摘要：文章分析了海岸地形風(fēng)力通過(guò)土堤后后方風(fēng)力的變化，以對(duì)鄰近高層建筑施工提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)場(chǎng)；土堤；平均風(fēng)速；速度上升比

中圖分類號(hào)：TU-80 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）26-0128-02

空曠的海岸地形在面臨強(qiáng)風(fēng)的吹襲下，各式不同土堤形狀結(jié)構(gòu)物如防波堤等，在不同傾角的狀況下會(huì)造成其周遭流場(chǎng)的不同，相對(duì)會(huì)產(chǎn)生許多變化，且對(duì)其表面承受風(fēng)力作用及鄰近區(qū)域的高層建筑物施工皆有重大影響，為此本文針對(duì)其進(jìn)行研討。

臺(tái)灣地區(qū)電力公司林口電廠更新擴(kuò)建計(jì)劃，預(yù)定將以林口電廠東北海域填積煤灰所產(chǎn)生之新生地規(guī)劃為煤倉(cāng)區(qū)，建造10座相同規(guī)格的燃煤儲(chǔ)存筒倉(cāng)，每座有效儲(chǔ)存容積74 000 m3，凈內(nèi)徑尺寸直徑46 m，外徑約為48 m，高度則為高出既有地表面（EL+10.0m）72 m。

由于該工程案預(yù)定施作于空曠的海岸地形場(chǎng)所，且建筑量體屬大型建物，施工過(guò)程中受風(fēng)力影響不小。因此利用風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成果，藉以作為其施工受風(fēng)力影響的安全性評(píng)估參考。

1 大氣風(fēng)場(chǎng)的技術(shù)背景及實(shí)驗(yàn)原理

1.1 大氣紊流邊界層

地球表面接受太陽(yáng)輻射量的不一致造成壓力不平衡仍是形成風(fēng)的基本因素，一般而言，由地表至1 000 m高度之間的大氣運(yùn)動(dòng)屬于紊流邊界層型態(tài)。Davenport對(duì)在中性大氣穩(wěn)定時(shí)，不同地形下的大氣紊流邊界層高度δ提供下列的建議值：鄉(xiāng)村地形：δ=274 m；市郊地形：δ=400 m；都市地形：δ=512 m。

Counihan則建議以600 m做為不考慮地形條件下大氣邊界層的平均高度。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

針對(duì)不同斜坡傾角的土堤進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析其在受風(fēng)力作用下的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與特性，以便提供土堤形狀構(gòu)造物相關(guān)工程研究設(shè)計(jì)或評(píng)估其周遭施工受風(fēng)力影響的安全性等參考。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 模擬大氣紊流邊界層

為使環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)產(chǎn)生理想的模擬大氣邊界層，采用三角型的渦流產(chǎn)生器（spire）與粗糙元素（roughness element）搭配，藉此模擬出較符合現(xiàn)實(shí)流場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面與紊流特性。

1.3.2 模擬風(fēng)場(chǎng)通過(guò)土堤

依照1/300縮尺比制造模型，模型仿真風(fēng)通過(guò)一無(wú)限長(zhǎng)的土堤模型的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，將模型中心置于風(fēng)洞試驗(yàn)段10.5 m處，量測(cè)土堤的上下游及土堤上的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

1.3.3 采樣點(diǎn)模擬

采樣點(diǎn)的配置則在縱軸向自土堤前端起算；于土堤上游斜坡起點(diǎn)、上游斜坡中央點(diǎn)、上游斜坡最高點(diǎn)、土堤中央點(diǎn)、土堤下游斜坡最高點(diǎn)、下游斜坡中央點(diǎn)、下游斜坡終點(diǎn)4處依序設(shè)置量測(cè)點(diǎn)，并針對(duì)四種不同傾斜角土堤進(jìn)行風(fēng)速剖面量測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)速剖面

土堤斜坡傾角共有四種角度，分別為0°、45°、26.57°、14.04°，在此依序以土堤（a）、土堤（b）、土堤（c）、土堤（d）來(lái)表示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在接近地面處因與地表摩擦效應(yīng)影響下產(chǎn)生的速度差異，在堤頂處尤其明顯。同時(shí)由于土堤的作用，堤頂前端接近地表處的風(fēng)速皆有極顯著增大的現(xiàn)象，而在通過(guò)堤頂后的下游流場(chǎng)則平均風(fēng)速減緩。

