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防波(離岸)堤斷面試驗

壹、試驗內容 

一、試驗模型：如圖II.1.1所示，為漁業技術顧問社所提供之防波堤(離岸堤)斷面設計配置圖。

二、試驗縮尺：採用1/49的空間縮尺。

 三、試驗條件：試驗波浪採用JONSWAP理論波譜，以不規則波進行造波模擬，試驗水位採用+2.40m。試驗深海示性波高H1/3、 週期T1/3條件則如表II.3.1所示。考量離岸堤設計在八斗子海域特性波浪作用下是否達到穩定要求。

 四、試驗項目

 1.        斷面安定性

 2.        消波塊及防波堤護基方塊安定性

 3.        防波堤所受波壓分佈

 4.        防波堤位移量

 5.        越波量量測

 6.        溯升高度

 7.        碎波發生位置

 貳、試驗設備與前置作業

 一、  試驗設備

 (一)  斷面造波水槽及造波裝置

 本斷面試驗於海洋工程綜合實驗館的大型斷面造波水槽中進行。該水槽長100公尺、寬3.0公尺，而深度為3.0公尺。使用的造波裝置為拍拉式不規則造波機。利用儲存在個人電腦上的造波程式控制造波機造波，本造波系統可以產生規則及不規則的波浪。並可選擇使用的頻譜有Bretschneider-Mitsuyasu、Pierson-Moskowicz、JONSWAP等理論頻譜、以及自定的頻譜來模擬造波。

(二)  波高量測裝置  

本試驗所使用的波高計為容量式波高計。透過電容式電路感應金屬桿與測線間因水面波動導致的浸水面積變化，將其轉換成電壓的起伏，經由電纜線傳遞回波高增幅器。在做過適當的訊號放大後，由A-D轉換器將類比訊號轉換為數位訊號輸入個人電腦記錄存檔。每部波高量測裝置有六個獨立的波高增幅器，可連接六支波高計。本試驗室共可使用60支以上的波高計同時進行量測。本斷面試驗中共使用了六支波高計。  

(三)  個人電腦

 試驗進行中一共使用了三部個人電腦：一部為控制造波用，透過執行造波程式，控制各個造波單元的運動；一部為量測及分析波高用，負責接收轉換波高量測裝置所傳回電壓變化值為離散性數位資料，同時也可進行後續的分析工作，例如零上切波高與週期的判讀、頻譜分析等；另一部則為量測及分析波壓變化用，負責接收轉換波壓量測裝置所傳回電壓變化值為離散性數位資料，並輸出為文字檔案。  

(四)  波壓量測裝置  
為了量測沉箱堤體上的波壓力，本試驗使用KYOWA的壓力量測系統。該系統每部電腦最多可裝置16個波壓計，可記錄壓力隨時間變化量，並轉換輸出儲存為ASCII的文字檔。本試驗室最多可使用48支波壓計同時進行量測，其有效量測範圍有200g/cm²、500g/cm²，本斷面試驗中共使用了10個波壓計。

二、模型試驗的前置作業

 (一) 波高計的率定

 為確保試驗之正確性，每支波高計均需事先經過率定校正的工作。將波高計固定於率定鐵架上並連接至增幅器與量測分析用電腦後，首先將測線的中央點移動至與靜水面相接。其後上下移動測棒至若干個固定高度，並適當調整訊號的放大倍率(Gain)，使電腦所得到的水面變動值與實際值相符。由測試結果可確定該型測棒的實際水位變化與量測值呈線性關係。

 (二) 造波波高的率定

 為了能正確地造出應有的試驗波浪條件，在進行正式試驗以前，需先率定調整波浪輸出訊號的放大倍率。在輸入預定的入射波高與週期至造波程式並開始造波後，利用已經率定好的波高計於適當距離量測水面波動及判定波高與週期，以檢定及調整應有訊號放大倍率至所造出的波高、週期滿足要求為止。由測試資料顯示在固定水深的情形下，不同的波浪週期與波高需用不同的放大倍率。  

(三) 波壓計的率定

 基本上，每一個波壓計出廠時均有一份檢驗校正的資料表，分析時只需要將所量測到的值，參考原廠所提供的校正係數值，作適當的計算即可。但為確保試驗的正確性，每支波壓計仍事先經過率定的工作。將波壓計固定於率定桶的底部，並連接至增幅器與量測分析用電腦。首先將水充滿至一定高度後，逐段降低水位並量測分析程式的資料讀數，藉以找出與確認波壓計的正確性。  

三、斷面模型的製作

 參考大型斷面試驗水槽尺度及造波機性能，因而選定本次試驗的模型縮尺為1/49，並決定量測時間及造波試驗時間排後，將離岸堤斷面設置於80公分高度的平台上，並於平台前方舖設1/40的等坡度斜坡向外海連接至等水深槽底。首先於平台上先以碎石等基礎石料舖設至預設高度，將模型縮尺為1/49之沉箱堤，以一公分厚的夾板釘製而成，配置於設計高度之基礎石料上，並以混凝土比重2.54、回填沙比重2.0換算應有之壓艙重量，利用等重之鐵板壓載於無法灌注混凝土之部份。後於堤前、堤後各舖上一層三排重量相當之護基方塊，並於其上拋放約為三層之消波塊，以模擬設計之防波(離岸)堤斷面。

