JP2014169560A - 消波構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】津波の威力と波高をより効果的に相殺させる構造体を提供すること。
【解決手段】流体の波（津波や高波など）を分流・変流・干渉させることのできる断面形状を有した水路（消波構造体）に津波を通過・透過させ、干渉点（域）にて波同士をぶつかり合せることにより津波の威力と波高を相殺させる構造体、すなわち、窪みを有する準三角形、Ｕ字形、準長方形などの断面を有する複数の柱状のブロックを組み合わせたブロック列を複数列配置することからなる消波構造体を考案した。
【選択図】図４

Description

本発明の一形態は消波構造体に関する。

消波構造体は、外洋からの波浪を防いで港湾の内部を安静に保ったり、津波の被害から陸域を守ったりするために設置される構造物であり、従来から様々な種類のものが知られている。例えば、下記特許文献１には、一定間隔の開口部を有する複数の離岸堤を、海岸線にほぼ平行に且つ前後２列に配置して成る沖合防波堤が記載されている。また、下記特許文献２には、潮流が通過する防波堤先端部の平面形状が三角形状あるいは刃形形状である防波堤が記載されている。

特許文献１：特開平１１−８１２６９
特許文献２：特開平１０−２１９６５０

しかしながら、上記特許文献１、２に記載されているような従来の防波堤では、津波や高波を防ぎきれない場合がある。そこで、津波や高波が陸域に及ぼす影響を低減することが要請されている。

本発明者らは、波の反射と干渉を利用して波を弱めることで、津波や高波が陸域に及ぼす影響を低減する消波構造体を考案し出願した（ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５）。

この消波構造体は、汀線に沿って並ぶように配置された複数の柱状のブロックを備え、複数のブロックのうちの隣り合う第１のブロックおよび第２のブロックは、沖側と岸側とを結ぶ水路を形成しており、該水路を形成する該第１のブロックの壁面と該第２のブロックの壁面との距離が、沖側から岸側に向かうにつれ次第に小さくなっていることを特徴とするものである。

このような消波構造体によれば、隣り合う一対のブロックにより形成される水路の幅は、沖から岸に進むにつれて次第に狭まることになる。このように形成された水路を波が流れると、水路を形成している一方の壁面(第1のブロックの壁面)と、当該壁面と向かい合う他方の壁面(第２のブロックの壁面)とによって、波高が過度に上昇する。そして、波のエネルギーフラックスは保存されるので、負の波高を有する反射波が生じるとともに、透過波の波高が小さくなる。このように、波を堰き止めようとするのではなく、特有の反射現象によって透過波を減衰させることができ、津波や高波が陸域に及ぼす影響を低減することが可能となったが、さらなる影響の低減が求められている。

このような状況下、長時間周期の津波を、構造物によって遮り堰き止めるのではなく、Ｕ字、Ｖ字、矢じり型などの断面によって構成される水路に干渉域（点）を設けることによって、干渉域を通過する津波同士をぶつけ合わせることで相殺させ（相殺効果）、透過した津波（透過波）のエネルギーおよび波高が大きく減衰する消波構造体を考案した。すなわち、図１示すような窪みを有する準三角形、Ｕ字形、準長方形などの断面を有する複数の柱状のブロックを組み合わせたブロック列を複数列(多段)配置することからなる消波構造体である。

本発明の消波構造体は、波力を干渉・相殺するよう変流させるような窪みを設けたブロックを配置することで、消波効果を高めることができる。例えば、波力を干渉・相殺するよう変流させるようにした１列目により津波の波高を３５〜４０％程度まで減衰させることができる。さらに津波／段波の進行方向に消波構造体を複数並べ、多段化し、干渉点（域）を増やすことにより、さらに高い消波効果が得られる。

