Q&A

気候変動によって安定性が低下しやすい防波堤の条件とは？
寒冷沿岸域チ－ム

はじめに
2024 年 4 月、国土交通省港湾局は、港湾の施設の技術上の基準・同解説 1）の部分改訂 2）において、港湾施設の設計には、気候変動によって将来増大する外力を考慮するという方向性を打ち出しました。
気候変動による将来の波浪増大や海面上昇については、国内外で研究が進められています。その一例として、野村ら 3）は、将来の気温が 4 ℃上昇するシナリ
オの場合、北海道内の港湾施設の設計外力に使用する

図－1

合田式による波圧分布（港湾の施設の技術上の基準・同解説（平成 30 年改訂版）5）をもとに作図）

50 年確率波は、概ね 1 割程度増大すると予測しました。
今後、このような将来の設計外力増大に対応していくにあたり、特に既存施設の改良については、その優（1）

先順位を明確にする必要があります。そのためには、どのような条件の施設が、気候変動による外力増大の影響を受けやすいか（安定性が低下しやすいか）、一

ここで、β は堤体への波の入射角、α1 は波の周期が般的な条件を整理することが有効と考えられます。

長いほど波圧が大きくなる特性を表した波圧係数、λ1

本稿では、気候変動による外力増大の影響を受けや及び λ2 はブロック等の消波対策による低減係数、α*

すい防波堤について、防波堤の設置位置の水深や海底は、砕波圧に関する係数、ρ は水の密度、g は重力加勾配、波浪条件から検証した結果を紹介します。

速度、HD は堤体設置位置の設計波の波高（合田式では最大波高 H max を適用）です。式より、p 1 は H D（Hmax）の大きさに直接影響を受けることが分かりまＱ１：防波堤の設計において、波浪の外力はどのように算定しますか？

す。つまり、設計波高 Hmax が気候変動によってどのように変化するかを調べれば、防波堤の堤体に作用する外力がどの程度大きくなるのか（防波堤の安定性がＡ１：防波堤の設計では、荒天時の波浪、地震時の動どの程度低下しやすいのか）見当をつけることができ水圧といった外力に対して、防波堤の堤体が横にずれます。

動く滑動、堤体が倒れる転倒、基礎の耐力を評価する
地盤支持力及び堤体（主にケーソン）の部材耐力について検討します。そのうち、荒天時の波浪に対する外Ｑ２：防波堤の設置位置における最大波高 Hmax を求

力は、現在では、合田による波圧算定式 4）（以下、合める際に用いる換算沖波とは何ですか？

田式）により算定するのが標準となっています。合田
式により算定される波圧の分布を図－1 に示します。

Ａ２：防波堤を設計する際に用いる最大波高 Hmax を

防波堤の堤体に作用する全体の波力は式（1）に示す求めるためには、まず、海底地形の影響を受ける前静水面位置の波圧強度 p1 に概ね比例することから、の、十分沖合（水深が波長の 1/2 よりも大きい水域）

ここでは、式（1）を構成する要素について説明しまの波（沖波）の高さ H0 を求めます。次に、その沖波す。

が防波堤の位置まで伝搬するまでに、地形によってど50

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のように変化するかを算定します。沖波が防波堤の設置位置に伝搬するまでには、岬などの後ろに回り込む「回折」、水深の浅い方に向かって曲がる「屈折」、水深の変化によって波の高さや波長が変わる「浅水変形」、浅水域で波が崩れる「砕波変形」により、変形していきます。
そこで、通常は、沖波の変形計算を分かり易くするため、「回折」と「屈折」の影響がすでに考慮された換算沖波という概念を取り入れます。この換算沖波の概念を用いれば、波の「浅水変形」と「砕波変形」の影響のみで、波の変形を算定することができます。換算沖波の高さは、通常 H0’という記号を使い、式（2）図－2 換算沖波波高 H0’ に対する設計波波高 Hmax
（海底勾配 i ＝ 1/100, 水深 h ＝ 5.0, 10.0, 15.0, 20.0m）で表すことができます。
（2）

