JP2015222206A

JP2015222206A - 水理実験装置の水路設計方法

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Publication number: JP2015222206A
Application number: JP2014106589A
Authority: JP
Inventors: 智裕上野; Tomohiro Ueno
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: JP6183789B2

Abstract

【課題】水路に配置した模型による造波した波への影響を低減し、無限遠方沖合における波の諸元を定義することができる、水理実験装置の水路設計方法を提供する。【解決手段】水路１に向かって人工的に波を生成可能な造波装置２と水路１内に配置される地形を模擬した模型３とを備えた水理実験装置４の水路設計方法であって、生成したい目標波の造波周期Ｔを設定した後、造波装置２と模型３との間に配置される水平床部５の範囲内で少なくとも１周期分又は１波長分の目標波を生成することができるように、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈを設定することを特徴とする。具体的には、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈは、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）1/2／２により表される関係式を満たすように設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、水理実験装置の水路設計方法に関し、特に、人工的に長周期波や長波を生成可能な造波装置を備えた水理実験装置の水路設計方法に関する。

津波のような長周期波や長波に対する浮体構造物や陸上構造物等の安定性や地形に与える影響等を検討するために、フラップ式、ダムブレイク式、フロート式、空気圧式、水流式等の造波装置を備えた水理実験装置が既に開発されている。特に、沿岸構造物の津波対策には、波力の推定が必要であり、これに適した水理実験技術の構築が望まれている。

上述した造波装置は、例えば、特許文献１に記載されたように、細長い形状を有する水槽内に配置され、この造波装置に隣接する水路内に地形を模擬した模型が配置されることが多い。また、特許文献２に記載された発明は、長周期波高低減構造物の実験装置として、同様の水槽を用いたものが開示されている。

特開２００２−３３２６２１号公報特開２００６−１９３８８５号公報

ところで、上述した水理実験は、既存の実験水槽を用いて行われることが多く、水路の長さに制限があり、津波のような長周期波や長波を再現するには不十分な場合がある。例えば、特許文献１に記載された水槽では、造波装置の整流板に接近した位置に地形を模擬した模型が配置されており、特許文献２に記載された水槽では、造波装置が配置されていると考えられる位置から１５．０ｍだけ離れた位置に地形を模擬した模型が配置されている。

これらの特許文献に記載されたように、造波装置から地形を模擬した模型までの距離が短い場合に、津波のような長周期波や長波を再現しようとすれば、流場は流量保存が成立するために、生成した波が模型の影響を受けることにより、生成した波の波形が変化してしまうこととなる。したがって、かかる水理実験装置により種々のデータを取得したとしても、実際の津波を定義するような無限遠方沖合における波の諸元（例えば、波高、周期等）を定義することができない。

これは、水理実験の普遍性を損なうことを意味し、他の実験結果や計算結果と比較することができない。例えば、陸上における波の流速や水位を計測した場合であっても、水理実験の結果を用いて、その数値がどのような諸元を有する波によりもたらされたものであるかを把握することができない。

本発明は、かかる問題点に鑑み創案されたものであり、水路に配置した模型による生成した波への影響を低減し、無限遠方沖合における波の諸元を定義することができる、水理実験装置の水路設計方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、水路に向かって人工的に波を生成可能な造波装置と水路内に配置される地形を模擬した模型とを備えた水理実験装置の水路設計方法であって、生成したい目標波の造波周期を設定した後、前記造波装置と前記模型との間に配置される水平床部の範囲内で少なくとも半周期分又は半波長分の前記目標波を生成することができるように、前記水平床部の距離及び水深を設定する、ことを特徴とする水理実験装置の水路設計方法が提供される。

前記水平床部の距離及び水深は、例えば、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２、Ｘは水平床部の距離（ｍ）、Ｔは造波周期（ｓ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、ｈは水平床部の水深（ｍ）、により表される関係式を満たすように設定される。また、前記水平床部の距離は、前記造波装置の下流端から前記模型の上流端までの距離であってもよいし、前記水平床部に設置された水位計の最上流位置から前記模型の上流端までの距離であってもよい。また、前記目標波は押波であってもよい。また、前記造波周期は、例えば、１５〜３００ｓの範囲内に設定される。

