111 高普考高考三級 港灣工程 考古題詳解

核心觀念

本題評量港灣與海岸工程中「外廓防護設施（Outer Protection Works）」與「海岸防護及沙灘穩定工法（Shore Protection & Beach Stabilization Works）」之核心基本概念。依據《港灣工程設計手冊》及《海岸防護設施設計手冊》（以民國 111 年考科規範為準），解題須掌握四大水理與泥沙動力學機制：

1. 波能消減與遮蔽機制：利用反射、碎波、紊流耗散或繞射阻隔外海波浪傳入，營造平穩水域。
2. 泥沙滯留與剖面控制機制：透過水下底檻改變平衡海灘剖面（Equilibrium Beach Profile），抑制離岸漂沙流失。
3. 表層波能吸收與浮體動力學：針對水深波長比大之深水短週期波，於波能集中的表層進行衰減，兼顧地質承載與水體交換。
4. 極端潮位與增水阻絕機制：結合活動式水閘或堤防，阻隔颱風低氣壓引起之氣壓水升（Inverse Barometer Effect）及強風吹送引發之風壅水面（Wind Setup）疊加之複合暴潮高潮位。

---

解題方法

國考名詞解釋題每小題配分 5 分，答題結構應採取「三段式標準架構」展開：

1. 工程定義與結構型式：界定構造物在水利/港灣工程分類之定位與主要構成。
2. 水理與功能機制：從流體力學、波浪運動或泥沙運動角度說明其運作原理。
3. 適用條件與工程優缺點：說明適用之水深、週期、地質環境，以及維護或生態環境特性。

---

名詞詳解

(一) Breakwater（防波堤）

1. 定義與構造型式： 防波堤是構築於港灣外緣或泊地外側的主要外廓構造物。常見型式包括：

• 重力式堤：如斜坡堤（Rubble-mound Breakwater，由拋石與消波塊構成）、直立堤（Vertical Breakwater，以沉箱或混凝土塊疊砌）、混成堤（Composite Breakwater）。
• 特殊構造堤：如透水堤、浮式防波堤、消波室型防波堤等。

2. 水理功能與機制：

• 阻絕外海長程波浪能量，使港內泊地（Basin）波高控制在容許波高範圍內，維持港池與航道「靜穩度（Calmness）」，確保船舶安全進出、靠泊與裝卸作業。
• 阻擋或改變沿岸漂沙走向，防止外海泥沙大量侵入港口航道與迴船池造成淤積。
• 防禦風浪直接衝擊碼頭岸壁及陸上設施，兼具護岸防汛功能。

3. 適用環境： 廣泛應用於商港、漁港、工業港與人工島嶼之外圍；設計需承受破波壓力、滑動與傾覆力矩，並檢核地基承載力與基礎洗刷。

---

(二) Sills / Perched Beaches（攔沙堤 / 棲止海灘）

1. 定義與構造型式：

• Sills（水下潛檻 / 底檻 / 水下攔沙堤）：常置於近岸碎波帶外緣、平行於海岸線之低冠頂水下連續潛堤（Submerged Structure）。
• Perched Beaches（棲止海灘 / 架高海灘）：受水下底檻支持、抬高平衡海灘剖面基準面所形成的人工或半天然沙灘。

2. 作用機制與功能：

• 降低底坡坡度與保留養灘沙料：在水深陡降或天然斜坡陡峭的海岸，若直接人工養灘，沙料極易受離岸流（Rip Current）與向海重力作用滑落深水區。藉由水下底檻（Sill）在海側形成阻擋支撐，可抬高碎波帶後方的泥沙沉積基準，將海灘「架高（Perched）」並維持穩定寬度。
• 消波與水體交換：潛檻可誘發波浪預先碎波，消耗部分外海波能；因頂部沒入水中，不阻斷海景視線，且允許表層水流自由流通，水質不易惡化。

3. 適用環境： 適用於陡坡海岸養灘計畫、海濱休閒遊憩沙灘維護，或防止海堤腳部嚴重侵蝕之海岸防護工程。

---

(三) Floating Breakwater（浮式防波堤）

1. 定義與構造型式： 係利用浮箱（Pontoon）、箱型沉箱（Box-type）、浮排（Mat-type）或多浮體組合結構，以錨碇鋼纜（Mooring Lines）、樁柱（Piles）或鉸接系統固定於水面之透水彈性防波結構物。
2. 水理機制與性能極限：

