分析層級程序法應用於大甲溪橋樑改善綜合評估之研究

不同直徑環圈柱橋墩保護工周圍流場之變化

王傳益[footnoteRef:2]1 林志遠(2) 黃上軒(2) 張詠善(3) [2: 逢甲大學水利工程與資源保育學系教授(通訊作者e-mail：cywang@fcu.edu.tw)逢甲大學水利工程與資源保育研究所碩士逢甲大學水利工程與資源保育研究所碩士生]

摘 要

台灣河川之橋墩沖刷情形相當嚴重，落橋事件時有所聞，因此如何避免橋梁遭破壞為當前重要課題。本研究利用FLOW-3D軟體模擬墩前設置環圈柱保護工時，其三維流場之變化及物理特性。在定床條件下，於不同環圈柱直徑(D/b=0.7、0.775、1)、潛沒環圈柱(H/y=0.5)、不同環圈柱設置距離(L/b=1、2、3、4)等變化，針對流速、壓力與紊流能量加以探討。結果顯示，設置環圈柱保護工時，由於不規則表面及透水孔隙削減紊流之動能，因而減緩橋墩沖刷深度。當環圈柱高於水面且D/b=1、L/b=1時，墩前之流速較未設置保護工時為小，橋墩保護效果最為顯著。

(關鍵字：橋墩沖刷、FLOW-3D、環圈柱)

Numerical Simulation of Flow Field around Ring Columns with Various Diameters for Pier Protection

Chuan-Yi Wang(1) C.Y. Lin(2) S.H. Huang(2) Y.S. Chang(3)

Professor(1) (Corresponding Author) ,Master(2) Graduate Student(3) Department of Water Resources Engineering and Conservation, Feng Chia University, Taichung 407, Taiwan, R.O.C.

ABSTRACT

The pier scour is very serious in Taiwan's river. Bridge falling down accidents happened from time to time so that how to avoid the destruction of the bridge becomes an important subject. A numerical model FLOW-3D was used to simulate the three-dimensional flow field and physical characteristics when the ring columns protection works were setting in front of the pier. The velocity was discussed under the various parameters of ring columns diameter (D/b=0.7, 0.775, 1), submerged ring of columns (H/y=0.5), ring columns arranged distance (L/b=1, 2, 3, 4) in the fixed-bed condition. The results show that turbulence energy is reduction due to the irregular surface and permeable porosity when the ring column is arranged in front of the pier so that the scour depth of pier becomes weaker in degree. When the height of ring columns above the water surface and the condition D/b=1, L/b=1, the velocity in front of the pier is less than those not set protection works, and which is the most significant protective effect of bridge piers.

(Keywords：Pier Scour, FLOW-3D, Ring Columns)

水土保持學報43(3) : 297 – 310(2011)

Journal of Soil and Water Conservation , 43 (3) : 297 - 310 (2011)

王傳益、林志遠、黃上軒、張詠善:不同直徑環圈柱橋墩保護工周圍流場之變化

297

310

309

前言

台灣為東西狹、南北長之島嶼，造就地形變化起伏劇烈與河川橫貫的情況，因而阻絕了人類南北活動的通路，為此在天然河川中增設橋梁連接兩岸。由於橋梁會阻滯河道造成水流流況改變，形成河床局部沖淤現象，此時產生的局部沖刷，對結構物之基礎將會造成不良之影響，進而淘空破壞，終致落橋事件發生。本研究利用新型前置環圈柱橋墩保護工消減水流衝擊能量，達到保護橋墩之目的，減低落橋事件發生之機率，因此深入瞭解橋墩與施設環圈柱橋墩保護工後之橋墩流場乃重要課題。

