直立折葉板開孔式結(jié)構(gòu)物之消波特性改善研究

王芳宇,巫子揚,黃劭華,鄭智超,鄭劍豪,林炤圭

(1.福州大學 海洋學院，福州 350108；2.臺灣海洋大學，基隆 20224)

引言

港灣是國家開發(fā)海洋資源或促進國際海運的重要基地，如何提供一個空間足夠且靜穩(wěn)的內(nèi)水域與水道讓船舶可以安全進出、泊靠，以及能安全上下人員與裝卸貨物一向是港灣規(guī)劃設計的重要課題。當波浪經(jīng)由折繞射入侵港內(nèi)時，可能因多次反射而造成水面動蕩，甚至長周期蕩漾，危及船舶與人貨安全，例如船舶互撞，連帶也可能毀損港灣設施。因此如何削減波能，提升港內(nèi)穩(wěn)靜度，不論是學理研究或工程應用，在如何妥善配置外廓及碼頭設施并慎選能兼具提供船舶系靠及消波功能的碼頭結(jié)構(gòu)物成為工作首要。其中，可降低波浪反射能量，減少港內(nèi)多次反射所造成的能量堆積的開孔式(多孔隙)消能結(jié)構(gòu)物受到了廣泛的關注。很多學者專家致力于研究合理利用沉箱的內(nèi)部空間和改變碼頭岸壁的結(jié)構(gòu)型式來削減入侵波能或改變反射波相位以達到此目的。

有關直立多孔隙消波岸壁的研發(fā)與應用可追溯至20世紀60年代，JARLAN[2]首先提出開孔式結(jié)構(gòu)物的設想，該結(jié)構(gòu)物由一片開孔式前墻及一片不透水后墻構(gòu)成消波室，當波峰作用時水體由開孔進入消波室并造成擾動，而在波谷作用時水體從開孔泄出以干擾入射波浪，達到消減波能并減少波浪反射。

LEE和SHIN[3]提出在沉箱迎波面岸壁的上部做規(guī)則狹縫開孔,針對孔洞的長度及數(shù)量調(diào)整不同的孔隙率、單消波室與雙消波室、消波室的長度等進行一系列評估得出雙消波室的消能效果優(yōu)于單消波室;一級與二級消波室的長度一樣的時候消波效果最佳;而當一級消波室開孔率為40%,二級消波室開孔率為20%時,呈現(xiàn)最好的消波性能。

TANIMOTO和YOSHIMOTO[4]以水流通過開孔的水頭損失及近似理論推導波浪通過直狹縫型沉箱的水理特性，并以模型實驗驗證后指出影響直立狹縫型沉箱反射率的因子包含波浪條件、相對水深(h/L)、入射波波陡(H/L) 、狹縫壁開口比(ε)、狹縫壁開孔厚度(l1)、消波室長度(l2)以及底部水深(qh)與堤前水深(h)比等，最終得到狹縫壁開口比(ε)、狹縫壁開孔厚度(l1/h)、消波室長度(l2/h)以及底部水深比(q)等對于部分開孔岸壁沉箱的反射率影響最明顯，當q=0.5時，且ε=0.3～0.4；當q=1.0時，且ε=0.15～0.2時,反射率達到最小值。

汪宏等[5]結(jié)合開孔沉箱和透空式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，提出了雙層開孔直立式板結(jié)構(gòu)，通過不同波浪要素和不同結(jié)構(gòu)型式進行多組次物理模型試驗，指出開孔率、位置及形狀會影響消波能力。不過由于其下方可以排水，與具消波室之結(jié)構(gòu)物不同。

林蔚等[1]首先將排水消能的想法應用于直立活動折葉板式開孔消能結(jié)構(gòu)物(圖1),歐陽榮桓等[6]則應用于固定式內(nèi)建斜板消能結(jié)構(gòu)物，都獲得很好的消波效果。林蔚等[1]的構(gòu)想是在結(jié)構(gòu)物迎波壁開孔處裝設活動折葉板(圖2)。當波峰作用時, 較大水平力可推開折葉板而使水體進入消波室；而當波谷作用時，由于水粒子外流, 加上內(nèi)外水位差，水平推力減小不足以支撐折葉板的重量促使折葉板關閉,阻止水體直接外流產(chǎn)生反射波,并導引水體從下方孔洞排出。

圖1 折葉板開孔式沉箱結(jié)構(gòu)(林蔚等[1])Fig.1 Flat-Plate type perforated caisson of Lin et al. [1]圖2 折葉板開孔式沉箱結(jié)構(gòu)及消波構(gòu)想圖(林蔚等[1])Fig.2 Conceptual model of the Flat-Plate type perforated structure of Lin et al. [1]

