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地盤による消波システムの開発について

New Wave -Absorbing System using Sand Liquefaction
高橋重雄*・下迫 健一郎*・朴 佑善**・山本 悟***・三浦祐信*
Shigeo Takahashi, Kenichiro Shimosako, Woo-sun Park, Satoru Yamamoto, Hironobu Miura
*運輸省港湾技術研究所水工部
Hydraulic Engineering Division, Port and Harbour Research Institute, Minisuy of Transport
**韓国海洋研究所
Korea Ocean Research&Development Institute
***運輸省第三港湾建設局神戸調査設計事務所
Koube Investigation and Design Office, the Third District Port Construction Bureau, Ministry of Transport
Keywords: Wave-Absorbing System, Sand Liquefaction, Pore Pressure
ABSTRACT
A new wave-absorbing system is proposed that dissipates wave energy using damping produced by the movement of liquefied sand. Wave damping due to soft clay movement is generally known to be high. On the other hand, that due to sand movement is much less because of its high shear modulus, though when liquefaction occurs, the sand becomes soft and induces high damping similar to soft clay. The new system is primarily comprised of horizontal pipes buried in the sand bed. Water is pumped into the pipes, which increases the pore pressure in the sand bed and causes so-called boiling of the sand, i.e., a kind of sand liquefaction occurs since it behaves like a liquid. Consequently, the shear modulus of the liquefied sand is significantly decreased, and a large movement of sand occurs due to the wave action. Wave energy is consumed by the resultant friction between sand particles during their wave-induced movement.
A series of model experiments and some FEM calculations were carried out to investigate the fundamental characteristics of liquefied sand and the wave-damping effect. Wave damping due to a liquefied sand bed can be significant, even at a hydraulic gradient as low as about 0.5. When the water depth is shallow and the sand bed thickness is deep, then wave damping is large. Wave damping can be expressed by Biot's equation using the linear wave damping coefficient. The corresponding FEM-calculated results indicate good agreement with experimental ones.
The new wave-absorbing system can be employed as a wave barrier designed to produce a calm sea area, especially suitable for damping waves at a harbor entrance.
1.まえがき
近年、新しい波浪制御構造物として多くの構造が提案されている。そのうちのいくつかは、実際に現地に造られるようになっており、波浪制御技術は着実に発展していると考えられる。ただし、これらはほとんどが従来の混成防波堤ケーソンの改良が中心であり、波浪制御技術のさらなる発展を図るためには、異なった発想に基づく新たなシステムが必要になっている。
最近では、フレキシブルバックやフラップボードなど新たな発想と新たな材料による波浪制御技術も研究されている。著者らは、こうした新しい波浪制御の一つとして、液状化した砂地盤による消波システムを開発した1).これは、液状化した地盤上を波が通過すると波によって砂が動き、このとき砂粒子間にせん断摩擦力が発生して波のエネルギーを消費し、進行する波を減衰させるものである。
本報告では、このような液状化した砂地盤の消波機能に関する基本的性質について、水理模型実験およびFEMによる数値計算の結果を紹介する。
2.地盤による消波の考え方
メキシコ湾のミシシッピデルタとよばれる海域では、異常波浪時に漁船等が逃げ込む比較的静かな海域があることが知られている。これは柔らかい粘土地盤が波によって動き、その粘土粒子の摩擦によって波のエネルギーが消費されることにより生じる現象である。
山本らは、こうした粘土地盤上における波浪減衰について検討している2)3)4)5)。山本らの模型実験では、水路内に長さ7m、深さ0.3mの粘土地盤を設け、水深を0.3mとしたとき、周期1s、波高8cmの波が粘土地盤上を通過すると、波高が約半分に低下している。また、山本らは、波高は地盤の長さに対してほぼ指数関数的に減衰することを明らかにし、半無限の地盤の場合について、線形の筒略式を示している。すなわち、入射波Hiがxだけ進行して減衰を受けるとき、波高Hは、
H=Hiexp(Dx) (1)
で表され、減衰係数Dは浸透水による減衰を無視して、地盤粒子間の摩擦による減衰を簡単に表すと、
D=-kUzi(0)/(nHicoshkh)(2)
となる,ここに、kは波数(=2π/L;Lは波長)、hは水深、nは群速度と波速の比、Uzi(0)は地盤の動きの虚数部である。この式は、そこでの地盤の動きが大きくしかも位相差があると波高が減衰することを表している。地盤の動きの虚数部を簡単に表すと、

 

 

 

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