フジタ技術研究報告第 44 号 2008 年

礫材の消波機能を活用した長周期波浪対策施設の現地適用技術

永 瀬 恭 一概押 村 嘉 人＊

要

港湾に外洋から侵入する長周期波浪波対策が早急に求められている。これまで、礫材を用いた消波技術について検討を行ってきたが、新たに透水性を持たせるためにスリットを設けた L 型ブロック係船岸を用いた方法を提案して、水理実験ならびに数値解析によりその水理特性を検証した。また、これまでに検討を行ってきたいくつかの形態を有する構造物の消波特性を比較して、実際の港湾で活用する場合の検討資料として整理した。

Developments of long period wave absorbing systems using gravel materials
and their applicability to harbours
Abstract
Long period waves cause large surging motions in mooring cargo vessels due to resonance. This cancause interruptions to cargo handling and even break mooring ropes when the ship’s surging motion
becomes extremely large. In order to cope with this problem and to reduce the wave height of the long
period wave in harbors, a wave-absorbing technology using gravel materials was previouslydeveloped. In addition, a berth system using an L-shaped double faced slit caisson backed by a rubble
layer and filled with gravel materials was developed. In this report, the hydraulic characteristics ofthe newly developed berth system were examined by using wave performance model experimentsand numerical analysis. Also, comparisons among the developed systems were made to show theapplicability of each system to the actual harbours.

キーワード： 長周期波 L 型ブロック係船岸* 土木本部

礫材 MARS 法－61－フジタ技術研究報告 第 44 号a)捨石透過堤c)両面スリットケーソン+消波層

B

B

波除堤
DD

捨石堤
捨石堤

b)捨石不透過堤d)スリット付L型ブロック+消波層
B

B

捨石堤
係船岸

D

係船岸

係船岸

D

図 2 港湾内での利用形態§２．長周期波対策護岸の概要と検討方法

図 1 港湾内での長周期対策施設の設置位置§１．はじめに(1)消波層を用いた長周期対策技術
透水層を用いた長周期対策護岸施設は、礫材を投入

港湾に入射する長周期波浪は、波高が小さくとも船舶することで消波機能を発揮することができ、透過構造にす全体の動揺を誘発し、荷役障害や係留索の切断など事ることや礫材と消波ブロックだけの構成で建設すれば、比１）故の原因となるため、対策が早急に求められている 。著

較的地盤の悪い海域でも建設できるなどの利点がある。

者らは、海中に投入した巨礫のエネルギー損失を確保しまた、施設へ斜めに入射した場合でも、消波機能は確保て反射波を低減させる対策法について、水理模型実験される。一方で、比較的大きな空間を必要として、これまや数値解析を通して検証を続けてきた 2)、3)。他にも、導水での研究 3) で明らかにした長周期波の低減に効果がある板を利用してケーソン内で渦を発生させてエネルギー損

奥行き 30m 程度の施設を港湾内で建設するには、様々失を図って消波する方法

4)、共振効果を利用した方法

5)な制約がある。したがって、実港湾で計画する場合にはなどが提案されている。

静穏度確保のために理想的な部分だけではなく、様々な著者らが、研究の当初に検討していた対策工法は 2 重海域への適用が考えられる。図 1 は、実際の港湾での活スリットケーソンの背後に、直径 30～80cm 程度の巨礫を用するための用途や設置が考えられる部分を示したもの投入するもので、その効果については高潮対策用に建設である。

された同様の施設において、現地観測を行い長周期波また、様々な設置場所の条件に対応した具体的な方法

浪に対する消波効果の確認などが行われている 6)。

として、図 2 に示すような 4 つの形態が考えられる 7)。a)は一般に、長周期波浪に対応するには波長に比例して波除堤など透過堤として活用するもので、b)は防波堤の大きな空間の確保が必要であり実際の港湾で長周期波前面に礫材のみを投入した場合である。c)および d)は船浪の低減のための施設を建設するには、港湾の形状や舶の接岸や施設の小型化のため係船岸や両面スリットケ設置可能な場所に適した構造・規模にする必要があり、ーソンの背後に礫を投入したものである。