四、波高測定點的標定 

 本試驗中的波高量測點共有五處，其第一、二支波高計CH1、CH2位置位於造波板前方3公尺處，用來控制造波波高，第三及四支波高計CH3、CH4擺設於等坡度斜坡前方3~4公尺間，用於量測反射波高並監控造波水槽裡波浪的傳播與變化，第五及六支波高計CH5、CH6擺設於距模型斷面堤腳約為2公尺處及貼近堤前，用來量測堤前波高之變化及溯升高度。

 五、量測時間的決定

 為了避開前導波以及防波(離岸)堤堤身的反射波干擾，導致量測資料的誤差。水面波動的量測是以波列經過第一支波高計大約三秒後才開始記錄，而記錄時間分別為204.8秒(取樣時間：0.05秒，取樣點數：4096個點)。而波壓的量測則以波浪到達堤身後三個大波後開始記錄，其記錄時間為160秒(取樣時間：0.02秒，取樣點數：8000個點)。

 六、模型縮尺

 海事工程由於其工程環境之不穩定將影響工程規劃之定規與準則、影響施工方式與進度、影響完工後使用之安全與方便；因此，除學理之評估論斷為依據外，取具體而微之相似模型進行水工模型試驗為避免前述工程問題之所需。水工模型試驗之進行係利用實體（Protoype）相似之模型體（Model）於水槽中模擬水理現象，依據討論之目的與需要進行觀測與摘取所需之物理量之方法。 一般水理試驗之模型體基於觀測之必要有可能大於實體，而海事工程所需進行之水工試驗囿於實體之巨積外觀與研討需求，其模型體均依相似律完成縮小。海事工程的水理現象其控制因素為重力，而其它力量如黏滯、表面張力屬次要因素可予以忽略，因此，控制模型體尺度之相似律，即是以福勞德定律（Froude Law）為依據，使模型體與實體之慣性力與重力之比值相等。模型體的長度與高度均以此比例縮尺進行縮小，如防波堤寬度、堤高、水深、波長及波高均以此比例縮尺。

參、斷面試驗執行情形

為利用水工模型斷面試驗的方式，探討八斗子海域之特性波浪對所設計之防波(離岸)堤斷面的影響程度，在八斗子漁港附近的特性波浪作用下(離岸)堤斷面的安定性良好，消波塊、護基方塊及堤趾的安定觀測皆穩定。各試驗的條件如下所述：

表II.3.1  防波堤(離岸堤)斷面試驗條件  

各試驗的項目的進行方法如下：

1.        斷面安定性觀測

 在經過了25組特性波浪條件拍打後，防波(離岸)堤斷面至少承受波浪作用10240秒(25組造波條件´204.8秒/次´2次)，觀察堤體是否發生移動或偏移之現象，如果有發生移動或偏移，本斷面設計即及為不安定。因此於試驗過程中使用數位錄影機及數位照相機拍攝的波力作用過程外，也在全部波浪條件造完後排水觀察整個斷面的變化情形。  

2.        消波塊及防波堤護基方塊安定性觀測

 在經過了25組特性波浪條件拍打後，消波塊也承受波浪作用10240秒(25組造波條件´204.8秒/次´2次)，最後排水觀測三層排列之消波塊狀況，消波塊若無滑落之現象，即表示安定性相當高，而防波堤護基方塊因覆蓋於二層消波塊下方，因此護基方塊不易滑動產生位移，如護基方塊不產生滑動狀況下即表示安定。

 3.        波壓分佈量測  沉箱斷面於製作時，於斷面上預定量測位置鑽孔將壓力計裝入，波壓計設置於沿堤寬中間段，波壓量測前先將壓力計歸零，即量取動水壓，將壓力隨時間變化記錄分析。波壓力的量測為事先在堤身的向外海側上安裝十個波壓計，波壓計其佈置位置由上至下高程分別為+5.83m、+4.36m、-0.99m、-2.46m、-3.93m、-5.40m、-6.87m、-8.34m、-9.81m、-11.28m。在設計水位+2.4m時，原則上保持靜水面上有二個波壓計在量測波壓。波壓的量測以目視波列到達堤身約三個大波後開始量測，而量測時間則依造波的性質而有不同，本試驗量測為160秒、資料數為8000筆。並針對每一個造波條件量測二次，量取波浪作用過程中之動壓力變化，為避免造波過程中過多反射擾動現象的影響，由資料中擷取前3000筆資料作為討論分析之目標資料，做成高程波壓分佈圖及表列試驗記錄中的最大壓力P_max 為參考數據。

 4.        位移量觀測 在斷面試體佈置完成，於觀測窗外部刻畫固定位置，而在所有造波試驗條件完畢後，觀察堤體本身是否有位移量之發生。

 5. 越波量的量測 

 本次試驗研究在不影響試驗準確性情況下，將水槽斷面隔成兩半，試驗模型舖設寬度為150公分，越波量量測時為防止水槽側壁及隔板於試驗過程中因濺回水量對量測結果造成影響，越波量量測裝置設於模型中央段，截取單一堤寬斷面之越波量為主。越波量的量測方法為在堤頂上方製做拘束之導流板，將越過堤頂之波浪藉由導流板收集於後方之及水設施，在由磅秤量測出實際越波量。預定的量測時間是全部的造波時間(204.8秒)。在越波量過大時，量測時間可減半，再將所量測水量成以倍數，即為實際造波時間測得之越波量。

 6.        溯升高度 溯升高度的量測為以貼近堤前之波高計來率定波浪上升之高度，當無越波發生時，堤前之波高計能穩定測得波高值，而當越波量過大時，即表示堤前波高相當大，甚至超越波高計所能測得之範圍，此時越波量的考量比溯升高度的考量更具重要性。