JP2019007816A

JP2019007816A - 造波実験装置および方法

Info

Publication number: JP2019007816A
Application number: JP2017123129A
Authority: JP
Inventors: 信彦松田; Nobuhiko Matsuda; 将英武田; Masahide Takeda; 浩明岩本; Hiroaki Iwamoto; 三希子江口; Mikiko Eguchi
Original assignee: Toa Corp
Current assignee: Toa Corp
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: JP6830041B2

Abstract

【課題】所望の段波波高を有する段波を簡易な制御で再現することができる造波実験装置および造波実験方法を提供する。
【解決手段】造波区間に発生させた正の段波波高と、この時に貯水部に発生する負の段波波高とが等しいと仮定して、造波区間に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、演算部に所望の段波波高Ｈ_ｂを入力することにより、算出した流入量と流出量とが等しくなる仕切り板５の上方移動量ａを演算部により特定し、特定した上方移動量ａで仕切り板５を上下移動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、造波実験装置および造波実験方法に関し、さらに詳しくは、所望の段波波高を有する段波を簡易な制御で再現することができる造波実験装置および造波実験方法に関するものである。

津波の多くは海底地震による断層運動により発生し、水平スケールでは数十〜１００ｋｍの範囲で数ｍの海面の変位が生じて海域全体に津波として伝播していく。津波の周期は数分から数十分と非常に長く、津波の進行方向先端が海底勾配の非常に緩やかな浅海域に到達すると急激に波高が増加して進行方向先端部には分散波を含んだ波状段波が発生する。波状段波が発達して砕波限界をむかえると、波状段波の先端部が砕波し、砕波段波となる。

本発明者らは、津波波形の進行方向先端部分の立ち上がり波形（段波）と後に続く周期の長い水位変化を連続的に造波して、実際の津波に近い波を再現することができる造波装置および造波方法を提案している（特許文献１参照）。この造波装置によれば進行方向先端部に分散波を含んだ波状段波を造波することができる。この造波装置は、波高センサによる検知データおよび予め決定された波形データに基づいて、貯水部の仕切り板の上下移動を制御するフィードバック制御を行っている。

ところで、段波に含まれる分散波の分散第１波波高（進行方向最先端の分散波の波高）は、造波装置の貯水部の水を流出させるゲート（仕切り板）からの離間距離に応じて変化することが知られている。従来の水理実験では、分散第１波波高が所望の波高となる実験位置（ゲートからの離間距離）を特定するために、実験を行う前に、波高計の設置位置を変えながら造波を繰り返し行う必要があった。それ故、波高計や測定対象物等を適切な実験位置にセッティングするために多くの工数と時間を要していた。

特開２０１７−９５８７号公報

本発明の目的は、所望の段波波高を有する段波を簡易な制御で再現することができる造波実験装置および造波実験方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の造波実験装置は、堰部が内部に配置されて幅方向寸法が一定の水槽と、この水槽の内部に前記堰部に対して水槽の長手方向に間隔をあけて設置される貯水部と、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と、この仕切り板と前記堰部との間に形成された造波区間と、この仕切り板を上下移動させる移動機構と、この移動機構の上下移動を制御する制御部とを備えて、前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記堰部に向かって流出させた前記貯水部の中の水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験装置において、前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Ｑ_ｂを算出する下記（１）式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Ｑ_ｇを算出する下記（２）式とが記憶された演算部を有し、前記造波区間に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、前記演算部に入力された前記段波波高Ｈ_ｂを前記（１）式および（２）式に代入して算出された前記流入量Ｑ_ｂと前記流出量Ｑ_ｇとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量が前記演算部により特定され、特定された前記上方移動量で前記制御部により前記仕切り板を上下移動させる構成にしたことを特徴とする。

ここで、Ｂは前記水槽の幅寸法、ｇは重力加速度、ｈ_０は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、ｈ_２は前記貯水部における初期水深、ａは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Ｃは流量係数であり下記（３）式により算出される。

ここで、Ｃ_Ｃは縮流係数、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。

本発明の造波実験方法は、幅方向寸法が一定の水槽の内部に、この水槽の長手方向に間隔をあけて堰部と貯水部とを配置して、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と前記堰部との間に造波区間を形成し、前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記貯水部の水を前記堰部に向かって流出させ、この流出させた水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験方法において、前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Ｑ_ｂを算出する下記（１）式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Ｑ_ｇを算出する下記（２）式とを演算部に記憶させておき、前記造波区間に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、前記演算部に前記段波波高Ｈ_ｂを入力することにより前記（１）式および（２）式に代入して、算出した前記流入量Ｑ_ｂと前記流出量Ｑ_ｇとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量を前記演算部により特定し、特定した前記上方移動量で前記仕切り板を上下移動させることを特徴とする。

