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第四章：實驗設備、佈置與步驟

4.1實驗設備

　　本實驗於淡江大學海洋工程實驗室之矩型斷面水槽中進行，水槽全長30公尺、寬0.4公尺、高0.8公尺。前端有一定水頭水箱，由水箱下方5Hp及10Hp兩具馬達提供水源。水流由水槽後端之迴水口流至下方迴水箱中，再由馬達抽至定水頭水箱形成循環水流，迴水口前有一擋水板，必要時可升起阻擋水流入迴水箱以量測流量。水槽側面有標上刻度的透明玻璃觀測窗可供實驗中觀測。定水頭水箱出水口前端裝設有加沙容器。水槽示意圖如圖4.1。

流速由日制ACM-250電磁式流速計量測，此流速計可同時量測X、Y二維方向之流速，其量測範圍為0~±250 cm/sec，類比輸出0~±5V。流速計在出廠前由原廠率定並提供率定表，在實驗前只需作歸零調整。地形及水深以國內自制之砂面測高儀量測，其精度可至0.01mm。底床質方面取1.364公斤的細沙作篩分析，結果如圖4.2，D50=0.265mm。

4.2流量率定實驗

4.2.1實驗佈置

為方便控制實驗所需流量，因此先以定床做流量率定實驗，渠道設置如圖4.3，測量段長度14.2公尺，由上游至下游依序分成39個測量格點：1~6點及28~39點每兩格點間隔20公分，6~28點每兩格點間隔50公分；寬度40公分，分成左中右三個點，標記為L(left)、C(center)及R(right)，點與點間隔均為10公分。在上游前半段舖設坡度為1/30的定床，長度10.9公尺。受限於實驗水槽的長度，為了避免後續沖刷實驗時沙流入迴水箱中，因此先於下游39格點處設置一15公分高的攔沙裝置，此攔沙裝置在流量率定實驗時也可提供在上游有低水深高流速與下游有高水深低流速的不同情況來相互驗證。

流量由5Hp及10Hp兩具馬達提供，記為S及B，分別調整馬達上之出水閥門為全開(a)、半開(h)及不開三種方式，故可得到八種控制方式：Sh、Sa、Bh、Ba、ShBa、SaBh、ShBh、SaBa。流量率定實驗既針對此八種控制方式率定其流量大小。

4.2.2實驗步驟

流量由兩種方式來率定：第一種是流速水深法：馬達開啟後使用流速計及地形儀量取39個格點上L、C、R三個位置共117個點上的流速及水深，在渠道後半段(水躍發生的下游)由於水深較深，因此也同時量取水面下3公分、8公分及11公分處的流速作為參考。然後將每一格點上L、C、R三處的流速及水深加以平均後互乘即為每一格點處的單位寬度流量，再將每一格點所得的流量平均即得此種馬達控制方式的單位寬度流量。由於水躍處的流況混亂，故計算時並未包含水躍處的數據。

第二種方法是體積時間法：每一次率定時量完格點的流速及水深後即升起擋水板，利用攔沙裝置及擋水板之間的封閉空間測量水面上升10公分時所需的時間，此過程至少三次以上，所得的時間加以平均，以封閉空間內水上升10公分的體積除以此平均時間再除以渠寬即得單位寬度流量。

八種馬達控制方式以兩種測量方法所得的單位寬度流量(換算為cms/m)見表4.1，考慮控制的便利及兩種流量之間的相關性，由其中挑選Sa、Bh、Ba及SaBh四種較理想的方式作為沖刷實驗的流量控制。分別由小至大標記為Q1、Q2、Q3和Q4。圖4.4為此四種流量的關係圖。

4.3沖刷實驗

4.3.1實驗佈置

如圖4.5，渠道內以木板舖設坡度為1/30的定床，長10.9公尺。實驗坡度分為：1/15(=0.0667)、1/30(=0.0333)及1/60(=0.0167)，分別記為S15、S30及S60。實驗時視坡度不同而於定床上舖上適當的沙量。渠道寬度40公分，標記L、C、R如同流量率定實驗。

為了不讓沙床沖刷見底，S15時舖沙厚度18公分(最前端)，長度9公尺，距最前端2公尺處訂為格點1，最末端為格點18，格點1~6每點間隔20公分，格點6~18每點間隔50公分。格點18處放置15公分高的攔沙裝置。

S30時舖沙厚度20公分，長度15.6公尺，距最前端2公尺處訂為格點1，最末端為格點36，格點1~6與格點28~36每點間隔20公分，格點6~28每點間隔50公分，格點36處放置15公分高的攔沙裝置。

S60時由於長度的限制，將定床拆除後直接舖沙於渠道內，舖沙厚度27公分(最前端)，長度16.2公尺，距最前端2公尺處訂為格點1，最末端為格點39，格點1~6與格點28~39每點間隔20公分，格點6~28每點間隔50公分，格點39處放置15公分高的攔沙裝置。
由於在下游設置攔沙裝置攔截沖刷的泥沙，為了避免攔沙裝置的迴水影響，因此在實驗前先依一般計算水庫迴水影響範圍方法估算出攔沙裝置的迴水影響範圍，實驗段就定在此範圍之前。本實驗選擇的實驗段為：S15在一至九格點、S30及S60在一至十四格點。

4.3.2實驗步驟

實驗前先量測每一格點L、C、R的沙面高程，啟動馬達後開始加沙並記時，加沙量以儘量不讓沙面沖刷見底為控制依據，實驗中由觀測窗記錄沙床及水面高程以及記錄時間，記錄的次數視實驗時間長短而定。由於在下游設置攔沙裝置，沖刷的泥沙會淤積在下游，當攔沙裝置淤滿後再延長4分鐘實驗即停止，隨後量測每一格點L、C、R的沙面高程。由於攔沙裝置淤滿後沖刷的泥沙會越過攔沙裝置而堆積在後，因此攔沙裝置後的沙量也一併記錄。

以上述的實驗步驟，針對坡度1/15、1/30、1/60以及單位寬度流量0.0231、0.0305、0.0338、0.05(cms/m)進行沖刷實驗。

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