港灣設計實例課程綱

第一章港灣及港埠設施概說

第二章各類型船舶設計尺寸

第三章自然條件

第四章防波堤設計

第五章水域設施設

計

第六章碼頭結構型式及設計要

點第七章專用碼頭的規劃設計

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

第四章防波堤設計

4.1防波堤規劃基本原則

4.2設計之基本原則

4.3基本設計

4.4細部設計

4.5實例介紹

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

1.波力概論

波力為港灣結構物最主要之外力之一，設計時應考慮

結構物之型式、海底地形、水深、以及設計波浪及潮位等

各項因素。可依實際狀況采用合適之計算公式推算之，或

以水工模型試驗加以檢核驗證，水工模型之比例愈大愈

好，試驗時最好能考慮波浪之不規則性。

隨結構物之型式，波力大致可分成以下幾種：

?作用于直立式結構物之波力。

a作用于護面材之波力。作用于

a海中結構之波力。作用于水面

G附近結構物之波力。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

1.波力概論

」實際波浪之波高、周期均不規則，隨著水深或海底地

形，有非碎波或碎波后之波浪作用在結構物上，波力計

算時，應依設計條件，以帶給結構物最嚴重影響之波浪

來檢討。

0就波高而言，波高愈大之波浪，帶來之波力愈大，因

此，應以到達結構物前不規則波群中之最高波作為波力

估算之依據；但對作用于坡面之護坡石、消波塊等之安

定性，剛性較低之柱狀結構物以及浮體結構物上之波

力，則應考慮不規則波浪連續作用之影響。

上以模型試驗進行波力之檢討時,須充分考慮結構物之破

壞情況，而采取適當之測定法,如以規則波進行試驗

時，必須進行最大波之檢討。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

2.作用于直立壁之波力性質作用于直立壁之波力，因

受潮位、水深、海底地

形、結構物之斷面形狀、法線形狀等而改變。位于海

底坡度陡峭區域或位于高堤基上面之直立壁，由于會

遭受強大沖擊波壓作用，須充分留意其發生條件以計

算波力。

?影響作用于直立堤波力之主要因素為：波浪之周期、波

高、波向、潮位、水深、海底坡度、堤基高程及堤基寬

度、堤基坡度、直立堤之堤頂高以及堤底水深等。

■防波堤轉角處，可能會遭受較直線部更大之波力，設計

時須考慮法線形狀之影響。另外，直立堤前面以消波塊

覆蓋時，消波塊之特性，頂端高程及寬度等均有影響。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

2.作用于直立壁之波力性質

?作用于直立堤之波力，就波浪之形態而言，可分為重復

波力、碎波后之波力等，但其變化應為連續性。

■重復波力為與水深相比波高較小之波浪所產生，波壓之

時間變化較緩，隨著波高之增大，作用之波力亦大。

A碎波后之波力通常位于直立堤稍微海側破碎之波浪，將

會產生最大之波力，因此除在非常淺之區域外，在直立

堤前方碎波之碎波力較距直立堤很遠處碎波之作用力為

大，特別在坡度很陡之海底面上之直立堤，或坡度雖緩

但堤基很高之直立堤上，碎波作用時，會產生強大之沖

擊碎波壓，應特別留意。

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4.3基本設計

432波力

3.設計波高

堤前設計波高以合田良實(Goda)由試驗歸納得到之

公式來計算,般防波堤穩定分析采用提前最大波高

(Hmax),而消波塊重量之計算則采用(珥/3)。

f

JKsHo:h/L0>0,2

H1/3二

f

lmin{(p0Ho'+小九)，除axHo-KsHo]:h/L。<0.2

3815

式中/?0=0.028(Ho7Lo)-0-exp[20tan6]

Pi=0.52exp[4.2tan3]

-029

^max=max{0.92,0.32(Ho7Lo)-exp[2.4tan0]}

河海工程學系港灣設計實例(第四章)

4.3基本設計

4.3.2波力

3.設計波高

f

(1.8Ho：h/L0>0,2

Hmaxr

(min{(PoHo+國/i)，p；naxHo」L8H0，}：h/L0<0.2

3815

式中B；=0.052(Ho7Loy°-exp[20tan0]

B1*=0.63exp[3.8tan0]

