使用小型沖蝕試驗探討 濁水對軟弱岩石磨蝕率的影響

國

立

交

通

大

學

土木工程學系

碩

士

論

文

使用小型沖蝕試驗探討

濁水對軟弱岩石磨蝕率的影響

Effect of sediment concentration on the abrasion rate of

weak rocks by mini jet tests

研 究 生：林柏諭

指導教授：廖志中 博士

使用小型沖蝕試驗探討濁水對軟弱岩石磨蝕率的影響

Effect of sediment concentration on the abrasion rate of weak

rocks by mini jet tests

研 究 生：林柏諭 Student：Bo-Yu Lin

指導教授：廖志中 博士 Advisor：Dr. Jyh-Jong Liao 國 立 交 通 大 學

土 木 工 程 學 系 碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Civil Engineering

July 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

使用小型沖蝕試驗探討濁水對軟弱岩石磨蝕率的影響 學生：林柏諭 指導教授：廖志中 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班

摘要

台灣西部地區為本國人口主要集中區域，因此西部河川之河道上常建 造許多人工構造物，以利民生需求。然而我國西部地區河川之河道護甲層 下多為軟弱岩石，軟岩因固結作用不完全，具有膠結差，遇水軟化，及易 受干擾等特性。當人工構造物如攔河堰興建後，使河道坡度改變，再當下 游護甲層流失，及上游的礫石無法適時補充，則會造成原先覆蓋於護甲層 之下的軟弱岩石出露，產生嚴重的沖蝕下切現象，而可能形成峽谷地形並 經長期側蝕引致河岸邊坡不穩，而造成河道拓寬。 國內外過去對於軟弱岩石河道下切及側壁沖蝕的量測技術並不成熟， 因此本論文將針對齊汝鴻(2012)，所改良適用於現地量測軟弱岩床及岸壁沖 蝕量之小型沖蝕儀(Mini Jet)再進行改良，使之更適用於軟弱岩床的沖蝕量 測，並進行一系列不同濃度濁水之室內及現地試驗，以探討濁水濃度對軟 弱岩石磨石率的影響。 本研究，以 0.425-0.25mm, 0.25-0.150mm, 小於 0.15mm 等三種粒徑之 細粒料，進行濃度 1000ppm(模擬常時水流濃度)、5000ppm(豪大雨時水流濃 度)、10000ppm(颱風侵襲時水流濃度)的小型沖蝕儀室內濁水沖蝕試驗及清

水沖蝕試驗，探討顆粒粒徑及濁水濃度對於沖蝕率的影響，並於大漢溪、 頭前溪、大安溪、大甲溪等流域尋找有岩盤出露的位置，施作現地原水試 驗及濃度 10000ppm 試驗，並與室內試驗結果比較。本研究的試驗結果顯示， 濁水濃度 1000ppm 的試驗平均沖蝕深度為 0.24mm，與清水試驗的平均沖蝕 深度為 0.16mm，並沒有太大的差異。當濁水濃度提升至 5000ppm 及 10000ppm 時，平均沖蝕深度亦增加至 0.34mm 及 0.46mm。由以上結果可推 論，高濃度的濁水對於沖蝕量及沖蝕率的影響明顯，尤以模擬颱風侵襲時 水流的高濃度試驗更是顯著。 關鍵字：軟岩河床、沖蝕率、濁水、泥沙粒徑、小型射流沖蝕試驗儀(Mini Jet)

Effect of sediment concentration on the abrasion rate of weak rocks by mini jet tests

Student :Bo-Yu Lin Advisor : Dr. Jyh-Jong Liao Department of Civil Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

Western Taiwan is the mainly concentrated area of population. Hence, many artificial structures are built on the river to facilitate people's needs. However, the rivers in western Taiwan, are composed of weak rocks mostly under the armoring layer. Such rocks usually have poorly cemented characteristics, and can be easily weakened and vulnerable to erosion by water. After the artificial structures were built, such as weirs, changing the channel slope, losing the downstream armoring layer, and no gravel supplying from upstream occurred. The phenomena caused that the weak rocks beneath the armoring layer exposed and followed by serious incision and bank erosion. The occurrence may cause the damage of the river structures including bridges, weirs, embankment, etc.

In the past the measurement technology of river incision and bank erosion for weak rocks is not mature. Therefore this study aims to modify the Mini Jet (Ju-Hung Chi，2012) to make it more suitable for weak bedrock erosion measurements.

To investigate the effect of sediment concentration on the abrasion rate of weak rocks by mini jet tests, a series of laboratory tests of mini jet is conducted in this thesis. Three types of particle size, 0.425-0.25mm, 0.25-0.150mm,

0.15mm less are used individually for preparing the testing turbidity water with concentration of 1000ppm), 5000ppm, 10000ppm Also, in situ mini jet tests were conducted at four different river using river water (1000ppm less) and 10000ppm turbidity water. The results of in situ test were compared with the laboratory test results. The results show that the average erosion depths for 1000ppm water and clean water are 0.24mm and 0.16mm, respectively. It indicates that the erodibility of river water with sediment concentration less than 1000ppm is low. However, When sediment concentration increases to 5000ppm and 10000ppm, the average erosion depth increases to 0.34mm and 0.46mm, respectively. The results can be inferred that the influence of sediment concentrations on the erosion rate of weak rock is strong.

Key words: weak rocks, erosion rate, submerged jet, Mini Jet, particle size, turbidity flow, sediment concentration.

誌謝

在撰寫這篇論文的期間，各種挑戰陪著我渡過了這段時光，雖然往往 在夜裡難以成眠，但只要看到了成果的出現，就讓我像加滿油的車，再一 次充滿動力。隨著論文的完成，我的學生生涯也暫且告一段落了。感謝廖 志中 老師，在研究所的這兩年，對我的指導且時常提點我的不足，讓我 能夠填補自己的缺點。感謝潘以文 老師，在我研究出現瓶頸時，總是給 予我許多的建議，幫助我解決許許多多的問題。感謝兩位老師，能夠一次 接受兩位老師的指導，這是多少同儕欣羨的，感謝老天讓我能夠進入潘廖 這個大家庭。 感謝口試委員李德河 老師、黃燦輝 老師、吳建宏 老師、陳春宏 副所長花費寶貴的時間，提點我論文中的缺失，提共我修改的建議，讓我 的論文能夠更加完善。 感謝學長姐明萬、慧蓉、國維、聰吉、偉欽、楚鈞、詩凰、耿豪、禹 霆、汝鴻、志強、泓佑、前昱、潤翰、淵明，在學業上，在研究上，在人 生道路上都給了我許多指導，謝謝你們！我愛潘廖！感謝我的同窗好友翊 桓、伊婷、婉容、暉凱、靖哥、友誠、志峰，好多好多人，沒有你們，我 不會這麼順利，此外感謝學弟建文、孝存、俊廷、浚偉、翊文、宥達，在 我做實驗時助我一臂之力，及口試當天的協助，接下來就輪到你們表現了， 祝福你們一切順利。 再來就是我的出遊天團：風雨無阻夾腳拖，我們一起作了好多永生難 忘的事，為我的人生添加許多色彩！普攏共嘴砲團：土木黑幫，因為有你 們，我嘴巴一刻不得閒，吵架永遠不會吵輸人，黑幫萬歲！！！龍潭 MOMO 狗：從大學到研究所，每年我們都要一起到秘密基地爽玩一攤，說好了，

我們要一起玩一輩子！！板中棒球隊：一起在球場上揮灑汗水，這是我們 與眾不同的友情！好多好多人，我真的謝不完了！ 最後的感謝，我要留給我的家人，謝謝阿嬤、老爸、老媽、老哥、老 姊，你們讓我能在一個健全、幸福的家庭成長，且在我求學期間，給了我 許多的支持及鼓勵，讓我就算在疲累也有一個溫暖的家！感謝我的女友婷 文，這些年來為我加油打氣，你的支持與鼓勵，給了我充沛的動力！ 謝謝我的小黑狗，你的聰明淘氣，總能一掃我的焦慮！ 很抱歉有許多人，我沒能一一述說我的感謝。請容許我在此獻上我最 真心的感謝！謝謝大家！我愛你們！

目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... III 誌謝 ... V 圖目錄 ... IX 表目錄 ... XII 第一章、緒論 ... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 1 1.3 研究流程 ... 2 第二章、文獻回顧 ... 4 2.1 岩床河道沖蝕機制 ... 5 2.1.1 磨蝕沖蝕 ... 6 2.1.2 塊體抽離 ... 8 2.1.3 穴蝕沖蝕 ... 9 2.1.4 剝皮沖蝕 ... 10 2.1.5 懸浮載(suspended load)磨蝕底床行為 ... 11 2.1.6 岩盤沖蝕機制小結 ... 12 2.2 河道側壁沖蝕 ... 13 2.2.1 河道土質側壁破壞機制 ... 13 2.2.2 河道岩盤側壁破壞機制 ... 14 2.2.3 河岸沖蝕監測 ... 19 2.2.4 河道側壁沖蝕小結 ... 22 2.3 現地小型射流沖蝕試驗儀 Mini Jet 試驗簡介 ... 23 2.3.1 Mini Jet 試驗功能與特性 ... 24 2.3.2 Mini Jet 儀器設備 ... 25 2.3.3 Mini Jet 基礎理論 ... 31 2.3.4 Mini Jet 試驗方法 ... 40 2.3.5 Mini Jet 沖刷深度量測方法 ... 42 2.3.6 Mini Jet 試驗簡介小結 ... 44 第三章、儀器設計改良與比較及試驗方法評估 ... 48 3.1 現有設備性用評估 ... 48 3.2 試驗儀器改良 ... 50 3.2.1 設計流程 ... 51 3.3 試驗方法改良 ... 52