洪水使橋墩局部沖刷的情形加劇，雖然橋梁建造的材料、方法不斷的改善，以及結構應力分析的技術不斷提升，惟該等研發均係增加橋梁結構強度，屬於強化結構物本體之研究，然而大多數橋梁破壞均係外在條件之橋墩周圍河床遭沖刷所造成。因此，對於影響橋梁之水流流場，必須有全盤之瞭解，方能有重大之突破。隨著電腦(Personal Computer，PC)普及率提高、3D運算技術越來越快、數值方法之進步，近年來各相關之套裝軟體(software packages)大量釋出。CFD(Computational Fluid Dynamics)，是一門利用電腦，求解流體流動的各種守恆控制偏微分方程式的技術，由於能夠針對真實常理模型無法量測的數據進行流體現象的描述，因此成為目前在求解流體運動中，最具成本效益的方式。FLOW-3D為其中一種3D模擬套裝軟體，其在CFD上有很強的運算及模擬功能，CFD之流體體積法運算技術VOF(Volume-of Fluid)在實務問題的擬真與計算結果的準確度上有極好的評價。

橋墩之局部沖刷屬於三維問題，且因橋墩干擾而使水流流況變得十分複雜，若利用純理論方面對沖刷行為作描述相當困難，而採用水工試驗則其過程顯得十分繁雜且量測不易。由於FLOW-3D對複雜物件之處理與自由液面之模擬技術相當高超，因此利用該軟體模擬橋墩與環圈柱保護工之流場，以瞭解流場變化及其特性，乃解決橋墩沖刷問題之重要利器。

近年來數值模式在理論及應用上發展快速，利用三維模式模擬流場及沖刷，且可以將水工構造物周圍之流場及水理現象做詳細的分析模擬。而二維模式方面則可以處理水工構造物附近，以及較大範圍和較長時間之流場變化模擬。另外，藉由先進套裝軟體FLOW-3D的專業流場繪圖技術，可詳細的展示區域或構造物局部之流況。因此，本研究透過三維模式之建立與應用，探討橋墩及環圈柱附近流場、流速變化之特性，應用數值模式模擬橋墩上游設置保護工前後，其周圍流場的變化，瞭解其相對流場之差異，藉此評析保護工保護橋墩之成效，供相關單位工程實務之規劃與設計參考，減低落橋事件發生之機率與風險。

文獻回顧

本研究主要探討橋墩沖刷相關文獻，因此，本章將分別探討橋墩沖刷的分類與特性，橋墩沖刷數值模擬與橋墩前置型保護工之特性。

1. 流場模擬

Hirt及Nichols(1981)，發展出所謂之流體體積法(Volume of Fluid，VOF)方法，或稱為體積追蹤(volume tracking)法，將單一流體在某格網格中佔有之體積比率當作目標，訂定流場中氣、液相分離之介面，計算體積比率改變即可得知該分離界面之運動。利用fractional volume 或color function(F)來標記某一計算網格為水(F＝1)或空氣(F＝0)或為自由液面(0＜F＜1)。根據不可壓縮流之特性，其物質導數必為零，並以Donor-Acceptor 方法求解此流體體積方程式，可避免差分離散所致之數值消散(numerical dissipation)誤差為其優點，並引入上風法觀念。由網格內流體體積函數值，可決定網格內之液面斜率，進而可決定液面形狀。流體體積法可用於不同相位接觸交界面流場，且對破碎之水體亦具處理能力，因此廣泛應用在模擬三維自由液面流。

2. 橋墩保護工

彙整國內外橋墩保護工，可將橋墩保護工概分為墩前(上游)、橋墩周圍及墩後(下游)三種設置位置之工法，分別說明如下：

(1)橋墩上游保護工

設置在橋墩上游之保護工，其功能為消減水流直接沖擊橋墩之能量，或分散水流之能量。換言之，破壞水流結構產生紊流現象使其沖擊能量降低。此外，引導水流致不直接沖擊橋墩，亦為本保護工之一種。

· 劉安剛(2002)利用橋墩前方施設底部導流隔板，以降低橋墩局部沖刷深度，當隔板布置角度為135度、隔板寬度為全渠長、隔板與橋台無間距、入水深度為1公分等配置時為隔板最佳化設計，橋墩沖刷減少率達99％。