省スペース化かつ低コスト化が求められる。

本研究では、a)ならびに新しくｄ）の構造物に対して数そこで、これらの課題を克服するために、スリットケーソ値解析、水理模型実験によりその特性を明らかにする。

ン以外にも、L 型ブロック係船岸を応用した構造物や、礫(2) 検討方法

材のみを海中に投入して透水層のみを建設する工法の解析は、3 次元で水－空気混相を対象として、波面解採用が現実的である。本研究は、実用化を強く念頭にお析 が 可 能 な MARS (Multi-Advection Reconstruction

いて L 型ブロック係船岸を応用した構造物の長周期波低Solver)法 8) でこれまで長周期波施設の検討などに用いて減効果について、水理模型実験を行って検証した。また、

いる 2)。波浪は造波ソースを用いて入射させ、反射波はエ

長周期波は波長や構造物が大きい割に波高が小さく、従ネルギー吸収層を設置して吸収させた。消波層での圧力来の構造物にくらべて水理模型実験の実施が難しいこと

損失は、Dupuit-Fochheimer 則 9)，10)を用いて計算を行う。

から、MARS 法を応用した数値解析 7)によって検証する。

Dupuit-Forchheimer 則による圧力損失は，以上の検討から、実用化の計画や設計に際して、利用可−能な資料を整理することを目的とする。

－62－

1 dp

ρ dx= (α + β q )q（１）

礫材の消波機能を活用した長周期波浪対策施設の現地適用技術

既存

製作
P1

塩ビ管(Φ250）

P2

往復流

往復流A

M

P

電磁流量計

往復流発生装置400

圧力センサー

P1，P2圧力センサー

圧力センサー

250

塩ビ管(Φ150）

試料(砕石）
メッシュ
700
A-A部詳細図 3 透水試験装置

写真 1 試験容器

図 4 スリット付 L 型ブロック係船岸

写真 2 造波実験の状況§３．スリット付 L 形ブロックを用いた対策施設で与えられ、αとβは、
α = α0(1 − λ )λ2

3µd2, β = β01− λ 1
λ3 d（２）消波層による長周期波対策施設を、船舶が接岸する必要のある部分に建設する場合には、これまで、図 2 に示である。ここに、ｄ：礫材の粒径、λ： 空隙率、 q = λu でα 0 , β 0 は透水層を構成している材料から求まる係数である。

した c)のような両面にスリットを設けて波浪が透過するようこの係数を決定するために、図 3 に示す装置で透水試験をなケーソンを建設して、その背後に透水層を設置する方行った。直径 250mm、長さ 700mm の塩ビ管の両端に金属法を検討してきた。しかしながら、港湾内ではスペースの製の網を取り付け、その内部に試験を行う砕石ならびにコ確保が困難な場合が多く、省スペース化やコストダウンをンクリートブロックの模型を充填した。塩ビ管の片側に往復求められる。係船岸として利用される部分や港湾奥のこ流発生装置を取り付け、電磁流量計で流量を制御しながられらの海域では比較的波浪が小さい場合が多い。そこで、通水し、塩ビ管の２点に据え付けた圧力センサーによってこれらの海域で利用する係船岸の形式として、L 型ブロッ水圧を測定した。２点の圧力差と流速から係数 α 0 , β 0 を算

ク係船岸が提案されている 11)。図 4 に示すように、L 型ブ出した。一方、模型実験は、縮尺 1/20 として行い、消波ロック係船岸にスリットを設けて、その背後に 30 m 程度の層には d50=30 mm(模型値)の砕石を用いた。