3.3.1 粒徑大小及含泥量配置 ... 54 3.3.2 試驗粒料來源 ... 58 3.4 改良儀器組件與構造... 60 3.4.1 Mini Jet 儀器構件設計 ... 60 3.5 室內實驗試體製作 ... 79 第四章、改良 Mini Jet 之數據分析理論及其於濁水下軟岩沖蝕之試驗步 驟 84 4.1 最大剪應力計算 ... 84 4.2 試驗規劃流程 ... 87 4.3 試驗儀器組裝及試驗步驟 ... 93 第五章、實驗室及現地試驗結果與討論 ... 95 5.1 實驗室室內試驗 ... 95 5.1.1 室內試驗結果 ... 99 5.2 現地試驗 ... 110 5.2.1 大甲溪現地試驗 ... 111 5.2.2 頭前溪現地試驗 ... 116 5.2.3 大安溪現地試驗 ... 121 5.2.4 大漢溪現地試驗 ... 127 第六章、結論與建議 ... 132 6.1 結論 ... 132 6.2 建議 ... 133 參考文獻 ... i

圖目錄

圖 1-1 研究流程圖 ... 3 圖 2-1 土石顆粒磨蝕岩床表面示意圖(Whipple, et al. , 2000) ... 6 圖 2-2 平溪四廣潭吊橋之壺穴 ... 7 圖 2-3 大安溪厚層砂岩受水流侵蝕所生成之流槽(flute) (經濟部水利署水利 規劃試驗所，2008)... 7 圖 2-4 塊體抽離示意圖(Annandale，1995) ... 8 圖 2-5 節理延伸造成塊體抽離示意圖(Whipple, et al. , 2000) ... 8 圖 2-6 八掌溪水流衝擊或渦流造成的穴蝕 ... 9 圖 2-7 剝皮法(peeling off)沖蝕示意圖(Bolleart, 2005)... 10 圖 2-8 剝皮法沖蝕發生於跌水沖刷示意圖(Bolleart, 2005) ... 10 圖 2-9 各種數值模型模擬粒徑之沖蝕率分佈圖(Lamb，2008) ... 11 圖 2-10 倒懸破壞之河岸邊坡(圖中白框處) ... 15 圖 2-11 大安溪下游平面滑動後殘餘的河道邊坡(經濟部水利署水利規劃試 驗所，2010) ... 15 圖 2-12 倒懸破壞機制示意圖箭頭代表水流方向(無張力節理) (經濟部水利 署水利規劃試驗所，2010) ... 16 圖 2-13 倒懸破壞機制示意圖箭頭代表水流方向(有張力節理) (經濟部水利 署水利規劃試驗所，2010) ... 17 圖 2-14 趾部破壞機制示意圖(經濟部水利署水利規劃試驗所，2010) ... 18 圖 2-15 測量施作流程圖(林務局台東林區管理處，2010) ... 19 圖 2-16 沖刷釘量測示意圖(經濟部水利署水利規劃試驗所，2009) ... 20 圖 2-1799/09/30 斷面 44 測量資料與 99/09/12LiDAR 掃瞄資料比較圖 ... 22

圖 2-18 Mini Jet 沖刷示意圖(Hanson et al.,2001) ... 24

圖 2-19 土壤型 Mini Jet(USDA) ... 25 圖 2-20 軟岩型 Mini Jet(齊汝鴻，2012) ... 26 圖 2-21 加壓噴嘴 ... 26 圖 2-22 量測器(齊汝鴻，2012) ... 27 圖 2-23 水壓計 ... 27 圖 2-24 壓克力水密盒(齊汝鴻，2012) ... 28 圖 2-25 金屬固定座(USDA) ... 28 圖 2-26 金屬固定座(齊汝鴻，2012) ... 28 圖 2-27 馬力 1/6HP 汙水泵浦(USDA) ... 29 圖 2-28 馬力 1HP 汙水泵浦(齊汝鴻，2012) ... 29

圖 2-29 Mini Jet 側視示意圖(Hanson et al.,2001) ... 30

圖 2-30 Mini Jet 俯視示意圖(Hanson et al.,2004) ... 30

圖 2-31 Mini Jet 參數示意圖(Hanson et al.,2004) ... 34

圖 2-32 由試驗數據所形成之雙曲線示意圖(Blaisdell et al.,1981) ... 36 圖 2-33 現地實驗示意圖 ... 41 圖 2-34 室內實驗示意圖 ... 41 圖 2-35 噴嘴出水口為中心 ... 43 圖 2-36 量測桿為中心 ... 43 圖 2-37 量測桿伸出探頭 ... 44 圖 2-38 試驗後所得之沖刷坑(齊汝鴻，2012) ... 45 圖 2-39 現地試驗紀錄表格( Hanson et al.,2004) ... 45 圖 2-40 Excel 巨集參數輸入頁面(Cook，1998) ... 46 圖 2-41 試驗中沖刷坑深度與時間關係圖 ... 46 圖 2-42 計算極限沖刷深度 He的 y-x 雙曲線關係圖 ... 47 圖 2-43 Excel 巨集計算結果之頁面(Cook，1998) ... 47 圖 3-1 岩盤因固定時的擾動產生裂縫(齊汝鴻，2012) ... 49 圖 3-2 Mini Jet 土壤沖蝕之沖蝕坑 ... 49 圖 3-3 Mini Jet 軟岩沖蝕之沖蝕坑 ... 50 圖 3-4 室內試驗岩體剝離 ... 51 圖 3-5 噴嘴類型(擷取至思沛雅噴霧器材有限公司網站) ... 53 圖 3-6 噴霧角度(擷取至思沛雅噴霧器材有限公司網站) ... 53 圖 3-7 台灣洪水期間河川泥沙粒徑分佈(經濟部水利署，2011) ... 55 圖 3-8 頭前溪竹中大橋段河床底泥粒徑分佈曲線 ... 57 圖 3-9 石門水庫淤泥 ... 59 圖 3-10 過篩後之淤泥 ... 59 圖 3-11 (1)固定底座上視及下視圖 ... 61 圖 3-12 (1)固定底座側視圖 ... 62 圖 3-13 (1)固定底座上部 ... 62 圖 3-14 (1)固定底座下半部 ... 63 圖 3-15 (2)可替針腳 ... 63 圖 3-16 (3)可轉部側視圖 ... 65 圖 3-17 (3)可轉部上視及下視圖 ... 66 圖 3-18 (3)可轉部成品上部 ... 67 圖 3-19 (3)可轉部成品下部 ... 67 圖 3-20 (4)固定部設計圖(左為上視、中為側視、右為下視) ... 68 圖 3-21 (5)弧形環片設計圖 ... 68

圖 3-22 (4)固定部成品上部 ... 69 圖 3-23 (4)固定部成品下部 ... 69 圖 3-24 (3)可轉部、(4)固定部及(5)弧形環片成品組合 ... 70 圖 3-25 中空黃銅管設計圖(齊汝鴻，2012) ... 71 圖 3-26 中空黃銅管(齊汝鴻，2012) ... 71 圖 3-27 中空活動管及探測桿設計圖 ... 72 圖 3-28 中空活動管、探測桿及鐵尺組合(齊汝鴻，2012) ... 72 圖 3-29(6)量測桿組合圖 ... 73 圖 3-30 (7)壓克力盒設計圖 ... 74 圖 3-31 (7)壓克力盒成品側視(箭頭指向處為螺牙) ... 74 圖 3-32 (7)壓克力盒成品底部 ... 75 圖 3-33 (8)室內用壓克力盒設計圖 ... 76 圖 3-34 (8)室內用壓克力盒成品底部 ... 76 圖 3-35 (8)室內用壓克力盒成品側視 ... 77 圖 3-36 (9)反力架設計圖 ... 77 圖 3-37 (9)反力架成品 ... 78 圖 3-38 (9)反力架實際安裝狀況俯視 ... 78 圖 3-39 (9)反力架實際安裝狀況側視 ... 79 圖 3-40 試驗室體破壞 ... 79 圖 3-41 原始岩塊 ... 81 圖 3-42 裁切完成試體 ... 81 圖 3-43 裁切完成試體 ... 82 圖 3-44 試體裝模及注入白蠟 ... 82 圖 3-45 大型研磨機(吳禹霆，2012) ... 83 圖 3-46 研磨完成之試體 ... 83

圖 4-1 Moody Diagram(Re vs Cf)(The Engineering ToolBox) ... 85

圖 4-2 螺桿、12 號螺帽 ... 89 圖 4-3 12 號扳手 ... 89 圖 4-4 蓄水用水桶(齊汝鴻，2012) ... 90 圖 4-5 Mini Jet 試驗系統(齊汝鴻，2012) ... 90 圖 4-6 小型發電機(齊汝鴻，2012) ... 91 圖 4-7 試驗用粒料 ... 91 圖 4-8 手持式電動鑽機(齊汝鴻，2012) ... 92 圖 4-9 手持式電動砂輪機 ... 92 圖 4-10 橡膠槌 ... 93 圖 4-11(室內試驗實際狀況) ... 94

圖 5-1 齊汝鴻(2012)岩心室內試驗(齊汝鴻，2012) ... 96 圖 5-2 齊汝鴻(2012)岩心室內試驗 ... 96 圖 5-3 齊汝鴻(2012)岩塊室內試驗(齊汝鴻，2012) ... 97 圖 5-4 本研究室內試驗 ... 97 圖 5-5 本研究室內試驗 ... 98 圖 5-6 本研究室內試驗-試體表面全圖 ... 98 圖 5-7 湖山水庫岩塊粒徑分析資料 ... 99 圖 5-8 濃度與沖蝕率關係圖(過 40 號篩) ... 102 圖 5-9 濃度與沖蝕率關係圖(過 60 號篩) ... 104 圖 5-10 濃度與沖蝕率關係圖(過 100 號篩) ... 106 圖 5-11 濃度與沖蝕率關係圖(Mix) ... 108 圖 5-12 濃度與沖蝕率關係圖(綜合比較) ... 109 圖 5-13 大甲溪現地試驗位置(google earth) ... 111 圖 5-14 大甲溪現地試驗狀 ... 112 圖 5-15 頭前溪現地試驗位置(google map) ... 116 圖 5-16 頭前溪現地試驗狀況 ... 117 圖 5-17 大安溪大峽谷現地試驗位置(google map) ... 121 圖 5-18 大安溪大峽谷現地試驗狀況 ... 122 圖 5-19 大安溪現地側壁沖蝕試驗 ... 126 圖 5-20 大安溪現地側壁沖蝕試驗 ... 126 圖 5-21 大漢溪現地試驗位置(google map) ... 127 圖 5-22 大漢溪現地試驗狀況 ... 128 圖 6-1 齊汝鴻(2012)現地試驗結果(齊汝鴻，2012) ... 133

