115 高普考高考三級 港灣工程 考古題詳解

核心觀念

本題考防波堤的規劃目的、配置原則與整體港灣影響。防波堤是港灣外廓設施，主要功能是遮蔽外海波浪、維持港內靜穩，使船舶能安全進出、繫泊與裝卸；另可配合港灣條件，維持水深、減少漂砂淤積，並保護港灣設施及背後土地免受波浪、暴潮與海嘯影響。

防波堤規劃不能只看堤體本身是否能抵抗波浪，還須把它放進整體港灣配置中檢討：堤線與港口的位置、港內靜穩、船舶操航、漂砂與水流變化、港內水質、工程費與維護費，以及港灣未來發展，都會互相影響。

解題方法

作答可依「功能—調查—配置—影響—經濟與發展」的順序說明：先交代防波堤要達成的功能，再列出決定堤線與港口位置所需檢討的條件，最後說明完工後的外部影響及方案取捨。這樣能同時涵蓋防波堤的工程功能與港灣整體規劃要求。

防波堤規劃基本原則

一、以港灣功能與服務對象為規劃起點

先確認港灣用途、目標船舶、航行與繫泊需求、碼頭作業方式，以及應保護的港灣設施和背後土地。防波堤的配置與斷面應能發揮預定功能；若兼具防波、防砂或防潮等功能，也須一併檢討其效果。

二、調查自然條件與港灣現況

規劃前應掌握波浪、潮位、風、海流、地形地貌、水深、地質及漂砂等條件，並了解周邊海岸、河川輸砂與既有港灣設施。尤其須辨識常見及強烈波浪的方向，以及沿岸漂砂的來源、方向與運動特性，作為堤線、港口方向與設置位置的依據。

三、堤線配置須兼顧遮蔽效果與港內靜穩

防波堤法線應對主要波浪方向形成有效遮蔽，降低波浪經港口入射、繞射、越波或反射後對港內航道、迴船池、錨地及碼頭前水域的影響。配置時須檢核港內靜穩度，使船舶能安全航行、繫泊與裝卸；不能只以港外堤段能否擋浪判斷配置是否適當。

四、港口位置、方向與寬度須符合船舶操航需求

港口是波浪進入港內的主要通道，也是船舶進出港的航路。港口的位置與方向須同時考量波浪遮蔽、航道銜接、目標船舶操縱性能、風與流的影響，並留有安全的通航寬度及迴旋空間。港口過寬，波浪較容易侵入；

核心觀念

本題考查依「相對水深」判斷波浪屬於深水波、中間水深波或淺水波，並依線性波理論求波長、波速及水粒子軌跡。

令水深為 $h$、波長為 $L$、週期為 $T$、重力加速度為 $g$，相對水深為 $h/L$，波數與角頻率分別為

$$k=\frac{2\pi}{L},\qquad \omega=\frac{2\pi}{T}.$$

線性重力波的色散關係為

$$\omega^2=gk\tanh(kh).$$

波速（相速）為

$$C=\frac{L}{T}=\frac{\omega}{k}.$$

相對水深會影響波浪受到海床影響的程度；水越深，海床對波浪運動的影響越小。

解題方法

先以 $h/L$ 判斷水深分類，再依色散關係在各分類下的近似條件，求出波長與波速。中間水深波沒有簡單的明確波長公式，須以完整色散關係求解。

1. 深水波

分類標準：

$$\frac{h}{L}>\frac{1}{2} \qquad\Longleftrightarrow\qquad kh>\pi.$$

深水時 $kh$ 很大，故 $\tanh(kh)\approx 1$。代入色散關係：

$$\omega^2\approx gk.$$

以 $k=2\pi/L$、$\omega=2\pi/T$ 代入，可得深水波長

$$L_0=\frac{gT^2}{2\pi},$$

波速則為

$$C_0=\frac{L_0}{T}=\frac{gT}{2\pi}.$$

深水波水粒子的軌跡近似圓形；水面附近運動最大，愈深則軌跡愈小，約至 $L/2$ 深度以下可視為波浪運動影響甚微。

2. 中間水深波

分類標準：

$$\frac{1}{20}<\frac{h}{L}<\frac{1}{2} \qquad\Longleftrightarrow\qquad \frac{\pi}{10}<kh<\pi.$$

此時海床已影響波浪，但不能直接採用深水或淺水的極限近似。波長須由完整色散關係求解：

$$\left(\frac{2\pi}{T}\right)^2 = \frac{2\pi g}{L} \tanh\left(\frac{2\pi h}{L}\right).$$

已知 $h$、$T$ 時，通常以迭代或數值方法求出 $L$；波速為

核心觀念

本題考查碼頭的結構型式、受力方式，以及結構型式與地盤、水深、波浪條件的配合。國內常見的固定式碼頭可分為三大類：重力式、板樁式、棧橋式。各類型的主要差別，在於碼頭如何抵抗土壓與船舶靠泊等水平力，以及上部荷重如何傳遞至地盤。

