複式河槽

蜿蜒複式斷面水流研究大多於試驗室水槽進行，至今除英國 SERC (Science and Engineering Research Council)之水槽模型為中尺度外，其他模 型皆為小尺度，SERC 試驗分為三階段：A 階段試驗著重於直線及斜向 (Skewed)定床複式斷面；B 階段試驗為平面蜿蜒的定床形態；C 階段則為直 線和平面蜿蜒的動床試驗。

Smith (1978)發現於高流量時較直線複式渠流有較高之水位，據此推論 蜿蜒複式渠道產生額外阻力。Mckeogh & Kiely (1989)研究直線及蜿蜒複式

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斷面水流特性，發現蜿蜒複式斷面水流紊流強度(turbulence intensity)較直線 複式斷面水流大；最大紊流強度發生於連接槽(crossing reach)起訖點斷面之 主深槽內側；蜿蜒複式斷面之洪水平原可傳輸較多的水流。

Lorena (1992)比較蜿蜒渠道及直線複式渠道溢岸流(overbank flow)之橫 向流速和縱向流速之比值，認為渠道之幾何型態會影響二次流的強度。

Toebes & Sooky (1967)、Shiono & Muto (1993)、Willetts & Hardwick (1993) 等發現蜿蜒複式斷面渠流於溢岸和未溢岸(inbank)時，彎道頂(apex)點處之 二次流發生機制不同，前者由剪力造成，後者則由離心力所導致而成。

Sellin et al. (1993)發現水流從洪水平原流入主深槽時，其水流將ㄧ分為 二，如圖 1-1 所示；其中溢漫於主深槽上方之水流稱為溢漫流(overtopping flow)，捲入主深槽下方之水流稱為捲入流(plunging flow)，且從主深槽處亦 有強大脫離流(vigorous expulsion flow)脫離至洪水平原上。Ervine et al. (1993) 認為影響蜿蜒複式斷面渠流能量損失因素有：(1)底床阻力；(2)底床形狀；

(3)河道平面形狀；(4)螺旋流(水流之螺旋運動)(spiral motion flow)；(5)橫向 剪應力；(6)蜿蜒度；(7)洪水平原植披等。

Willetts & Hardwick (1993)發現水流阻力，隨主深槽蜿蜒度增加而增大；

主深槽與洪水平原交界面處之相互作用所產生阻力，與主深槽之幾何條件 有關。Shiono et al. (1994)研究蜿蜒洪水平原邊壁型態對於水流結構的影響，

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指出二次流發展於溢岸時，其旋轉方向與蜿蜒單槽之方向相同，由以上結 果可知洪水平原邊壁之相位，對二次流之水流結構有所影響。Shiono & Muto (1998)等量測蜿蜒複式渠流流速，發現在主深槽滿岸水深下方之主流，沿著 主深槽而流動；在主深槽滿岸水深上方之主流，則平行於洪水平原邊壁之 方向而流動。並由可視化之觀測，發現主深槽於低流量時，表面水流之路 徑隨著主深槽而流動；而主深槽於高流量時，其表面水流之流動路徑則平 行於洪水平原之邊壁。Wormleaton et al. (2004)探討定岸洪水平原不同流量 下水流結構及主深槽的底床變化情形，實驗使用的三種類型蜿蜒複式河槽 如圖 1.1 所示。發現在溢岸流的情況下決定流速分佈及底床型態的兩個主要 因素為(1)主深槽與洪水平原在直線段區因水流方向不同產生的橫向剪應力；

(2)深槽蜿蜒產生的離心力。此兩個力為相反方向，會互相抵消。而圖 1.1 中(C)種類的蜿蜒複式河槽因主深槽與洪水平原水流方向相同，直線段區的 橫向剪應力減弱，深槽蜿蜒的離心力的作用相對增加。

李(2006)與姜(2008)分別施行光滑及粗糙洪水平原之水工模型試驗，並 藉此探討蜿蜒複式渠流之主流流速剖面、主流等流速線及二次流之變化；

並藉由可視化之觀測以瞭解表面水流之變化。賀(2009)研究粗糙洪水平原蜿 蜒複式渠流流速分佈並與光滑洪水平原條件之試驗結果比較，其結果表示 出洪水平原糙率提升僅影響低相對水深(洪水平原水深/主深槽水深)洪水平 原流速分佈。對於主深槽以及高相對水深洪水平原之流速分佈，洪水平原

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糙率提升不具影響力。

近年來也有許多學者利用實驗成果發展數值模擬。李(2007)以水工模型 試驗及二維水深平均模式分析深槽蜿蜒之複式斷面直渠的水理特性，由量 測結果之分析可看出橫向底床水平的蜿蜒深槽，最大流速係在彎道處接近 凸岸，在直線段則約在中間。Zhao (2007)將非靜力三維模式應用於實驗室 蜿蜒複式河槽，模擬結果之流場圖與實驗結果相符，並展示二次流及底部 剪應力的分佈。Ghani (2010)使用三維模式 FLUENT 模擬蜿蜒複式河槽，比 較標準 k-ε、RNG k-ε和 RNG k-ω紊流模式，模擬結果顯示標準 k-ε模式 能模擬完整溢岸流的流場結構。

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圖 1.1 三種類型蜿蜒複式河槽示意圖(Wormleaton, 2004)

(A)

(B)

(C)

LF Floodplain Edge

RF Floodplain Edge

LF Floodplain Edge

RF Floodplain Edge

LF Floodplain Edge

RF Floodplain Edge

Downstream

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圖 1.2 蜿蜒複式渠流水流結構圖(Sellin et al., 1993)

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