透水層を設ける方法を提案する。また、写真 2 は水理模型実験の状況である。このような構造物にすることで、省入射波は現地スケールで、T=8、15、30、45、60、100s

スペース化と多目的利用が可能になる。の規則波を標準とし、必要に応じて f=0.001～0.050Hz の50 波を重ね合わせたホワイトノイズ、孤立波を用いた。入スリットの開口率に関しては、これまで両面スリットケー射波高は現地での長周期波浪は 10 cm 程度ではあるが、ソンを用いた検討で 50％と 20％について検討を行ってき解析での分解能を確保するため H=1 m とした。

たが、大きな違いが見られなかったので構造上有利な20％を採用した。
消波機能の検討は、MARS 法を用いた 3 次元の数値解－63－フジタ技術研究報告 第 44 号

η(m)

1.2
1.0

X=0.5

X=200.00

X=400.00

X=600.00

1802400.8
0.6
0.40.2t(s)0.0060120300-0.2-0.4-0.6-0.8

図5

MARS 法による３次元解析状況

図 6 解析波形(礫材直径 60 cm，T=45 s)
15.0P40.8

20.013.333

P31:1

実験値

10.0.5280.04.8P2
B=30.0

1:4/3P1
h=10.0礫材 d50=40cm

解析値(UNIT:m)

0.7反射率図 8 透過堤の断面（現地スケール）

0.6T(s)0.501020304050

図 7 反射率の比較
析、ならびに水理模型実験で行った。図 5 解析のベクトル図を示す。スリット部を通過した波浪が礫材の消波層の中に進行して、減衰していくことがわかる。図 6 は解析
図 9 解析結果（捨石透過堤）で得られた波形で図中の X=0.5、200、400、600 はスリット前面からの距離（m）である。

係から、a)捨石透過堤に関する結果のみを示す。

図 7 は、入反射波分離計算 12)で求めた結果を周期で整理したものである。周期が長くなるに従い反射率が大き

図 8 は検討を行った捨石透過堤の断面図である。沖側くなることが分かる。T=30、45 s では実験値が 5％程度大には 1：4/3 の勾配で消波ブロック(4t)を設置した。このブきくなっているが、比較的良好な再現性を有している。

ロックは、安定性を確保するだけでなく、長周期の吸収には単一粒径の礫材を用いた消波層を設けるだけでなく、§４．捨石堤沖側に粒径の大きな透水層を設置することで、反射率の7)低減が可能なので消波機能の確保にも有効である 3)。この形態は、防波堤の内側に波除堤として利用されたり、船舶の接岸などの利用計画がない場合には、ケーソン港口などで波浪の侵入を防ぐために用いられる。などの護岸が不要である。コストや港湾内での空間確保の点からも既設の護岸や防波堤前面に捨石のみの消波

図 9 は、解析結果の流速ベクトルを示したものである。

層を不透過堤として設置したり、消波層単独の透過堤とし解析条件は、透過堤の幅は図 8 に示すとおり静水面の高ての設置が多いと考えられる。そこで、捨石堤として図 2さで B=30 m とした。捨石の粒径は d50=40 cm である。消波に示した a)、b)の形態について、MARS 法を用いた数値

ブロックの前面を遡上してその水面近くの流速が大きくな解析によりその特性を調べた。また、解析の実用性を検り、背後の礫材からなる消波層内に侵入していることが分証するため水理模型実験を行った。 ここでは、紙面の関かる。

－64－礫材の消波機能を活用した長周期波浪対策施設の現地適用技術

η(m)1.5P2P4P1P3η(m)1.0P1P2P4

1.00.50.5t(s)0.00.00t(s)050100150200250300

35050100150200250300

350400400-0.5-0.5-1.0-1.0(b)実験波形(a)解析波形
図 10 捨石透過堤波形（B=30 m，T=45 s）
図 10 は、現地スケールで周期 T=45 s の解析ならびに反射率1.0実験による波形で、(a)は MARS 法による解析、(b)は水理模型実験の結果である。模型実験は縮尺 1/20 で実施し、透過堤0.90.8d50=30 mm(模型値)の砕石を礫材として利用している。測点の設置位置は図 8 に示すとおりで、実験では礫内の水0.7位 P3 は計測できなかった。解析では t=100 s に入射波が0.6実験(B=30m)

