TW201329315A - 一種具複合式消波艙之防波堤 - Google Patents

Abstract

一種具複合式消波艙之防波堤包含一朝向海側之消波主體單元及一朝向港側之沉箱主體單元，該消波主體單元包括形成一消波艙的一前壁、一隔艙壁及一設置於該前壁與隔艙壁間的內消波壁，該前壁具有一直立壁部、一斜面壁部及多個相間隔貫設在該斜面壁部的上開孔，該內消波壁具有多個內消波孔，該沉箱主體單元與該隔艙壁相結合。當波浪碰及位於該消波艙前之前壁與內消波壁時，部分水體被壁面反射，部分水體經上開孔、內消波孔進入，使得波浪在前壁與內消波壁前後產生紊流能損，能有效減少波浪反射率並降低波浪對防波堤的作用。

Description

一種具複合式消波艙之防波堤

本發明是有關於一種防波堤結構體，特別是指一種具複合式消波艙之防波堤。

目前台灣地區水深10m以內的防波堤或海堤，絕大多數採用拋石堤型式之結構，必須拋放大量的塊石及混凝土消波塊，然而，此種作法對海岸景觀及民眾之親水權產生負面影響，故常遭環保人士詬病。由於台灣本島塊石開採及運輸之困難度及費用愈來愈高，目前大部分港灣工程之塊石大多數由中國大陸進口，但是，隨著油價不斷上漲，海運費用節節高升，加上大陸地區經濟不斷成長與環保意識逐漸抬頭，未來對塊石開採及出口的管制將愈來愈嚴格，導致塊石出口單價勢必愈來愈高，故台灣港灣工程界必須針對此點及早提出因應對策。而在較深海域之防波堤目前絕大多數採用傳統式沉箱複合堤之結構，其中，沉箱由底板、四周封閉式之直立外壁以及內隔艙壁所形成，沉箱拖放至定點後打開進水閥門進水，然後逐漸下沉到海床座底，再於沉箱內部回填砂石，並澆鑄封頂混凝土，接著，再施作堤面及胸牆。沉箱複合堤通常藉由其本身的重量及底板的摩擦力來抵抗波浪以避免發生傾覆及滑動破壞的情形。但是，強烈的颱風波浪依然會對該沉箱的垂直外壁造成極大的衝擊波壓，同時造成堤趾之沖刷流失，因此沉箱的尺寸必須大到足以抵抗颱風波浪，且當水深較淺時，該沉箱複合堤的造價相對於拋石堤來得高。

雖然，港灣工程無論就設計條件(波浪、潮位、海流、地質、地震等等)或施工條件(施工材料之取得、施工機具設備、施工技術等等)均有明顯的地域性，但現有防波堤為了確保能夠承受颱風等突發狀況的強烈波浪作用力及維持較長的使用壽命，通常需要設置大尺寸的沉箱並搭配使用消波塊以減少波能，但如此將使用大量鋼筋與混凝土而會增加工程費用，而消波塊的使用則有礙景觀美感，因此，目前仍有開發其他型式的防波堤的需求。

本發明目的，是在提供一種具有消波艙之沉箱式防波堤，其能夠有效降低波浪反射率，並能消減波能以減低波浪對防波堤的作用力及堤趾的沖刷力。

本發明適合使用在海岸地區作為海堤及防波堤結構，進而達到保護港口安全的目的，此種具複合式消波艙之防波堤包含相結合的一朝向海側的消波主體單元，及一朝向陸側的沉箱主體單元。

該消波主體單元包括相配合界定出一消波艙的一前壁、一與該前壁相間隔的隔艙壁、二連接在該前壁與該隔艙壁之間的側壁，及一設置於該前壁與隔艙壁間的內消波壁，該內消波壁將該消波艙分隔為一前消波艙及一後消波艙，該前壁具有自一底緣沿一直立方向向上延伸並終止於一第一轉折界線的直立壁部、一自該直立壁部的第一轉折界線朝上並朝向該隔艙壁傾斜延伸的斜面壁部，及多個相間隔地貫設在該斜面壁部並與該前消波艙相連通的上開孔，該等上開孔的長度為該斜面壁部沿該上下方向的長度的50%~60%，每一上開孔的寬度介於1.0~1.5公尺之間，且所有上開孔累積的總寬度為該前壁總寬度的50%~60%，該內消波壁具有多個相間隔地貫設並連通該前消波艙與後消波艙的內消波孔。

