第八章 海岸侵蝕與防護對策

8.1 海岸侵淤的機制

海岸侵淤的機制可由控制體之觀念進一步瞭解。圖8.1為海岸地形變化控制體之示意圖，圖中  為沿岸之漂沙量，O 為向、離岸漂沙量， 為風力所引起之飛沙量，R 為河川之輸沙量，  為海崖之侵蝕量，白色箭號為流入量，而黑色箭號則為流出量，則依質量守恆原理可得下式：

                             (8-1)

式中  表示控制體之體積隨時間之變化率。下標 “in” 為流入量，“out” 則為流出量。上式如 ，表示流入控制體之漂沙量大於流出之漂沙量，此情況海岸為淤積，反之則 ，海岸呈現侵蝕之情況。

圖8.1 海灘變化之控制體積示意圖 (Horikawa , 1988)

8.2 海岸侵蝕分類

從8.1節海岸侵淤機制之控制體分析可知，海岸侵蝕發生原因乃供應控制體之沙量與流出沙量不均衡現象所造成。日本戰後20 ~ 30年間，由航照圖的分析結果發現，海岸在河口位置與結構物附近有明顯的侵蝕現象。台灣海岸近年來普遍發生侵蝕，實測資料分析顯示，台灣大部份海岸發生侵蝕，張和黃 (1998) 所分析之台灣海岸侵淤空間分佈示於圖8.2。從圖中之結果可以看出，台灣大部分海岸呈現侵蝕的趨勢，往昔「滄海桑田」的景象已經不復存在。台灣沿海地區在幾處侵蝕嚴重的地方，居民住家門外就是汪洋大海，長年飽受海浪威脅，颱風天候，波浪越過海堤堤頂，更直接侵襲房舍，高雄縣梓官鄉的蚵子寮海岸為一典型的海岸侵蝕例子，照片8.1為柯子寮海岸緊鄰住家之情況。

 

圖8.2 台灣海岸侵蝕空間分佈圖 (張和黃，1997)

 

照片8.1 高雄縣蚵子寮海岸之海岸侵蝕

8.2 海岸侵蝕分類

海岸侵蝕依其型態可分類如下：

1. 海崖侵蝕

海崖侵蝕為軟質泥岩或堆積岩的基部因受波浪長期作用及上部荷重，使陸岸崩陷而形成海崖侵蝕。日本的 Byobugaura 海岸及台灣高雄縣的赤崁海岸均為典型海崖侵蝕的例子。Byobugaura 海岸面向太平洋，海岸地質的平面組成分佈示於圖 8.3，斷面組成分佈之最上層為土壤，而基礎則為沙、礫石及泥岩。海岸之懸崖高度介於10公尺 ~ 60公尺之間，海崖的基腳由崩落的沙石所覆蓋。在波浪、潮汐作用下，基腳被淘蝕而造成海崖滑落。圖 8.4 之現場實測結果顯示，懸崖斷面侵蝕速度為每年0.9公尺。

 

圖8.3 Byobugaura 海岸地質之平面組成分佈，水平坐標為斷面編號 (Horikawa , 1978)

 

圖8.4 Byobugaura 海岸之斷崖侵蝕 (Horikawa , 1978)

赤崁海岸位於高雄縣梓棺鄉，其海崖高度在6公尺 ~ 10公尺之間，未構築離岸堤保護海岸前，本段海岸由於波浪、潮汐之侵襲而有明顯的侵蝕現象，其侵蝕之海崖斷面如照片8.2 所示。

   

                (a) 遠看                             (b) 近看

照片8.2 高雄縣梓官鄉赤崁海岸之崖侵蝕

2. 河川輸沙減少之海岸侵蝕

就大部份海岸而言，河川輸出之泥沙為海岸漂沙之最主要來源。河川輸沙量自上游山岳地帶匯集大量土石流，隨滾滾洪水攜帶到河口，因水流流速及輸沙能力急速降低而沉積於出海口及近岸，被潮流、沿岸流及波浪等搬運形成沿岸漂沙。如河川供應之輸沙甚為充沛，輸沙量遠勝過波浪之輸沙作用，則於出海口形成河口三角洲而於沿岸形成堆積海岸。

近年來河川輸沙量逐漸減少，其原因為：(1) 經濟成長穩定，從早期拓荒步入穩定之生產期，平原農地均已成熟，土壤流失較少。(2) 工程建設成長迅速，大量採取河川沙石作為水泥原料，致挾帶至下游的泥沙減少。(3) 水庫與攔沙壩興建，攔截沙石。另山坡地水土保持，減少土石流失。(4) 河川整治，減少河岸沖刷。這些因素使河口沙源大量減少，於是河川堆積作用弱於波浪侵蝕作用而發生海岸侵蝕。

台灣部份海岸近年來發生之海岸侵蝕現象與河川輸沙減少有密切的關係。台北縣八里海岸位於淡水河口附近，民國47年以後至民國76年，由於淡水河抽沙及水庫興建等因素影響，呈現迅速侵蝕。民國76年以後淡水河管制抽沙，減緩八里海岸之侵蝕速度，圖 8.5為八里海岸灘線之變化情形，從圖中可以看出，民國47年至民國75年之灘線明顯後退，以後海岸仍繼續侵蝕，但速度減緩。

宜蘭海岸為由蘭陽溪所供應之沙源所形成之獨立弧形海岸，過去河口排沙豐富造成海岸堆積而形成沙丘，但近年來宜蘭海岸沿岸沙丘受海潮侵蝕情況頗為嚴重，灘線內移約數十公尺不等。根據水利處之實測海灘斷面資料分析結果顯示，蘭陽溪沙石超採為海岸侵蝕之重要原因之一，由於砂石大量開採，造成河川下游輸沙量不足，使海灘在風力和海潮作用下，灘線不斷向內陸移動 (許和溫，1997)。宜蘭海岸明顯的侵蝕區域如澳仔角、港邊里、利澤、過嶺、大福、竹安河口南側等侵蝕現象較為嚴重。照片8.3及照片8.4分別為港邊里及大福海岸在颱風侵襲後之沙丘侵蝕情形。

8.2 海岸侵蝕分類

 

圖8.5 台北縣八里海岸之海岸線變遷

 

 

   照片 8.3宜蘭縣港邊里海岸之沙丘侵蝕    照片 8.4宜蘭縣大福海岸之沙丘侵蝕

3. 受海岸結構物影響之海岸侵蝕

防波堤、突堤與離岸堤等海岸結構物不僅阻擋水流，也使波浪產生繞射與反射現象，導致遮蔽區之波浪變小，水流流速降低而使泥沙沈澱，反射區之波浪則變大且流速增加而加速泥沙移動。沿岸流被結構物阻擋，沿岸漂沙沈澱於結構物之上游側，部份泥沙被沿結構物平行向外海方向流動之離岸流帶向外海方向。如結構物較短則離岸流可能折向結構物下游方向，將漂沙帶往下游，部份沿岸漂沙可繼續流向下游側海岸。如果堤長太長則將沿岸漂沙完全阻擋，下游無法獲得沙源。因此防波堤、突堤及離岸堤下游側會侵蝕、上游側堆積，繞射區內泥沙堆積，堤愈長此種現象愈強烈。

 

圖8.6 花蓮港東防波堤延長前後南濱海岸之灘線變化

 