表目錄

表 3-1 懸浮載粒徑分佈建議 ... 55 表 3-2 Mini Jet 試驗濃度與粒徑配置 ... 56 表 3-3 頭前溪竹中大橋段河床底泥粒徑分佈資料 ... 57 表 3-4 試驗所需土重 ... 58 表 3-5 Mini Jet 改良構建表 ... 60

表 4-1 材料強度參數對照表(The Engineering ToolBox) ... 86

表 5-1 未飽和試體試驗結果 ... 100

表 5-2 清水試驗結果(飽和試體) ... 101

表 5-4 通過 60 號篩各濃度試驗結果(飽和試體) ... 104 表 5-5 通過 100 號篩各濃度試驗數據(飽和試體) ... 106 表 5-6 模擬現地泥砂粒徑各濃度試驗數據(飽和試體) ... 108 表 5-7 大甲溪石岡壩試驗結果 ... 112 表 5-8 大甲溪石岡壩試驗照片 ... 113 表 5-9 大甲溪石岡壩試驗沖蝕深度 ... 114 表 5-10 頭前溪試驗結果 ... 117 表 5-11 頭前溪現地試驗照片 ... 118 表 5-12 頭前溪試驗沖蝕深度 ... 119 表 5-13 大安溪大峽谷現地試驗結果 ... 122 表 5-14 大安溪大峽谷現地試驗照片 ... 123 表 5-15 大安溪大峽谷試驗沖刷深度 ... 124 表 5-16 大漢溪現地試驗結果 ... 128 表 5-17 大漢溪現地試驗照片 ... 129 表 5-18 大漢溪試驗沖蝕深度 ... 130

1

第一章、緒論

1.1 研究動機

我國西部地區為人口主要集中區域，因此西部河川之河道上常建造許 多人工構造物，以利民生需求，這些人工構造物如攔河堰興建後，促使河 道坡度改變，當下游護甲層流失時，上游的礫石無法適時補充，造成原先 覆蓋於護甲層之下的軟弱岩石出露，此類岩石具有膠結不佳、遇水易軟化 等特性，容易產生嚴重的沖蝕現象，因此台灣西部河川之岩質河床有部分 因為河岸的側蝕造成河岸邊坡不穩，而造成河道拓寬。部分河道甚至出現 嚴重之沖蝕下切現象，河床面快速降低形成峽谷地形，進而影響跨河構造 物的穩定性，甚至危害到人民生命與財產之安全。此外河道的側壁岩盤亦 受到水流劇烈沖蝕，引致岸壁破壞、退縮，影響堤防安全。 國內外過去對於河道下切及側壁沖蝕導致邊坡不穩的量測技術並不成 熟，且多數無法求得邊坡破壞之臨界側蝕量，因此將針對齊汝鴻(2012)，所 開發之軟岩型 Mini Jet 作改良，使其能更有效應用於軟弱岩石的沖蝕試驗。

1.2 研究目的

因災害頻傳，國內近年對於岩石河岸、河床的河道沖蝕治理更加重視， 然而軟弱岩石、岩壁沖蝕相關研究並不多見。現階段的研究大多以多時期 河床測量結果建立沖蝕率模式供河道變遷數值模擬採用，除了交通大學郭

炳宏(2010)建立了室內多功能軟岩沖蝕試驗儀，可以決定軟弱岩石的磨蝕數 率及齊汝鴻(2012)改良小型沖蝕試驗儀可用於現地決定軟弱岩石的磨蝕阻 抗及磨蝕率外，國內並不存在利用試驗儀器已決定前述磨蝕參數相關研究。 齊汝鴻(2012)成功的將原本被應用於現地土壤沖蝕率量測的 Mini Jet，改良 為可應用於軟岩河道沖蝕的現地量測，然而齊汝鴻(2012)對於考慮實際軟弱 岩石河床磨蝕破壞條件並不週全，僅進行清水的試驗，忽略 Whipple, et al(2000)提及水流中的懸浮載，對於岩床磨蝕的影響，因此本研究將針對此 點，發展符合軟弱岩石河床磨蝕破壞條件之試驗方法。

1.3 研究流程

本研究共分六章，第一章介紹研究動機、研究目的與研究流程如圖 1-1。 第二章文獻回顧，彙整河道沖蝕破壞機制及 Mini Jet 基本理論及試驗方法。 第三章針對現有之設備作可行性評估，及介紹參考齊汝鴻(2012)所提出之建 議所改良的儀器。第四章介紹 Mini Jet 的試驗規劃、室內試驗方法、現地實 驗方法。第五章說明試驗成果，並對室內實驗及現地實驗結果進行討論。 第六章歸納本研究之結果並提出未來發展及改良之建議。

2

第二章、文獻回顧

台灣西部河道護甲層下多為軟弱岩石，軟岩因固結作用不完全，具有 膠結差，遇水軟化，及易受干擾等特性，若護甲層流失(採砂或沖刷造成)， 且因地形改變、或跨河構造物等因素改變了河道坡度，上游的礫石無法被 攜帶至下游而使裸露的軟弱岩質河床產生嚴重的岩床沖蝕現象。因此台灣 西部河川之岩質河床部分河道出現嚴重之沖蝕下切現象，促使河床面快速 降低形成峽谷地形，進而影響跨河構造物的穩定性，此外河道的側壁岩盤 亦受到水流劇烈沖蝕，引致岸壁破壞、退縮，影響堤防安全。而河床下切 及側壁沖蝕可能引致橋墩基礎裸露破壞、堤防破壞、攔河堰破壞等，上述 問題均為需要面對之問題。本論文主旨在參考齊汝鴻(2012)所提出之建議進 一步改良美國農業部(USDA)使用於決定現地土質河床及河岸沖蝕阻抗的現 地小型射流沖蝕試驗儀(Mini Jet)，使之更適用於軟弱岩床磨蝕試驗。 本章將對沖蝕機制，沖蝕特性，及河道側壁沖蝕之國內外文獻進行文 獻回顧，以及整理現地小型射流沖蝕試驗儀(Mini Jet)的基礎理論、實驗特 性、現地實驗方法及儀器設備，探討提升其應用於軟弱岩石沖蝕試驗的能 力的方法。

2.1 岩床河道沖蝕機制

岩床河道沖蝕是眾多複雜的條件交互作用下所造成的結果，包含地質、 地形、塊體板塊運動、河道水文水理、河道輸沙、及氣候條件等等，國外 目前對於河道沖蝕現象的分類及其對沖蝕速率的影響雖然已有甚多探討， 但主要仍以從巨觀尺度的地形變遷作為出發點(Howard et al., 1994; Sklar and Dietrich, 2004; Whipple, et al., 2000; Wohl, 1998)。然而此類文獻甚少以工 程觀點進行沖蝕機制的探討，尤其以軟弱岩床的資料更是缺乏。

彙整國外對於河道沖蝕機制研究之文獻，可將 Whipple et al.(2000)與 Bolleart(2005)所提出之沖蝕機制分為塊體抽離(plucking)、磨蝕(abrasion)、 穴蝕(cavitation)及剝皮沖蝕(peeling off)等四類。而本研究中 Mini Jet 的理論 基礎是依照磨蝕機制來作沖蝕量的估算。

Foley(1980)將磨蝕定義為水中的顆粒與岩床作用所形成，而磨蝕又可 區分為河床載(bed load)磨蝕及懸浮載(suspended load)磨蝕兩類，其中河床載 磨蝕可依照顆粒撞擊岩床時之角度作區分，分別為低角度之切削磨損 (cutting wear)及高角度的變形磨損 (deformation wear)。本研究中將在試驗過 程中加入細粒料，磨蝕侵蝕的主要粒料為懸浮載，故本節將針對懸浮載磨 蝕底床行為作回顧。

2.1.1 磨蝕沖蝕 大部分以磨蝕為主要侵蝕機制的河道常發展出明顯且穩定的不規則地 形，這一類地形易使水流產生漩渦，加快磨蝕破壞及穴蝕作用的發展，而 岩床上逐漸產生流槽(flute)與壺穴等沖蝕構造，且一旦流槽與壺穴形成，明 顯的正向反饋機制起作用後，進而加強穩固水流中的漩渦，使得懸浮載顆 粒對河床的磨蝕更加劇烈。 圖 2-1 為磨蝕沖蝕示意圖 Whipple, et al.(2000)所提出，示意圖的簡譯為 河道中一凸起的岩床，其前緣受到河床質顆粒((bed load))撞擊造成侵蝕，而 水 流 因 受 到 岩 床 面 凸 起 的 擾 動 ， 於 岩 床 的 下 游 側 產 生 紊 流 形 成 壺 穴 (potholing)，且凸起的表面亦會造成流槽(fluting)，如圖 2-2、圖 2-3。 圖 2-1 土石顆粒磨蝕岩床表面示意圖(Whipple, et al. , 2000)

圖 2-2 平溪四廣潭吊橋之壺穴

圖 2-3 大安溪厚層砂岩受水流侵蝕所生成之流槽(flute) (經濟部水利署 水利規劃試驗所，2008)

2.1.2 塊體抽離 無論厚層或薄層之層狀岩石皆可能因解壓或侵蝕，促使節理發展進而 造成岩石塊體鬆脫而發生抽離的現象。 Annandale(1995)以岩層與河流流向呈逆向的狀況說明塊體抽離之過程， 如圖 2-4，岩塊抽離的過程可分為三個階段，依序為頂開、移出、脫離。 圖 2-4 塊體抽離示意圖(Annandale，1995) Whipple, et al.(2000)則以圖 2-4 說明岩塊抽離的現象。圖 2-5 顯示當岩 盤遭受水流攻擊，使得原本就存在的微小裂縫因水流沖擊及顆粒撞擊令既 有之節理延伸、擴張，當節理連貫時，造成塊體孤立，再由水流拖曳及裂 縫中之水壓將塊體上舉脫離。 圖 2-5 節理延伸造成塊體抽離示意圖(Whipple, et al. , 2000)

