114 高普考高考三級 港灣工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查海堤與防波堤從規劃到細部設計的程序，以及設計條件如何由工程目的、現地自然資料及設計基準決定。作答時要分清楚：

• 設計年限是結構物預定使用的年數。
• 重現期（迴歸期）​是外力事件的統計尺度，不能與設計年限混為一談。
• 設計水位、波浪與地形水深須採用工址條件，並經資料分析、波浪推算與工程檢核後決定，不能直接套用單一通用數值。

海堤主要保護陸域免受暴潮、波浪與越波影響；防波堤主要遮蔽港池、降低港內波高。兩者都須考慮波浪作用、地盤與沖刷，但設計目標及檢核項目有所不同。

解題方法：先列流程，再說設計條件

宜先用「調查與規劃 → 擬定設計條件 → 選型及初步斷面 → 結構與地盤檢核 → 細部設計及施工規劃」組織答案，再逐項說明設計年限、水位、波浪與水深的決定方式。

一、海堤設計流程

1. 確認工程目的與保護標準：盤點堤後人口、土地使用、重要設施、排水系統及既有海岸防護設施，確認防潮、防浪、減少越波等功能與安全要求。
2. 調查現地條件：蒐集海岸與海灘地形、海底地形、水深、潮位、暴潮、波浪、海流、漂砂、地質、材料、施工及環境資料；必要時進行測量、鑽探與現地觀測。
3. 決定堤線及堤址：配合海岸地形、漂砂與既有設施選定堤線；檢查堤址地盤與水深條件，評估對鄰近海岸及環境的影響。
4. 擬定設計條件並選擇堤型：依功能、自然條件、地質、施工性、材料供應、維護及工程費，比選斜坡式、直立式或複合式等斷面。
5. 設計堤頂與堤身斷面：依設計水位、波浪溯升或容許越波量決定堤頂高程；初擬堤頂寬度、護面、濾層、堤心與基礎。
6. 檢核安全與使用性能：檢核護面安定、越波、堤身滑動與傾覆、地盤承載力、整體滑動、沉陷、基礎沖刷及排水能力；必要時以水工模型試驗或數值分析補強。
7. 完成細部設計與施工規劃：確認材料規格、基礎處理、接合與排水細節、監測維護方式、施工順序及工程費。

二、防波堤設計流程

1. 確認港灣規劃與防護目標：依港池、航道及泊地的作業需求，確認港口配置、波浪遮蔽範圍及港內容許波高。
2. 調查自然與施工條件：蒐集外海波浪、潮位、海流、地形水深、地質、漂砂、材料與施工海象等資料。
3. 決定設計條件並選擇堤型：依設置水深、波浪、地盤、施工性、材料及維護需求，比選斜坡式、直立式、複合式、消波塊被覆式等型式。
4. 初擬斷面：決定堤頂高程、堤寬、護面或消波塊種類與重量、堤身材料、基礎及護基配置。
5. 計算外力並檢核安定：考慮波壓、上揚力、自重及其他必要作用；直立部檢核滑動、傾覆及地盤承載力，斜坡或拋石部檢核護面安定、基礎及整體滑動、沉陷與沖刷。
6. 完成細部設計：設計沉箱或其他壁體構件、消波塊配置、基礎與護基、附屬設施，並檢核施工階段安定、工程費及施工計畫。

設計條件如何擬定

一、設計年限與重現期

設計年限應依結構物用途、重要性、維護策略、耐久性及全生命週期成本決定。一般港灣永久構造物常以50 年使用年限作為設計參考；特殊用途或可維修、可分期改善的工程，則依工程條件另行檢討。

核心觀念

本題考查消波塊的功能與選材原則，以及斜坡式防波堤被覆塊體的穩定重量估算。常用方法是 Hudson 公式：以設計波高、塊體與水的單位體積重量比、堤面坡度及安定係數，估算單一被覆塊體的設計重量。

