JPH06967B2 - 海洋波集中装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は海洋波を浅海側の一点に集中させると同時
に、その波高を高め、波力発電、防波堤、海上の娯楽施
設等に活用される、海洋波集中装置に関するものであ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

沿岸の海上に波のエネルギーを利用する波力発電装置、
波動ポンプ等の発電施設を建設し、また防波堤（消波
堤）等の消波装置を設置し、更にサーフィン、ヨットを
楽しむための娯楽場を確保する等波を利用した各種の沿
岸開発を行うには目的の施設に応じて波の向きを変え
る、波高を大きくする、あるいは波を砕く等波を制御す
ることが要請される。

この発明はこうした沿岸開発上の要請に応えてなされた
もので、波の特性を利用し、水深に変化を与えると同時
に、その境界線の形状に規則性を持たせることにより波
の制御を行おうとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では水深の変化する境界線で波向が変わり、水深
の大きい海域から小さい海域へかけては波高が大きくな
る、という波の特性を利用し、海面下に三日月状の平板
を形成することにより海洋波を波高を変化させた状態で
浅海の一点に集中させることを可能とする。

幾何光学理論によると、光の伝播速度は媒質の種類によ
り異なるため媒質の境界面で位相差を生じ、光線の向き
が変わる（スネルの法則、屈折の法則）。

一方、海の波の位相速度も水深が深い場所では速く、浅
い場所では遅くなる性質がある。そこで、この性質を利
用し、没水平板により人工浅瀬を作れば、波速が平板上
と平板外の場所で変わるために、波は光線と同様に平板
境界面において位相差を生じ、波向きが変化することに
なる。このように光学レンズや光学プリズムと同様に凸
レンズ型や三角形型の平面幾何形状を持つ没水平板を海
中に設置することにより波を集めたり、波向きを変えた
りすることが可能となる。

平板は水深を一時的に小さくする、すなわち水付加に変
化を与えるもので、同時にその外形線が境界線となる。
その形状は円弧と楕円弧とで囲まれた三日月状をし、楕
円弧状の外形線を入射波側に向けて配置される。

この楕円弧状の外形線をなす楕円の焦点と円弧状の外形
線をなす円の中心とは一致させられ、波はこの中心点に
集められる仕組になっている。

波速は水付加の小さいところで小さくなるため、 ただし、α_１：入射角，α_２：屈折角， Ｃ_１：入射時の波速， Ｃ_２：屈折後の波速 より屈折角α_２で波は初めの境界線、すなわち楕円弧状
の外形線において上記の中心点側へ屈折し、更に二度目
の境界線、すなわち円弧状の外形線において波向が境界
線の法線方向に一致するため波は屈折せず、そのまま中
心点に向かって進行することになる。

〔技術的背景〕

ここで波を集中させる、という目的に適った平板の形状
を選定するに至る実験経過について説明する。

(1) 凸レンズ型没水平板 ｉ）概要 初めに集波効果に優れた没水平板の形状を知るため、第
７図−Ｉに示す凸レンズ状の没水平板を大型水槽に設置
し、入射波周期，波高，没水平板の幅，没水深度等の水
理条件を変えて没水平板付近の波浪の変形現象を観測し
た。

ii）結果 結果は第７図−II各図に示す通りである。この結果から
以下の事が確認された。没水平板の波浪変形現象は入射
波の周期により変化し、周期の小さい波はほとんど通過
し、周期がある程度大きくなると波の集中が生じるよう
になる。また、没水深度が小さいほど波の集中効果は大
きくなるが、極端に小さくなると没水平板からの反射波
及び波の分裂が生じ、集中効果は低下する。

観察結果から没水平板による波浪変形現象は入射波周期
の影響が非常に大きいことが判明したので、この事実に
基づき、更に入射波高Hiを３cmに固定して周期Tiを0.8
〜1.6秒の５種類変化させて波高分布を測定した。その
結果が第７図−IIIである。横軸に入射波進行方向距離
を、縦軸に波高増幅率、すなわち通過波高Ｈの入射波高
Hiに対する比率を取ってある。水深ｈは１ｍである。