上述した本発明に係る水理実験装置の水路設計方法によれば、水平床部の範囲内で少なくとも半周期分又は半波長分の目標波を生成することができるように、水平床部の距離及び水深を設定するようにしたことから、造波装置により生成された波が模型の上流端に到達し、その影響が造波装置の下流端（流入境界）に到達するまでの間に、少なくとも１周期分又は１波長分の波を生成することができる。したがって、この水平床部に生成された波は、流場に配置された模型による影響を受け難く、この波のデータを無限遠方沖合における波の諸元として定義することができる。

水理実験装置を示す全体構成図である。水平床部における波の水位を示す図である。本発明の一実施形態に係る水理実験装置の水路設計方法を示すフロー図であり、（ａ）は第一例、（ｂ）は第二例、を示している。本発明の一実施形態に係る水理実験装置の水路設計方法により設計された水路の作用を示す図であり、（ａ）は２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２を満たす場合、（ｂ）はＸ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２を満たす場合、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、水理実験装置を示す全体構成図である。図２は、水平床部における波の水位を示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係る水理実験装置の水路設計方法を示すフロー図であり、（ａ）は第一例、（ｂ）は第二例、を示している。図４は、本発明の一実施形態に係る水理実験装置の水路設計方法により設計された水路の作用を示す図であり、（ａ）は２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２を満たす場合、（ｂ）はＸ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２を満たす場合、を示している。

本発明の一実施形態に係る水理実験装置の水路設計方法は、水路１に向かって人工的に波を生成可能な造波装置２と水路１内に配置される地形を模擬した模型３とを備えた水理実験装置４の水路設計方法であって、生成したい目標波の造波周期Ｔを設定した後、造波装置２と模型３との間に配置される水平床部５の範囲内で少なくとも半周期分又は半波長分の目標波を生成することができるように、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈを設定することを特徴とする。具体的には、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈは、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2により表される関係式を満たすように設定される。ここで、Ｘは水平床部５の距離（ｍ）、Ｔは造波周期（ｓ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、ｈは水平床部５の水深（ｍ）、である。

最初に、本発明の水路設計方法が適用される水理実験装置４の構成について説明する。水理実験装置４は、図１に示したように、上部が開放された略直方体形状を有し、長手方向に人工的な波を発生させるための細長い容器を構成する水槽４１内に形成される。水槽４１は、仕切板４２によって水路１と貯水槽４３とに区分されている。貯水槽４３は、水路１内に水流を発生させるための水を蓄える部分である。水路１は、造波装置２により、例えば、津波のような長周期波又は長波を生成する部分である。

造波装置２は、例えば、貯水槽４３から水路１に向かって水流を発生させる水流発生手段２１と、水流発生手段２１よりも下流に配置される整流板２２と、仕切板４２と整流板２２との間の水面の少なくも一部を覆う制波板２３と、を有している。なお、制波板２３は、必要に応じて省略することができる。

水流発生手段２１は、例えば、貯水槽４３の水を汲み上げるポンプ２１ａと、汲み上げた水を水路１に放出する配管２１ｂと、により構成される。ポンプ２１ａは、図示しない電動モータ及び制御装置に接続されており、回転数や駆動時間が制御される。なお、水流発生手段２１の構成は、図示したものに限定されるものではなく、ポンプ２１ａの台数、配管２１ｂの構成等、適宜変更することができる。

整流板２２は、水路１に供給された水流の断面積における速度分布を略均一となるように整流する板部材である。整流板２２は、例えば、通水性を有する樹脂材や金属材により構成されるフィルターである。具体的には、整流板２２は、立体網目形状を有する樹脂材により構成される。整流板２２は、仕切板４２に対して一定の距離だけ離隔した位置に、水槽４１の幅方向（短手方向）に亘って配置される。

制波板２３は、仕切板４２と整流板２２との間における水面の上下変動を抑制する板部材である。仕切板４２と整流板２２との間の領域は、水流発生手段２１により供給された水流を一時的に整流板２２で堰き止め、均一な速度に整流するための領域である。したがって、水路１に供給された水流が整流板２２によって堰き止められると水圧が上昇し、水は上方に逃げようとする。その結果、水面に波が形成されたり、整流板２２から水を押し出す圧力が低下したりして、造波精度に影響を与えることとなる。そこで、仕切板４２と整流板２２との間の領域における、水の上方への逃げ道を封止する手段として制波板２３を配置することが好ましい。