ここで、Kd は回折係数、Kr は屈折係数、H0 は沖波の波高です。

Ｑ３：沖波の波高が増大した場合、波力の算定に直接影響する防波堤の設置位置における設計波高は、どのような条件のときに大きくなりますか？

図－3 換算沖波波高 H0’ に対する設計波波高 Hmax
（水深 h ＝ 10.0 m, 海底勾配 i ＝ 1/10, 1/20, 1/50, 1/100）

Ａ３：合田による砕波波高の略算式 6）により導いた
換算沖波波高 H0’と防波堤設置位置における設計波高

い範囲ではグラフの傾きが大きく（ H0’が増大するとHmax の関係より、H0’の増大によって Hmax が大きくHmax も高い割合で増大する）、H0’が 9.0 m を超えるなる 2 つの条件を示します。と、それが頭打ちになります。つまり、換算沖波波高H0’が 9.0 m 以下であれば、防波堤の設置水深が h ＝（1）水深 h が換算沖波波高 H0’の 2 倍以上大きい条件

20 m の場合には、気候変動により H 0’が増大する

図－2 は、海底勾配 i ＝ 1/100 の条件で、水深 hと、防波堤設置位置の最大波高 Hmax も増大すること＝ 5.0，10.0，15.0，20.0 m 毎に、換算沖波波高 H0’となります。同様に、H0’が 7.0 m の条件では、h が※1と設計波高 Hmax の関係を示したものです 。換算沖15 m 以上の場合、同様の現象が生じます。

波波高 H0’が大きくなると、当然ながら、防波堤の設このような、換算沖波の波高 H0’に対して、防波堤置位置における最大波高 Hmax も大きくなる傾向があの設置水深 h が比較的大きい条件は、どこにあるのります。しかしながら、H0’が水深 h の 1/2 程度よりでしょうか。それは、例えば、もともと波が比較的穏も大きくなると、波は海底面の影響を受けて砕けるやかな湾内などに設置された防波堤がこれに該当しま（砕波する）ことになります。そのため、H max の大す。

きさは頭打ちとなります。言い換えると、水深 h がH0’の 2 倍程度よりも大きい条件では、H0’が増大し（2）急勾配の条件ても砕波が生じにくく、大きい波高を維持したまま防図－3 は、水深 h ＝ 10.0 m の条件で、海底勾配 i波堤の設置位置まで波が到達することとなります。図＝ 1/10，1/20，1/50，1/100 毎に、換算沖波波高－2 で具体的に見てみると、例えば、水深が h ＝ 20H0’と設計波高 Hmax の関係を示したものです※1。砕波m の条件では、換算沖波波高 H0’が 9.0 m より小さの影響で H0’がある大きさに達すると Hmax の大きさ

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表－1

モデル防波堤による気候変動に対する安定性の照査が頭打ちとなるのは、図－2 と同様ですが、海底勾配iが急なほど、頭打ちとなる Hmax が大きくなっていま

Ｑ４：波浪増大と海面水位上昇の影響を考慮した場合、防波堤の安定性はどのように変化しますか？

す。具体的に見てみると、海底勾配 i ＝ 1/100 の場合には、Hmax が頭打ちになる H0’は 4.5 m ですが、i ＝Ａ４：気候変動によって波浪の増大と海面水位の上昇1/10 の場合には、これが 7.0 m となります。これは、の双方が生じた場合、どのように防波堤の安定性が低海底勾配 i が急であるほど、砕波する波高が大きくな下するか、モデル防波堤を想定して検証しましょう。

り、沖の波は、大きい波高を維持したまま防波堤の設置位置まで到達することを示します。このことから、モデル防波堤の条件は、表－1 に示すとおり、波浪離島などに多い海底勾配が急な地形では、沖波の波高及び潮位の条件を、現行の条件と将来 4 ℃上昇の条が増大すると、防波堤設置位置の最大波高 Hmax も増件（沖波の波高 H0’が 0.7 m 増大、沖波の周期 T0 が大することとなります。

0.5s 増大、海面水位が 0.8 m 上昇）の 2 種類としました。なお、4 ℃上昇時の換算沖波の波高 H0’と周期以上より、湾内になど、もともと波が比較的穏やかT0 については、令和 3 年度北海道沿岸の海象変化及な場所に設置された防波堤、海底勾配が急な離島など

び港湾施設機能強化検討業務報告書 9）を基に設定しの防波堤は、気候変動により沖波の波高が増大するています。また、海面水位の上昇量は、気候変動に関と、防波堤設置位置における設計波高が大きくなるこする政府間パネル（IPCC）第 6 次評価報告書第 1 作とがわかります。すなわち、このような条件の場合、業部会報告書 10）を基に設定しています。同報告書で気候変動によって沖波の波高が増大すると、防波堤のは、海面の上昇量は、RCP8.5 のシナリオ（特段の気安定性が低下する可能性が高くなります。