-029

6max*=max{1.65，0.53(Ho7Lo)-exp[2.4tan0]}

tan。=堤址附近海底坡度

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4.3基本設計

4.3.2波力

3.設計波高

區值可由下圖或Goda提供之非線性波浪淺化公式

求得。A/Lo

i

4nh/L..27T/1

tanh—j—

sinh（孚）

J

U

3

Q

S

3

8

U

B二

o

r

i

s

RelativeWaterDepth,h/Lo

資料來源：RandomSeasandDesignofMaiitiineStnichues?YoshimiGoda，1985

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4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

A.波峰作用時波壓分布圖

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4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

B.波壓作用高度

r|*=0.75（l+cOSp）入iHmax

其中

n*：靜水面上波屋強度卷0之高度（m）

p：入射波向典海堤垂^之夾角±15。，取其大者。

Q：'幺爰燮波屋項之修正保數，通常卷0.8?1.0,通常沉

箱堤有殳言刊采用1.0；拋石堤更"采用0.9。

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4.3基本設計

4.3.2波力

Pi=0.5(1+COSQ)(44+a242cos2￡)44

4.波力計算

C.波壓強度

P,=a3Pl

“1F4而/￡

a,=0.6+------------------

2|_sinh(4兀〃/￡)

H2d

a二nun2

23人dH

h1

a=1-----1-

3hcosh<27t/?/Z>

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

垂蹤

4.3基本設計

4.3.2波力波浪之主方向

4.波力計算

法綜

C.波壓強度

，：靜水面上波屋強度卷0之高度(m)

P1:靜水面之波感強度(記打『)

P2:海底面之波屋強度(tfnf)

P3:直立壁底面之波屋強度(tfnf)

①。:海水罩位it稹重(fni?)

B:堤法幺泉之垂幺泉輿波浪主方向幺泉±15°南圉中修正之角度

4、4：波屋修正保妻攵甘票型值卷1)

h：直立壁前之水深(m)

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4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

C.波壓強度

L:水深h霓之言殳言十言十算所使用之波是⑴】)

Hd?言殳言十波高(ni)

hb:直立壁前方海便J5倍示性波高距離隹慮之水深(m)

”:直立壁底面之水深

d:譚矍基方境或覆坡石。鬼)中水深敕小者(m)

min0,6)：a或6中敕小者

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4.3基本設計

4.3.2波力

C.波壓強度

若為直立堤且入射波向角￡<30。之情況，尚需

考慮沖擊波壓發生之可能，此時a2值應修正為1*。

a*=max[a2'aw,an]

aw=H/dH32d

=2H>2d

an=cos82/cosh61次至。

=l/[cosh8i(cosh82)1/2]82>0

61=20Su611^0

=15bnSu>0

62=4.9622822=0

==3822§22〉0

6n=0.93(BM/L-0.12)+0.36[(h-d)/h-0.6]

822=0.36(BM/L—0.12)+0,93[(h—d)/h—0.6]『海工程學系港灣設計實例(第四章)

4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

D.浮力及上揚壓力（直立壁底面在水面下）

」浮力僅考慮直立堤身于設計水位下之部份。作用

上于直立壁底面之上揚壓力呈前趾為Pu后趾為0之

三角形分布，下式Hd采用Hmax。

Pu=0.5（1+cos6）4a34gHd

Pu:作用於直立壁底面之揭屋力

4:揭屋力修正保數（才票隼值卷1）

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4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

D.浮力及上揚壓力（直立壁底面在水面上）

直立壁位于設計水位下之揚壓力分布，則u=B（堤

底寬），然若直立壁位于設計水位以上，則以谷本.小島

提出之修正式計算。

,=nu.n\IBD'八0.2"/：

I陽J

其中h'卷直立堤底部出水面之高度（取負值）。

而揭屋力之合成力。及力矩切,可由下式束之：

U=l/2Pu?&

Mu=2/3U?品

式中：〃表示揭屋力作用於堤底之靶圉

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4.3基本設計

4.3.2波力

4.波力計算

E.波谷作用時產生之負壓力（直立壁底面在水面上）

當波浪之波谷作用于堤面時，所產生之負波力，可依

據水工模型試驗亦或以下式加以計算。堤面波谷作用時，

堤體之負波壓如圖5.2-5所示，在靜水面為0,靜水面下

0.5%為Pn,至底面為止均為不變之直線分布波壓向海側

作用。

尸〃=0.53此

式中Pn:波屋強度（tf/nr）

6J0:海水之罩位it稹重量（tOm，

Hd?言殳言十波高（m）

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4.3基本設計

4.3.2波力

5.波力合成力及其力矩

A.水平合成力（P）及其力矩（MJ

rP3r*~~

11

P=5（P】+P3）h'+5（Pi+P4）M

111

Mp=工（2P]+P3）也2+弓（2+PM；+z（A+2PDM

OL0

上式中

:

