試驗儀器與設備

4.1.1 高壓滲流系統與數據得知方法

本研究採用高壓滲流的方式來驅使土層產生湧泉坑。高壓滲流儀為一定水頭 試驗系統，但水頭高低可以改變。高壓滲流儀包含投水箱、試驗砂箱、自動補水 裝置、與自動化資料擷取系統。此高壓滲流儀已依實驗之需求設計完成，並已開 始進行試驗，設計圖如圖22 所示。各細項將於下列各小節中分述。試驗中的定 水頭的維持經自動補水裝置由一泵浦(最大流速為30 liter/min)抽水至投水箱，當 注水大於溢流高度時，水便從後方水管排出，以維持穩定的水頭高度。投水箱連 接著試驗桶，水流從投水箱流入試驗桶底部，先經過一個透水板，再通過土層，

試驗桶上方之溢流孔，用以維持其固定水頭高度。

滲流速度可由一定時間內量筒接應溢流出之水的體積推算而之。土層內的超 額孔隙水壓由壓力計直接量測並傳至自動化資料擷取系統已記錄其及時資訊與 變化。若假設土層底部為基準點(高度頭為零)，由以上滲流速度與壓力，我們將 可以計算土層底部所受的總水頭，並進而推算滲流產生的水力坡降。初期試驗得 知，滲流的速度水頭比起壓力水頭是可忽略的。最後，我們可以利用以上資料繪 製如圖23 滲流速度與壓力水頭與水力坡降的關係圖。

圖22 為湧泉坑試驗之定水頭高壓流儀: (a)照片; (b)示意圖

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圖23 湧泉坑形成的臨界水力條件之示意圖:(a)滲流速度遽增;(b)壓力水頭遞減

4.1.2 砂箱模型

砂箱模型係由外壁厚0.5公分之不銹鋼組合而成，其尺寸大小為長40公分、

寬20公分以及高為38公分，其中砂箱底部挖設直徑1.1公分的小孔，做為水體進 入的通道，其高度11公分處安裝著壓力計，以方便量測其土層下方之壓力，並於 高29公分處設計溢流孔，讓水流能溢流出，以控制水面高度，如圖24(a)所示，

設計圖如圖24(b)所示。

由於此不銹鋼方桶為中空的，只於周遭有2公分之不銹鋼之突出，為防土體 掉落，本研究設計一進水孔板如圖25，其規格為長36公分、寬為16公分，中間孔 洞直徑為0.8公分，並放置高度11公分處，以撐住上方土體之重量，並於進水孔 板上方放置一濾網如圖26，以防止土壤通過進水孔板之孔洞，而掉落至下方。進 水孔下方可視情況放置透水石，以達到整流之效用，減少紊流的產生。

圖 24 砂箱模型: (a)照片; (b)設計圖

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圖24 砂箱模型: (c) 上層物件俯視圖

圖 25 進水孔板圖 圖26 濾網

4.1.3頭水箱組

本研究為方便調整水頭差，以模擬各種不同的水力坡降所造成不同土層厚度 的湧泉坑形貌改變，特別訂製一個高2.5公尺的架子，間距為15公分，如圖27所 示，並設計一個能自由調整溢流高度，上下幅度為15公分的水箱模型，其能滿足 架子間距15公分的變化，水箱模型如圖28所示。

圖 27 放置頭水箱之架子圖 圖 28 水箱模型

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4.1.4 自動化資料擷取系統

本研究利用美商國家儀器公司(National Instruments)的NI 9201 擷取模組以 及NI Labview 軟體以擷取壓力計回傳的資料。所使用之壓力計(OEM E10)的回傳 時間小於1ms，即NI Labview 頻率設定須大於壓力計回傳時間，以便抓得到壓力 計回傳的資料，否則會產生在資料讀取上訊號雜訊的問題。

本研究NI Labview軟體設定其採樣頻率為一秒250,000Hz、每125,000Hz 讀 入一筆資料，即每0.5秒輸出一筆資料，壓力計如圖29，NI擷取模組及NILabview 軟體由圖30所示。圖31顯示在靜水壓力18.8 公分時，NILabview 讀取資料的結 果，可以看出其讀取準確之精準性。

圖29 OEM E10 規格及示意圖

圖30 (a) NI 9201 擷取模組與; (b)NI Labview 軟體介面

圖 31 靜水壓力 18.8 公分時，NI 資料擷取器讀取結果

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