蜿蜒複式河槽溢岸流動床模擬

此節針對蜿蜒複式河槽之溢岸流進行動床模擬。溢岸流指颱洪期間，

流 量 增 加 超 過 滿 槽 流 量 後 水 流 漫 淹 至 洪 水 平 原 之 流 量 ， 稱 為 溢 岸 流

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(overbank flow)，可由相對水深(洪水平原水深與主深槽水深知比值)來分辨 溢岸流之流量大小。本研究先探討各斷面定床水理的橫向水面線及二維水 深平均流場分佈。動床模擬包含 3 組不同流量的案例，分別討論 CASE III-1 不同時段動床模擬結果，不同流量上游無來砂動床模擬結果，及三個 CASE 不同入砂條件動床模擬結果。

1. 定床水理

圖 4.19 為 CASE III 各斷面定床下之橫向水面線圖，縱軸為水位高，橫 軸為渠道橫向座標，以右岸為起始，兩條虛線之間為主深槽的範圍。由圖 中可以看出橫向水面線受主深槽蜿蜒的影響，主深槽與兩岸洪水平原之水 面線非水平直線。各斷面之橫向水面線可以分為兩類，第一類為彎道段 S1、

S2、S6 及 S7，第二類為直線段 S3、S4 及 S5。本案例渠道斷面深槽凹岸相 鄰之洪水平原均較窄，雖然流量小於對岸洪水平原流量，但水位受深槽水 位凹岸超高影響，明顯高於凸岸相鄰之洪水平原水位。

圖 4.20 至圖 4.22 分別為三種流量水深平均流速平面流場。圖中的箭頭 代表流速的方向及相對大小，可以看出 CASE I 在主深槽及兩岸洪水平原交 界面之流速方向不同，上游段凸岸處水流方向為洪水平原流向主深槽，愈 往下游則是由主深槽流向洪水平原。流速方面，兩岸洪水平原流速普遍較 主深槽來的低，最大流速從上游主深槽凸岸處沿主深槽移動至下游另一個

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彎道的主深槽凸岸處。而最低流速位於凹岸洪水平原的模擬範圍邊界處，

由流場分佈圖也可看出橫斷面之最大水深平均流速接近凸岸，並向凹岸方 向遞減。以上所述特徵在三個不同流量中以 CASE I 的表現最明顯，CASE III 的流場分布較平均，主深槽及洪水平原的流速及方向特色相近。上述結果 與李(2007)所進行之實驗案例與二維模擬結果趨勢相符。顯示蜿蜒複式河槽 溢岸流的模擬結果符合水深平均的水理現象。

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2. 動床模擬

圖 4.23 為 CASE I 各斷面不同入砂條件動床模擬結果。在主深槽及兩岸 洪水平原的交界面不為平滑曲線，有些為震盪產生，此現象應為主深槽及 兩岸洪水平原的交界處地形變化劇烈，若此處格網密度增加，應會使模擬 結果為平滑曲線。由圖中可以看出入砂量最少的 CASE I-1 模擬結果主深槽 最深，寬度也最寬，但彼此之間差距很微小，CASE I-3 則是底床較高，寬 度也較窄。若不考慮震盪產生的奇異點，三組模擬結果的底床最低點皆大 於初始底床深槽最低點，顯示流量較小時水流帶不走的泥砂會先淤積在較 深的主深槽。不同入砂條件的模擬結果地形變化相似，僅最低點位置在 S1 時位於左岸與主深槽相鄰的凸岸處，於 S4 時最低點移動到渠道中央，至 S7 時位於右岸與主深槽相鄰的凸岸處，此結果與最大流速分布位置大致符 合。

圖 4.24 為 CASE II 各斷面不同入砂條件動床模擬結果，可以看出不同 入砂底床條件最低點的結果彼此相近也與初始深槽高程相近，最低點位置 則在 S1 的左岸凸岸處移動到 S7 的右岸凸岸處，但此現象沒有 CASE I 明顯。

