技−６不連続消波工に起因する波力増大特性について北海道開発土木研究所港湾研究室 ○長谷一矢山本泰司まえがきケーソン式防波堤では、施設計画上、 23.0 8.1 +6.7 消波ブロックで被覆された断面と被覆さ 3 4/ 1：様な場合、断面が変化する箇所において消波ブロックの被覆高や被覆幅が変化す -8.0 10.2 1 ：3 1 ：3 捨石マウンド -17.2 波圧計消波ブロックなしのマウンドる不連続消波部が形成される。不連続消変位計 -11.0 6.7 -13.5 モルタル固定床 1：100勾配ケーソン 20.0×23.0×16.0 -5.0 消波ブロック 80t 型れない断面が連続することがある。この単位： m +5.0 +3.0 +1.5 0.0 -2.0 H.W.L. +1.5 図－１堤体断面波部では波が急に砕け、衝撃砕波力が発生し、波力増大を引き起こすことはよく知られている模型縮尺 1/50 4.8 １），２）。 2.6 2.2 0.4 筆者らは、不連続消波工に起因する波 1：4/3 力増大の影響範囲について調べるため、 0.4 0.4 0.46 消波ブロック水理模型実験を行った。その結果、波力 0.4 1：2 1：3 No.1 No.2 1：3 1：4/3 1：4/3 測定対象堤体 β=0° 増大の影響は不連続消波部のみならず、単位： m 不規則波隣接する堤体にまで及んでいることがわ図－２堤体設置状況かった。本報告は、この現象について実験結果により示すものである。波圧実験と滑動実験である。堤体前面には波圧計を、堤体背後には変位計を設置して測定を行った。１実験の概要１．１実験条件１．２波圧実験実験は、長さ 20.0m、幅 33.0m、深さ図－３は堤体模型の正面図である。図 3.0m の平面水槽において実施した。堤体に示す様に、不連続消波部に対して 1～ 3 模型は図－１に示す堤体断面を 1/50 に側線を設定し、各側線毎に鉛直方向 8 箇縮尺し、図－２に示すように堤体模型を所の波圧を測定した。同時に、静水面に並べ、ほぼ中央に不連続消波部が位置す 40.0 40.0 H m a x =25.6cm、有義波高 H 1 / 3 =17.4cm、 40.4 るように設置した。実験波は、最大波高 +7.0 +3.0 0.0 -3.0 -7.0 消波ブロック波圧計有義波周期 T 1 / 3 =1.82sec （現地換算： H m a x =12.8 m、H 1 / 3 =8.7m、T 1 / 3 =1 2.9sec） Kazuya Hase, Yasu ji Yamamoto -19.0 -25.0 13.5 13.5 13.5 13.5 側線 1 の不規則波であり、波の入射角度 β =0° で作用波数 250 波とした。実験項目は、 -13.0 図－３側線 2 13.5 13.5 13.5 13.5 側線 3 波圧計設置位置単位： cm おいて水平方向 9 箇所の波圧測定を行っ３た。また、図－２の堤体模型について消３．１実験結果と考察波ブロックを全て撤去又は全体に被覆す不連続消波部で発生する衝撃砕波力ることにより、混成堤及び消波ブロック図－６は、混成堤、消波ブロック被覆被覆堤として不連続消波部と同様に波圧堤及び不連続消波部に作用する測線 1～実験を行っている。波圧測定は、瞬間的 3 の鉛直波圧分布を示している。縦軸は、に作用する衝撃砕波圧を捕らえるため、図－３に示す波圧測定位置を示しており、サンプリング周波数 500Hz で行ってい静水面が Y=0 の位置となる。横軸は作用る。波数 250 波中で波圧合力が最大となる瞬間の波圧を示している。測定は各測線毎１．３に 3 回行っており、その平均値をプロッ滑動実験図－１に示す様に、堤体背後下部両端 20 動量を測定した。模型堤体底面はモルタルとしており、実海域におけるケーソンと砕石マウンドの摩擦係数 0.6 になるように粗度をつけている。測定位置　Y(cm) に設置した 2 本の変位計により堤体の滑混成堤 10 0 -10 測線1 測線2 測線3 計算値 -20 対象とした堤体模型は図－４に示す堤体 No.1、堤体 No.2 の 2 函及び両堤体の -30 0 中間に位置するように設置した堤体 No.3 について実施している。