· 吳虹邑(2005) 利用筐網結構物保護橋墩，試驗結果顯示筐網孔徑0.4公分、孔隙率0.4、筐網直徑與橋墩相同高度為水深之4/3時其保護效果可達61.98%

· 陳右典(2005)利用人工水草柔性保護工水工試驗抵抗橋墩局部沖刷，最佳配置為墩徑6公分時橋墩前方交叉設置兩條保護工，其寬度9公分、偏角60°、距橋墩1~1.5倍墩徑時，其保護效率可達69%。

· 鄭聰信(2007)利用組合筐網結構物在橋墩前方施設保護工，試驗結果顯現設置距離採用1倍墩徑(L=D)、倒三角形之排列方式可得較佳保護效果。距離同為L=D、L=1.5D及L=3D 時雙層筐網具有較佳之橋墩減少沖刷率，對橋墩保護有較佳效果。

· 陳建宇(2007)在單橋墩的情況下，於墩前19.5公分處設置環圈堆保護工，最大沖刷深度為4公分，在其它位置都無沖刷產生，於墩後有淤積的情形。此外使用FLOW-3D軟體模擬水流在流經阻礙物之後的整體流場變化。

(2)橋墩周圍保護工

在橋墩周圍設置保護工，目的在於使向下射流之強度減弱以減少沖刷深度，避免橋基裸露而威脅到橋墩結構安全。一般於橋墩周圍佈設。然而這些工法只能提供暫時的保護或是配套的措施，需要時常補強才能維持其效果，若是發生再破壞後之情形，可能加劇沖刷或造成保護工的破壞。

· 林呈(1999)

拋石工法：利用具有相當重量之卵石、塊石、混凝土碎塊或鼎形塊等，舖設在橋基周圍沖刷坑內及與河床接觸的周邊範圍，增強抵抗水流沖刷的能力。

蛇籠工法：利用鍍鋅鐵絲編織成金屬網，內包卵石所構成之長條石籠，常應用於橋基周圍處作為消能設施。

托底工法：於已遭刷深而裸露之橋基周邊，利用鋼管樁圍繞橋墩或於橋基周圍打設全套管基樁，擴大橋基承載力作為抵抗沖刷的工法。

排樁工法：利用鋼鈑樁、PC基樁、全套管式基樁、鋼軌樁等，將已被嚴重刷深而導致裸露之橋基，予以緊密圍繞保護，降低橋基受沖刷淘深異型塊排置工法。

護坦工法：利用舖設混凝土版、拋置石塊層、或佈設成帶狀之混凝土塊群、或施設蛇籠工等方法，以穩固河床降低橋基沖刷。

· 程仕帆(2003)使用動床渠道進行均勻橋墩加裝套環之局部沖刷研究。最大刷深隨套環置放高度越接近底床而越小，其可將馬蹄形渦流系統與向下射流導引至橋墩後方，有效降低沖刷深度。

· Grimaldi等(2009)利用在圓形橋墩本身開設插槽破壞向下射流之水流強度與橋墩後方施設底檻來抑止馬蹄形渦流之發展，最佳配置下墩前沖刷深度減少約49%，平均約為45%。

(3)橋墩下游保護工

在橋墩下游設置保護工，旨在減緩水流流速，使水流流經橋墩時，沖擊力道減弱，減緩橋基與周圍底床受水流沖擊的強度。此外抬高水位，促進泥砂沉降而落淤，亦是另一種降低局部沖刷之方法，Raudkivi & Ettema(1983)指出水位抬高至y/D>1.5~2時，局部沖刷因子中的水深因子可以排除，使沖刷程度減輕。橋墩後方之保護工有底檻、攔砂壩與現今台灣廣泛用於河道治理或橋墩保護之各種固床工。

理論分析

本章節主要在介紹橋墩保護工與FLOW-3D模擬運算時使用之方程式。保護工的部分為探討橋墩保護工的分類、橋墩周圍的局部特性及影響橋墩沖刷的各項因子。軟體的部分，主要針對模擬環圈柱流場時，軟體內部所運用之方程式。