ここで、Ｃ_Ｃは縮流係数、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。

本発明の造波実験装置および造波実験方法によれば、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出した前記（１）式および（２）式に所望の段波波高Ｈ_ｂを代入することで、演算部によって迅速に、所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせるのに適した仕切り板の上方移動量を特定することができる。そのため、この特定された上方移動量で仕切り板を上方移動させる簡易な制御により、所望の段波波高Ｈ_ｂを有する段波を発生させることが可能となる。

上記の造波実験方法において、前記造波実験を行う前に、津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って、前記造波区間で発生させた段波の分散第１波の波高と、この分散第１波の前記仕切り板からの離間距離との相関関係を示す相関データを予め取得しておき、前記造波実験を行う際には、前記相関データと前記分散第１波の所望の波高とに基づいて、前記分散第１波が所望の波高になる前記仕切り板からの離間距離を特定しておくこともできる。このようにすると、造波実験を行う際に、分散第１波が所望の波高になる仕切り板からの離間距離を簡便に特定することが可能となる。これに伴い、波高計や測定対象物等のセッティングに要する労力や時間を大幅に低減することができる。

前記分散第１波の波高として、この波高を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元相対波高を用い、前記分散第１波の前記仕切り板からの離間距離として、この離間距離を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元離間距離を用いると、前記造波区間の所定初期水深によらず、分散第１波が所望の波高になる仕切り板からの離間距離を特定することが可能となる。

本発明の造波実験装置の実施形態を水槽長手方向断面視で例示する説明図である。図１の造波実験装置の水槽およびその内部の状態を平面視で例示する説明図である。図１の造波実験装置により発生させる段波を水槽長手方向断面視で模式的に例示する説明図である。図１の造波実験装置により発生させる段波を簡易化した計算モデルを例示する説明図である。図４の計算モデルの断面α０〜断面α２の造波区画を例示する説明図である。図５のβ矢視図である。造波区間で発生させた段波の分散第１波の波高と、分散第１波の仕切り板からの離間距離との相関関係を示す相関データを例示するグラフ図である。段波を発生させてからの時間経過と、水位と、仕切り板の上方移動量との関係を例示するグラフ図である。無次元段波波高と、波高増加率と、砕波段波を造波するための砕波限界との関係を例示するグラフ図である。仕切り板の上方移動量と、分散第１波の段波波高との関係を例示するグラフ図である。

以下、本発明の造波実験装置および方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１および図２に例示する本発明の造波実験装置１は段波を発生させる。この造波実験装置１は、堰部３が内部に配置された水槽２と、水槽２の内部に堰部３に対して水槽２の長手方向に間隔をあけて設置される貯水部４と、貯水部４の堰部３側の面を構成する仕切り板５と、仕切り板５と堰部３との間に形成された造波区間６とを備えている。この造波実験装置１はさらに、仕切り板５を上下移動させる移動機構７と、移動機構７を制御する制御部９と、入力された段波波高に基づいて仕切り板５の上方移動量を特定する演算部８とを備えている。

尚、図中の矢印Ｘは水槽２の長手方向、矢印Ｙは水槽２の幅方向、矢印Ｚは上下方向を示している。以下では、発生させる段波Ｔの進行方向先端側（堰部３側）を下流側といい、発生させる段波Ｔの進行方向後端側（貯水部４側）を上流側という。

この実施形態の造波実験装置１は、さらに、貯水部４の水位を測定する水位計１２ａと、造波区間６の水位を測定する水位計１２ｂと、造波した段波Ｔの波高を測定する波高計１３（１３ａ〜１３ｄ）と、貯水部４から流出させた水Ｗを再び貯水部４に循環させる循環手段１５とを備えている。この実施形態では、さらに、分散波高位置特定部１０と、循環手段１５から貯水部４に供給される流量を計測する流量計１６とが設けられている。分散波高位置特定部１０の詳細については後述する。