圖3 折葉板型的反射率圖(林蔚等[1])Fig.3 Reflection coefficient of Lin et al. [1] model

綜合以上文獻回顧發(fā)現(xiàn)消波結(jié)構(gòu)物型式主要探討波浪通過開口的能量損失以及波動相位的改變，且大多集中在結(jié)構(gòu)物的開孔率、開孔形狀等因素對消波效果的影響，有關波浪進入消波室后的排水功能與運動現(xiàn)象則較少涉及。而林蔚等[1]透過不同造波條件作用下的水工模型實驗(比例縮尺1:36) 得出結(jié)論，如圖3所示：在造波周期0.8～3.0 s(原型周期4.8～18 s)間反射率皆在0.6以下，尤其在1.4～2.5 s(原型周期8.4～15 s)的消波成效最為顯著,反射率低于0.2，已經(jīng)涵蓋了冬季季風波浪及夏季臺風波浪。波高6 cm(原型波高2.16 m)作用下的消波效果比波高3 cm(原型波高1.08 m)好。雖然該結(jié)構(gòu)物在短周期及長周期部分已較其他研究的反射率佳，但仍略為偏高。并且汪宏等[5]曾提出“適當增大板間距可提高結(jié)構(gòu)的消波作用”，使本研究得到啟發(fā)，乃進一步檢討消波室長度的影響，并進行水工模型反射率實驗，以期能了解更多的新型結(jié)構(gòu)物特性。

圖4 實驗水槽斷面示意圖Fig.4 Experimental setup of the wave flume

1 反射率實驗條件與方案

本實驗于臺灣海洋大學河海工程系之斷面水槽進行(如圖4所示)，并以規(guī)則波形式呈現(xiàn)。實驗項目設備與條件說明可參考林蔚等[1]。本實驗采用最大造波水深h=50 cm，模型比例縮尺36:1、時間縮尺6:1。為方便調(diào)整不同消波室長度，設計了一個長78*寬78*高80 cm的實驗架，如圖5所示。采用不銹鋼角鋼及方管制作焊接而成，正面以方管作為小柱等間距分隔成7個開孔，而縱向以間隔10 cm設置導槽，并以木板材調(diào)整三種不同的艙室長度(B)，即10 cm、20 cm及30 cm?；顒诱廴~板部分，單片尺寸為9.7 cm×3 cm×0.2 cm，配重5.25 g，于迎波面分別以11行，每行配置7片，用鋁合金角條作為小梁安裝活動折葉板，一共設有77片。如圖5所示，實驗架上端部分因波浪未到達不安裝折葉板。最底端則考慮到深水處波動較小，拆除三排作為排水孔。

圖5 實驗架模型Fig.5 Experimental frame

(1)實驗條件。

規(guī)則波實驗的造波周期由0.8～3 s間隔0.1 s(原型周期4.8～18 s)，造波波高分別為H=3 cm及H=6 cm兩種，共有46組造波條件，均重復三次，造波時間約90 s，取樣頻率為25 Hz，以不發(fā)生碎波為原則。反射率實驗及分析系采用Goda[7]之兩點法。

(2)實驗配置。

如圖4所示，實驗架置于距離造波板21 m處。波高計的安置依Goda之建議為距反射壁0.5～0.45波長之間。但由于預定造多種波浪周期，可能量測到波峰或波節(jié)，加上波浪進出消能結(jié)構(gòu)物時可能發(fā)生無法預知的相位改變，因此以造波板為起點，七支波高計依序擺放于7 m(W1)、17.92 m(W2)、18.33 m(W3)、18.73 m(W4)、19.13 m(W5)、19.53 m(W6)、19.93 m(W7)處。

2 分析方法

反射率分析采用Goda[7]兩點法，取W2～W7波高計的波形記錄進行配對分析。首先以波浪原始記錄繪制時間序列之波形圖，如圖6所示，各子圖由上而下依序為W1到W7波高計。由于分析時只擷取存在入射及反射波的波形。在對每組實驗數(shù)據(jù)之入射波(W1)時間序列上以靜水位訊號值去除平均值后，設定啟動水位確認造波機產(chǎn)生之前導波到達W1波高計的時間，將其設定為入射波的起始時間(如圖6第一子圖的▼符號)，利用線性波理論的分散關系式代入造波周期及水深

(1)