該沉箱主體單元與該消波主體單元以隔艙壁相結合。

本發明的有益效果在於：藉由在該消波主體單元中形成之消波艙，並於面海前壁設置該等上開孔，而在該前壁與該隔艙壁之間形成艙室空間，藉此，當波浪抵達該直立壁部、斜面壁部、內消波壁時，部分水體會被壁面反射，部分水體則經由該等上開孔進入或往下掉落至消波艙內，導致波浪的波形在該前壁、內消波壁前後產生相位差，並在該消波艙中發生紊流能損效應，因而能有效減少波能、降低波浪反射率，進而減低波力對防波堤的作用及減低對堤趾的沖刷力，由於此種設計能減少鋼筋及混凝土的用量並能避免使用消波塊，因此，還兼具有能降低原料成本及避免海岸景觀受到破壞的特性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、圖2、圖3與圖4，本發明具複合式消波艙之防波堤2的一較佳實施例適合在海岸施作以提供削減波能與波壓作用力的作用，進而達到保護港口安全的目的，該具複合式消波艙之防波堤2包含相結合的一朝向海側的消波主體單元3，及一朝向陸側的沉箱主體單元4。

該消波主體單元3包括相配合界定出一消波艙30的一鄰近該海側的前壁31、一與該前壁31相間隔的隔艙壁32、二連接在該前壁31與該隔艙壁32之間的側壁33(在圖1中為便於觀察該消波主體單元3的內部結構，而以另一側的側壁33截取掉的形式呈現該較佳實施例，故圖式中的消波主體單元3只顯示出一側的側壁33)、一與該前壁31、隔艙壁32與該二側壁33相配合界定形成該消波艙30的底板34、多個位於該消波艙30並沉積在該底板34用於輔助增加該防波堤2整體穩定度的增重塊石35，及一設置於該前壁31與隔艙壁32間的內消波壁37。其中，可視該防波堤2設置地點的波浪、潮位、海流、地質與地震等環境條件與對該防波堤2穩定度的需求，調整該等增重塊石35的設置數量，此外，該內消波壁37將該消波艙30分隔為一前消波艙301及一後消波艙302。

較佳地，該前壁31具有自一底緣312沿一直立方向Z向上延伸並終止於一第一轉折界線313的直立壁部311、一自該直立壁部311的第一轉折界線313朝上並朝向該隔艙壁32傾斜延伸的斜面壁部314、多個相間隔地貫設在該斜面壁部314並與該前消波艙301相連通的上開孔315，及多個相間隔地貫設在該直立壁部311並與該前消波艙301相連通的下開孔316。該內消波壁37具有多個相間隔地貫設並連通該前消波艙301與後消波艙302的內消波孔371。其中，該等增重塊石35置放在該底板34後的高度較佳是不高於該等下開孔316與該內消波孔371的下端緣，以避免該等下開孔316及該等內消波孔371被阻塞而影響到其功能，並維持預定的該前消波艙301與後消波艙302空間以便能順利產生紊流能損效應達到削減波能的效果。

此外，該等上開孔315為長條狀開孔，並沿一上下方向I平行設置在該斜面壁部314，藉此，當波浪碰及該斜面壁部314時，部分水體由壁面反射，部分水體則經由該等長條狀的上開孔315往下掉落，使其波形在該斜面壁部314前後發生相位差，並發生紊流能損效應，而有助於減少波能。此外，該等下開孔316與該內消波孔371亦為長條狀開孔，並沿該直立方向Z分別平行設置在該直立壁部311與該內消波壁37。藉由設置該等下開孔316，使經由該等上開孔315進入該消波艙30內的水體能再流出，而可避免水位壅升的情形發生。藉由設置該等內消波孔371，使其波形在該內消波壁37前後發生相位差，並發生紊流能損效應，而有助於再次減少波能。

