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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王新貴
研究生(外文):Shin-Kuei Wang
論文名稱:不均勻橋墩與套環保護工法之局部沖刷研究
論文名稱(外文):Local Scour around Non-uniform Piers and Collar
指導教授:周憲德
指導教授(外文):Hsien-Ter Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
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:77
中文關鍵詞:套環不均勻橋墩局部沖刷橋基裸露
外文關鍵詞:collarNon-uniform pierslocal scourpier exp
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台灣近年來由於公共建設的蓬勃發展及盜採砂石問題日益嚴重,促使天然河道中之輸砂更為不平衡,造成底床逐年下降,橋基裸露將對橋樑結構安全性產生重大影響橋。然而目前針對局部橋基保護工法若施工或規劃不當,可能由於束縮沖刷或者水中夾雜著浮木巨石而導致反效果。因此需對不同形式之橋墩基礎的沖刷特性加以研究,以發展出適當之橋基保護工法。
本研究利用動床水槽試驗分析橋墩周圍施以套環保護工法及不均勻橋墩之局部沖刷特性,分析其最大沖刷深度變化、發生位置、沖刷坑及堆積丘範圍,並比較在不同裸露高度下之沖刷變化。
實驗結果發現,套環保護工設置位置越靠近底床時,刷深越小;當貼齊底床時,可明顯減少最大沖刷深度,並成功的將向下射流與馬蹄形渦流導向墩後遠離主要橋墩基礎結構。當套環厚度增加時,沖刷坑範圍與刷深增加並不明顯,故造成沖刷的主因為馬蹄形渦流,向下射流的影響有限。不均勻橋墩在不同橋基位置時,隨著裸露高度增加而造成迎水面積增加,沖刷坑範圍及最大刷深增加;當橋基貼齊底床而墩前無沖刷發生時,與套環保護工結果相似;而當墩前橋基裸露時,則刷深較套環保護工大。


This study uses experimental mobile channel to examine the characteristics of local scour around non-uniform piers and the piers with collar protection. The maximum scour depth and the range of the scour hole is analyzed. Furthermore, the change of scour at different exposure elevations is compared by performing a series of case studies.
When the collar is close to the bed, the scour depth decreases. When it’s top is flush with the bed, the scour depth decreases obviously, and both the downflow and horseshoe vortex are guided to the downstream successfully far away from the bridge pier structure. The scour depth doesn’t change obviously with the increase of the location of the collar, so the horseshoe vortex is the main factor for scouring. The experiments of non-uniform piers at different exposure elevations showed that the increase of exposure elevation causes the increase of obstruction area. So, the range of scour hole and the depth of scour will increase. When the top of the pier foundation is flush with the bed, the scour doesn’t occur in front of the pier foundation, the result is similar to that for using collar. While the scour depth is much deeper for those causes when the scour occurs in front of the pier.


頁次
中文摘要…………………………………..………………………...Ⅰ
英文摘要…………………………………..………………………...Ⅱ
目錄………………………………………..………………………...Ⅲ
表目錄…………………………...………..…………………………Ⅴ
圖目錄…………………..……...………..………………………..…Ⅵ
符號表…………………………...……..……………………………Ⅸ
第一章 緒論…………………………..…………………………….1
1.1 研究動機與目的………..………………..……………..1
1.2 研究方法………………..…………….…………..…….2
1.3 本文架構………………..…………….…………..…….3
第二章 文獻回顧…………….……………………………………..4
2.1 均勻橋墩……………………………………….……….4
2.2 不均勻橋墩……………………………………………..5
2.3 套環保護工法………………………………….……….7
2.4 排樁保護工法………………………………….……….8
