交通大學土木工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
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水庫集水區之攔砂壩的建置，嚴重破壞水域生態環境，阻隔河川的生態廊道，並將其區隔成數個獨立棲地空間。加上風災沖刷干擾，許多河段棲地變為無生物跡象之空棲地環境，故應對其棲地環境投入生態復育之工作，藉由移地復育手法營造河川生態資源。復育作業的施行，需對河段棲地好壞有所了解，因此棲地環境應先進行評估與分析，而評價較高之棲地較有生態復育的潛能，應優先列選為執行移地復育作業的地點。 本研究採用市民版定性棲地評估指標(CQHEI)，以石門水庫集水區為示範區域，對其範圍內之溪流進行棲地環境評估，並將成果分級標示，用以判定溪流棲地環境的優劣程度。其次將評估紀錄之數據作標準偏差之分析，以理解棲地環境的變動程度和評估指標的相關性。由分析結果顯示，石門水庫整體河川棲地多屬Medium與Excellent等級，其中又以分屬於Extra等級的高遶溪、匹亞溪以及下文光溪棲地條件最佳，最適合施作移地復育。而由變動性分析得知當棲地評估等級愈好，其環境的變動性就愈低，結果顯示奎輝ST1至ST3、宇內ST2、卡拉ST3以及泰崗六個河段測點棲地較穩定，可選做為生態復育的候選地點。 經研究得知適用於移地復育之潛勢棲地應包含棲地評價等級優良、生物豐度低以及棲地環境變動性低三項因素。滿足此三要素的棲地空間才有執行生態復育的意義與價值。
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由於台灣地區降雨量分布不均，南北差異甚大，雖然總雨量頗高，但實際上乾溼兩季分明且中部及南部地區年降雨量較少類似半乾旱氣候。故本研究將考慮台灣地區的氣候條件，輸入北部(淡水)、中部(台中)、南部(台南)的歷史氣象資料，以蒸發散覆蓋為覆蓋層型式，控制地表植生條件，透過蒸發散的概念將入滲水排除達到減少水流通過覆蓋層底層的下滲。本研究以HELP模式及HYDRUS-1D模式進行數值模擬，來計算水流通過覆蓋層底層的下滲量。其中HELP模式為擬二維的分析方式，該模式僅考慮水文平衡沒有考慮土壤保水特性與非飽和土壤導水度的關係；而HYDRUS-1D模式雖是描述土壤的一維的水流下滲行為，但分析上考慮土壤保水特性與非飽和土壤導水度的影響。分析結果顯示，單一土層類型有低水力傳導性並且有高的貯水能力，使單一土層覆蓋增加貯水容量，提高蒸發散量以限制水流的下滲。而單一土層蒸散覆蓋的土層厚度取決於降雨量及土壤的貯水容量。毛細阻隔層類型上層為細顆粒層下層為粗顆粒層，結合了單一土層類型的特性，並藉由毛細作用力將水流限制在細顆粒層以減少下滲至粗顆粒層。
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早期的河川護岸工程施作以安全為主，多使用以鋼筋混凝土為主的人造剛性結構物，鮮少考量施作後對原本天然條件的改變和生態的影響為何。近年來，隨著國際間對生態重視度提高，較能與生態取得平衡點的生態工法概念逐漸成為主流，工程上開始考量使用天然、多孔隙的柔性材料取代原本剛性的材料，台灣也受到生態工法的概念引入而在工程上開始改變。但每當颱風或暴雨後，護岸發生破壞案例尤其多，而至今的研究多著眼於護岸本身擋土結構上的破壞和擋土結構本身穩定性不足而發生破壞，鮮少有針對水位升降對於護岸邊坡穩定性影響的研究。 因此，本研究在考慮非飽和的影響下，假設護岸本身結構穩固不發生破壞，以混凝土護岸、乾砌石護岸和混凝土砌石護岸等三種常見的護岸類型為研究對象，並搭配不同的背填土壤、不同的水位升降型式和不同水位升降的基期，僅針對坡外的水對護岸邊坡的影響。先以數值軟體FEMWATER模擬河川水位升降過程得護岸邊坡內的暫態滲流模擬分析結果，再將各暫態滲流結果輸入至邊坡穩定分析程式Slope/W中進行邊坡穩定分析，得到安全係數隨時間變化的關係，以釐清河川水位升降是否為造成護岸破壞的原因之一。 研究結果顯示於坡外完整水位升降期間，安全係數受坡外水壓作用所影響，內外水位差導致的水壓力向坡內使得三種護岸的安全係數均隨邊坡外水位升降而升降，由此可知坡外水位的影響大於坡內土壤材料強度的改變；另一方面於急洩降期間，安全係數受坡內水壓作用所影響，內外水位差導致的水壓力向坡外使得三種護岸的安全係數均隨坡外水位洩降而降低，其中混凝土和混凝土砌石護岸的安全係數下降程度大於乾砌石護岸。在本研究所使用之護岸邊坡參數下來說，三種類型護岸於坡外完整水位升降期間都是安全的，但於坡外急洩降期間只有乾砌石護岸是安全的，其餘兩者是不安全的。其中需注意的是由於近年來極端氣候的影響，完整水位升降於高水位的停滯時間導致急洩降發生的可能性不容忽視。
