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1-1 前言

天然河川因地勢高低起伏變化,使得河川中產生許多曲折蜿蜒的彎 道,在河川彎道中由於水面超高之靜水壓差與離心力交互影響造成上下 水體之間的速度差而產生渦流,稱之為彎道二次流(secondary flow),如圖 1-1 所示,彎道二次流會導致河川在彎道的河岸凹岸受到侵蝕與凸岸遭到 淤積。台灣的地形多高山且坡度大,促使台灣河川普遍都短促流急,受 到彎道二次流的影響更為劇烈,此二次流對河岸的穩定構成相當的威 脅,因此常須構築許多保護河岸的水工構造物,但大型之水工構造物常 易造成生態環境上的破壞,其功能亦大多是採用抵抗彎道二次流能量的 做法,經年累月之下水流能量對水工構造物長期累積的破壞將接連浮 現,造成水工構造物的基礎損壞進而產生其他問題。

潛沒式導流板系統(submerged vane system)為國外常見的河川護岸工 法,其原理係導引水流於下游流場產生尾跡渦流(wake vortex),如圖 1-2 所示,藉由此一尾跡渦流改變底床之剪應力分布,進而帶動底床泥砂產 生橫向運移發揮調整床形的功效,潛沒式導流板已廣泛地使用在河川的 治理上,例如:排水口與取水口之泥砂排除,可避免泥砂淤積造成取排 水之效率降低;在河川彎道處會因該地的地形、地質而造成底床凹岸之 淘刷與凸岸淤積,利用尾跡渦流抵消彎道二次流可改善其淘刷與淤積之

情形,達到保護河岸的作用;亦可用於河道通水斷面突擴與束縮處,藉 由尾跡渦流造成局部的淤積與淘刷使通水斷面均勻達到河道疏浚之目 的。由於潛板並非採用與彎道二次流抵抗的方式,而是利用水流的能量 產生尾跡渦流達到抵消彎道二次流的效果,因此較不易產生損壞,讓工 程的生命週期大幅提升,設置潛板不需耗費大量的工程經費,亦可選用 可回收之材質,且潛板設置於水面下並不會破壞自然環境景觀,以致效 率化、經濟化,甚至達到生態化之效益,實為值得發展的工法。

潛沒式導流板系統應用其尾跡渦流於下流底床產生徑向的剪應力分 布,帶動底床泥砂徑向運移,進而改變底床床形達到河川治理的效果。

潛板的導流輸砂功能與下游的底床剪應力分布有直接的關聯,本文的研 究目的在探討各種不同的水理條件、潛板尺寸、設置角度等情況下,潛 板於下游底床所產生的徑向剪應力分布,以深入瞭解潛板的運作機制及 原理。

1-2 文獻回顧

潛板理論與機翼理論甚為相關,Lanchester (1894) 提出無限翼展機翼 升力之環流量理論與渦旋理論,Kutta (1902) 和 Joukowski (1906) 在未參 考 Lanchester 的研究下,分別提出翼型之環流量理論和升力理論,建立 升力理論的數學形式,並運用定量公式模擬機翼之渦流以建立二維機翼

理論;張(1999)運用軟體以有限體積法分析模擬包含機翼及下游尾跡渦流 之流場探討尾跡渦流衰減情形,研究結果顯示尾跡渦流的強烈擴散作用 在近機翼後緣最強其衰減的程度較大。潛板理論則是將機翼理論應用於 明渠水流中,關於潛板的研究,以美國愛荷華大華水力研究所(Iowa Institnte of Hydraulic Research, IIHR) Kennedy & Odgaard 等人近二十年來 所進行的一系列理論推導、數值模擬與實驗分析最為深入,也因此潛板 又有「Iowa Vane」之稱。Odgaard (1983) 在美國 Sacramento 河設置潛板,

針對潛板產生尾跡渦流抵消二次流之效果進行研究;Odgaard (1984) 於彎 曲渠道完全發展模式下,對渠道中潛板所產生之尾跡渦流因主流方向距 離增加而強度衰減進行討探;Odgaard & Spoljaric (1986) 於直渠道中設置 角度 10°及 15°、板高為 0.2 至 0.5 倍水深之潛板,對潛板造成的徑向流 速及床形進行理論推導,並以實驗資料加以驗證;Odgaard & Mosconi (1987) 在 1985 夏天於美國 Nishnabotna 河安裝潛板系統,至 1986 春天 量測其數據,分析潛板的護岸能力;Wang (1991) 以彎道理論推導潛板尾 跡渦流影響下游的徑向底床剖面,並計算出尾跡渦流所產生之底床徑向 剪應力;Wang (1996) 於河川入水口處設置潛板,使底床剪應力重新分 布,以潛板改變床形降低入水口處底床高程之方式,避免淤泥阻塞入水 口引發抽水系統的故障;Marelius & Sinha (1998) 於渠道設置 25°、36°、