<hc

hl=min{〃*，/ic}

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4.3基本設計

4.3.2波力

5.波力合成力及其力矩

B.上揚力合成力（U）及其力矩（MJ

U=l/2Pu?鯨

Mu=2/3U?

式中《表示上揭力作用於堤底之靶圉

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4.3基本設計

4.3.2波力

6.作用于消波塊覆蓋堤的波力

fi作用于消波塊充分覆蓋直立壁之波力，隨消波塊之構造而

變化，因此應依模型試驗加以推算為原則。若消波塊之

?頂端與直立壁之頂高相同，且波浪作用時亦能確保消波

塊之安定，則作用于直立壁之波力，可依合田公式加以

計算，并依據設計條件設定適當之波壓修正系數％1、22、

23。由于消波塊消散碎波波力，一般而言碎波波壓修正系

數22設為零；波壓修正系數力及23則與最大波高相關。

&=1.0：H!hW03

=12(2/3)(777〃):0.3<H/h^0.6

=0.8：H/h>0.6

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4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

,護面塊石除應有充分安全之重量以對抗波力作用，并

應有讓內部材料不被吸出之厚度。保護層采整放及

川砌石方式時，可由工程師判斷決定所需重量，保護

層采亂拋時，層厚應以2層為標準。

A.斜坡堤護面塊石與消波塊所需重量

nt

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

A,斜坡堤護面塊石與消波塊所需重量受波力作用之斜坡面結

構物之表面護坡塊石或消波

塊所需重量可依下式（Hudson公式）加以計算。

九"3

W=

Kd(Sr-1/cotcr

式中w:三矍面土鬼石或型土鬼所需重量⑴

Yr:^面土鬼石或型現在空氟中之罩位颼稹重量（tf/nf）

Sr：土鬼石亦或混凝土土鬼封海水之比重Sr=Yr/yw

a:坡面輿水平面之角度

為:海水之罩位醴稹重量。仇以’）

H:言殳言十波高，懸橫造物言殳置水深慮之示性波高（印/3）

Kd:依覆蓋材及破壤率所決定之保數。但是封在靜水面下L5H深

之覆蓋石可以探用比式5.3.1卷觸之重量。

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

A.斜坡堤護面塊石與消波塊所需重量

■設計波高：拋石或型塊所構成之結構物中，并非由不規

則波群之最高波Hmax之單一波之作用而導致破壞，系由

大小波浪之連續作用逐漸形成破壞，與以往之實績相比

較，Hudson式之波高H,應代表不規則波群之規模。因

此應采用坡面設置位置之示性波高為準。但當水深在相

當深水波高之0.5倍以下時，可以使用相當深水波高之

0.5倍水深處之示性波高。

■堤頭部重量之加成：堤頭部承受各方向來襲之波浪，所

以斜坡覆蓋材往背面傾覆翻倒之危險較大，因此，堤頭

部使用之拋石及混凝土消波塊，建議使用Hudson式計

算值1.5倍之重量。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

A.斜坡堤護面塊石與消波塊所需重量

■水面下覆蓋材重量：斜坡堤水面下波浪作用較弱，因此

在靜水面下1.5H1/3以下處可使用重量較小之覆蓋材。

■波向修正：有關波向之影響現有檢討案例較少，尚未充

分了解，故除以試驗加以確認者外，通常對波向不加以

修正。

■混凝土塊之強度：異型混凝土塊除須確保所需要之重量

外，型塊本身亦須具備充分之結構強度。

■暗礁上消波塊：其安定性受暗礁斜坡寬度之距離以及暗

礁上之水深等之影響很大，因此設計時須特別考慮。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

A.斜坡堤護面塊石與消波塊所需重量

■頂端高程低的斜坡堤之安定性：背后無壁面支撐，堤頂

高程低之斜坡堤之消波塊，頂端面（特別是位于背后側）之

消波塊，容易破壞須特別注意。

I陡坡上之消波塊的安定性：海底坡度陡，同時又有呈卷

狀之碎波時，隨消波塊之形狀會有強力之波力作用，須

特別加以考慮。

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

斜坡堤各種塊石及混凝土消波塊之Kd參考值

堤身堤頭

名稱層數堆積法KdKd坡度

碎波未碎波碎波未碎波cote

圓滑塊石2亂拋1.22.41.11.91.5~5.0

圓滑塊石N3亂拋1.63.21.42.31.5~5.0

