JP4904574B2 - 港湾内における長周期波高低減構造物設置工法 - Google Patents

Description

本発明は、主に港湾において長周期波の波高を低減させるための構造物を設置するための長周期波高低減構造物設置工法に関する。

一般に、港湾内の船舶等に影響を及ぼす波浪には、周期が数秒程度の通常の波の他に、周期が３０秒以上の長周期波がある。通常の波に対しては、消波用のコンクリートブロックを積み上げたり、前面に消波用のスリット等の開口を設けたケーソン等の消波構造物による消波が可能であるが、長周期波は周期が３０秒以上もの海面変動で、波長が長いため、上述の如き通常の波に対処するための消波構造物ではこれを低減することはできない。

この長周期波は、港湾内に進入すると港湾の形状や岸壁の位置等の諸条件によって多重反射し、岸壁に接岸された船舶を大きく動揺させ、それにより荷役作業等に支障がでる場合がある。特に外洋に面した港湾においては、港内が静穏であるにもかかわらず、係留している大型船舶が大きく動揺し、荷役作業の中断や係留索の切断、防舷材や船体の損傷等、長周期波が原因と思われる事故が多数報告されている。

しかし、長周期波は、数百ｍ〜数ｋｍという長い波長を有する為、上述の如き従来の波高低減構造物において、長周期波に対して十分な消波効果を得るには、消波構造物を遊水部又は消波工の奥行きが１００ｍ以上ある大規模なものとする必要があり、実現性に乏しいという問題があった。

一方、このような長周期波に対応するものとして、図１４、図１５示す如き長周期波高低減構造物も開発されている。図１４に示す長周期波高低減構造物は、海側及び陸側にそれぞれスリット状の透水孔が形成された遮壁１，２を配した所謂両面スリットケーソン３を備え、そのスリットケーソン３の奥側に裏込材として大型の雑石を積層させた消波層４を設けた構造となっており、十分な消波効果を得るためには、その消波層４に約５０ｍの幅（奥行き）が必要であった。

また、図１５に示す長周期波高低減構造物は、海側にスリット状の開口５ａを有する透水部５と、その奥側（陸側）に隔壁６を隔てて配置された遊水部７と、透水部５内に積み上げられた砕石等からなる消波層８とを備え、透水部５内の水位変動に伴って、隔壁６に形成された透水孔６ａを通して透水部５と遊水部７との間で水が出入りし、透水部５の海側部における水位変動を抑制するようにしたものであるが、その構造物においても十分な消波効果を得るためには、透水部５に５０ｍ、遊水部７に１０〜１５ｍ程度の幅（奥行き）が必要であった。

また、長周期波が進入する湾口等の水底に潜堤を設置することによって長周期波の波高低減効果があることが知られている（例えば特許文献１）。
特開昭６１−７８９０７号公報

このような従来の長周期波高低減構造物は、設置スペースが充分に確保できる新設の港湾に実施する場合には有効であるが、既存の港湾に設置する場合には、航路や港湾施設領域を確保する必要から設置が制限されることが多く、また、港内の船舶が接舷する岸壁には消波層の適応が難しく、更に、防波堤や岸壁の前面に設置すると、消波層が長周期波の重複波の腹の位置になり、流速が小さく十分な消波効果を得ることが難しい等の問題がある。

また、潜堤が長周期波の低減に効果があることが知られているが、港湾の如何なる何処に設置することが適切であるかは未だ知られていなかった。

本発明は、上述の従来技術の問題を鑑み、岸壁等の構造物に波が打ち寄せる部分ではなく、長周期波が通過する海底であって、より効果的な波高低減がなされる位置に設置することとなる港湾内における長周期波高低減構造物設置工法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、港内における周期が３０秒以上の長周期波を考慮できる波浪場計算を行い、その波浪場の計算結果における長周期波成分の波高分布より上記長周期波の重複波の節の位置を把握し、該節の位置の水底面に、水粒子が透過することによってエネルギーを消費させる透水性消波構造物の水底への配置を設計し、該設計に基づいた配置に透水性消波構造物を設置した場合を仮定して港内の波浪場計算を行うことによって上記長周期波の波高低減効果の検証を行い、該検証の結果、所望の波高低減効果が認められなかった場合には、再度上記透水性消波構造物の水底への配置を設計し直すとともに上記波高低減効果の検証を行う作業を繰り返し、上記所望の波高低減効果が認められた設計に基づいて、前記透水性消波構造物を設置することを特徴としてなる港湾内における長周期波高低減構造物設置工法にある。