2.1.3 穴蝕沖蝕 穴蝕沖蝕的主要成因是當河道存有障礙物或階梯狀落差時，不規則的 地形造成局部區域的流況變化，容易產生渦流，當渦流加劇時即可能發生 穴蝕(圖 2-6)。穴蝕現象常見於大壩溢洪道及輸水隧道，對於工程領域是熟 悉的狀況，但穴蝕現象於自然界河道中所扮演的角色並不明確．目前初步 認定當水流中有渦流的形成，穴蝕現象會強化懸浮載對河床的沖蝕效應。 圖 2-6 八掌溪水流衝擊或渦流造成的穴蝕

2.1.4 剝皮沖蝕 Bollaert(2005)以圖 2-7 首先提出剝皮沖蝕一詞。如圖 2-7 所示，水流 流過水平節理發達的河床，會一層一層的將河床表面的小岩塊帶走，此作 用稱作剝皮沖蝕。 圖 2-7 剝皮法(peeling off)沖蝕示意圖(Bolleart, 2005) Bolleart 認為跌水作用下會有剝皮沖蝕狀況發生，且跌水之上下游側皆 有可能出現剝皮沖蝕，而跌水會造成周遭之水流不斷循環，加劇岩盤破壞， 如圖 2-8 所示。Bolleart 將此沖蝕型態用於解釋前述地質條件溢洪道下游沖 刷坑的形成。 圖 2-8 剝皮法沖蝕發生於跌水沖刷示意圖(Bolleart, 2005)

2.1.5 懸浮載(suspended load)磨蝕底床行為

當河床底部流況不穩定時，常因床載沉積、底床地形等因素產生渦流， 使原本沉積的床載再次被帶動形成懸浮載，且可能因流況的改變再一次沉 積。因懸浮載的顆粒細小，因此 Sklar & Dietrich (2004)提出懸浮載磨蝕底床 的模式為，在搬運過程中可長時間懸浮於水流中，但隨水流流動而下沉並 磨蝕底床，而在此一動作反覆作用下，而造成底床磨蝕的現象。

Lamb(2008) 對於懸浮載於河床中的磨蝕行為與濃度分佈相關，並透過 實驗數據證明當粒料粒徑小於 0.4mm 時，亦會有磨蝕現象產生。

2.1.6 岩盤沖蝕機制小結 Whipple et al. (2000) 由調查一系列不同的地質條件、流域面積、河床 坡度的河床沖蝕現象，提出岩石河床的沖蝕機制，歸納出磨蝕沖蝕、塊體 抽離、穴蝕沖蝕等三種機制，造成岩盤沖蝕的條件眾多，其中又以地質條 件為控制岩盤沖蝕機制的眾多因素中最為重要的一環，地質條件包含岩性、 弱面間距、節理、層面等。當岩床屬完整岩盤亦或是弱面間距大時，岩床 沖蝕主要透過懸浮載及河床載與岩床作用，或是水流造成岩盤表面之剪應 力提高，帶走岩石膠結之顆粒，此時磨蝕沖蝕為可能之沖蝕機制。當岩石 強度，遠大於節理強度且節理間距在 1m 之內時，水流之作用主要集中在裂 隙中，此時塊體抽離(plucking)常為主控沖蝕之機制。穴蝕現象在河道中所 扮演的腳色尚不完全明確一般認為穴蝕在強烈的渦流產生時，加劇了懸浮 載對沖蝕的影響，使局部沖蝕作用更加顯著。剝皮沖蝕則為水平節理發達 之岩體受到水流衝擊後產生均勻的裂隙，而渦流帶走岩盤表面之岩石碎 屑。

2.2 河道側壁沖蝕

河岸沖蝕是調整河道寬道、曲折及傾斜角度的重要機制，也是一種能 夠將攜帶上游所產生的沉積物，將其帶往下游的行為，為天然地貌改變的 過程，發生在所有的河道。雖然與河岸侵蝕相關的數值模擬及岸壁侵蝕模 型的研究已有許多，但要能精確預估河道改變狀況仍然不易。 河岸受到侵蝕後所產生的沉積物為周圍的動植物創造了棲息空間提升 了生態多樣性，然而在許多情況下，河岸侵蝕導致土地流失，產生了資源 管理的問題，甚至沉積物的產生造成下游淤積，促成河川氾濫的問題。(經 濟部水利署水利規劃試驗所，2011)。 2.2.1 河道土質側壁破壞機制 河道側壁破壞嚴重影響到岸壁邊坡安全性，一般側壁破壞的因素有許 多，如水力、風力、人為等。但本節主要探討的為 Watson et al., 2006 所提 出的兩類：(1)岸壁下因水位上下移動使水壓變化而造成的側蝕(2) 大規模 的邊坡滑動、崩塌破壞。兩類的共通點在於，皆為水流作用力在岸壁坡趾 進行作用，最終因自體重量而引起大規模破壞。 水壓力在此以剪應力的形式對岸壁坡趾，重覆掏刷，使其向內退縮， 岸壁失去底部支撐的力量即形成崩落，造成河道拓寬。側壁破壞亦可從材 料性質的觀點討論。Terzaghi & Peck(1967)指出，材料性質可分為凝聚性 材料及非凝聚性材料，若為非凝聚性材料的河岸邊坡，對深度而言，

剪力增加比剪應增加量大，使得臨界破壞面多發生在淺層，相反的，具凝 聚性材料的河岸邊坡，剪力增量較剪應力增量小，使得臨界破壞面常位於 側壁深層處。 此外，表面坡度的陡峭程度才是影響破壞面形式的主控因素，當表面 之坡度角小於 60 度時，邊坡破壞面為圓弧形滑動，若為極陡峭之邊坡則屬 平面滑動。其穩定性可依破壞形式，藉由邊坡的抗滑力、阻抗及側向水壓 計算抗滑力及下滑力來計算河岸邊坡破壞的可能性。(張恩源，2003) 2.2.2 河道岩盤側壁破壞機制 以國內軟弱岩石沖蝕狀況嚴重之溪流大安溪為例，根據交通大學執行 水利署研究計畫成果報告(經濟部水利署水利規劃試驗所，2010)內容指出， 大安溪下游河岸側壁的主要破壞機制為：(1)倒懸破壞(overhang)(圖 2-10)、 (2)趾部破壞(undercutting)(圖 2-11)。

圖 2-10 倒懸破壞之河岸邊坡(圖中白框處)

圖 2-11 大安溪下游平面滑動後殘餘的河道邊坡(經濟部水利署水利規劃試 驗所，2010)

當邊坡受到側刷而倒懸的岩塊，可視為一懸臂樑構造，因此邊坡受到 倒懸岩塊自重影響而產生的彎矩、剪力、以及內部應力而有不利的影響。 坡面無張力裂縫時其倒懸破壞機制如圖 2-12。 (a)河岸由砂頁岩互 層組成 (b)側壁底部受水力沖 刷，上部岩坡產生倒 懸形成類似懸臂樑構 造 (c)邊坡因倒懸岩塊自重， 產生彎矩及作用於邊坡之 剪力，或可能因外彎矩產 生的內應力，對邊坡造成 不利的影響 (d)當超過岩坡極限 強度(張力破壞，剪 力破壞或彎矩破壞) 則岩坡發生崩落 (e)倒懸邊坡崩落後， 岩坡於下次側壁沖刷 前處於短期穩定 圖 2-12 倒懸破壞機制示意圖箭頭代表水流方向(無張力節理) (經濟部水利 署水利規劃試驗所，2010)

部分邊坡因解壓或收到 921 地震擠壓影響，出現平行河道之節理，岸 壁受張力節理存在與否影響，河岸側壁受到側刷後產生不同類型的倒懸破 壞行為，破壞機制如圖 2-13。 (a)河岸由砂頁岩互層 組成 (b)邊坡因解壓或構造應 力，產生平行河道的張 力節理，在此假設張力 節理已完全開裂 (c)岩坡受到側刷產生 倒懸，因張力節理導 致邊坡僅由底部抵抗 倒懸岩塊所產生之不 利條件 (d)當超過岩坡底部極限 強度(張力破壞或彎矩 破壞)則岩坡發生崩落 (e)倒懸邊坡崩落後，岩 坡於下次側壁沖刷前處 於短期穩定 圖 2-13 倒懸破壞機制示意圖箭頭代表水流方向(有張力節理) (經濟部 水利署水利規劃試驗所，2010)

在水位面附近的岸壁因收到側向侵蝕作用後導致上部岩層出現倒懸破 壞，當側向侵蝕規模持續增加，造成趾部切除，導致岩坡產生出露(daylight)， 則可能有平面滑動之虞，圖 2-14 為趾部破壞導致平面滑動破壞之機制 a (a)趾部受到水力沖刷， 使原為正交坡的河岸發 生出露(daylight)，且與 平 行 河 道 解 壓 節 理 交 會。上部岩層產生倒懸 破壞 (b)岩坡上部發生沿 著層面的平面滑動 破壞 (c) 岸 壁 持 續 發 生 側 刷，導致倒懸破壞與坡 面出露 (d)內側岩壁趾部出露發 生平面滑動破壞 (e)岸壁側刷，平面 滑動與倒懸破壞交 替發生使下游河岸 形成由河心向外的 數個楔型邊坡 圖 2-14 趾部破壞機制示意圖(經濟部水利署水利規劃試驗所，2010) 以上的破壞行為，皆因河道側蝕所致，因此如要做出合理的河岸穩定 性評估，必須對河岸邊坡作幾何、力學性質及臨界側蝕量的分析，因此若 能求得準確度高的側蝕量，對於河岸穩定性評估有很大的幫助。

