黃宏斌臺灣大學：生物環境系統工程學研究所陳盈男Chen, Ying-NanYing-NanChen2007-11-272018-06-292007-11-272018-06-292005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/56011本研究蒐集國內、外梳子壩流量計算相關設計案例及研究文獻，以流體力學及渠道水力學之理論為基礎，利用連續方程式、能量方程式及動量方程式，並參考計算橋墩能量損失之方法，推導出水流經梳子之能量損失，並考慮斷面束縮、梳子壩開口間距及梳子壩開口數等因子，推導出一適合梳子壩之流量推估公式，試驗分成水深過梳子與水深未過梳子兩部分，分別各設計四種不同梳子間距、三種不同跌水及河床坡度、每個坡度設計四種不同之流量以進行水理試驗，利用所得之360組流量數據進行分析，提出下列主要結果： 1. 在水深過梳子時或水深未過梳子兩種狀況下，能量消減程度皆會隨著跌水變高而跟著增加，水深此因子對於能量消減程度之改變則沒有一定之關係。 2. 水深大於梳子時，傳統防砂壩公式無法代表梳子壩之流量，依本研究之結論，流量公式需乘上一修正係數，才能切合實際情形，得到之關係式如下： ，其中R2=0.88 3. 經由本研究之分析探討，在水深未過梳子情況下可得到一梳子壩之流量推估公式如下： ，其中R2=0.87 式中：Q=梳子壩之流量（cms）； B=壩寬（m）； b n =梳子間距總長（m）；S=河床坡度 h=觀測水頭（m）；n=梳子壩柱數目 g=重力加速度（m/s2）The project proposes to collect the international and domestic literatures and design cases associated with flume experiments to derive the flow discharge model of slit dams and their spillways. The model utilizes the fundamentals of fluid mechanics and open channel mechanics. It employs continuity equation, momentum equation, energy equation, and the method of calculating the energy loss of piers to derive the energy loss associated with the flows between slit dams. The model also takes into account of section contraction, the distance between dams, and the number of dams to formulate the slit dam discharge equation. The flume experimental divides into the flow depth over comb and the flow depth not yet over two parts, setup involves four various distances between the dams and discharge for every slope, three different drops and bed slopes. The 360 set data obtained is analyzed to propose capital result model. 1. In the flow depth over comb or the flow depth not yet over two situaion, energy reduced rate will all be followed to increase as become high to drop, the factor of flow depth is no certain relation in this change to the thing that energy reduced rate. 2. For discharge formula of dam in soil and water conservation manual used in Taiwan area, by way of this project that there is phenomenon underestimated seriously to emerge in discharge formula estimating the slit dam with this discharge formula, it is unsuitable to use for what has been designed the slit dam on the engineering, need to do a revision of Cd value, could be geared to actual circumstances the situation, the relational formula received is as follows: ，which R2=0.88 3. When the flow depth are higher than comb, the formula of traditional check dam can’t represent the discharge of slit dam, with the result of this study, the discharge formula must multiply a correct coefficient to conform to realize situation, get a relationship formula as follows: ，which R2=0.87 Where, Q= the discharge of slit dam(cms); B=dam width(m) b=comb interval length(m) ;S=bed slope h=observing water head(m) ;n=numbers of comb g=acceleration of gravity目錄 摘要………………………………………………………………….........I ABSTRACT …………………………………………………………... III 目錄………....………………………………………………………… Ⅴ 圖目錄…………………………………………..……………................Ⅶ 附表目錄………………………………………………………………..Ⅷ 附圖目錄………………………………………………………………..Ⅸ 照片目錄……………..………………………….…...........................ⅩⅩ 附錄………………………………………………………………….ⅩⅩI 一、前言…………………………………………………..………………1 二、前人研究…………………………………………………………….3 2-1寬頂堰（Broad-crested weir）…..…………………………………4 2-2梯形薄板堰 (Trapezoidal thin-plate weir)..……………………..7 2-3防砂壩 (Dam)……………………………………………………8 三、理論分析…………………………………………..……….………12 3-1水流流況………………………………………………..………12 3-2理論推導………………………………………………..………12 3-3各流量公式比較……………………………………………..…16 四、試驗方法與模型設計..……………………………………………..19 4-1梳子壩模型…………………………………………………..…19 4-2試驗設備………………………..………………………………20 4-3試驗方法………………………..………………………………21 4-4模型相似………………………..………………………………24 伍、結果與討論…………………..……………….……………………25 5-1水位剖面線之結果分析……………..…………………………25 5-2能量線之結果分析……………..………………………………26 5-3台灣地區防砂壩常用流量公式之檢討………………………..28 5-4推估梳子壩之流量公式………………..………………………30 六、結論……………………………..…………………………………..32 七、參考文獻……………………………..……………………………..34 圖目錄 圖2-1 寬頂堰示意圖……………………………………………………4 圖2-2 單一開口與多開口斷面示意圖………………………………..10 圖3-1 水位示意圖……….…………………………………………….13 圖3-2 水位流量關係圖……….…………………………….................16 圖3-3 梯形堰之流量公式比較………………………..........................17 圖3-4 梯形寬頂堰和梯形銳緣堰之流量比較………………………..18 圖4-1 梳子壩柱數目與過壩水位關係圖……………………………..20 圖4-2 渠槽示意圖（單位:公尺）……………………………..............21 圖4-3 水位量測位置示意圖…………………………………………..22 圖5-1能量消減率與水深之關係分佈圖................................................28 圖5-2 Cd值與梳子壩水深關係圖...........................................................30 附表目錄 附表4-1 各現地梳子壩尺寸表………………………………………..39 附表5-1 各試驗之數據表（水深未過梳子）………..…………………40 附表5-2 各試驗之數據表（水深過梳子）………..