更に、請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、透水性消波構造物を、消波ブロック又は礫を水底面に積み上げることによって水粒子が透過できる潜堤状に造成することにある。

更に、請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、透水性消波構造物を、その頂面を水底面と同高さ又はそれより低く造成することにある。

本発明に係る長周期波高低減工法は、港湾内の水底に透水性消波構造物を設置することにより、特に水面と同等の水粒子速度を有している長周期波が、透水性の消波構造物内を透過することによりそのエネルギーが消費されて長周期波高が低減されるものであるため、既存の港湾内設置する場合においても、航路や港湾施設領域に影響を及ぼすことなく設置することができるとともに港湾内の岸壁に設置する従来の工法に比べて設置が容易である。

また、透水性消波構造物を、港内における長周期波を考慮できる波浪場計算を行い、その波浪場の計算結果における長周期波成分の波高分布より長周期波の重複波の節の位置を把握し、該節の位置を目安に設置するようにしたことにより、重複波の節の部分は腹の部分に比べて水平方向の流速が大きく、透水性消波構造物を他の部分に設置した場合に比べて該構造物内を通過する流速が大きくなるため、長周期波のエネルギー減衰効果が大きく、港湾内における長周期波の波高低減がより効果的なものとなる。

更に、設計に基づいた計画位置に透水性消波構造物を設置した場合における港内の波浪場計算を行って長周期波の波高低減効果の検証を行い、該波高低減効果が認められた場合に、その位置に前記透水性消波構造物の設置を決定することにより、より効果が高い場所の選定がなされることとなる。

更に、前記透水性消波構造物を、消波ブロック又は礫を水底面に積み上げて水粒子が透過できる潜堤状に造成する際に、潜堤の幅や高さを大きくするとその透過層内を通過する水粒子の量が多くなり、高いエネルギー減衰効果が得られる。

また、前記透水性消波構造物を、その頂面を水底面と同高さ又はそれより低く造成することによっても長周期波の減衰効果が得られ、この場合には、消波構造物内を通過する水粒子の量が潜堤に比べて小さいため、長周期波の波高低減効果は前述した潜堤形式に比べ小さいが、航路として一定以上の水深を確保する必要から、現状より水深を浅くできない場所にも設置することが可能となり、設置面積大きくし、又は、設置個所の数を多くすることによって、効果的な波高低減効果を得ることが可能である。

次に、本発明に係る長周期波高低減工法の実施形態を図に基づいて説明する。

本発明においては、透水性消波構造物を使用し、これを港湾内の水底に設置する。この消波構造物は、図には詳示されてないが、テトラポットやその他の消波用コンクリートブロック或いは礫を投入によって積み上げ、内部に空隙を設けて透水性を持たせたものである。

消波用コンクリートブロック又は礫の投入は、ガット船又は起重機船によって行う。また、礫を使用する場合には蛇籠に入れ、これを規則正しく並べることによって所望の厚さ及び広さに設置することも有効な方法で、投入による礫の逸散を防止できる。

また、この消波構造物は、図１（ａ）に示すように、水底面１０より高く積み上げた潜堤型消波構造物１１ａであってもよく、また同図１（ｂ）に示すように、水底面１０を掘り下げ、その掘り下げ空間内に積み上げた掘り込み設置型消波構造物１１ｂであっても良い。

これらの消波構造物１１ａ、１１ｂの消波効果を明らかにするために、反射のない条件で２次元の数値解析を行い、透過率を算出した。

数値計算概要
計算領域 ６０００ｍ
計算格子間隔ΔＸ ５ｍ
有効計算時間 １２００ｓ
計算時間間隔Δｔ ０．０５ｓ
計算条件は、周期６０ｓ、波高０．５ｍ、波長７２５ｍの規則波を入射波とし、水深を１５ｍとした。

消波構造物の設置条件は、図２に示すように、入射境界１２から２３２５ｍの位置に波の進行方向側の長さ２００ｍ、高さ（厚さ）１０ｍの消波構造物を設置した。消波構造物は前述した潜堤型消波構造物１１ａ及び掘り込み設置型消波構造物１１ｂの２種類とした。また入射境界ａから４０００ｍの位置より２０００ｍを吸収層１３とした。

計算結果
消波構造物前後の有意義波高（Ｈ）を入射波高（Ｈｉｎ）で割ったＨ／Ｈｉｎの分布は図３に示すグラフの如くであった。尚、図中破線は潜堤型消波構造物１１ａの場合、実線は掘り込み設置型消波構造物１１ｂの場合を示している。

