直立折叶板开孔式结构物之消波特性改善研究

王芳宇,巫子扬,黄劭华,郑智超,郑剑豪,林炤圭

(1.福州大学 海洋学院，福州 350108；2.台湾海洋大学，基隆 20224)

引言

港湾是国家开发海洋资源或促进国际海运的重要基地，如何提供一个空间足够且静稳的内水域与水道让船舶可以安全进出、泊靠，以及能安全上下人员与装卸货物一向是港湾规划设计的重要课题。当波浪经由折绕射入侵港内时，可能因多次反射而造成水面动荡，甚至长周期荡漾，危及船舶与人货安全，例如船舶互撞，连带也可能毁损港湾设施。因此如何削减波能，提升港内稳静度，不论是学理研究或工程应用，在如何妥善配置外廓及码头设施并慎选能兼具提供船舶系靠及消波功能的码头结构物成为工作首要。其中，可降低波浪反射能量，减少港内多次反射所造成的能量堆积的开孔式(多孔隙)消能结构物受到了广泛的关注。很多学者专家致力于研究合理利用沉箱的内部空间和改变码头岸壁的结构型式来削减入侵波能或改变反射波相位以达到此目的。

有关直立多孔隙消波岸壁的研发与应用可追溯至20世纪60年代，JARLAN[2]首先提出开孔式结构物的设想，该结构物由一片开孔式前墙及一片不透水后墙构成消波室，当波峰作用时水体由开孔进入消波室并造成扰动，而在波谷作用时水体从开孔泄出以干扰入射波浪，达到消减波能并减少波浪反射。

LEE和SHIN[3]提出在沉箱迎波面岸壁的上部做规则狭缝开孔,针对孔洞的长度及数量调整不同的孔隙率、单消波室与双消波室、消波室的长度等进行一系列评估得出双消波室的消能效果优于单消波室;一级与二级消波室的长度一样的时候消波效果最佳;而当一级消波室开孔率为40%,二级消波室开孔率为20%时,呈现最好的消波性能。

TANIMOTO和YOSHIMOTO[4]以水流通过开孔的水头损失及近似理论推导波浪通过直狭缝型沉箱的水理特性，并以模型实验验证后指出影响直立狭缝型沉箱反射率的因子包含波浪条件、相对水深(h/L)、入射波波陡(H/L) 、狭缝壁开口比(ε)、狭缝壁开孔厚度(l1)、消波室长度(l2)以及底部水深(qh)与堤前水深(h)比等，最终得到狭缝壁开口比(ε)、狭缝壁开孔厚度(l1/h)、消波室长度(l2/h)以及底部水深比(q)等对于部分开孔岸壁沉箱的反射率影响最明显，当q=0.5时，且ε=0.3～0.4；当q=1.0时，且ε=0.15～0.2时,反射率达到最小值。

汪宏等[5]结合开孔沉箱和透空式结构的优点，提出了双层开孔直立式板结构，通过不同波浪要素和不同结构型式进行多组次物理模型试验，指出开孔率、位置及形状会影响消波能力。不过由于其下方可以排水，与具消波室之结构物不同。

林蔚等[1]首先将排水消能的想法应用于直立活动折叶板式开孔消能结构物(图1),欧阳荣桓等[6]则应用于固定式内建斜板消能结构物，都获得很好的消波效果。林蔚等[1]的构想是在结构物迎波壁开孔处装设活动折叶板(图2)。当波峰作用时, 较大水平力可推开折叶板而使水体进入消波室；而当波谷作用时，由于水粒子外流, 加上内外水位差，水平推力减小不足以支撑折叶板的重量促使折叶板关闭,阻止水体直接外流产生反射波,并导引水体从下方孔洞排出。

图1 折叶板开孔式沉箱结构(林蔚等[1])Fig.1 Flat-Plate type perforated caisson of Lin et al. [1]图2 折叶板开孔式沉箱结构及消波构想图(林蔚等[1])Fig.2 Conceptual model of the Flat-Plate type perforated structure of Lin et al. [1]

图3 折叶板型的反射率图(林蔚等[1])Fig.3 Reflection coefficient of Lin et al. [1] model

综合以上文献回顾发现消波结构物型式主要探讨波浪通过开口的能量损失以及波动相位的改变，且大多集中在结构物的开孔率、开孔形状等因素对消波效果的影响，有关波浪进入消波室后的排水功能与运动现象则较少涉及。而林蔚等[1]透过不同造波条件作用下的水工模型实验(比例缩尺1:36) 得出结论，如图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)的消波成效最为显着,反射率低于0.2，已经涵盖了冬季季风波浪及夏季台风波浪。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。虽然该结构物在短周期及长周期部分已较其他研究的反射率佳，但仍略为偏高。并且汪宏等[5]曾提出“适当增大板间距可提高结构的消波作用”，使本研究得到启发，乃进一步检讨消波室长度的影响，并进行水工模型反射率实验，以期能了解更多的新型结构物特性。

