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系統識別號 U0002-3007201909325600
中文論文名稱 不同坡度下水下顆粒柱崩塌之試驗
英文論文名稱 Collapse of submerged granular columns on inclined planes: Experiments
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 陳毓軒
研究生英文姓名 Yu-Hsuan Chen
學號 607480026
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-07-01
論文頁數 62頁
口試委員 指導教授-李政賢
委員-蘇仕峯
委員-戴璽恆
中文關鍵字 水下顆粒流  顆粒流  水下滑坡 
英文關鍵字 Submarine granular flow  granular flow  submarine landslide 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要   為了減少由海底崩塌衍伸的災害,例如海底濁流沖毀放置在海底的纜線和海嘯,對人類生命或經濟財產造成危害,了解顆粒崩塌的方式、型態、崩塌時間和速度,有助於對此災害有更準確的預測,預防並降低傷害。
  本文以實驗研究在不同斜坡角度上水下顆粒柱的崩塌過程。實驗使用兩種顆粒粒徑的沙粒,粗沙和極粗沙,在三種斜坡坡度θ=0°、θ=5°與θ=10°上,堆積成不同高寬比的長方體顆粒柱,進行水下顆粒柱崩塌實驗。
  實驗結果發現,顆粒崩塌會受到顆粒粒徑和斜坡坡度的影響,和極粗沙相比,粗沙的擴散速度更快、崩塌時間更長且崩塌距離更大,另外坡度越陡,擴散速度、崩塌時間和崩塌距離也會越大。此外,實驗觀察到兩種崩塌方式,並發現可以決定崩塌方式的初始高寬比臨界值AL,當初始高寬比大於AL,崩塌會由顆粒柱的底部向前滑動,顆粒柱上半部會抱持原形狀下降;當初始高寬比小於AL,大量顆粒會由上層向前滑動。實驗也觀測到兩種最終沉積物形狀,發現另一個可以決定最終沉積物形狀的初始高寬比臨界值AH,當A<AH時,最終沉積物為梯形;當A>AH時,最終沉積物為三角形。
英文摘要   Submarine granular slides may destroy submarine infrastructures and cause tsunamis, threating the affected coastal zones. To understand physics of submarine granular slides, the study performs experiments using collapse of granular column on a inclined plane, which is regarded as a simple model for submarine granular slides. Two kinds of sand are used: coarse sand and very coarse sand.
  The experimental results reveal that the collapse types, runout distance, durations and spreading speeds depend on the initial aspect ratio of column, grain size, and inclined slopes. The coarse sand has the longer runout distance, longer collapse duration, and higher spread velocity than the very coarse sand. The steeper slope yields the longer runout distance, longer collapse duration, and higher spread velocity. Two types of the collapse process and two types of final deposit morphology were observed in the experiments. A critical initial aspect ratio can be used to classify the types of the initial collapse process and the final deposit morphology. A critical initial aspect ratio, AL, that separates two types of initial collapse processes was about 3.4 for both particle sizes. When A > AL, the entire top layer descends at the initial stage of the collapse process; when A < AL, a portion of the top layer moves. A critical initial aspect ratio, AH, that separates two types of the final deposit morphology was about 0.7 for both particle sizes. When A > AH, the final deposit morphology has a triangular shape; when A < AH, the final deposit morphology has a trapezoidal shape.
論文目次 謝誌 I
中文摘要 II
Abstract III
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 乾燥顆粒柱崩塌 2
1.2.2 水下顆粒柱崩塌 3
1.2.3 數值模擬顆粒柱崩塌 4
1.3 研究目的 5
第二章 試驗方法 6
2.1 試驗水槽 6
2.2 影像擷取設備 7
2.3 試驗顆粒特性 9
2.3.1 顆粒粒徑 9
2.3.2 顆粒密度 12
2.3.3 體積分率 12
2.3.4 顆粒安息角 13
2.4 試驗步驟 14
第三章 影像分析 15
3.1 前端沙粒位置 15
第四章 結果與討論 17
4.1 崩塌方式與最終沉積物形狀 17
4.2 擴散速度 37
4.3 崩塌時間 42
4.4 最終沉積物高度 49
4.5 崩塌距離 53
4.6 討論 56
第五章 結論 60
參考文獻 61

表 2-1 極粗沙(VC)粒徑百分比結果。 10
表 2-2 粗沙(C)粒徑百分比結果。 10
表 2-3 試驗顆粒粒徑。 11
表 2-4 試驗顆粒密度。 12
表 2-5 試驗顆粒體積分率。 13
表 2-6 試驗顆粒安息角。 13