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為預防及整治土壤及地下水污染，確保土地及地下水資源永續利用，環保署於2000年制定土壤及地下水污染整治法。在土壤與地下水污染整治法通過後，受污染場址的土地轉移、土地使用將受到限制，在業者時限壓力下工程師常被要求在短時間內完成整治工作。而多相抽除法為近十幾年來快速發展之現地整治方法，惟在效率評估上多半仰賴工程師經驗，缺乏量化的指標。本研究以大型儲油槽汽油洩漏在砂質土層造成的污染作為研究對象，以數值模擬軟體TMVOC探討多相抽除法在該場址中，佈井位置、孔隙率、井底壓力此三變數對整治效率的影響。模擬結果顯示佈井於洩漏點下游10 m處整治效率最佳，由此點向上游或下游佈井效率將降低，距離此點越遠效率越差。大孔隙率之場址整治效率較高。井底壓力與大氣壓力的壓差和整治效率有正相關性，但非成正比，加大負壓對回收速率的影響在整治前期較為明顯，整治後期影響降低。
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於節理豐富之岩質河床，岩塊抽離機制最易成為主控之沖蝕機制。本研究以顆粒流數值模擬為方法，PFC3D軟體為工具，模擬節理發達岩體中岩塊抽離沖刷之行為與機制，檢視其微觀機制、探討影響岩塊抽離沖刷機制中塊體之運動條件及其受力行為之重要因子，進而提出簡化分析方法。為合理模擬節理面力學行為之要素，本研究先進行弱面直剪之模擬，結果顯示岩橋凝聚力及摩擦係數分別與最大摩擦阻抗及峰後摩擦阻抗呈正相關，而隨岩橋所占面積比越大，岩橋作用越為明顯。繼而模擬岩質河床表面岩塊之抽離行為，先模擬單岩塊虛擬試體之抽離行為，以探討影響塊體抽離之因子，整理虛擬試驗結果可知岩塊上舉速率隨岩橋面積比、岩橋鍵結強度、凝聚力以及節理勁度參數增加而下降；並隨著壓力波動平均差增高而上升。繼而模擬多岩塊岩床之同時受上舉力影響之抽離行為，探討塊體排列及岩橋分佈條件對岩塊抽離之影響，由模擬結果發現關鍵岩塊於塊體抽離中扮演重要角色。最後本研究基於虛擬沖刷試驗所整理之成果、以單岩塊抽離之模擬結果為基礎，提出一套簡化分析方法；關鍵岩塊之抽離行為則可視為單岩塊之抽離行為，考量其控制節理發達河床之沖刷速率。本文最後並以一案例展示此簡化分析法之應用。
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啟發式演算法發展至今，已成功應用於各種領域。本研究旨在改善既有之啟發式和弦搜尋最佳化演算法（Harmony-Search Optimization Method）以提高其應用時之適用性與搜尋結果之收斂性。本研究以既有和弦搜尋演算法為基礎，針對啟發式演算法之集中強化（Intensification）與多樣化（Diversification）進行改善，以取得兩者間最佳之平衡。本研究先以參數自由設定之和弦搜尋演算法(Parameter-Setting-Free Harmony Search, 簡稱PSF-HS)結合粒子群法(Particle Swarm Harmony Search, 簡稱PS-HS)令和弦演算法中控制多樣化之參數HMCR與及控制調音率之參數PAR隨著迭代次數動態調整，使演算法於搜尋階段處於高多樣化的階段隨迭代次數增加而逐漸降低，漸次提高集中強化之比重，藉此提高和弦搜尋演算法的搜尋速度。再於驗證分析中，針對離散式例題分別加入移動平均、調音方向、粒子群法等方法以改善其搜尋所需迭代次數；針對連續式例題則於收斂階段時加入數值微分的方法以改善其收斂效果。隨後以經過修改與驗證後之演算法應用於新山壩滲漏問題之反算分析，並比較前人採用原版和弦搜尋演算法之計算結果，證明採用本研究之改良方法可得到收斂更佳的解。復以國道3號3.1k邊坡問定問題進行反算分析，比對災後調查報告與現地資料結果，展示此方法於實際反算分析應用時之適用性與有效性。
