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研究生:陳星如
研究生(外文):Xing-Ru Chen
論文名稱:尾檻設置對下游之局部沖刷效應
論文名稱(外文):The effect of end-sill layout on the downstream local scour of gravelly bed
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:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:120
中文關鍵詞:挑流局部沖刷沖刷坑尾檻
外文關鍵詞:plane jetscour holelocal scoursills
相關次數:
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中文摘要
為保護堰壩閘門之安全穩定,於下游常設置護坦保護工。但由於護坦末端易因多次水流刷深後產生基礎裸露,因此加置尾檻挑流設計。藉此改變出口水流條件,使高速水流挑離基礎處,於較下游處落入尾水,達到削減能量及轉沖為淤之保護功效。本研究為清水沖刷試驗,研究重點在於尾檻迎水角度與高度之變化,分別探討並比較無尾檻條件、矩形尾檻及梯形尾檻挑流保護工等三種不同試驗模型,於深、淺尾水流況下之水流型態及沖刷機制。應用理論分析配合實驗結果,試圖找出沖刷坑特徵尺度(最大沖刷深度,最大刷深位置,基礎刷深等)之間相互關係,可供推估各流況條件下尾檻下游之沖刷坑型態。最後並相互比較,期望能瞭解尾檻變化所造成之影響,以提供最佳之尾檻設計角度做為工程參考之依據,達到防沖消能保護功效。
研究分析結果得知,當比較相關沖刷坑特徵尺度,發現在迎水30°比另外15°、45°及90°三種角度防沖效果為佳,且30°對於各類尾水適應性較佳,因此研究建議以梯形30°作為尾檻保護設計角度。
Abstract
In order to protect the dams or weirs, many energy dissipaters such as apron, sills to aid in energy dissipation or to deflect high velocity flow away from the channel bed. This study examine the effect of angle of sills and the tailwater depth related to the scour mechanism. The characteristics of the scour profile shows strong dependence on the tailwater depth..
There are three series of experiments in this study : the plane wall jet (no sills),the wall jet with a rectangle sill , and the wall jet with a trapezoid sill. The experiments were preformed with clear water and homogeneous sand beds.
According to experimental data, the trapezoid sill with the angle of
30°is the best design for protection of the downstream riverbed near those structures, and this angle is proposed for the design of the sills.
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
目錄Ⅲ
圖目錄Ⅵ
表目錄..ⅩⅡ
符號表ⅩⅢ
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3
第二章 文獻回顧5
2-1沖刷坑型態之研究5
2-2尾水深對沖刷影響之研究8   
2-3洩水閘門尾檻對下游流況研究13 
第三章 理論分析19
3-1 沖刷機制19      
3-2尾水條件之影響19           
  3-2-1出口水躍型態19
3-2-2堆積丘特徵及水流型態21
3-3沖刷坑特徵尺度分析22     
  3-3-1深尾水特徵尺度22
    3-3-2淺尾水特徵尺度23
    3-3-3沖刷坑剖面曲線函數24
    3-3-4置入尾檻與護坦保護工之沖刷坑特徵尺度26
  3-4設計沖刷坑剖面曲線函數28
第四章 水工模型試驗31
4-1實驗目的31
4-2實驗渠槽31
4-3實驗設備32
