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高考申論題 107年 [水利工程] 渠道水力學

第 二 題

📖 題組:
已知一矩形渠槽(寬度 b1=15 m)以漸變段銜接一梯形斷面之渠道(寬度 b2=23 m),若流量為 357 cms,渠槽底床較渠道底床高 0.5 m,且渠道之水深為 6.7 m,側坡比(V:H)為 1:2,假設無任何水頭損失且能量修正係數為 1.0,試求:(15 分) (一)渠槽之水深。 (二)渠槽之斷面平均流速。(5 分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

渠槽之斷面平均流速。

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本題核心為「能量守恆定律(伯努利方程式)」與「連續方程式」的應用。面對漸變段與底床抬升的題型,應先計算已知斷面(下游渠道)的總水頭並判別流況(確認為亞臨界流),再利用無水頭損失之條件,列出上游一元三次方程式推導渠槽之水深,最終求得平均流速。

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【解題關鍵】利用連續方程式($Q=AV$)與能量守恆定律($H_1 = H_2$)求解,並透過福祿數($Fr$)判別流況以決定合理的水深解。 【解答】 設斷面 1 為上游矩形渠槽,斷面 2 為下游梯形渠道。將基準面設於斷面 2 之底床,則 $Z_2 = 0$ m,$Z_1 = 0.5$ m。

小題 (一)

渠槽之水深。

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看到「無水頭損失」與斷面尺寸變化,應直覺聯想到使用「能量守恆方程式(白努利方程式)」。解題關鍵在於設定統一基準面計算下游總水頭,再推回上游求解;同時務必計算福祿數(Froude number)判斷流況,以決定三次方程式中哪一個才是合理的水深解。

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【解題思路】利用無水頭損失之能量守恆原理(白努利方程式),以斷面2底床為基準面計算總水頭,並透過流況判別(福祿數)選取合理之水深解。 【詳解】 已知:

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