王芳宇,巫子揚(yáng),黃劭華,鄭智超,鄭劍豪,林炤圭

(1.福州大學(xué) 海洋學(xué)院，福州 350108；2.臺(tái)灣海洋大學(xué)，基隆 20224)

引言

港灣是國(guó)家開發(fā)海洋資源或促進(jìn)國(guó)際海運(yùn)的重要基地，如何提供一個(gè)空間足夠且靜穩(wěn)的內(nèi)水域與水道讓船舶可以安全進(jìn)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(shè)計(jì)的重要課題。當(dāng)波浪經(jīng)由折繞射入侵港內(nèi)時(shí)，可能因多次反射而造成水面動(dòng)蕩，甚至長(zhǎng)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(shè)施。因此如何削減波能，提升港內(nèi)穩(wěn)靜度，不論是學(xué)理研究或工程應(yīng)用，在如何妥善配置外廓及碼頭設(shè)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(guān)注。很多學(xué)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(lái)削減入侵波能或改變反射波相位以達(dá)到此目的。

有關(guān)直立多孔隙消波岸壁的研發(fā)與應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)60年代，JARLAN[2]首先提出開孔式結(jié)構(gòu)物的設(shè)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(dāng)波峰作用時(shí)水體由開孔進(jìn)入消波室并造成擾動(dòng)，而在波谷作用時(shí)水體從開孔泄出以干擾入射波浪，達(dá)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(duì)孔洞的長(zhǎng)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(zhǎng)度等進(jìn)行一系列評(píng)估得出雙消波室的消能效果優(yōu)于單消波室;一級(jí)與二級(jí)消波室的長(zhǎng)度一樣的時(shí)候消波效果最佳;而當(dāng)一級(jí)消波室開孔率為40%,二級(jí)消波室開孔率為20%時(shí),呈現(xiàn)最好的消波性能。

TANIMOTO和YOSHIMOTO[4]以水流通過(guò)開孔的水頭損失及近似理論推導(dǎo)波浪通過(guò)直狹縫型沉箱的水理特性，并以模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度(l2/h)以及底部水深比(q)等對(duì)于部分開孔岸壁沉箱的反射率影響最明顯，當(dāng)q=0.5時(shí)，且ε=0.3～0.4；當(dāng)q=1.0時(shí)，且ε=0.15～0.2時(shí),反射率達(dá)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(diǎn)，提出了雙層開孔直立式板結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同波浪要素和不同結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行多組次物理模型試驗(yàn)，指出開孔率、位置及形狀會(huì)影響消波能力。不過(guò)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(yīng)用于直立活動(dòng)折葉板式開孔消能結(jié)構(gòu)物(圖1),歐陽(yáng)榮桓等[6]則應(yīng)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(shè)活動(dòng)折葉板(圖2)。當(dāng)波峰作用時(shí), 較大水平力可推開折葉板而使水體進(jìn)入消波室；而當(dāng)波谷作用時(shí)，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(guān)閉,阻止水體直接外流產(chǎn)生反射波,并導(dǎo)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(xiàn)回顧發(fā)現(xiàn)消波結(jié)構(gòu)物型式主要探討波浪通過(guò)開口的能量損失以及波動(dòng)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(duì)消波效果的影響，有關(guān)波浪進(jìn)入消波室后的排水功能與運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象則較少涉及。而林蔚等[1]透過(guò)不同造波條件作用下的水工模型實(shí)驗(yàn)(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(fēng)波浪及夏季臺(tái)風(fēng)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(zhǎng)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(dāng)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(jìn)一步檢討消波室長(zhǎng)度的影響，并進(jìn)行水工模型反射率實(shí)驗(yàn)，以期能了解更多的新型結(jié)構(gòu)物特性。

