民國115年 高考三級 港灣工程考古題
民國115年 高考三級 港灣工程收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請就港埠工程裡防波堤規劃基本原則做一說明。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、功能定位與靜穩度目標：防波堤主要功能為阻擋外海入射波浪、維持港池靜穩、防止漂沙侵入航道，並保護碼頭與船舶作業安全。規劃時首應依港埠性質（貨櫃、散雜貨、油品、漁港）訂定容許波高，例如貨櫃碼頭港池H1/3宜控制在0.3至0.5公尺以下，作為堤線布置與結構設計依據。
- 二、堤線與平面布置：堤線宜儘量與主要設計波向正交以提高遮蔽效果，港口開口應避開強浪與盛行風向，並避免開口正對航道造成船舶操航困難。堤距與開口寬度須兼顧船舶進出、港池水交換，並避免港池產生共振（seiche）與波浪集中現象。
- 三、結構型式選定：應依水深、海床地質、設計波浪、潮位、地震、材料來源與施工能力，選定重力式、直立式、混成式、消波塊式或透水式堤。水深大、地盤良好者宜採沉箱重力式；軟弱地盤或需減輕反射者宜採消波塊或透水式。
- 四、漂沙與環境水理：防波堤會改變沿岸漂沙與流場，造成上游側淤積、下游側侵蝕，規劃時應評估沿岸漂沙量、漂沙方向與港口開口位置，必要時設置導流堤或疏浚配套。並應兼顧景觀、生態、親水與後續擴建彈性。
- 五、設計條件與經濟性：須採定設計波浪重現期（如50年）、設計潮位、設計地震與船舶撞擊力，並以成本效益、維護管理與生命週期分析檢討堤長與斷面。堤頂高程應考量越波量與安全，可採胸牆或消波塊降低越波。
波浪依相對水深範圍可分為那幾類？請說明分類標準、各類波浪的波
長，以及波速如何計算？並請繪圖說明各分類波浪水粒子運動方式為
何？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、分類標準：依相對水深d/L區分（d為水深、L為波長）。d/L大於等於1/2為深水波，1/20小於d/L小於1/2為中間波（淺化波），d/L小於等於1/20為淺水波；亦可用深海波長L0判斷，d/L0大於等於0.5為深水波、小於等於0.05為淺水波。
- 二、波長與波速計算：深水波L0＝gT²/2π，約為1.56T²；中間波須以分散關係式L＝(gT²/2π)tanh(2πd/L)迭代求解；淺水波L＝T√(gd)。波速C＝L/T，故深水波C0＝gT/2π約為1.56T，淺水波C＝√(gd)，僅與水深有關而與週期無關。
- 三、深水波之水粒子運動：水粒子作圓形軌跡運動，軌跡直徑自水面隨深度呈指數衰減，D＝D0·exp(-2πz/L)，至深度超過L/2時運動幾乎可忽略，故深水波不致擾動海床，船舶與結構物僅受表層波能影響。
- 四、中間波與淺水波之水粒子運動：中間波粒子軌跡為封閉橢圓，隨水深增加長軸大致不變、短軸漸縮；淺水波橢圓極為扁平，接近水平往復運動，海底處僅剩水平位移，形成底層邊界層與底部剪應力，為漂沙與底床變形主因。
- 五、繪圖說明：請繪三格並列之斷面圖，縱軸為水深、橫軸為水平距離，以正弦曲線表示水面波形並標註波長L與波高H；三格分別繪出圓形、橢圓與扁平橢圓之粒子軌跡，海底以水平雙箭頭表示往復運動，並註明各類d/L範圍及L、C計算式。
請問碼頭構造有那幾種形式？並說明其適用場域以及優缺點？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、重力式碼頭：以沉箱、方塊或混凝土塊體堆疊，靠自重抵抗土壓與波浪力。適用於地盤良好、水深較大（可達20公尺以上）之貨櫃、散雜貨及油品碼頭。優點為耐久性高、承載力大、耐船舶撞擊、維護少；缺點為需良好基礎、斷面龐大、造價高，軟弱地盤須先地盤改良。
- 二、板樁式碼頭：以鋼板樁或鋼管樁打入海床形成擋土牆，頂部設錨碇板樁或地錨及冠牆。適用於水深約10公尺以內、地盤較軟之雜貨與小型碼頭。優點為斷面小、施工快速、造價較低、可配合設置階梯；缺點為適用水深受限、側向變位較大、鋼材易腐蝕須防蝕。
