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研究生： 涂毅宏
Yi-hong Tu
論文名稱： 堆積顆粒受水流作用下形成土石流之渠槽實驗
Experiments of debris flow induced by accumulation of particles by the action of water at the flume
指導教授： 周憲德
Hsien-ter Chou
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 67
中文關鍵詞： 顆粒流 、土石流 、速度剖面
外文關鍵詞： velocity profile, debris flow, granular flow
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    • 本研究進行礫石型土石流之渠槽實驗，以高速攝影機及影像分析堆積顆粒受到上游供水的壓力與滲流作用下產生破壞行為及運動特性。本研究採用Voronoï Patterns 方法分析顆粒流中顆粒的速度向量及其流動特性。在顆粒流體化的過程中，前端龍頭與水非均勻混合，且顆粒在前端有集中隆起的情況。顆粒流中滲流線前後段的顆粒速度及顆粒濃度也有所差異，這些現象與現地土石流之流況相近。
    　　本研究改變上游的供水量以及渠槽角度進行不同的實驗，並分析顆粒流上視及側視的速度剖面，與前人的數值及實驗結果進行比較。結果顯示實驗中的顆粒運動較符合Bagnold速度剖面的條件，並與礫石型土石流有相同的流動特性。

    This research carries out granular flow experiments, by using high-speed camera to observe the role of particle movements caused by runoff. The flow behavior of accumulation of particles by the upstream water supply pressure and seepage, are examined and the image analysis technology to analyze the characteristics of granular flow. In this study, we use Voronoï Patterns method to analyze the velocity vector and flow characteristics of granular flow. In the process of fluidization, the combining of the particle and water is non-uniform in the snout. The particles accumulated in the snout are not saturated and the wave front becomes a bulb.