この結果から、透過率（波高低減率）は、
潜堤型 ０．７４
掘り込み設置型 ０．９４
であり、これにより掘り込み設置型は潜堤型に比べて波高低減効果は少ないが、長周期波の波高低減効果があることが認められた。

また、消波構造物の長さを２００ｍとしたことによって、上記波高低減率が得られることから、消波構造物長さが２００ｍより長ければ、長周期波の特性から当然に波高低減効果が増す。

次に、前述した消波構造物の港湾における最適設置位置について説明する。

長周期波消波構造物の最適配置を明らかにするために、数値計算をおこなった。

計算条件
図４に示すように水深１５ｍの一様水深の２次元水路を想定し、入射波は、波高０．５ｍ、周期６０ｓの規則波（波長：７２５ｍ）、消波構造物は、長さ５０ｍ×高さ１０ｍの潜堤型消波構造物（以下潜堤と記す）１１ｂ、反射壁ｃから潜堤１１bの長さ方向の中央部分までの距離Ｘを変化させて計算した。

計算結果
潜堤１１ｂの沖側(入射境界側)での反射率を算出した。また、図５に示すように、横軸は距離Ｘを波長Ｌで割って無次元化した。（重複波の腹はＸ／Ｌ＝０、０．５、１．０であり、節はＸ／Ｌ＝０．２５、０．７５の位置である。）

計算結果は図６のグラフに示す如くであった。

これによると、重複波の節の位置に近いＸ／Ｌ＝０．１７、０．５６で反射率が低下することが明らかとなった．また、長周期波の重複波の腹の位置に長周期波対策工を設置しても、高い消波効果は期待できない。

潜堤１１ｂを設置しない場合と、Ｘ／Ｌ＝０．１７、０．６５位置に設置した場合の、有義波高Ｈを入射波高Ｈｉｎで割って無次元化した結果は図７に示す如くであった。

潜堤１１ｂがない場合は、反射壁で完全反射するため、Ｈ／Ｈｉｎの最大値(重複波の節の位置)がほぼ２となり、Ｘ／Ｌ＝０、０．５、１．０に最大値が現れている。また、Ｈ／Ｈｉｎの最小値（重複波の節の位置）は、Ｘ／Ｌ＝０．２５、０．７５位置に現れていることがわかる。

これに対し、潜堤１１ｂを設置した場合は、その設置位置で水深が浅くなるため、重複波の節の位置が反射壁側に移動している。その移動した節の位置と図６で反射率が低下する潜堤１１ｂの設置位置がほぼ一致し、消波層位置での流速が大きくなり高い消波効果が得られていることがわかる。

次に、具体的な港湾における透水性消波構造物の設置位置の決定方法について説明する。

透水性消波構造物の設置位置の決定は、図８に示すフローチャートに示す手順に従って行う。
イ．先ず、港内における長周期波を考慮できる波浪場計算を行う。
ロ．次いでこの波浪場の計算結果における長周期波成分の重複波の節の位置（流速振幅の大きい位置）を把握する。
ハ．この長周期波成分の重複波の節の位置の水底面に透水性消波構造物の配置を設計する。
ニ．上記設計に基づいた計画位置に透水性消波構造物を設置したと仮定した場合の、港内の波浪場計算を行い、効果を検証する。
ホ．上記効果を検証の結果、効果が充分でない場合、即ち、所望の波高低減効果が得られるとの結果が出なかった場合にはハに戻り、再度配置の設計を行う。
ヘ．所望の効果が認められた場合にはその位置に決定する。

計算例
次にモデル港湾を用いて前記フローに沿って検討を行った例について説明する。

モデル港湾
図９に示すモデル港湾を使用した。図において、縦軸、横軸は距離、Ｋｒは護岸や岸の反射率を表している。また、水深の単位はｍである。

計算条件
ブシネスク方程式を用い、長周期波を考慮した多方向不規則波に関する波浪場の計算を行った。計算条件は次の通りとした。

有義波高Ｈ１／２ ２．０ｍ
計算時間間隔Δｔ ０．２ｓ
方向集中度Ｓｍａｘ ２５
波の反射角θ ０゜
有義波周期Ｔ１／３ ８．０ｓ
計算時間Ｃａｌ ｔｉｍｅ １．０ｈ
計算時間間隔（横軸方向）ΔＸ １０ｍ
計算格子間隔（縦軸方向）ΔＹ １０ｍ
計算結果
この計算によって得られた周期４０〜６３ｓの長周期波の有義波高分布を図１０に示す。この分布図において、有義波高の小さいところが重複波の節となる。尚、図１０は、波浪場計算によって得た水位の時系列データより、周期が４０ｓ〜６３ｓの有義波高を算出し、分布を表示したものである。

