第四章 實驗觀測結果與討論
照片 3- 6 實驗觀測儀器架設
照片 3-5 土堤夯實 照片 3-6 實驗觀測儀器架設
4 第四章 實驗觀測結果與討論
4.1 影像處理與判別
本研究所獲取之實驗結果以影像表示，因此影像之處理方式甚為 重要，實驗中錄製之影像為1/30 秒之時間間距。利用取像時間特性，
取得顯現出試驗過程之影像資料，然而並非所有時刻影像資料都具有 代表性，必須經由影像擷取，挑選可分析影像，例如流速求得必須要 挑選有漂浮物溢過堤頂之影像，才能進一步得到流速。
影像經挑選後，須經由軟體將影像轉換為圖片，此時可依不同特 性及需求，決定每張影像時刻間隔(最小取像時間不小於 1/30 秒)，例 如流速所取影像，採用 0.2 秒一張；邊坡變化影像，取 1 秒一張。此 外由於判圖方面並無相關軟體作應用處理，因此必須將圖片擷取後經 由人工方式判讀，依照各不同觀測項目，擷取適合影像與判圖方法，
以獲得實驗結果。
驗中所得之邊坡沖刷過程，係以每秒取一張影像，以每秒鐘之變化表 示堤岸沖蝕情形。此外為考慮試驗具有不確定性，本研究將於相同堤 岸坡度，相同代表斷面固定試驗條件重複進行六次試驗，試驗完成後 將六次所得之影像結果取相同時刻做分析並進一步廻歸，繪出一組堤 岸變化過程。
本試驗考量兩組不同堤岸坡度變化，及兩處代表斷面，最後繪出 四組坡度位置之沖蝕變化過程，其結果如圖 4-1~圖 4-4 所示，經試 驗結果發現堤岸坡度變化(
0
Si
S )並不劇烈，其原因可能在於試驗不考 慮主流影響之條件下，使得試驗堤岸減少了主流岸壁沖刷及滲流影 響，因而造成坡度變化不明顯之結果。此外試驗中堤岸破壞將起始於 堤頂或者堤底處，與(powledge,1989)所提出混合型堤岸沖刷型態相 符。
實驗中邊坡變化之影像是由側方向拍攝，因此土堤變化並非直接 觀測之變化情形，應該給予修正。修正之方法，於觀測代表斷面上放 置網格板，並攝影觀測代表斷面於影像中位置，作為判圖時堤岸起始 位置之依據。
4.3 邊坡破壞沖蝕量的推估
(如圖 4-1~圖 4-4)，將廻歸曲線做積分，可得不同時刻，堤岸單寬沖 蝕量，並利用所得之沖蝕量，作為坡度變化、流量變化及能量損失對 沖蝕量影響之參考依據，相關數據如表4-1~表 4-4 所示。
4.4 能量水頭損失對沖蝕量之影響
Elliot(1988)之能量推估模式，解釋能量之消散由溯源過程進行，
說明能量損失與沖蝕量有相當之關係。因此，本試驗嘗試了解能量水 頭損失與側向溢頂沖蝕關係，利用能量公式求出不同時刻，堤岸頂、
堤岸底能量水頭差，得知能量水頭損失後，與單寬沖蝕量對應，了解 能量水頭損失之相關趨勢。能量水頭損失結果須結合時間變化之堤 頂、堤底水深、流速，以及堤岸寬沖蝕量之結果來做進一步之判別，
相關結果如下：
1. 堤頂水深
理論上於相同試驗條件下水深應為相同，經由實驗發現其堤頂水 深變化甚小如表4-4~表 4-8 所示，因此採用水深資料為各開口之平均
水深條件，相關資料如表4-9~表 4-12 所示。
3. 堤頂流速
本研究欲求堤頂流速，係以代表斷面附近流速平均代表之。因下 游開口受到迴水影響，使代表斷面於兩開口位置不同，使溢頂流速所 估算範圍將有所差異。其中開口1 代表斷面於開口中心(50cm 處)，其 平均速度之取法為代表斷面處取五公分之範圍(左右各 2.5 公分)之平 均流速如表4-13 所示。開口 2 代表斷面於開口後端(160cm 處)，其流 速擷取範圍為往上游五公分之平均流速，其相關計算資料如表 4-14 所示。
4. 堤底流速
堤底流速依不同時刻之沖蝕變化而有所改變，因此利用所測得之 相關數據，廻歸出方程式，代表不同時刻堤底流速之變化，如圖 4-5~
圖4-8 所示。
經由上述資料利用能量公式求出能量水頭損失，對照相同時刻之 單寬沖刷量，以了解能量水頭損失與沖刷百分率之趨勢關係，所求出 試驗堤岸單寬沖刷量對應之能量損失，數據結果如表4-15~表 4-18，
且由試驗發現沖刷現象必須經過一段時間才趨於穩定，因此資料採用 沖刷十秒後所得之能量水頭損失與沖刷量，由試驗結果可得知，單寬
沖刷量對應之能量水頭損失，於 1:2 邊坡代表斷面 1 位置其範圍為 6.78~10.97cm，1:2 邊坡代表斷面 2 位置其範圍為 5.21~8.16cm，1:1.5 邊坡代表斷面 1 位置其範圍為 10.87~15.25cm，1:1.5 邊坡代表斷面 2 位置其範圍為7.35~10.85cm。
