環形水槽試驗

Attal &lave(2006)為了解土、砂在河中輸送的底床磨蝕行為，利 用一組環形水槽的循環水流，並在對角位置分別裝四個強力噴嘴，使 試驗條件達到模擬湍急河流中的沖蝕行為，並且加入不同的粒徑 (5~80mm)的礫石進行實驗，以探討環型水槽試驗的流速分佈。Attal

&lave 水槽實驗所使用的高速攝影機可以記錄跳動的礫石在水槽中 的路徑變化，試驗結果證明與其他長條型的水槽試驗中顆粒跳動運輸 的情形相似，因此，他們認為環形水槽可於水槽內製造強力水流使礫 石顆粒彈跳，比長條形水槽更適合用於模擬湍急水流中的運輸行為。

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圖 2-30 環型水槽試驗儀器配置圖(a 為俯視圖，b 為側視圖) 如圖2-30，環型試驗水槽為不銹鋼製，外徑 1.5m，寬 0.3m，深 度0.6m，於水槽外接一高壓幫浦、流量計與水流整流器，環型水槽 外高內低，中央為溢流槽將溢流水集中導入高壓幫浦，環型水槽底板 安裝一抗侵蝕的底板，目前由顆粒跳動觀察與計算來預估底床剪應 力，作者也建議若替換為易沖蝕的岩石板可直接由岩石底板量測出岩 石沖蝕率。試驗流速範圍為0~4m/s，試驗加入的模擬彈跳顆粒為 100mm 以下粒徑之粒料。Attal &lave(2006)也提到環型水槽平均流速 須由式(2-18)修正計算求得。

2

m

dZ U w

 gr

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dZ 為窩流產生內外側的高差，U 為環型水槽橫斷面之平均流速，w 為水槽寬，g 為重力加速度，rm 為平均曲率半徑。

圖 2-31 為環型試驗水槽流速分布圖

圖2-31 為環型水槽縱剖面之流速分布，圖(2-31a)因為水槽為環型，

水流繞水槽中心流動，離心力使內外側產生窩流dZ 高低差，加入粒 徑5mm 實驗粒料會附在底板上(pieces of tires)對於流速影響較小，視 為低粗糙度。圖(2-31b)因水流必須帶動粗顆粒能量耗損，流速分佈依 照水槽外徑增加，dZ 也相對較小，為高粗糙度。

試驗中底床剪應力與加入實驗粒料粒徑有極大的影響，而由實驗 中計算求得的平均流速與原噴射水流流速可由斜率得知底床摩擦係 數Darcy-Weissbach friction factor (fb)，進一步計算出底床平均剪應力

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如圖2-32。

圖2-32 平均流速與噴嘴流速關係圖(六組不同粒徑實驗)。

利用試驗已知條件實驗粒料的粒徑與重量、噴嘴入射流速與平均 流速，帶入平衡方程式計算式(2-19)，可得知底床摩擦係數(fb)與底床 剪應力(τb)。

2 2

i i inj o i iw i o iw i o

2 b

QU r - QU r = - h 2 r - (h +h +dZ)2 r - 2 r dr

     

  

(2-19)

式中



U

入射流速；r 為區率半徑；

r



力；

h

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底部。

顆粒的彈跳可由高速攝影機拍攝加以記錄，圖2-33 中以水流平 均流速2.6m/s 進行試驗，每種圖型符號為不同單體顆粒，試驗條件 為重量17kg 粒徑為 60~80mm 之礫石，平均流速為 2.6m/s。顆粒彈跳 特性通常為彈起角度30 度~42 度，落下角度為 10 度~22 度，與一般 模擬岩床顆粒彈跳分析的彈跳行為十分相近。

圖2-33 高速攝影機拍攝顆力彈跳軌跡

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2.4 實驗量測與數據擷取