花蓮海岸由於花蓮港東防坡堤於民國75年之延長，鄰近海岸地形變化也因重新調整而受到影響。如圖 8.6所示，原來北濱段海岸呈現相當程度之淤積，而南濱段海岸則原有寬廣的海灘已經加速消失，呈現嚴重的侵蝕現象 (Hsu等人，2000)。Hsu等人 (2000) 之研究指出，東防波堤擴建前，沿岸流帶動北濱段的漂沙向南濱方向移動，在南濱海岸淤積成寬廣的海灘，而北濱海岸呈現侵蝕現象。圖 8.7為東防波堤擴建前，在ENE季節風波作用下近流流況之分佈，其流動方向主要為由北往南。東防波堤擴建之後，從圖 8.8可以看出，堤體的遮蔽效應使北濱海岸波高變小，反向之輻射應力梯度改變原來沿岸流的分佈形態，並於南濱海岸產生一對逆向環流，環流系統中順時鐘方向沿岸流使部分漂沙沉積於美崙溪口，而南濱海岸則因流場分離且無沙源補充，故侵蝕現象明顯。東防波堤擴建使美崙溪口至自由街排水口海灘由早期侵蝕變為淤積，而使南濱海岸前灘發生嚴重侵蝕，並威脅南濱公園之安全。

8.2 海岸侵蝕分類

 

圖8.7 花蓮港東防波堤擴建前之近岸流流場分佈

 

 

圖8.8 花蓮港東防波堤擴建後之近岸流流場分佈

 

圖 8.9為台中港海域民國29年至85年之灘線變化圖。台中港於民國28年興建3330公尺長之北防波堤，攔截大部份向南運移之沿岸漂沙，漂沙淤積於防波堤北岸，民國29年至46年灘線前進幅度約350公尺，每年約增加20公尺。民國46年至85年間，有民國65年之北防沙堤興建，民國78年之回淤抽沙，灘線前進150公尺，每年平均增加幅度約為4公尺。由於海岸漂沙受到北防波堤之阻絕，南向沙源之短缺造成離防波堤1500公尺之南側海岸侵蝕，海岸灘線已逐漸消失，目前已興建海堤保護，而堤前海床仍持續刷深。

圖8.9 台中港附近由於北防波堤之延長海岸之灘線變化

4. 地盤下陷

結構物重量之沈壓、土壤性質之變化及地下水位之降低等均將造成地盤下陷，其中又以地下水位之降低所引起之影響最為嚴重。台灣有將近1057平方公里之土地受地盤下陷所影響，即可知此一問題之嚴重性。地盤下陷非但造成地下水鹽化、感潮河段延長、海水倒灌及波浪越波等災害外，更將引起海岸之侵蝕問題。其原因乃地盤下陷將使海岸地帶之水深變大，波高增加且波能變大，而其淘蝕能力也增強，同時碎波帶內移而更加劇沙灘之沖蝕，故海岸因而遭致侵蝕，海岸線向內陸移動。

屏東縣塭豐海岸，民國60年後由於過分超抽地下水，引起地盤嚴重下陷，而發生海岸侵蝕。圖 8.10為地下水超抽前後灘線變化之比較，由圖中結果明顯看出由於地盤下陷，使灘線呈現明顯後退，從民國61年至民國72年，平均後退量約80公尺 (歐和許，1985)，民國72年之灘線已退至現有海堤堤址位置，海岸侵蝕使現有海堤高度不斷加高。

8.2 海岸侵蝕分類

圖8.10 塭豐海岸由於地層下陷之灘線變化

5. 地形阻隔

海底深谷常延伸至淺水區河口附近，致使河川流出之泥沙流入河口海溝而無法形成沿岸漂沙輸送至鄰近海岸。此種地形阻隔將使河口輸沙量被沿岸流帶往下游海岸之機會變小，因沿岸漂沙量之減少而導致海岸侵蝕。圖 8.11為高屏溪口有海溝伸向小琉球方向，水深達百公尺以上，成為高屏溪輸沙之陷阱，使兩側海岸無法獲得充分沿岸漂沙之沙源。根據水利處之實測海岸地形資料顯示，高屏溪口附近海岸呈現侵蝕現象。

6. 海水面上升

海水面除每日兩次之天文潮之升降外，亦有季節性之變化，乃至海風推升、河川流量、水溫及海流變動都會引起海水面升降。海水面之升降不僅使海岸線位置向內陸內移或向外海移動，亦能因水深變化使波浪改變，影響漂沙運動而產生不同之海岸過程。Eornitz 和 Lebedeff (1987) 從長期性海面資料分析發現，平均海水面每年以穩定狀態長期上升中，1880 ~ 1982年間海面之上升率約為1.0 0.1 mm/year。Wigly 和 Raper (1987) 由模式推估海水面之上升率為2.0 ~ 6.0 mm/year，其原因乃近百年間氣溫上升使海水溫度隨之上升，其中一半為海水之熱膨脹，另一半則為氣溫上升使冰河及冰床溶解所導致。圖 8.12示說明長時間海水面變化與時間的關係，從圖中可知，1萬年前之海水面與現今海水面相差約30 ~ 40公尺。海水面上升量詳見第  節所述。

圖8.11(a) 高屏溪附近之海底地形（平面變化）

 

圖8.11(b) 高屏溪附近之海底地形（斷面變化）

 

圖8.12 平面海水面隨時間之變化 (Horikawa , 1988)

8.3 防護對策

Bruun (1962) 之研究模式指出，灘線後退量為海水面上升量除以坡度，即海水面上升50公分，則前灘坡度1/20之海灘將後退10公尺；1/30之海灘將後退15公尺；1/50之海灘則後退25公尺。對台灣海岸而言，水位上升將使離岸沙洲或平緩海灘淹沒，波浪越過沙灘而使能量增強，災害位能增大，海岸保護設施之機能及安全性降低。

7. 波浪與潮流作用

波浪與潮汐產生之水流為海岸輸沙之原動力。垂直海岸入射之波浪，波浪產生之波揚使碎波帶產生回流 (return flow)，再加重力之作用而使底質向外海移動。波浪尖銳度較大或前灘坡度較陡則回流流速隨之增加，容易使海灘侵蝕。反之如波浪尖銳度小且底質孔隙大或坡度較緩，則回流流速較溯升速度慢，海灘較容易堆積。前者通常為颱風波浪作用下之海灘，漂沙以向海方向為優勢，稱為暴風海灘或沙洲海灘，後者一般為季節風浪或湧浪作用下之海灘，漂沙向岸堆積，稱為正常海灘或夏季海灘。

台灣東部海岸坡陡水深，且颱風侵襲次數較多，暴風波浪具有侵蝕作用，且重力向外海之成份較大，由於前灘容易沖刷而無沙源補充，形成侵蝕性海灘。台灣南部海岸則因西南氣流產生波形較為尖銳之侵蝕性波浪，將前灘之細底質帶往深海堆積，湧浪向海岸方向搬回之漂沙較原先向海移運者少，所以形成侵蝕性海灘。波浪斜向入射則碎波產生沿岸流，漂沙由沿岸流搬運流向下游方向。一般認為碎波角  時，沿岸流流速最強且沿岸漂沙量最大，如無上游沙源補充則極易形成海灘侵蝕。台灣中西部海岸如新竹、台中及彰化之海灘坡度平坦，季節風浪碎波後形成之沿岸流搬運河口排沙至下游海岸，故形成前灘堆積之海埔新生地。