40°、45°和 57°較大角度之潛板進行試驗觀察並探討其影響,研究結果顯

示當攻角為 40°時,所產生之動量矩最大,其產生之尾跡渦流強度相對也 最大,因此將 40°視為較大設置角度之最佳角度;劉、黃與邱(1999)以 水槽試驗觀察潛板對底床局部沖刷之效果,結果指出設置角度較大之潛 板對底床刷深量也較大;李與葉(2002)以板高 0.2 至 0.5 倍水深、高長 比為 0.3 至 0.5、設置角度 15°至 25°之潛板探討其效能的變化,並評估潛 板系統設置於基隆河水尾灣之可行性;Zijlstra (2003) 以動床水槽設置角 度由 10°至 40°、板高由 0.2 至 0.6 倍水深之潛板,觀察尾跡渦流對潛板 下游底床變化之效果,並運用軟體模擬底床變化的情況;Tan (2005) 以 渠道模型試驗探討潛板周圍之流況與底床泥砂運移行為,研究結果顯示 當潛板攻角為 30°和平均水深為潛板高度之 2 到 3 倍時,底床泥砂運移行 為最佳;盧與歐陽(2006)以理論分析探討垂直岸壁對潛板導砂效能所造成 的影響,研究結果顯示當潛板置於距岸壁約 1.8 倍水深以內的距離時,岸 壁將造成潛板效能提升,此岸壁效應隨著潛板設置距離增大而急速下 降,當設置距離超過 1.8 倍水深後,潛板的效能反而下降;盧(2006)以定 量流下之動量方程式與水流、沈滓之連續方程式求得河川二次流產生之 底床徑向剪應力,並以潛板理論推算潛板系統對河川底床造成之徑向剪 應力,將兩者疊加後計算底床坡度進而求得底床床形,並以此模式對潛 板系統設置位置進行最佳化分析,研究結果顯示潛板系統最佳設置位置 與河川之曲寬比及寬深比有相當密切之關係;羅(2006)以小板法計算潛板

後方尾跡渦流於底床之徑向剪應力,並探討在不同水流及沈滓參數下,

潛板形狀變化所造成的底床抬升量之改變情形,以找出最佳的潛板尺寸 與形狀,研究結果顯示潛板最佳高度約為 0.58 至 0.7 倍之水深,且與設 置角度及沈滓福祿數的關係不大,潛板長度則無一定的最佳值,長度越 大則導流效果越好,但單位面積的導流效率則變低,潛板形狀在固定面 積的情況下,板高固定與板長改變的板頂束縮及板頂前傾兩種形狀之改 變可增加潛板效能,在決定潛板形狀時,可參照二者的變化加以評估;

鄧(2007)以定床數值方法對假設潛板相關之參數進行模擬,並探討動床與 定床之間流速的差異性,定床模擬並未考慮輸砂現象,因此模擬結果發 現兩者間有相當之差距,但流速分布趨勢相似;林(2007)以小板法模擬不 同板形之潛板特性進行分析,計算潛板後方的河川底床徑向剪應力分 布,並探討矩形板、前傾板及板頂束縮板三種板形所組成之潛板系統最 佳化設置位置。

1-3 研究目的

本研究之目的在應用三維聲波都卜勒測速儀對各種尺寸之潛板所產 生的流場進行量測,結合前人的研究結果,將徑向流速轉換為徑向剪應 力,嘗試找出潛板在各種尺寸下於底床所產生之徑向剪應力的分布情 形,研究的結果可對潛板尺寸變化與泥砂運移機制之間的關係有更深入

的瞭解。

1-4 研究方法

本研究首先針對影響底床徑向剪應力之各種變數進行因次分析,並 依據因次分析所得之參數組合,設定水槽試驗之水理條件及潛板尺寸。

流場的量測則以聲波都卜勒測速儀進行,分別量測潛板下游各斷面的三 維流速分布,配合前人研究成果,將流速轉換計算得到潛板下游處之剪 應力分布情形。文中並探討最大徑向剪應力於縱斷面之衰竭情形和橫斷 面之分布情形,以統計軟體 SPSS 進行多變量迴歸找出縱斷面最大徑向剪 應力和橫斷面徑向剪應力分布之迴歸式。

1-5 論文架構與研究流程

第一章 緒論:

說明本研究之背景,回顧前人相關研究之文獻,概述本文研究目的及 研究方法。

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