1. 圓柱橋墩周圍流況

河床之一般沖刷為自然的泥砂運移歷程，而河道中設置橋墩除了改變原河道輸砂之平衡外，也改變橋墩周圍之流場。流經圓柱型橋墩周圍的水流形態可分為四部份，分別為水面渦流形成的墩前壅水、向下射流、馬蹄形渦流、尾跡渦流，詳如圖1所示。其中以向下射流與馬蹄型渦流為造成橋墩局部沖刷之主要原因。

圖1 圓柱型橋墩周圍水流形態示意圖

Figure 1 Schematic diagram of flow pattern around the circular pier

(1)墩前壅水(bow wave)

當水流流經橋墩會在橋墩迎水面形成停滯點，水流之動能轉換成位能，所以會在橋墩迎水面處形成墩前壅水的情形，接著水流以環狀的旋渦繞流至橋墩後方，此即為表面渦流。

(2)向下射流(downflow)

沿圓柱型橋墩垂直方向分佈之水平接近流速因河床邊界之影響而由水面向下遞減，此等水平速度，形成一速度梯度，而到達橋墩鼻端時會產生停滯現象。當水流於橋墩面上產生停滯壓力(stagnation pressure)時，此壓力強度與水流流速之平方成正比，其變化趨勢為愈接近河床面處其壓力強度愈小，形成一垂直向下的促進壓力梯度(favorable pressure gradient)，此為墩前向下射流形成之主因，亦是造成局部沖刷主要作用力之一。

(3)馬蹄形渦流(horseshoe vortex)

當向下射流在橋墩前緣至底床時會與原水流方向之橫向水流結合沿著橋墩周圍形成螺旋運動的三維性渦流，外型類似馬蹄形狀，故稱為馬蹄型渦流。其由橋墩迎水面分離線處開始發生，沿著結構物邊緣向下游傳遞，對沖刷坑中河床質的攜離運移扮演著重要的角色。渦流強度與橋墩之相對寬度成正比。此馬蹄型渦流向下游延伸通過橋墩兩側，強度開始減弱，漸漸消散破壞掉，而變成一般的亂流。

(4)尾跡渦流(wake vortikes)

馬蹄形渦流流經橋墩後，會在橋墩下游與底床產生水流分離點，使速度剖面產生不連續的情形，進而導致消散渦流的產生。在靠近底床處，消散渦流與馬蹄型渦流產生交互作用，致使水流尾跡向下游傳遞時做橫向與垂向的運動。由於消散渦流具有垂直方向的壓力梯度，其所形成之升力可將泥砂從河床面挑起帶至下游處而產生淤積。

2. 環圈柱應用理論

本文探討之環圈柱結構物(圖2)為前置型保護工，即設置於橋墩上游以保護橋墩，環圈柱橋墩保護工特性為：

· 降低水流對橋墩的衝擊力：環圈柱保護工設置在橋墩前方，對於橋墩產生遮蔽效應，降低橋墩受到正向水流的衝擊力。

· 改變水流方向，減緩流速：由於橡皮環圈是以交錯方式設置，因此水流在流經保護工時，會因不規則的表面使水流變成多方向性，使得水流流速減緩，降低水流對橋墩周圍的沖刷。