窪みを有するブロックの平面図である。 第１実施形態に係る消波構造体を説明する図である。 第２実施形態に係る消波構造体を説明する図である。 第３実施形態に係る消波構造体を説明する図である。 第３実施形態に係る消波構造体説明する拡大図である。 第１実施形態に係る消波構造体の効果を説明する図である。 第２実施形態に係る消波構造体の効果を説明する図である。 第３実施形態に係る消波構造体の効果を説明する図である。 第３実施形態に係る消波構造体の効果を説明する図である。 第３実施形態に係る消波構造体の効果を説明する図である。 ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５の消波構造体の斜視図である。 ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５の消波構造体の斜視図である。 ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５の消波構造体を説明する図である。 ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５の消波構造体の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明消波構造体の基礎となるＰＣＴ／ＪＰ２０１２／７２７６５の実施形態の消波構造体１０について、その上方からの斜視図（図１１）を含め図１２〜図１４で説明する。

消波構造体１０は、汀線Ｓに沿って一列に並ぶように配置された複数の角柱状のブロック２０を備えている。各ブロック２０はコンクリートブロックまたはコンクリートケーソンから成り、その大きさは略統一されている。図１１、１２に示されるように、各ブロック２０は、底面が略菱形である四角柱であってもよいし、底面が略二等辺三角形である三角柱でもよい。なお、図１１、１２ではブロック２０の一部が水面から出ているが、ブロック２０はその全体が水中に沈められた状態で設置されてもよい。

各ブロック２０は、隣り合う２側面が鋭角を成す先端部を二つ有している。各ブロック２０は、一方の先端部が沖に向かって突き出るとともに他方の先端部が岸に向かって突き出るように、汀線Ｓから所定の距離だけ離れた沖合に設けられる。したがって、各ブロック２０は、沖に向かって先細るように形成された三角柱（第１の部分２１）と、岸に向かって先細るように形成された三角柱（第２の部分２２）とが一体化されたものである。

複数のブロック２０は一定の間隔を置いて配置されるので、隣接する二つのブロック２０の間には、沖側と岸側とを結ぶ水路が形成される。すなわち、隣り合う一対のブロック２０により水路が形成される。対を成す二つのブロック２０を第１のブロック２０ａ及び第２のブロック２０ｂとすると、図１３に示されるように、第１のブロック２０ａの壁面２３と第２のブロック２０ｂの壁面２３との双方は、水路の幅を端部から中央部にかけて次第に狭くするように形成されている。すなわち、水路の幅は、沖から岸に向かって進むにつれて一旦次第に狭まり、その後は次第に広がることとなる。消波構造体１０が３個以上のブロック２０から成る場合には複数の水路が形成されるが、この場合には、各水路が図１３に示されるように形成される。

このように、従来の消波構造体のように津波や高波を堤防の面で受けるのではなく、波の抗力を受けない複数のブロック２０を適切な間隔で配置して水路を形成すると、次のような理由により波を静穏化することができる。すなわち、図１２の矢印で示すように、一対のブロック２０により形成された水路を波が流れると、一方のブロック２０の壁面（第１のブロック２０ａの壁面）２３で反射した波と、他方のブロック２０の壁面（第２のブロック２０ｂの壁面）２３で反射した波とが干渉し合う。そして、この干渉による相殺効果により波のエネルギーが低減する。波が水路を通る間にこのような反射、干渉、及び相殺という一連の現象が繰り返し発生するので、水路を通る波の強さは岸に近づくにつれて弱くなる。なお、図１３では、波が弱まる様子を矢印の大きさ及び太さで表現している。このように、波を堰き止めようとするのではなく、波同士の干渉により波を弱めることで、津波や高波が陸域に及ぼす影響を低減することができる。

図１４の例では、複数のブロック２０は、汀線Ｓに沿って第１の列を成すブロック２０の第１グループＧ１と、汀線Ｓに沿って第２の列を成すブロック２０の第２グループＧ２と、汀線Ｓに沿って第３の列を成すブロック２０の第３グループＧ３と、に分類される。第１グループＧ１、第２グループＧ２及び第３グループＧ３は、その順に沖側から配列されている。なお、３列に限定されず、２列でもよく、４列以上であってもよい。また、この例では、隣り合うグループに属するブロック２０は、千鳥状に配置されている。すなわち、互いに隣り合う２つのグループの一方に属する一対のブロック２０の間に、互いに隣り合う２つのグループの他方に属するブロック２０が位置するように配置されている。図１４の消波構造体１０Ａでは、ブロック２０が千鳥状に配置されているので、波を多方向から入射することができ、津波後の湾内に残存する反射波のように、多方向に進む波に対しても消波効果を得ることができる。