解題方法

作答時可依序說明「結構如何承載 → 適用條件 → 優點與限制」。判斷適用性時，掌握三個要點：

1. 地盤承載力與沉陷特性。
2. 碼頭前水深及需要開挖的深度。
3. 波浪、船舶靠泊力及其他水平荷重的大小。

碼頭構造型式與比較

型式	結構與受力方式	適用場域	優點	缺點
重力式碼頭	以大型混凝土構造物及其自重抵抗背填土壓力、船舶靠泊力等水平作用。常見有沉箱式、方塊式、L 型塊式及場鑄混凝土式。	地盤承載力較佳、地基較穩定，且可施工大型基礎構造物的港區；常用於需有完整岸壁及堆置場地的碼頭。	結構厚重、整體性佳、耐久性高；碼頭面可直接支承較大荷重，適合重型裝卸設備及堆貨使用。	自重大，地盤承載力不足時容易發生不均勻沉陷或穩定問題；材料與施工量大，工程費用較高；深水或需大量水下施工時，施工難度及成本增加。
板樁式碼頭	以板樁形成岸壁，插入地盤中承受土壓；常以錨碇構造、拉桿或其他支撐系統協助抵抗水平力。常見有錨碇式、懸臂式及支撐式。	地盤可供板樁打設，且岸壁背後空間有限、希望減少基礎構造物體積的場址；中等水深及土壓條件合宜時可採用。	構造較薄、材料用量通常較少；施工速度快，施工設備相對簡便；可減少占用岸側空間。	板樁與錨碇系統受腐蝕及耐久性影響，需妥善防蝕與維護；不適合板樁難以打入、地層含障礙物或水平作用很大的條件；

核心觀念

本題考查風象與海流如何影響港口的平面配置及碼頭結構設計。港口配置須兼顧船舶進出、港內泊穩與港池靜穩；碼頭設計則須考慮風力、流力對船舶及結構物造成的荷載。港口開口與防波堤布置需依當地風、流的方向與強度，配合波浪條件整體規劃。

解題方法

一、港口開口方向與防波堤布置

**風象方面：**蒐集港址各方向風向、風速及季節變化資料，辨識強風、季風及颱風期間的主要風向。港口開口宜避免正對強風主導方向，降低風浪直接進入港池及船舶進港、靠泊時受風力偏移的影響。防波堤配置則須形成足夠遮蔽水域，保護航道、迴船池與泊位；同時避免堤體配置導致港內通風不良、污染物滯留或港池水體交換受阻。

**海流方面：**調查潮流及沿岸流的流向、流速與漲退潮變化。港口開口應避免使強流直接穿越港池或泊位，降低船舶進出港時的操船困難、漂移及碰撞風險。防波堤端部與開口配置應避免造成過大流速、回流、渦流或泥砂輸運集中，以減少航道沖淤、港池淤積及局部沖刷。港口開口與防波堤不能只按單一主流向決定，還須檢核潮流反向時的影響。

二、碼頭結構設計

**風力作用：**風會直接作用於碼頭上部構造，也會作用於停泊船舶，再經繫船纜繩與繫船柱傳遞至碼頭。

核心觀念

本題考查港灣布置中堤頭附近的波浪繞射，以及繞射係數的定義與工程上的改善方式。新建或延長防波堤能阻擋入射波，但堤頭會成為波浪傳播的邊界；波能可由堤頭向背波側傳播，使港內仍有波浪。若越波、堤頭繞射或港池共振等效應明顯，港內波高不一定隨堤長增加而降低。

波浪繞射

波浪遇到防波堤、島嶼或其他障礙物時，波峰線在障礙物邊緣附近彎曲，波能進入原本的背波區域，這種波浪傳播方向改變並向遮蔽區擴散的現象，稱為波浪繞射。

堤頭是有限長堤防的端部。波浪由堤頭向港內擴散後，港內波高會受入射波條件、堤頭位置與形狀、水深、週期及觀測點位置影響。繞射波與其他入港波浪成分疊加時，局部波高可能上升。

繞射係數

繞射係數 $K_d$ 用來表示繞射區波高相對於入射波高的比例：

$$K_d=\frac{H_d}{H_i}$$

其中 $H_d$ 為繞射影響位置的波高，$H_i$ 為入射波高。$K_d$ 隨位置及波浪條件而異，通常以繞射係數圖表或理論方法求得，不能視為整個港池固定不變的常數。

若 $K_d<1$，該處波高低於入射波高；若 $K_d=1$，波高與入射波高相同；若 $K_d>1$，表示該處波高較入射波高大，常見原因包括波浪疊加或港池地形、反射及共振等效應。繞射係數描述的是波高比例，不等同於波能比例；在相同水深與波況下，波能約與波高平方成正比。

解題方法與降低堤頭繞射方式