防波堤に作用する波力・波圧の構造物特性に関する研究
水圏防災工学研究室 木津俊輔
指導教員 細山田得三
1. 研究目的
防波堤は，外洋から打ち寄せる波を防ぎ，港湾の内(2) 防波堤モデル部を安静に保つことや，津波や高潮の被害から陸域を本実験では直立堤の水面から天端までの距離を守るために設置されている．防波堤の設計は波の作用変化させた際の波圧の変化の比較と，ケーソンの力を的確に算定する必要があり，現在は合田によって前面に消波ブロックを設置し，波高の変化や衝撃提案された合田式が設計波力計算に用いられている．

砕波圧による波高の変化を調べる。直立堤防モデ

1)2)

ルと消波ブロックを設置した概要図を図 2，3 に示

本研究では VOF 法による数値波動水路プログラムす。

CADMAS-SURF を用いて様々な条件で数値解析を行い，合田式と比較して検証することを目的とする．

(3) CADMAS-SURF

また，CADMAS に対して他の要素を加えた際に合田式与えられる条件は(1)の合田式と同じとする．防からどのように値が変化するのか，CADMAS でどのよ波堤に津波が作用すると，港内外水位差が発生すうに表現し，評価できるのかを調べる．

ることによってマウンド内に浸透流が発生するため，マウンド部は POROUS 設定とする．また，入射2. 解析条件

波は規則波とする．

(1) 合田式
図 1 に合田式の略図を示す．3)与える条件(4) 通過波検定

は h=12m,h’=8m,d=6.5m,ℎ𝑐 =2.0,3.0,4.0m の 3 パタ

防波堤設置位置における最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥を求めるたーンの混成防波堤に，通過波検定で得られた最大めに行う．CADMAS 内で地形データと波高計の設定を波高𝐻𝑚𝑎𝑥,周期 T=11s の波がθ=0°で入射するもの行い，沖波を発生させる．堤防設置位置は 700m 地点とする．図に対して左側から波が押し寄せる設定とし，波高計より得られた水位変動のデータをグラとし，水深面での波圧 P1，堤防の底面 P3，堤防のフ化し，最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥 を求める．本研究では，1.0m天端地における波圧 P4，を求める．

～6.0m の 6 つのケースで通過波検定を行った．

図 2 直立堤防モデル

図 1 合田式の略図

図 3 防波堤概要図

(5) 消波ブロックを設置するケース

𝑝3，堤防の天端地における波圧𝑝4を最大波高Hmaxご与える条件は(1)で示した条件を基本とし，通過波とに一例を表 2 に示す。表 2 から，水深面での波圧検定で得られる最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥 を用いて計算を行う．

𝑝1，堤防の底面𝑝3は変化せず，水面から天端までの距ケーソンの前面に消波ブロックを設置し，衝撃砕波離が短くなることによって堤防の天端地における波圧について求める．この時，消波ブロックの高さ位置圧𝑝4が変化することが分かる。

を 8~16m 内で 4m ずつ変えて解析を行い，波高の変化

表 2 合田式による波圧の比較や衝撃砕波圧による波圧の変化を求める．また，消波項目

ブロックの空隙率は 50%とし，POROUS 設定とする．
4)5)

3. 解析結果

p1(kPa) p3(kPa) p4(kPa)

天端2m

33.71

29.39

21.23

天端3m

33.71

29.39

14.98

天端4m

33.71

29.39

8.74

(1) 通過波検定
得られた水位データから水位の時系列のグラフを作製し，最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥を求めた．一例として，沖波
波高 1.0m の時のグラフを図 4 に，結果を表 1 に示す．表 1 より，沖波波高 3.0~6.0m の範囲では最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥 が減少していることが分かった．ここで求めたHmaxを用いて，合田式の計算を行う。

(3) CADMAS-SURF による波圧の時系列変化
堤防の前面に波圧計を設置し，得られた波圧デー
タから波圧の時系列グラフを作製した．一例を図 5に示す．図 5 より，規則波で解析を回しているため波圧の変動は概ね同じ形になっていることが分かる．
また，堤防の底面𝑝3は静水圧を引く必要がある．

13.000水位変動

1.20E+05

12.500p3

p4

1.00E+05

11.5008.00E+04

11.000

圧力(Pa)

水位(m)p1
12.00010.50010.000
0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

6.00E+04

4.00E+04

時間(s)

図 4 通過波検定

2.00E+04

表 1 通過波検定結果

0.00E+00
0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

時間(s)

沖波波高(m)

最大波高Hmax(m)