8.3 防護對策

防止海岸侵蝕之措施，如在觀念上及設計上如未能考慮周全，可能造成難以收拾的局面，前高雄縣蚵子寮海堤一再遭受損壞，即為明顯的例子。海岸侵蝕在防護觀念上必須建立保護對策之先後順序，能夠自然保護之海灘，不應以海岸結構物破壞其平衡反而發生之侵蝕。海岸工法之研擬原則上應先瞭解造成侵蝕原因，再考慮適當的保謢對策來設法消除造成侵蝕之因素，然而此法通常不容易達成，因此退而選擇較為合適的海岸結構物來保護海岸。不論選用何種結構物從事保護，應慎重考慮其立即性及長期性之影響，避免保護工法選擇不當，長期後反而更難保護。此外在設計上除要求結構物本身安全並發揮最大保護效果外，應使其對鄰近海岸之影響降至最小。

防止海岸侵蝕之對策有下列數類：(1) 海堤或護岸 (seawall, revetment)；(2) 突堤 (防沙突堤) (groins)；(3) 離岸堤 (offshore detached breakwater)、人工潛礁 (artificial reef)；(4)魚尾型防波堤 (fishtailed breakwater)；(5) 岬頭控制 (headland control)；(6) 人工養灘 (artificial beach nourishment)；(7) 沙丘 (sand dune)；(8) 海灘水位控制。

如何以上述方法之一或混合使用，來達到控制波浪、漂沙及近岸流之目的，應從各種工法的功能、安全性、耐久性、經濟性、施工性、環境衝擊及景觀等因素來評估，以下分別介紹各種海岸保護工法及其優缺點。

8.4 海堤與護岸

海堤與護岸乃為保護生命財產及陸地被波浪沖蝕，大約平行於海岸而在海陸交接處興建之結構物。海堤 (seawall) 為防止海水侵入陸地阻擋暴潮及波浪之結構物，堤體高出地表常設立於灘線附近，如結構物背後即為陸地而堤高僅略高於陸地者稱為護岸 (revetment)。海堤與護岸之結構斷面與部位名稱分別示於圖 8.13與圖 8.14。海堤與護岸為廣被採用之防止侵蝕之海岸工法，其原因可能由於海堤與護岸在直接感覺上較有安全感，並可遏阻灘線後退，同時因施工方便且工程費用較其他海岸防禦工法低廉。

海堤與護岸如依斷面形狀、結構及使用材料分類可分為傾斜堤、直立堤與合成堤。直立堤多依賴重力保持安定，堤防用地節省且用於堤身之土沙量較小，除沉箱外亦有方塊，以中、大水深處採用較為適宜，對施工經驗及技術要求較高。傾斜堤能將載重分佈於較廣面積，對基礎土壤之要求較不高，施工也較容易，並易於擴建加高維護。合成堤則具有傾斜堤與直立堤之優點與缺點，但若能將兩者適當配合則可獲得最佳之配置。

8.5 突堤

欲使海堤或護岸兼具防災及保護海灘之作用，基本上其堤面坡度應平緩方能減低反射率，使波能盡量降低而防止沖刷並降低溯升及越波。從波浪溯升特性而言，堤面坡度能放緩到 1/6 ~ 1/10最為理想，圖 8.15為緩坡型海堤斷面之一例。海堤、護岸與防波堤屬於較傳統的海岸保護工法，其設計與施工方法在第十章將詳細敘述。

圖8.13 海堤斷面與各部位名稱

 

消波塊

圖8.14 護岸斷面與各部位名稱

 

圖8.15 緩坡型海堤斷面

8.5 突堤

突堤 (groins) 為垂直於海岸線或與海岸線形成某一夾角，由沙灘向海興建且突出海岸之結構物，用以攔截沿岸漂沙、控制海灘地形、改變海岸線方向、阻擋沿岸流或壓迫潮流方向，進而減小保護區域之海岸侵蝕。

突堤依其機能之不同分為三類：(1) 不透過堤與透過堤；(2) 高堤與低堤；(3) 固定式與調節式。透過堤的優點為：(1) 反射波小、消波效果大；(2) 沿岸波能量小；(3) 堤趾沖刷小；(4) 維護容易；(5) 漂沙可輸送至下游側，可獲沙源補給而減少侵蝕。高堤能完全攔截漂沙，低堤則在下游側可獲沙源，減少侵蝕發生。調節式突堤較具彈性，視水位高低或攔沙量調整所需之高度。突堤使用材料有拋石、消波塊、板樁等。

突堤興建後將改變海岸原有漂沙之特性而引起鄰近海岸地形之變遷。圖 8.16說明突堤設置後，沿岸漂沙量的變化  與海岸線的變遷。由於突堤的攔截，上游側漂沙量在沿岸方向漸減，而下游側則漸增，因此從圖 8.16可以看出，漂沙在上游側形成堆積，而下游側發生侵蝕。圖 8.17則為突堤群興建後之海岸地形變化。

 

圖8.16 突堤設置後之沿岸漂沙量變化

 

圖8.17 突堤興建後之海岸地形變化

8.5 突堤

圖8.18 突堤之平面型式。(a) 突堤型 (b) T型 (c) L型 (d) Z型

 

突堤的平面型式包括突堤型、T 型、傾斜型、L 型與 Z 型，如圖 8.18所示。T 型突堤為在突堤型突堤之前端加一橫堤，此種功能類似離岸堤，兩橫堤的中央位置能發揮堆沙效果。傾斜型突堤為突堤在陸側配置曲折構造，於下游側之基礎加強，L 型與 Z 型突堤橫堤之作用與 T 型突堤相同。圖 8.19中入射波在橫堤堤端產生繞射現象，實線為波峰線，虛線則為等波高線，堤內漂沙往突堤內部集中。圖 8.20說明突堤型突堤與 T 型突堤在不同季節風浪作用，所產生的堆沙情況。圖 8.21為 L 型、Z 型及傾斜型突堤面之堆沙情況。

 





    

     圖8.19 T型突堤之波浪繞射現象      圖8.20 突堤型與T型突堤之灘線變化比較

 

圖8.21 L型、Z型突堤與傾斜性突堤之灘線變化

突堤配置計劃可分下列數項：

1. 漂沙通過率

已知入射波之特性，並由已知之海岸地形推算波浪變形，則可進一部估算各地點的沿岸漂沙量。圖 8.22為沿岸漂沙量隨著不同地點之變化，圖中編號1 ~ 10地點之沿岸漂沙量以 表示，突堤設置後漂沙通過量為  (圖 8.23)。其中 、 、 ，  表示漂沙通過率，漂沙通過率在最下游側為零 ( )，各地點的漂沙量滿足下列方程式

 ,  ,           (8-2)

由圖8.22之沿岸漂沙量分佈，可得 ； ； ； 。利用式 (8-2) 求出各地點之漂沙通過率分別為 ； ； 。

圖8.22 沿岸漂沙量分佈 (本間，1972)

圖8.23 突堤之漂沙通過率 (本間，1972)

2. 突堤方向

突堤配置一般與灘線垂直，但如波向大致一定時應依波向選擇最易堆沙之方向。據永井 (1955) 之試驗，入射波與防沙堤之交角  以  時較適當，此時不論沖刷及波力均較小，  以上則不佳。圖 8.24中，為產生最大堆沙效果，則應選擇遮蔽積最大角之  角

8.5 突堤

                                                                                           (8-3)

上式中  滿足  時， ，最易堆積，此時入射波與防沙突堤之夾角 。

3. 突堤長度

突堤完成後之灘線可由第七章之單線模式預測，圖 8.25中 mn 線大致垂直波向線，若由圖中 cn 之距離再加若干長度，使土沙滿時自堤基繞到下游即為水平長度。另外突堤在水中之長度以灘線至碎波點距離之40 % ~ 60 %為最有效之設置距離。

 

圖8.25 突堤長度

 

圖8.26 突堤斷面圖

4. 突堤高度

    如圖 8.26所示，突堤高度一般可分為三段：

(1) 岸側水平段：自平台頂至上游側預定之安定灘線。

(2) 中間傾斜段：起自岸側水平線末端，堤頂大致與前灘坡度平行，末端高度依施工方法及欲阻擋之土沙量決定，一般延長至平均潮位。

(3) 海側水平段：包括中間傾斜段以外部份，通常此部堤頂保持水平，高度視堤之透水性及通過下游之沿岸漂沙量而定。

5. 突堤間隔

突堤群之間隔視實際長度與預期蓄沙量而定。長度與間隔必須相互配合，一般 L 型與 T 型突堤之間隔約為堤長之 2.5 ~ 3.5 倍。

6. 突堤平面佈置

由於突堤設置時將攔截上游沿岸漂沙，可能使下游海岸因沙源短缺而產生侵蝕。為減少下游海岸侵蝕而使海灘安定，通常突堤群之長度愈往下游則逐漸減少，其長度減少之傾斜角通常為  (美國工程兵團 , SPM , 1984)，如圖 8.27 所示。圖 8.27 中漸變段第一座之突堤長度為

                                                                            (8-4)

 

.