2.2.3 河岸沖蝕監測 傳統上，對河岸侵蝕的量測可分為地面量測及空中攝影兩種，地面監 測通常使用的方法為斷面量測，斷面量測的施作流程如圖 2-15，其測量方 法的選定可參考控制點之建立，除採用傳統測量工具進行控制點座標引測， 亦可採用最新網路 RTK 作業方法(VRS)，增加控制點做為多餘觀測量，可 作為座標轉換時之檢核驗證。在控制點不易取得或引測距離過長且地形複 雜之地點，可選用全球衛星定位系統(GPS)之靜態定為量測方法進行控制點 座標量測，短時間內即可獲得測量控制點之絕對座標，供地形測量工作推 展之參考基準，解決因參考控制點引測作業費時而致使工作進度不易推展 的問題，或採用全測站雷射測距儀(Total Station)，可依愈施測地點之便利性 及安全選取合適之模式測量(林務局台東林區管理處，2010)。

交通大學防災工程研究中心於民國 98 年提出於河道上選取特定地點佈 設沖刷釘數支，並定期量測，其施作方法為，於河道上選取表面較平滑、 流速穩定的岩床，釘入深度 15 公分之沖刷釘，記錄隨著時間沖刷釘周圍岩 盤高程的變化，量測方法如圖 2-16，得到岩床受水流磨蝕之沖蝕速率，此 法可得到沖時速率並推估該區之沖刷量以估計河道沖刷狀況(經濟部水利署 水利規劃試驗所，2009)。透過量測沖刷釘所取得的資料，得到過去難以取 得的現地沖蝕資料，但礙於沖刷釘量測容易受到現地狀況侷限，且豐水期 沖刷釘固定點容易破壞，或是退水後的淤積，都影響其數據的準確性。因 此空中攝影亦被廣泛應用在河道沖蝕量測。 圖 2-16 沖刷釘量測示意圖(經濟部水利署水利規劃試驗所，2009)

空中攝影於河岸沖蝕監測最被廣泛應用的攝影技術為光達技術(Light Detection And Ranging,LiDAR)，「其定義是指以雷射光對目標進行量測的技 術，對目標物進行高密度的掃描以獲取目標的三維形貌技術，目前可分為 三種：空載光達(Airborne LiDAR)、測深光達(Bathymetric LiDAR)、及地面 型光達(Terrestrial LiDAR)，其中發展最快、用途最廣的就是以飛機為載具 進行地表之掃描測繪之空載光達技術」(徐偉城，2007)。因空載光達具備有 高精度、高解析度、高度自動化、及高效率等優勢，已成為世界各國進行 大面積三維地表資料測製的主流與趨勢，其多重反射回波之特性，可同時 獲取地面及其覆蓋物之精確三維座標。並可產製高精度高解析度之數值地 型模型，作為監測河道側壁變化之工具(徐偉城，2007)。 空載光達以航空器為載台，結合雷射系統(Laser scanner)、全球衛星定 位系統(Global Position System,GPS)、與慣性導航系統(Inertial Navigation System,INS)，將此三部份技術整合使地形高程測量作業快又精確。

航空照片的優點是能夠記錄地面完整資訊，並可加以製作立體影像， 提供空間上的高程變化，獲取河岸沖蝕的資料，並與斷面測量所獲得之資 料比較提高河岸沖蝕監測的精確性如圖 2-17。

圖 2-17 99/09/30 斷面 44 測量資料與 99/09/12LiDAR 掃瞄資料比較圖 (經濟部水利署水利規劃試驗所，2009) 2.2.4 河道側壁沖蝕小結 水流特性、河道的形狀、岸壁的形狀、岸壁的材料、岸壁土壤的含水 性、植被、暴雨頻率等為岸壁受侵蝕過程的重要影響因素， (Knighton, 1998)。 要同時考慮以上所有因素作為影響參數已建立側蝕率或河道擴寬模式 並不容易，故需要藉由各種不同的實驗室試驗及現地射流試驗等，利用實 驗結果進行分析，並配合一維、二維的動床模式、輸沙模式及水理模式來 建立沖蝕模型，搭配長期的影像監測，以斷面變化作分析，為目前對於河 道側壁沖蝕的主要研究方向。 因此本研究參考國內外與河道沖蝕有關文獻，探討河道沖蝕所需之參 數，配合實驗結果計算求得側蝕率，為本研究最終目的。

2.3 現地小型射流沖蝕試驗儀 Mini Jet 試驗簡介

潛沒式射流試驗在過去主要被運用於室內試驗，如 Dunn(1959)對於凝 聚性河道的阻抗力的研究及 Moore et al.(1962)量測凝聚性沉積物沖刷阻力 的研究中，用於界定臨界剪應力，直至 90 年代才逐漸被發展應用在現地試 驗，並由 Hanson(1990)發展出用於土壤現地的潛沒式射流試驗。藉由水壓 力及臨界剪應力，估計極限沖刷深度的形成，及利用潛沒式圓形射流的擴 散原則和相對應之沖刷量求取土壤的沖蝕係數(Stein et al.,1997)。 然而在過去 Mini Jet 只運用在土壤沖刷試驗上，於齊汝鴻(2012)將其改 良為可運用於軟弱岩石之現地沖蝕試驗。 本節將針對 Mini Jet 的試驗特性、儀器設備、基礎理論、現地試驗之方 法及 Mini Jet 土壤沖刷型及軟岩沖蝕型的比較，進行文獻回顧。

2.3.1 Mini Jet 試驗功能與特性

Hanson et al.(1997)提出 Mini Jet(圖 2-18)做為現地土壤沖蝕率量測之儀 器。由圖 2-18 可看出 Mini Jet 之出水口位置於水位面以下，可知 Mini Jet 乃是以模擬潛沒式射流的方式進行沖蝕試驗。

圖 2-18 中之 head 為水頭高，即為外部水位面與管路內水位面等高時之壓 力，用以計算出口流速。並以此計算核心流(potential core)內剪應力τ0、有

效剪應力τe、臨界剪應力(剪應力阻抗)τc。

圖 2-18 Mini Jet 沖刷示意圖(Hanson et al.,2001)

Mini Jet 是以垂直射流的方式，對土壤進行長時間的沖蝕作用，使其達 到極限沖刷深度。Blaisdell et al.(1981)針對凝聚性砂土的研究，欲使其達到 極限沖刷深度所需時間為十四個月以上。若要利用 Mini Jet 於現地進行試驗 使其達到極限沖刷深度，實屬不易。因此，透過適當的理論及合理的假設，

依 Mini Jet 在短時間內進行沖蝕試驗所得之結果估算沖蝕率及極限沖刷深 度，詳細計算過程於 2.3.3 節詳談。

2.3.2 Mini Jet 儀器設備

本節中將會對兩款分別運用於不同狀況下之小型現地沖蝕儀進行介紹。 Mini Jet，可分為土壤型(圖 2-19)由美國農業部(USDA)所提供及軟岩型(圖 2-20)由齊汝鴻(2012)參照美國農業部所提供之原型加以修改使其可運用於 軟弱岩石之改良款。

圖 2-20 軟岩型 Mini Jet(齊汝鴻，2012)

Mini Jet 的主要設備為輸水管(圖 2-19、圖 2-20，紅色箭頭處)、加壓噴 嘴(圖 2-21)、溢流管、量測器(圖 2-22)、水壓計(圖 2-23)、壓克力水密盒(圖 2-24)、金屬固定座(圖 2-25、圖 2-26)、以及外接泵浦(圖 2-27、圖 2-28)。

圖 2-22 量測器(齊汝鴻，2012)

圖 2-24 壓克力水密盒(齊汝鴻，2012)

圖 2-25 金屬固定座(USDA)

圖 2-27 馬力 1/6HP 汙水泵浦(USDA)

圖 2-28 馬力 1HP 汙水泵浦(齊汝鴻，2012)

Mini Jet 並無特定規格，而齊汝鴻(2012)及本研究之 Mini Jet 改良款皆 是以 Hanson 的設計(圖 2-29、圖 2-30)為雛形，加以修改使其可運用於軟弱 岩石上。

圖 2-29 Mini Jet 側視示意圖(Hanson et al.,2001)

2.3.3 Mini Jet 基礎理論

Mini Jet 試驗的目的為藉由沖蝕試驗後所量測的沖蝕量及水壓，透過計 算求得臨界剪應力τc(critical shear stress in Pa)及沖蝕係數 kd(erodibility

coefficient in m3/N-s)，最終得到沖蝕率 ε(rate of erosion in m/s)沖蝕率之計算 (Hanson et al.,2001)，以下之公式推導參考(齊汝鴻，2012)：

ε=kd(τe – τc) (2.1)

τe=有效剪應力(effective shear stress in Pa)

τc=臨界剪應力(剪應力阻抗)(critical shear stress in Pa)

kd=沖蝕係數(erodibility coefficient in m 3 /N-s) ε=沖蝕率(rate of erosion in m/s) 臨界剪應力(τc)及沖蝕係數(kd)，需藉由極限沖刷深度(He)才可求得，而 Mini Jet 試驗後所得之參數(時間、沖刷深度、水壓)即為估算極限沖刷深度 所需之參數。 依 Hanson et al.(1997)說明(圖 2-31)，當水流至噴嘴口垂直射出後，水 柱中心線的初始流速為 Uo(噴嘴出水口直徑 do，在壓力水頭 h 下)，而當水 柱超越核心流(potential core)長度 Hp (核心流長度為水柱自噴口射出後仍然 維持初始流速 Uo的射流長度)後，射流中心速度仍然維持最大流速，但因射 流擴散作用使整個射流場的流速降低。當射流長度超過核心流長度，即 H>Hp，一般計算射流中心線速度的方法為(Albertson et al.,1950)：

U Uo=Cd

do

H (2.2)

式(2.2)中，H為自噴嘴出水口算起之射流中心線的長度，

C

d為擴散係數，

其值範圍為5.8-7.4(Beltaos et al.,1974)，取6.2(Albertson et al.,1950)。噴嘴出 水口的擾流及非均速(turbulence and non-uniform velocity)會影響Cd及Hp的