……………………45 附表5-3 實驗數據套入梯形堰公式所得之Cd值（一個間距）………51 附表5-4 實驗數據套入梯形堰公式所得之Cd值（三個間距）………51 附表5-5 實驗數據套入梯形堰公式所得之Cd值（六個間距）………52 附表5-6 實驗數據套入梯形堰公式所得之Cd值（九個間距）………53 附表5-7 實驗數據套入梯形堰公式所得之Cd值（防砂壩）…………..54 附圖目錄 附圖4-1 沒有梳子壩柱之梳子壩模型示意圖………………………..56 附圖4-2 兩隻梳子壩柱之梳子壩模型示意圖………………………..57 附圖4-3 五隻梳子壩柱之梳子壩模型示意圖………………………..57 附圖4-4 八隻梳子壩柱之梳子壩模型示意圖………………………..58 附圖4-5 傳統防砂壩模型示意圖……………………………………..58 附圖5-1水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(1)(一個梳子間距，S=0.01，跌水5cm)…………………………………………………..59 附圖5-2水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(2)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水5cm)…………………………………………………..59 附圖5-3水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(3)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水5cm)………………………………………………......59 附圖5-4水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(4)( 一個梳子間距，S=0.01，跌水6.2cm)………………………………………………...60 附圖5-5水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(5)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水6.2cm)…………………………………………….…60 附圖5-6水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(6)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水6.2cm) ………………………………………………..60 附圖5-7水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(7)( 一個梳子間距，S=0.01，跌水7.4cm)………………………………………………...61 附圖5-8水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(8)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水7.4cm)………………………………………………...61 附圖5-9水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(9)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水7.4cm)………………………………………………...61 附圖5-10水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(10)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水5cm)………………………………………………......62 附圖5-11水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(11)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水5cm)…………………………………………..……..62 附圖5-12水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(12)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水5cm)………………………………………………....62 附圖5-13水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(13)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水6.2cm)………………………………………………...63 附圖5-14水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(14)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水6.2cm)………………………………………………...63 附圖5-15水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(15)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水6.2cm)………………………………………………...63 附圖5-16水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(16)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水7.4cm)………………………………………………...64 附圖5-17水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(17)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水7.4cm)………………………………………………...64 附圖5-18水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(18)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水7.4cm)………………………………………………...64 附圖5-19水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(19)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水5cm)…………………………………………………..65 附圖5-20水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(20)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水5cm)…………………………………………………..65 附圖5-21水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(21)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水5cm)…………………………………………………..65 附圖5-22水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(22)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水6.2cm)………………………………………………...66 附圖5-23水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(23)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水6.2cm)………………………………………………...66 附圖5-24水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(24)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水6.2cm)………………………………………………...66 附圖5-25水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(25)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水7.4cm)………………………………………………...67 附圖5-26水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(26)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水7.4cm)………………………………………………...67 附圖5-27水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(27)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水7.4cm)………………………………………………...67 附圖5-28水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(28)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水5cm)…………………………………………………..68 附圖5-29水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(29)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水5cm)…………………………………………………..68 