能量損失累積百分率與單寬沖蝕量關係如圖 4-9。由圖表可發現 能量損失增加，其沖蝕百分比將越大之趨勢，與Elliot(1988)所提出，
能量之消散由溯源過程進行之理論相同。
4.5 坡度對沖蝕量之影響
Elliot(1988)及 Powledge(1989)研究皆提出，不同坡度情況將影響 沖蝕量多寡。因此，為瞭解側向溢頂沖刷，於坡度變化下對沖蝕量之 影響，實驗改變兩組不同堤岸坡度，在相同實驗條件下，比較堤岸坡 度改變對沖蝕量之影響，相關結果如表4-1~表 4-4。
由相關數據比較可發現，堤岸坡度改變時，沖蝕量差異並不明 顯，參考 Chinnarasri(2003)溢頂沖刷試驗研究指出，堤岸坡度變化將
顯。(2)由堤岸邊坡變化關係圖(如圖 4-10~圖 4-11)，發現較陡之邊坡 有較快變緩之趨勢，可能因此造成試驗結果不明顯。
4.6 流量對沖蝕量之影響
根據試驗考量兩開口分別考量迴水與非迴水情況，使得兩開口 流量有所差異，根據表4-1~表 4-4 沖蝕結果，在沖刷現象穩定後可看 出較大流量將使沖刷量增加，例如坡度1:2 代表斷面一與斷面二在十 秒時之沖蝕面積分別為7.65cm2與10.44cm2，坡度 1:1.5 代表斷面一 與斷面二在十秒時之沖蝕面積分別為7.05 cm2及8.82 cm2，均可看出 較大流量將使沖刷量增加之現象，此結論相同於Elliot(1988)及 Kohl (1988)所提溯源沖刷量關係式，分別如式 1-3 及式 1-4。
此外兩開口除了在流量上有差異外，溢頂角度方面因受迴水影 響使第二開口於開口下端，溢頂角度小於第一開口下端(如圖 4-10)，
溢頂速度方面則差異不大。
4.7 側向溢頂流速方向推估
側向溢頂流速方向推估，主要說明側向溢流時，溢頂水流將受到 主流影響產生速度方向，本研究將利用攝影機架設於渠道上方，並於 上游放置漂流物，觀測溢頂水流，流速與角度，其中角度為溢頂水流
方向之趨勢，試驗結果發現，四種組合皆有相同趨勢(如圖 4-12~4-13)。
由所得結果，於同一開口觀測堤頂沿程看出，開口上游端溢頂角 度大於下游端，溢頂速度小於下游端，且在實驗開口平行主流之條件 下，發現溢頂水流受主流影響下溢頂角度約在10°~35°之範圍，速度 約在15cm/s~30cm/s 之間。
由於本研究探討側向溢頂沖刷，溢頂水流速度及其方向，為側向 溢頂沖刷重要之因子，將影響沖刷後之堤岸型態(照片 4-1~照片 4-2)，
由照片所示，不同坡度條件下兩代表斷面之沖刷趨勢皆傾向往下游沖 刷，可看出側向溢頂沖刷與正向溢頂沖刷型態有所差異。
4.8 無因次關係圖
經因次分析所得無因次關係式，依據試驗所觀測之結果繪出無因 次關係圖，如圖4-14~圖 4-18 所示。由圖可看出單寬沖蝕量將隨時間 而增加、坡度越陡其能量水頭損失越大、試驗過程中能量水頭損失隨 時間減小、堤岸坡度受到水流沖刷後有越來越緩之趨勢、單寬沖蝕量
表 4-1 坡度 1:2 邊坡破壞沖蝕百分比_代表斷面 1
表 4-4 坡度 1:1.5 邊坡破壞沖蝕百分比_代表斷面 2
(sec) case2 case3 case4 case5 case6 case7 case8 case9 case10 5 0.25 0.3 0.3 0.3 0.4 0.3 0.3 0.35 0.4
(sec) case1 case2 case3 case4 case5 case7 case9 5 0.3 0.3 0.3 0.25 0.3 0.3 0.4 10 0.3 0.3 0.4 0.3 0.4 0.3 0.4
表 4-7 坡度 1：1.5 堤頂水深資料表_代表斷面 1 水深(cm)
Time
(sec) Case1 Case2 Case3 Case4 Case5 Case6 Case7 Case8 Case9 5 0.35 0.35 0.3 0.3 0.3 0.25 0.3 0.3 0.25
(sec) Case1 Case2 Case3 Case4 Case6 Case7 Case8 Case9 Case10 5 5 0.4 0.4 0.3 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3