最大の波高増幅率H/Hiは没水没度ｄ＝0.1ｍの場合は周
期1.4秒、図示していないがｄ＝0.2ｍの場合は周期1.2
秒の時に生じている。また、今回の実験範囲内では最大
の波高増幅率を示す位置は没水平板上であった。更に、
この条件では平板岸側外縁端から沖側に向かって進む反
射波と岸側に向かって進む入射波とが平板上で衝突し、
重複波が生じて波高が増大し、平板から離れた岸側部分
では波の集中はみられなかった（第７図−IV参照）。

iii）結論 以上の実験結果をまとめると次の通りである。

没水平板は波向きを変化させることが可能である。

没水平板はその上で波を集中させ、波高を高めるこ
とができる。

しかしながら、没水平板による入射波の反射現象が
みられ、没水平板の前端（沖側）ではあまり顕著ではな
いが、後端（岸側）での反射はかなり大きい。

波が没水平板から出る所では波峰線は没水平板の辺
と平行になる傾向がある。

(2) 三日月型没水平板 ｉ）形状選定 凸レンズ型没水平板によって得られた知見を基に最適な
没水平板の形状を選定する。最適な没水平板に要求され
る機能を列記すれば以下の３点に集約される。

没水平板を通過した波の向きは、ある一つの焦点に
向かって集中するようにする。

波が没水平板から出る際の平板岸側外縁端からの反
射を少なくするため岸側外縁は円弧形状を有する。

没水平板の沖側の縁辺は入射波に対してある角度を
もち波を屈折させるようにする。

上記の点を考慮し、屈折理論（スネルの法則）に基づい
て求めらた没水平板の形状が第８図−Ｉのハッチングを
施した部分である。

この屈折理論より誘導される没水平板の形状は沖側外縁
は楕円形、岸側外縁は円形で構成される三日月型であ
る。

上記の形状では、波は没水平板沖側外縁で生じる位相差
により楕円焦点側へ曲げられ、岸側外縁では波は曲げら
れない。すなわち、没水平板に波が入る部分でのみ曲
げ、没水平板から波が出る部分では曲げない形状であ
る。

ii）実験の概要 ｉ）で決定された三日月型没水平板の集波効果を確認す
るとともに、この平板の原理裏付けのため第８図−IIに
示すような形状での水槽実験を実施した。

入射波の周期を1.0,1.2,1.4秒、波高をほぼ５cmになる
ようにして没水平板周りの波高分布を調べた。

iii）結果 没水平板中心線上の波高分布 没水平板中心線上の波高分布を第８図−IIIに示す。こ
のグラフにおいて、−10＜ｙ≦０でのＨは反射波高、０
＜ｙ≦10でのＨ過波高である。

今回の実験範囲内においてはどの条件でも没水平板の岸
側水域（背後）に有意な集波現象を確認することがで
き、また、波高の増幅率は入射波の２〜３倍程度であっ
た。三日月型の没水平板による集波現象の様子を第８図
−IVに示す。

没水平板周辺の波高の平面分布 没水平板周辺の波高平面分布を第８図−Ｖに示す。

この図から没水平板周辺の波の状況を概念的に示すと第
８図−VIのようになる。

iv）結論 屈折理論によって設計した三日月型没水平板は波向
きを変化できるとともに、平板の外（背後）で波を集め
ることができる。

三日月型没水平板は入射波周期が変化しても集中さ
せることができる。

三日月型没水平板はある程度の周期．波高の変化に
対して同一の波浪制御効果が期待できるため、現地への
適用も可能であると考えられる。

以上のように、三日月型没水平板は波を集中させて消波
させることを目的とする波浪制御構造物として有望であ
るといえる。

〔実 施 例〕

以下本発明を一実施例を示す図面に基づいて説明する。

この発明の海洋波集中装置Ａは概要を示す第１図のよう
に三日月状の平板１_０からなるもので、海面下に水平面
をなして設置されて海洋波ｗを浅海側の一点に集中させ
るものである。

平板１_０は深海側の外形線f₁が楕円弧の一部を、浅海側
の外形線f₂が円弧の一部をそれぞれ構成し、全体的に三
日月型を形成している。第１図において破線は外形線f₁
の軌跡である楕円を、２点鎖線は外形線f₂の軌跡である
円を示しており、この円の中心Ｏは楕円の焦点と一致し
ている。また矢印は海洋波ｗの入射方向を表わしてい
る。

この平板１_０の長さＬ，幅Ｂ，そして没水深度は集める
べき海洋波ｗの波長、波高等の数値，及び目的の海洋施
設の規模等の条件に応じて決められる。

海洋波ｗは前述の通り屈折角α_２が入射角α_１より小さ
いので外形線f₁において中心Ｏ側へ一度屈折し、外形線
f₂において直進することになる。

そして海洋波ｗが集中する中心Ｏ付近に発電装置，消波
装置等の設備、またはサーフィン等の海上の娯楽場が設
置される。第２図に示す実施例は中心Ｏ付近に消波装置
Ｃを設置した場合である。