為了能獲得較佳的紊流能損效應同時考慮該前壁31的支撐力與結構強度能夠符合工程實務上的安全規格需求，該等上開孔315在該斜面壁部314上的開孔率較佳為25%~36%。而該等上開孔315的較佳長度a1為該斜面壁部314沿該上下方向I的長度A1的50%~60%，且累積所有上開孔315的寬度b1所獲得的總寬度值(若有n1個上開孔315，則總寬度為n1×b1)較佳為該斜面壁部314的寬度B1的50%~60%。在本實施例中，該斜面壁部314的上開孔315的設計寬度b1介於1.0~1.5公尺。

較佳地，為了獲得較佳的紊流能損效應及考量該前壁31的支撐力與結構強度能夠符合工程實務上的安全規格需求，該等下開孔316在該直立壁部311上的開孔率亦為25%~36%，該等內消波孔371在該內消波壁37上的開孔率亦為25%~36%，若開孔率超出上下限，則可能無法達到預期的消波效果。而該等下開孔316的長度a2較佳為該直立壁部311沿該直立方向Z的長度A2的50%~60%，且累積所有下開孔316的寬度b2所獲得的總寬度值(若有n2個下開孔316，則總寬度為n2×b2)較佳為該直立壁部311的寬度B2的50%~60%，該直立壁部311的下開孔316的設計寬度b2亦是介於1.0~1.5公尺。而該等內消波孔371的長度a3較佳為該內消波壁37沿該直立方向Z的長度A3的50%~60%，且累積所有內消波孔371的寬度b3所獲得的總寬度值(若有n3個內消波孔371，則總寬度為n3×b3)較佳為該內消波壁37的寬度B3的50%~60%，該等內消波孔371的設計寬度b3亦是介於1.0~1.5公尺。

值得一提的是，該前壁31的斜面壁部314是終止於一與該隔艙壁32相間隔的第二轉折界線317，且該前壁31還具有一自該第二轉折界線317沿該直立方向Z朝上延伸的胸牆部318，且該胸牆部318與該內消波壁37連接，該胸牆部318與該隔艙壁32、該二側壁33相配合界定形成一頂部開口360。藉由設置該頂部開口360，即使在頻繁的波浪作用下，進入該後消波艙302內與原本就存在後消波艙302內的氣體仍然能夠自該頂部開口360釋出，因而可避免氣體累積在後消波艙302內形成較大壓力的情形發生。

該沉箱主體單元4是與該消波主體單元3的隔艙壁32相結合，並包括一與該消波主體單元3的隔艙壁32相間隔且與該前壁31反向設置的後壁41，及一充填在該隔艙壁32與該後壁41之間的填充模塊42。其中，該填充模塊42的重量不受限，在本實施例中，是藉由該隔艙壁32與該後壁41之間的空間填滿砂石後形成該填充模塊42，藉此，使該防波堤2具有足夠的重量而能在波浪作用下保持安定。

較佳地，該消波主體單元3的前壁31的直立壁部311與隔艙壁32之間間隔一第一距離D1，該消波主體單元3的隔艙壁32與該沉箱主體單元4的後壁41之間間隔一第二距離D2，該第一距離D1是該防波堤2總寬度(即，前壁31之壁厚+D1+隔艙壁32之壁厚+D2+後壁41之壁厚)的35%~45%。前述的結構比例，使用於提供重量的該沉箱主體單元4相對佔有較大的體積，藉此，將能確保該防波堤2整體結構穩定且更能承受強烈的波力作用，進而有助於提供穩定的消波效果。