(sec) Case1 Case2 Case3 Case4 Case5 Case6 Case7 Case8 Case10 5 0.2 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.15 0.2
表 4-10 坡度 1：2 堤底水深資料表_代表斷面 2 水深(cm)
Time
(sec) case1 Case3 Case4 Case5 Case7 Case8 case9 5 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
(sec) case1 case2 case3 case4 case6 case7 case8 case9 5 0.2 0.15 0.15 0.2 0.2 0.2 0.15 0.2
(sec) case1 case2 case3 case4 case5 case6 case7 case8 case9 case10
表 4-13 代表斷面 1 堤頂速度資料表(1/2)
表 4-13 代表斷面 1 堤頂速度資料表(2/2)
表 4-14 代表斷面 2 堤頂速度資料表(1/3)
表 4-14 代表斷面 2 堤頂速度資料表(2/3)
表 4-14 代表斷面 2 堤頂速度資料表(3/3)
表 4-15 坡度 1:2 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 1 (1/2)
表 4-15 坡度 1:2 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 1 (2/2)
廻歸式 y=0.00001x2-0.0002x-0.04 註︰y 為沖刷百分率，x 為累積能量損失
表 4-16 坡度 1:2 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 2 (1/2)
表4-16 坡度 1:2 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 2 (2/2)
廻歸式 y=0.00001x2-0.0004x+0.0132 註︰y 為沖刷百分率，x 為累積能量損失
表 4-17 坡度 1:1.5 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 1 (1/2)
表 4-17 坡度 1:1.5 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 1 (2/2)
廻歸式 y=0.000006x2-0.0004x+0.0651 註︰y 為沖刷百分率，x 為累積能量損失
表 4-18 坡度 1:1.5 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 2 (1/2)
表4-18 坡度 1:1.5 能量損失與沖蝕率數據表_代表斷面 2 (2/2)
廻歸式 y=0.000008x2+0.0018x-0.0432 註︰y 為沖刷百分率，x 為累積能量損失
1:2 section1 坡度變化圖
1:2 section2 坡度變化圖
2
1:1.5 section1 坡度變化圖
1:1.5 section2 坡度變化圖
0
1:2 section2 堤岸底流速-時間關係圖
1:2 section2 堤岸底流速-時間關係圖
y = 8.7435Ln(x) - 5.3387
1:1.5 section1 堤底時間流速關係圖
1:1.5 section2 堤底時間流速關係圖
y = 8.4902Ln(x) - 5.806
圖 4-10 坡度 1:1.5 坡度變化-時間關係圖
圖 4-11 坡度 1:2 坡度變化-時間關係圖
圖 4-13 開口位置溢頂流速圖
圖 4-14 單寬沖蝕量-單位時間無因次關係圖
圖 4-16 能量水頭損失-單位時間無因次關係圖
圖 4-17 坡度變化-單位時間無因次關係圖
圖 4-18 單寬沖蝕量-能量水頭損失無因次關係圖