· 不易遭到破壞：具有彈性的橡皮環圈，即使遇到卵石或漂流木的撞擊，也不易被撞毀。

· 保護工上的橡皮環圈隨地形下沉：當環圈柱保護工下層的砂被沖蝕，橡皮環圈會向下沉，可達持續減緩河床沖刷的功效。

· 更替容易：橡皮環圈可以視需要的高度套疊在群樁上，就算是環圈向下沉或遭到破壞，仍可增加至所需高度。

· 保護工成本便宜：環圈採用廢輪胎為材料，廢物利用且符合環保，所需之工程經費低。

· 不影響現有結構物之設置：環圈柱設置於橋墩上游，不會影響橋墩本體之結構，且施工時對於橋墩安全並無影響。

· 施工容易且工期短：於現地使用時，廢輪胎可先於工廠組裝完成後，直接於河床打入鋼軌樁，即可施作。

影響環圈柱結構物對橋墩保護效果的主要影響因素為：環圈柱設置距離、環圈柱設置高度、環圈厚度。茲將其說明如下：

· 環圈柱設置距離：環圈柱結構物設置於橋墩上游，能抑制橋墩沖刷坑深度發展。當設置距離超過臨界值，環圈柱保護工的消能導流與遮蔽作用，將無法發揮功效。

· 環圈柱設置高度：直接影響環圈柱縱向水流的遮蔽作用，使得橋墩前方向下射流的能量產生變化。

· 環圈柱單體厚度：相同設置高度不同厚度之環圈柱其差別在於環圈孔隙減少，流過水流減少，為影響保護工提供之消能作用的因素。

圖2 環圈柱橋墩保護工示意圖

Figure 2 Schematic diagram of ring columns for pier protection

模式建立與應用

本研究利用FLOW-3D模擬環圈柱與橋墩之間的複雜流場，其模擬分析之流程，如圖3所示。

1. CAD模型與FLOW-3D網格建置

將試驗渠道、橋墩、各種配置使用CAD依設備之尺寸繪出，再將模型以STL型式匯出，供FLOW-3D軟體使用。

本研究渠道設置網格的區域長度為160公分，寬度為50公分，高度為20公分，本研究網格設置如圖4所示。

本模式網格，示如圖4為入流口。在網格內部上層為空氣，下層為水，空氣與水的介面是由流體體積法(VOF)來處理。給定水深(y)為7.5公分，為出流邊界。左右兩側的邊壁Ymin、Ymax與底床Zmin設定為牆(wall)。頂部邊界為對稱型邊界。

圖3 模擬流程圖

Figure 3 Simulation flow chart

圖4 網格設置範圍圖

Figure 4 Setting ranges of flow net

2. 環圈柱模擬配置

環圈柱保護工對於改變流場，削減水流能量，進而保護橋墩之主要參數為環圈柱直徑(b，3.5cm、3.875cm、5cm)。本研究利用FLOW-3D來模擬環圈柱保護工設置前後之流場變化，藉以研判環圈柱保護橋墩之成效，其中O1為未設置保護工之單橋墩對照組，墩徑為5公分。A1~A3為環圈柱直徑之變化，其環圈分別以3個、4個、5個組合再交互疊合而成，其設置高度為5/3倍水深(y)，即環圈柱高度大於水深。設置距離(L)則均為1倍墩徑(b)，藉以瞭解環圈柱直徑對減少橋墩沖刷之成效。B組則係為了瞭解環圈柱設置高度對於消減水流能量之成效，環圈柱高度為水深(y)之1/2倍(約為3.8公分)，再與A3組對照比較。C組則為瞭解環圈柱與橋墩不同距離時的流場變化，分別位於橋墩上游2倍、3倍、4倍墩徑(b)處，而後再與A3組進行比較分析。本研究模擬之配置詳如表1，各符號及參數請參考圖5。

(1)環圈柱直徑變化

藉由3個環圈、4個環圈與5個環圈組合之不同，來模擬相異之配置時，環圈柱直徑大小對橋墩之保護效果之差異。因空心之環圈堆其流場過於複雜，所以將其空心簡化成圖6。

(2)環圈柱設置高度變化

環圈柱於高流量高水位時，可能不及全水深之高度，因此有浸沒於水中之情形。此外，設置環圈柱後，於環圈柱周圍之底床會產生沖刷之現象，環圈柱之環圈可能隨河床地形沉降。因此環圈柱高度改變時，其對於橋墩之保護效果是否有影響，為待釐清之目標。本文將環圈柱設置高度為1/2倍初始水深，以瞭解浸沒於水中時，環圈柱橋墩周圍流場之變化，如圖7所示。