圖8.27 突堤群漸變段設計（美國工程兵團 , SPM , 1984）

 

式 (8-4) 中，  為漸變段第一座突堤之長度，  為突堤間距與堤長比例，  為突堤群之一般長度。而漸變段第一座突堤之間距  則為

8.5 突堤

                                                                            (8-5)

上式中 R 值視突堤長度及預期之蓄沙量而定，通常 R 值約為2.5 ~ 3.5。

7. 突堤斷面

突堤斷面構造類似於海堤，堤頂寬度通常以能抵抗波力之作用為原則，堤愈寬效果愈佳但不合乎經濟效益，一般以 3 公尺為原則。突堤斷面可為直立堤或採取護坡坡度，混凝土塊之護坡坡度一般為 1:1 ~ 1:2.5。

 

【例題8.1】突堤設計實例-宜蘭縣竹安海域突堤群設計。宜蘭縣竹安海岸近年來侵蝕漸趨嚴重，根據波場數值計算結果顯示，季風波浪竹安河口南側海域之平均碎波波向角約為  (許和溫，1997)，如採用突堤群工法，試決定突堤群各種設計因素。

【解】1. 突堤方向：

波場計算條件為深海波高 ，週期 T=7sec，外海入射波角 向。RCP 波浪模式計算結果顯示，碎波點位於水深 2.5m 附近，各計算格點碎波波向角之平均值約為 ，利用式 (8-3) 可得堤體與灘線之夾角 。

2. 突堤長度：

碎波點至灘線之距離約為 60 公尺，如取 50 % 為沒入水中之長度，則突堤水中長度為 30 公尺。若突堤自沙灘 15 公尺處向海延伸，則突堤之總長度為 45 公尺，因突堤斜向佈置，故其實際長度為 公尺。

3. 突堤高度：

(1) 海灘水平段：

宜蘭海域之暴潮偏差以典型之模型颱風計算，約為 0.8 公尺，天文潮位為 1.2 公尺 (許等人，1995)，故其潮位之高度設計為 2 公尺。

(2) 中間傾斜段：

竹安海域之實測斷面分析結果顯示，前灘坡度約為 1/15 (許和溫，1997)，故突堤中間傾斜段以 1/15 延長至平均天文潮位 1.2 公尺附

近，末端高度設計約為 1 公尺。

(3) 海側水平段：

高度延續中間傾斜段之末端高程 1 公尺，向外海水平延伸。

4. 突堤間距：

取突堤水中長度之 2.5 ~ 3.5 倍為其間隔，如取 3 倍間距則其間隔為  公尺。

5. 突堤平面佈置：

利用式 (8-4) 及式 (8-5) 計算突堤群在不同位置之長度與間距。第一座突堤之長度 47 公尺，今設計六座突堤，前三座堤長度相同，則各座突堤之堤長與間距如表 8.1 所示。

6. 突堤斷面:

取堤寬為 3 公尺，護坡坡度為 1:2，故底部基座寬度為 5 公尺。

綜合上述設計因素，圖 8.28 則為突堤群之平面佈置與灘線變化。

表 8.1 竹安海域突堤群之堤長與間距

堤號 / 佈置因素	堤長 (公尺)	間距 (公尺)
1	47	90
2	47	90
3	47	90
4	37	72
5	30	63
6	24	30

 

圖8.28 突堤平面佈置與灘線變化

8.6 離岸堤

8.6 離岸堤

離岸堤 (detached breakwater) 為一離開陸地且約平行海岸線之堤防，能使波浪在堤前減衰，漂沙在堤後堆積，間接發揮安定海灘之功能。一般而言，離岸堤工程費高，施工不易，維護費可觀，以往海岸保護甚少採用離岸堤。

近年來各先進國家使用離岸堤之案例已日漸增多，究其原因如下：(1) 以往設置離岸堤地區，大部份能發揮防護功能。(2) 過去對侵蝕海岸的防護措施以海堤為主，最多再補以突堤，但效果未臻理想，故思較新工法。(3) 海岸地帶因經濟繁榮，大幅開發利用，不宜在該地帶施設防護措施，故設置離岸堤達到安定海灘和土地開發利用目的。(4) 沿海地區相繼加速開發，人口集中，足以負擔較高工程費，且近年施工技術進步，海中施工已非難事。照片 8.5 及照片 8.6 為西班牙海岸離岸堤構築後，形成堤後之沙舌及繫岸沙洲。

照片8.5 離岸堤背後之沙舌（西班牙）

照片8.6 離岸堤背後之繫岸沙洲（西班牙）

圖8.29 離岸堤堤後之波、流場與灘線變化：(a) 波場；(b) 流場；

(c) 灘線變化 (許等人，1997)

離岸堤由於其背後波浪繞射形成遮蔽區，區內波高變小，堤後水位梯度的變化產生堤後環流，使沿岸漂沙淤積堤後，形成突出於原海岸地形的沙舌 (salient)，如設計得當則可形成繫岸沙洲 (tombolo)。圖 8.29為離岸堤設置後，在正向波浪作用下，許等人 (1997) 以數值模擬堤後波、流場分佈及灘線變化。圖中 (a) 為波場分佈，(b) 為流場分佈，(c) 則為堤後形成沙舌之灘線變化。

8.6 離岸堤

1. 堤後灘線變遷

離岸堤背後沙舌之幾何形狀，可以利用人工岬灣之原理予以描述，或以橢圓函數描述。McCormick (1993) 及許等人 (1998) 以實測資料分析結果證實，離岸堤背後之灘線能以橢圓方程式適當描述，McCormick (1993) 之經驗式所繪形狀符合堤後灘線變化特性。根據其分析結果顯示，堤後海岸線變遷與兩個參數有密切的關係，其中波浪條件為 ，定義為

                                                                                            (8-6)

式中  及  分別為深海波高及波長，  為海灘之前灘坡度。在堤體佈置方面，則與離岸堤距 S 及堤長 B 之比值 S/B 有關。McCormick (1993) 以試驗資料迴歸參數，代入橢圓方程式，描述單堤背後灘線之幾何形狀，其定義如圖 8.30所示，而橢圓之長短軸則由實測之數據迴歸經驗式，據此探討沙舌長度或繫岸沙洲之寬度與影響因素的關係。堤後灘線之橢圓函數為

                                                                                  (8-7)

如圖 8.30所示，式中  為橢圓中心至離岸堤中心的距離，  為橢圓長軸，b 為橢圓短軸。短軸 b 之經驗式為

                                                                           (8-8)

式中  為迴歸參數，表示如下：

                                                                   (8-9)