若以土堤斜坡的傾角加以比較，通過(guò)土堤（a）的流場(chǎng)受到較大的影響，各點(diǎn)位置風(fēng)速剖面的變化幅度頗大，在流場(chǎng)通過(guò)堤頂前端時(shí)，其上升與加速現(xiàn)象最為明顯，而堤頂中點(diǎn)及終端與后方流場(chǎng)則受到前端流線分離的影響，造成近地表的風(fēng)速急速下降，尤以通過(guò)土堤后方流場(chǎng)最為明顯。而隨著坡度的減緩，流場(chǎng)變動(dòng)幅度亦相對(duì)變小。

在接近地面時(shí)，堤頂處的平均風(fēng)速比其它的風(fēng)速剖面較高，而堤頂后方流場(chǎng)則明顯降低。隨著斜坡傾角的減緩，堤頂?shù)孛骘L(fēng)速有漸小的趨勢(shì)，變化幅度也隨傾角的降低而減緩。

2.2 速度上升比ΔS

氣流通過(guò)土堤后，在接近堤面附近風(fēng)場(chǎng)有加速現(xiàn)象，以土堤（a）而言，僅在堤頂前有速度上升現(xiàn)象，其后方會(huì)產(chǎn)生速度下降現(xiàn)象。而土堤（b）、（c）、（d）則表現(xiàn)出風(fēng)場(chǎng)在流經(jīng)一具傾角的土堤時(shí)皆會(huì)產(chǎn)生風(fēng)速增加的情況，同時(shí)無(wú)論距地表的高度為何，皆有加速效應(yīng)，而其上升趨勢(shì)則會(huì)隨著斜坡角度的下降而減緩。對(duì)堤頂處速度上升比較可知，土堤（b）的風(fēng)速會(huì)隨著流場(chǎng)位置有明顯的增加，顯示流場(chǎng)風(fēng)速在流經(jīng)此類型傾斜角土堤時(shí)會(huì)持續(xù)增加。土堤（c）（d）則由于傾斜角度較緩，其上升比則較為穩(wěn)定。

2.3 紊流強(qiáng)度

紊流強(qiáng)度一般可作為紊流場(chǎng)中擾動(dòng)量大小的指標(biāo)，亦可看出紊流能量的大小。首先由土堤（a）分析后得知在土堤無(wú)斜坡的情況下，坡頂近地面處的紊流強(qiáng)度變化不大。接著由土堤（b）、（c）、（d）分析可知，近地表處紊流強(qiáng)度最大值大多發(fā)生在進(jìn)入土堤斜坡初時(shí)與通過(guò)坡頂?shù)暮蠓搅鲌?chǎng)，由于斜坡的作用，此時(shí)的紊流強(qiáng)度皆較土堤（a）為小，可見(jiàn)傾角對(duì)流場(chǎng)的影響。

在分析各土堤堤頂處的紊流強(qiáng)度上可發(fā)現(xiàn)，紊流強(qiáng)度的大小主要取決于土堤斜坡的傾角大小。隨著斜坡傾斜角度的下降，其近地表處紊流強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。而在此時(shí)通過(guò)斜坡進(jìn)入堤頂?shù)奈恢脮?huì)產(chǎn)生最大的紊流強(qiáng)度，可知風(fēng)場(chǎng)在此擾動(dòng)最大。

2.4 風(fēng)壓系數(shù)

風(fēng)壓系數(shù)值可用來(lái)作為分析風(fēng)力作用于結(jié)構(gòu)物表面各點(diǎn)壓力相對(duì)關(guān)系的參考依據(jù)，同時(shí)比較出在物體表面各不同位置下，接受風(fēng)力作用形成表面風(fēng)壓情況與此時(shí)流場(chǎng)的變化。

不同土堤下游各點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，在進(jìn)入土堤斜坡處時(shí)由于受到風(fēng)力的直接作用，此時(shí)皆為正值，同時(shí)受到土堤斜坡角度變化的影響，壓力作用大小也隨著傾角的下降而減少。接著在風(fēng)場(chǎng)通過(guò)斜坡進(jìn)入堤頂處后則有了顯著的變化。由于土堤造型造成的流場(chǎng)改變，此時(shí)在堤頂處前端產(chǎn)生了流線分離現(xiàn)象，因此土堤堤頂處前段的壓力急劇下降形成負(fù)風(fēng)壓系數(shù)，其變化幅度隨傾角增大而更加劇烈，而在通過(guò)堤頂中心至堤頂后方處則暫時(shí)回復(fù)穩(wěn)定，在通過(guò)堤頂后則又恢復(fù)紊亂，土堤（d）則明顯反應(yīng)出由于傾角較緩，造成流場(chǎng)變化較小，由此可見(jiàn)土堤斜坡傾角對(duì)風(fēng)壓的影響。