実験は、250 5 10 15 波圧　p(KN/m2) 消波ブロック被覆堤ンド天端面を整えることにより、マウンドと模型堤体底面との摩擦力が常に一定 10 測定位置　Y(cm) 測定を行った。尚、1 回の測定毎にマウ 0 -10 測線1 測線2 測線3 計算値 -20 となるようにした。 -30 また、波圧実験と同様に混成堤と消波 0 5 ブロック被覆堤における滑動実験も行っている。 No.2 20.0 20.0 20.0 20.0 滑動実験堤体 20 25 不連続部 10 測定位置　Y(cm) 40.4 No.3 単位： cm 消波ブロック図－４ 10 15 波圧　p(KN/m2) 20 No.1 25 20 波の不規則波を作用させ、堤体重量を段階的に変化させながら繰り返し滑動量の 20 0 測線 1 -10 測線 2 -20 測線 3 測線1 測線2 測線3 計算値(測線1) 計算値(測線2) 計算値(測線3) -30 0 5 図－６ 10 15 波圧　p(KN/m2) 波圧分布 20 25 3 トした。また、図中には計算値もあわせ値は、各測線での断面形状における波圧である。混成堤の波圧分布を見ると、静水面付近から上方にかけて波圧がやや大きくな波圧合力　P(KN/m) て示している。尚、不連続消波部の計算 1.5 1 0.5 0 0.2 0.4 0.6 時間　t(sec) 3 のことから、設定した実験波が模型堤体計算値測線３ 2 1.5 1 0.5 0 0.2 0.4 0.6 時間　t(sec) 波圧のピークが現れる鉛直位置が測線 3 各測線における消波ブロックの被覆高さ 2.5 面よりも上方で現れたものと思われる。図－７は、図－６で示した最大波圧合力が発生した 1 波について、波圧合力の波圧合力　P(KN/m) 1,2 と測線 3 で異なっているが、これは押し上げられ、波圧のピーク位置が静水 0.8 1 実験値不連続消波部計算値測線３ 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 0 0.2 0.4 0.6 時間　t(sec) 経時変化を示したものである。ここでは一例として、測線 3 についてのみ示して実験値 -0.5 が発生していることが確認できる。また、の場合、消波ブロックにより波が上方に 1 0 験の不連続消波部において、衝撃砕波力が関係していると考えられる。測線 1,2 0.8 消波ブロック被覆堤 2.5 波圧合力　P(KN/m) いることがわかる。このことから、本実測線３ -0.5 ついては計算値とよく一致している。こ成堤よりもかなり大きな波圧が作用して計算値 2 いるようである。消波ブロック被覆堤に不連続消波部の波圧分布を見ると、混実験値 0 っているものの、概ね計算値と一致してに作用していると判断できる。混成堤 2.5 図－７ 0.8 1 波圧合力の経時変化いる。また、図中には計算値もあわせて示している。不連続消波部の波圧合力の変化を見るするものではなく、計算では堤体の滑動に影響する有効な波圧が算出されるためと、波圧合力のピーク値は大きいが、混である。図－６の不連続消波部において、成堤に比べると立ち上がりが鋭く、作用波圧測定値よりも計算値が小さいのもこ時間が非常に短くなっている。これは衝のためである。撃砕波力の特徴であり、このことからも本実験の不連続消波部において衝撃砕波３．２波圧増大の影響範囲力が発生していることが確認できる。ま不連続消波工により発生する衝撃砕波た、計算値が測定値のピークよりも小さ力の発生範囲を調べるため、波圧の水平くなっているが、これは瞬間的に作用す分布を求めた。る衝撃砕波力の全てが堤体の滑動に影響図－８は、図－６に示した波圧測定結波圧合力　P(KN/m) 5 4 測線1 測線2 測線3 実験値 d/h=0 BM/L=0.092 d/h=0.26 BM/L=0.134 d/h=0.53 BM/L=0.176 計算値も波圧のピーク位置は計算上のピーク位置よりも右方向にあると思われる。