4-4實驗條件33
4-5實驗方法與步驟37
  4-5-1水深量測37
  4-5-2沖刷剖面之量測37
4-5-3沖刷剖面演變歷程之量測37
4-5-4實驗步驟37
第五章 結果與討論41
5-1平面邊牆射流護坦(無尾檻)效應分析41
5-1-1水深對於平面邊牆射流之流況演變過程41
5-1-2動態沖刷平衡狀態43
5-1-3沖刷坑相似剖面43
5-1-4無尾檻之沖刷效應(固定護坦長度)44
5-2尾檻高度效應分析45
5-2-1水深與尾檻高度對於流況之演變過程45
5-2-2沖刷坑相似剖面48
5-2-3設置尾檻之保護效益49
5-3尾檻角度效應分析52
5-3-1水深與尾檻形狀對於流況之演變過程52
5-3-2沖刷坑相似剖面55
5-3-3改變尾檻角度之保護效益56
5-3-4置換不同角度尾檻之影響58
5-4沖刷坑之特徵尺度分析60
5-5沖刷參數之定義62
第六章 結論與建議64
6-1 結論……64
6-2 建議…66
參考文獻67
圖目錄
圖2-1沖刷坑特性參數示意圖8
圖2-2沖刷剖面概要圖9
圖2-3邊牆射流示意圖11
圖2-4尾檻高度( )和護坦長度( ) 之無因次關係14
圖2-5反覆循環區示意圖14
圖2-6初始水躍符號定義15
圖2-7尾檻種類17
圖2-8尾檻設計圖18
圖3-1(a) 水躍發生處20
圖3-1(b) 水躍發生處20
圖3-1(c) 水躍發生處20
圖3-2(a) 深尾水條件流況示意圖21
圖3-2(b) 淺尾水條件流況示意圖22
圖3-3設計沖刷坑剖面曲線函數28
圖4-1實驗水槽示意圖79
圖4-2雙面嵌玻璃壁渠槽34
圖4-3床粒徑級配曲線36
圖4-4實驗流程40
圖5-1深尾水護坦沖刷剖面各參數示意圖80
圖5-2平面邊牆射流深尾水之水流流況示意圖80
圖5-3淺尾水護坦沖刷剖面各參數示意圖81
圖5-4平面邊牆射流深尾水之水流流況示意圖81
圖5-5(a)平面射流轉向底床(Yt=15cm)82
圖5-5(b)平面射流轉向水平方向(Yt=15cm)82
圖5-5(c)堆積丘崩落,平面射流再次接觸底床(Yt=15cm)82
圖5-5(d)平面射流再度造成底床沖刷,形成第二堆積丘(Yt=15cm)82
圖5-6射流沖刷與底床堆積時之水面線差異83
圖5-7 15cm尾水動沖刷產生第二堆積丘圖83
圖5-8相同護坦( ),深、淺尾水之沖刷坑相似剖面圖84
圖5-9(a)淺尾水之無因次沖刷剖面與數值模擬曲線比較圖84
圖5-9(b)深尾水之無因次沖刷剖面與數值模擬取線比較圖85
圖5-10固定護坦下最大平衡刷深( )與尾水深度無因次化關係85
圖5-11固定護坦下最大基礎刷深( )與尾水深度無因次化關係86
圖5-12(a) 轉向表面射流示意圖86
圖5-12(b) 再接觸邊牆射流示意圖87
圖5-13 Yt=7.5cm 各尾檻之水面線剖面圖87
圖5-14 Yt =20cm 各尾檻之水面線剖面圖88
圖5-15置入尾檻後沖刷坑剖面各參數示意圖88
圖5-16(a) 低尾檻深尾水之水流流況示意圖89
圖5-16(b) 低尾檻淺尾水之水流流況示意圖89
圖5-17護坦上方產生之分離渦漩圖90
圖5-18夾氣現象圖90
圖5-19(a) 高尾檻深尾水之水流流況示意圖91
圖5-19(b) 高尾檻淺尾水之水流流況示意圖91
圖5-20不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=7.5cm)沖刷坑相似剖面圖92
圖5-21淺尾水(Yt=7.5cm)低尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖92
圖5-22淺尾水(Yt=7.5cm)高尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖93
圖5-23不同尾檻高度下,深尾水(Yt=20cm)沖刷坑相似剖面圖93
圖5-24深尾水低尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖94
圖5-25深尾水高尾檻水面線與動沖刷平衡剖面圖94
圖5-26最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖95
圖5-27最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖95
圖5-28最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖96
圖5-29最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖96
圖5-30尾檻效應在各尾水位時之最大平衡刷深( )與尾檻高度之
無因次化圖(正值為刷深)97
圖5-31尾檻效應之最大平衡沖刷深度與尾水高度之無因次化圖97