底床沖刷的寬度為 CASE II-1 最寬，最窄的為入砂量最多的 CASE II-3，表 示大於水流挾砂能力的泥砂在相同流量下，泥砂不只淤積在初始底床較低 的主深槽，也會淤積在流速較小的兩岸洪水平原。

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圖 4.25 為 CASE III 各斷面不同入砂條件動床模擬結果。CASE III 案例 模擬結果的底床最低點都位在渠道中央 0.75m 處。CASE III 的不同入砂量 之間差異較大使得底床結果差異較為明顯。CASE III-3 在主深槽及兩岸洪水 平原都呈現淤積的現象，整體底床向上抬升，底床最低點高於初始的主深 槽，但新底床的主深槽與洪水平原之間有一定的高程差。

圖 4.26 為流量最大的 CASE III-1 各斷面不同時段模擬結果，本案例將 模擬時間增加為 30hr。在 t=8hr 與 t=15hr 的前兩個時刻，兩岸洪水平原都 被沖刷，底床斷面最低點的深度比初始底床高，顯示洪水平原被沖刷的泥 砂淤積在原本地勢較低的主深槽，這兩個時刻的斷面形狀及底床高程都很 相似。在 t=23hr 與 t=30hr 的後半時刻，水流繼續刷深，新的主深槽最低點 位於斷面右岸起算約 0.6m 處，在 t=23hr 之後底床高程已低於初始底床。而 左岸有明顯淤積至約 0.2m 高，使後半時刻斷面深度較深但寬度較窄。整體 結果顯示此案例在模擬時段內的造成底床地形的主要控制因子為水理條件，

因此模擬之斷面形狀與初始底床之蜿蜒深槽較無關係。

圖 4.27 為上游無來砂下各斷面模擬結果，可以看出相同的模擬時間，

流量最大的 CASE III 斷面寬度及深度都最大，其餘的兩個案例流量相差較 小底床地形模擬結果也較相似，斷面最低點都沒有低於初始底床。其中，

斷面最低點在 S1 時位於左岸與主深槽相鄰的凸岸處，於 S4 時最低點移動 到渠道中央，至 S7 時位於右岸與主深槽相鄰的凸岸處，此結果與最大流速

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分布位置大致符合。比較三個案例可發現最低點位置移動的特性在 CASE I 比 CASE III 明顯，可推測在流量較低時渠流流況受蜿蜒主深槽影響較大，

高流量的案例相對水深較高，模擬之底床地形與初始的蜿蜒主深槽關係不 大。

以上三個溢岸流案例的結果可以看出在模擬時段內，底床受水流影響 大，模擬結果改變初始斷面的形狀，形成較寬的新主深槽。較大的流量改 變底床較多；在模擬前期或是流量較小的情況下，大於水流挾砂能力的泥 砂會淤積在主深槽，隨著時間的增加才會慢慢刷深。相同流量下若是上游 來砂較大時，形成的新斷面較窄，最高點與最低點高程差距較大，底床高 程普遍較高。

蜿蜒複式河槽有因主深槽與洪水平原水流方向不同產生的橫向剪應力 及深槽蜿蜒產生的離心力，洪水平原的水流方向會隨著河道邊界的類型而 改變(Wormleaton et al., 2004)。本研究模擬之蜿蜒複式河槽為圖 1.1 中邊界 順直、洪水平原寬廣的類型(A)為對象，其洪水平原之水流則會沿著河道邊 界流動，形成矩形明渠流之水流特性。在相對水深為 0.5 之大流量案例，模 擬結果的底床最低點都位在渠道中央 0.75m 處，主要流路形成順直之主深 槽，顯示水流受蜿蜒深槽影響低。由各斷面深槽最低點位置的移動推論，

當流量增加、相對水深愈大，洪水平原的流量隨之增加，深槽蜿蜒產生的 離心力相對減弱，水流受蜿蜒深槽影響愈低，水流流速、方向等特性較接

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近接近河道順直邊界之矩形明渠流。