した d/h=0.34 BM/L=0.147 がって、不連続消波部で発生する衝撃砕 3 堤体No.1 波力は計算よりも広い範囲に作用してい堤体No.2 2 るのではないかと推察される。 1 そこで、不連続消波部を含む広範囲の波圧分布を調べるため、静水面の高さで 0 0 10 20 30 40 測定位置　X(cm) 50 60 水平方向 9 箇所の波圧測定を行った。図－９は、静水面高さにおける波圧の図－８波圧合力の水平分布果を基に、波圧合力の水平分布を示したものである。各測線における値は 3 回の測定結果の平均値である。図中には計算（断面分割法３））により求めた波圧合力の水平分布をあわせて示している。横軸の測定位置 X は、不連続消波部の法肩を X=0 として表示している。また、図中には各測線における断面形状から d/h 、水平分布を示したものであり、測定範囲は不連続消波部を中心に両側 30cm 程度までとしている。この値は、図－６における波圧測定と同時に測定したものであり、各測線で最大波圧合力が発生した 1 波に着目し、この１波中での静水面高さ 9 箇所の最大波圧を示したものである。測定回数は合計 9 回であり、図にはその平均値をプロットしている。 B M /L の値を求めて示している。ここで、 25 実験値 d は静水面から消波ブロックの被覆高さクの被覆幅、L は実験波の波長である。図より、計算により求めた波圧分布を 20 2 波圧　p (KN/m ) までの距離、h は水深、B M は消波ブロッ 15 堤体No.1 5 考えた場合、本実験において衝撃砕波力 0 -40 -20 る。しかし、実験値を見ると、側線 1 から側線 3 にかけて波圧合力は増加傾向にあり、この図からは実際の波圧分布の全体像を読み取ることができない。しかし、計算により求めた波圧分布を参考にすると、測線 2 （ d/h=0.28 、 B M /L=0.13 4 ）の方が測線 3 （ d/h=0.53 、 B M /L=0.17 6）よりも波圧合力が計算上大きくなることから、実験値の大小関係が全く逆であることを考えると、少なくと 0 20 40 60 80 100 測定位置　X(cm) B M /L=0.14 7 で波圧合力の最大値を示し、全体として山なりの分布形状となってい堤体No.2 10 みると、消波ブロックを砕石マウンドとが最も発生し易い条件である d/h=0.34、計算値測線1 測線2 測線3 図－９静水面における波圧分布図より、波圧の水平分布は計算により求めた波圧分布と同様に、山なりの形状をしている。そして、図－８と同様に、測線 1 から測線 3 にかけて波圧は増加傾向にあり、測線 3 をピークに波圧が低下しはじめ、 X=80cm 付近で混成堤の計算値と同等になっている。計算により求めた波圧分布と比較すると、実際にはより広範囲に不連続消波工に起因して発生する衝撃砕波力の影響が及んでいるようで 30 体にもこの影響が及んでいることは、着 25 目すべき点であると考える。そこで、波圧実験で調べた衝撃砕波力の発生範囲、言い換えると、不連続消波工に起因する波力増大の影響範囲を確認滑動量　X (mm) ある。特に、不連続消波部に隣接する堤混成堤消波ブロック被覆堤消波ブロック被覆堤不連続消波部(No.1) 不連続消波部(No.2) 混成堤 1.2 1 20 不連続消波部(No.3) 0.8 計算重量 0.6 15 系列1 250波 0.4 0.2 No.2 0 10 0 2 00 40 0 60 0 800 1 000 120 0 No.1 14 00 5 するため、滑動実験を行った。滑動判定基準 0 0 ３．３ 500 1000 堤体水中重量　W (N) 堤体滑動実験結果図－１０図－１０は、混成堤、消波ブロック被滑動実験結果覆堤及び不連続消波部における滑動実験結果を示している。実験方法については表－１滑動限界重量１．３で示した通りである。横軸は堤体混成堤 No.1 No.2 No.3 実験値 482 718 786 827 1128 計算値 545 718 1090 780 －水中重量を示し、縦軸は 250 波作用後の滑動量を示している。