圖4 實(shí)驗(yàn)水槽斷面示意圖Fig.4 Experimental setup of the wave flume

1 反射率實(shí)驗(yàn)條件與方案

本實(shí)驗(yàn)于臺(tái)灣海洋大學(xué)河海工程系之?dāng)嗝嫠圻M(jìn)行(如圖4所示)，并以規(guī)則波形式呈現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)備與條件說(shuō)明可參考林蔚等[1]。本實(shí)驗(yàn)采用最大造波水深h=50 cm，模型比例縮尺36:1、時(shí)間縮尺6:1。為方便調(diào)整不同消波室長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)78*寬78*高80 cm的實(shí)驗(yàn)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(gè)開孔，而縱向以間隔10 cm設(shè)置導(dǎo)槽，并以木板材調(diào)整三種不同的艙室長(zhǎng)度(B)，即10 cm、20 cm及30 cm?；顒?dòng)折葉板部分，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(dòng)折葉板，一共設(shè)有77片。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)架上端部分因波浪未到達(dá)不安裝折葉板。最底端則考慮到深水處波動(dòng)較小，拆除三排作為排水孔。

圖5 實(shí)驗(yàn)架模型Fig.5 Experimental frame

(1)實(shí)驗(yàn)條件。

規(guī)則波實(shí)驗(yàn)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(fù)三次，造波時(shí)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(shí)驗(yàn)及分析系采用Goda[7]之兩點(diǎn)法。

(2)實(shí)驗(yàn)配置。

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)架置于距離造波板21 m處。波高計(jì)的安置依Goda之建議為距反射壁0.5～0.45波長(zhǎng)之間。但由于預(yù)定造多種波浪周期，可能量測(cè)到波峰或波節(jié)，加上波浪進(jìn)出消能結(jié)構(gòu)物時(shí)可能發(fā)生無(wú)法預(yù)知的相位改變，因此以造波板為起點(diǎn)，七支波高計(jì)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(diǎn)法，取W2～W7波高計(jì)的波形記錄進(jìn)行配對(duì)分析。首先以波浪原始記錄繪制時(shí)間序列之波形圖，如圖6所示，各子圖由上而下依序?yàn)閃1到W7波高計(jì)。由于分析時(shí)只擷取存在入射及反射波的波形。在對(duì)每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之入射波(W1)時(shí)間序列上以靜水位訊號(hào)值去除平均值后，設(shè)定啟動(dòng)水位確認(rèn)造波機(jī)產(chǎn)生之前導(dǎo)波到達(dá)W1波高計(jì)的時(shí)間，將其設(shè)定為入射波的起始時(shí)間(如圖6第一子圖的▼符號(hào))，利用線性波理論的分散關(guān)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(zhǎng)。

圖6 原始波浪時(shí)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(duì)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(jì)算波長(zhǎng)及波速，再以波高計(jì)間距離以及造波板與結(jié)構(gòu)物反射壁距離推算并于時(shí)序圖中以●及◆符號(hào)分別標(biāo)示反射波以及二次反射波到達(dá)各波高計(jì)的時(shí)間(如圖6所示)，其中反射波通過(guò)時(shí)間至二次反射波回傳到達(dá)間(即●◆符號(hào)之間)之波形應(yīng)為有效波。圖中可發(fā)現(xiàn)距造波板越遠(yuǎn)的波高計(jì)，前導(dǎo)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(jì)量測(cè)到波節(jié)的現(xiàn)象，第七子圖(W7)也有。因此本范例的配對(duì)中如遇有W2或W7波高計(jì)，均為不合理配對(duì)。

在排除前導(dǎo)波衰減的影響以及不合理的配對(duì)后求反射率及進(jìn)行擬合回歸曲線。圖7為一組造波條件所有配對(duì)分析的反射率結(jié)果范例。橫軸是以等時(shí)間間距從兩個(gè)波列同步擷取長(zhǎng)度為一個(gè)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(dāng)集中，經(jīng)討論后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵觳ㄋ壑械那皩?dǎo)波在傳播過(guò)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(huì)被剔除。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8分別顯示不同波高下三種消波室長(zhǎng)度(B=10、20及30 cm)的反射率(KR)與造波周期(T)關(guān)系圖，以及回歸曲線。當(dāng)消波室長(zhǎng)度B=10 cm時(shí)，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(shí)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(shí)，其KR-T趨勢(shì)與B=10 cm類似，整體KR<0.7。而B=30 cm時(shí)，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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)不同波高的KR-T實(shí)驗(yàn)值及回歸曲線進(jìn)行比較。兩次實(shí)驗(yàn)采用相同比例縮尺，前者，以Lin(2017)表示，分為兩級(jí)消波室，一級(jí)長(zhǎng)B1=18.5 cm,二級(jí)長(zhǎng)B2=17.5 cm；后者為單消波室但長(zhǎng)度不同。以與Lin(2017)較接近的B=20 cm(單消波室)進(jìn)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(shí)比Lin(2017)小，而B=30 cm的KR值在T<1.3 s(原型周期7.8 s)時(shí)比Lin(2017)小。顯示二級(jí)消波室的存在，關(guān)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(zhǎng)周期的波動(dòng)；雙消波室則因分割了波動(dòng)空間，降低波浪共振的機(jī)會(huì)，且水深變化也影響到波動(dòng)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(guān)系圖Fig.8 KR-T plots of 3 models in 2 wave heights圖9 本次實(shí)驗(yàn)與林蔚[5]等KR-T對(duì)比Fig.9 Comparison of KR-T plots between current data and Lin et al. [5]