水槽２は上面を開口した直方体形状であり、幅寸法Ｂは一定である。水槽２の底面２ａは水平になっている。堰部３は、水槽２の下流側に配置されている。堰部３は、底面２ａから上方に延設され、水槽２の幅方向全長に延びている。この実施形態では、水槽２の下流側の壁面から離間した位置に堰部３が配置されており、水槽２の下流側の壁面と堰部３との間に、堰部３を越えた水Ｗを溜める溜水部１４が設けられている。

貯水部３は、水槽２の幅方向全長に延びる仕切り板５と、仕切り板５と水槽２の上流側の壁面と、水槽２の側壁面とで構成されている。仕切り板５は、下方移動するとその下端５ａが水槽２の底面２ａに当接する。この仕切り板５と水槽２の上流側の壁面とで水槽２の長手方向の一部が区画されて貯水部４が形成されている。

移動機構７は、例えば、電動シリンダや油圧式シリンダ等のアクチュエータで構成される。この実施形態では、水槽２に仕切り板５および移動機構７を固定するフレームが設けられており、フレームと仕切り板５との間に仕切り板５の上下移動をガイドするベアリング付きレールが設けられている。仕切り板５を上方移動させ、下端５ａと水槽２の底面２ａとの間に開口Ｇを形成すると貯水部４の中の水Ｗが造波区間６に向って流出する。

循環手段１５は、溜水部１４と貯水部４とを繋ぐ導水管１５ａと、導水管１５ａに接続されるポンプ１５ｂとで構成されている。この循環手段１５により、溜水部１４に溜まった水Ｗを吸引し、貯水部３の上部に設けられた排出口から貯水部３に水Ｗを供給する。導水管１５ａには、流量計１６が接続されている。

この実施形態では、演算部８、制御部９、および分散波高位置特定部１０が１台のパーソナルコンピュータで構成され、演算部８および分散波高位置特定部１０に入力および出力されるデータが、モニタ１１に表示されるようになっている。演算部８、制御部９、および分散波高位置特定部１０は、それぞれ別の機器に分担させることもできる。制御部９には、演算部８と移動機構７とポンプ１５ｂとが有線または無線で接続されており、演算部８には、水位計１２ａ、１２ｂと流量計１６が有線または無線で接続されている。

この実施形態では、水位計１２ａ、１２ｂとして超音波距離計を用い、波高計１３として容量式波高計を用いている。水位計１２ａ、１２ｂおよび波高計１３としては他のセンサや測定器等を用いることもできる。水位計１２ａ、１２ｂおよび波高計１３は例えば、水槽２の上端で幅方向に架けられた梁を介して水槽２の幅方向中央部取付けられる。水位計および波高計の設置台数や設置位置等は、実験内容や水槽２のサイズ等によって適宜決定できる。

図３に示すように、仕切り板５を上方移動させると開口Ｇを通じて貯水部４から造波区画６に水Ｗが流入して段波Ｔが形成される。段波Ｔを構成する進行方向最先端部の分散波が分散第１波Ｔ１である。段波波高Ｈ_ｂは、段波Ｔの平均波高である。この実施形態では、分散第１波Ｔ１を除いた分散第２波Ｔ２および分散第３波Ｔ３の平均波高を段波波高Ｈ_ｂとしている。図３の一点鎖線は、段波Ｔを簡易化して示している。

図４は、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルを示している。図４では、段波Ｔを発生させる前の水面および仕切り板５を実線で示しており、段波Ｔを発生させた時の水面および仕切り板５を１点鎖線で示している。

演算部８には、図４に示すように、造波区間６に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高Ｈ_ｂ+と、この時に貯水部４に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高Ｈ_ｂ-とが等しいと仮定して、貯水部４において段波波高Ｈ_ｂを発生させるために必要な水Ｗの流入量Ｑ_ｂを算出する下記（１）式と、開口Ｇを通過して貯水部４から造波区間６に流出する水Ｗの流出量Ｑ_ｇを算出する下記（２）式とが記憶されている。

ここで、Ｂは水槽２の幅寸法、ｇは重力加速度、ｈ_０は開口Ｇを形成する前の造波区間６の所定初期水深、ｈ_２は貯水部４における初期水深、ａは仕切り板５の水槽２の底面２ａからの上方移動量、Ｃは流量係数であり下記（３）式により算出される。

ここで、Ｃ_Ｃは縮流係数、ｈ_１は段波における平均水深であり、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。

