11 岸壁鋪設完成

4.

第四章 試驗結果與討論

壤分類系統(USCS)分類屬於級配不良(poorly graded)之均勻砂(SP)。

(2) 直接剪力試驗(岸壁土壤)

結果之趨勢相近，故以案例A 之試驗結果說明。

其可能原因為試驗時過於倉促導致夯實強度不夠，另外崩塌後試驗段中間為凹

愈多之情形，在崩塌後量測更可明顯得知有凸起土體，較明顯之結果為圖 4.19 之距上游 150cm 處，原因可能為岸壁凝聚性土壤以塊狀或團狀沖刷至河道，雖 崩落之土壤會被水流帶走一部分高嶺土，但掉落土體仍為塊狀或團狀凝聚性土 壤，因沖刷不易而底床愈堆積愈高。另外在圖中可發現案例 B、C、F、G 明顯看 出距上游愈遠，底床堆積愈高，堆積原因一部分為前述，另一部分可能為試驗段 下游位置設置定床段之關係，崩塌後靠近河道之土體被水流帶走，留下之岸壁土 壤繼續沖刷卻被下游定床段岸壁卡住而不易沖刷(如圖 4.24 所示，圖中下方為上 游處，上方藍色部分為下游定床段岸壁)。

表4.1 試驗土壤基本性質

表4.3 距上游 0.75m 之量測結果

表4.5 距上游 1.25m 之量測結果

表4.7 距上游 1.75m 之量測結果

表4.9 距上游 2.25m 之量測結果

資料來源:許家偉(2012)

圖4.1 矽砂之粒徑分佈曲線 粒徑(mm)

0.01 0.1 1 10

累積通過百分比(%)

0 20 40 60 80 100

 

後往前拍攝 前往後拍攝

0s

60s

150s

200s

圖4.3 案例 A 岸壁破壞過程

250s

300s

350s

圖4.3(續)案例 A 岸壁破壞過程

崩塌前 349s

   

崩塌後 351s

圖4.4 案例 A 之距上游 125cm 處-崩塌圖

圖4.6 案例 A 之試驗結果圖

圖4.7 案例 B 之試驗結果圖

圖4.8 案例 C 之試驗結果圖

圖4.9 案例 D 之試驗結果圖

圖4.10 案例 E 之試驗結果圖

圖4.11 案例 F 之試驗結果圖

圖4.12 案例 G 之試驗結果圖

圖4.13 案例 A、C、E 之上游流速與崩塌時間關係圖

圖4.14 案例 F、G 之上游流速與崩塌時間關係圖

圖4.16 案例 F、G 之上游流速與退縮距離關係圖

圖4.17 案例 A 之底床量測圖

圖4.18 案例 B 之底床量測圖

圖4.19 案例 C 之底床量測圖

圖4.20 案例 D 之底床量測圖

圖4.21 案例 E 之底床量測圖

圖4.22 案例 F 之底床量測圖

圖4.23 案例 G 之底床量測圖

圖4.24 試驗結束後退水圖

5.

第五章 數值模式比對分析

本研究採用謝(2003)所發展的二維水深平均 RESED2D 水理動床模式，並加 入Arulanandan et al.(1980)之凝聚性岸壁沖刷經驗式及懸臂型岸壁之安全係數公 式姜(2011)，以模擬河岸沖刷對河岸穩定之問題。模式首先計算岸壁處之剪應力

本研究採用謝(2003)所發展的二維水深平均 RESED2D 水理動床模式。關於 本模式水理動床方程式、輔助方程式及數值方法於附錄A、B 表示。關於輔助方

deg 0.0223 exp( 0.13 )_{c c}

20

由於模式在未發生崩塌前就停止運算，為了使模擬結果能運算至崩塌時刻，

於新格點位置，使之產生誤差。此測試案例原因為採用不規則之佈點方式，邊界 條件之格點都為最外側，讓格網交錯較慢發生，基腳上格網點因剪應大橫向沖刷 快速。另可表示沖刷深度約要在此深度位置才會崩塌。跟試驗案例比較，此位置 之試驗案例崩塌時間為 367s 及此試驗案例各斷面之平均崩塌時間約為 300s，兩 者都顯示模擬結果較快崩塌。在模擬之退縮距離上，約為 10cm，此位置之試驗 案例退縮距離為7cm 及此試驗案例各斷面退縮距離約為 7cm~11cm。該現象可能 為在試驗時，基腳處發生淤積，而使崩塌時間較慢，但此模擬案例為如前所述利 用格網點佈置，實用上可能不易有通用性，由圖中可得知，因為佈點位置之安排，