橢圓中心至堤端之水平距離 G 之經驗式為

                                                          (8-10)

而式中之 、  及  之經驗式分別表示為

                                                                  (8-11)

                                                                        (8-12)

                                                                        (8-13)

將式 (8-11)、(8-12) 及 (8-13) 代入式 (8-10) 則可求得 G，再代入下式可求得橢圓長軸  如下：

                                                                                       (8-14)

c

圖8.30 橢圓方程式描述離岸單堤海岸線變化示意圖

波浪斜向入射時，可先用波場模式計算堤體附近之波向角 ，或以Snell定理計算：

                                                                           (8-15)

式中  為入射波之波向角，L 為堤址水深之波長，可由散播方程式求得如下：

                                                                                (8-16)

圖 8.30中，斜向入射之橢圓函數必須座標轉換，即

8.6 離岸堤

； ；                                 (8-17)

；                                                                 (8-18)

而座標系統之轉換如下:

；                                    (8-19)

旋轉座標後，橢圓方程式表示如下：

                                                   (8-20)

2. 沙舌與繫岸沙洲之形成

利用式 (8-20) 橢圓函數之表示式，可計算在某一前灘坡度及波浪條件下，離岸堤佈置後形成之沙舌與離岸堤垂直距離  或繫岸沙洲寬度  (參考圖 8.31)，其計算式分別為

                                                                                       (8-21)

                                                                            (8-22)

式中  之表示式為

                                                                          (8-23)

從以上之分析可知，橢圓長短軸之影響因素為參數  及無因次離岸距離 S/B，故式 (8-21) ~ (8-23) 說明離岸堤背後沙舌長度與繫岸沙洲寬度與這兩個參數有密切的關係。

 

【例題8.2】某一海域之前灘坡度 ，深海波高為 ，週期 ，堤體附近的波向角 ，試以橢圓函數法探討單一離岸堤在不同之離岸距離佈置下，其堤後可能之灘線變化。

【解】先應用式 (8-6) 計算參數  之值如下：

變換 ，利用式 (8-8)、(8-10) 及 (8-14) 計算參數G，及橢圓長短軸 a 及 b。再利用式 (8-21) ~ (8-23) 求沙舌長度  或繫岸沙洲寬度  結果，各變數如橢圓長短軸、沙舌長度或繫岸沙洲寬度等列於表 8.2，繪圖結果如圖 8.32所示。

 

圖8.31 離岸堤佈置示意圖

表8.2 利用橢圓函數法計算堤後灘線變化結果

(S/B)   變數	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
b/S	1.012	1.022	1.029	1.034	1.036	1.036	1.035	1.033	1.031	1.029
G/b	0.530	0.261	0.114	0.044	0.015	0.005	0.002	0.001	0.000	0.000
a/S	1.145	1.056	1.036	1.035	1.036	1.036	1.035	1.033	1.031	1.029
(S-Xs)/S	---	---	0.620	0.209	0.093	0.042	0.016	0.002	-0.007	-0.013
Yt/B	0.768	0.374	---	---	---	---	---	---	---	---

 

圖8.32 離岸堤背後沙舌長度、繫岸沙洲寬度與無因次離岸距離之關係

8.6 離岸堤

3. 離岸堤設計因素

有關離岸堤之設計過程，大多採用經驗方法，目前缺乏普遍設計之準則。單一離岸堤建造時，欲使堤體發揮最大之防護功能，必須探討堤後堆沙效果與影響因素之關係。如圖 8.31所示，離岸堤背後海岸線變遷與影響因素之關係式為

                                                 (8-24)

式中  為離岸堤之背後之沙舌長度，B 為堤長，S 為離岸距離，  為開口寬度，  為堤體之孔隙率。上述影響因素以離岸距離及開口寬度最為重要，分述如下：

(1) 離岸距離：

從圖 8.32之結果可知，在固定之波浪條件作用下， ，隨著離岸距離之減少，更能形成繫岸沙洲，而  時，離岸距離愈遠，離岸堤背後所形成之沙舌規模愈小，當  時，即於離岸距離大於堤長的 2 倍情況，則沙舌不易形成。

一般而言，離岸堤設置位置離岸太近或太遠均不易形成沙舌或繫岸沙洲，如佈置於碎波帶附近，能產生較佳之堆沙效果。日本水工模型試驗結果發現，離岸距離在40公尺 ~ 150公尺時，繫岸沙洲形成且寬度很大，在波浪條件較差情況也能形成堤後堆沙。表 8.3及表 8.4 列出不同無因次離岸距離，所形成之沙舌或繫岸沙洲之條件。

表8.3 沙舌形成之條件

離岸距離	可能結果	參考文獻
S/B < 1.0 S/B < 0.4~0.5 S/B = 0.5~0.67 S/B < 1.0 S/B < 2 S/B < 1.5 S/B < 0.8~1.5	無繫岸沙洲 沙舌 沙舌 無繫岸沙洲(單堤) 無繫岸沙洲(堤群) 充份形成沙舌 沙舌形成不明顯	SPM (1984) Gourlay (1981) Dally和Pope (1986) Suh和Dalrymple (1989) Suh和Dalrymple (1989) Ahrens和Cox (1990) Ahrens和Cox (1990)

表8.4 繫岸沙洲形成之條件

離岸距離	可能結果	參考文獻
S/B > 2.0 S/B > 2.0 S/B > 0.67~1.0 S/B > 2.5 S/B > 1.5~2.0 S/B > 1.5 S/B = 1.0 S/B > 2	兩個繫岸沙洲 繫岸沙洲(淺水) 週期性繫岸沙洲 繫岸沙洲 繫岸沙洲(群堤) 繫岸沙洲(單堤) 繫岸沙洲(群堤)	SPM (1984) Gourlay (1981) Gourlay (1981) Ahrens和Cox (1990) Dally和Pope (1986) Dally和Pope (1986) Suh和Dalrymple (1989) Suh和Dalrymple (1989)

 

離岸堤背後形成沙舌之長度，Suh 和 Dalrymple (1989) 根據試驗結果，建議單一離岸堤形成之沙舌長度  (參考圖 8.31) 如下：

；

；                                                    (8-25)

；

式中  表示碎波點之離岸距離。離岸堤群之沙舌長度為

                                             (8-26)

(2) 堤長：

離岸堤堤長愈短，則對波浪之遮蔽效果不佳，堤後淤沙的可能性亦相對降低。日本離岸堤之經驗認為，堤長在50公尺以下時，不會形成沙舌或繫岸沙洲，堤長介於50公尺 ~ 200公尺，能獲較佳之淤沙效果 (田中，1983)。

(3) 開口寬度：

離岸堤開口部份一則可使水流及波浪自開口部份灌入，保持良好水質，亦可使漂沙自開口處輸入，同時亦可利用為漁船進出之用。開口部份大可節省不少工程費，但開口太大則波浪遮蔽不良，不利漂沙沈積，同時堤防溯升及越波量增高無法達到海岸保護之目的。如何調整堤長與開口寬比及離岸距離，才能使堤背後能產生最大攔沙量達到保護海岸之目的當為設計之重點，但到目前尚無規則可規範乃在探討中。

8.6 離岸堤

開孔寬度  與離岸堤長大致維持如下關係：

                                            (8-27)

歐和許等人 (1986) 曾進行試驗研究，規劃一般性離岸堤設計準則，試驗時堤頂高度固定為 1 公尺，堤體所在水深有平均水位及碎波帶附近兩種，入射波向有 及  兩種波向，海灘坡度為 1/60，變換堤長及開口寬度試驗，研究各種不同條件下的堤後堆沙量。當堤長為80公尺時，堤體佈置於在碎波點附近，由波向  入射之試驗結果顯示，  之值為 0.4 至 0.5 時，所獲堆沙效果為最佳。日本離岸堤之經驗為  時離岸堤背後之堆沙效果良好 (田中，1983)。