• 消波原理：利用浮體迎波面的波浪反射（Reflection）、浮體下緣與側邊造成的流況紊流分離耗散（Turbulent Dissipation），以及浮體強迫運動消耗能量。

核心觀念

本題評量港埠工程規劃與配置之基礎核心分類與功能定位。相關設計標準與法源規範（以命題當年民國 111 年法規與技術手冊為準）主要依據：

1. 《商港法》及交通部《港灣建築技術規則》：明定商港區域內港埠設施之分類、水工結構物安全與靜穩度要求。
2. 交通部《港灣工程設計手冊》：詳列各類水工作業設施（外廓設施、水域設施、繫泊及碼頭設施）之功能需求、設計荷載與容許限值。

港埠系統依其空間特性與使用目標，主要分為「外廓設施」、「水域設施」、「碼頭設施」與「陸上設施」四大範疇。前三項為保障船舶進出、停泊與客貨裝卸之海上水工主體，其功能劃分互為因果、環環相扣。

---

解題方法

本題為標準的申論題型，切入架構應採「功能導向系統分析法」：

1. 界定構造範疇：先簡要列舉各類設施包含之具體結構或空間，奠定專業工程語彙基礎。
2. 多維度條列功能：由「水動力與海洋環境防災」、「船舶航行與操船安全」、「海陸物流介面營運」三大面向，有系統地展開各設施之核心功能，論理層次分明。
3. 對應工程指標：帶入具體技術指標（如靜穩度波高、迴船直徑、富裕水深、靠泊能量吸收等），使答題內容具備工程技術深度。

---

選項分析

本題為申論題，非選擇題，無個別選項。閱卷評分關鍵在於能否將「外廓」、「水域」與「碼頭」之功能嚴格界定，不可產生功能歸屬重疊或倒置之錯誤（例如誤將外廓設施之遮浪功能歸於水域設施，或忽略碼頭設施之擋土結構機能）。

---

解題技巧

1. 記憶口訣與四字關鍵詞：

• 外廓設施：遮（遮波穩港）、阻（阻沙防淤）、禦（禦潮防嘯）、導（導流整流）。
• 水域設施：行（通航導航）、迴（操船迴轉）、泊（避風停泊）、穩（靜穩水域）。
• 碼頭設施：靠（吸收靠能）、繫（纜繩固定）、轉（客貨裝卸）、擋（擋土護岸）。

2. 常見失分陷阱：

• 僅將碼頭設施寫成「停船、搬貨」，遺漏了其在土木工程上極為關鍵的「抵抗後線土壓力／擋土護岸」與「提供船泊公用補給（水、電、油、岸電）」機能。
• 討論水域設施時，僅提及航道，遺漏了「迴船池」與「錨地」的重要功能。

---

【答案】

港埠三項主要設施之功能說明如下：

一、外廓設施（Protective Facilities）之功能

外廓設施主要包括防波堤（Breakwater）、導流堤（Jetty / Training Dike）、突堤（Groin）、護岸（Revetment / Seawall）及防潮堤等，位於港區外圍，其應提供之核心功能為：

1. 遮蔽波浪與維持港內靜穩：阻隔或減衰外海風浪、湧浪侵入，控制港內波高，滿足泊地與裝卸作業之允許靜穩度要求（作業容許波高通常要求小於 $0.5\text{ m} \sim 0.7\text{ m}$）。

核心觀念

本題考查港灣工程與海岸工程的核心交互作用——「防波堤興建對相鄰海岸地形變遷的衝擊（突堤效應）」及其「海岸防護工程對策」。

1. 沿岸漂沙連續性方程式（Sediment Continuity Equation）： 海岸線變遷受沿岸輸沙率梯度控制，一維海岸線演變基本公式為： $\frac{\partial y}{\partial t} + \frac{1}{D} \frac{\partial Q}{\partial x} = 0$ 其中，$y$ 為海岸線位置，$x$ 為沿岸距離，$Q$ 為沿岸漂沙量（Longshore sediment transport rate），$D$ 為海灘有效閉合深度（Depth of closure）與濱線高程之和。
2. 突堤效應（Groin Effect）物理機制： 波浪斜向碎波產生向岸與沿岸流（Longshore current），驅動底床泥沙沿岸運移。當突堤或防波堤垂直或斜交海岸向外海延伸，阻斷此沿岸輸沙通道（$\partial Q/\partial x \neq 0$）：