（一）消波塊應具備的特性

消波塊須能抵抗波浪作用並維持堤面穩定，常見要求如下：

• 重量與穩定性足夠：在設計波浪作用下不致滑動、翻滾或被搬移。
• 消波與透水效果良好：塊體排列能形成適當孔隙，使波浪能量消散並降低反射。
• 形狀有利於咬合：塊體間能互相支承、嵌鎖，減少局部鬆動；同時避免形狀使波浪作用力過度集中。
• 材料耐久：能抵抗海水、鹽分、風化、磨蝕及反覆波浪荷載，不易破裂或劣化。
• 施工與維修可行：製作、吊運、安放與檢修方便，且材料供應及施工成本合理。

實際設計時，塊體型式、排列方式、層數、坡度與波浪條件均會影響穩定性，不能只以塊體重量判斷。

（二）設計重量的計算方法

斜坡式防波堤被覆塊體常以 Hudson 公式估算：

其中：

• $W$：單一被覆塊體的設計重量。
• $\gamma_r$：塊體材料的單位體積重量。
• $H$：設計波高。
• $K_D$：安定係數，依塊體型式、堤身或堤頭、排列方式及波浪條件選定。
• $S_r=\gamma_r/\gamma_w$：塊體相對於水的單位體積重量比。
• $\gamma_w$：水的單位體積重量。
• $\alpha$：堤面與水平面的夾角。

此式的物理意義是：波浪作用隨波高立方增加；塊體重量則須隨材料相對水重、堤坡及塊體安定特性調整。計算所得是單顆塊體的估計重量，工程設計仍應配合適用的安定係數與斷面條件。

（三）代入計算

已知：

核心觀念

本題考查海堤在波浪與沿岸流作用下的水力破壞、結構破壞及地盤破壞。作答時宜由海側到陸側，依海堤斷面標出受力、沖刷位置及可能的失穩路徑。

波浪對海堤的作用包括波浪壓力與衝擊、波浪爬升與越波、波浪引起的往復流，以及波流共同造成的海床沖刷。常見破壞機制如下：

1. 堤趾沖刷與淘空：波浪及沿岸流帶走堤趾附近海床材料，使基礎失去支承或被掏空。
2. 護面破壞：波浪衝擊、爬升與回流造成護面塊體移動、掀動或流失，露出下方濾層與堤身。
3. 越波與堤後沖蝕：波浪越過堤頂後沖刷堤後坡或堤後地面，造成覆面破壞、土體流失，甚至形成破口。
4. 滑動與傾倒：波浪水平力及堤後水壓等作用，可能使牆身沿基底滑動，或繞堤趾轉動傾倒。
5. 地盤破壞：地基承載力不足時發生沉陷或剪切破壞；堤前後水位差也可能造成滲流、管湧或地基淘刷。
6. 整體滑動：堤身與地基沿較深的滑動面一併滑移，造成大範圍變形或失穩。

解題方法

先畫出海堤簡化斷面，再以箭頭標出波浪入射、越波、堤前沖刷及堤身受力。接著依「堤面—堤趾—堤體—地基—堤後」逐一標示破壞機制，並以簡短註記說明其因果關係。

核心觀念

海堤斷面安定水工模型試驗，主要是把設計斷面按比例縮小，在波浪作用下觀察堤體與各構成材料是否穩定，並量測波浪與海堤互動的水理反應。試驗規劃需同時交代三件事：觀測哪些現象、用什麼儀器量測，以及模型如何依相似律代表原型。

海堤斷面安定試驗的核心相似律為佛祿德數相似律（Froude similitude）。波浪與堤體運動主要受重力控制，因此模型與原型須維持相同佛祿德數：

其中 $V$ 為特徵流速、$g$ 為重力加速度、$L$ 為特徵長度。若模型與原型使用相同流體，令長度比為

則時間比、速度比及流量比分別為

下標 $p$、$m$ 分別代表原型與模型。波高、水深、堤高等幾何長度按 $\lambda_L$ 縮尺；波浪週期按 $\sqrt{\lambda_L}$ 縮尺。若模型與原型材料密度相同，塊體重量依體積比例約按 $\lambda_L^3$ 縮尺。

解題方法

依「作用條件—結構反應—破壞與功能」整理觀測項目，再逐項配對量測方法。最後由試驗的主導力判斷相似律：海堤在波浪下的水面運動、流速及塊體穩定以重力效應為主，因此採佛祿德相似律作為模型規劃基準。