上記の（１）式〜（３）式は、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出している。まず、（１）式について説明する。図４に示すように、造波区間６に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高Ｈ_ｂ+と、この時に貯水部４に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高Ｈ_ｂ-とが等しいと仮定すると、造波区画６（断面α２）において段波波高Ｈ_ｂを発生させるために必要な水Ｗの流量と、貯水部４（断面α４）において段波波高Ｈ_ｂを発生させるために必要な水Ｗの流入量Ｑ_ｂとが等しくなると仮定できる。本発明では、この仮定に基づいて、（１）式を導出している。

図５では、初期の水面を実線で示している。図５に示すように、幅方向寸法が一定の造波区間６（一様断面水路）における段波Ｔの伝搬速度をωとし、段波Ｔが発生する前の下流側の断面α０の流水面積、流速、流量をそれぞれＡ_０、ｖ_０、Ｑ_０とし、段波Ｔ発生後の流れにおける断面α２の流水面積、流速、流量をそれぞれＡ_１、ｖ_１、Ｑ_１とする。

段波Ｔの進行方向において、断面α０と断面α２の間に位置する断面α１を、断面α０から上流側へｌ_０離れ、かつ、断面α２から下流側へｌ_１離れた初期の段波Ｔの不連続面として、単位時間後の水面を一点鎖線とすると、連続式は下記（４）式となる。

そして、（４）式を式変形すると下記（５）式となる。

ここで、Ｑ_ｒは置換流量である。

単位時間における運動量の変化が両端の断面α０、断面α２にそれぞれ働く水圧の差に等しいとする運動量方程式は、下記（６）式となる。

圧力は静水圧分布の下記（７）式に従うので、運動量方程式は（６）式および（７）式から下記（８）式となる。

ここで、ｙは底面２ａから上方向への距離である。

図６に示すように、ｈ_Ｇ０、ｈ_Ｇ１は、それぞれ断面α０、断面α２における水表面から図心（重心位置）までの深さである。

前述した（５）式より、伝搬速度ωは下記（９）式で表される。

ここで、ｑ_０およびｑ_１は、単位置換流量である。

また、（５）式と（８）式とからｖ_１を消去し、長方形水路の段波としてｈ_Ｇ０＝ｈ_０／２、ｈ_Ｇ１＝ｈ_１／２とおき、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０とすると、伝搬速度ωは下記（１０）式で表される。

ここで、（９）式と（１０）式とからωを消去し、ｑ_０＝０、ｖ_０＝０、水槽２の幅寸法をＢとすると、断面α２における段波波高Ｈ_ｂの造波に必要な流量の算出式（１）’が求められる。本発明では、この式（１）’を、貯水部４において段波波高Ｈ_ｂを発生させるために必要な水Ｗの流入量Ｑ_ｂを算出する（１）式として利用する。

次に、（２）式、（３）式について説明する。（２）式および（３）式はＨｅｎｒｙ型のスルースゲートのもぐり流出による流量式から導出している。

図４に示すように、幅方向寸法が一定の造波区間６（一様断面水路）において、段波Ｔにおける断面α２における水深ｈ_１が、造波区画６の仕切り板５の近傍の断面α３の水深ｈ’にほぼ等しい（ｈ_１≒ｈ’）とすると、開口Ｇを通過して貯水部４から造波区間６に流出する水Ｗの流出量Ｑ_ｇは（２）式で表すことができる。

ここで、縮流係数をＣ_Ｃとすると、流量係数Ｃは、（３）式となる。

ただし、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。

演算部８は、造波区間６に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、入力された所望の段波波高Ｈ_ｂを（１）式および（２）式に代入して算出された流入量Ｑ_ｂと流出量Ｑ_ｇとが等しくなる仕切り板５の上方移動量ａを演算して特定する。演算部８によって特定された上方移動量ａは制御部９に入力される。制御部９は、移動機構７に対して、演算部８で特定された上方移動量ａで仕切り板５を上下移動させる指令を出す。

この実施形態の演算部８は、さらに、入力された所望の段波波高Ｈ_ｂを（１）式に代入して算出された流入量Ｑ_ｂを制御部９に入力する。制御部９は、仕切り板５を上方移動させる実験開始直後に、ポンプ１５ｂに対して、演算部８で算出された流入量Ｑ_ｂと同じ流量の水Ｗを貯水部４に供給させる指令を出す。ポンプ１５ｂによる供給流量は流量計１６によって測定され、逐次演算部８に入力される。

ポンプ１５ｂによる供給流量調整の精度が高い場合には、前述したように、演算部８および制御部９により、ポンプ１５ｂに対して、演算部８で算出された流入量Ｑ_ｂと同じ流量の水Ｗを貯水部４に供給させる指令を出し続けることで、貯水部４における初期水深ｈ_２を一定に維持することができる。