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

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

圖10 本次實(shí)驗(yàn)與林蔚[5]等KR-B/L對(duì)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(duì)圖Fig.11 Comparisons between KR-B/L and KR-T plots

4 工程應(yīng)用討論

本研究證實(shí)了利用活動(dòng)折葉板可以有效地控制波浪進(jìn)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(shí)務(wù)上，由于折葉板需要是活動(dòng)的，不可以太重，因此其結(jié)構(gòu)抗浪性無(wú)法太強(qiáng)，不適合用于港灣的防波堤外側(cè)來(lái)抵擋大波浪。但應(yīng)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(zhǎng)。在港內(nèi)應(yīng)用時(shí)，要思考水深以及水位變化(天文潮及暴潮)的問(wèn)題：如漁港水深多在5 m以內(nèi)；一般國(guó)內(nèi)商港或遠(yuǎn)洋漁港水深大約在10 m左右；以及大型商港水深超過(guò)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(yù)制構(gòu)件建構(gòu)及如圖13的概念模式為例說(shuō)明，結(jié)構(gòu)物分成場(chǎng)鑄頂蓋單元、預(yù)制折葉板消能單元、及下方排水單元。圖13中對(duì)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(shí)可以混凝土方塊建構(gòu)平臺(tái)至適當(dāng)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(huì)面臨可以沉箱的浮力問(wèn)題。因此如圖14所示，考慮以混合式結(jié)構(gòu)物施作，設(shè)計(jì)封閉式沉箱以提高浮力，但下設(shè)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?；鶚妒酱a頭則初步認(rèn)為可以考慮在基樁式安裝多列活動(dòng)摺頁(yè)板來(lái)削減波能，但須再深入探討。有關(guān)活動(dòng)折葉板的固定方式，在實(shí)務(wù)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?，只要能妥善應(yīng)用導(dǎo)波、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(yù)鑄造混凝土塊體Fig.12 Precast flap-plate type block圖13 預(yù)鑄造混凝土塊體應(yīng)用構(gòu)想Fig.13 Conceptual model of precast flap-plate type block圖14 配置預(yù)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(shí)驗(yàn)針對(duì)不同單消波室長(zhǎng)度的消波性能展開研究，得到以下結(jié)論：

(1)本次實(shí)驗(yàn)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(dòng)能量，但容易激活長(zhǎng)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(qiáng)化二級(jí)消波室，以降低水體振蕩機(jī)會(huì)，應(yīng)可提升其消波能力。

(2)利用多支波高計(jì)同步進(jìn)行反射率的量測(cè)，除可剔除不合理配對(duì)的波高紀(jì)錄，增加有效的分析數(shù)據(jù)，且不需于實(shí)驗(yàn)中調(diào)整波高計(jì)位置，不論實(shí)驗(yàn)或分析都可以省時(shí)省力。

(3)透過(guò)本研究理清直立壁開孔式結(jié)構(gòu)物的消波機(jī)制，有利于未來(lái)新型消能式結(jié)構(gòu)物的研發(fā)方向。且活動(dòng)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(xué)水利及水電工程學(xué)系三年級(jí)學(xué)生于2017～2018年間在臺(tái)灣海洋大學(xué)河海工程系移地教學(xué)時(shí)所進(jìn)行專題研究的部分成果。參與同學(xué)(依筆畫順序)包括王芳宇、王雪迎、葉子怡、巫子揚(yáng)、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(xué)們以及連晧宇、張維庭、蔡世璇學(xué)長(zhǎng)姐們的同心協(xié)力與付出。