上述した造波装置２は、一般に、水流式造波装置と呼ばれているが、かかる造波装置に限定されるものではない。例えば、造波装置２は、板を前後に移動させて波を発生させるフラップ式造波装置、溜めた水を放流することによって波を発生させるダムブレイク式造波装置、フロートを上下に振動させて波を発生させるフロート式造波装置、水面に負荷する空気圧を変動させて波を発生させる空気圧式造波装置等、長周期波又は長波を生成可能なものであれば、他の方式の造波装置であってもよい。ここで、押波及び引波を有する長周期波は、一般に、３０〜３００ｓ程度の周期を有する波と定義され、押波及び引波を有する長波は、一般に、水平床部５の水深ｈに対して２５〜２５０倍程度の波長を有する波と定義される。したがって、押波のみを有する長周期波は、１５〜１５０ｓ程度の周期を有する波と定義され、押波のみを有する長波は、水平床部５の水深ｈに対して１２．５〜１２５倍程度の波長を有する波と定義される。

また、整流板２２の下流側の水路１には、海底や陸地等の地形を模擬した模型３が配置される。模型３は、地形に加えて、浮体構造物（船舶を含む）、地上設備であるタンクやビル等の建造物、防波堤や風力発電設備等の構造物を模擬したものを有していてもよい。この模型３は、図１に示したように、整流板２２から波の進行方向に距離Ｘだけ離隔した位置に配置されており、整流板２２と模型３との間には、水槽４１の底面により水平床部５が形成される。すなわち、水平床部５の波の進行方向長さは、距離Ｘにより定義される。

水路１の水深ｈは、造波装置２を停止させて水面が安定した状態により計測される水の深さにより定義される。模型３は、一般に、海底を模擬した傾斜部３１と、平地を模擬した平面部３２と、を有している。傾斜部３１は、模擬したい海底に合わせて斜度の異なる傾斜面を複数組み合わせて形成するようにしてもよい。また、平面部３２は、模擬したい平地に合わせて水深ｈと同じ高さ又は水深ｈ以上の高さに設定される。

また、水路１の模型３の下流側には、生成された波により押し流された水を回収する回収部４４が形成されていてもよい。模型３の背面（下流側の端面）には、端末処理板４４ａが固定されており、水槽４１と端末処理板４４ａとにより囲まれる空間によって回収部４４が形成される。端末処理板４４ａの上端は、模型３（平面部３２）の後端部の高さと略一致するように形成することが好ましい。かかる構成により、水路１内に生成された波により押し流された水を堰き止めることなく回収部４４に落水させることができ、反射波の発生を抑制することができる。

また、端末処理板４４ａと水槽４１の内面との間にシール部材（図示せず）を配置することが好ましい。かかるシール部材を配置することにより、模型３と水槽４１との隙間を介して水路１と回収部４４とが連通しないようにすることができ、水路１内の水位を維持することができ、模型３を乗り越えて落水した水により生じた波が水路１内に伝播しないようにすることができる。なお、回収部４４には、回収した水を外部に排出するための排水口や排水ポンプ等の排水手段（図示せず）を設けるようにしてもよい。

ところで、上述した水理実験装置４は、既存の実験水槽を用いて形成されることが多く、水路１の長さに制限がある。したがって、津波のような長周期波や長波を再現するには、造波装置２（整流板２２）と模型３との距離Ｘ、すなわち、水平床部５の距離Ｘが不十分となる場合がある。このように、水平床部５の距離Ｘが不十分な場合、従来は、造波装置２の構成や制御を改良することによって、長周期波や長波を再現することが一般的であった。

ここで、図１に示したように、整流板２２（造波装置２）の下流端に水位計４５を設置して、造波装置２により長周期波又は長波を生成した場合の水位を計測すると、図２に示した結果が得られた。図２において、点線は生成したい目標波の波形Ｗ１、実線は模型３がない状態で波を生成したときの波形Ｗ２、一点鎖線は模型３を配置した状態で水平床部５の距離Ｘが目標波の１波長分の長さよりも短い場合の波形Ｗ３を示している。

いま、生成したい目標波は、津波と同様に押波であることから、図２に示したように、０点から所定の波高Ｚに達して再び０点に戻るまでの波形Ｗ１が１波長分の波形を示している。したがって、この１波長分の波形Ｗ１を形成するのに要する時間が目標波の周期Ｔ１を示すこととなる。なお、振幅の山谷を有する押波と引波を有する

上述した水理実験装置４において模型３を配置しない状態で波を生成すると、図２において、実線で示したように、目標波の波形Ｗ１に近似した波形Ｗ２を得ることができる。一方、上述した水理実験装置４において造波装置２の下流端に近接した位置に模型３を配置した状態で波を生成すると、図２において、一点鎖線で示したように、時間の経過とともに波形が大きく上方にずれた波形Ｗ３が得られる。これは、造波装置２により生成した波が、波高Ｚに達する前（約半周期分）から模型３に到達することで、その影響を受けているものと考えられる。

