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地特三等申論題 109年 [水利工程] 渠道水力學

第 一 題

在某一平直之寬淺河段規劃興建一座跨河橋樑,河寬為50.0 m,計畫流量為200 m3/s,水深為4.0 m,水流為亞臨界流。為減少橋樑的長度,橋樑擬興建橫向護岸以局部束縮河段寬度。試問此計畫流量下,若橋樑之興建不影響河川上游水位變化時,其最小的河寬為何?(25分)
📝 此題為申論題

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看到「不影響上游水位」且求「最小河段寬度」,應直覺聯想到「比能守恆」與「臨界流 (Choking 現象)」。利用上游給定條件求出比能 E1,極限狀態下束縮段比能 E2 = E1 且剛好發生臨界流,再利用矩形斷面臨界流特性推求最小寬度。

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【解題關鍵】本題核心為「比能守恆」。為不影響上游水位(不產生壅水現象),束縮斷面之比能極限值即為上游比能,且此時束縮斷面水流恰達到臨界流狀態(即發生 Choking 現象的臨界點)。 【解答】 Step 1:計算上游原斷面(斷面 1)之比能 ($E_1$)

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📝 渠道束縮臨界流分析
💡 束縮斷面不產生壅水的極限條件為達到臨界流狀態。

🔗 束縮段最小寬度計算邏輯

  1. 1 斷面 1 分析 — 計算上游流速、Fr數及比能 E1
  2. ↓
  3. 2 比能守恆 — 令束縮段比能 E2 = E1
  4. ↓
  5. 3 臨界狀態假設 — 最小河寬對應臨界流 yc = 2/3 * E2
  6. ↓
  7. 4 求解單寬流量 — 由 yc = (q^2/g)^(1/3) 求出 q
  8. ↓
  9. 5 計算最終河寬 — 最小河寬 B = Q / q
🔄 延伸學習:延伸學習:若寬度小於此極限值,上游將產生壅水(Backwater)導致水位上升。
🧠 記憶技巧:VIP 會員可查看這題的記憶口訣與速記法
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壅水現象 (Choking) 底床隆起 (Step-up) 臨界分析 比能曲線 (E-y Curve) 福祿數 (Froude Number)

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