(4) 佈置水深：

日本之經驗認為離岸堤佈置於3 ~ 7公尺時，形成繫岸沙洲之高峰為水深4公尺 (田中，1983)。通常堤體所在水深如為碎波帶，則活躍之漂沙可提供較佳之淤沙效果。

(5) 堤頂高度：

離岸堤堤頂高度考慮設置水深、潮位、波浪、地層及地層下陷等因素。通常堤頂高度為： 堤頂高度 = H.W.L. + 設置水深之示性波高之半 + 沉陷量，或堤頂高度 = H.W.L. + 1.0 ~ 1.5公尺 + 沉陷量。

(6) 堤頂寬度：

離岸堤容易受到越波之損害，若使用消波塊與興建離岸堤，必須考慮消波塊被波浪衝擊而滑落或潰散，通常堤必須有三個消波塊並排之寬度。

近十餘年離岸堤在台灣海岸防禦工法之使用頻率逐漸增加。屏東縣塭豐海岸之離岸堤興建於民國75年，根據水工模型試驗結果 (歐和許，1986)，於實際海域設計堤岸離岸 S=100 公尺，堤長 B=80 公尺，即 S/B=1.25，開口寬度30公尺， =0.375，其平面配置示於圖 8.33。由圖看出興建離岸堤後靠近林邊溪之離岸堤有明顯的堆沙現象，No. 1海灘斷面變化如圖8 34所示，圖中結果顯示，離岸堤背後之堆沙效果頗佳。

 

圖8.33 屏東縣塭豐海岸離岸堤佈置 (歐和許，1986)

圖8.34 屏東縣塭豐海岸興建離岸堤前後之海灘斷面變化 (Hsu and Ou ,1988)

 

8.7 人工岬灣

在大比例尺的地圖或空照圖上，沿著海洋與陸地的交界，有許多近乎平直的海岸和凹凸彎曲的海彎。一般而言，安定的海灣比平直的海岸更有詩情畫意，也更美。雖然海灣的大小不同，形狀有異，它的一端或兩端大多是比較堅硬的天然礁塊，或大或小，突顯聳立於海中或緊靠於海邊；其間的海岸可能有著沙灘的存在。這些灣是由大自然力量綜合作用之結果，尤其是波浪、潮汐和海岸地質的相互作用之下，經年累月地沖擊而成的。在斜向入射的波浪作用下，海灣內的沙岸要比平直的海岸更為安定。

8.7 人工岬灣

在大自然所形成的海灣中，可以觀察到波浪經由折射和上游端岬頭的繞射，在岬頭之間的海岸就是經由波浪的折射和繞射所形成。照片 8.7 為宜蘭縣蘇澳之天然岬灣。以現代工程人員的智慧及工程技術的發展，配合大自然穩定海灣的摹擬，我們可以規劃人工岬灣 (headland)，用以保護和安定因上游漂沙源斷絕而被侵蝕的海岸。

 

照片8.7 宜蘭縣蘇澳海岸天然岬灣形狀

岬灣的特徵最早由美國的一位地理學家 Yasso (1965) 利用數學統計的迴歸手法，認為安定的海灘形狀可以用對數螺旋線 (logarithmic spiral) 來代表。基於這項假定，沿著海岸線任意兩個法線的比值，與該兩個半徑的夾角  和螺旋線的外切角  有如下的關係，如圖 8.35 所示，可表示為

                                                                                 (8-28)

式 (8-28) 中的切角  與波浪的特性，在 Yasso (1965) 的原文中並沒有被提及。應用 Yasso 的對數螺旋線式，有許多不便的地方。例如螺旋線的原點與灣岸上游波浪繞射點並不吻合，螺旋線祇能與上游比較彎曲的部份符合，而不適用於灣下游比較平直的段落。必須事先準備和使用大小不等的透明膠片，才能在已知比例尺的地圖上揣試該海灣的安定性。也許由於以上這些缺點，對數螺旋線的經驗式並沒有受到普遍和廣泛的使用。

圖8.35 Yasso (1965) 的對數螺線形狀示意圖

 

圖8.36 Hsu 等人 (1987) 岬灣新關係示意圖

 

為了改進對數螺旋線的不足，Hsu 等人 (1987) 倡導出一種新的座標定位關係，如圖 8.36所示。同時在經過多種不同的嘗試之後，建議以一種多項式的模式取代原有的螺旋線公式。由圖 8.37的數據，岬灣形狀與入射波向可以建立一個二階多項式的關係：

                                                               (8-29)

                                       (8-30)

8.7 人工岬灣

上式中 、  和  的值係採用電腦以數學迴歸法求得，其關係如圖 8.38所示。在一般常用的波浪入射角度 ，由  到 的範圍內，這三個係數的值與入射角呈現簡單的關係，它們的數值界限也很有規則，既好用也方便。式 (8-29) 之岬灣形狀與Ho (1971) 的一個模型灣相比，如圖 8.39 所示很明顯的，新的二階多項式與模型灣的海岸線非常吻合，而原先被使用的對數螺旋線法祇能在灣岸較圓滑的部份大致有用。

 

圖8.37 靜態平衡海灣半徑比  與波射入射角  和海岸上各點

方向角 的關係圖 (Hsu等人，1987)

 

圖8.38 二階多項式係數與波浪入射角的關係 (Hsu等人，1987)

圖8.39 二階多項式預測的灣岸與原模型灣的比較 (Hsu等人，1987)

 

【例題8.3】分別以對數螺旋線及二階多項式繪出圖 8.39之岬灣形狀。

【解】繪圖過程及步驟說明如下：

一﹑對數螺旋線：

1. 畫出控制線，假設控制線 。

2. 式(8-28)切角 之求法，根據圖8.35之方向定義( )，由圖8.39之上游邊界OA逆時針旋轉 至下游控制線，將下游邊界條件帶入式 (8-28)，可得切角 。

3. 再由 依式(8-28)每隔 計算 值， 時 ，結果如表8.5所示。其中，在應用式(8-28)時， 需改為弳度量。

4. 若計算所得之岬灣形狀不佳，則改變控制線並重複以上三個步驟，以求得較佳的岬灣形狀。

二﹑二階多項式：

1. 決定控制線之長度 。

2. 決定波峰線與控制線夾角 ， 。

3. 查圖或代入式 (8-30)。計算係數 、 及 ：

； ；

4. 變換角度 （ ），由式 (8-29) 計算  值，結果如表 8.6所示。

8.7 人工岬灣

表8.5 對數螺旋線計算岬灣形狀

 

表8.6 利用二階多項式計算岬灣形狀

 

利用 Hsu 等人 (1987) 所推導的二階多項式，不但可以校驗現場海灣的幾何形狀，辨別該海灣是否已經達到靜態平衡，同時可以預測在兩個岬頭之間的灣岸的平衡位置。應用人工岬灣的構想，可以安定已經受到侵蝕的海岸，使卓越方向的波浪能幾乎垂直地到達灣岸內各處的海岸線，從而把沿岸漂沙量降到最低，甚至完全防止它的形成，這種工法，叫做岬頭控制 (headland control)。在測知某海岸的常年卓越波浪的方向之後，在兩個人工岬頭之間，可用漂沙自然的堆積法，或配合人工養灘的方法，迅速地形成一個新的海灣。人工岬頭的設計，應考慮到岬頭的種類、形狀、長度、離岸距離、方向、間隔、堤體的保護，和岬頭群的施工順序。岬頭的間隔大小，影響到灣的大小與彎入率。岬頭的形狀可參見圖 8.40。