このように、造波装置２により生成される波の波形が、波形Ｗ３のように目標波の波形Ｗ１から大きくずれた場合には、模型３上で流速、水位、波力等のデータを計測した場合であっても、その数値をもたらした波の諸元（例えば、波高、周期等）を正確に定義することができない。これは、水理実験の普遍性を損なうことを意味し、他の実験結果や計算結果と比較することができず、水理実験そのものが無意味に化してしまうこととなる。

そこで、本実施形態に係る水理実験装置４の水路設計方法では、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈが、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２により表される関係式を満たすように設定される。具体的には、例えば、図３（ａ）に示したように、本方法は、目標波の造波周期Ｔ（ｓ）を設定するステップＳ１と、水平床部５の水深ｈ（ｍ）を設定するステップＳ２と、数１を満たすように水平床部５の距離Ｘ（ｍ）を設定するステップＳ３と、を有している。

一般に、長波の速度Ｃ（ｍ／ｓ）は、Ｃ＝（ｇｈ）^1/2により表されることが知られている。したがって、水深ｈを特定することにより、長波の速度Ｃを求めることができる。また、速度Ｃに造波周期Ｔを乗じることにより、押波の１波長分の造波波長Ｌ（ｍ）をＬ＝ＴＣ／２の式により求めることができる。

例えば、図４（ａ）に示したように、造波装置２（整流板２２）の下流端から水路１内に波を生成し、波の生成部の近傍に水位計４５を設置するものとする。造波装置２により生成された波は、図中の矢印方向に移動し、模型３の上流端に到達すると、その影響が造波装置２により生成された波に影響を及ぼす。したがって、この模型３の上流端に到達した波の影響が、造波装置２により生成された波の少なくとも１周期分又は１波長分が水位計４５を通過するまでの間に、水位計４５に到達しなければ、水位計４５において少なくとも１周期分又は１波長分の波のデータを取得することができる。

すなわち、造波装置２により生成した波が模型３に向かって移動する距離と、模型３に到達した波からの影響が水位計４５に向かって移動する距離とを勘案すれば、水平床部５の距離Ｘの２倍が、造波装置２により生成された波の造波波長Ｌ以上の大きさであればよい。したがって、２Ｘ≧Ｌの関係式が導かれる。ここで、Ｌ＝ＴＣ／２＝Ｔ（ｇｈ）^1/2／２であることから、最終的に、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２により表される関係式が導かれることとなる。ここで、「水平床部５の距離Ｘの２倍が、造波装置２により生成された波の造波波長Ｌ以上の大きさであればよい」ということは、言い換えれば、「水平床部５の距離Ｘが、造波装置２により生成された波の造波半波長Ｌ／２以上の大きさであればよい」ということに他ならない。また、造波半波長Ｌ／２は、造波半周期Ｔ／２と同義である。

なお、水位計４５は、水平床部５のどの場所に設置されていてもよいが、造波装置２（整流板２２）の下流端に設置することが好ましい。水位計４５を造波装置２（整流板２２）の下流端に設置した場合には、水平床部５の距離Ｘは、造波装置２の下流端から模型３の上流端までの距離により定義され、距離Ｘを最も短く設定することができる。また、水平床部５に複数の水位計４５が設置されている場合には、それらのうち最上流に設置されている水位計４５の位置を基準にすることが好ましい。この場合、水平床部５の距離Ｘは、水平床部５に設置された水位計４５の最上流位置から模型３の上流端までの距離により定義される。

図３（ａ）に示したフロー図では、造波周期Ｔを設定した後、水路１の水深ｈを先に設定してから、水平床部５の距離Ｘを設定する場合を示している。水深ｈを先に設定することにより、造波周期Ｔ、重力加速度ｇ及び水深ｈの数値が既知のものとなることから、数１により距離Ｘの最小値を求めることができる。そして、水平床部５の距離Ｘが、求められた距離Ｘの最小値以上となるように、水路１内に模型３が配置される。

一方、図３（ｂ）に示したフロー図は、造波周期Ｔを設定した後、水平床部５の距離Ｘを先に設定してから、水路１の水深ｈを設定する場合を示している。具体的には、本方法は、目標波の造波周期Ｔ（ｓ）を設定するステップＳ１と、水平床部５の距離Ｘ（ｍ）を設定するステップＳ４と、数２を満たすように水平床部５の水深ｈ（ｍ）を設定するステップＳ５と、を有している。なお、数２に示した式は、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２により表される関係式から、水深ｈを求めるように式を変形させたものである。