研究觀測項目與量測方法

核心觀念

Battjes（1974）提出的碎波相似參數，又稱 Iribarren number，綜合表示深水波陡與海灘坡度對碎波形態的影響：

其中 $\tan\beta$ 為海灘坡度，$H_0$ 為深水波高，$L_0$ 為深水波長。$\xi_0$ 越小，碎波越偏向緩坡上的溢流型；$\xi_0$ 越大，碎波越偏向陡坡上的激越型。

碎波形態及現象

依 Battjes（1974）的常用分類，可概分如下：

各分類的界線屬經驗範圍；本題兩個計算結果分別落在溢流型與拋射型的典型範圍。

解題方法與計算

先由深水波色散關係求深水波長：

取 $g=9.81\ \mathrm{m/s^2}$、$T=8\ \mathrm{s}$：

核心觀念

本題考查波浪在內灘坡面上如何碎波，以及底床坡度與深海波浪尖銳度如何共同影響碎波型態。Battjes（1974）提出的碎波相似參數也稱 Iribarren 數，以一個無因次參數表示這兩種因素的相對作用。Battjes 的研究指出，許多碎波與衝灘特性可由此參數概括描述。Battjes（1974）論文摘要

其中：

• $\beta$：內灘底床坡角，$\tan\beta$ 為坡度。
• $H_b$：碎波點波高。
• $L_0=gT^2/(2\pi)$：以波浪週期 $T$ 計算的深海波長。
• $g$：重力加速度。

參數愈小，表示坡面相對平緩或波浪尖銳度較大；參數愈大，表示坡面相對陡峭或波浪尖銳度較小。也就是說，波浪尖銳度 $H_b/L_0$ 增加時，$\xi_b$ 下降；底床坡度增加時，$\xi_b$ 上升。

解題方法與碎波型態分類

作答時先寫出 $\xi_b$ 的定義，再依 $\xi_b$ 大小由小到大說明碎波型態及其外觀、耗能與近岸水體運動。常見分類如下：

核心觀念

本題考查港灣與海岸工程常用的波浪、泥砂輸運及沿岸分區名詞。作答時，應明確區分波浪幾何量、流體壓力、泥砂運移型態，以及波浪由外海傳至岸邊時的區域名稱。

解題方法與名詞釋義

（一）波數（wave number）

波數表示波浪相位沿空間變化的快慢，定義為波長的倒數乘上 $2\pi$：

其中 $L$ 為波長，$k$ 的單位為 $\mathrm{m^{-1}}$。波長愈短，波數愈大。線性波理論中，波數與角頻率 $\omega$、水深 $h$ 的關係為 $\omega^2=gk\tanh(kh)$。

（二）波浪尖銳度（wave steepness）

波浪尖銳度是波高與波長的比值，表示波形的陡峭程度：

其中 $H$ 為波高、$L$ 為波長，兩者同為長度，故尖銳度無因次。尖銳度愈大，波浪愈陡；在有限水深中，過大的尖銳度會使波浪達到極限而破碎。

（三）動水壓 $P_D$（dynamic pressure）

動水壓是水體運動所產生的非靜水壓力，來自流體加速度與速度變化；它與只由水深決定的靜水壓不同。在線性波理論下，波浪造成的壓力擾動常以動壓表示，其振幅會隨離底床或自由液面的垂直位置而變化。工程上須依所採用的壓力慣例，區分動壓擾動與包含靜水壓的總壓力。

（四）底床載（bed load）

底床載是泥砂在床面附近移動的輸砂型態，顆粒主要以滾動、滑動或跳躍方式前進，並持續受到床面支承或與床面碰撞。其運移高度通常集中在底床附近。

（五）懸浮載（suspended load）

懸浮載是泥砂顆粒被水流紊動向上托起，在水體中懸浮並隨流輸送的部分。當紊動向上的作用足以抵銷顆粒沉降作用時，顆粒得以維持懸浮；流速或紊動減弱時，顆粒則可能沉降回床面。

（六）徐爾茲數（Shields number）

徐爾茲數是描述水流作用於床砂的無因次剪力參數，又稱無因次床面剪應力：