圖 1-1 不穩定的邊坡。 1
圖 2-1 試驗水槽示意圖。 6
圖 2-2 試驗水槽。 6
圖 2-3 底床表面。 7
圖 2-4 高速攝影機 (Fastec IL5)。 7
圖 2-5 平板燈。 8
圖 2-6 鹵素燈。 8
圖 2-7 設備擺放示意圖。 8
圖 2-8 篩網。 9
圖 2-9 粒徑累積曲線圖(a) 極粗沙(VC);(b) 粗沙(C)。 11
圖 2-10 鬆散狀態下2kg重的粗沙(C)。 12
圖 2-11 極粗沙(VC)在平面上形成安息角。 13
圖 2-12 試驗步驟。 14
圖 3-1 影像處理過程。(a)讀取實驗影像;(b)將影像轉為灰階;(c)裁切影像;(d)閉運算;(e)二值化處理。 16
圖 4-1在θ=10°下,極粗沙(VC)水下顆粒崩塌過程。(a) A=3.46 (H_i=13.8 cm和L_i=4 cm);(b) A=1.44 (H_i=14.4 cm和L_i=10 cm);(c) A=0.35 (H_i=5 cm和L_i=14.3 cm)。 18
圖 4-2 在θ=10°、H_i=13.8 cm和L_i=4 cm (A=3.46)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 19
圖 4-3 在θ=10°、H_i=14.4 cm和L_i=10 cm (A=1.44)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 20
圖 4-4 在θ=10°、H_i=5 cm和L_i=14.3 cm (A=0.35)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 21
圖 4-5 在θ=5°、H_i=13.7 cm和L_i=4 cm (A=3.45)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 22
圖 4-6 在θ=5°、H_i=14.9 cm和L_i=10 cm (A=1.49)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 23
圖 4-7 在θ=5°、H_i=5 cm和L_i=14.3 cm (A=0.35)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 24
圖 4-8 在θ=0°、H_i=14.2 cm和L_i=4 cm (A=3.55)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 25
圖 4-9 在θ=0°、H_i=14.5 cm和L_i=10 cm (A=1.45)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 26
圖 4-10 在θ=0°、H_i=5.4 cm和L_i=14.3 cm (A=0.38)條件下,極粗沙(VC)水下顆粒柱崩塌過程。 27
圖 4-11 在θ=10°、H_i=13.8 cm和L_i=4 cm (A=3.45)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 28
圖 4-12 在θ=10°、H_i=14.4 cm和L_i=10 cm (A=1.44)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 29
圖 4-13 在θ=10°、H_i=4.7 cm和L_i=14.3 cm (A=0.33)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 30
圖 4-14 在θ=5°、H_i=13.1 cm和L_i=4 cm (A=3.27)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 31
圖 4-15 在θ=5°、H_i=14.3 cm和L_i=10 cm (A=1.43)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 32
圖 4-16在θ=5°、H_i=4.8 cm和L_i=14.4 cm (A=0.34)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 33
圖 4-17 在θ=0°、H_i=13.4 cm和L_i=4 cm (A=3.34)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 34
圖 4-18 在θ=0°、H_i=14.4 cm和L_i=10 cm (A=1.44)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 35
圖 4-19 在θ=0°、H_i=3.4 cm和L_i=14.3 cm (A=0.24)條件下,粗沙(C)水下顆粒柱崩塌過程。 36
圖 4-20 極粗沙(VC)在θ=5°、L_i=4 cm和H_i=10 cm條件下,崩塌前端顆粒位置x_f的時間序列。 37
圖 4-21 不同顆粒粒徑下,無因次擴散速度uf/√(Hig')與初始高寬比A的關係。(a) θ=0°;(b) θ=5°;(c) θ=10°。 39
圖 4-22 不同角度下,無因次擴散速度uf/√(Hig')與初始高寬比A的關係。(a) 極粗砂(VC);(b) 粗砂(C)。 40
圖 4-23 無因次擴散速度uf/√(Lig')與初始高寬比A的關係。 41
圖 4-24 不同顆粒粒徑下,Li=10 cm和H_i=10 cm的顆粒柱,崩塌前端顆粒位置xf的時間序列。(a) θ=0°;(b) θ=5°;(c) θ=10°。 43
圖 4-25 不同角度下,L_i=10 cm和H_i=10 cm的顆粒柱,崩塌前端顆粒位置x_f的時間序列。(a) 極粗沙(VC);(b) 粗沙(C)。 44
圖 4-26 不同顆粒粒徑下,無因次崩塌時間t_d95/√(H_i g')與初始高寬比A的關係。(a) θ=0°;(b) θ=5°;(c)θ=10°。 46
圖 4-27 不同角度下,無因次崩塌時間t_d95/√(H_i g')與初始高寬比A的關係。(a) 極粗沙(VC);(b) 粗沙(C)。 47
圖 4-28 無因次崩塌時間t_d95/√(L_i g')與初始高寬比A的關係。 48
圖 4-29 不同顆粒粒徑下,無因次最終沉積高度H_f/H_i與初始高寬比A的關係。(a) θ=0°;(b) θ=5°;(c)θ=10°。 50
圖 4-30 不同角度下,無因次最終沉積高度H_f/H_i與初始高寬比A的關係。(a) 極粗沙(VC);(b) 粗沙(C)。 51
圖 4-31 無因次最終沉積物高度H_f/L_i與初始高寬比A的關係。 52
圖 4-32 不同顆粒粒徑下,無因次崩塌距離∆L/L_i與初始高寬比A的關係。(a) θ=0°;(b) θ=5°;(c)θ=10°。 54
圖 4-33 不同角度下,無因次崩塌距離∆L/L_i與初始高寬比A的關係。(a) 極粗沙(VC);(b) 粗沙(C)。 55
圖 4-34 無因次崩塌距離∆L/L_i與初始高寬比A的關係。 57
圖 4-35 無因次崩塌距離∆L/L_i與修正後初始高寬比A+0.3((μ(〖H_i〗^3/g')^0.5)/(ρd^2 L_i ))的關係。 58
圖 4-36 無因次崩塌距離∆L/L_i與修正後初始高寬比A(1+5R sin⁡θ )+0.3(1+5R sin⁡θ )((μ(〖H_i〗^3/g')^0.5)/(ρd^2 L_i )) 58
圖 4-37 經驗關係式預測無因次崩塌距離和真實結果無因次崩塌距離的關係。 59

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