附圖5-30水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(30)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水5cm)…………………………………………………..68 附圖5-31水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(31)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水6.2cm)………………………………………………...69 附圖5-32水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(32)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水6.2cm)………………………………………………...69 附圖5-33水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(33)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水6.2cm)………………………………………………...69 附圖5-34水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(34)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水7.4cm)………………………………………………...70 附圖5-35水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(35)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水7.4cm)………………………………………………...70 附圖5-36水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(36)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水7.4cm)………………………………………………...70 附圖5-37水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(37)(防砂壩，S=0.01，跌水5cm)………………………………………………………71 附圖5-38水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(38)(防砂壩，S=0.02，跌水5cm)………………………………………………………71 附圖5-39水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(39)(防砂壩，S=0.05，跌水5cm)………………………………………………………71 附圖5-40水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(40)(防砂壩，S=0.01，跌水6.2cm)…………………………………………………….72 附圖5-41水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(41)(防砂壩，S=0.02，跌水6.2cm)…………………………………………………….72 附圖5-42水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(42)(防砂壩，S=0.05，跌水6.2cm)…………………………………………………….72 附圖5-43水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(43)(防砂壩，S=0.01，跌水7.4cm)…………………………………………………….73 附圖5-44水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(44)(防砂壩，S=0.02，跌水7.4cm)…………………………………………………….73 附圖5-45水深未過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(45)(防砂壩，S=0.05，跌水7.4cm)…………………………………………………….73 附圖5-46水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(1)( 一個梳子間距，S=0.01，跌水4.4cm)………………………………………………74 附圖5-47水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(2)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水4.4cm)………………………………………………...74 附圖5-48水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(3)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水4.4cm)………………………………………………...74 附圖5-49水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(4)( 一個梳子間距，S=0.01，跌水5.6cm)………………………………………………...75 附圖5-50水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(5)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水5.6cm)………………………………………………...75 附圖5-51水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(6)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水5.6cm)………………………………………………...75 附圖5-52水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(7)( 一個梳子間距，S=0.01，跌水6.8cm)………………………………………………...76 附圖5-53水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(8)( 一個梳子間距，S=0.02，跌水6.8cm)………………………………………………...76 附圖5-54水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(9)( 一個梳子間距，S=0.05，跌水6.8cm)………………………………………………...76 附圖5-55水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(10)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水4.4cm)………………………………………………...77 附圖5-56水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(11)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水4.4cm)………………………………………………...77 附圖5-57水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(12)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水4.4cm)………………………………………………...77 附圖5-58水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(13)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水5.6cm)………………………………………………...78 附圖5-59水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(14)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水5.6cm)………………………………………………..78 附圖5-60水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(15)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水5.6cm)………………………………………………..78 附圖5-61水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(16)( 三個梳子間距，S=0.01，跌水6.8cm)………………………………………………..79 附圖5-62水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(17)( 三個梳子間距，S=0.02，跌水6.8cm)………………………………………………..79 附圖5-63水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(18)( 三個梳子間距，S=0.05，跌水6.8cm)………………………………………………..79 附圖5-64水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(19)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水4.4cm)………………………………………………...80 附圖5-65水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(20)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水4.4cm)…………………………………………….