圖5-32尾檻基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係圖( 正值
為堆積,負值為沖刷)98
圖5-33尾檻效應在各尾水位時之尾檻基礎處刷深( )與尾檻高度之無因次化關係圖( 正值為堆積,負值為沖刷)98
圖5-34梯形尾檻示意圖99
圖5-35(a) h=1.5cm方形及梯形尾檻水面線比較圖99
圖5-35(b) h=3.0cm方形及梯形尾檻水面線比較圖100
圖5-36梯形高尾檻深尾水水流示意圖100
圖5-37 h=3.0cm深尾水水面線及動沖刷剖面圖101
圖5-38梯形高尾檻淺尾水水流流況示意圖101
圖5-39 h=0.5cm,Yt=7.5之水面線變化圖102
圖5-40震盪型水躍示意圖102
圖5-41(a)不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=7.5cm)沖刷坑相似剖面圖
103
圖5-41(b)不同尾檻高度下,淺尾水(Yt=10.0cm)沖刷坑相似剖面圖
103
圖5-42(a)不同尾檻高度下,高尾水(Yt=15.0cm)沖刷坑相似剖面圖
104
圖5-42(b)不同尾檻高度下,高尾水(Yt=20.0cm)沖刷坑相似剖面圖
104
圖5-43最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖. 105
圖5-44最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖105
圖5-45最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖106
圖5-46最大沖刷深度( )與最大沖刷深位置( )無因次化沖刷相
似剖面圖106
圖5-47尾檻效應在各尾水位時之最大平衡刷深( )與尾檻高度之
無因次化圖(正值為刷深) 107
圖5-48尾檻效應之最大平衡沖刷深度與尾水高度之無因次化107
圖5-49尾檻基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係圖( 正值
為堆積,負值為沖刷)108
圖5-50尾檻效應在各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( 正值為堆積,負值為沖刷)108
圖5-51尾檻效應在各尾水位時之水工結構物基礎處堆積範圍( )
與尾檻高度之無因次化關係圖109
圖5-52水工結構物基礎處堆積範圍( )與尾水深度之無因次化關
係109
圖5-53尾檻角度變化示意圖110
圖5-54淺尾水(Yt=7.5cm)下,不同尾檻之水面線比較110
圖5-55淺尾水(Yt=7.5cm)下,梯形尾檻挑流夾氣現象111
圖5-56深尾水(Yt=20cm)下,不同尾檻之水面線比較111
圖5-57深尾水(Yt=10cm)下,不同尾檻之水面線比較112
圖5-58不同尾檻角度下,沖刷坑中心剖面與水面線比較112
圖5-59不同尾檻角度最大平衡沖刷深度與尾水高度無因次化比較113
圖5-60水工結構物基礎處刷深( )與尾水深度之無因次化關係( 正值為堆積,負值為沖刷)113
圖5-61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(梯形h=1.5cm)114
圖5-62矩形尾檻(h=3cm,Yt=10),受流場震盪之影響114
圖5-63最大沖刷深度處底床橫剖面115
圖5-64(a) Yt=20cm h=0.0cm 沖刷剖面演變過程115
圖5-64(b) Yt=20cm h=0.0cm 沖刷剖面演變過程116
圖5-65平面邊牆射流堆積丘歷程116
圖5-66無因次化平面邊牆射流之最大刷深與沖刷延時關係117
圖5-67(a) Yt=20cm h=3.0cm 矩形尾檻沖刷剖面演變過程117
圖5-67(b) Yt=20cm h=3.0cm 矩形尾檻沖刷剖面演變過程118
圖5-68(a) Yt=20cm h=3.0cm 梯形尾檻沖刷剖面演變過程118
圖5-68(b) Yt=20cm h=3.0cm 梯形尾檻沖刷剖面演變過程119
圖5-69無因次化矩形尾檻之最大刷深與沖刷延時關係119
圖5-70無因次化梯形尾檻之最大刷深與沖刷延時關係120
表目錄
表2-1深淺尾水及影響堆積丘之臨界條件12
表2-2邊牆射流下游局部沖刷公式整理表70
表2-3邊牆射流下游局部沖刷坑曲線函數方程式71
表2-4歸納深、淺尾水之分類標準72
表3-1影響沖刷深度之參數23
表3-2設置尾檻與護坦保護工之影響沖刷深度參數27
表4-1試驗段流場及配置條件35
表4-2粒徑選擇條件35
表5-1實驗結果彙整資料73
表5-2薄板尾檻沖刷剖面各實驗條件之參數值76
表5-3梯形尾檻沖刷剖面各實驗條件之參數值77
參考文獻
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