式中：σ=2π/T為角頻率；T為周期；k=2π/L為波數(shù)；h為水深；L為波長。

圖6 原始波浪時間序列圖范例(H=3 cm,T=1.2 s)Fig.6 Example of original wave records (H=3 cm,T=1.2 s)圖7 造波波高3 cm、周期1.2 s所有配對的反射率范例Fig.7 Example of the distribution of KR of all aauge pairs (H=3 cm,T=1.2 s)

在求得波數(shù)之后可計算波長及波速，再以波高計間距離以及造波板與結(jié)構(gòu)物反射壁距離推算并于時序圖中以●及◆符號分別標示反射波以及二次反射波到達各波高計的時間(如圖6所示)，其中反射波通過時間至二次反射波回傳到達間(即●◆符號之間)之波形應為有效波。圖中可發(fā)現(xiàn)距造波板越遠的波高計，前導波的衰減現(xiàn)象越多，可能影響分析。第二子圖(W2)亦可看到波形呈紡錘型先漸增而后漸減，屬于波高計量測到波節(jié)的現(xiàn)象，第七子圖(W7)也有。因此本范例的配對中如遇有W2或W7波高計，均為不合理配對。

在排除前導波衰減的影響以及不合理的配對后求反射率及進行擬合回歸曲線。圖7為一組造波條件所有配對分析的反射率結(jié)果范例。橫軸是以等時間間距從兩個波列同步擷取長度為一個周期的所有波數(shù)。圖中在波浪序列15以前，反射率顯得不穩(wěn)定，但30以后卻相當集中，經(jīng)討論后發(fā)現(xiàn)是因為造波水槽中的前導波在傳播過程中發(fā)生衰減，用持續(xù)衰減的反射波及已經(jīng)成熟的入射波以至于影響反射率分析，后續(xù)分析會被剔除。

3 實驗結(jié)果與分析

圖8分別顯示不同波高下三種消波室長度(B=10、20及30 cm)的反射率(KR)與造波周期(T)關系圖，以及回歸曲線。當消波室長度B=10 cm時，兩種波高的KR值較為一致，隨著周期增加先漸增再減小。其中，T<1 s(原型周期6 s)時KR<0.5；T=1.35～2.3 s(原型周期8.1～13.5 s)的KR<0.7而后略減，整體KR<0.8。B=20 cm時，其KR-T趨勢與B=10 cm類似，整體KR<0.7。而B=30 cm時，兩種波高的KR-T變化約略相同但較B=10 cm及B=20 cm偏小，最大值低于0.7左右，顯示消波室長度越大越有利消波，但波高影響不大。

圖9匯整林蔚等[5]與本實驗不同波高的KR-T實驗值及回歸曲線進行比較。兩次實驗采用相同比例縮尺，前者，以Lin(2017)表示，分為兩級消波室，一級長B1=18.5 cm,二級長B2=17.5 cm；后者為單消波室但長度不同。以與Lin(2017)較接近的B=20 cm(單消波室)進行比較發(fā)現(xiàn)。B=20 cm的KR值在T<1.2 s(原型周期7.2 s)時比Lin(2017)小，而B=30 cm的KR值在T<1.3 s(原型周期7.8 s)時比Lin(2017)小。顯示二級消波室的存在，關系到消波室的消波功能。規(guī)則形狀之單消波室容易激活水體的振蕩，尤其較長周期的波動；雙消波室則因分割了波動空間，降低波浪共振的機會，且水深變化也影響到波動的型態(tài)。因此雙消波室優(yōu)于單消波室的消波效果。

8-a 波高3 cm8-b 波高6 cm 圖8 三種配置兩種造波波高的KR-T關系圖Fig.8 KR-T plots of 3 models in 2 wave heights圖9 本次實驗與林蔚[5]等KR-T對比Fig.9 Comparison of KR-T plots between current data and Lin et al. [5]

圖10以KR-B/L來表現(xiàn)圖12中KR-T的比較，單消波室時(即B=10、20及30cm)，當B/L<0.08時KR<0.5，而B/L=0.25時KR達到最低，與前人研究心得略同；雙消波室時，當B/L<0.09時KR<0.5，也優(yōu)于單消波室，而B/L=0.15時KR達到最大值0.7。然而從實際來看，B/L<0.08時KR<0.4較符合工程應用需求，但顯示消波室長度B必須要大于約10倍以上的波長，不甚合理或不符經(jīng)濟，即便KR達到最低的B/L=0.25也需要大于4倍波長。

圖11將各實驗之KR-B/L及KR-T圖繪在一起做交叉比對，圖11-a及11-b分別為林蔚等[6]及B=20 cm的比較。如設定容許的KR范圍，或可了解適用的波浪周期(乘以時間縮尺為原型周期)與消波室長度。

