Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/95933
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dc.contributorYung-Chieh Wangen_US
dc.contributor王咏潔zh_TW
dc.contributor.authorJyun-Yu Suen_US
dc.contributor.author蘇俊毓zh_TW
dc.contributor.other水土保持學系所zh_TW
dc.date2017zh_TW
dc.date.accessioned2018-12-17T03:02:16Z-
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dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/95933-
dc.description.abstractIn natural, upper streams carry numerous sediments into reservoirs, resulting in the water storage capacity of reservoirs which is declining as time passes. To understand transporting characteristics of reservoir sediments to bring benefit to the reference of dredging, this research first measures soil physical properties such as moisture content, liquid limit and plastic limit, particle specific gravity, particle size distribution, and organic matter content for the reservoir sediments, and then utilizes circulating and tilting flume to conduct erosion tests. We used reservoir sediments and quartz particles whose size distribution is similar to that of the reservoir sediments, and adjusting different bed slopes of the flume and water discharge to observe the erosion phenomenon of sediments. The bed slopes applied are 0.002, 0.005, 0.008 and the water discharge applied are 400 cm3/s and 500 cm3/s. In each experiment, we measured the two dimensions of flow velocity, turbidity, and sediment height to calculate the erosion rate and the critical shear stress of the soil. The results indicated that median particle size of the reservoir sediments is 0.032mm, specific gravity of the reservoir sediments is 2.56, plasticity index of the reservoir sediments is 3%, and organic matter content of the reservoir sediments is 0.347%. It can be considered as a low plasticity soil, and its texture is similar to loam or silt loam in the textural triangle. The erosion tests show that cases with larger bed slopes and flow rates resulted in higher erosion rates, but not appearing in a linear relationship. In the near-bed zone, the shear stress value doesn't have an obvious relationship to the bed slope and flow rate. The erosion rate of quartz particles is getting down by time passes with a smooth trend. We speculate that the bed intensity will be higher with the deeper soil layer, resulting in the declining erosion rates. Aforementioned phenomenon may also occurred because of obvious erosion phenomenon have been developed in the first two hours of the experiment period, so that there was no obvious variation in soil concentration afterwards. In addition, the larger the depth-averaged shear stress is, the higher is the erosion rate. The erosion rate of reservoir sediments maintained a value for a while, then increased, and then decreased. We speculate that the reservoir sediments have flocculation effect and microbial films on its surface which were scoured during the erosion test; the deeper sediment layer had higher bulk density to resist flushing and resulted in a low erosion rate. Overall, reservoir sediments showed no obvious erosion phenomenon because of its higher erosion threshold. This research shows that the erosion rates of quartz particles are generally much higher than that of the reservoir sediments, under the same flow conditions. It can be speculated that soil texture is one of the most primary factors to influence the erosion rate. Keywords: Soil physical property, Hydraulic desilting, Shields parameteren_US
dc.description.abstract自然界中上游河川挾帶著大量泥砂進入水庫,使得水庫的貯蓄水量隨著時間經過而日益減少,為了瞭解水庫底泥的傳輸特性以利清淤時之參考,本研究先對水庫底泥就含水量、塑液限、比重、粒徑分析、有機質含量等土壤物理性質進行量測,再利用循環式渠槽進行沖刷試驗,調整不同渠槽坡度和平均流量,觀測沉積層之沖刷現象。 使用的渠槽坡度為0.002、0.005及0.008,平均流量為400 cm3/s及500 cm3/s,於實驗中量測水體之二維流速、濁度值及沉積層高度,並計算土砂的沖蝕率及沖刷啟動臨界剪應力。 實驗結果,水庫底泥土壤的中值粒徑為0.032mm,比重為2.56,塑性指數為3%,有機質含量為0.347%,為一低塑性土壤,而於質地三角圖上其質地近似於壤土或粉砂壤土,而選用之石英砂其中值粒徑亦為0.032mm。水槽沖刷試驗結果顯示渠槽坡度及水流量越大則沖蝕率會增加但並非呈線性關係,而於近床區之剪應力值與坡度及流量大小較無明顯的關係存在。 石英砂的沖蝕率會隨時間而降低,但降低趨勢會減緩,推測其原因為底床抗沖刷能力隨著土層深度越深而增加,因而造成沖蝕率下降,也可能是因為較明顯的沖蝕現象在前兩小時內已發展完全故於此之後較無濃度的變化。就試驗結果來看,渠槽的平均剪應力越大則土砂沖蝕率越大且呈線性正相關。 底泥土壤的沖蝕率為隨時間先維持一定值左右然後升高再降低,推測原因為底泥土壤具絮凝效應且其表面的微生物膜被沖刷掉,在這之後下方土壤因容積密度較高使其抗沖蝕能力較強而造成沖蝕速率減緩,整體來說底泥土壤因臨界剪應力較高導致沖蝕現象並不明顯。 本研究發現在相同實驗條件下石英砂的沖蝕率比底泥土壤大許多,可推測土壤質地為影響沖蝕率最主要的因素之一。 關鍵字:土壤物理特性、水力排砂、Shields參數zh_TW