…..80 附圖5-66水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(21)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水4.4cm)…………………………………………….…..80 附圖5-67水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(22)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水5.6cm)…………………………………………….…..81 附圖5-68水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(23)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水5.6cm)…………………………………………….…..81 附圖5-69水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(24)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水5.6cm)………………………………………….……..81 附圖5-70水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(25)( 六個梳子間距，S=0.01，跌水6.8cm)…………………………………………….…..82 附圖5-71水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(26)( 六個梳子間距，S=0.02，跌水6.8cm)………………………………………………...82 附圖5-72水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(27)( 六個梳子間距，S=0.05，跌水6.8cm)………………………………………………...82 附圖5-73水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(28)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水4.4cm)………………………………………………...83 附圖5-74水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(29)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水4.4cm)………………………………………………...83 附圖5-75水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(30)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水4.4cm)………………………………………………...83 附圖5-76水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(31)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水5.6cm)………………………………………………...84 附圖5-77水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(32)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水5.6cm)………………………………………………...84 附圖5-78水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(33)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水5.6cm)………………………………………………...84 附圖5-79水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(34)( 九個梳子間距，S=0.01，跌水6.8cm)………………………………………………...85 附圖5-80水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(35)( 九個梳子間距，S=0.02，跌水6.8cm)………………………………………………...85 附圖5-81水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(36)( 九個梳子間距，S=0.05，跌水6.8cm)………………………………………………...85 附圖5-82水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(37)(防砂壩，S=0.01，跌水4.4cm)…………………………………………………….86 附圖5-83水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(38)(防砂壩，S=0.02，跌水4.4cm) ……………………………………………………86 附圖5-84水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(39)(防砂壩，S=0.05，跌水4.4cm) ……………………………………………………86 附圖5-85水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(40)(防砂壩，S=0.01，跌水5.6cm) ……………………………………………………87 附圖5-86水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(41)(防砂壩，S=0.02，跌水5.6cm) ……………………………………………………87 附圖5-87水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(42)(防砂壩，S=0.05，跌水5.6cm) ……………………………………………………87 附圖5-88水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(43)(防砂壩，S=0.01，跌水6.8cm) ……………………………………………………88 附圖5-89水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(44)(防砂壩，S=0.02，跌水6.8cm) ……………………………………………………88 附圖5-90水深過梳子之梳子壩水位線與能量線圖(45)(防砂壩，S=0.05，跌水6.8cm) ……………………………………………………88 附圖5-91水深過梳子時跌水對能量線消減之影響（S=0.01）………..89 附圖5-92水深未過梳子時跌水對能量線消減之影響（S=0.01）……89 附圖5-93水深對能量線消減之影響（水深過梳子，S=0.02）…………90 附圖5-94水深對能量線消減之影響（水深未過梳子，S=0.02）………90 附圖5-95流速對能量線消減之影響（水深過梳子，S=0.02）…………91 附圖5-96流速對能量線消減之影響（水深未過梳子，S=0.02）………91 照片目錄 照片 1試驗渠槽…………………………………………....................111 照片 2水尺……….………………………...........................................112 照片3 梳子壩模型(1)………………………………………………...112 照片4 梳子壩模型(2)………………………………………………...113 照片5 梳子壩模型(3)……………………………………………..….113 照片6 梳子壩模型(4)……………………………………………...…114 照片7 防砂壩模型(5)……………………………………………...…114 照片8 試驗量測情形(1) …………………………………………......115 照片9 試驗量測情形(2) …………………………………………......115 照片10 試驗量測情形(3) …………………………………………....116 照片11 梳子壩之跌水(1) …………………………………………....116 照片12 梳子壩之跌水(2) …………………………………………....117 照片13 防砂壩之跌水…………………………………………..........117 照片14 試驗流況(1) …………………………………………............118 照片15 試驗流況(2) …………………………………………............118 照片16 試驗流況(3) …………………………………………............119 照片17 試驗流況(4) …………………………………………............119 照片18 壩上游水躍發生情形………………………………………..120 附錄一 梳子壩之模型相似與安定分析 附錄二 照片1539051 bytesapplication/pdfen-US梳子壩水槽試驗能量損失slit damflume experimentenergy 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