人工岬灣可以在平直的海岸，以侵蝕和堆積相平衡的方式來造灣，如圖 8.41；或以不影響到原來的海岸線的方式來造灣，如圖 8.42；或是在一個正受侵蝕的大海灣內，加築幾個小灣，以穩定大灣，如圖 8.43；亦可在凸出的狹長的沙洲外圍，以人工岬灣來保護沙洲，如圖 8.44，使該沙洲不再因缺乏漂沙源而被侵蝕後退。

 

上

圖8.40 岬頭的形狀與設置方向 (Hsu等人，1989)

 

圖8.41 以侵蝕和堆積相平衡的方式在平直的海岸做人工岬灣 (Hsu等人，1989)

 

圖8.42 以不影響到原來的海岸線在一平直的海岸做人工岬灣 (Hsu等人，1989)

8.8 魚尾型防波堤

圖8.43 在一個不安定的大灣 (實線者) 內加造三個安定的小灣 (Hsu和Evans，1989)

 

圖8.44 以人工岬灣工法安定和保護凸出的長沙洲 (Hsu等人，1989)

8.8 魚尾型防波堤

海岸保護工法中，突堤與人工岬灣之主要差別為後者利用所設計之大型結構物來消減下游海岸之侵蝕而利於海灘之形成，然而，二者卻無離岸堤利用較少之結構將波浪阻擋產生繞射來保護海灘之優點。故Fleming (1990) 揉和上述幾種保護工法之優點，發展出魚尾型防波堤 (fishtailed breakwater) 作為海岸保全工法，其型式如圖 8.45所示。

魚尾型防波堤保護沙灘之機制示於圖 8.46所示，防波堤OA及OB主要用來消減波浪能量，而AOC防波堤則用來阻礙沿岸漂沙，所以，上游海灘形成主要利用類似突堤形式之AOC防波堤正常堆積而來，下游之海灘主要

圖8.45 魚尾型防波堤基本形狀圖 (Fleming , 1990)

 

主波向

利用離岸堤之原理，即AO及OB防波堤來形成海灘。AC段可阻絕及改變沿岸、離岸及潮流之方向以降低海岸侵蝕至最低程度，AC段設計成彎曲線且在C點處與海岸線垂直。COA彎曲之大小以減少波浪反射率來設計，如此可減緩堤趾之沖刷。魚尾形防波堤OA段坡面需放置多孔物 (porous structure) 來促使波浪將漂沙帶於COA與海岸線之間。OB段一般垂直於大波浪作用之方向。

 

流場轉換

淤積－ 流場主導 波場輔助

淤積－ 流場主導 波場輔助

圖8.46 魚尾型防波堤保護海灘示意圖

 

整個魚尾型防波堤之尺寸互相有關的，且應參考外界之波高、波向、週期、潮差與地形，A點之離岸堤距離一般需大於三倍之波長，且小於漂沙活動寬度之一半。

8.8 魚尾型防波堤

A點及B點堤頭之緩坡度主要提供堤頭下列兩個功能︰

1. 有效地利用波浪繞射作用來降低波浪能量，幫助海灘堆積。

2. 提供底床及防波堤之漸變區，降低波浪反射，防止因流之堤址沖刷。魚尾形防波堤主要應用在較緩坡之海灘，藉由防波堤來減低水流，使海灘可成半月形 (crenulate bay) 而達到海灘保護之功效。

 

【例題8.3】魚尾型防波堤設計範例如圖 8.47 英國 Clacton 海之海岸保護案例，其問題為在英國 Essex 海岸有四公里長海堤 (seawall) 前之海灘面臨侵蝕之問題，需要海灘設計保護工，減少波浪越波 (overtopping)，適當的保護對策配合養灘後，希望能使海灘免於侵蝕。 (參考，CUR，1991)

【解】解決方案﹕

設計魚尾型防波堤保護海岸，並事先於構築防波堤前養灘，其形式如圖 8.48，其保護工法之功能為：

1. 保護新海灘免於波浪作用而侵蝕。

2. 改變斜向入射波浪，減低沿岸流。

3. 疏導水流至較外海，防止漂沙移至外海。

成本估算及利益：

自1986年至1988年共費英鎊 11 百萬，保護區域200公頃 (ha)，利益比為1.4 ﹕1。

圖8.47 Clacton海灘保護設計配置圖

圖8.48 Clacton 海灘 Eastness 防波堤﹕(a) 平面圖；(b) 斷面圖

(波高=2.5公尺，週期6~8秒)

8.9 人工潛礁

傳統的海岸工法雖可防止波浪越波，遏阻海水入侵及陸地流失，卻往往因波浪反射增強使得堤腳沖刷加劇，最後遭致海灘加速流失。這些工法通常以混凝土消波塊加高堤高或作為被護層保護，不僅防礙觀海視線，更因凌亂消波塊破壞海岸景觀，同時壓迫感使人民之親水意願降低。柔性工法中，人工潛礁 (artificial reef) 或潛堤 (submerged breakwater) 為沉沒海岸之結構物，能消散部份波能，降低水流流速使漂沙沉積於堤後，可控制海灘侵蝕達到保護海岸之目的，其功能類似離岸堤但其阻擋之水流斷面積較離岸堤少，對海水循環防礙較小，對生態環境影響相對減輕，而結構物不露出水面對景觀破壞較少，此種工法較能符合環保之需求。

潛堤之型式大致分為單列式與系列式潛堤。單列式潛堤僅有一道潛堤，屬於 “線” 防禦。圖 8.49為單列式潛堤配合人工養灘之一例，波浪經潛堤碎波後波能降低，水流流速減緩有助於海灘穩定。

8.9 人工潛礁

圖8.49 單列式潛堤配合人工養灘

 

系列式潛堤可利用堤與堤間之空間使波浪產生布拉格共振 (Bragg resonance)，藉此控制波浪通過系列潛堤之水域而使達到海岸之波高衰減，如佈置得宜則可改變傳統之高而寬之潛堤形式，以數道較低之堤頂及較狹之堤寬作適當配置亦能達到抑制波浪之目的。

圖 8.50為矩形人工潛堤在相對水深  及潛堤個數 N=8 之情況，反射率 R 隨潛堤間距  變化之試驗結果 (張等人，1997)，此處 S為潛堤間距。圖中結果顯示，當  為整數倍時，即間距為波長之半的整數倍則產生布拉格共振，此時反射率達尖峰值，可達堤後波高衰減之效果。

為維護海岸景觀環境並達到海岸防災目的，人工潛礁為目前可採用的方法之一，惟此方面之工程經驗尚少，有待設計前進一步分析或施工後調查蒐集更多資料，以建立更實用之施工法則。

 

圖8.50 矩形人工潛堤反射率隨潛堤間距之變化 (張等人，1997)

8.10 人工養灘

養灘為能有效消減波能且不破壞環境之海岸保全工法。海岸侵蝕乃起因於沙源供應之減少，故養灘可遏阻海灘侵蝕、獲得海岸安定且保護海岸之效果。在侵蝕海岸堆放並定期補充灘料之工法稱為人工養灘 (artificial beach nourishment)。海灘特性因波浪而異，從平衡海灘斷面之安定特性而言，波浪、海灘坡度及粒徑間之關係為侵蝕堆積之重要因素，故可藉波浪及粒徑之改變改善海岸之侵蝕。