dc.description.tableofcontents目錄 摘要 i Abstract ii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 前言 1 第一節、 研究動機 1 第二節、 研究目的 2 第二章 文獻回顧 3 第一節、 土壤質地的分類 3 第二節、 細粒泥砂之沖刷特性 5 第三節、 沖刷之數學模式 11 第三章 研究材料與方法 14 第一節、 研究材料 14 一、 土樣採集地點 14 二、 實驗用之土壤 16 三、 單點式都卜勒流速儀 17 四、 濁度計 18 五、 水工渠槽 19 第二節、 研究流程與方法 21 一、 研究流程 21 二、 研究方法 23 (一) 土壤理化性質分析 23 (二) 沉降時間測定 27 (三) 濁度-泥砂濃度之率定 28 (四) 渠床剪應力之計算 29 (五) 無因次之剪應力、中值粒徑、雷諾數之計算 30 (六) 水工渠槽試驗 31 第四章 結果與討論 34 第一節、 土壤特性試驗分析 34 一、 土壤基本性質 34 第二節、 水工渠槽試驗結果分析 39 一、 近床剪應力 39 二、 水體泥砂濃度 55 三、 各組泥砂濃度值之比較與趨勢 65 四、 近床剪應力與含砂濃度 66 五、 土壤沉積層高度 74 六、 水工渠槽試驗之結果資料與水力參數 77 七、 臨界剪應力之計算及與沖刷率、沖刷土砂總重量之探討 82 八、 與Shields diagram比較 84 第五章 結論與建議 86 一、 結論 86 二、 建議 88 參考文獻 89 附錄 95   表目錄 表2-1 美國農業部(USDA)、國際土壤學會(ISSS)、美國公路局 (USPRA)、大英標準所(BSI)、麻省理工學院(MIT)、德國標 準(DIN)之土壤粒徑慣用尺度 (單位: mm) ..............................4 表2-2 推估土壤底床沖蝕速率相關公式彙整……………………......12 表3-1 砂粒大小分類表……………………………………………......16 表3-2 Vectrino單點式都卜勒流速儀規格……………………….......18 表3-3 2020we可攜帶式濁度計規格…………………………………19 表4-1 底泥土壤與石英砂之土壤基本性質比較表……………….….35 表4-2 土壤組成成分比例圖……………………………………….….38 表4-3 水工渠槽試驗各組別之結果資料表…………………..............78 表4-4 水工渠槽試驗各組別之水力參數資料表…………………......80 表4-5 石英砂沖刷試驗之數據資料…………………..........................84 圖目錄 圖2-1 土壤質地三角圖…………………………………………….…...5 圖2-2 沉積物之顆粒連結類型…………………………………............6 圖2-3 顆粒粒徑與容積密度對臨界剪應力之關係圖……....................7 圖2-4 顆粒粒徑為14 μm之石英砂其容積密度對沖蝕率關係圖.......8 圖2-5 波士頓藍黏土在剪應力大小為1.0 Pa的情況下其時間經過對 懸浮固體濃度之關係圖…………………………........................9 圖3-1 阿公店水庫位置圖………………………..................................14 圖3-2 阿公店水庫的衛星圖像(比例尺為1:25000).............................15 圖3-3 土樣採集地點之地理環境..........................................................15 圖3-4 水庫底泥土壤..............................................................................17 圖3-5 標準石英砂..................................................................................17 圖3-6 Vectrino單點式都卜勒流速儀(左)與其下方四支探測器(右) ......................................................................................................18 圖3-7 2020we可攜帶式濁度計(左)及濁度測量瓶(右) ...................19 圖3-8 循環可傾斜式水槽......................................................................20 圖3-9 水槽渠道......................................................................................20 圖3-10 研究流程圖................................................................................22 圖3-11 液性限度實驗結果分析圖........................................................24 圖3-12 砂水交界面................................................................................27 圖3-13 濁度隨時間經過的變化關係....................................................28 圖3-14 濁度對總負載濃度之關係圖....................................................28 圖3-15 水工渠槽試驗點位位置示意圖................................................33 圖4-1 底泥土壤的塑性試驗結果圖......................................................35 圖4-2 阿公店水庫底泥土壤及石英砂之粒徑分布曲線綜合比較圖.37 圖4-3 底泥土壤及石英砂的土壤組成比例在質地三角圖上面的位置..................................................................................................38 圖4-4 第一組近床剪應力方向圖..........................................................40 圖4-5 第一組近床剪應力之範圍變化圖..............................................40 圖4-6 第二組近床剪應力方向圖..........................................................41 圖4-7 第二組近床剪應力之範圍變化圖..............................................41 圖4-8 第三組近床剪應力方向圖..........................................................42 圖4-9 第三組近床剪應力之範圍變化圖..............................................42 圖4-10 第四組近床剪應力方向圖........................................................43 圖4-11 第四組近床剪應力之範圍變化圖............................................43 圖4-12 第五組近床剪應力方向圖........................................................44 圖4-13 第五組近床剪應力之範圍變化圖............................................44 圖4-14 第六組近床剪應力方向圖........................................................45 圖4-15 第六組近床剪應力之範圍變化圖............................................45 圖4-16 第七組近床剪應力方向圖........................................................46 圖4-17 第七組近床剪應力之範圍變化圖............................................46 