第三章 理論分析…..…………………………………………….…10
3.1 流體流經圓柱之流況……………………………….….10
3.2 沖刷機制分析…………………………...……………...11
3.3等效橋墩寬度之探討……….……………………….….14
第四章 試驗設備與規劃…………………………………………...19
4.1 試驗設備與儀器…………………………………….….19
4.2 試驗條件…………………………………………….….20
4.3 試驗規劃…………………………………………….….20
4.3.1實驗模型尺寸之確定……………………………...21
4.3.2馬達轉速與試驗段流速率定…………..………...21
4.3.3均勻及非均勻橋墩及加套環之沖刷坑量測…….22
第五章 結果與討論………………………………………………...23
5.1 套環切齊底床時周圍流況與沖刷情形…………….….23
5.2 改變套環高度之影響……………………………….….24
5.2.1 沖刷坑長度及寬度與堆積丘範圍…………….….25
5.2.2 沖刷坑中心線剖面…………………………….….26
5.2.3 無因次中心線剖面…………………………….….27
5.2.4 最大刷深發生位置…………………………….….28
5.2.5 最大刷深變化情形…………………………….….28
5.2.6 刷深歷程……………………………………….….29
5.3 改變套環厚度之影響……………………………….….29
5.3.1 沖刷坑長度及寬度與堆積丘範圍…………….….29
5.3.2 沖刷坑中心線剖面與最大刷深……………….….30
5.4 橋基及橋墩之尺寸比與沖刷狀況之關係………….….31
5.4.1 當橋基橋墩比大於等於2.65……………………..31
5.4.2 當橋基橋墩比小於2.65…………………………..32
5.4.3 改變橋基高度之影響……………………………..32
5.4.4 橋基裸露之局部沖刷深度預估公式……………..33
5.4.5 套環保護之沖刷結果與Kumar經驗式之比較…..34
5.5 不均勻橋墩與套環保護工法之沖刷特性之比較….….34
第六章 結論與建議………………………………………………...36
6.1 結論………………………………………………….….36
6.2 建議………………………………………………….….38
參考文獻………………………………………………………….…39
表目錄
頁次
表1.1 均勻橋墩最大局部沖刷深度預估公式…………………….43
表3.1等效橋墩寬度公式…………………………………………..44
表4.1 本省西部跨和橋樑橋基裸露之實際案例…………………..45
表4.2 套環保護工之實驗條件表…………………………………..46
表4.3 不均勻圓柱形橋墩之實驗條件表………………………….47
表5.1 套環保護工之實驗結果表…………………………………..48
表5.2 不均勻圓柱形橋墩之實驗結果表………………………….49
圖目錄
頁次
圖2.1 不均勻橋墩基礎裸露位置…………………………………..50
圖2.2 套環保護工法示意圖………………………………………..50
圖2.3a 排樁設置示意圖(圓形橋墩)…...…………………..………51
圖2.3b 排樁設置示意圖(矩形橋墩)……………………….………51
圖2.3c 排樁最佳設置示意圖(圓形橋墩).…………………………51
圖3.1 水流流經橋墩的流況………………………………………..52
圖3.2 沖刷深度隨流速變化圖(Melville and Chiew,1999)………..52
圖3.3 沖刷深度隨時間變化圖(Melville and Chiew,1999)………..53
圖3.4 不均勻橋墩之示意圖………………………………………..53
圖4.1 橋墩沖刷實驗之平面水槽與渠道配置示意圖……………..54
圖4.2 實驗用矽砂粒徑分布圖……………………………………..55
圖4.3 馬達轉速與流速之關係……………………………………..55
圖4.4 馬達轉速645rpm時水平斷面流速分佈圖…………….…..56
圖5.1 套環周圍顆粒布置情況………………….……………….....57
圖5.2 墩前迴流示意圖……………………………………………..57
圖5.3~5.8 裝設套環之橋墩周圍沖刷狀況影像圖…………….…..58
圖5.9~5.14 裝設套環之橋墩後方尾跡渦流作用影像圖………….59
圖5.15 不同套環位置之沖淤範圍(ap=3.4cm,w=9.0cm)…....……..60
圖5.16 套環設置於底床以下之沖淤範圍(ap=3.4cm,w=9.0cm)…..61
圖5.17 套環設置於底床上方之沖淤範圍(ap=3.4cm,w=9.0cm)…..61
圖5.18 套環設置於底床上方之中心線剖面(ap=3.4cm,w=9.0cm)62
圖5.19 套環設置於底床以下之中心線剖面(ap=3.4cm,w=9.0cm)62
圖5.20 無因次中心線剖面(zf>0)……………………...…………...63
圖5.21 無因次中心線剖面(zf<0)…………………………………63
圖5.22 改變套環高程之最大刷深發生位置(ap=3.4cm,w=9.0cm)64
圖5.23 刷深隨套環位置之變化情形(ap=3.4cm,w=9.0cm)……….64
圖5.24 刷深隨時間之變化…………………………………………65
圖5.25 改變套環厚度之沖淤範圍(ap=3.4cm,w=9.0cm)………….65
圖5.26 改變套環厚度之沖刷坑長度與寬度(ap=3.4cm,w=9.0cm)..66
圖5.27 改變套環厚度之中心線剖面(ap=3.4cm,w=9.0cm)………..66
圖5.28 改變套環厚度之沖刷坑最大刷深(ap=3.4cm,w=9.0cm)..…67
圖5.29 改變橋基寬度之沖淤範圍(zf=0cm)….……………………67
圖5.30 改變橋基寬度之沖淤範圍(zf=0cm,af/ap≧2.65)…………68
圖5.31 改變橋基寬度之沖淤範圍(zf=0cm,af/ap<2.65)………….68
圖5.32 改變橋基寬度之中心線剖面(zf=0cm,af/ap>=2.65)………69