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本研究以渠槽實驗模擬堰塞湖溢流破壞之過程。實驗中壩頂受到均勻之沖刷而不致產生局部潰口，為全斷面沖刷之一維動床過程。利用數位攝影機擷取到之影像來對水位歷程與水位變化速率、壩體剖面破壞過程與水流沖刷能力等進行探討；藉由無因次因子間之關係得到迴歸式，並與現地案例進行比較。 實驗結果發現，在壩體溢頂沖刷過程中，會分別出現反射波與退水波，可由水位變化速率的歷程中之最高與次高值來判別。而水流沖刷能力與水位變化速率存在有對應關係，主要沖刷階段發生於水位變化速率之最高值與次高值之間。 利用實驗數據獲得之迴歸式歸納(在壩體下游坡角α = 35.5∘時)，當壩體縱剖面類型為平坦型或稱矮長壩(寬高比，B/H ≥ 7.20)時，其入流總水體積與壩體體積之比值將大於1800；而當壩體縱剖面類型為高聳型或稱高長壩(7.20 > B/H ≥ 1.20)時，其比值將介於240 ~ 1800之間。
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磁電耦合效應是電場與磁場之間藉由應變相互轉換的現象，在記憶體、感測器應用上有相當大的潛力。由於單相多鐵性材料的磁電耦合效應太微弱而不足以應用，所以發展出雙相或多相多鐵性複合材料，藉此來提升磁電耦合效應。然而壓電與壓磁材料為非等向性材料，因此改變極化方向能進一步提升磁電耦合效應。 本研究使用之壓電材料為鈮酸鋰 (LiNbO3,LNO)與鈦酸鋇(BaTiO3,BTO)，壓磁材料為鈷鐵氧(CoFe2O4,CFO)，利用Mori-Tanaka微觀力學模型與尤拉角來尋找最佳磁電耦合效應之體積比與極化方向，最後運用COMSOL Multiphysics有限元素軟體驗證結果。研究結果顯示，經過極化方向與磁軸方向的轉換後，LNO[001]/CFO[001]之最佳αE,11*提升約1.19倍；CFO[001]/LNO[001]之最佳αE,11*提升約1.27倍。若將壓電材料換成BTO，旋轉極化方向之結果發現磁電電壓係數皆沒有提升。更進一步我們發現，壓電材料之壓電係數中，e15對磁電電壓係數αE,11*之影響最大，且LNO-CFO與BTO-CFO之最佳極化方向相當靠近LNO與BTO壓電係數e15之最佳極化方向。
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在勞委會彙整之民國97~99年國內營造業重大職災實例中，因危害辨識能力不足導致災害發生之比例約占23%。若在安衛教育時針對危害辨識進行訓練，相信能降低四分之一的職災發生。傳統安衛課程習於講述法與紙筆測驗，缺乏互動性也不易具體化；實習課程或現地參觀為安全考量，授課單位皆將環境中潛藏危害事先排除，亦難以提升受訓者危害辨識能力。使用虛擬實境之技術，可提供受訓人員一個可融入的且含潛藏危害的虛擬場景，除讓受訓人員有身歷其境的體驗外，更可免除真實訓練的危險性，讓受訓者在安全的擬真訓練環境中，進行重複性的危害辨識訓練。 本研究模擬潛藏各種危害之虛擬營造工地，設立危害情境互動機制與計分機制，建置出主動式、參與式及探索式之虛擬營造工地危害辨識訓練環境。虛擬實境教材以勞委會彙整之營造業重大職災案例為基礎，建置出潛藏墜落、滾落、物體崩塌等發生機率較高之危害形態情境於虛擬營造工地。透過主動式探索與觀察，受訓者可了解並學習到危害辨識知識，達到教育訓練之目的。本研究將虛擬實境融入危害辨識教育訓練中並設計實驗教學，實驗教學分傳統教學（控制組）與虛擬實境教學（實驗組），最後透過測驗與問卷，評估學習成績及學習滿意度。
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我國西部麓山帶出露甚廣的上新世與更新世地層沈積地層，此類地層的組成岩石普遍具有膠結不良、遇水極易軟化且極易受沖蝕之特性。河道上攔河堰之設置改變河川坡度，造成上游泥砂淤積，下游護甲層流失，喪失對岩盤之保護作用，而攔河堰下游沖刷坑形成後，隨著深度發展會造成被動土壓力之減少，可能使堰體因滑動或傾覆破壞。因水流流況不同，經攔河堰後水流沖擊下游岩床角度將有所不同，因此形成的沖刷坑之深度及形狀亦應當有所差異，其差異狀況值得加以探討。本研究旨在建立適用於軟弱岩石之室內射流沖刷設備，以模擬攔河堰下游沖蝕坑之形成。 本研究以郭炳宏(2010)建立之多功能室內沖蝕儀為基礎，增設可變角度射流沖刷設備，並建立試驗程序、試體準備方法及量測分析方法，最後以軟弱砂岩塊進行儀器測試。 本研究針對沖刷角度為30°、50°、70°進行三組試驗，一樣的沖刷時間下，作用在角度較小試體的總能量（總功）較大，而較大的總功也造成較多的沖蝕量。而射流角度較大的試體（70°）表面產生大規模塊體脫落之時間較早(4hrs)，相對的，射流角度較小的試體（30°），大規模塊體脫落需經過較長的沖蝕時間才會產生(24hrs)。