臺灣博碩士論文加值系統

水流流經固床工等水工結構物時，於上、下游落差大之自由跌水(free overfall)河段，其高位能轉換為具有速度形態之動能。若下游未設置消能設施(energy dissipators)，水流將直接沖擊下游河床，造成結構物下游嚴重淘刷，進而威脅結構物本身安全。
本研究藉由室內渠槽試驗，於定量清水流況下針對不同跌水高度設置不同消能設施進行自由跌水試驗。在自由跌水沖擊處設置不干擾流場之壓力量測系統，測定下游縱向之渠床壓力水頭分佈，探討各種情況下的沖擊力大小、能量消減率及消能設施成效。以消能的觀點而言，設置靜水池消能工法時之水流作用於底床沖擊力均較未設置時為低，顯見設置靜水池有消減沖擊能量之效果。探究其因乃設置消能工後產生一水墊(water cushion)區，跌水因墊床效應(cushion effect)使得水流於靜水池內相互碰撞進而消減能量所致。
以能量消減率而言，於不同單寬流量下，平均最大能量消減率約為11%至24%。當靜水池長度越長、尾檻高度越高時，其能量消減率也就越高，亦即靜水池長度(L)、尾檻高度(h) 與能量消減率(λE)呈正相關。試驗結果亦發現跌水數(D)與水流沖擊位置( )呈正相關，水墊區水深(Yp)與跌水數(D)呈正相關，水流沖擊角度θ與跌水數(D)呈負相關。

When water flows through the hydraulic structures like consolidation works etc., in the reach of free overfall caused by drop between upstream and downstream, the potential energy will be converted to kinetic energy. If the reach downstream of hydraulic structure doesn’t set up any energy dissipation installations, the flow will strike the riverbed directly, erode the downstream reach seriously, and threaten its security.
This research conducts a series of free overfall experiments under steady and clear water conditions for energy dissipation installations with various drop heights. This study sets up the non-disturbing pressure systems along downstream channel bottom to measure the longitudinal distribution of pressure head by pressure transducer. The impact force of flow, the rate of energy reduction and the effectiveness of energy dissipation installations are discussed. In view of energy dissipation, the impact force on riverbed with energy dissipators is lower than that without energy dissipators, indicating obvious effect of energy dissipation by installing the energy dissipators. The water cushion is formed after the installation of energy dissipators, which will make the current hits mutually in the stilling basin due to cushion effect, and reduce the flow energy.
In view of the energy reduction rate, the average maximum energy reduction is about 11% to 24% under different unit flow discharges. The experimental results indicated that the height (h) and length (L) of the stilling basin appear to be proportional to the rate of energy reduction (λE). In addition, the flow impact position ( ), and the flow depth in the stilling basin (Yp) are proportional to the drop number (D), and the flow nappe impact angle (θ) is inversely proportional to D.

謝誌 I
摘要 II
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 X
照片目錄 XI
符號表 XII

頁次
壹、前言 1-1
1.1研究動機 1-1
1.2研究目的 1-1
1.3本文組織 1-2
貳、文獻回顧 2-1
2.1自由跌水之特性 2-1
2.1.1水流沖擊位置 2-1
2.1.2水墊區深度 2-3
2.1.3水流沖擊角度 2-4
2.2自由跌水力學 2-5
2.2.1水流沖擊力 2-5
2.2.2能量損失 2-6
2.3消能設施 2-7
2.3.1護坦及水墊工法 2-7
2.3.2尾檻高度 2-8
參、理論分析 3-1
3.1水流流場特性 3-1
3.2相似原理 3-3
3.2.1幾何相似(Geometric Similarity) 3-3
3.2.2運動相似(Kinematic Similarity) 3-4
3.2.3動力相似(Dynamic Similarity) 3-4
3.2.4福祿數（Froude number）定律 3-5
3.2.5雷諾數（Reynold’s number）定律 3-6
3.3因次分析 3-7
肆、水工試驗 4-1
4.1試驗設備及佈置 4-1
4.1.1試驗渠槽 4-1
4.1.2試驗佈置 4-2
4.1.3試驗儀器 4-3
4.2試驗假設與條件 4-5
4.2.1試驗假設 4-5
4.2.2試驗流量 4-6
4.2.3試驗條件 4-7
4.3試驗步驟 4-8
4.3.1預備試驗 4-8
4.3.2正式試驗 4-9

伍、結果分析與討論 5-1
5.1沖擊能量 5-1
5.1.1能量消減 5-1
5.1.2沖擊力大小 5-15
5.2自由跌水特性 5-17
5.2.1水流沖擊位置 5-17
5.2.2水墊區水深 5-18
5.2.3水流沖擊角度 5-19
5.3消能設施 5-20
5.3.1靜水池長度 5-21
5.3.2尾檻高度 5-21
陸、結論與建議 6-1
6.1結論 6-1
6.1.1沖擊能量 6-1
6.1.2自由跌水特性 6-2
6.1.3消能設施 6-2
6.2建議 6-3
參考文獻 R-1

1.行政院農委會 (2000)，「水土保持技術規範」，第160頁~166頁。
2.行政院農委會水土保持局 (2005)，「水土保持手冊-工程方法篇」，第2-196頁~2-199頁。
3.宋爾寧(1999)，「帶工法對投潭水流行為及沖刷特性之影響」，國立中興大學土木工程學系，碩士論文。
4.林呈、黃文彥、顏光輝(1999)，「自由跌水之舌流區內速度場的量測探討」，第11屆水利工程研討會論文集，第35頁~43頁。
5.林宏宇(2001)，「消能設施對防砂壩下游局部沖刷影響之研究」，國立中興大學土木工程學系，碩士論文。
6.梁文壇(1998)，「跌水迴流區之水理分析」，國立中央大學土木工程學系，碩士論文。
7.陳正炎、蔡建文(1995)，「堰壩投潭水流沖擊力之研究」，水土保持學報，第26卷，第2期，第135頁~144頁。
8.陳正炎(1988)，「堰壩投潭水躍消能近似解析之研究」，台灣水利，36卷4期，第72頁~80頁。
9.張幀禎(2008)，「單階自由跌水作用下坡度渠床沖擊特性之試驗研究」，國立中興大學土木工程學系，碩士論文。
10.陳聖文(2000)，「防砂壩下游帶工佈置之試驗研究」，國立中興大學土木工程學系，碩士論文。
11.經濟部水利署第二河川局(2005)，「頭前溪中正橋段跨河及河防構造物對整體河性影響之研究」，第2-1頁至2-46頁。
12.Chanson, H.(1995), “Hydraulic design of stepped cascades, channels, weirs and spillways,” Pergamon ,Oxford, UK,pp.292.
13.Ippen, P. J.(1943), “Engineering hydraulic,” John Wiely and Sons, Inc., New York,pp.570.
14.Moore, W. L.(1943), “Energy loss at the base of a free over-fall,” Transactions, ASCE,Vol.108,pp.1343~1360.
15.Rajaratnam, N. and Chamani, M. R.(1995), “Energy loss at drop.” Journal of Hydraulic Reserch, IAHR,Vol.33,No.3,pp.373~384.
16.Rand, W.(1955), “Flow geometry at straight drop spillways,” Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,Vol.6,No.4,pp.257~260.
17.White, M. P.(1943), “Discussion on energy loss of free over-flow,” Transactions,ASCE,Vol.108,pp.1361~1364.