圖5.33 改變橋基寬度之中心線剖面(zf=0cm,af/ap<2.65).………69
圖5.34 橋基貼齊底床時之等效寬度與相對橋基寬度比之關係…70
圖5.35 不同橋基寬度比時橋基裸露位置之刷深變化……………70
圖5.36 不同橋基位置時刷深之變化(af/ap=2.65)………………….71
圖5.37 不均勻橋墩與套環保護工中心線剖面比較(zf=0cm)…….71
圖5.38 不均勻橋墩與套環保護工沖淤剖面比較(zf=0cm)…..…...72
圖5.39 套環保護之等高線剖面圖(ap=3.4cm,w=9cm,zf=0)…….72
圖5.40 不均勻橋墩之等高線剖面圖(ap=3.4cm,af=9cm,zf=0)….73
圖5.41 套環保護工之立體斜視圖(ap=3.4cm,w=9cm,zf=0)…...73
圖5.42 不同套環與橋基高程下刷深變化………………………....74
圖5.43 不均勻橋墩之沖淤範圍斜視圖(ap=6cm,af=15cm,zf=0cm).74
圖5.44 不均勻橋墩之沖淤範圍上視圖(ap=6cm,af=15cm,zf=0cm)75
圖5.45 不均勻橋墩之沖淤範圍上視圖(ap=6cm,af=9cm,zf=0cm)75
圖5.46 不均勻橋墩之沖淤範圍斜視圖(ap=6cm,af=9cm,zf=0cm)76
圖5.47 套環保護結果上視圖(ap=3.4cm,w=9cm,dc=3cm,zf=6cm)76
圖5.48 套環保護工之沖淤範圍斜視圖(ap=3.4cm,w=9cm,zf=0cm)77
圖5.49 不均勻橋墩沖淤範圍斜視圖(ap=3.4cm,af=15cm,zf=0cm)77


林呈,「本省西部重要河川橋樑橋基災害分析與橋基保護工法資料庫系統之建立」,交通部運輸研究所專題研究計畫成果報告(1998)。周秉正,「橋墩局部沖刷與蛇籠保護工法之實驗研究」,碩士論文,國立中央大學土木工程研究所,中壢(1999)。吳沛倫,「不均勻橋墩及群樁基礎之局部沖刷研究」,碩士論文,國立中央大學土木工程研究所,中壢(2001)。張藝馨,「不均勻圓形橋墩之局部沖刷研究」,碩士論文,國立中央大學土木工程研究所,中壢(2000)。張學齡,「橋涵水文」,人民交通出版社,北京,第113-144頁(1995)。國立中央大學災害防治研究中心,「橋台及橋墩沖刷防治工法之探討」,交通部委託研究計劃(1999)。國立中央大學災害防治研究中心,「橋樑設計維修支援系統之建立(Ⅱ)─國內現有自然災害危害評估及防治方法之整合研定」,交通部委託研究計劃(2000)。劉長齡、詹元豪、黃進坤,「橋墩單樁與樁群之沖刷研究」,第七屆水利工程研討會論文集(1994)。Baker C. J., “Theoretical approach to prediction of local scour around bridge piers”, Journal of Hydraulic Research 18, No. 1, (1980).Breusers H. N. C., and Raudkivi A. J., “Scouring”, A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfield, (1991).Chiew, Y. M., “Scour Protection at Bridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 9, pp. 1260-1269(1992).Dargahi B., “Controlling mechanism of local scouring”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 116, No.10, pp.1197~1214 (1990).Dey S., “Time-variation of scour in the vicinity of circular piers”, Proc. Instn Civ. Engrs Wat., Marit. & Energy, Vol. 136, pp.67-75 (1999).Ettema R., Melville B. W., and Barkdoll B., “Scale effect in pier-scour experiments”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 124, No. 6, (1998).Graf W. H., Yulistiyanto B., “Experiments on flow around a cylinder; the velocity and vorticity fields”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 36, No. 4, (1998).Imamoto H., Ohtoshi K., “Local scour around a non-uniform circular pier”, Proc., I.A.H.R. Congress, Lausanne, Switzerland, pp.304-309 (1987).Jones J. S., Kilgore R. T., and Mistichelli M. P., “Effects of footing location on bridge pier,” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.118, No.2, pp.280~290(1992).Kothyari U. C., Garde R. J. and Ranga Raju K. G. “Temporal variation of scour around circular bridge piers”, J.Hydr. Engrg., ASCE, Vol.118, No.8, pp.1091~1106(1992).Kumar, V., Ranga Raju, K. G.., and Vittal, N., “Reduction of Local Scour around Bridge Piers Using Slots and Collars.