圖10 本次實驗與林蔚[5]等KR-B/L對比Fig.10 Comparison of KR-B/L between current data and Lin et al. [5]11-a 林蔚等[5]11-b B=20 cm圖11 KR-B/L及KR-T交叉比對圖Fig.11 Comparisons between KR-B/L and KR-T plots

4 工程應用討論

本研究證實了利用活動折葉板可以有效地控制波浪進入結(jié)構(gòu)體，再藉由閘門的開闔控制水體回流方向及排水，而如果增加消波艙室的消能效果，將更能降低內(nèi)部的振蕩。而在工程實務上，由于折葉板需要是活動的，不可以太重，因此其結(jié)構(gòu)抗浪性無法太強，不適合用于港灣的防波堤外側(cè)來抵擋大波浪。但應用于港內(nèi)可削減入射波以及船行波的多次反射，在提升港內(nèi)穩(wěn)靜度方面則可發(fā)揮其特長。在港內(nèi)應用時，要思考水深以及水位變化(天文潮及暴潮)的問題：如漁港水深多在5 m以內(nèi)；一般國內(nèi)商港或遠洋漁港水深大約在10 m左右；以及大型商港水深超過15 m，而這些碼頭的結(jié)構(gòu)可以是混凝土方塊堤、基樁式及沉箱式。

基本構(gòu)想以圖12所示的混凝土預制構(gòu)件建構(gòu)及如圖13的概念模式為例說明，結(jié)構(gòu)物分成場鑄頂蓋單元、預制折葉板消能單元、及下方排水單元。圖13中對于水深較淺不適合拖放沉箱的水域，可以考慮底床整平后直接堆置；中水深時可以混凝土方塊建構(gòu)平臺至適當高度，再以圖13方式施作；大水深處通常需要以沉箱型式處理，主要會面臨可以沉箱的浮力問題。因此如圖14所示，考慮以混合式結(jié)構(gòu)物施作，設計封閉式沉箱以提高浮力，但下設封閉式排水閘門，于布放后打開作為排水路，消波艙室則可以拋塊石增加自重及多孔隙消波。第一消波艙上部仍以圖13方式施作。基樁式碼頭則初步認為可以考慮在基樁式安裝多列活動摺頁板來削減波能，但須再深入探討。有關活動折葉板的固定方式，在實務上可考慮以橡膠加勁材料(小型折葉板可以繩結(jié)技術(shù)處理)?？傊灰芡咨茟脤Р?、消能及排水功能，可以有效地提升碼頭結(jié)構(gòu)物的消能效果及改善港灣的靜穩(wěn)度。

圖12 折葉板預鑄造混凝土塊體Fig.12 Precast flap-plate type block圖13 預鑄造混凝土塊體應用構(gòu)想Fig.13 Conceptual model of precast flap-plate type block圖14 配置預鑄造混凝土塊體之混合式沉箱碼頭Fig.14 Composite caisson wharf with precast flap-plate type block

5 結(jié)論

本實驗針對不同單消波室長度的消波性能展開研究，得到以下結(jié)論：

(1)本次實驗結(jié)果明顯與林蔚等[1]不同，主要是單消波室有利于削減短周期波動能量，但容易激活長周期波浪的振蕩，而增加反射率。如能增加艙內(nèi)的消波性能及排水功能，例如加拋構(gòu)成多孔隙的塊石或消波塊，或強化二級消波室，以降低水體振蕩機會，應可提升其消波能力。

(2)利用多支波高計同步進行反射率的量測，除可剔除不合理配對的波高紀錄，增加有效的分析數(shù)據(jù)，且不需于實驗中調(diào)整波高計位置，不論實驗或分析都可以省時省力。

(3)透過本研究理清直立壁開孔式結(jié)構(gòu)物的消波機制，有利于未來新型消能式結(jié)構(gòu)物的研發(fā)方向。且活動式折葉板所使用的材料與安裝方式也是研發(fā)課題。

致謝：本論文系福州大學水利及水電工程學系三年級學生于2017～2018年間在臺灣海洋大學河海工程系移地教學時所進行專題研究的部分成果。參與同學(依筆畫順序)包括王芳宇、王雪迎、葉子怡、巫子揚、林嘉琪、鄭智超、鄭劍豪、陳燕玲、施俊超、倪旭暉、黃劭華，感謝在研究期間同學們以及連晧宇、張維庭、蔡世璇學長姐們的同心協(xié)力與付出。