候変動対策を行わなかったと想定）で、西暦 2100 年に 80 cm程度とされています。

※１：図－2 と図－3 における Hmax の値については、

ケース 1 及びケース 2 は、ともに海底勾配 i ＝換算沖波の波高 H0’と波長 L0 の比である波形1/100 であり、h ＝ 7.6 m 及び 13.7 m と水深の違い

勾配 H0’/ L0 に依存します。ここでは、Tobaを確認するものです。また、ケース 1 及びケース 37）

は、ともに水深 h ＝ 7.6 m であり、i ＝ 1/100 及び及び合田8）による、有義波高と有義波周期の関係式を用いて、北海道内の港湾及び漁港に1/10 と海底勾配の違いを確認するものです。

おける沖波の波高 H 0 及び周期 T 0 の分布か

Q3 への回答では、防波堤の設計波である最大波高ら、H0 と T0 の関数（式（3））を導きました。

H max の変化から防波堤の安定性低下条件の見当をつ

波の周期 T0 がわかればその波長 L0 が決まりまけました。ここでは、防波堤の静水面の高さに作用すすので、式（3）を用いて波形勾配 H0’/ L0 をる波圧 p1 を求める式（1）を用いて、気候変動による求め、任意の換算沖波 H 0’波高に対する Hmax

換算沖波の増大分と海水面の上昇量から、防波堤の安を求めることができます。

定性を示す「作用耐力比」を各ケースで算定しました。海面水位の上昇は、堤体に作用する浮力の増加、（3）

波浪変形の変化による Hmax の変化（波圧そのものの変化）、波圧の作用位置の変化の 3 つの要素で、作用耐52

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力比の変化に影響※2します。

https://www.phaj.or.jp/book/kowan-seigo-r60415.html（2024 年 4 月 30 日確認）

※2：多くの場合には防波堤の安定性が低下します。

3） 野村明弘，佐藤典之，石川浩希，早川哲也，岩﨑慎介，大塚淳一，森信人，渡部靖憲：d4pdfを用

なお、「作用耐力比」は、その値が大きいほど、耐いた設計波高の将来変化の効率的な推計手法，土力に対して作用力が大きいことを意味し、その値が大木学会論文集B2（海岸工学），Vol.78，No.2，きいほど不安定であることを示します。将来気温が 4

pp.I_937-I_942，2022．

℃上昇した場合、作用耐力比の増加率は、ケース 14） 合田良実：防波堤の設計波圧に関する研究，港湾より水深の大きいケース 2 の方が大きくなります。

技術研究所報告，第 12 巻 3 号，pp.31-69，1973．

また、ケース 1 より急勾配であるケース 3 の同増加

5） 公益社団法人日本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説（平成 30 年改訂版），p.215，2018．

率が大きくなります。
このように、海面水位が上昇すると、前述の 3 つ

6） 公益社団法人日本港湾協会：港湾の施設の技術上の要素により作用耐力比が（多くの場合には防波堤がの基準・同解説（平成 30 年改訂版），pp.162-163，不安定になる方向に）変化します。さらに、防波堤の2018．

設置水深が大きいケース、急勾配の条件では、波浪増

7） Toba, Y.: Local Balance in the Air-Sea Boundary

大の影響により、防波堤の安定性がさらに低下するとProcesses, Journal of the Oceanographical

言えます。

Society of Japan., Vol.28, pp. 109-121, June, 1972.
（文責：平野誠治）

8） 合田良実：Wilson推定式による波浪の簡易計算について，ECOH/YG 技術論文，No.1，3p.，2002．
9） 北海道開発局：北海道沿岸の海象変化及び港湾施

参考文献

設機能強化検討業務，I 本編，pp.3-31-3-35，2022．
1） 公益社団法人日本港湾協会：港湾の施設の技術上

10）気候変動に関する政府間パネル（IPCC）：第 6 次の基準・同解説（平成 30 年改訂版），2018．

評価報告書第 1 作業部会報告書，2021．[The2） 公益社団法人日本港湾協会：『港湾の施設の技術

Intergovernmental Panel on Climate Change,上の基準・同解説』部分改訂及び正誤表について，

Sixth Assessment Report, The Physical Science Basis,2024．

2021.]

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