混成堤、不連続消単位　：　N 不連続消波部消波ブロック被覆堤波部の実験については、複数回実験を行い、その平均値をプロットした。そして、方が大きいが、実験では堤体 No.2 の方この値を基に実験曲線を外挿している。が堤体 No.1 よりも全体的に滑動量が大図中の点線は混成堤、消波ブロック被きくなっている。つまり、堤体 No.2 の覆堤、不連続消波部の堤体 No.1 、 No.2 方が堤体 No.1 よりも強い波力を受けてについて、計算上の滑動限界重量を示しいることを意味している。表－１に示したものである。不連続消波部における計た滑動限界重量に着目して実験値と計算算値は断面分割法により求めた値である。値を比較すると、堤体 No.1 の実験値は実験結果から滑動限界重量を読み取る計算値の約 0.７倍、堤体 No.2 の実験値ため、滑動判定基準を滑動量 1mm としは計算値の約 1.1 倍となっている。これた。これは、混成堤で計算と実験の滑動は、図－９で示した様な波圧分布の影響限界重量が一致する様に設定したものでであると考えられる。実際の波圧分布があり、混成堤の計算重量（点線）と実験計算により求めた波圧分布と同じ様な形曲線が交差する点の滑動量から決定して状をしていることから、実際の波圧のピいる。実験結果から得られる滑動限界重ーク位置が計算から求まるピーク位置よ量と計算上の滑動限界重量については、りも堤体 No.2 側へずれているため、堤表－１に示す通りである。体 No.1 に作用する波圧が計算値に比べ不連続消波部の堤体 No.1、 No.2 に着て小さくなり、逆に、堤体 No.2 に作用目すると、混成堤よりも滑動量が全体的する波圧が大きくなったと考えられる。に大きくなっている。これは、不連続消そこで、波圧ピーク位置が堤体の滑動波工に起因して発生した衝撃砕波力によに及ぼす影響を確認するため、波圧のピる波圧増大の影響であると考えられる。ーク位置が堤体の中央に位置する堤体図中の計算により求めた滑動限界重量 No.3 で滑動実験を行った。この実験結果を見ると、堤体 No.2 よりも堤体 No.1 のについても図－１０にあわせて示している。図より、堤体 No.3 の滑動量は堤体連続消波工に起因して発生する衝撃砕波力の最も強く作用する位置（波圧ピーク No.1、No.2 に比べて全体的に大きくなっ位置）が関係しているものと考えられる。ていることがわかる。そして、滑動限界現状では、不連続消波部に隣接する領重量に着目すると、堤体 No.1、 No.2 と域の波圧増大を適切に算定する手法は提堤体 No.3 の値の差は大きく、堤体 No.3 案されていないが、今後、種々の条件下は非常に大きな波力を受けているもと考で実験を行うことにより、適切な算定手えられる。このことから、波圧のピーク法を検討することができるのではないか位置は図－９に示された位置に存在してと考えている。いることが確認できる。また、堤体を No.1 から No.3 にずらし参考文献て測定したことにより、堤体 No.3 の滑 1)鴻上雄三・時川和夫：施工段階におけ動限界重量が、計算により求めた堤体る消波工の波圧減殺効果に関する実験 No.1 の滑動限界重量に近い値を示した。的研究、海岸工学論文集、第 17 巻、このことから、不連続消波工に起因して pp.205-210、 1970. 発生する衝撃砕波力のピーク位置が、堤 2)谷本勝利・高橋重雄・北谷高雄：混成体の滑動に及ぼす影響は大きいものと考防波堤のマウンド形状による衝撃砕波えられる。力の発生と対策について、港湾技術研究所報告、Vol.20、No.2、pp.3-39、1981. あとがき 3)塩見雅樹・山本浩・津川昭博・黒沢忠不連続消波工に起因する波力増大が、男・永松宏一：消波ブロック不連続部不連続消波部のみならず、隣接する堤体の波力増大による防波堤の被災とそのにまで及ぶ現象を実験結果により示した。対策に関する研究、海岸工学論文集、この様な現象が起こる要因として、不第 41 巻、 pp.793-795、 1994.