このように、距離Ｘを先に設定することにより、造波周期Ｔ、重力加速度ｇ及び距離Ｘの数値が既知のものとなることから、数２により水深ｈの最大値を求めることができる。そして、水平床部５の水深ｈは、求められた水深ｈの最大値以下となるように、水路１内に水が供給される。

上述したように、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈは、どちらを先に設定するようにしてもよく、水理実験装置４が形成される水槽４１の大きさや生成したい目標波の造波周期Ｔの長さ等の条件によって順序が決定される。例えば、水槽４１の長手方向の長さが短い場合には、模型３の配置に制限を受けることが多いことから、先に模型３の位置（すなわち、距離Ｘ）を設定してから、水深ｈを設定するようにすればよい。また、水槽４１の構造上、水深ｈに下限を有する場合には、その下限以上の水深ｈを設定してから、模型３の位置（すなわち、距離Ｘ）を設定するようにすればよい。

上述した本実施形態に係る水理実験装置４の水路設計方法によれば、水平床部５の範囲内で少なくとも半周期分又は半波長分の目標波を生成することができるように、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈを設定するようにしたことから、造波装置２により生成された波が模型３の上流端に到達し、その影響が造波装置２の下流端（流入境界）に到達するまでの間に、少なくとも１周期分又は１波長分の波を生成することができる。したがって、この水平床部５に生成された波は、流場に配置された模型３による影響を受け難く、この波のデータを無限遠方沖合における波の諸元として定義することができる。

上述した本実施形態に係る水理実験装置４の水路設計方法を用いて、水路１を設計する場合に、例えば、押波の造波周期Ｔが４５秒、水平床部の距離Ｘが５０ｍであると仮定すれば、上述した関係式から、水深は約２．０ｍ以下に設定すればよい。この場合、造波周期Ｔが４５秒以下の押波であれば、少なくとも１周期又は１波長分の押波のデータを取得することができ、生成した押波の諸元を定義することができる。また、例えば、押波の造波周期Ｔが４５秒、水深ｈが０．３ｍであると仮定すれば、上述した関係式から、水平床部の距離Ｘは約１９．３ｍ以上に設定すればよい。

上述した実施形態において、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈが、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２を満たす場合について説明したが、例えば、水槽４１が十分に大きいような場合には、図４（ｂ）に示したように、Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２の関係式を満たすように、水平床部５の距離Ｘ及び水深ｈを設定するようにしてもよい。この関係式は、造波装置２により生成した波が、模型３の上流端に到達するまでの間に、１周期分又は１波長分の波を水位計４５で計測することができるように調整されている。したがって、この変形例では、模型３からの影響が水位計４５に到達する前に１周期分又は１波長分の波を生成することができ、流場に配置された模型３による影響をより低減することができ、より正確に波の諸元を定義することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１水路
２造波装置
３模型
４水理実験装置
５水平床部
２１水流発生手段
２１ａポンプ
２１ｂ配管
２２整流板
２３制波板
３１傾斜部
３２平面部
４１水槽
４２仕切板
４３貯水槽
４４回収部
４４ａ端末処理板
４５水位計

Claims

水路に向かって人工的に波を生成可能な造波装置と水路内に配置される地形を模擬した模型とを備えた水理実験装置の水路設計方法であって、
生成したい目標波の造波周期を設定した後、前記造波装置と前記模型との間に配置される水平床部の範囲内で少なくとも半周期分又は半波長分の前記目標波を生成することができるように、前記水平床部の距離及び水深を設定する、
ことを特徴とする水理実験装置の水路設計方法。
前記水平床部の距離及び水深は、２Ｘ≧Ｔ（ｇｈ）^1/2／２、Ｘは水平床部の距離（ｍ）、Ｔは造波周期（ｓ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、ｈは水平床部の水深（ｍ）、により表される関係式を満たすように設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の水理実験装置の水路設計方法。
前記水平床部の距離は、前記造波装置の下流端又は前記水平床部に設置された水位計の最上流位置から前記模型の上流端までの距離である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水理実験装置の水路設計方法。
前記目標波は押波である、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の水理実験装置の水路設計方法。
前記造波周期は１５〜３００ｓの範囲内に設定される、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の水理実験装置の水路設計方法。