しかしながら、ポンプ１５ｂの機械特性から急激な流量変化に対応することが難しいため、演算部８および制御部９がポンプ１５ｂに指令を出した供給流量と、実際にポンプ１５ｂから貯水部４に供給される流量との間に誤差が生じ、実験開始後に貯水部４の初期水深ｈ_２が変化する可能性がある。そのため、この実施形態の演算部８および制御部９ではさらに、実験開始後に、水位計１２ａによる貯水部４における初期水深ｈ_２の測定データと、流量計１６の測定データとに基づいて、貯水部４における初期水深ｈ_２が実験開始前の初期水深ｈ_２に近づくように、ポンプ１５ｂによる供給流量の誤差を逐次補正する制御を行う。即ち、貯水部４の初期水深ｈ_２が低下した場合には、ポンプ１５ｂによる供給流量を演算部８で算出された流入量Ｑ_ｂよりも多く補正し、貯水部４の初期水深ｈ_２が増加した場合には、ポンプ１５ｂによる供給流量を演算部８で算出された流入量Ｑ_ｂよりも少なく補正する。

分散波高位置特定部１０は、分散第１波Ｔ１が所望の波高η_ｍになる位置（仕切り板５からの離間距離ｘ）を特定する。分散波高位置特定部１０には、図７に例示する相関データが記憶されている。この相関データは、造波実験を行う前に、津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って予め取得した、造波区間６で発生させた段波Ｔの分散第１波Ｔ１の波高η_ｍと、この分散第１波Ｔ１の仕切り板５からの離間距離ｘとの相関関係を示している。分散波高位置特定部１０は、この相関データと分散第１波Ｔ１の所望の波高η_ｍとに基づいて、分散第１波Ｔ１が波高η_ｍになる仕切り板５からの離間距離ｘを特定する。

津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションは、例えば、非静水圧の３次元モデルを使用して行う。この３次元モデルのシミュレーションとしては、高潮津波シミュレータ（ＳＴＯＣ）による津波被害解析手法（港湾空港技術研究所報告，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．２，２０１６．）を例示できる。

この実施形態では、図７に示すように、分散第１波Ｔ１の波高η_ｍとして、波高η_ｍを造波区間６の所定初期水深ｈ_０で除した無次元相対波高（η_ｍ／ｈ_０）を用い、分散第１波Ｔ１の仕切り板５からの離間距離ｘとして、離間距離ｘを造波区間６の所定初期水深ｈ_０で除した無次元離間距離（ｘ／ｈ_０）を用いている。このように、無次元相対波高と無次元離間距離の相関データを取得しておくと、造波区間６の所定初期水深ｈ_０によらず、分散第１波Ｔ１が所望の波高η_ｍになる仕切り板５からの離間距離ｘを特定することが可能となる。

次に、造波実験装置１による造波実験方法を以下に説明する。

仕切り板５の下端５ａを水槽２の底面２ａに当接させた状態で貯水部４に水Ｗを十分に貯めておき、堰部３と仕切り板５とで仕切られた造波区画６に所望の初期水深ｈ_０まで水Ｗを張る。貯水部４における初期水深ｈ_２は水位計１２ａによって計測され、演算部８に入力される。開口を形成する前の造波区画６の初期水深ｈ_０は水位計１２ｂによって計測され、演算部８および分散波高位置特定部１０にそれぞれ入力される。

演算部８には、再現したい段波波高Ｈ_ｂを入力する。演算部８に所望の段波波高Ｈ_ｂが入力されると、その段波波高Ｈ_ｂを代入した（１）式と（２）式とから、算出した流入量Ｑ_ｂと流出量Ｑ_ｇとが等しくなる仕切り板５の上方移動量ａが、演算部８によって特定される。そして、演算部８によって特定された上方移動量ａは、制御部９に入力される。さらに、この実施形態では、演算部８によって算出された流入量Ｑ_ｂが制御部９に入力され、ポンプ１５ｂの供給流量の設定が行われる。