到達して透水層を通過した。P4 では波高 0.2ｍ程度の透0.5解析（B=30 m)

0.4実験(B=20m)

図 10(b)に示した実験波形は、実験の周期が T=10 s と、0.3解析（B=20 m)造波性能の上限での実験であり、反射波の吸収造波が0.2過波が見られ、礫内の P3 では 0.3m 程度の水面振動が認められる。

十分に機能しておらず多重反射の影響などが見られたり、入射波高が現地スケールで 80cm 程度と解析より小さいな

020406080100T(s)図 11 入射波の周期と反射率 (捨石透過堤)どの違いがある。また、解析では平均水位が、P4 の平均水位の上昇なども見られる。しかし波形は、P1、P2、P4 ととで、反射率が低下したと考えられる。一方、B=30 m では、も解析とよく対応している。

透過しにくくなり反射率が上昇した。

図 11 に入射波の周期と反射率の関係を示す。解析をまた、解析では、f=0.001～0.050Hz の 50 波を重ね合わ行った周期 T=8、15、30、45、60、100 s の波形から反射せたホワイトノイズならびに孤立波でも解析を行った。そ率を入反射分離計算 12）により求めて整理する。水理模型の結果は 、B=30 m でホワ イ トノ イ ズ Kr=0.79、 孤立 波実験の結果も示したが、T=60、100 s に関しては、造波でKr=0.69 であり、前者では T=60s、後者で T=45 s の結果ときなかった。消波層の入射方向の長さは B=20、30 m につ同程度であり、B=20 m でも同様の結果を得た。周波数スいて実施している。T=8、15 s では、解析による結果が実ペクトルの２次モーメントから平均周期を求め、その 1.2 倍験より小さくなっているが、T=30、45 s では、解析により実から有義波周期を求めると 40 s 程度となる。40 s の反射率

験が精度よく再現することができている。

を図 11 から内挿すれば Kt=0.7 であり、この関係を考慮す

以上のように、MARS 法を用いた数値波動水槽技術で、れば反射率は少し大きな結果となっている。以上のような礫による消波層を用いた長周期対策施設の水理特性を周期と反射率の関係は今後の長周期対策施設の検討によく再現できる。また、 周期(波長)が長くなることにより消有効であると思われる。

波性能が低減することがわかる。消波層の奥行き B=20 mにおいて、T=100 s における反射率があまり上昇しないのは、この構造物が透過堤であるためで、B=30 m の透過率は Kt=0.42 であるのに対して、B=20 m の場合には Kt＝0.49 となっている。 消波層が短く背後に透過したこ－65－フジタ技術研究報告 第 44 号

§５．用途・形状ごとの消波機能の比較 7)

0.90

Kr0.85

図 2 に示した 4 つの形態に関して実施した模型実験や0.800.70

き長さと波長の比 B/L で整理して図 12 に示す。本研究で0.65説明しなかった両面スリットケーソンと消波層を組み合わ0.60b)-解析c)-実験d)-解析d)-実験