    目 錄 摘要. i Abstract ii 誌 謝 iii 目 錄 iv 圖 目 錄 vi 表 目 錄 ix 第一章　緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究方法 2 1.4 研究架構 2 第二章　文獻回顧 5 2.1 土石流相關研究 5 2.2 速度剖面研究 9 2.3 顆粒流理論 12 第三章　實驗設備及方法 16 3.1 實驗渠槽 16 3.2 實驗步驟 18 3.3 顆粒特性 19 3.4 實驗量測設備及分析方法 20 第四章　實驗結果與討論 25 4.1 實驗特性 25 4.2 顆粒破壞型態 25 4.2.1 堆積顆粒啟動 26 4.3 供水流量與坡度的影響 29 4.3.1 坡度對波峰高度的影響 29 4.3.2 流量對波峰高度的影響 30 4.4 速度剖面分析 32 4.4.1 側視速度剖面 33 4.4.2 上視速度剖面 39 4.5 顆粒流量 43 4.5.1顆粒流量與坡度之關係 43 4.5.2顆粒流量與供水流量之關係 44 4.6 邊壁顆粒面積比例 44 第五章 結論與建議 50 5.1 結論 50 5.2 建議 51 參考文獻 53   圖 目 錄 圖 1- 1研究流程圖 4 圖 2- 1土石壩破壞種類(高橋保、匡尚富, 1988) 7 圖 2- 2不同底床條件所形成的顆粒流波峰型態(Davies, 1990) 8 圖 2- 3顆粒循環流動現象(Davies, 1990) 8 圖 2- 4不同時間點所對應之速度剖面(Schaefer, 2010) 10 圖 2- 5顆粒流之側視速度剖面(Hsu, 2008) 11 圖 2- 6不同寬度與流量之上視速度剖面(Jop et al., 2005) 11 圖 2- 7過飽和及未飽和顆粒流示意圖(D.Berzi and J. T. Jenkins, 2009) 12 圖 2- 8穩態非均勻流前端示意圖(Berzi and Jenkins, 2009) 13 圖 2- 9顆粒流流動深度與傾角示意圖(Pouliquen, 1999) 14 圖 2- 10斜坡傾角與流動深度範圍(O.Pouliquen, 1999) 15 圖 3- 1實驗渠槽設備 16 圖 3- 2顆粒流流動觀測範圍 17 圖 3- 3單位尺度比例轉換畫面 17 圖 3- 4上游顆粒堆積型態 18 圖 3- 5濕顆粒安息角 20 圖 3- 6 Motion Pro X3 高速攝影機 21 圖 3- 7 時間及空間平均前之瞬時速度向量圖 22 圖 3- 8 時間及空間平均後之平均速度向量圖 22 圖 3- 9 控制面積區域 23 圖 3- 10 標記的顆粒面積 24 圖 4- 1顆粒流運動歷程(接圖而成) 25 圖 4- 2長時間曝光之堆積顆粒啟動過程 27 圖 4- 3顆粒流崩落歷程(q = 25.0 cm2/sec ，θ = 15˚ ) 28 圖 4- 4顆粒流崩落歷程(q = 16.7 cm2/sec ，θ = 9˚) 29 圖 4- 5不同角度下顆粒流最高點位置(a) θ =15˚ (b) θ = 12˚ (c) θ = 9˚ 31 圖 4- 6不同流量下顆粒流流動情形及飽和水面線變化 32 圖 4- 7不同流量之無因次側視速度剖面 33 圖 4- 8不同角度之無因次化側視速度剖面 34 圖 4- 9顆粒流側視速度分析位置示意圖 35 圖 4- 10不同斷面之無因次化側視速度剖面(q = 16.7 cm2/sec) 36 圖 4- 11不同斷面之無因次化側視速度剖面(q = 20.0 cm2/sec) 36 圖 4- 12不同斷面之無因次化側視速度剖面(q = 25.0 cm2/sec) 37 圖 4- 13不同斷面之側視速度剖面(q = 16.7 cm2/sec) 38 圖 4- 14不同斷面之側視速度剖面(q = 20.0 cm2/sec) 38 圖 4- 15不同斷面之側視速度剖面(q = 25.0 cm2/sec) 39 圖 4- 16顆粒流上視速度分析位置示意圖 40 圖 4- 17不同斷面位置之上視流速剖面(q = 16.7 cm2/sec) 41 圖 4- 18不同斷面位置之上視流速剖面(q = 20.0 cm2/sec) 41 圖 4- 19不同斷面位置之上視流速剖面(q = 25.0 cm2/sec) 42 圖 4- 20不同底床傾角之顆粒流量(q = 25.0 cm2/sec) 43 圖 4- 21不同供水流量之顆粒流量(θ = 15˚) 44 圖 4- 22邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 16.7 cm2/sec) 46 圖 4- 23邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 20.0 cm2/sec) 46 圖 4- 24邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 25 cm2/sec) 47 圖 4- 25邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 25.0 cm2/sec，θ = 9˚) 49 圖 4- 26邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 25.0 cm2/sec，θ = 12˚) 49 圖 4- 27邊壁顆粒面積比例與時間關係(q = 25.0 cm2/sec，θ = 15˚) 50   表 目 錄 表 4 - 1底床角度與波峰高度之關係 26

    參考文獻
    1. 高橋保、匡尚富 (1988)，「天然ダムの決壊による土石流の規模に関する研究」，京都大學防災研究所年報，第31 號，B-2，1988。
    2. 中華水土保持學會 (2006)，「水土保持手冊」，工-122。
    3. 徐羽平 (2010)，「溪床礫石在逕流作用下產生土石流之渠槽實驗」，中央大學土木工程學系碩士論文，桃園。
    4. Berzi., D., and J. T. Jenkins, (2009), “Steady Inclined Flows of Granular-Fluid Mixtures”, J. Fluid Mech. (2009), Vol. 641, pp. 359-387.
    5. Capart, H., D. L. Young and Y. Zech (2002),“Voronoï Imaging Methods for the Measurement of Granular Flows”, Experiments in Fluids, Vol. 32 (2002), pp.121-135.
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    9. Pouliquen, O. (1999), “Scaling Laws in Granular Flows Down Rough Inclined Planes”, Physics of Fluids, Vol. 11, No. 3., pp. 542-548.
    10. Scheafer, M., L. Bugnion, M. Kern and P. Bartelt (2010), “Position dependent velocity profiles in granular avalanches”, Granular Matter, DOI 10.1007/s10035-010-0179-6.
    11. Fraccarollo, L., M. Larcher and A, Armanini (2007) “ Depth-averaged relations for granular-liquid uniform flow over mobile bed in a wide range of slope values ”, Granular Matter, 9:145-157 DOI 10.1007/s10035-006-0035-x.

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