沖刷坑與淤積堆之縱斷面變化

水流通過橋墩時，主要因向下射流及馬蹄形渦流的交互作用，使 得橋墩周圍產生沖刷坑，同時於墩前產生一最大沖刷深度。而在橋墩 下游處，由於馬蹄形渦流的消散與尾跡渦流的產生，導致渦流效應減 弱，水流攜運泥沙之能力不足，泥沙因此落淤而形成淤積堆。

圖 5-1～圖 5-3 分別為在不同覆土高度非均勻橋墩 D/D^*=0.7 於前 峰型、中峰型及後峰型流量歷線作用下之沖刷坑與淤積堆中心線變化 情形。圖中係以橋墩迎水面寬度(D)為 x、z 軸之尺度無因次化，其中 x=0 時為橋墩中心，z=0 為原始河床高程。結果顯示，在橋基裸露的 情況下（Y 為負值），所造成之沖刷深度較大，且最大沖刷深度均發 生於橋基前緣，又沖刷坑影響範圍約自橋墩中心向上游 3D 之距離；

而其淤積堆向下游延伸較長之距離，最大約達 11.5D 之長度。此乃由 於橋基裸露時，橋基之阻水面積增加，加大向下射流之強度所致。由 水工實驗沖刷過程可知，淤積堆是由沖刷坑中之泥沙所帶出而形成，

並一層一層的漸漸往下游延伸，其延伸之速率與水流強度成正比，一 直到整場流量歷線達到最大值之後才漸漸趨於穩定。

換言之，覆土高度低於橋基時，沖刷行為由橋基兩側開始，而後 漸次轉移至橋基前緣。由於向下射流造成橋基前緣之局部沖刷，雖然 有不均勻面之阻擋效應，初期略有減緩沖刷之趨勢，惟因橋基阻水面 積加大，導致最終沖刷深度仍漸次加大，以達到最大沖刷深度而趨於 穩定。同時也從試驗中發現，無論何種變量流歷線，當覆土高度在不 均勻面之上時（Y 為正值），即橋基未裸露時，由於向下射流於沖刷 過程中遭遇不均勻面之阻擋，因此橋基前緣最大沖刷深度低於橋基裸

-4 0 4 8 12

x / D

-3 -2 -1 0 1 2 3

z / D

0.7 30 A 0.7 15 A 0.7 0 A 0.7 -15 A

圖 5-1 前峰型歷線於不同覆土高度下之河床縱斷面變化(D/D^*=0.7)

-4 0 4 8 12 16

x / D

-3 -2 -1 0 1 2 3

z / D

0.7 30 B 0.7 15 B 0.7 0 B 0.7 -15 B

圖 5-2 中峰型歷線於不同覆土高度下之河床縱斷面變化(D/D^*=0.7)

-4 0 4 8 12 16

x / D

-3 -2 -1 0 1 2 3

z / D

0.7 30 C 0.7 15 C 0.7 0 C 0.7 -15 C

圖 5-3 後峰型歷線於不同覆土高度下之河床縱斷面變(D/D^*=0.7) 圖 5-4 為 Y=-15mm、0mm、15mm 及 30mm 時於不同流量歷線 沖刷作用下之縱斷面變化情形。圖中發現雖然 3 種流量歷線其最大水 流強度 V/Vc皆為 0.95，不過由於到達洪峰之延時不同，使得沖刷深 度有些許差異。在覆土高度相同之條件下，整體而言，以中峰型及後 峰型流量歷線流況下之沖刷深度為最大，研判其因可能係中峰型及後 峰型歷線作用於底床質啟動水流強度之時間較長，且墊床效應未較前 峰型等明顯所致。

當橋基未裸露（覆土高度位於不均勻面之上 Y=15mm 及 30mm）

時所產生之沖刷深度較小，同時其沖刷坑與淤積堆範圍皆較小，此乃 為沖刷過程中因向下射流遭遇不均勻面而減緩水流強度，以致所造成 之沖刷深度與範圍均變小。因此可知不均勻面具有減緩沖刷深度之功 效。

-4 0 4 8 12 16

覆土高度及不同流量歷線作用下，沖刷坑之幾何形狀均相似，並未隨

比較圖 5-5 及圖 5-6 之沖刷坑深度與範圍，發現 D/D^*=0.7 時之沖 刷深度與沖刷坑範圍均高於 D/D^*=0.4，其原因可能係前者之橋墩迎水 面寬度較大，導致阻水面積所產生之向下射流強度較強。當沖刷達到 不均勻面後，由於 D/D^*=0.7 之不均勻面面積小於 D/D^*=0.4 之面積，

對於向下射流強度削減效果較低，再加上阻水面積的增加，其沖刷速 率高於 0.4 之情況，以致有較大之沖刷深度及範圍。最終造成 D/D^*=0.4 之沖刷坑為窄而淺，而 D/D^*=0.7 之沖刷坑為寬而深型式。橋墩沖刷 後之淤積堆在 D/D^*=0.7 情況下大部份較 D/D^*=0.4 之延伸距離為長，

此亦反應出 D/D^*=0.7 之沖刷坑體積大於 0.4 之情況。