(3)環圈柱設置距離變化

圖5 環圈柱配置參數圖

Figure 5 Parameters of ring columns arrangement

表1 FLOW-3D模擬試驗之組別

Table 1 Summary of FLOW-3D simulated experiments

變因

組別

相對

環圈柱

直徑

(D/b)

相對

設置

高度

(H/y)

相對

設置

距離

(L/b)

環圈

厚度

(h)

對照組

O1

－

－

－

－

相對

環圈柱

直徑

A1

0.7

5/3

1

1

A2

0.775

5/3

1

1

A3

1

5/3

1

1

相對

設置

高度

B1

1

1/2

1

1

相對

設置

距離

C1

1

5/3

2

1

C2

1

5/3

3

1

C3

1

5/3

4

1

圖6 環圈柱直徑變化模擬配置圖

Figure 6 Simulated arrangement with diameter variations of ring columns

(水流方向)圖7 環圈柱高度變化(B組)模擬配置

Figure 7 Simulated arrangement with height variations of ring columns (B groups)

在橋墩上游設置保護工時，最重要之參數為保護工與橋墩間設置之距離，距離參數不僅影響現場施工之難易程度，更重要的是與流場變化有直接之關係。因此本研究針對1倍墩徑至4倍墩徑的四種距離，亦即5公分、10公分、15公分、20公分來解析不同距離時，環圈柱下游與橋墩上游之流場變化。詳細配置距離，如圖8所示。

圖8 環圈柱設置距離變化(C組)模擬配置圖

Figure 8 Simulated arrangement with distance variations of ring columns (C groups)

結果分析與討論

1. 模擬流場截面

本文分析時採用X-Y俯視圖、Y-Z前視圖，搭配X軸流速u與Z軸流速w來顯現模擬結果。其中u為正值表示水向下游流動；而w值向上為正，向下為負值。因此X-Y俯視圖以模型底床截面做相關討論。Y-Z前視圖則以墩前來做探討。橋墩中心設置於X為802.5公分；Y為25公分處，圖9為截面示意圖。

圖9模擬結果分析截面示意圖

Figure 9 Schematic diagram of simulated cross section

2. 環圈柱直徑變化之流場解析

環圈柱直徑與形狀之變化，對於橋墩迎水面衝擊之防護有決定性影響，本模式透過三環(A1)、四環(A2)與五環(A3)不同直徑大小，觀察水流流經環圈柱後，對橋墩周圍流場造成不同之影響。

由圖10與圖11可以看出A1與A2組發

((cm))(cm/s)(cm))) (CP) (flow)

圖10 設置三環環圈柱(A1)保護工之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 10 Longitudinal velocity distributions under setting three ring columns(A1) for pier protection

((cm/s))(cm))(cm))) ((cm/s)(cm))(cm))生水流於環圈柱繞流後直接衝擊橋墩前緣兩側之情形，且在墩側有射流之現象，A1組與A2之流速約為80cm/s~100cm/s左右，而圖12中A3組之速度為52cm/s~68cm/s為最低，對於減緩沖刷效果應為較佳。又與未設保護工時之射流流速86.5cm/s相較，A3組環圈柱之平均射流流速60cm/s，其速度減緩率達31%，因此確有減緩橋墩沖刷之效果。

(C) (flow) (P)

圖11 設置四環環圈柱(A2)保護工之配置X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 11 Longitudinal velocity distributions under setting four ring columns(A2) for pier protection

((cm))(cm)(cm/s)) (C) (P) (flow)

圖12 設置五環環圈柱(A3)保護工之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 12 Longitudinal velocity distributions under setting five ring columns(A3) for pier protection

圖13至圖15分別為設置三環、四環及五環環圈柱保護工時之墩前速度Y-Z剖面圖。圖15的顯示五環(A3)環圈柱保護工之下游橋墩墩前，上升流之最高流速約為19.6cm/s，上升速度梯度位於水面較上緣處，而底部之速度流場相當穩定，下降流相對較小，對於墩前底床之沖刷能量相對A1、A2