分散波高位置特定部１０には、観測を行いたい分散第１波Ｔ１の波高η_ｍを入力する。分散波高位置特定部１０に所望の分散第１波Ｔ１の波高η_ｍが入力されると、予め取得された分散第１波Ｔ１の波高η_ｍおよび仕切り板５からの離間距離ｘの相関データと、入力された分散第１波Ｔ１の波高η_ｍとに基づいて分散第１波Ｔ１が所望の波高η_ｍになる仕切り板５からの離間距離ｘが特定される。作業員は、モニタ１１に表示された特定結果を参照して、分散波高位置特定部１０によって特定された位置に、波高計１３や、段波Ｔの影響を観測したい測定対象物Ｍ（港湾構造物の模型等）をセッティングする。以上により、造波実験開始前の準備が完了する。

上記の準備を終えた後に制御部９に実験開始の指令を入力する。制御部９に実験開始の指令を入力すると、演算部８から入力された上方移動量ａまで仕切り板５を上方に移動させる指令が制御部９から移動機構７に入力される。これにより、移動機構７によって仕切り板５は上方に移動し、仕切り板５の上方移動により形成された開口Ｇから貯水部４内の水Ｗが造波区画６に流出する。貯水部４から流出させた水Ｗは造波区画６を堰部３（下流側）に向かって流れて段波Ｔを形成する。

実験が開始すると、演算部８および制御部９によるポンプ１５ｂの流量制御が行われる。ポンプ１５ｂの流量制御により、貯水部４の初期水深ｈ_２が変化しない場合には、実験開始後においても、演算部８によって特定される上方移動量ａは一定となる。そのため、仕切り板５を実験開始前に特定した上方移動量ａで維持することで、所望の段波波高Ｈ_ｂを有する段波Ｔを継続的に発生させることができる。

ポンプ１５ｂの流量制御を行う場合にも、ポンプ１５ｂの機械特性から急激な流量変化に対応することが難しいため、貯水部４の水深ｈ_２が変化する場合がある。その場合には、（２）式における貯水部４の水深ｈ_２の値が変化することで、所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせるのに適切な上方移動量ａも変化する。それ故、貯水部４の水深ｈ_２が変化した場合には、演算部８により、その変化した貯水部４の水深ｈ_２を代入した（１）式と（２）式とから、流入量Ｑ_ｂと流出量Ｑ_ｇとが等しくなる仕切り板５の上方移動量ａを再度逐次演算して特定する。制御部９は、演算部８から入力される上方移動量ａになるように、仕切り板５の上下移動を逐次制御することにより、開口部Ｇから流出させる水量をコントロールする。これにより、所望の段波波高Ｈ_ｂを有する段波Ｔを継続的に発生させる。

図８のγ１は水位計１２ｂで計測した水位を示していて、γ２〜γ５はそれぞれ、波高計１３ａ〜１３ｄで計測した水位を示している。図８に示すように、段波Ｔは底面２ａ上（造波区画６）を進むにつれて分散第１波Ｔ１の波高η_ｍが発達し、分散第１波Ｔ１の仕切り板５からの離間距離ｘが遠くなるほど、分散第１波Ｔ１の波高η_ｍは高くなる。分散波高位置特定部１０で特定された離間距離ｘにおける分散第１波Ｔ１の波高η_ｍは、予め分散波高位置特定部１０に入力した所望の分散第１波Ｔ１の波高η_ｍとなる。造波実験の目的に応じて、段波Ｔと測定対象物Ｍとが衝突している状況のデータなどを波高計１３等で記録し、分析を行う。

堰部３を超えた波Ｔは溜水部１４に流れ込む。溜水部１４に流れ込んだ水Ｗは、導水管１５ａを通してポンプ１５ｂによって吸引され、再び貯水部４に供給される。水槽２内の水Ｗは貯水部４から流出されてから貯水部４に戻るまでの上記の工程を繰り返し、循環する。

このように、本発明によれば、段波発生プロセスを簡易化した計算モデルに基づいて導出した（１）式および（２）式に所望の段波波高Ｈ_ｂを代入することで、演算部８によって迅速に、所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせるのに適した仕切り板５の上方移動量ａを特定することができる。そのため、この特定された上方移動量ａで仕切り板５を上方移動させる簡易な制御により、所望の段波波高Ｈ_ｂを有する段波Ｔを発生させることが可能となる。本発明は、分散波を含んだ波状段波Ｔを簡易な制御で精度よく再現できるので、津波による被災原因の検証実験や、防波堤の設計検討実験などに非常に有用である。