當將該防波堤2設置於海域時，該防波堤2底部設有一拋石基礎部5，並分別在該消波主體單元3的前壁31底部的一前堤趾部319及該沉箱主體單元4的後壁41底部一後堤趾部411前分別舖設多個併接的護基方塊6，再於該等護基方塊6前分別沿該拋石基礎部5表面設置二足夠重量之大塊石覆蓋體7，藉此，使該防波堤2穩固定位在港口或海岸邊。

配合參閱圖2與圖5，圖5為根據本發明防波堤2利用水工模型試驗及FLOW-3D數值模式模擬波浪入經本發明的防波堤後獲得的瞬時表面波形(圖中圓圈為模型試驗結果，而實線為數值模擬結果，而圖中向量為對應的水分子速度)，由圖5可看出，當波浪100碰及該消波主體單元3的前壁31與該內消波壁37後，其波形在該前壁31、內消波壁37的壁前、壁後發生明顯的相位差，據此說明本發明的結構設計確實能使波浪產生相位差，藉此，使波能減少與降低波浪反射率。

參閱圖6，為利用FLOW-3D數值模擬波浪入經本發明的防波堤2後，波形在前壁31與內消波壁37之壁前、壁後發生相位差，並發生紊流能損效應的情形(如圖中區塊K1、區塊K2所示，皆為紊流較明顯的區塊)，圖中的箭頭符號則表示水體流動方向，箭頭長短表示水分子流速大小，由圖6的結果同樣能說明本發明的結構設計，能使波浪在入經該前壁31與內消波壁37後產生相位差，並引發紊流能損效應，因而有助於減少波能與降低波浪反射率。需要補充說明的是，上述的FLOW-3D係以流體之三維運動方程式為基礎所發展出的流體動力計算數值模擬系統，係Dr. C.W. Hirt於1985提出，並由美國Flow Science公司發展而成的先進軟體。FLOW-3D配合流體體積(VOF，Volume of Fluid)方法處理自由液面問題，並可利用FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation)技術來描述流體中的結構物，經由許多相關文獻的驗證，已顯示FLOW-3D模擬系統在流體與結構物互制問題的解析上確實具有極佳的精確度及可靠性。因此，透過FLOW-3D模擬的結果足以證實本發明的結構設計確實能引發紊流能損效應。

參閱圖7，為利用FLOW-3D數值模擬波浪入經本發明的防波堤2，以及另一個不具該內消波壁37的防波堤的比較例的波浪反射率的變化情形，其中，縱座標表波浪反射率，波浪反射率是指反射波波高與入射波波高之比例，橫座標B/L為相對寬度，B是指自前壁31內緣至隔艙壁32外緣之消波艙32內部的實際寬度，亦即圖2中的D1，在此模擬所用的B值為5.16公尺，L為波長，圖7所模擬的B/L變化範圍為0~0.5。而以λ₁表示的數值為該前壁31的開孔率，λ₂表示的數值為該內消波壁37的開孔率，結果顯示，當設置有該內消波壁37時，波浪反射率明顯小於沒有設置該內消波壁37，據此說明本發明的設計確實可有效降低波浪反射率，達到削減波能的效果。其中，當該內消波壁37的開孔率為12.5%時，可有效降低波浪反射率。

參閱圖8，為利用FLOW-3D數值分別模擬波浪入經本發明之防波堤2，以及另一個不具該內消波壁37的具消波艙之防波堤的比較例波浪作用力的變化情形，縱座標為波力比，橫座標B/L為相對寬度，由圖8的結果可看出，本發明具有該內消波壁37的消波艙的結構設計，可有效降低波浪作用力，使該防波堤較不易損壞並有助於延長其使用壽命。

歸納上述，本發明具複合式消波艙之防波堤2，可獲致下述的功效及優點，故能達到本發明的目的：

一、經上述數值模擬結果驗證，作用於本發明具複合式消波艙之防波堤2的波力可有效降低，相對於現有防波堤，本發明的設計可以縮減該防波堤2的尺寸及重量，而能達到相同的防波效果，藉此，可降低鋼筋及混凝土之使用量，除了能夠降低工程費用外，節省原料用量還有助於減少資源消耗因而能達到節能減炭的功效。