0.55
0.50ている。すべての構造物で、B/L が小さくなると反射率が0.45大きくなり、長周期波浪の消波特性が理解できる。

0.400.00

特に、捨石透過堤、捨石不透過堤、スリット付 L 型ブロB/L
0.020.040.060.080.100.120.140.16

図 12 形態による反射率の特性

ック+消波層を用いた３つの形態において、反射率にはほとんど違いが見られない。一方、c)はスリット部分のエネル

巻、pp686-690。
平石哲也・永瀬恭一(2003)：長周期波対策護岸の性能検討実験、海岸工学論文集、第 50 巻、pp801-805。
4) 大島香織・森屋陽一(2005)：導水板によるスリット構造物の 長 周 期 波 浪 特 性 、 海 洋 開 発 論 文 集 、 Vol 、
pp.791-796。
5) 高橋重雄・鈴木高二朗(2005)：共振効果による長周期波の消波システムの原理と基本特性、海岸工学論文集、第 52 巻、pp.696-700。
6) 平石哲也・奥野光洋・安藤興太(2006)：砂礫層内における長周期の水流動に関する現地観測、港空研資料、No.1130、28p。
7) 永瀬恭一・平石哲也・押村嘉人（2008）：港湾の利用形態に対応した長周期波対策技術、海岸工学論文集、第5５巻。（投稿中）8) 永瀬恭一・島田昌也(2000)：MARS 法を用いた数値波動
水 槽 に 関 す る 研 究 、海 岸 工 学 論 文 集 、 第 46 巻 、pp.391-395。
9) 平石哲也(2004)：長周期波対策護岸の効果に関する模型実験と数値計算、港空研資料、No.1093、21p。
10) 近藤淑朗・ 竹田英章(1983)：消波構造物、森北出版、275p。
11) 沿岸開発技術研究センター(2006)：L 型ブロック式係船岸技術マニュアル、沿岸開発技術ライブラリーNo.22、35p。
12) 合田良実・鈴木康正・岸良安治・菊池 治(1976)：不規則波実験における入反射波の分離推定法、港研資料、No.248、24p。
13) 大島香織・森屋陽一・水流正人・杉田繁樹・平石哲也(2006)：渦による消波機能を活用した長周期波対策施設の特性、海洋開発論文集、第 22 巻、pp.145-150。
3)

ギー低減効果が期待できるので、周期が小さくなると反射率が大きく低減する。a)、b)では構造物の安定を図るため沖側の礫材の粒径を大きくしたり異型ブロックの併用が現実的である。導水板を利用してケーソン内で渦を発生させてエネルギー損失を図る方法でも同じような評価を行っている 13)。本報告では波高 1m として検討を行っているのに対して、波高 0.25ｍとより反射しやすい条件を用いているが、同様の結果が得られている。

§６．おわりに礫による透水層を用いた長周期対策技術について、数値波動水槽技術ならびに水理模型実験を応用して水理特性を検証した。その結果、以下のことが明らかになった。
a) スリットを付加した L 型ブロック係船岸の背後に礫材を投入する構造を提案した。解析・実験の結果、捨石透過堤と同程度の反射波低減効果が得られた。
b)礫材を消波材として利用することで、様々な施設を提案できることを示した。これまで提案した工法を、現地の条件に応じた形態を採用することが可能なので、港湾での提案・検討に有効な資料を整理することができた。
謝辞

a)-解析

0.75

MARS 法を用いた解析結果のうち、反射率を施設の奥行せた場合の結果については、平石・永瀬 3)の結果を用いa)-実験

本報告は、（独法）港湾空港技術研究所 海洋・水工部 平石哲也部長と共著の論文における研究成
果 2)、3)、7)、９）に、当社で行った水理模型実験を加えたものです。また、数値解析手法の開発 8)には（株）ソフトウェア
クレイドル 島田昌也氏の協力を得ました。ここに記して、

ひ と こ と両氏に謝意を表します。

Mars 法を用いた数値波動水槽を用いて様々な構造物の解析を行ってき

参 考文 献1)2)ました。設計・計画ツールとして今後も沿岸開発技術研究センター(2004)：港内長周期波影響評価マニュアル、沿岸開発技術ライブラリーNo.21、86p.
平石哲也・永瀬恭一(2002)：流体直接解析法による長周期波対策護岸の性能検討、海岸工学論文集、第 49

発展させていきたいと思います。

永瀬 恭一－66－