖………………………………62
圖4-31 實驗二各斷面在渠道六分之一與六分之二處之流速剖面圖……………64
圖4-32 實驗三各斷面在渠道中心處之流速剖面圖………………………………67
圖4-33 實驗三各斷面在渠道六分之一與六分之二處之流速剖面圖……………69
圖4-34 實驗四各斷面在渠道中心處之流速剖面圖………………………………72
圖4-35 實驗四各斷面在渠道六分之一與六分之二處之流速剖面圖……………74
圖4-36 實驗各斷面之摩擦速度圖…………………………………………………76
圖4-37 水流通過保護工時之表面流場(實驗四)………………………………….79
圖4-38 水流通過保護工後之表面流場(實驗四)………………………………….79
照片目錄
照片 3-1 渠道之整流工……………………………………………………………31
照片 3-2 實驗段之矩形斷面渠道…………………………………………………31
照片 3-3 尾水段油壓閘門…………………………………………………………31
照片 3-4 電磁式流速儀……………………………………………………………31
照片 3-5 電容式水位計……………………………………………………………31
照片 3-6 增幅器與電腦設備………………………………………………………31
照片 3-7 儀器之接線盒……………………………………………………………32
照片 3-8 定水頭馬達與三角堰……………………………………………………32
照片 3-9 橋墩與保護工之俯視圖…………………………………………………32
照片3-10 橋墩與保護工之正視圖…………………………………………………32
照片3-11 保護工礫石比例圖………………………………………………………32
照片3-12 流速儀之架設……………………………………………………………32
照片4-1 水流通過橋墩時之流況(實驗二)……………………………………….77
照片4-2 水流通過橋墩前端時之流況(實驗二)………………………………….77
照片4-3 水流通過橋墩時之流況(實驗三)……………………………………….78
參考文獻
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