二、本發明的防波堤2除了可應用在較深海域消減波浪衝擊以提供防護功能外，也能適用在水深10公尺以內之海域，並能取代傳統由大量消波塊形成的拋石堤，除了可有效減少塊石及消波塊的使用量達到資源減量的目的外，還可大幅提高港灣之景觀美感，而且在該防波堤2的頂部開口360後方仍可設置供觀景及垂釣之休閒遊憩輔助設施(例如，平台、棧道、及安全保護設施)，提供民眾親水遊憩空間，使本發明的防波堤2除了防波功能及減低對堤趾的沖刷力外，還能美化景觀及提供休憩功能而具有多元化的使用特性。

三、該防波堤2面海側的消波主體單元3的消波艙30可作為海洋生物之棲息空間，舖設在該前壁31底部前方的護基方塊6，可採用生態方塊設計，即在該護基方塊6表面設置溝紋、凹凸槽或洞孔等結構，讓海藻及海草容易繁殖，並提供吸附壁體動物生存空間、或蝦蟹貝及小型海洋生物藏匿及繁殖空間，藉此，使本發明的防波堤2具有海洋生態保育之意義。

四、由於本發明防波堤2位於陸側的沉箱主體單元4是在該隔艙壁32與該後壁41之間的空間回填砂石再封頂而形成，藉此，使整個防波堤2的重心偏向陸側，如果在該防波堤2的陸側要回填新生地，此種結構型式與傳統沉箱式的防波堤結構相比更能有效抵抗背填土壓力。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．防波堤

3．．．消波主體單元

30．．．消波艙

301．．．前消波艙

302．．．後消波艙

31．．．前壁

311．．．直立壁部

312．．．底緣

313．．．第一轉折界線

314．．．斜面壁部

315．．．上開孔

316．．．下開孔

317．．．第二轉折界線

318．．．胸牆部

319．．．前堤趾部

32．．．隔艙壁

33．．．側壁

34．．．底板

35．．．增重塊石

360．．．頂部開口

37．．．內消波壁

371．．．內消波孔

4．．．沉箱主體單元

41．．．後壁

411．．．後堤趾部

42．．．填充模塊

5．．．拋石基礎部

6．．．護基方塊

7．．．塊石覆蓋體

100．．．波浪

Z．．．直立方向

I．．．上下方向

D1．．．第一距離

D2．．．第二距離

a1、A1．．．長度

b1、B1．．．寬度

a2、A2．．．長度

b2、B2．．．寬度

a3、A3．．．長度

b3、B3．．．寬度

k1、k2．．．區塊

圖1是一立體示意圖，說明本發明具複合式消波艙之防波堤的一較佳實施例的其中一側被截取掉的情形；

圖2是一側視剖視圖，說明該較佳實施例的一消波主體單元的一前壁具有一斜面壁部的情形；

圖3是一前視示意圖，說明該較佳實施例的消波主體單元的一前壁設有多個上開孔與多個下開孔的情形；

圖4是一省略前壁的前視示意圖，說明該較佳實施例的消波主體單元的內消波壁設有多個內消波孔；

圖5是利用水工模型試驗及FLOW-3D數值模式模擬波浪，說明該較佳實施例的波浪波形發生相位差的情形；

圖6是一利用FLOW-3D數值模擬波浪作用結果的示意圖，說明波浪波形發生相位差與紊流能損效應的情形；

圖7是一利用FLOW-3D數值模擬波浪作用整理而成的關係圖，說明波浪入經防波堤後波浪反射率的變化情形；及

圖8是一利用FLOW-3D數值模擬波浪作用整理而成的關係圖，說明波浪入經防波堤後波浪作用力的變化情形。

2．．．防波堤

3．．．消波主體單元

30．．．消波艙

301．．．前消波艙

302．．．後消波艙

31．．．前壁

311．．．直立壁部

312．．．底緣

313．．．第一轉折界線

314．．．斜面壁部

315．．．上開孔

316．．．下開孔

317．．．第二轉折界線

318．．．胸牆部

319．．．前堤趾部

32．．．隔艙壁

33．．．側壁

34．．．底板

35．．．增重塊石

360．．．頂部開口

37．．．內消波壁

371．．．內消波孔

4．．．沉箱主體單元

41．．．後壁

411．．．後堤趾部

42．．．填充模塊

5．．．拋石基礎部

6．．．護基方塊

7．．．塊石覆蓋體

Z．．．直立方向

I．．．上下方向

Claims (10)

