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研究生:黃文彥
研究生(外文):Wen-Yen Huang
論文名稱:流槽斷面對土石流流動及堆積型態之影響
論文名稱(外文):Effects of Channel Cross-Section Shape on Debris Flows Movement and Deposition
指導教授:林基源林基源引用關係
指導教授(外文):Ji-Yuan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:流槽斷面土石流堆積範圍尖底槽
外文關鍵詞:Debris FlowChannel Cross-SectionV-Shape FlumesDeposition Range
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台灣地區山勢陡峭,地質脆弱,加上每年颱風帶來集中性豪大雨,往往在山區引起大規模之土石災害。土石流流動狀態特殊、破壞力強,嚴重影響下游地區人民生命財產與安全。台灣地區土石流主要發生於1、2級河川,在土石流硬體之防治工程中,抑制與攔阻工法主要應用於中、上游工程,淤積與疏導工法主要應用於中、下游工程。倘若能於河川中上游段將土石流疏導至河寬較寬之下游或3、4級以上之河川,將可大大減小土石流之危害發生。
本研究所設計之試驗主要藉由改變斷面來增加水流集中,以控制流心,使土石流於流動過程減少漫流的現象,加速通過保全地區。本試驗以矩形、梯形及V形三種斷面,透過等重量替代法模擬現地配比,分別控制不同總重量、不同體積濃度及不同最大土石粒徑等條件,進行室內土石流水槽試驗,探討改變流槽斷面對於土石流流動過程之移動情況、堆積情況之影響。
試驗結果顯示,透過流速、堆積距離、寬度及深度等資料統計,流槽斷面形狀將影響土石流流況及堆積範圍,V型槽流動速度大於梯型槽與矩型槽;土石流於V型槽排導下所產生之堆積長度及寬度也皆最大;矩型槽則最小。証明尖底槽較平底槽易於控制土石流流心,有利於將土石流輸送引導至安全區域。本研究建立形狀因子修正前人試驗迴歸經驗式,經驗式修正形狀因子後,土石流堆積長度經驗式推估值與試驗值比較,矩型流槽結果準確度為91.1%,梯型流槽結果準確度為78.2%,V型流槽結果準確度為90.2%。
For the experiment designed by this research, we enhance the flow concentration through the change of cross-section to control the core of water flow, reducing the risk of debris flow overflow and accelerating its passing through the protected area. With the on-site matching simulation of such three cross-sections as rectangle, trapezoid and V-section through the equivalent weight replacement approach, this experiment proceeds the experiment of indoor debris flow flume by controlling various conditions respectively including different volumes, different volume concentrations and different maximum grain sizes to study the influence of channel cross-section change on debris-flow moving and deposition situations.
With the statistics of data including velocity, deposition distance, width and depth, the result shows that the channel cross-section configuration will influence the state of debris flow and its deposition range. The velocity of V-shape flume is higher than that of trapezoid and rectangle flumes. Both of deposition length and width resulted from the V-shape flume drainage of debris flow are the biggest, whereas they are the smallest for the rectangle flume. It is evident that the conical-bottom flume is better to control the core of debris flow, which is beneficial to channel and conduct the debris flow to a safe area, than the flat-bottom flume. This research established a human-tested empirical regression formula before the-modification of shape factors. After the shape-factor modification of such empirical formula, we find that the accuracy for the result of rectangle, trapezoid and V-shape flumes is 91.1%, 78.2% and 90.2% respectively by comparing the estimated debris-flow deposition length of the empirical formula with that of the experiment.