平板１_０、すなわち海洋波集中装置Ａは第２図のように
例えば複数個のブロックａより構成されるが、そのブロ
ックａ単体の施工方法を第３図以下の図面に従って説明
する。

第３図はジャケット形式による施工例を示したものであ
る。

まず陸上ヤードで平板１とジャケット２を組み立ててブ
ロックａを製作し、これを所定の現場まで曳航して沈設
する。（Ｉ）。このとき必要に応じて平板１とジャケッ
ト２の接合部において、海底の不陸に対して平板１を水
平に調整する。

続いてジャケット２をガイドとしてピンパイル３を打ち
込んでブロックａを海底に定着させ（II）、更にジャケ
ット２とピンパイル３間にグラウト材を注入して両者を
一体化する（III）。

第４図乃至第６図は杭形式による施工例を示したもので
ある。

第４図の施工手順を説明する。

陸上ヤードで平板１を製作して現場まで曳航する
（Ｉ）。平板１には杭４を打ち込むための挿入孔５及び
作業のための作業孔６が設けられる。

平板１を設置場所まで曳航したところでこれを仮係留
し、挿入孔５より杭４を海底にち込む（II）。

続いて平板１内に注水してこれを所定の水深までウィン
チ７等により降下させ、一旦平板１と杭４との接合部回
りの水を抜き、この接合部を溶接して両者を一体化する
（III）。

そして平板１上の不要な杭４及び作業杭６を切断、撤去
し（IV）、ブロックａを形成する。

次に第５図の施工手順を説明する。

杭４位置にガイドパイプ８が取り付けられた平板１を曳
航した後（Ｉ）、仮係留をして杭４をガイドパイプ８か
ら打ち込む（II）。

次に平板１を注水により降下させ、ガイドパイプ８と杭
４とをグラウト材により一体化し（III）、平板１上の
不要部材を撤去する（IV）。

なお、平板１を構成する杭４頭部は目的によっては海面
上に残され、利用される場合もある。

最後に第６図の施工手順を説明する。

まず平板１に柱９を取り付けた状態でこれを曳航し
（Ｉ）、柱９を着底させた後、平板１をジャッキアップ
することにより柱９に荷重を加え、これを海底に定着さ
せる（II）。

次に柱９をガイドとしてここからピンパイル３を海底に
打ち込み、グラウト材により柱９とピンパイル３とを一
体化する（III）。

続いて平板１を注水により降下させ、柱９に溶接等によ
って固定した後（IV）、平板１上の部材を撤去してブロ
ックａを形成する（Ｖ）。

なおブロックａ単体の平板１の形状は第２図のように全
体の平板１_０を構成する各設置場所に従って決定され
る。

〔発明の効果〕

この発明は以上の通りであり、海面下に三日月状をなす
平板により水深及び境界線に変化を与え、波の性質を利
用してこれを一点に集中させるものであるため波の制御
が可能となり、波力発電，防波堤の設置，娯楽施設の確
保等幅広く沿岸開発に利用することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の概要を示した平面図、第２図は本発明
の実施状況を示した鳥瞰図、第３図乃至第６図はブロッ
クの施工方法を示した手順図であり、第７図及び第８図
は実験に使用した模型を示した概念図、もしくは実験結
果を示したグラフである。 Ａ……海洋波集中装置、ｗ……海洋波、１_０……平板、
f₁,f₂……外形線、ａ……ブロック、１……平板、２…
…ジャケット、３……ピンパイル、４……杭、５……挿
入孔、６……作業孔、７……ウィンチ、８……ガイドパ
イプ、９……柱、Ｃ……消波装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 続 辰之介 神奈川県横須賀市夏島町２番地15 海洋科 学技術センター内 (72)発明者 梅野 哲男 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 今井 貫爾 東京都調布市飛田給２丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 秋山 義信 東京都調布市飛田給２丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 守武 秀憲 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 奥津 一夫 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】海面下に水平面をなして設置され、海洋波
   を浅海側の一点に集中させる。三日月状の平板から構成
   される海洋波の集中装置であり、平板の深海側の外形線
   が楕円弧状に、浅海側の外形線が円弧状に形成されてあ
   ることを特徴とする海洋波集中装置。