- 三、棧橋式（樑柱式）碼頭：以基樁支撐上部樑板結構，形成透水之棧橋面。適用於軟弱地盤、深水區、需維持水流通透或既有碼頭改建。優點為透水性佳、對港池流場與水質影響小、可適應軟弱地盤與較大水深；缺點為造價高、樁體易腐蝕且不耐船舶撞擊，承載與耐震須特別檢核。
- 四、混成式與其他形式：混成式碼頭下部採重力式、上部採棧橋或消波結構，兼具承載力與透水性；另有扶壁式、L型擋土牆式、浮動碼頭（適用水位變化大之遊艇港）及離岸島式碼頭（配合大型貨櫃船與自動化裝卸）。選型應綜合水深、地質、波浪、船舶噸位、工期與經費。
除了波浪與潮汐，風象（Wind）與海流（Current）也是港埠配置不可忽
視的海象條件。請說明在港區平面配置的港口開口方向和防波堤布置，
以及碼頭結構設計中，應如何考量「風象」與「海流」的影響？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、風象對港口開口的影響：港口開口應避開颱風與盛行強風之來向，或於開口外側設置外廓防波堤、導流堤形成遮蔽；開口不宜過寬，以免強風伴隨波浪直接侵入港池。設計時應採風與浪之聯合作用，以風浪合成條件檢討港池靜穩。
- 二、風象對平面配置的影響：岸上設施應依風玫瑰圖配置，貨櫃堆場與散貨堆置區宜設於下風側，以減少飛沙粉塵汙染裝卸區；橋式起重機應避開風速最大之迎風位置並訂定停工風速。另須預留防風林、防風牆與排水，並檢討風造成船舶靠離泊之橫向漂移。
- 三、海流對平面配置的影響：應調查潮流、沿岸流與河川排出流之流速與流向，港口開口宜避開強流區，並使航道與流向成小角度以利船舶操航；防波堤布置應避免堤後產生渦流與環流，防止漂沙在航道口淤積，必要時設導流堤或定砂設施。
- 四、海流對碼頭結構設計的影響：作用於樁體與沉箱之水流力可按F＝0.5ρCdAV²估算（ρ為水密度、Cd為阻力係數、A為投影面積、V為流速），並檢核繫纜力、靠船力與基礎沖刷。碼頭前水域流速宜控制在0.5節以下，超過時應調整堤線或設置消流設施。
- 五、綜合檢討：風與流常與波浪同時作用，設計應採聯合機率與最不利組合，並以水工模型試驗或數值模擬驗證港池靜穩、淤積與船舶操航；營運階段應建立風速、流速監測及船舶進出管制標準。
臺灣目前許多港埠面臨的主要問題為結構破壞、港池靜穩度及航道淤積
問題，通常選擇以建置新堤防或延伸堤長之方式來阻擋波浪，提高港內
的靜穩度，同時期能降低港池內之震盪問題。然而因為越波及堤頭繞射
的關係，可能導致港內波高不減反增，請說明何謂波浪繞射、繞射係數，
以及如何降低堤頭繞射現象。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、波浪繞射之定義：波浪前進遇防波堤、堤頭或島嶼等障礙物時，因無法穿越而沿障礙物邊緣側向傳播，波向線彎曲並將波能傳入幾何遮蔽區，此現象稱為繞射（diffraction）。港內波高因此不僅取決於遮蔽角，亦受繞射與反射共同作用影響。
- 二、繞射係數：繞射係數Kd定義為繞射後某點波高Hd與入射波高Hi之比，即Kd＝Hd/Hi。其值隨繞射角θ、距堤頭距離與波長比r/L而變，可由Sommerfeld解析解或Penny與Price圖表查得；港池靜穩分析即以各方向波浪之Kd加權，求得港內波高分布。
- 三、堤頭繞射之成因與影響：堤頭是波能繞入港池之主要通道，堤長不足、開口過寬或堤頭正對入射波向時，繞射波與港內反射波、港池共振疊加，可能使局部波高不減反增；若同時發生越波（overtopping），更直接將能量注入港池。
- 四、降低堤頭繞射之布置對策：可延長堤長或將堤頭做成L型、T型、鉤狀以阻斷側向繞射；調整港口開口位置與寬度，避免正對主要波向；港池形狀與尺寸應避開seiche與Helmholtz共振週期，並以內堤、島堤分割水域、破壞波浪集中。
- 五、消能與驗證：堤頭可採消波塊、消波艙或透水堤頭降低繞射能量，港內壁面採消波或傾斜反射面以減少反射疊加；並應以水工模型試驗與數值模式檢核各方向設計波浪下之Kd分布，確認達成港池靜穩度目標後再定案。