1-1 前言
天然河川對河床及河岸材料有侵蝕、搬運與堆積之現象，此三種現象 皆與河川流場有關，河川流場對底床提供與流速相同方向之剪力，此剪力 若大於底床材料本身自重力與材料間之互制力時，材料將向合力方向位 移。河川之運移現象可分為縱向運移(河川中心線方向)與側向運移(垂直於 縱向與重力向)，縱向運移是材料從上游向下游移動，主要與河川縱向坡度 有關，若欲降低此向運移效果，可改變河床縱向坡度或設置消能設施；側 向運移是材料由河川一側向另一側移動，主要發生在河川彎道，彎道離心 力與流體黏性產生隨水深變化之側向速度；河岸在提供向心力時產生一水 壓力差，兩者作用下將產生一渦流，即河川二次流。就河川底床而言，將 有一向曲率中心之側向速度對底床材料進行運移，若欲降低此向運移效 果，可設置潛板系統或對岸邊築堤。
一直以來成本、效率、使用期限都是土木工程的主要考量，而在人類 利益為主要考量時，卻往往乎略了對生態環境的破壞。直到近年來長期累 積的傷害一一顯現，生態環境保護的觀念才被加以重視。站在河川生態環 境保護的觀點，於處理河川彎道所造成之凹岸侵蝕時，若以設置潛板系統 的方式加以改善，將是相當理想的作法。因其不須在河岸構築任何覆面或 大型的水工結構物，僅須在河川底床上設置潛沒式導流板(submerged vane,
圖 1-1)，即可減低河川二次流對河岸所造成的侵蝕，不但可以達到保護河 岸的效果，也可顧及生態環境與整體景觀。潛板系統效果之優劣與否，除 了潛板本身的形狀、大小、角度、數量，河川的速度與水深等因素外，另 一個重要的因素是潛板於河川中所在的位置。指出潛板若離凹岸越遠效果 越差，同時，若兩潛板距離過近則會相互影響，而無法達到原有的效果(Wang, 1991)，本文針對潛板間的交互作用現象進行研究，嘗試找出潛板系統沿一 河道徑向斷面的最佳設置位置。
1-2 文獻回顧
本節針對有關彎道理論與潛板理論之前人研究，分別作一簡要之回顧。
1-2-1 彎道理論相關論文之回顧
有關彎道的研究多在描述彎道流場、渠道床形及沈滓起動能力三個方 面的變化，在動床的情況下，此三者將會相互影響以維持平衡。Zimmermann and Kennedy (1978)於實驗室分別以不同曲率半徑、沈滓粒徑等參數，組合 成四十九組實驗，並以之分析水流及底床沈滓力平衡之關係，而求得彎曲 渠道底床徑向斜率。Odgaard (1981)以河床沈滓粒徑為主要參數，對彎曲渠 道計算其底床床形，並以實驗室及實際河川資料進行驗證，證明沈滓粒徑、
沈滓福祿數與彎曲渠道床形之關聯。Odgaard (1982)以美國 Sacramento 河之 實測資料，推算出彎道水深與深度平均後流速在徑向的關係式。Odgaard
佈。Odgaard (1986)指出彎曲渠道之床形與渠道寬深比、曲寬比、坡度及沈 滓福祿數有密切關聯，並以實驗室及現地資料驗證。Ikeda (1987)對沈滓粒 徑分佈與渠道床形之關係進行研究，並以實驗及實際資料驗證。
1-2-2 潛板理論相關論文之回顧
潛沒式導流板的理論與機翼理論甚為相關，機翼的理論分析可追朔到 1894 年，英國人 Lanchester 所提出之無限翼展機翼(infinite unitary group)升 力之環流量理論與渦旋理論。而在 1901~1910 年間，Kutta 和 Rukefusiji 分 別提出了翼型的環流量和升力理論，並建立升力理論的數學形式，建立了 二維機翼理論，而潛板理論則是將機翼理論應用於河川渠道中。Potapov (1951)最早將導流板應用於明渠中，並對設置潛板後之渠道流場加以研究。
Nicollet (1964)對潛板在穩定流場中所引發渦流之切線流速加以描述。
Odgaard (1983)以美國 Sacramento 河之潛板設置案例資料，對潛板產生之反 二次流效果進行研究。Odgaard (1984)以彎曲渠道完全發展模式，對渠道中 潛板所產生之效果，因主流方向距離增加之衰減進行研究，並以實驗室資 料驗證。Odgaard (1986)對設置角度為 及 、板高為 0.2 至 0.5 倍水深之 潛板，於直渠道中所造成之徑向流速及床形進行模擬，並以實驗資料證實。
Odgaard & Mosconi (1987)以美國 Nishnabotna 河於 1985 年夏天安裝之潛板 系統，對 1986 年春天之實測數據進行護岸能力之研究。Zijlstra (2003)以數 值模式與實驗，研究導流板對河川床形之影響。
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1-3 研究目的
在一般河川之河寬遠大於水深的特性下，單一潛板之影響範圍相當有 限。為增加其效果，通常會以數個潛板組合成潛板系統以增大其影響範圍，
並達到有效降低河川二次流之目的。影響潛板系統成效優劣的因素，除了 潛板本身的形狀、大小、角度、數量，河川的速度與水深外，另一個重要 的因素是潛板於河川中所在的位置。一般而言，為保護河川凹岸所設置之 潛板，其位置多會較靠近凹岸，以加強其效果。但若兩潛板距離過近則會 相互影響，無法達到原有之效率，當兩潛板距離為零時效果將等於單一潛 板(Wang, 1991)，本文之研究目的在發展一套理論模式以推估潛板間的交互 作用現象，並進而嘗試找出一潛板系統於一河川徑向斷面中之最佳設置位 置，使得該潛板系統能發揮最佳之保護河岸效果。
1-4 研究方法
本文以河川水流之三維動量方程式與水流及底床沈滓之連續方程式，
配合潛板理論中對尾跡渦流之速度描述方程式以推算在有潛板作用下之河 川底床之側向床形變化。並以潛板設置位置為變數，使凹岸水深達到最小 為最佳化目標，尋找最佳之潛板系統設置位置，研究流程如圖 1-2 所示。
1-5 本文結構
板系統數值模式、彎道潛板系統之最佳化流程、結果與討論以及結論與建 議等六章，以下為各章節之內容：
第一章 緒論
敘述本文的研究背景、研究目的，並回顧前人之研究，以進一步了解本研 究主題。