(flow)

圖13 設置三環環圈柱(A1)保護工之Y-Z剖面墩前垂向速度分布圖

Figure 13 Vertical velocity distributions in front of pier under setting three ring columns(A1) for pier protection ((cm/s))

((cm))flow(cm/s)(cm)))

圖14 設置四環環圈柱(A2)保護工之Y-Z剖面墩前垂向速度分布圖

Figure 14 Vertical velocity distributions in front of pier under setting four ring columns(A2) for pier protection

((cm/s)(cm))(cm))flow) ((cm))(cm/s)(cm))) (flow)

圖15 設置五環環圈柱(A3)保護工之Y-Z剖面墩前垂向速度分布圖

((cm/s)(cm)(cm))Figure 15 Vertical velocity distributions in front of pier under setting five ring columns(A3) for pier protection

為低，屬較理想之配置，圖中〝╳flow〞代表水流流入，即水流垂直紙面流入之橋墩前視圖(front view)。主要在瞭解水流通過橋墩時，橋墩左、右側之流場分布。

由圖15及圖16相較，可知未設置保護工時墩前向下射流流速約為-10.2cm/s，當以A3組型式配置後驟減為-1.1cm/s，保護工對於向下射流之削減率達89%，效果極為顯著，復由前述可知，A3組對於橋墩側面流速減緩率達31%。因此，當環圈柱直徑與橋墩直徑相等(A3)時，橋墩可獲得較佳保護。

3. 環圈柱高度變化之流場解析

環圈柱位於水面之上或浸沒於水中，對於保護下游橋墩，防止沖刷具有重要之影響。又環圈柱受水流衝擊其周圍河床可能遭刷深而沉降，此時環圈會隨地形而沉降，造成高度不及水深之情形，對於下游橋墩之遮蔽效應可能會減少。又當水流流經高度低於水深之環圈柱頂部時，其紊動能量可能因柱

圖16 未設保護工之Y-Z剖面墩前垂向速度分布圖

Figure 16 Vertical velocity distributions in front of pier without setting pier protection

(C) (P)

圖17 設置環圈柱保護工B1配置之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 17 Longitudinal velocity distributions under setting ring columns (B1) for pier protection

體擾流而加大，造成不良影響。因此本研究針對環圈柱高度對於流場之影響加以研析，以瞭解其對下游橋墩沖刷深度之影響程度。如圖17所示，為設置五環環圈柱保護工配置時之B1底床流速分布，亦即當環圈柱直徑與橋墩墩徑相同，設置高度為水深之1/2(浸沒於水中)且距下游橋墩為1倍墩徑之條件下，其底床X-Y平面之速度分布圖。由圖17可知當環圈柱潛沒於水中時，其頂部及周圍流場更為紊亂，對於下游橋墩防止向下射流及兩側射流之效果遠不及環圈柱高高於水深(圖12)之情況。C為環圈柱保護工，P為橋墩。

((cm/s)(cm)(cm)) (P) (C)

圖18 設置環圈柱保護工(C1)配置之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 18 Longitudinal velocity distributions under setting ring columns(C1) for pier protection

((cm)(cm/s)(cm)) (P) (C)

圖19 設置環圈柱保護工C2配置之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 19 Longitudinal velocity distributions under setting ring columns(C2) for pier protection

4. 環圈柱距離變化之流場解析

環圈柱設置於橋墩上游後會對橋墩形成屏蔽效應，使水流不至於直接衝擊橋墩，惟若設置距離不當，如過於接近或遠離橋墩，則其減緩橋墩沖刷之效果可能會受影響，因此本研究透過模擬，藉以瞭解環圈柱設置距離變化對於橋墩周圍流場之影響。C為環圈柱保護工，P為橋墩。

