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重點業務與回顧

經濟部水利署

水利規劃試驗所

Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs
水利規劃試驗所
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  2. 重點業務與回顧
  3. 試驗類
  4. 現行重點業務

河道堤防之基腳沖刷與保護試驗研究

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  1. 計畫背景與緣由

    臺灣河川堤防基腳傾倒破壞的原因中,斜向水流衝擊為其重要的影響因素。斜向水流衝擊堤防時,會改變水流方向,並造成堤防基腳前河道底床之劇烈沖刷。水利署河川局於洪氾堤防破壞時,亦能適時地進行緊急搶險與災後復建工程,由於缺乏相關洪水斜向水流對堤防基腳沖刷經驗式的現場調查驗證,對於堤防設計與復建完成後的堤防抗洪成效仍難掌握。

    本計畫以物模進行試驗研究,整體計畫期程預計9年(民國101年~109年),分3期執行,經由建置不同斜向水流攻角之水工模型基本試驗水槽,並依照各項獨立控制變數(定量流量、底床砂粒徑、底床坡度、變量流尖峰流量及峰型)進行一系列基腳沖刷與保護清水試驗組合,相關試驗成果期能提供規劃、設計與工程管理單位執行時之參考。

  2. 整體計畫內容與期程

    本計畫主要工作項目有物模基本試驗配置、基腳沖刷清水試驗組合及各期成果分析等。斜向水流攻角計有30度、60度、75度等3種,採用5種均勻底床砂粒徑、17種定量流量、5種底床坡度、5種變量流尖峰流量及峰型,總試驗組數計336組,整體試驗內容與期程列如表1。

    表1 整體計畫分期試驗組數
    期別 第1期 第2期 第3期
    期程 101年~103年 104年~106年 107年~109年
    水流攻角(度) 30 60 75
    定床試驗(組) 18 15 6
    動床試驗(組) 52 36 29
    保護試驗(組) 14 49 82
    變量流試驗(組) - 35 -
    合計組數 84 135 117
  3. 試驗技術性說明

    1. (一)試驗目的

      1. 1. 定床試驗:經施放固定流量,量測各斷面水位與流速剖面,據以瞭解斜向水流的水理流場特性。
      2. 2. 動床試驗:經施放固定流量,量測試驗過程中水槽右側底床剖面之沖淤歷程及試驗後之底床沖淤變化,據以探討來流一般沖刷與基腳最大沖刷。
      3. 3. 保護試驗:經搭配布置基腳保護工後,施放固定流量,量測試驗後之底床沖淤變化,據以探討基腳保護工的布置效果。
      4. 4. 變量流試驗:經施放變化流量,量測試驗過程中水槽右側底床剖面之沖淤歷程及試驗後之底床沖淤變化,據以探討在變量流下之來流一般沖刷與基腳最大沖刷。
    2. (二)模型種類:採用等比模型。

    3. (三)模型比尺:模型比例尺1/50及1/100。

    4. (四)相似律:採用福祿律相似。

    5. (五)模型配置:第1~3期分別採用30度、60度及75度斜向水流攻角之水槽布置,如圖1~圖3所示

      第1期(101年~103年)之30度斜向水流攻角水槽平面配置

      圖1 第1期(101年~103年)之30度斜向水流攻角水槽平面配置

      第2期(104年~106年)之60度斜向水流攻角水槽平面配置

      圖2 第2期(104年~106年)之60度斜向水流攻角水槽平面配置

      第3期(107年~109年)之75度斜向水流攻角水槽平面配置

      圖3 第3期(107年~109年)之75度斜向水流攻角水槽平面配置

  4. 已完成工作與成果

    第1期已完成表1所列84個試驗組數,獲得重要成果如下:

    1. (一)基腳最大沖刷與來流一般沖刷

      本項物模試驗值與現場觀測值經整體迴歸後,所得之經驗式關係良好(圖4),可據以提供現場實務設計參考。

      基腳最大沖刷及來流一般沖刷比較圖

      圖4 30度斜向流之基腳最大沖刷及來流一般沖刷比較圖

    2. (二)基腳保護工布置方式

      第1期各保護試驗後異型塊體均維持完整者之最大沖刷深度均有明顯減小效果,其比值平均約可減小50%的最大沖刷深度。本項布置方式(圖5)可先提供河川局堤防復建工程設計參考。

      30度斜向水流之基腳保護建議布置方式

      圖5 30度斜向水流之基腳保護建議布置方式

    延伸閱讀:河道堤防之基腳沖刷與保護試驗研究(第1期).pdf
    延伸閱讀:試驗影片1(右側底床沖淤.avi);試驗影片2(底床沙波運移.avi)

    第2期已完成表1所列135個試驗組數,獲得重要成果如下:

    1. (一)基腳最大沖刷與來流一般沖刷

      本項物模試驗值經迴歸後,所得之經驗式關係良好(圖6),可據以提供現場實務設計參考。

      基腳最大沖刷及來流一般沖刷比較圖

      圖6 基腳最大沖刷及來流一般沖刷比較圖

    2. (二)基腳保護工布置方式

      第2期各保護試驗後異型塊體均維持完整者之最大沖刷深度均有明顯減小效果,其比值平均約可減小50%以上的最大沖刷深度。本項布置方式(圖7)可提供河川局堤防復建工程設計參考。

      洪峰有效
      稽延時間
      (`t_p`)
      來流單位
      寬度流量
      (`q_p`)
      底床粒徑
      (`d_(so)`)
      10T異型
      塊1:7斜放寬度
      (`L_1`)
      第1排塊底
      距平均深槽
      高之深度
      (`d_(L1)`)
      10T異型塊
      加強平放寬度
      (`L_2`)
      (hr) (m2/s) (mm) (m) (m) (m)
      48 10 21.0 14.0 2.25 4.3
          42.0 14.0 2.50 4.5
          84.0 14.0 2.75 4.8
          169.0 14.0 3.00 5.0
        15 21.0 16.0 3.00 5.3
          42.0 16.0 3.30 5.6
          84.0 16.0 3.65 6.0
          169.0 16.0 4.00 6.3
        20 21.0 17.5 3.75 6.3
          42.0 17.5 4.10 6.6
          84.0 17.5 4.50 7.0
          169.0 17.5 4.90 7.4
      60度斜向流堤防基腳保護塊布置方式設計參考圖

      圖7 60度斜向流堤防基腳保護塊布置方式設計參考圖

      延伸閱讀:河道堤防之基腳沖刷與保護試驗研究(第2期).pdf
  5. 本期工作概要

    本(第3)期布置75度斜向水流攻角試驗水槽(圖3),工作概要如下:

    1. (一)107年度

      1. 1. 完成動床試驗6組及保護試驗36組,合計42組清水試驗組合。
      2. 2. 108年1月21日已辦理完成107年度成果報告暨108年度期初簡報審查。
    2. (二)108年度

      108年1~4月已辦理完成動床試驗5組及保護試驗16組,合計21組清水試驗組合。
  6. 試驗情形剪影

    照片1 試驗情形案例剪影:
    • 第1期定床試驗(a)第1期定床試驗
    • 第1期動床試驗(b)第1期動床試驗
    • 第1期保護試驗(c)第1期保護試驗
    • 第2期定床試驗(d)第2期定床試驗
    • 第2期動床試驗(e)第2期動床試驗
    • 第2期保護試驗(f)第2期保護試驗
    • 水利署長蒞臨參觀指導(g)水利署長蒞臨參觀指導
    • 水利署長蒞臨參觀指導(h)水利署長蒞臨參觀指導