図９は、造波実験装置１によって発生させた段波Ｔの測定結果を示している。図９では、波状段波の測定結果を白抜きのマーカーで示し、砕波段波の測定結果を黒塗りのマーカーで示している。図９の一点鎖線は砕波限界を示しており、２点鎖線は造波限界を示している。造波限界よりも上側の砕波限界に位置する黒塗りのマーカーは波状段波が砕波して砕波段波に変化したときの測定結果を示しており、造波限界よりも下側に位置する黒塗りのマーカーは、砕波した後の砕波段波の測定結果を示している。

図９に示すように、本発明では、波状段波だけでなく、砕波段波も発生させることができるので、実際の津波に非常に近い段波を再現することができる。この実施形態の造波実験装置１では、分散第１波Ｔ１の波高η_ｍを造波区間の所定初期水深ｈ_０で除した無次元相対波高（η_ｍ／ｈ_０）が０．９を超えると砕波限界となり、波状段波から砕波段波に変化する。

この実施形態のように、造波実験を行う前に、津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って、造波区間６で発生させた段波Ｔの分散第１波Ｔ１の波高η_ｍと、この分散第１波Ｔ１の仕切り板５からの離間距離ｘとの相関関係を示す相関データを予め取得しておくと、造波実験を行う際に、その相関データと分散第１波Ｔ１の所望の波高η_ｍとに基づいて、分散第１波Ｔ１が所望の波高η_ｍになる仕切り板５からの離間距離ｘを簡便に特定することが可能となる。これに伴い、波高計１３や測定対象物Ｍ等のセッティングに要する労力や時間を大幅に低減することができる。

また、例えば、砕波段波を観測したい場合には、砕波限界の条件（η_ｍ／ｈ_０＞０．９）を満たす分散第１波Ｔ１の波高η_ｍとなる仕切り板５からの離間距離ｘを特定することで、波高計１３や測定対象物Ｍ等を砕波段波が通過する位置にセッティングすることが可能となる。

この実施形態のように、演算部８および制御部９により、ポンプ１５ｂの流量制御を行う構成にすると、実験開始後における貯水部４の初期水深ｈ_２の変化を小さくすることができる。貯水部４における初期水深ｈ_２の変化を小さくすることで、所望の段波波高Ｈ_ｂを発生させるための仕切り板５の上方移動量ａを大きく変動させる必要がなくなる。そのため、所望の段波波高Ｈ_ｂを精度よく生じさせるには有利になる。また、ポンプ１５ｂの流動制御を行うことで、貯水部４における初期水深ｈ_２を所望の段波波高Ｈ_ｂを造波するのに十分な初期水深ｈ_２に継続的に維持することができるので、所望の段波波高Ｈ_ｂを有する段波Ｔを安定して継続的に発生させることが可能となる。

ポンプ１５ｂの制御は、例えば、演算部８と制御部９とにより、貯水部４における初期水深ｈ_２を一定範囲内に維持するように、ポンプ１５ｂの駆動（オン）と停止（オフ）の切り替えを制御する構成にすることもできる。

本発明において演算部８により特定される仕切り板の上方移動量ａと無次元段波波高Ｈ_ｂ／ｈ_０との関係（演算結果）が、実験値とどの程度一致しているかを確認した。実験値は、本発明の造波実験装置を使用して、貯水部の初期水深ｈ_２（０．３ｍ〜０．５ｍ）と仕切り板の上方移動量ａ（０．０２ｍ〜０．２０ｍ）との組み合わせを変えて、計５０通りの条件下で取得した。造波区間における初期水深ｈ_０は０．２０ｍで一定とした。造波した段波の段波波高Ｈ_ｂは、容量式波高計によって計測した。

図１０では、演算結果が実線で示されていて、実験値が点で示されている。図９に示すように、演算結果と、実験値とは概ね一致している。このことから、本発明によって所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせるのに適切な上方移動量ａを精度よく特定できることがわかる。

また、本発明において津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションによって取得した分散第１波の波高η_ｍと仕切り板からの離間距離ｘの相関関係を示す相関データ（シミュレーション結果）が、実験値とどの程度一致しているかを確認した。実験値は、本発明の造波実験装置を用いて取得した。コンピュータシミュレーションは、非静水圧の３次元モデルＳＴＯＣ−ＩＣを使用して行った。

図７では、コンピュータシミュレーション結果が実線で示されていて、実験値が点で示されている。図７に示すように、シミュレーション結果と実験値とは概ね一致している。このことから、本発明によって、分散第１波Ｔ１が所望の波高η_ｍとなる仕切り板５からの離間距離ｘを精度よく特定できることがわかる。