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 12, pp. 1302-1305(1999).Martin-Vide J. P., Hidalgo C., and Bateman A., “Local scour at piled bridge foundations”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.124, No4, pp.439~444 (1998).McNeil J., Taylor C., and Lick W., “Measurements of erosion of undisturbed bottom sediments with depth”, Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 122, No. 6, pp.316~324, (1996).Mehta A. J., et al., “Cohesive sediment transport. I : process description”, Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol. 115, No. HY8, pp.1076~1093, (1989)Melville B. W., “Local scour at bridge abutments”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 118, No. 4, (1992).Melville B. W., and Raudkivi A. J., “Effects of foundation geometry on bridge pier scour”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.122, No.4, pp.203~209 (1996).Melville B. W. and Chiew Yee-meng, “Time scale for local scour at bridge piers”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 125, No. 1, (1999).Melville, B. W.,and Hadfield, A. C., “Use of Sacrificial Piles As Pier Scour Countermeasures.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 11, pp. 1221-1224(1999).Parola A. C., Mahavadi S. K., Brown B. M. and Khoury A. E., “Effects of rectangular foundation geometry on local pier scour”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.122 No.1, pp.35~40 (1996).Raudkivi A. J., “Clear-water scour at cylindrical piers”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.109, No.3, pp.338~350 (1983).Raudkivi A. J., “Founctional trends of scour at bridge piers”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.112, No.3, pp.1~13 (1986).Raudkivi A. J., Ettema R., “Effect of sediment gradation on clear water scour”, Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 103, No. NY10, pp.1209~1213, (1977).Raudkivi A. J. and Ettema R., “Clear-water scour at cylindrical piers”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 109, No. 3, pp.338~349, (1983).Stelkoff T. , “Numerical solution of saint-venant equations”, Journal of the Hydraulic Division, ASCE, Vol. 96, No. HY1, (1970).Tanaka, S., and Yano, M. ”Local scour around a circular cylinder.” Proc., 12th Congr. of IAHR, Delft, The Netherlands(1967).Thomas, Z.. “An interesting hydraulic effect occurring at local scour.” Proc., 12th Congr. of IAHR, Delft, The Netherlands(1967).Vittal N. , Kothyari U. C. , and Haghighat M. , “Clear-water scour around bridge pier group”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 120, No. 11, (1994).
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