在不同傾角土堤下游，各點(diǎn)的風(fēng)壓擾動(dòng)系數(shù)更清楚，可知，土堤（a）與土堤（b）的風(fēng)壓擾動(dòng)量隨著流場(chǎng)下游位置的改變而有極大的變動(dòng)，在通過(guò)土堤斜坡進(jìn)入堤頂處至堤頂中點(diǎn)此段易產(chǎn)生最大的擾動(dòng)值，而土堤(a)則在通過(guò)堤頂后風(fēng)場(chǎng)再度急遽變動(dòng)，再次增加其風(fēng)壓擾動(dòng)量。至于土堤（c）與土堤（d）則由于坡度較緩，其風(fēng)壓擾動(dòng)量皆保持穩(wěn)定，變動(dòng)不大。

2.5 剪應(yīng)力分析

由于剪應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)物影響頗大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明土堤（b）、（c）、（d）三者在進(jìn)入斜坡時(shí)的剪應(yīng)力系數(shù)隨著斜坡傾角增大而上升，而在通過(guò)斜坡進(jìn)入坡頂后開(kāi)始產(chǎn)生變化。在堤頂前端部分，剪應(yīng)力系數(shù)由于進(jìn)入斜坡角度的不同而有所改變，此時(shí)以土堤（d）較大，而依傾角的增大而漸漸下降，在堤頂后段則逐漸回復(fù)平穩(wěn)。風(fēng)場(chǎng)通過(guò)堤頂之后，土堤（a）后方由于風(fēng)場(chǎng)紊亂的關(guān)系，地表剪應(yīng)力系數(shù)則突然增大，而其余土堤則稍微下降，無(wú)太大改變。

由上述的情況可發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力系數(shù)在進(jìn)入斜坡時(shí)會(huì)隨著傾角遞增而加大，但在堤頂前方段則會(huì)因此而稍稍下降減少。同時(shí)由土堤（d）亦可看出，此時(shí)的風(fēng)場(chǎng)由于較為穩(wěn)定，因此剪應(yīng)力系數(shù)保持平穩(wěn)，在此亦可見(jiàn)傾角對(duì)風(fēng)場(chǎng)的作用。

3 結(jié) 論

綜上所述，筆者得到以下的一些建議以供本次工程參考：

由不同土堤的風(fēng)場(chǎng)量測(cè)中得知，接近地面處在迎風(fēng)面堤頂上的速度上升最大。另速度上升比與在具備斜坡的土堤上由會(huì)隨著傾斜角度的遞減而下降，同時(shí)表示流場(chǎng)風(fēng)速在流經(jīng)此類型傾斜角土堤時(shí)則會(huì)持續(xù)增加；由于本次工程的地型類同土堤（b），因此需特別注意作業(yè)人員于正向受風(fēng)面高空作業(yè)時(shí)，受風(fēng)力加速的影響。

近地表處紊流強(qiáng)度最大值大多發(fā)生在進(jìn)入土堤斜坡初時(shí)與通過(guò)坡頂?shù)暮蠓搅鲌?chǎng)。在分析各土堤堤頂處的紊流強(qiáng)度上則可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)紊流強(qiáng)度的大小主要取決于土堤斜坡的傾角大小，隨著斜坡傾斜角度的下降，其近地表處紊流強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。

土堤斜坡處時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp（mean）皆為正值，表示受到正風(fēng)壓，同時(shí)壓力作用大小會(huì)隨著傾角的下降而減少。而在土堤堤頂處前段則會(huì)因壓力急劇下降形成負(fù)風(fēng)壓系數(shù)，其變化幅度隨傾角增大而更加劇烈，在通過(guò)堤頂中心至堤頂后方處則回復(fù)穩(wěn)定，通過(guò)堤頂后則又恢復(fù)紊亂，此現(xiàn)象明顯地表示土堤斜坡傾角對(duì)風(fēng)壓的影響。

紊流邊界層在通過(guò)土堤斜坡時(shí)的剪應(yīng)力系數(shù)隨著斜坡傾角增大而上升，而在通過(guò)斜坡進(jìn)入坡頂后剪應(yīng)力系數(shù)則由于進(jìn)入斜坡角度的不同而有所改變，而依斜坡傾角的增大而漸漸下降，在堤頂后段則逐漸回復(fù)平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

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