图4 实验水槽断面示意图Fig.4 Experimental setup of the wave flume

1 反射率实验条件与方案

本实验于台湾海洋大学河海工程系之断面水槽进行(如图4所示)，并以规则波形式呈现。实验项目设备与条件说明可参考林蔚等[1]。本实验采用最大造波水深h=50 cm，模型比例缩尺36:1、时间缩尺6:1。为方便调整不同消波室长度，设计了一个长78*宽78*高80 cm的实验架，如图5所示。采用不锈钢角钢及方管制作焊接而成，正面以方管作为小柱等间距分隔成7个开孔，而纵向以间隔10 cm设置导槽，并以木板材调整三种不同的舱室长度(B)，即10 cm、20 cm及30 cm。活动折叶板部分，单片尺寸为9.7 cm×3 cm×0.2 cm，配重5.25 g，于迎波面分别以11行，每行配置7片，用铝合金角条作为小梁安装活动折叶板，一共设有77片。如图5所示，实验架上端部分因波浪未到达不安装折叶板。最底端则考虑到深水处波动较小，拆除三排作为排水孔。

图5 实验架模型Fig.5 Experimental frame

(1)实验条件。

规则波实验的造波周期由0.8～3 s间隔0.1 s(原型周期4.8～18 s)，造波波高分别为H=3 cm及H=6 cm两种，共有46组造波条件，均重复三次，造波时间约90 s，取样频率为25 Hz，以不发生碎波为原则。反射率实验及分析系采用Goda[7]之两点法。

(2)实验配置。

如图4所示，实验架置于距离造波板21 m处。波高计的安置依Goda之建议为距反射壁0.5～0.45波长之间。但由于预定造多种波浪周期，可能量测到波峰或波节，加上波浪进出消能结构物时可能发生无法预知的相位改变，因此以造波板为起点，七支波高计依序摆放于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)处。

2 分析方法

反射率分析采用Goda[7]两点法，取W2～W7波高计的波形记录进行配对分析。首先以波浪原始记录绘制时间序列之波形图，如图6所示，各子图由上而下依序为W1到W7波高计。由于分析时只撷取存在入射及反射波的波形。在对每组实验数据之入射波(W1)时间序列上以静水位讯号值去除平均值后，设定启动水位确认造波机产生之前导波到达W1波高计的时间，将其设定为入射波的起始时间(如图6第一子图的▼符号)，利用线性波理论的分散关系式代入造波周期及水深

(1)

式中：σ=2π/T为角频率；T为周期；k=2π/L为波数；h为水深；L为波长。

图6 原始波浪时间序列图范例(H=3 cm,T=1.2 s)Fig.6 Example of original wave records (H=3 cm,T=1.2 s)图7 造波波高3 cm、周期1.2 s所有配对的反射率范例Fig.7 Example of the distribution of KR of all aauge pairs (H=3 cm,T=1.2 s)

在求得波数之后可计算波长及波速，再以波高计间距离以及造波板与结构物反射壁距离推算并于时序图中以●及◆符号分别标示反射波以及二次反射波到达各波高计的时间(如图6所示)，其中反射波通过时间至二次反射波回传到达间(即●◆符号之间)之波形应为有效波。图中可发现距造波板越远的波高计，前导波的衰减现象越多，可能影响分析。第二子图(W2)亦可看到波形呈纺锤型先渐增而后渐减，属于波高计量测到波节的现象，第七子图(W7)也有。因此本范例的配对中如遇有W2或W7波高计，均为不合理配对。

在排除前导波衰减的影响以及不合理的配对后求反射率及进行拟合回归曲线。图7为一组造波条件所有配对分析的反射率结果范例。横轴是以等时间间距从两个波列同步撷取长度为一个周期的所有波数。图中在波浪序列15以前，反射率显得不稳定，但30以后却相当集中，经讨论后发现是因为造波水槽中的前导波在传播过程中发生衰减，用持续衰减的反射波及已经成熟的入射波以至于影响反射率分析，后续分析会被剔除。

3 实验结果与分析

图8分别显示不同波高下三种消波室长度(B=10、20及30 cm)的反射率(KR)与造波周期(T)关系图，以及回归曲线。当消波室长度B=10 cm时，两种波高的KR值较为一致，随着周期增加先渐增再减小。其中，T<1 s(原型周期6 s)时KR<0.5；T=1.35～2.3 s(原型周期8.1～13.5 s)的KR<0.7而后略减，整体KR<0.8。B=20 cm时，其KR-T趋势与B=10 cm类似，整体KR<0.7。而B=30 cm时，两种波高的KR-T变化约略相同但较B=10 cm及B=20 cm偏小，最大值低于0.7左右，显示消波室长度越大越有利消波，但波高影响不大。

图9汇整林蔚等[5]与本实验不同波高的KR-T实验值及回归曲线进行比较。两次实验采用相同比例缩尺，前者，以Lin(2017)表示，分为两级消波室，一级长B1=18.5 cm,二级长B2=17.5 cm；后者为单消波室但长度不同。以与Lin(2017)较接近的B=20 cm(单消波室)进行比较发现。B=20 cm的KR值在T<1.2 s(原型周期7.2 s)时比Lin(2017)小，而B=30 cm的KR值在T<1.3 s(原型周期7.8 s)时比Lin(2017)小。显示二级消波室的存在，关系到消波室的消波功能。规则形状之单消波室容易激活水体的振荡，尤其较长周期的波动；双消波室则因分割了波动空间，降低波浪共振的机会，且水深变化也影响到波动的型态。因此双消波室优于单消波室的消波效果。