本発明は、図１示すような窪みを有する準三角形、Ｕ字形、準長方形などの断面を有する複数の柱状のブロックを組み合わせたブロック列を複数列配置することからなる消波構造体である。図１のブロックの窪みは、準三角形においては、三角形の一辺を凹ませることで形成され、準長方形においては、対面する二辺を凹ませることで形成される。窪みより波は変流や干渉を生じる。

本発明の第１の実施形態は、図１示すような準三角形３０の組み合わせからなる消波構造体（図２）である。
図２において、（Ａ）は、津波／段波ａａを分流する分流点である。（Ｂ）は、干渉点である。（Ｃ）は変流点である。準三角形３０は、三角形の一つの頂点の対辺が凹んだ楔形である。

図２の消波構造体の２列目のように、凹んだ部分が波を受ける側に在る場合、波に変流を生じさせることができる。また、図２の消波構造体の１列目のように凹んだ部分が波を受ける反対側に在る場合、変流を促すことができる。変流点において、水平方向エネルギーの拡散吸収効果が生じる。また、図２の消波構造体の１列目の凹んだ部分の後方の干渉点（領域）で、波の相殺効果が生じる。

図６は、図２の消波構造体における干渉域1列のシミュレーション結果である。浅水長波方程式に基づく数値シミュレーションから、平均海面５ｍに設置された消波構造体に、沖合から進行してくる段波状の津波（周期1時間、平均海面からの波高５ｍ）を、消波構造体へ通過させることにより、透過波の波高を約４０％にまで減衰することができる。この消波効果は津波の時間周期に依存しないため、１時間以上の長周期津波においても、常に干渉域において波が相殺されるため時間依存しない消波効果が得られる。

本発明の第２の実施形態は、図１示すようなＵ字形４０の組み合わせからなる消波構造体（図３）である。
図３において、（Ａ）は、津波／段波ａａを分流する分流点である。（Ｂ）は、干渉点である。（Ｃ）は変流点である。

図３の消波構造体の２列目のように、凹んだ部分が波を受ける側に在る場合、波に変流を生じさせることができる。また、図３の消波構造体の１列目のように凹んだ部分が波を受ける反対側に在る場合、変流を促すことができる。変流点において、水平方向エネルギーの拡散吸収効果が生じる。また、図３の消波構造体の１列目の凹んだ部分の後方の干渉点（領域）で、波の相殺効果が生じる。

図７は、図３の消波構造体における干渉域1列のシミュレーション結果である。浅水長波方程式に基づく数値シミュレーションから、平均海面５ｍに設置された消波構造体に、沖合から進行してくる段波状の津波（周期1時間、平均海面からの波高５ｍ）を、消波構造体へ通過させることにより、透過波の波高を約４０％にまで減衰することができる（図７）。この消波効果は津波の時間周期に依存しないため、１時間以上の長周期津波においても、常に干渉域において波が相殺されるため時間依存しない消波効果が得られる。
上記の第１および第２実施形態での計算結果より、干渉域の列数を増やすことによって、相乗的な消波効果が得られる。

本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態の準三角形の列の間に準長方形からなる列加えたもので、干渉域を２列にしたものである（図４）。なお、図５は図４の部分拡大図である。
図４、５において、（Ａ）は、津波／段波ａａを分流する分流点である。（Ｂ）は、干渉点である。（Ｃ）は変流点である。なお、ｂ波の収斂による自律的な反射を示す。