1. 一種具複合式消波艙之防波堤，包含：一消波主體單元，包括相配合界定出一消波艙的一前壁、一與該前壁相間隔的隔艙壁、二連接在該前壁與該隔艙壁之間的側壁，及一設置於該前壁與隔艙壁間的內消波壁，該內消波壁將該消波艙分隔為一前消波艙及一後消波艙，該前壁具有自一底緣沿一直立方向向上延伸並終止於一第一轉折界線的直立壁部、一自該直立壁部的第一轉折界線朝上並朝向該隔艙壁傾斜延伸的斜面壁部，及多個相間隔地貫設在該斜面壁部並與該前消波艙相連通的上開孔，該等上開孔的長度為該斜面壁部沿該上下方向的長度的50%~60%，每一上開孔的寬度介於1.0~1.5公尺之間，且所有上開孔累積的總寬度為該前壁總寬度的50%~60%，該內消波壁具有多個相間隔地貫設並連通該前消波艙與後消波艙的內消波孔；及一沉箱主體單元，是與該消波主體單元的隔艙壁相結合。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該消波主體單元的前壁的該等上開孔為長條狀開孔並沿一-上下方向平行設置在該斜面壁部。
3. 依據申請專利範圍第2項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該等上開孔在該斜面壁部上的開孔率為25%~36%。
4. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該消波主體單元的前壁還具有多個相間隔地貫設在該直立壁部並與該前消波艙相連通的下開孔。
5. 依據申請專利範圍第4項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該消波主體單元的前壁的該等下開孔為長條狀開孔並沿該直立方向平行設置在該直立壁部。
6. 依據申請專利範圍第1項或第5項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該等下開孔在該直立壁部上的開孔率為25%~36%，該等內消波孔在該內消波壁上的開孔率為25%~36%。
7. 依據申請專利範圍第5項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該等下開孔的長度為該直立壁部沿該直立方向的長度的50%~60%，每一下開孔的寬度介於1.0~1.5公尺之間，且所有下開孔累積的總寬度為該前壁總寬度的50%~60%，該等內消波孔的長度為該內消波壁沿該直立方向的長度的50%~60%，該等內消波孔的設計寬度介於1.0~1.5公尺，且累積所有內消波孔的寬度所獲得的總寬度值為該內消波壁的寬度的50%~60%。
8. 依據申請專利範圍第4項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該消波主體單元還包括一個與該前壁、隔艙壁與該二側壁相配合界定形成該消波艙的底板，及堆置於該消波艙底板上的多個增重塊石。
9. 依據申請專利範圍第4項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該沉箱主體單元包括一與該消波主體單元的隔艙壁相間隔且與該前壁反向設置的後壁，該消波主體單元的前壁的直立壁部與隔艙壁之間間隔一第一距離，該消波主體單元的前壁的直立壁部與該沉箱主體單元的後壁之間間隔一第二距離，該第一距離為該防波堤總寬度的35%~45%，該防波堤總寬度是由該前壁之壁厚、該第一距離、該隔艙壁之壁厚、該第二距離及該後壁之壁厚相加的結果。
10. 依據申請專利範圍第4項所述的一種具複合式消波艙之防波堤，其中，該消波主體單元的前壁的斜面壁部是終止於一與該隔艙壁相間隔的第二轉折界線，且該前壁還具有一自該第二轉折界線沿該直立方向朝上延伸的胸牆部，該胸牆部與該隔艙壁、該二側壁相配合界定形成一頂部開口，且該胸牆部與該內消波壁連接。