また、上記計算結果を用いて得られた流速振幅分布を図１１に示す。この流速分布は、流速の時系列データより、同周期帯の有義値を計算することで得たものである。

長周期波高低減構造物の配置計画
前述した計算によって得られた港湾内における重複波の節になる位置の内、図１２に示す2箇所の水底に透水性消波構造物(潜堤式)１１ａ，１１ａを設置する計画とし、比較例として透水性消波構造物(潜堤式)１１ａ，１１ａを設置しないで、護岸の前面に従来の消波ブロック積み上げ式の消波工１４，１４ を図１２に示すように２箇所に配置する計画とした。透水性消波構造物１１ａ及び従来の消波工１４に用いた消波ブロック数の数量は同じとした。

効果の検証
前述と同様の式を用いて消波構造物設置後の波浪場の計算を行い、護岸前面の長周期波成分の有義波高により、従来の消波ブロック方式と本発明による潜堤式の消波構造物及び消波対策なしの場合を比較した。計算方法は、前述と同様のブシネスク方程式を使用した。結果は図１３に示すグラフの如くであった。

尚、図１３のグラフは、図１２のＡＢ、ＢＣ、ＣＤの各線上の長周期波成分の有義波高を入射波の有義波高で無次元化したものであり、この結果から、全体として従来の消波工で１割、本発明の消波構造物で２割程度減衰しており、従来の消波工ではあまり減衰しないＡＢ、ＣＤ線上においても本発明の消波構造物では減衰効果が見られた。

上述の実施例では、消波構造物設置前及び設置後の波浪場の計算には、ブシネスク方程式、即ち、波の非線形性に加え、分散性を考慮した長波の方程式（分散とは、波の伝播速度が周波数（波長）によって異なる性質．深さのみならず周波数（波長）に大きく依存するようになる。）を使用した。

この他、精度にはかなりの差があるが、ヘルムホルツ方程式（これは回折のモデル方程式であり、微小振幅性と一様水深の仮定がなされている）や、線形長波方程式（波長水深比が小さく、重力加速度に比べ水粒子の鉛直加速度が小さい場合に適応される波動方程式）等を使用してもよい。

本発明において設置する消波構造物の例を示す断面図である。 同上の消波構造物の消波効果を明らかにするための２次元の数値解析を行う消波構造物の設置条件を示す断面図である。 同上の消波構造物の透過率をしめす分布を示すグラフである。 同上の消波構造物の最適配置を明らかにする水路の計算条件を示す断面図である。 多重反射した長周期波の腹と節の位置を示すグラフである。 図４に示す計算条件による計算結果を示すグラフである。 有義波高を入射波高で割って２次元化したグラフである。 本発明による透水性消波構造物設置位置決定の手順を示すフロー図である。 本発明における計算例のモデル港湾を示す平面図である。 同上の計算によって得られた有義波高分布図である。 同上の流速振幅分布図である。 計算を基に設定した消波構造物設置予定位置を示す平面図である。 効果の検証のための有義波高分布の比較をしめすグラフである。 従来の長周期波低減構造物の一例を示す断面図である。 従来の長周期波低減構造物の他の例を示す断面図である。

１０ 水底面
１１ａ，１１ｂ 透水性消波構造物
１２ 入射境界
１３ 吸収層
１４ 消波工

Claims (3)

1. 港内における周期が３０秒以上の長周期波を考慮できる波浪場計算を行い、その波浪場の計算結果における長周期波成分の波高分布より上記長周期波の重複波の節の位置を把握し、該節の位置の水底面に、水粒子が透過することによってエネルギーを消費させる透水性消波構造物の水底への配置を設計し、該設計に基づいた配置に透水性消波構造物を設置した場合を仮定して港内の波浪場計算を行うことによって上記長周期波の波高低減効果の検証を行い、該検証の結果、所望の波高低減効果が認められなかった場合には、再度上記透水性消波構造物の水底への配置を設計し直すとともに上記波高低減効果の検証を行う作業を繰り返し、上記所望の波高低減効果が認められた設計に基づいて、前記透水性消波構造物を設置することを特徴としてなる港湾内における長周期波高低減構造物設置工法。
2. 前記透水性消波構造物を、消波ブロック又は礫を水底面に積み上げることによって水粒子が透過できる潜堤状に造成する請求項１に記載の長周期波高低減構造物設置工法。
3. 前記透水性消波構造物は、その頂面を水底面と同高さ又はそれより低く造成する請求項１に記載の長周期波高低減構造物設置工法。