中文摘要…………………………………………………………… I
Abstract…………………………………………………………… II
誌謝………………………………………………………………… III
本文目錄…………………………………………………………… IV
表目錄……………………………………………………………… VII
圖目錄……………………………………………………………… VIII
照片目錄…………………………………………………………… XI

第一章 緒論…………………………………………………………1
1.1 研究背景………………………………………………………1
1.2 研究動機與目的………………………………………………1
1.3 研究內容及方法………………………………………………2
1.4 研究流程圖……………………………………………………4
第二章 文獻回顧……………………………………………………5
2.1 土石流定義與型態……………………………………………5
2.1.1 土石流定義………………………………………………5
2.1.2 土石流型態………………………………………………6
2.2 土石流發生相關特性………………………………………8
2.2.1 坡度特性…………………………………………………8
2.2.2 濃度特性…………………………………………………10
2.2.3 流動特性…………………………………………………13
2.2.4 堆積特性…………………………………………………16
2.3 土石流災害防治………………………………………………20
2.3.1 土石流危害………………………………………………20
2.3.2 土石流防治目的…………………………………………21
2.3.3 土石流防治工法…………………………………………22
2.3.4 流槽斷面相關研究………………………………………25
第三章 試驗材料、設備與研究方法………………………………28
3.1 現地採樣………………………………………………………28
3.2 模擬級配曲線…………………………………………………30
3.3 試體準備………………………………………………………33
3.4 試驗設備介紹…………………………………………………34
3.4.1 水槽設備…………………………………………………34
3.4.2 試驗流槽…………………………………………………37
3.4.3 試驗紀錄設備……………………………………………40
3.5 模型參數比尺限制……………………………………………43
3.6 試驗方法………………………………………………………43
3.6.1 試驗控制條件……………………………………………43
3.6.2 流槽模型試驗步驟………………………………………45
3.6.3 流況與堆積量測…………………………………………45
第四章 試驗結果與討論……………………………………………46
4.1 試驗土石流流動行為…………………………………………46
4.1.1 試驗土石流流況…………………………………………46
4.1.2 試驗土石流流速…………………………………………48
4.1.3 試驗土石流流深及流量…………………………………51
4.1.4 流槽輸送土石流成效……………………………………55
4.2 試驗土石流堆積行為…………………………………………58
4.2.1 試驗土石流堆積長度……………………………………58
4.2.2 試驗土石流堆積寬度……………………………………59
4.2.3 試驗土石流堆積長寬比…………………………………61
4.2.4 試驗土石流堆積深度……………………………………62
4.3 試驗結果討論…………………………………………………68
4.3.1 試驗結果與經驗式推估比較……………………………68
4.3.2 土石流堆積長度經驗式…………………………………70
第五章 結論與建議…………………………………………………77
5.1 結論……………………………………………………………77
5.2 建議……………………………………………………………78
參考文獻………………………………………………………………80
附錄A 各組堆積圖……………………………………………………84

表目錄
表2-1 土石流分類及相關性質(池谷浩1980)……………………7
表2-2 土石流組成材料分類(謝正倫,1991)……………………8
表2-3 土石流發生之坡度特性………………………………………9
表2-4 台灣地區土石流之現場地形坡度(林炳森,1996)………10
表2-5 土石流容積濃度相對關係(山口伊佐夫1985)……………11
表2-6 砂礫濃度與含砂礫流體之關係(Jeffrey,1990)…………12
表2-7 砂礫濃度與含砂礫流體之關係………………………………13
表3-1 現地明坑採樣結果……………………………………………30
表3-2 試驗配置及編號表……………………………………………44
表4-1 試驗土石流流速記錄表………………………………………56
表4-2 試驗土石流流槽末端流深變化記錄表………………………57
表4-3 試驗土石流堆積記錄表………………………………………64
表4-4 試驗土石流堆積長度與經驗式推估比較表…………………69
表4-5 形狀因子修正表………………………………………………72
表4-6 土石流堆積長度修正結果比較表……………………………74
表4-7 經驗式推估值與試驗值比較表………………………………76

圖目錄
圖1-1 研究流程圖……………………………………………………4
圖2-1 土石流發生之基本概念………………………………………5
圖2-2 土石流流動性狀示意圖………………………………………15
圖2-3 土石流流動類型圖示分類法示意圖…………………………16
圖2-4 各種工法之配置圖……………………………………………24
圖2-5 尖底槽斷面形式………………………………………………26