ケース1

1.0

1.0

ケース2

2.0

2.0

ケース3

3.0

2.8

ケース4

4.0

3.6

合田式と CADMAS-SURF より求めた水深面での波圧

ケース55.04.2

ケース66.02.4

𝑝1，堤防の底面𝑝3，堤防の天端地における波圧𝑝4の比

図 5 波圧の時系列(4) 合田式と CADMAS-SURF の比較

較を図 6 に示す。図 6 より，堤防の底面𝑝3では概ね良いデータが得られたが，水深面での波圧𝑝1は CADMAS(2) 合田式
合田式より求めた水深面での波圧𝑝1 ，堤防の底面寄り，堤防の天端地における波圧𝑝4は合田式寄りの結果となった．

1.20E+04

1.00E+04

ケーソンのみ消波ブロック8m

消波ブロック12m

消波ブロック16m

圧力(Pa)

8.00E+03

6.00E+03

4.00E+03

2.00E+03

0.00E+00
150.0

152.0

154.0 時間(s) 156.0

158.0160.0

図 8 堤防の天端地における波圧の比較

4． まとめ本研究で行った通過波検定を比較すると，沖波波

図 6 波圧比較高に対して最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥 が小さくなっている領域があることから，波高が大きくなるにつれて，減衰が働(5) 消波ブロック設置時の波高と波圧の変化
消波ブロック設置時の波高の変化を図 7，堤防の天端地における波圧𝑝4を図 8 に示す．図 7,8 より，消波ブロックの高さ位置を 16m とした際は波高，波圧ともに減少し，波圧がほとんど発生していなかったことが分かる．一方で，ケーソンのみの場合と消波ブロックの高さ位置 8m と 12m の際を比較すると，消波ブロックを設置した際の方が大きくなっていることが分かる．また，消波ブロックの高さ位置 12m のグラフは他と比較して曲線が乱れていることが分かる．

いているのではないかと考えることが出来る．また，
沖波波高 6.0m の通過波検定は最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥 が 2．4mと沖波波高に対して非常に小さい値となっていることから，沖波が砕波してしまったことで最大波高𝐻𝑚𝑎𝑥が小さくなってしまったのではないかと考えられる．
解析で得られた表 2 より，水深面での波圧𝑝1，堤防の底面𝑝3 はどの条件でもそれぞれ同じ値が得られた。一方，堤防の天端地における波圧𝑝4は天端が小さくなるほど波圧が大きくなっているため，天端の大きさによって波の作用状況，波圧ともに変化するこ

20.000ケーソンのみ消波ブロック12m

18.000消波ブロック8m
消波ブロック16mとが把握できた．

水位(m)

図 6 の波圧比較より，水深面での波圧𝑝1，堤防の16.000

天端地における波圧𝑝4 は理論値に近い結果が得られ14.000なかった。それぞれの波圧が大きくなると合田式寄12.000りになることから，合田式が安全気味に設計計算されている可能性がある．

10.000

図 7 で消波ブロックの高さ位置 16m は波高が減少
8.000
140.0145.0150.0

時間(s)図 7 波高比較

155.0160.0しており，消波ブロックが作用していることが分かる．一方で高さ位置 8m の際はケーソンのみの場合と比較してほぼ変化していないため，消波に対して消波ブロックの効力は高さが関係すると考えることが出来る．また，消波ブロックの高さ位置が 8m，12m の際，堤防の天端地の波圧𝑃4 がケーソンのみの場合よりも大きくなった．このことから，消波ブロックの被覆度合いによって波圧は変化し，今回のように逆に大きくなることが分かった．
最後に，天端の高さを変更し，波の条件を増やしたことによって，より詳しい合田式と CADMAS-SURF の比較を行うことが出来た．しかし，得られた要素に不十分な箇所があったため，再検討を行う必要がある．
本研究では，規則波で解析を行ったが，実際は不規則波であったり，津波が発生する事例が存在するた
め，不規則波や津波のケースで解析を検討する必要がある．
参考文献
1) 谷本勝利，本浩司，石塚修次，合田良美：防波堤の設計波力算定式についての検討
第 23 回海岸工学講演会論文集，p11-16,1976
https://www.jstage.jst.go.jp/article/proce1970/23/
0/23_0_11/_pdf
2) 本浩司，南兼一郎，佐藤秀樹：防波堤の設計波力算定式についての検討
港湾技研資料，No.270,1977
https://www.pari.go.jp/search-pdf/no0270.pdf
3) 土木系大学講義シリーズ

海岸工学

コロナ社 服部昌太郎著
4) 高垣清和，Ahn Sungmo, Hochan Lee, 辻本剛三，
和田明浩，園田泰敏，川谷親稔，園田勝敏：新型 1
層積消波ブロックの研究開発
土木学会論文集 B2(海岸工学)，Vol 72 No.2 Ⅰ_889-Ⅰ_894，2016
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kaigan/72/2/72_I_889/_pdf/-char/ja
5) 株式会社 不動テトラ ホームページ：テトラポッ
ド パンフレットhttps://www.fudotetra.co.jp/wpcontent/uploads/2019/09/tetrapod_fig07_R.pdf