• 上漂側（Updrift side，漂沙上游）：輸沙受阻、流速驟減，泥沙大量堆積（$\partial Q/\partial x < 0 \implies \partial y/\partial t > 0$），濱線向海淤進。
• 下漂側（Downdrift side，漂沙下游）：漂沙來源被堤體切斷，波浪能量未衰減而輸沙能力仍在，呈現「飢餓狀態」（Sediment starvation），造成嚴重侵蝕淘刷（$\partial Q/\partial x > 0 \implies \partial y/\partial t < 0$），濱線向陸退縮。
• 堤頭與繞射區：堤頭波流集中產生局部沖刷，波浪繞射陰影區形成波能梯度的二次環流。

3. 防護措施體系： 依手段分為硬性工法（結構物截流或消能）、軟性工法（補充沙源、維持沙平衡）及海岸管理監測對策。

---

解題方法

申論此題宜採「成因機制剖析 $\to$ 空間現象對比 $\to$ 工程防護對策分類」三段式架構：

1. 破題定義與力學機制：定義沿岸漂沙傳輸機制與防波堤的阻隔角色，強調「上游堆積、下游侵蝕」的質量平衡本質。
2. 現象展開：清晰繪製或條列上漂側、下漂側及外側之受力與沉積變遷差異。
3. 防護措施系統化歸納：不能僅列單一工法，應區分為「硬性結構措施（波能控制與攔沙）」、「軟性補沙措施（沙源連續性恢復）」與「規律性監測管理」，展現完整工程思維。

---

選項分析（申論題答題架構剖析）

本題為申論題，閱卷評分重點包含以下要素：

• 概念正確性：能否精準區分「上漂側淤積」與「下漂側侵蝕」，並指出其受主導波向（波浪入射角）與沿岸流主導。
• 機制深度：除表象地形變化外，是否提及漂沙連續性阻斷、波浪繞射、折射以及堤頭局部流況變化。
• 保護對策廣度與可行性：
• 若僅答「堆消波塊、蓋海堤」，屬被動且治標，得分有限。
• 必須納入「繞沙系統（Sand Bypassing）」與「人工養灘（Beach Nourishment）」，此為恢復自然漂沙平衡之現代港灣工程標準工法。

---

解題技巧

1. 答題關鍵字精準命中：主導波浪入射角、沿岸流、沿岸輸沙量（Longshore drift）、上漂側堆積、下漂側侵蝕（飢餓效應）、閉合水深、人工繞沙（Sand bypassing）、人工養灘（Beach nourishment）、離岸堤。
2. 答題版面配置技巧：申論題切忌一段到底，必須使用「一、（一）、1.、（1）」階層化標題，將對策分門別類，方便閱卷老師依要點給分。
3. 避免常見陷阱：

• 勿將「突堤效應」單純寫成「堤防被沖垮」；它是對鄰近海岸線的影響，而非防波堤自身穩定度。

核心觀念

本題評量考生對港灣海事工程中三大基本防波堤型式——斜坡式（Rubble-Mound Breakwater）、**直立式（Vertical Breakwater）及混合式（Composite Breakwater）**在「施工程序、船機設備、基礎處理、海象耐受度與品質管制」等施工實務層面的理解與比較能力。

• 斜坡式防波堤：以核心拋石為堤體主幹，外側覆以級配過濾層及重型被覆石或消波混凝土異型塊（如四腳塊、消波塊），利用消波塊與拋石之多孔隙結構消散波浪能量。
• 直立式防波堤：通常在薄層水下拋石基床上直接設置直立壁體（以鋼筋混凝土沉箱最為常見，亦有重力式混凝土方塊堆疊）。直立壁直接抵抗波壓力，主要依靠自重抵抗滑動與傾覆。
• 混合式防波堤：由下部水下高拋石基床與上部直立式堤身（通常為沉箱）複合組成，兼具斜坡堤適應水深與直立堤材料節省之特性。

