矩形側溢流堰水理分析

Abstract

側溢流堰常使用於分洪工或農田灌溉之取水工，然而側溢流之水理模式相當複雜，其水面線將隨不同之側溢流堰位置而改變。在側溢流堰係數C_M當中，前人研究以實驗數據直接分析得到其函數間之關係式，忽略不同堰型、材質之影響，而本論文認為側溢流堰係數C_M應該分為堰流係數C及側溢流修正係數C_C探討。 本論文試驗將1m水槽，以隔板製作0.5m寬之主渠道，並利用沉砂池作為量測側溢流量之空間，而側溢流堰長則採用0.5m、0.7m及1m之長度，配合堰高0.01m~0.05m高之側溢流堰，變換0.00506cms ~ 0.01619cms八種流量，並以超音波式水位計，觀察主渠道上下游、堰頭、堰尾以及側溢流段水面變化處之水位高度，再以不同流量下水位變化情形加以分析得到結論如下： 當流量較大時，側溢流堰段會發生水躍，且隨著流量加大水躍位置會逐漸向後移動；而側溢流流量(Qs)與主渠道流量(Q)之比值會隨流量增加而增加，而到達一定值後，其溢流量比(Qs/Q)會呈現穩定的狀態，但若流量持續增加，水躍會發生於側溢流堰後方，其溢流量比則會下降。 側溢流修正係數CC之影響因子應為側溢流堰長(L)、側溢流堰高度(s)及堰前水深(y0)，參考瑞士S.I.A公式，可得其關係式為： Cc=4.41(1+(y_0-s)/s )^(-0.36)∙(y_0-s)^0.41∙(L)^0.24 此公式搭配水理模式輸入側溢流堰係數C_M，可針對側溢流堰之幾何參數對流量係數修正。 試驗結果得知，側溢流量(q_s)與主河道流量(q)、側溢流堰長(L)呈現正比關係，與側溢流堰高(s)呈現反比關係，而經由無因次參數迴歸之結果可得： L=0.5m q_s/√(gy_0^3 )=0.41〖q/√(gy_0^3 )〗^(-4.04) 〖(y_0-s)/L〗^(1.70) L=0.7m q_s/√(gy_0^3 )=0.64〖q/√(gy_0^3 )〗^(-3.78) 〖(y_0-s)/L〗^(1.61) L=1m q_s/√(gy_0^3 )=0.29〖q/√(gy_0^3 )〗^(-3.34) 〖(y_0-s)/L〗^(1.34) 而此結果可作為平直之水平渠道初步推估側溢流量所需之堰高及堰長之方法。 由案例回顧及試驗之結果得知，側溢流堰高度之設計應高於設計洪峰量之臨界水深，使其不發生水躍較佳，而長度則設計較長，使其補足高度較高而溢流量不足之缺點，此種設計可在超越設計洪峰量發生時，其亦可保證洪水經側溢流堰之分流比可達預期之成果。