2亂拋2.04.01.93.21.5

菱角塊石1.62.82.0

1.32.33.0

菱角塊石三3亂拋2.24.52.14.21.5~5.0

菱形塊(Tetrapod)及2亂拋7.08.05.06.01.5

四角塊(Quadripod)4.55.52.0

3.54.03.0

鼎形塊2亂拋9.010.08.39.01.5

(Tribar)7.88.52.0

6.06.53.0

鼎形塊1整砌12.015.07.59.51.5?3.0

道拉斯塊2亂拋15.531.88.016.02.0

(Dolos)7.014.03.0

修飾方塊2亂拋6.57.5-5.01.5~3.0

(Modifiedcube)

六腳塊2亂拋8.09.55.07.01.5?3.0

(Hexapod)學(第四章)

日本使用消波塊Kd參考值

名耦Kd值靶圉

中空三角形境7.6

菱形境7.2?8.3

道拉斯土鬼（Dolos）20.0-22.0

六W現7.2~8.1

波鬲（2河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.Cube(modined)

7.Grobbe<a?r8Hexateg

H-Block

13.N*ShapedBlock

例（第四章）

臺灣常見的消波塊

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

消波塊的亂拋與整齊排

消波塊的排列方式（各種型式消波塊均不同）

W1-12萼卮排列法（一）臨祝■1-14雙詹排列法（一）

回1-13曼盾排列法（一）俱!I視

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

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消波塊重量受到Kd值及"影響之對比

/H3

W=------匕------

K/S,-l)cota

設計波高：18.3m

比重坡度安定系數重量

型式

SrcotaKdW

至形塊2.31.58627T

雙T塊2.41.520208T

高比重雙T塊3.21.52070T

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

nt

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

B,斜坡堤迭層厚度以及內層塊石重量

迭層厚度計算式

t=—）

r

式中

t:費眉厚度

n:眉教

K:形戕保數（光滑瑰石=192，粗糙瑰石=1/5）

W：境石重（崛）

r：現石罩位重（嗽例3）

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

B.斜坡堤迭層厚度以及內層塊石重量

內層塊石重量級級配參考表

,居次重量及、級配百分比（％）

^面屑W100

0.13W25

第一內眉10.10W50

0.07W25

0.0075W25

第二內眉0.0050W50

0.0025W25

堤心石重量以減少施工畤因波力作用造成損失點,原劇o

河海工程學系港灣設計實例（第四章）

港外______________________港內值1

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

C.合成堤堤基護基方塊與護面塊石所需重量

w=—-----

N：（S「1）3

W：言矍面土鬼重量（t）

%：^面境罩位重（t/n?）

Hs：堤前言殳言十波高（HI/3）

NS3：穗定保矍攵（NS3=Kdcota）

S:1蔓面土鬼封海水比重

r河海工程學系港灣設計實例（第四章）

4.3基本設計

4.3.2波力

7.護面塊石與消波塊所需重量計算

C.合成堤堤基護基方塊與護面塊石所需重量

如依谷本膀利(TANIMOTO)建藐之M?算方式如下：

KT\,Q1—kh,KTCr,(n(1-k)h'

Ns=max.1.8,A----m-------+NSCexp-B------n-i--------

kH13IkH1/3J

4疝/L2兀Bm

其中k=

siiih(47th/L)L

h':言蔓基方土鬼放置虞之水深(m)

Uh,水深霓之波(in)

常矍基型式AIllNSCB

Bin堤前拋石平臺

X(m)土鬼石1.31/31.81.5

方土鬼1.01/31.41.2

孔方瑰0.821/21.60.9

河海工程學系港灣設計實例(第四章)

300

200保護堤趾塊石

一

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