１造波実験装置
２水槽
２ａ（水槽の）底面
３堰部
４貯水部
５仕切り板
５ａ（仕切り板の）下端
６造波区画
７移動機構
８演算部
９制御部
１０分散波高位置特定部
１１モニタ
１２ａ、１２ｂ水位計
１３（１３ａ〜１３ｄ）波高計
１４溜水部
１５循環手段
１５ａ導水管
１５ｂポンプ
１６流量計
Ｇ開口
Ｗ水
Ｔ段波
Ｔ１分散第１波
Ｔ２分散第２波
Ｔ３分散第３波
Ｍ測定対象物

Claims

堰部が内部に配置されて幅方向寸法が一定の水槽と、この水槽の内部に前記堰部に対して水槽の長手方向に間隔をあけて設置される貯水部と、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と、この仕切り板と前記堰部との間に形成された造波区間と、この仕切り板を上下移動させる移動機構と、この移動機構の上下移動を制御する制御部とを備えて、
前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記堰部に向かって流出させた前記貯水部の中の水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験装置において、
前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Ｑ_ｂを算出する下記（１）式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Ｑ_ｇを算出する下記（２）式とが記憶された演算部を有し、
前記造波区間に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、前記演算部に入力された前記段波波高Ｈ_ｂを前記（１）式および（２）式に代入して算出された前記流入量Ｑ_ｂと前記流出量Ｑ_ｇとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量が前記演算部により特定され、特定された前記上方移動量で前記制御部により前記仕切り板を上下移動させる構成にしたことを特徴とする造波実験装置。

ここで、Ｂは前記水槽の幅寸法、ｇは重力加速度、ｈ_０は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、ｈ_２は前記貯水部における初期水深、ａは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Ｃは流量係数であり下記（３）式により算出される。

ここで、Ｃ_Ｃは縮流係数、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。
幅方向寸法が一定の水槽の内部に、この水槽の長手方向に間隔をあけて堰部と貯水部とを配置して、この貯水部の前記堰部側の面を構成する仕切り板と前記堰部との間に造波区間を形成し、前記造波区間に所定水深の水が存在する状態で、前記仕切り板を上方移動させて前記仕切り板の下端と前記水槽の底面との間に形成した開口から前記貯水部の水を前記堰部に向かって流出させ、この流出させた水によって前記造波区間に段波を発生させる造波実験方法において、
前記造波区間に発生させた初期水深に対して水位が増加する正の段波波高と、この時に前記貯水部に発生する初期水深に対して水位が減少する負の段波波高とが等しいと仮定して、前記貯水部において前記段波波高を発生させるために必要な水の流入量Ｑ_ｂを算出する下記（１）式と、前記開口を通過して前記貯水部から前記造波区間に流出する水の流出量Ｑ_ｇを算出する下記（２）式とを演算部に記憶させておき、
前記造波区間に所望の段波波高Ｈ_ｂを生じさせる際に、前記演算部に前記段波波高Ｈ_ｂを入力することにより前記（１）式および（２）式に代入して、算出した前記流入量Ｑ_ｂと前記流出量Ｑ_ｇとが等しくなる前記仕切り板の上方移動量を前記演算部により特定し、特定した前記上方移動量で前記仕切り板を上下移動させることを特徴とする造波実験方法。

ここで、Ｂは前記水槽の幅寸法、ｇは重力加速度、ｈ_０は前記開口を形成する前の前記造波区間の所定初期水深、ｈ_２は前記貯水部における初期水深、ａは前記仕切り板の前記水槽の底面からの上方移動量、Ｃは流量係数であり下記（３）式により算出される。

ここで、Ｃ_Ｃは縮流係数、ｈ_１＝Ｈ_ｂ＋ｈ_０である。
前記造波実験を行う前に、津波の３次元モデルを用いたコンピュータシミュレーションを行って、前記造波区間で発生させた段波の分散第１波の波高と、この分散第１波の前記仕切り板からの離間距離との相関関係を示す相関データを予め取得しておき、
前記造波実験を行う際には、前記相関データと前記分散第１波の所望の波高とに基づいて、前記分散第１波が所望の波高になる前記仕切り板からの離間距離を特定しておく請求項２の記載の造波試験方法。
前記分散第１波の波高として、この波高を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元相対波高を用い、前記分散第１波の前記仕切り板からの離間距離として、この離間距離を前記造波区間の所定初期水深で除した無次元離間距離を用いる請求項３に記載の造波試験方法。