圖2-6 平底槽斷面形式………………………………………………26
圖3-1 土石流堆積部與源頭部粒徑分布曲線(Johnson,1971) 28
圖3-2 現地採樣地點…………………………………………………29
圖3-3 現地粒徑分佈曲線與等重量替代模擬土石粒徑曲線………33
圖3-4 水槽模型示意圖………………………………………………35
圖3-5 第二坡面示意圖………………………………………………38
圖3-6 第二坡面縱向剖面示意圖……………………………………38
圖3-7 矩形斷面示意圖………………………………………………39
圖3-8 梯形斷面示意圖………………………………………………39
圖3-9 V形斷面示意圖 ………………………………………………39
圖3-10 軟體AI之相關參數與擷取頻率設定…………………………41
圖3-11 讀取訊號軟體Reader…………………………………………41
圖4-1 最大粒徑-上游速度圖(60kg,Cv=0.5) ……………………49
圖4-2 體積濃度-上游速度圖(60kg) ………………………………49
圖4-3 最大粒徑-流槽下游速度圖(60kg,Cv=0.5) ………………49
圖4-4 體積濃度-流槽下游速度圖(60kg) …………………………50
圖4-5 水槽形狀-平均速度比較圖(60kg) …………………………50
圖4-6 最大粒徑-平均加速度圖(60kg,Cv=0.5) …………………50
圖4-7 體積濃度-平均加速度圖(60kg,Cv=0.5) …………………51
圖4-8 流槽末端流深歷線圖(80kg)…………………………………52
圖4-9 流槽末端流深歷線圖(60kg)…………………………………52
圖4-10 平均流深歷線圖………………………………………………52
圖4-11 V型槽流深歷線圖 ……………………………………………53
圖4-12 V型槽流深歷線圖(60kg Cv=0.5)……………………………53
圖4-13 V型槽流深歷線圖(60kg Cv=0.4)……………………………54
圖4-14 平均流量歷線圖………………………………………………54
圖4-15 最大粒徑-最遠距離關係圖(80kg,Cv=0.5) ………………58
圖4-16 水槽形式-最遠距離比較圖 …………………………………59
圖4-17 V型槽最遠距離比較圖 ………………………………………59
圖4-18 最大粒徑-最大寬度關係圖(80kg,Cv=0.5) ………………60
圖4-19 最大粒徑-最大寬度關係圖(60kg,Cv=0.5) ………………60
圖4-20 水槽形式-最遠距離比較圖 …………………………………60
圖4-21 V型槽最大寬度比較圖 ………………………………………61
圖4-22 最遠距離-最大寬度關係圖 …………………………………62
圖4-23 最大深度-最大寬度關係圖 …………………………………63
圖4-24 最大深度-最遠距離關係圖 …………………………………63
圖4-25 編號800505R堆積範圍圖 ……………………………………65
圖4-26 試驗編號800505R堆積圖 ……………………………………65
圖4-27 編號800505R堆積等高線圖 …………………………………65
圖4-28 編號800505T堆積範圍圖 ……………………………………66
圖4-29 試驗編號800505T堆積圖 ……………………………………66
圖4-30 編號800505T堆積等高線圖 …………………………………66
圖4-31 編號800505V堆積範圖 ………………………………………67
圖4-32 試驗編號800505V堆積圖 ……………………………………67
圖4-33 編號800505V堆積等高線圖 …………………………………67
圖4-34 試驗土石流堆積長度與經驗式推估比較圖…………………69
圖4-35 流槽斷面參數示意圖…………………………………………71
圖4-36 試驗土石流堆積長度與修正經驗式推估比較圖……………72
圖4-37試驗土石流堆積長度與二次修正經驗式推估比較圖 ………73
圖4-38經驗式推估值與試驗值比較圖 ………………………………75

照片目錄
照片3-1 採樣地點土石堆積情況-由上游向下游拍攝……………29
照片3-2 水槽主體 …………………………………………………36
照片3-3 攪拌機與消能擋版 ………………………………………36
照片3-4 堆積盤 ……………………………………………………37
照片3-5 流槽末端第二坡面架設位置 ……………………………38
照片3-6 矩形流槽斷面圖 …………………………………………39
照片3-7 梯形流槽斷面圖 …………………………………………39
照片3-8 V形流槽斷面圖……………………………………………39
照片3-9 土壓計 ……………………………………………………40
照片3-10 PCI-1713擷取卡及16個擷取頻道………………………41
照片3-11 DCR-DVD803數位攝影機…………………………………42
照片3-12 DCS-H5數位相機…………………………………………42
照片4-1 試驗土石流流動及堆積情況(800505T)…………………47
照片4-2 編號600505R流槽排導結果………………………………55
照片4-3 編號600505T流槽排導結果………………………………55
照片4-4 編號600505V流槽排導結果………………………………55
照片4-5 試驗編號800505R…………………………………………65
照片4-6 試驗編號800505T…………………………………………66
照片4-7 試驗編號800505V…………………………………………67
參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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