讓岸壁沖刷只發生在基腳及接近水面之位置，所以結果僅供參考。

由 5.3~5.5 節所示，目前本模式還未能妥善對於懸臂型破壞進行模擬，一旦 發生格網交錯情形，模式即不能繼續演算，雖嘗試採用不規則佈點方式(如 5.5 節(2)所示)，可以模擬出懸臂型破壞，但僅適用於特異之格網佈點情況。

圖5.1 數值模擬之岸壁斷面形狀

圖5.2 案例 C 距上游 1.5m 斷面模擬

圖5.3 案例 C 距上游 1.5m 斷面之臨界剪應力比較

  75

B 50 L  cm

20 h cm

 

47 H  cm 75 56cm

  

B 50 L  cm

圖5.4 案例 C 距上游 1.5m 斷面之格網數量比較

圖5.5 案例 C 距上游 1.5m 斷面之不規則佈點

第六章 結論與建議

6.2 建議

(1) 由試驗結果及量測資料得知，在探討岸壁沖刷上，橫向沖刷位置較為重要，

可增加儀器量測橫向沖刷之深度，對崩塌時間及退縮位置能更加以探討。

(2) 由於材料採用矽砂與高嶺土混和，以模擬凝聚性土壤，但在水流沖刷時觀察，

明顯有白色懸浮物隨水流移動。表示此混和材料，接觸至水流時，兩種材料 可能就會分離，導致高嶺土被水流帶走，矽砂堆積至底床，建議可採用其他 試驗材料解決此問題。

參考文獻

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附錄 A 模式理論基礎

2

底床剪應力採用Rastogi and Rodi (1978)之經驗式

1

22 2 2

以上式子中，



_s  泥砂密度；



 粒徑百分比；p 孔隙率；E_m  作用層厚度；

亂流傳輸係數採用Elder(1959)之經驗公式表示

1 5.93u d 0.232 u d

式中，hk=隱藏因子(hiding factor) (Karim 等 1987)

3.2 4.5log 1.2 3.1 1.2

( )

k k

k lk k e fk d

S  w  C w C (A.20)

4. 作用層源S _f

作用層源之產生乃肇因於母層(active stratum)頂面之升降，當其下降時，

(1 ) [( ) ( )]

沖刷現象發生時，根據Bennet and Nordin (1977)之研究，可以下式表示:

( ⁿ 1 ⁿ)

m em b b

E  C z ^ z (A.22)

式中C 為一數值參數，模式暫取為 20。 _em

當河床表面接近護甲條件時，作用層厚度接近零，在這種情況下，可用 Borah 等(1982)所提出護甲層之厚度，予以修正:

1 1

之概念，邊界條件設定為   。C  0



及z 之入流邊界條件則以已知值設定，由_b 於下游邊界坡度通常較為平緩，邊界條件可以設為   與

 

0    ，在固z_b



0 體邊界部分同樣設定為   與

 

0    。 z_b



0

附錄 B 模式數值方法

1 2 2

1 1 混合型上風法(hybrid scheme)(Spalding 1972)外，其餘的空間差分採用二階精度之 中央差分法，時間差分則使用簡單的前項差分法。浸沒邊界求解步驟中之虛擬力

混合型上風法應用於本研究移流項的處理可表示為

1 2

在正交曲線座標上，其方向軌跡為：

(2) 數值解析法 (B.28)至(B.30)為一非線性代數式，可加以線性化後，利用 Newton-Raphson 法疊代

求解：

(a)

資料來源：Spasojevic 1988

圖B.2 質點運移軌跡示意圖

資料來源：Spasojevic 1988

圖B.3 質點運移軌跡在計算平面之示意圖

在文檔中 沖刷對河岸穩定之影響分析 (頁 39-92)