值。

依核心流之定義:核心流長度內，射流中心線流速不變及式(2.2)即可求 得核心流長度得式(2.3)

Hp=Cddo (2.3)

圓形淹沒射流射入水中撞擊到平滑的邊界，共被區分為四區，第一區： 水流建立區(zone of the flow establishment)、第二區：水流已建立區(zone of established flow)、第三區：偏斜區(deflection zone)、第四區：平流區(wall jet zone)。第一區即為核心流區，第三區為垂直射流撞擊致水平邊界後，垂直 射流改變回水平流向，其沖擊點為遲滯點(stagnation point)，此點具有邊界 最大水壓但剪應力為零，沿著水流中心點向兩側散開，且水壓降低造成周 圍的水壓上升、剪應力漸提升至最大值(Hanson et al.,1997)。 由早期的試驗結果，歸納出，在以建立前段水流的情形下，偏斜區的 水平邊界上之剪應力分佈半經驗式，式(2.9)，其中

C

f

為摩擦係數

。 τ=CfρU 2 (2.4) 結合式(2.2)、(2.3)、(2.4)，因核心流內流速恆為 Uo，故核心流內之沖 擊點，其最大剪應力亦恆為定值(τ=τo)。

τo=CfρUo2 H≦Hp τ= Cfρ(CdUo do H) 2 H>Hp (2.5)

Albertson et al.(1950)與Hanson et al.(1990)經由試驗，分別得到Cd為6.2

及Cf為0.00416。 當沖擊點深度(Hi)超過核心流長度 (Hp)時，則此時的沖刷深度變化 (dH/dt)即為與最大剪應力(τ=τo)相關之沖蝕率ε(rate of erosion in m/s)。 結合式(2.6)、(2.8)、(2.10)求得： dH dt=k(τo-τc) H≦Hp dH dt=k( τoHp2 H2 -τc) H>Hp (2.6) 當水壓力即為臨界剪應力，此時之沖刷深度，即為極限沖刷深度(He)， 承式(2.11)假設 τo＞τ_c且dH dt=0 沖刷深度達到平衡之 He，此時： τc=τo( Hp He) 2 (2.7) Hi=由噴嘴出水口至土壤初始面的長度 Hp=由噴嘴出水口至 potential core 的長度=6.2*do He=由噴嘴出水口至到達平衡時極限沖刷深度的長度 Cf=摩擦係數=0.00416 ρ=液體密度 Uo=水流從噴嘴噴出之初始流速(√2gh) Cd=擴散係數=6.2

do=噴嘴直徑

τc=臨界剪應力

τo=最大剪應力

圖 2-31 Mini Jet 參數示意圖(Hanson et al.,2004)

利用沖蝕試驗所得之數據，進行非線性迴歸反覆求解，可求得 kd及 τc 亦可由試驗數據以對數雙曲線函數法(Blaisdell et al.,1981)求解 τc或假設一 個τc值再反覆求解 kd。但同時求解 kd及τc的方法，Hanson et al.(1997)經測 試後不佳。因此利用雙曲線法先求解τc，可行性較高。 式(2.7)中，除極限沖刷深度 He外，其餘參數皆為已知，因此本研究將 以 Mini Jet 的試驗所得之數據，利用雙曲線函數法求解取得 He。

Blaisdell et al.(1981)提出利用 Hyperbolic logarithmic velocity-of-scour method，假設一個雙曲線為： (y−yo)2 A2 -x2 B2=1 (2.8)

A=半貫軸(the semitransverse axis) B=半共軛軸(the semiconjugate axis)

式(2.8)為一個上下開口的雙曲線，中心點為(0,yo)。Blaisdell 利用在涵 洞網點及懸臂管溢洪道的沖刷研究數據，定義了無因次單位的 y 跟 x 式(2.9)、 (2.10)： y=log Zm Dp Vpt Dp =logZm Dp-log Vpt Dp (2.9) x=logVpt Dp (2.10) yo=log Zm Dp Zm=從噴嘴出水口到沖刷面的長度(m) Vp=jet 噴口速度(m/s) Dp=jet 噴口直徑(m) t=開始沖刷後的時間(s) 因其兩條漸進線之斜率相乘為-1，則兩漸進線垂直，可知此雙曲線為一 等軸雙曲線，則式(2-8)中 A=B 方程式可改寫為： (y−yo)2 A2 -x2 A2=1 (2.11)

式(2.11)經過移項整理後： (y-yo) 2 -x2=A2 (2.12) x=[(y-yo) 2 -A2]0.5 (2.13) 圖 2-32 由試驗數據所形成之雙曲線示意圖

(

Blaisdell et al.,1981

)

並將實驗中所量測之數據代入式(2.9)、(2.110)，則可得一雙曲線，A 為 雙曲線之兩軸，雙曲線之中心點為(0,yo)，而 yo也就是極限沖刷深度所在之 處，並以迴歸方程式估計標準誤差，計算出最佳之 A 值及 yo，再由式(2-14) 計算得到 He。 yo=log( He Dp) (2.14) 由式(2.14)求得 He後代回式(2.7)求得臨界剪應力(剪應力阻抗)τc。

沖蝕係數(erodibility coefficient in m3/N-s)kd的計算方法(Hanson et al.,1997)。 重複式(2.6)： dH dt=k(τo-τc) H≦Hp dH dt=k( τoHp2 H2 -τc) H＞Hp (2.15) 將式(2.5)、(2.7)代入式(2.15)中將長度及時間無因次化轉換後(Hanson et al.,1997)為： dH∗ dT∗ = (1−Hp∗2) Hp∗2 H≦Hp dH∗ dT∗ = (1−H∗2₎ H∗2 H＞Hp (2.16) 將式(2-16)經過移項積分後(Hanson et al.,1997)： ∫ dTTp∗ ∗ 0 =∫ Hp∗2 1−Hp∗2 Hp∗ 0 dH * H*≦H_p∗ ∫ dT_TT∗ ∗ p ∗ =∫ H ∗2 1−H∗2 H∗ H_p∗ dH* H*＞Hp∗ (2.17) H*=_HH e H_p∗₌Hp He H_i∗=_HHi e T*=t Tr T_p∗₌tp Tr T_i∗=ti Tr Tr= He kdτc

Mini Jet 試驗中，時間、剪應力、沖刷深度，都存在著未知

的臨界值，

當剪應力達到臨界剪應力時，此時的沖刷深度為極限沖刷深度，為維持在 計算過程中的時間參數，所以與沖刷深度有關之參數必須除以 He，而時間 的參數中都除以 Tr。且在計算之前，必須先透過實驗求得下列三項參數： (1) Hp、tp。 (2) Hi-Hp、ti-tp。 (3) H-Hi、tm=t-ti。 Hi=由噴嘴出水口至土壤初始面的長度 Hp=由噴嘴出水口至 potential core 的長度=6.2*do ti=射流由噴嘴出水口喷射抵達土壤初始表面的時間 tp=射流由噴嘴出水口噴射至超越核心長度所需要的時間 tm=試驗中所量測的時間 試驗中所量測得到的水壓可經由換算後求得噴嘴口之初速，而 Hi為試 驗一開始所量測的初始深度、Hp的長度亦為已知(6.2*do)，因此可以計算出 ti及 tp。 基於沖刷試驗中之尾水深度極小，因此假設射流作用至土壤表面所需 的時間為零，沖蝕開始時射流狀況為核心流，試驗則持續至沖蝕穩定為止 (Stein et al.,1993)。而 Mini Jet 試驗中沖擊點並不在核心流內，為維持與 Stein et al.(1993)中相同的時間尺度，因此增加了兩個虛擬時間T_p∗_、T

其中 tm=t-ti則為試驗時真正量測的時間。 時間 tp所對應的為射流通過 Hp時所需要的時間，而在射流長度還未達 到 Hp的長度時，無因次化時間Tp∗= tp Tr可以經由式(2.22)表示為(Hanson et al.,1997)： T_p∗_=H p ∗_[ Hp∗2 (1−Hp∗2)]= Hp∗3 (1−Hp∗2) (2.18) 當射流長度超過 Hp之後，無因次化時間 T * 則為(Hanson et al.,1997)： T*=H*[ Hp ∗2 (1−Hp∗2)] H *_＞H p ∗ _(2.19) 時間 ti 定義為經由噴嘴出水口噴出之射流抵達土壤初始面所需要的時 間，在射流超過 potential core 之後達到初始面所需的時間為 ti-tp。無因次化 的時間 Ti= ti Tr，其定義可經由τc=τo( Hp He) 2_{導出(Hanson et al.,1997)：} T_i∗=0.5ln(1+Hi ∗ 1−H_i∗)-Hi ∗_-0.5ln(1+Hp∗ 1−Hp∗)+Hp ∗_+T p∗ (2.20) 現地試驗時實際量測之時間為所經的時間 t 扣除射流從噴嘴到達初始 面的時間 ti(tm=t-ti)。無因次化的時間 T * =t Tr可以定義為從初始面 Hi到達沖蝕 深度 H 所對應之時間(Hanson et al.,1997)： T*=0.5ln(1+H∗ 1−H∗)-H∗-0.5ln( 1+H_i∗ 1−H_i∗)+Hi ∗_+T i∗ (2.21) 將式(2.18)、(2.19)帶入式(2.20)可得到(Hanson et al.,1997)： T*=0.5ln(1+H∗ 1−H∗)-H∗-0.5ln( 1+Hp∗ 1−Hp∗)+Hp ∗₊ Hp∗3 1−Hp∗2 (2.22) 因 tm=t-ti，移項後 t= tm+ ti，代入式(2.23)並且移項整理後得到最終的式 (2-24) (Hanson et al.,1997)：

T

*

=

tm_T+ti r

=0.5ln(

1+H∗ 1−H∗

)-

H∗

-0.5ln(

1+H_p∗ 1−H_p∗

)+H

p ∗

₊

Hp∗3 1−H_p∗2

(2.23)

t

m

=T

r

[0.5ln(

1+H∗ 1−H∗

)-

H∗

-0.5ln(

1+H_i∗ 1−H_i∗

)+H

i ∗

]