圖4-18 第八組近床剪應力方向圖........................................................47 圖4-19 第八組近床剪應力之範圍變化圖............................................47 圖4-20 第九組近床剪應力方向圖........................................................48 圖4-21 第九組近床剪應力之範圍變化圖............................................48 圖4-22 第十組近床剪應力方向圖........................................................49 圖4-23 第十組近床剪應力之範圍變化圖............................................49 圖4-24 第十一組近床剪應力方向圖....................................................50 圖4-25 第十一組近床剪應力之範圍變化圖........................................50 圖4-26 第十二組近床剪應力方向圖....................................................51 圖4-27 第十二組近床剪應力之範圍變化圖........................................51 圖4-28 第十三組近床剪應力方向圖....................................................52 圖4-29 第十三組近床剪應力之範圍變化圖........................................53 圖4-30 水槽前方的矩形堰入流口........................................................54 圖4-31 第一組泥砂濃度之分層設色圖................................................55 圖4-32 第二組泥砂濃度之分層設色圖................................................56 圖4-33 第三組泥砂濃度之分層設色圖................................................56 圖4-34 第四組泥砂濃度之分層設色圖................................................57 圖4-35 第五組泥砂濃度之分層設色圖................................................57 圖4-36 第六組泥砂濃度之分層設色圖................................................58 圖4-37 第七組泥砂濃度之分層設色圖................................................58 圖4-38 第八組泥砂濃度之分層設色圖................................................59 圖4-39 第九組泥砂濃度之分層設色圖................................................59 圖4-40 第十組泥砂濃度之分層設色圖................................................60 圖4-41 第十一組泥砂濃度之分層設色圖............................................60 圖4-42 第十二組泥砂濃度之分層設色圖............................................61 圖4-43 第十三組泥砂濃度之分層設色圖............................................62 圖4-44 沖刷坑........................................................................................63 圖4-45 石英砂各組沖刷試驗的測量時間點對平均含砂濃度之關係圖................................................................................................65 圖4-46 底泥土壤沖刷試驗的測量時間點對平均含砂濃度之關係圖................................................................................................65 圖4-47 第一組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................67 圖4-48 第二組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................68 圖4-49 第三組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................68 圖4-50 第四組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................69 圖4-51 第五組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................69 圖4-52 第六組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................70 圖4-53 第七組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................70 圖4-54 第八組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................71 圖4-55 第九組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................71 圖4-56 第十組近床剪應力對含砂濃度之關係圖................................72 圖4-57 第十一組近床剪應力對含砂濃度之關係圖............................72 圖4-58 第十二組近床剪應力對含砂濃度之關係圖............................73 圖4-59 第十三組近床剪應力對含砂濃度之關係圖............................73 圖4-60 土壤沉積層高度差之分層設色圖............................................75 圖4-61 土壤沉積層高度差之分層設色圖(接續圖4-60) .................76 圖4-62 渠道平均剪應力對沖蝕之關係圖............................................83 圖4-63 渠道平均剪應力對沖刷土砂總重量之關係圖.......................83 圖4-64 石英砂沖刷試驗結果之無因次臨界剪應力及無因次中值粒 徑在Shields diagram上的點位位置圖....................................84 圖4-65 石英砂沖刷試驗結果之無因次臨界剪應力及無因次雷諾數 在Shields diagram上的點位位置圖........................................85zh_TW
dc.language.isozh_TWzh_TW
dc.rights同意授權瀏覽/列印電子全文服務,2020-01-17起公開。zh_TW
dc.subjectSoil physical propertyen_US
dc.subjectHydraulic desiltingen_US
dc.subjectShields parameteren_US
dc.subject土壤物理特性zh_TW
dc.subject水力排砂zh_TW
dc.subjectShields參數zh_TW
dc.title細粒泥砂之物理性質與沖刷啟動特性研究zh_TW
dc.titleInvestigation of geotechnical properties and erosion characteristic of fine-grained sedimentsen_US
dc.typethesis and dissertationen_US
dc.date.paperformatopenaccess2020-01-17zh_TW
dc.date.openaccess2020-01-17-
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