8-a 波高3 cm8-b 波高6 cm 图8 三种配置两种造波波高的KR-T关系图Fig.8 KR-T plots of 3 models in 2 wave heights图9 本次实验与林蔚[5]等KR-T对比Fig.9 Comparison of KR-T plots between current data and Lin et al. [5]

图10以KR-B/L来表现图12中KR-T的比较，单消波室时(即B=10、20及30cm)，当B/L<0.08时KR<0.5，而B/L=0.25时KR达到最低，与前人研究心得略同；双消波室时，当B/L<0.09时KR<0.5，也优于单消波室，而B/L=0.15时KR达到最大值0.7。然而从实际来看，B/L<0.08时KR<0.4较符合工程应用需求，但显示消波室长度B必须要大于约10倍以上的波长，不甚合理或不符经济，即便KR达到最低的B/L=0.25也需要大于4倍波长。

图11将各实验之KR-B/L及KR-T图绘在一起做交叉比对，图11-a及11-b分别为林蔚等[6]及B=20 cm的比较。如设定容许的KR范围，或可了解适用的波浪周期(乘以时间缩尺为原型周期)与消波室长度。

图10 本次实验与林蔚[5]等KR-B/L对比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图11 KR-B/L及KR-T交叉比对图Fig.11 Comparisons between KR-B/L and KR-T plots

4 工程应用讨论

本研究证实了利用活动折叶板可以有效地控制波浪进入结构体，再藉由闸门的开阖控制水体回流方向及排水，而如果增加消波舱室的消能效果，将更能降低内部的振荡。而在工程实务上，由于折叶板需要是活动的，不可以太重，因此其结构抗浪性无法太强，不适合用于港湾的防波堤外侧来抵挡大波浪。但应用于港内可削减入射波以及船行波的多次反射，在提升港内稳静度方面则可发挥其特长。在港内应用时，要思考水深以及水位变化(天文潮及暴潮)的问题：如渔港水深多在5 m以内；一般国内商港或远洋渔港水深大约在10 m左右；以及大型商港水深超过15 m，而这些码头的结构可以是混凝土方块堤、基桩式及沉箱式。

基本构想以图12所示的混凝土预制构件建构及如图13的概念模式为例说明，结构物分成场铸顶盖单元、预制折叶板消能单元、及下方排水单元。图13中对于水深较浅不适合拖放沉箱的水域，可以考虑底床整平后直接堆置；中水深时可以混凝土方块建构平台至适当高度，再以图13方式施作；大水深处通常需要以沉箱型式处理，主要会面临可以沉箱的浮力问题。因此如图14所示，考虑以混合式结构物施作，设计封闭式沉箱以提高浮力，但下设封闭式排水闸门，于布放后打开作为排水路，消波舱室则可以抛块石增加自重及多孔隙消波。第一消波舱上部仍以图13方式施作。基桩式码头则初步认为可以考虑在基桩式安装多列活动摺页板来削减波能，但须再深入探讨。有关活动折叶板的固定方式，在实务上可考虑以橡胶加劲材料(小型折叶板可以绳结技术处理)。总之，只要能妥善应用导波、消能及排水功能，可以有效地提升码头结构物的消能效果及改善港湾的静稳度。

图12 折叶板预铸造混凝土块体Fig.12 Precast flap-plate type block图13 预铸造混凝土块体应用构想Fig.13 Conceptual model of precast flap-plate type block图14 配置预铸造混凝土块体之混合式沉箱码头Fig.14 Composite caisson wharf with precast flap-plate type block

5 结论

本实验针对不同单消波室长度的消波性能展开研究，得到以下结论：

(1)本次实验结果明显与林蔚等[1]不同，主要是单消波室有利于削减短周期波动能量，但容易激活长周期波浪的振荡，而增加反射率。如能增加舱内的消波性能及排水功能，例如加抛构成多孔隙的块石或消波块，或强化二级消波室，以降低水体振荡机会，应可提升其消波能力。

(2)利用多支波高计同步进行反射率的量测，除可剔除不合理配对的波高纪录，增加有效的分析数据，且不需于实验中调整波高计位置，不论实验或分析都可以省时省力。

(3)透过本研究理清直立壁开孔式结构物的消波机制，有利于未来新型消能式结构物的研发方向。且活动式折叶板所使用的材料与安装方式也是研发课题。

致谢：本论文系福州大学水利及水电工程学系三年级学生于2017～2018年间在台湾海洋大学河海工程系移地教学时所进行专题研究的部分成果。参与同学(依笔画顺序)包括王芳宇、王雪迎、叶子怡、巫子扬、林嘉琪、郑智超、郑剑豪、陈燕玲、施俊超、倪旭晖、黄劭华，感谢在研究期间同学们以及连晧宇、张维庭、蔡世璇学长姐们的同心协力与付出。