(2.24)

式(2.24)中除 Tr以外其餘皆可由試驗中所得之參數，因此可以計算出 Tr，再由式(2.25)計算出 kd，而試驗中每一次的量測皆可求得一組 kd，將各 組 kd進行線性迴歸，求得標準差來算出最佳值。最終可得式(2.25)，並由式 (2.25)可看出並須要先有極限沖刷深度 He才能算出沖蝕係數 kd。 Tr= He kdτc (2.25) 2.3.4 Mini Jet 試驗方法

齊汝鴻(2012)所制定之 Mini Jet 現地實驗方法為參考 Hanson et al.(2001) 於美國中西部進行厚層崩積土的 Mini Jet 試驗方法及程序並加以改良。 首先於現地挑選適合試驗之地點，先將表面之風化層及其他雜物(碎石、 雜草等）以地質槌刨除，當試驗點表面之風化層已完全去除，再以手持式 砂輪機拋光表面，使試驗點表面能達到平整，即可將圖 2-26 之金屬底座， 固定於岩盤表面，並以矽利康等不透水材料密封金屬底座與岩盤表面所有 可能存在之縫隙，再將壓克力水密盒固定於金屬底座上，並將壓克力水密 盒與汙水泵浦連結，如圖 2-33 所，即可進行現地實驗。 室內實驗之試體制作參考(吳禹霆，2012)，選取適合之岩心後，以岩石 試體切割機，將岩心切割為長度約為 10 公分之試體，將試體至於鋁模中， 澆注已溶成液體之白蠟至試體上方 1 公分，待其冷卻後即可拆模取出。

將金屬底座固定於已封蠟之試體如圖 2-34 所示，並參照現地試驗之方 法。

圖 2-33 現地實驗示意圖

國外對於 Mini Jet 的試驗時間並沒有嚴格規定，但建議須符合以下二要項： (1) 量測的時間必須由短至長，且最短不可低於 15 秒，最長不可超過 10 分鐘，但考慮軟弱岩石強度遠高於土壤，為求得有效的沖蝕數據，故 將最長時間提升至 30 分鐘。 (2)總沖刷時間不可超過 120 分鐘。 而齊汝鴻(2012)將軟岩沖蝕試驗的沖刷時間分配為 0min、0.25min、 0.25min、0.5min、1min、3min、5min、10min、15min、20min、30min， 總計 85 分鐘共 11 組數據。本研究中的沖刷時間分配將沿用齊汝鴻(2012) 所訂定之方法。 2.3.5 Mini Jet 沖刷深度量測方法

Mini Jet 的量測方式為，依靠可轉部(Mini Jet 細部結構零件，於第三章 作詳細介紹)的旋轉使噴嘴出水口與量測桿中心點皆為壓克力水密盒之圓心， 如圖 2-35 圖 2-36 所示。為維持試驗過程中壓克力水密盒中完全水密且不 受泵浦開機時水壓不穩定而影響實驗精確性，故試驗過程中泵浦完全不停 機，為避免射流於量測過程中仍然攻擊試體表面，因此利用半圓形鐵片干 擾水流使試體接觸面在量測磨蝕深度的過程中不會受到射流的直接攻擊， 避免影響試驗沖刷時間的控制。此時再以圖 2-37 所示，以探頭輕觸試體表 面，再讀取量測桿所示讀數，即為試驗所得之磨蝕深度。

圖 2-35 噴嘴出水口為中心

圖 2-37 量測桿伸出探頭 2.3.6 Mini Jet 試驗簡介小結 Mini Jet 的試驗目的為利用試驗過程中所得到的數據計算出沖蝕率，以 利估計極限沖刷深度，因此必須記錄不同沖刷時間所得之沖刷深度。而齊 汝鴻(2012)成功的證實 Mini Jet 即使應用於軟弱岩石上亦可以得到如圖 2-38 所示之沖刷坑，確定原本用於土壤沖蝕的 Mini Jet 理論，亦可應於在軟 弱岩石。 試驗中必須記錄沖刷時間、水壓、量測桿讀數等三項數據(圖 2-39)， 再利用由 Cook(1998)所撰寫之 Excel 巨集，計算出

τ

_o

、

τ

_e

、

τ

_c、He、kd、ε。 如圖 2-40、圖 2-41、圖 2-42、圖 2-43 所示。

圖 2-38 試驗後所得之沖刷坑(齊汝鴻，2012)

圖 2-40 Excel 巨集參數輸入頁面(Cook，1998)

圖 2-42 計算極限沖刷深度 He的 y-x 雙曲線關係圖

3

第三章、儀器設計改良與比較及試驗方法評估

本章將說明本研究中，改良儀器的設計理念及方法，並討論美國農業 部(USDA)、齊汝鴻(2012)及本研究改良後之 Mini Jet 的差異性。

3.1 現有設備性用評估

Mini Jet 原用於土壤沖刷量測，因此水流設計強度較低，而齊汝鴻(2012) 為將 Mini Jet 改良為可用於軟弱岩石，必須增強水流強度，因此針對提高流 速及增大水壓力部分以更換動力設備(泵浦)及出水口(噴嘴)的方式得到改善， 但僅提高至最大抗剪阻抗為 580Pa(即最大剪應力 τ0)的岩石，檢討結果發現 儀器內部管路仍有改良空間。而 mini jet(USDA)的環形金屬固定座(圖 2-25)， 在打入岩盤時會造成岩石擾動出現龜裂的現象(圖 3-1)亦以更改底座固定 方式(圖 2-26)得到改善，然而底座之耐用性並不佳。齊汝鴻(2012)因忽略了 土壤沖蝕與軟岩沖蝕的沖蝕坑深度上有極大差異(圖 3-2、圖 3-3)，並沒有 對量測器(圖 2-22)部分做精度上的改良，造成量測時容易產生誤差。 因此本研究特別針對內部管路設計，量測器及底座耐用性，進行改良。

圖 3-1 岩盤因固定時的擾動產生裂縫(齊汝鴻，2012)

圖 3-3 Mini Jet 軟岩沖蝕之沖蝕坑

3.2 試驗儀器改良

本研究儀器的改良以齊汝鴻(2012)的 Mini Jet 軟岩型(圖 2-20)作為雛形， 並依照 Hanson(1997)之設計原理，搭配前節的評估及齊汝鴻(2012)所提出之 修改建議，保留適合之元件，針對不適用部分做進一步探討，並以設備之 機動性及耐用性為設計理念，降低使用限制，尋求合理方式設計改良能更 妥善應用於軟弱岩石之儀器。 齊汝鴻(2012)，不論是室內或現地試驗皆出現非沖蝕中心點亦有岩體表 面剝離的現象如圖 3-3 圖 3-4，尤以室內試驗的狀況更加明顯(圖 3-4)(原因 說明於 3.4 節)

圖 3-4 室內試驗岩體剝離 針對此問題，現地試驗以改良岩體沖刷表面的準備方法進行改良，室內實 驗則開發新型室內專用儀器，避免岩體表面剝離的狀況發生。 3.2.1 設計流程 本研究中所採用之 Mini Jet 除了在內部管路、量測桿及耐用性做改良亦 對實驗方法加以修改，尤其以室內試驗方法改變最甚。以下為本研究的設 計步驟(參考齊汝鴻，2012)： (1) 儀器設計目的探討：確認所需的試驗項目與功能。 (2) 儀器系統改良與建立：繪製儀器設計圖。 (3) 儀器裝設與測試：組裝已製作完成之零件，並逐項測試各零件及其 功能。

(4) 室內試驗：採用現地取回岩塊，製作成室內實驗用試體進行 Mini Jet 軟岩沖蝕測試試驗。 (5) 現地試驗：挑選已有河道下切、側壁沖刷或有可能出現上述兩 種狀況的河川，於其河道上進行 Mini Jet 現地河道軟岩平面及側壁沖蝕 測試試驗。 (6) 試驗結果分析與探討：彙整室內試驗及現地試驗的結果，確認數據 的合理性，且進一步探討試驗方法與實際河道沖蝕的相關性及後續的 發展方向。

3.3 試驗方法改良

齊汝鴻(2012)最終提出藉由更換泵浦馬力或噴嘴的方式改變流速，用以 取得相同岩性下不同流速的沖蝕率，分析流速與沖蝕率的關係，以此估計 岩性、流速、沖蝕率，三者之間的關係。經由泵浦資料蒐集及各種噴嘴種 類做過測試。如要提升泵浦馬力，則泵浦本身重量及發電機重量，皆有數 十公斤以上的提升，考量到現地實驗的便利性及以及安全性(試驗過程、現 地器材移動)，因此排除再提升泵浦馬力一途。噴嘴類型大致上可分為噴霧 類型及噴霧角度兩種，如圖 3-5、圖 3-6 所示。

圖 3-5 噴嘴類型(擷取自思沛雅噴霧器材有限公司網站)

考量到試驗需求，需要水柱集中及強度集中等需求，因此角度依然選 擇噴霧角度最小(0 度)之噴嘴並嘗試各型號之噴嘴，並無太大差異，最終選 用型號 JCA1490 之噴嘴，J 代表 J 系列， C 代表螺牙的尺寸為 3/8in， A 代表噴霧角度 0 度，1490 為流量代碼，表示當壓力為 12psi 時流量為 3.846*10-5m3/s、出口流速為 11.1m/s，等效噴口直徑為 2.1mm(0.083in)，材 質為白鐵。 考量提高水壓及流速之可行性偏低，且參考， 2009 年 8 月莫拉克颱風 期間各個流量站所量測之流速不超過 11m/s(齊汝鴻，2012 改良後的儀器出 口流速為 11.1m/s) (經濟部水利署，2010)。颱風期間，水中濁度高達 10000ppm，因此，應進行濁水下的沖蝕試驗。 因此本研究之試驗方法，以水中細粒料之粒徑及含泥量控制，作為試 驗的控制條件，並彙整試驗所得之數據，探討粒料粒徑及含泥量對於沖蝕 率的影響。 3.3.1 粒徑大小及含泥量配置 本研究試驗中所需之粒料粒徑大小的選擇參考 Rouse(1936)Sklar & Dietrich (2004)對懸浮載粒徑範圍的建議(表 3-1)及台灣洪水期間的懸浮載 粒徑分佈資料(圖 3-7)，挑選通過篩號#40(0.425mm) 、#60(0.250mm) 、 #100(0.150mm) 、#200(0.075mm)的粒料，作為試驗的材料。