---

解題方法

本題為純申論題型。解題切入點應精準扣合題目要求的「施工方法之優缺點」，避免偏題至一般水理機能（如反射率、越波量）的純理論探討。論述應遵循以下步驟：

1. 工法簡析：扼要說明各類防波堤之標準施工工序、關鍵船機與作業環境。
2. 施工優缺點拆解：從「地質承載需求」、「大型施工船機依賴度」、「材料取得與用量」、「海上天候窗口敏感性」、「水下品管與施工精度」等五大維度逐項剖析。
3. 綜合彙整：最後以工程對比彙總表輔助作答，提升閱卷評分層次。

---

選項分析

本題為高考三級申論題，非選擇題，故無個別選項之對錯辨析。實務評分標準係檢視考生是否全面涵蓋三種堤型，且論點是否切中「施工」核心。

---

解題技巧

1. 破題關鍵（避免陷阱）：

• 考場常見陷阱是將「消波效果良好」、「反射波大造成航道紊亂」等水理機能特性誤當作施工優缺點作答。必須將焦點鎖定在「海上吊裝、拋填、預製、沉設、地基沉陷」等施工要素。

2. 答題架構化：

• 採用「先概述施工工序 $\to$ 列條論述優點 $\to$ 列條論述缺點」的標準體例，層次分明。

3. 記憶口訣：

• 斜坡式：工法常規設備低，石料巨大怕風浪（施工中易流失）。
• 直立式：陸上預製工期快，巨型船機受地質（基床平整要求極高）。
• 混合式：折衷折合深水佳，工序繁複介面雜（拋石基床與沉箱銜接界面多）。

---

【答案】

一、斜坡式防波堤（Rubble-Mound Breakwater）

(一) 施工方法概述 由下而上分層拋填心層石料（拋石船或陸上推土傾倒），依設計級配由內向外依序拋放次層塊石（濾層），最後於迎波面及堤頭吊放重型被覆石或混凝土消波塊（如鼎津塊、四腳塊），頂部再行澆置混凝土壓頂工（頂冠工）。

(二) 施工優點

1. 對地基承載力要求低：底寬大、接地面積廣，接地壓力小且具良好柔性結構特性，對地基不均勻沉陷容忍度高，軟弱地盤施工時地質改良成本較低。
2. 施工設備技術門檻低：無需超大型起重船或浮塢設備，一般拋石船、傾卸車、挖土機配合常規陸上吊車即可推展進度。
3. 就地取材容易且局部修復簡便：天然石料若產地鄰近可大幅降低成本；施工過程中若遇局部波浪掏損，補拋石料或消波塊即可迅速修復。

(三) 施工缺點

1. 材料消耗量龐大：隨水深增加，拋石斷面體積呈幾何級數（約平方比）暴增，在深水區施工運輸與拋填工作量極大。
2. 施工過程易受海象侵蝕：未完成壓頂工與消波塊被覆前，裸露的拋石基體抗浪能力極弱，突遭颱風豪雨易被波浪拉散沖毀，造成材料流失與重工。

核心觀念

本題測驗「碼頭結構型式選定之工程需求與環境適用性」，依據交通部《港灣工程設計手冊》（以民國 111 年命題當時法規與規範準則為準），碼頭型式之選定取決於水文環境（潮差、波浪、水流）、大地地質條件（地盤承載力、軟弱土層厚度）、營運裝卸需求（船型乾舷、岸面活載重、裝卸機具）及施工與經濟效益。