分流によって水流を分割させる上記の第１実施形態の準三角形ブロックは、沖合から進行してくる波の方向性に対処できる。分流された波は、収斂されることによって波の一部が自律的に反射される。そして、前方の準三角形ブロック列を通過した波は、準長方形のくぼみによって変流がより促される（なお、窪みがない三角形と長方形であっても変流は生じる）。この変流によって、波の水平方向エネルギーの吸収拡散効果が生じ、干渉域において、交差する波同士がぶつかり合い、相殺される。
後方の（逆）準三角形ブロック断面においても、変流を経た透過波は干渉による相殺効果でさらに減衰される。最終的に、（逆）準三角形ブロック（急拡大された）断面によって透過波を逃がし、波高を下げる。この過程を踏まえた透過波は、干渉域が二列であることにより相殺効果が相乗する。例えば、干渉域を二列にしたものの消波効果は、一列の減衰率が40％の場合、40％の２乗（列数乗）＝１６％となる。

図４の消波構造体は、平均海面５ｍに設置された消波構造体に、沖合から進行してくる段波状の津波（周期１時間、平均海面からの波高５ｍ）を、透過波の波高を約１６％にまで減衰することができる。図８、９、１０のシミュレーションによる計算結果が示すように、１時間以上の長周期津波においても、消波構造体の列を増やし、干渉域を増やすことで相乗した消波効果が得られる。

既設防波堤・防潮堤の沖合前面に複合設置する本発明の消波構造体により、既設防波堤・防潮堤の耐津波性能を大幅に向上させ、壊滅的な倒壊がしにくい「粘り強い構造」を実現することができる。さらに、本発明の消波構造体は、既設防波堤・防潮堤の津波越流時におけるマウンドの洗掘防止対策としても機能する新しい補強技術としても有効である。すなわち、本発明の消波構造体で津波の波高とエネルギーを大幅に減衰させ（津波減災）、弱まった透過波を既設防波堤・防潮堤で堰き止める（津波防災）ことにより、重要港湾施設を津波から守る「津波減災」と「津波防災」二段構えの新しい津波防災技術となる。

特に港湾は、日本の貿易や多くの経済活動を支える物流拠点であり、島国日本の生命線である。また、臨海部に人口・資産が集積する日本の国土を踏まえれば、港湾における津波に対する安全性の確保は、日本の国民生活や経済活動の安定・向上にとって必要不可欠となるため、本発明実用化の成果がもたらす社会的・経済的インパクトは大きい。

本発明の消波構造体の消波効果により来襲する津波・高波の波高を軽減できるため、一般工法の従来型防波堤の天端高を低くし景観に資することができる。また、「粘り強い構造」として、今後新設あるいは補強される防波堤に要する建設コストを抑えることもできる。

本発明の消波構造体は、港湾内の静穏化だけの利用にとどまらず、砂浜海岸のある入り江など湾の入り口に設置することにより、安心・安全な海水浴や臨海学校など確保することができ、観光産業の振興、さらに養殖いかだ等の漁業振興に利用することができる。

１０：消波構造体、２０：ブロック、２０ａ：第１のブロック、２０ｂ：第２のブロック、２１：第１の部分、２２：第２の部分、２３：壁面、Ｓ：汀線
３０：準三角形ブロック、４０：Ｕ字型ブロック、５０：準長方形ブロック、
（Ａ）：分流点、（Ｂ）：干渉点、（Ｃ）：変流点、
ａａ：津波／段波、ａ：透過波、ｂ：反射波

Claims (5)

1. 汀線に沿って並ぶように配置された複数で多段の柱状のブロックからなる消波構造体において、第１段目のブロックを通過した波の波力を干渉・相殺するよう変流させるようにした第２段目ブロックを特徴とする消波構造体。
2. 第２段目ブロックの沖側の壁面および／または岸側の壁面に窪みが形成されている請求項１に記載の消波構造体。
3. 汀線に沿って並ぶように配置された複数の柱状のブロックを備え、複数のブロックのうちの隣り合う第１のブロックおよび第２のブロックは、沖側と岸側とを結ぶ水路を形成している消波構造体において、ブロックの沖側の壁面および／または岸側の壁面に窪みが形成されていることを特徴とする消波構造体。
4. 複数の柱状のブロックは、汀線に沿って２列以上に配置されている請求項３に記載の消波構造体。
5. ブロックの底面が準三角形、Ｕ字型または準長方形のいずれかである請求項１〜４に記載の消波構造体。