圖18~圖20分別為環圈柱直徑與橋墩墩徑相同，設置高度高於水深，設置位置位於橋墩上游2倍、3倍及4倍墩徑時之X方向底床流速圖。圖中顯示，墩前之流速隨著距離增加而加大；而橋墩兩側流速並無太大差異，惟其影響範圍隨距離之增加而加大。

((cm)(cm/s)(cm)) (P) (C)

圖20 設置環圈柱保護工C3配置之X-Y剖面底床縱向速度分布圖

Figure 20 Longitudinal velocity distributions under setting ring columns(C3) for pier protection

結論與建議

1. 結論

(1)環圈柱保護工直徑之變化，對於橋墩周圍流速分佈之影響，當環圈柱之直徑與橋墩同寬時，可以得到最佳之保護效果。

(2)當環圈柱潛沒於水中時，水流越過環圈柱後產生下射，不僅無保護效果，更加劇垂向流速之能量，因此環圈柱設置須高於水面，才能達到預期效果。

(3)當環圈柱設置直徑與橋墩同寬，設置位置為橋墩上游1倍墩徑之距離，且設置高度高於水面時，與未設置保護工時之圓柱型橋墩墩前向下射流速度相較，其流速由-10.2cm/s降至-1.1cm/s，削減率達89%，而橋墩兩側流速消減率則為31%。

2.建議

(1)本文於模擬環圈柱時，將環圈予以簡化進行分析，建議未來可用空心之環圈來做模擬，以瞭解環圈之透水特性，使其更接近真實之流場。

(2)環圈柱之組成可為多種型式，本文使用單柱且為單種環圈，建議後續研究時可採用多柱，或是不同大小之環圈做深入之探討。

參考文獻

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墩前壅水

(BOW WAVE)

向下射流

(DOWNFLOW)

橫向繞流

馬蹄形渦流

(HORSESHOE VORTEX)

尾跡渦流

(WAKE VORTIKES)

淤積堆

(SILTATION HEAP)

橋墩

(PIER)

沖刷坑

(SCOUR HOLE)

水流方向

�

CAD

建構模型

時間與單位設定

物理性質設定

匯入CAD模型建立網格

邊界條件設定

參數設定檢查

輸出項設定

N.G

執行程式

結果正確

更

改

配

置

調

整

設

定

OK

分析

�

�

CAD建構模型

時間與單位設定

物理性質設定

匯入CAD模型建立網格

邊界條件設定

參數設定檢查

輸出項設定

N.G

執行程式

結果正確

更改配置

調整設定

分析

OK

740cm

900cm

20cm

50cm

160cm

pier

740cm

900cm

20cm

50cm

160cm

pier

D/b=0.7

環圈堆直徑變化

D/b=0.775

D/b=1

D/b=1

D/b=0.775

D/b=0.7

簡化

簡化

簡化

�

�

�

D/b=0.7

環圈堆直徑變化

D/b=0.775

D/b=1

D/b=1

D/b=0.775

D/b=0.7

簡化

簡化

簡化

橋墩

環圈柱

示意

水深

y

=

7

.

5

cm

環圈柱高

H

=

3

.

8

cm

環圈柱高

H

=

12

.

5

cm

橋墩

環圈柱示意

環圈柱高 H=3.8 cm

水深 y=7.5 cm

環圈柱高 H=12.5 cm

環圈柱與橋墩距離之變化

1倍墩徑

pier

pier

pier

pier

4倍墩徑

3倍墩徑

2倍墩徑

�

4倍墩徑

pier

pier

pier

pier

3倍墩徑

2倍墩徑

環圈柱與橋墩距離之變化

1倍墩徑

Y-Z切面-墩前

Y-Z切面-墩後

7.5cm

X-Y切面

水面

底床

5cm

flow

橋墩周圍

X-Z切面

橋墩中線

�

橋墩周圍

X-Z切面

Y-Z切面-墩前

Y-Z切面-墩後

X-Y切面

7.5cm

水面

底床

5cm

flow

橋墩中線