三種碼頭的力學平衡與構造核心機理如下：

1. 重力式碼頭（Gravity-Type Wharf）：依賴結構體本身龐大自重（如沉箱、混凝土方塊、扶壁等）與基底間之摩擦力，抵抗背填土之側向土壓力 $E_a$、波浪力與繫泊拉力，維持抗滑動（$FS_{\text{slide}} \ge 1.5$）與抗傾覆（$FS_{\text{overturn}} \ge 1.5$）穩定。
2. 棧橋式碼頭（Open-Type/Piled Wharf）：由基樁（鋼管樁、預力混凝土樁）穿過軟弱地層打入深層堅硬持力層，上部構築梁板平台；結構本體呈透水開放式，背後通常施作擋土板或設岸坡，上部載重藉由樁基傳至深部地盤。
3. 浮動式碼頭（Floating Wharf / Pontoon）：本體為具浮力之鋼製或預力混凝土浮箱（Pontoon），利用阿基米德浮力支承載重，並由導樁（Guide Piles）或錨鏈定位，浮箱隨水位自由升降，與陸域間以鉸接引橋（Gangway）串聯。

---

解題方法

申論此題切入點應分為兩大維度：「環境條件需求（地質、水文、海象）」與「港灣營運作業需求（船型、載重、潮位調節）」。

作答時針對各型碼頭之「構造力學特性」，推導其對應之「適用工程需求」，論述步驟如下：

1. 重力式碼頭：由「底面反力大、土壓力阻抗大、耐久性高」出發，導出「堅硬地盤、重載貨櫃/散雜貨、波平水靜、石料供應充足」之需求。
2. 棧橋式碼頭：由「基樁深錨、透水消波、減輕土壓」出發，導出「軟弱地盤、深水區、大波流/水流需通透、防淤積」之需求。
3. 浮動式碼頭：由「乾舷固定、浮箱自由升降、抗波能力弱」出發，導出「特大潮差水域、中小型船舶/遊艇/客輪、低波浪避風水域」之需求。

---

各碼頭型式適用需求深入分析

一、 重力式碼頭（如沉箱式、方塊式、扶壁式）

1. 優良地質與高地盤承載力需求： 重力式結構自重極大，底面接觸壓力高。適用於基底為岩盤、砂礫層或經良好地盤改良之地盤；若地盤軟弱易產生過大沉陷或滑動破壞，則不適用。
2. 大載重與高抗衝擊營運需求： 適用於大型貨櫃碼頭、散裝散雜貨碼頭（如煤、鐵礦砂）、重件碼頭等。此類碼頭面作業活載重甚高，且需承受大型船舶繫泊力、靠泊撞擊力及重型橋式起重機（STS Crane）軌道輪壓。
3. 高耐久性、長壽命與低維護成本需求： 主體多採大體積鋼筋混凝土或沉箱預鑄塊，在海水惡劣腐蝕環境中具備優異耐磨耗及耐衝擊性能，適用於長期營運、難以頻繁停工檢修的商港主航道泊位。
4. 回填料與石料充裕之就地取材需求： 結構後方需大量回填砂石以提供穩定土體，適用於周邊石料（塊石、拋石基床）開採與運輸便捷之工程環境。

二、 棧橋式碼頭（直樁式、斜樁式、板樁後壁透水式）

1. 厚層軟弱地質需求： 港區海底表層若分布深厚之軟弱黏土層（沖積層），地盤承載力極低且易產生壓密沉陷時，棧橋式碼頭可透過長樁直接打設至深層承載層（堅硬砂層或基岩），無須全面開挖置換軟弱土，最具工程適用性。
2. 深水泊位與減輕側向土壓力需求： 水深超過 15 至 20 公尺以上之大型泊位，若採重力式將導致土壓力按水深平方劇增；棧橋式可採透水高樁外挑，後方設自然拋石邊坡或減壓板，大幅降低擋土結構受力。
3. 維護港池水流暢通與防淤積需求： 碼頭下方為排樁透水斷面，不阻礙沿岸潮流與泥砂運動，適用於河口港、感潮河段或沿岸漂砂嚴重之港灣，避免因死水區造成港池嚴重淤積。
4. 減低波浪反射與消波需求： 重力式為實體直立壁，波浪反射係數接近 1.0，易形成全反射立波（Clapotis）使泊內水面紊亂；棧橋式透水結構能允許波浪透入坡面消能，反射波極低，適用於泊穩度要求高之繫泊作業環境。

三、 浮動式碼頭（浮箱搭配導樁、斜撐或錨繫）

1. 大潮差水域（Tidal Range 甚大）之作業需求：