表 3-1 懸浮載粒徑分佈建議 懸浮載種類 顆粒於水流中行為 粒徑範圍(mm) Bed Load _{顆粒以滑移、彈跳、} 滾動方式於底床輸送 0.1 以上 50% Suspended Load 懸浮載於水流中顆粒 下降接觸底床，又因 水流上升懸浮 0.04~0.1 100% Suspended Load 完全懸浮於水流中， 對底床影響很小 0.0015~0.04 Wash Load _{對於底床影響相近於} 清水水流作用 0.0015 以下 圖 3-7 台灣洪水期間河川泥沙粒徑分佈(經濟部水利署，2011)

為進行濁水濃度的影響探討，濃度配置則參考吳佳諺(2011)，以 1000ppm、 5000ppm、10000ppm 三種濃度進行試驗以模擬常時水流、豪大雨、颱風侵 襲時之河川含泥量。 並以各種不同粒徑大小進行三種濃度的試驗，詳細試驗規劃詳見表 3-2，表 中之 MiX 欄位，為參照新竹市頭前溪竹中大橋段，現地取回之河床底泥經 由篩分析試驗及比重計試驗取得之粒徑資料配製而成，其粒徑分佈詳見， 表 3-3、圖 3-8 並參照粒徑分佈資料配置由通過：#40、#60、#100、#200 四種不同粒徑之土壤，依比例混合而成。 表 3-2 Mini Jet 試驗濃度與粒徑配置 粒徑\濃度 1000ppm 5000ppm 10000ppm 通過#40 (0.425mm) 單一粒徑 濃度 1000ppm 單一粒徑 濃度 5000ppm 單一粒徑 濃度 10000ppm 通過#60 (0.250mm) 單一粒徑 濃度 1000ppm 單一粒徑 濃度 5000ppm 單一粒徑 濃度 10000ppm 通過#100 單一粒徑 濃度 1000ppm 單一粒徑 濃度 5000ppm 單一粒徑 濃度 10000ppm Mix _混合粒徑 濃度 1000ppm 混合粒徑 濃度 5000ppm 混合粒徑 濃度 10000ppm

表 3-3 頭前溪竹中大橋段河床底泥粒徑分佈資料 取土樣重 W_soil =1000 g Sieve number Sieve opening (mm) 乾篩淨重 (g) 篩及 殘留土重 (g) Mass retained (g) Mass passing (g) Percent finer by weight (%) #4 4.750 350.5 351 0.5 999.5 99.95 #10 2.000 326 360 34 965.5 96.55 #40 0.425 283 456 173 792.5 79.25 #60 0.250 276 486 210 582.5 58.25 #100 0.150 276.5 564.5 268 314.5 31.45 #200 0.075 259 403 144 170.5 17.05 底盤 272 422.5 170.5 0.00 0.00 總樣本重 W_total =1000 g

3.3.2 試驗粒料來源 試驗過程中需要大量粒徑細小之粒料，以單一次試驗過程所需水量 150L 為例，三種不同濃度所需量如表 3-4。 表 3-4 試驗所需土重 試驗濃度 1000ppm 5000ppm 10000ppm 所需土重 150(g) 750(g) 1500(g) 試驗粒料選自石門水庫之淤泥如圖 3-9。淤泥處理步驟如下： (1) 雜物去除：將取回之淤泥混入水中均勻攪拌，再以 10 號篩(2mm) 過濾去除淤泥中之枯枝及碎礫。 (2) 粒料烘乾：將以清理完畢之淤泥，再以清水攪拌過後裝盤烘乾。 (3) 粒料製作：將烘乾 48 小時後，水份已完全去除之淤泥，以手持式 夯錘，將其搗碎。 (4) 粒料過篩：將以烘乾、搗碎之淤泥，置入自動搖篩機，十分鐘後將 殘留於各篩號上之淤泥，裝箱封存待試驗所需。

圖 3-9 石門水庫淤泥

3.4 改良儀器組件與構造

本儀器依照 3.1 節及 3.3 節所述進行進行改良，改良重點包括內部管路、 底座、量測桿。並針對 3.2 節所提及之試體表面剝離問題如圖 3-3 圖 3-4， 製作一反力架及室內用壓克力水密盒以穩定試驗時的水流避免產生紊流。 3.4.1 Mini Jet 儀器構件設計 本節將針對本研究改良儀器之構件設計及製作完成的成品加以說明。 總計有 9 樣構件詳見表 3-5，其中室內壓克力水密盒及 Mini Jet 試驗專用反 力架為本研究所研製。其餘構件則以 Mini Jet 土壤型(USDA)及 Mini Jet 軟 型(齊汝鴻，2012)作為製造參考範本。 表 3-5 Mini Jet 改良構建表 名稱 材質 承攬商 (1)固定底座 銅製 順群精密有限公司 (2)可替針腳 白鐵製 順群精密有限公司 (3)可轉部 銅製 順群精密有限公司 (4)固定部 銅製 順群精密有限公司 (5)弧形環片 不鏽鋼製 順群精密有限公司 (6)量測桿 白鐵製 順群精密有限公司 (7)壓克力盒 壓克力製 奇華事業有限公司 (8)室內用壓克力盒 壓克力製 奇華事業有限公司 (9)反力架 角鋼 自製 底座的設計、改良與製作 底座的作用方為固定儀器於岩石表面，固定尾水深度及沖蝕中心點並 維持試驗時之水密，但將底座嵌入岩石表面時常需以外力敲擊，造成固定

針腳歪曲變形，破壞實驗過程的穩定性。因此本研究針對底座下部壁厚、 止水 O-ring 及固定針腳作強化，底座下部壁厚部分由原本之 5mm 增厚至 12mm，避免嵌入過程中造成底座變形或破裂，並將針腳改為可替式且將材 質改為耐用性遠高於黃銅的白鐵。止水 O-ring 原本放置於底座上部內緣凹 槽，止水效果雖然不錯，但影響壓克力盒的便利性，甚至可能在拆裝過程 中造成壓克力水密盒損毀，因此更改 O-ring 放置位置，壓克力盒安裝方式 則改為以螺牙固定而非過去的外力施壓固定。其設計圖及成品如圖 3-11、 圖 3-12、圖 3-13、圖 3-14、圖 3-15 所示。 圖 3-11 (1)固定底座上視及下視圖

圖 3-12 (1)固定底座側視圖

圖 3-14 (1)固定底座下半部

可轉部的設計、改良與製作 可轉部為控制噴嘴出水衝擊點及量測桿探測點位置的構件，透過 90 度 的旋轉使衝擊點及探測點皆能位於壓克力水密盒圓心之構件。可轉部亦為 裝設量測桿及水流管線的構件，上部螺孔一為裝設量測桿另一螺孔用以連 接管線，下部只有一個螺孔為噴嘴裝設位置。由泵浦 2in 出口排出的強力水 流透過線路轉接縮管至 3/8in，但齊汝鴻(2012)設計之可轉部，管線螺牙為 1/8in，因此必須再以轉接頭縮為 1/8in，此縮管造成水壓散失，因此本研究 中將可轉部的內部管路修改為上部開口為 3/8in，下部開口為維持零件耐用 性設計為 1/4in。設計圖及成品如圖 3-16、圖 3-17、圖 3-18、圖 3-19 所示。

圖 3-18 (3)可轉部成品上部

固定部的設計與製作 固定部為 Mini Jet 試驗儀所有零件中，唯一一個必須固定於壓克力水密 盒上之構件。中間的空心部份與可轉部吻合，將可轉部穿過中間，使其可 以在固定部上旋轉，而固定部上部凹槽其功能為，與可轉部下部螺絲接合， 控制旋轉角度，並利用三根長度 64mm 之細銅柱與弧形環片連接，弧形環 片功用為阻擋水流攻擊試體表面，使量測過程中噴射水流會先受到弧形環 片阻擋，不會直接攻擊試體。其設計圖與成品如圖 3-20、圖 3-21、圖 3-22、 圖 3-23、圖 3-24 所示。 圖 3-20 (4)固定部設計圖(左為上視、中為側視、右為下視) 圖 3-21 (5)弧形環片設計圖

圖 3-22 (4)固定部成品上部

圖 3-24 (3)可轉部、(4)固定部及(5)弧形環片成品組合 量測桿的設計、改良與製作 量測桿是由四個零件結合而成，分別為中空黃銅管、中空活動管、探 測桿﹑游標卡尺。其中，中空黃銅管用以增加量測桿高度，方便觀測時眼 睛能與游標卡尺刻度平視，中空活動管提供探測桿上下移動時的活動空間， 這兩個部分因為設計上並無不良，因此並無重新設計，考慮耐用性而重新 製造新品並保留中空黃銅管及中空活動管作為備用。探測桿及游標卡尺部 分為量測桿改良部分之重點，齊汝鴻(2012)所設計之探測桿底部為一個直徑 5mm 的圓柱，如此可能因沖蝕坑發展未完全下，寬度未超過 5mm 而造成量 測上的困難，故改以直徑 3mm 的半圓球取定原為 5mm 的圓柱，並以量測 精度 0.02mm 的游標卡尺取代 USDA 及齊汝鴻(2012)所用的量測精度為 1mm 的鐵尺，克服試驗中軟弱岩石的沖刷坑遠小於土壤時，量測精度的不足。 以上四個零件的設計圖及成品和組裝如圖 3-25、圖 3-26、圖 3-27、圖 3-28、 圖 3-29。

圖 3-25 中空黃銅管設計圖(齊汝鴻，2012)

圖 3-27 中空活動管及探測桿設計圖