規劃養灘時應對下列事項進行評估：

1. 推估當地及鄰近海岸沿岸輸沙量及缺少量

沿岸輸沙量可由沿岸輸沙公式與沿岸能量之關係求得，或由歷次空照、地形圖等之比較求得長期變化量。Krumbein 和 James (1965) 提出臨界比值  表示補給土沙性質，原有土沙性質及補給土沙量三者之關係如下式︰

                                                      (8-31)

式中  為臨界  值條件下，補給土沙量與流失土沙量之比值， =  為粒徑分佈標準差，  為粒徑分佈平均值，而下標 b 為補給土沙，下標 n 為原始底質，  為篩分析中累積停留百分率 x 之粒徑  (以mm計) 之相對  值。

式 (8-31) 係基於原始底質及補給土沙粒徑對數常態分佈而得者，一般海灘底質皆接近此種分佈型態，故此種假設可謂適當。但此式可產生四種情況，如圖 8.51所示，其意義如下：

(1) 第一種情況：

補給土沙較原始底質細 ( )，篩分析亦較差 ( )，即顆粒粒徑較不均勻，其應用情形為補給土沙量比等於 。

(2) 第二種情況：

補給土沙較原始底質粗 ( )，篩分析則較差 ( )，應用情況為補給土沙量以  為上限。

8.10 人工養灘

圖8.51 各種不同土沙狀況之等  圖

(3) 第三種情況：

補給土沙較原始底質粗 ( )，篩分析則較佳 ( )，補給土沙大部份皆能穩定，補給土沙量之比值為1。

(4) 第四種情況：

補給土沙較原始底質細 ( )，篩分析則較佳 ( )，補給土沙大部份遭流失不易為填補之用。

James (1975) 提出人工養灘初次補沙量及往後每年補沙量的估算公式。圖8.52為初次相對於原侵蝕需求量之補沙量RA。圖8.52之四個象限與圖8.51相似，代表補給沙與當地沙之粒徑及分佈特性。從圖8.52即可查出初次補沙量之多寡。

至於每年維護養灘量如下式

                                (8-32)

式中 代表加權值，James (1975) 建議此值在0.5至1.5之間，一般當原地沙之特性未知可取其值為1。圖8.53即為 之RJ值。

圖8.52 不同土沙之初次相對補沙量 值 (shore protection manual,1984)

若補給粒料為含有泥成份的沙土時，則上述RA值需加以修正為

                                                                              (8-33)

2. 評估當地海灘底質性質

目的在於經由補充土沙之比較求得一適當之海灘動態平衡關係。取樣應分別於夏冬兩季各執行一次，範圍介於波浪作用到之高灘地至土沙移動臨界水深間，篩分粒徑分析作為選擇借土之用。

3.評估養灘料性質

土壤組織影響養灘後灘料在波浪潮汐與水流等自然力作用。這些作用具有篩分析作用會重新分佈灘料，將細粒帶往深海側而粗粒徑則存留於灘面，

8.10 人工養灘

圖8.53 不同土沙之每年維護養灘量 值 (shore protection manual,1984)

堆置土慢慢接近原有當地海灘粒徑結構並減少海灘土方，同時使近岸坡度變緩而前灘粒徑變粗、坡度變陡。

4. 平台高度及寬度評估

如原海岸有平台即可做為指標，若無則可由溯升公式推算設計平台頂高程。平台寬可由颱風期可能損失量再加上最小要求保護後灘寬估計，如做休閒游泳用則應由休閒需求面積計算之。近海岸低潮位下至明顯移動水深間平均坡度計算，或約以 1:20 ~ 1:30 坡度自低潮位斜線延至與原海床相交處。

5. 前灘坡度與剖面預測

式 (7-7) 為海灘粒徑養灘後之前灘坡度。養灘後安定剖面可由 Dean 之指數函數式  計算其剖面形狀。

人工養灘養灘之施工常以迂迴供沙法或土沙側度法 (sand by-passing) 行之，即在預定填補土沙區之上游側設補給場所，並在該補給土沙，利用沿岸流造成漂沙以養護下游灘地。經常使用之方法有以下數種：

(1) 陸上挖泥法 (land-based dredging plants)

(2) 浮動式挖泥機 (floating dredges)

(3) 陸上機動挖泥機 (mobile land-based vehicles)

為求經濟，這些方法常混合使用，對於採用此種方式實施迂迴供沙，尚有許多現地情況有待評估，例如：(1) 既有或可利用之道路橋樑；(2) 漂沙積集區之可取得之路上機具種類與數量；(3) 需迂迴供應之土沙量；(4) 輸沙需要之時間。照片8.8 為日本海岸人工養灘配合突堤群設計之實例。

 

照片8.8 日本海岸之人工養灘

 

【例題8.4】某地需要人工養灘之沙粒特性及二處可能補給沙源的沙粒特性如下表。若初次養灘及每年養灘需求量為6.033×106 m3 及2.32×105 m3。請評估補給沙的沙量各需多少？

 

	當地	補給地A	補給地B
	1.10	0.58	1.22
	2.70	2.54	2.66
Sand %	-	89.00	95.00

8.11 各種保護工法之優劣比較

【解】1.

2.

3.計算 ﹔補給地A為 -0.43，補給地B為0.05。

4. 計算 ﹔補給地A為1.23﹔補給地B為0.90。

由上述可知補給地A的沙粒徑較當地沙粗，而分佈較不均勻。補給地B的沙粒徑稍細於當地沙，但分佈較為均勻。

5. 將步驟3、4所得之值，查圖8.52，可得RA值，補給地A為1.00，而補給地B為1.20。

6. 查圖8.53得RJ值，在補給地A為0.51，而補給地為1.16。

7. 初次補沙量需考慮沙量百分比，因此 ，補給地A之 ，而補給地B之 。

因此初次補沙量，取自A地為 ，取自B地為 。

8.每年補沙量，在A地為 ，而B地為 為

註﹕第一年之再補沙量，若取自A地之 小於1，一般修正為 ，來保證補沙量充足，爾後每年維護量視狀況修正，因此第一年再補沙量若取自A地則修正為 。

8.11 各種保護工法之優劣比較

海堤為海岸侵蝕防禦中最普遍使用的方法，能防潮防浪，然海堤工法常縮短原有海灘距離，波浪在堤前短促距離內波能未能消耗殆盡，不當設計可能使這些能量轉為反射波及因潮能增加而加速海岸侵蝕。在灘線附近興建海堤，反射波流向外海之回流或沿岸流流速場之泥沙搬運能力增強。圖 8.54為波浪斜向入射各種不同波浪條件之漂沙情況，圖中  表示入射角，  則為波浪尖銳度，實線為有堤時之沿岸漂沙量分佈，而虛線則表示未設海堤前之沿岸漂沙量分佈情形。圖中結果顯示，海堤興建後之沿岸漂沙量顯著增加，且集中在海堤附近，若無沙源補給，非但堤基被淘蝕，且因沙源短缺而使海灘消失。由於不當興建海堤會加速海岸侵蝕，如非屬必要以不建為宜。如有充份腹地海堤應儘量後退，以保留海灘吸收波能。

 

圖8.54 海堤興建前後之沿岸漂沙量變化

 

突堤具有直接阻止海岸漂沙之功能，如設計過長，則完全阻絕向下游移動之漂沙，形成上游側堆積，下游側侵蝕，遮蔽區堆積，反射區侵蝕之情況。如突堤堤線與波向角夾角太小，近堤線附近會因反射波及尾波而沖刷，而使灘線後退，乃至於堤根發生侵蝕，故突堤設計較不適合垂直入射之波浪。另外，如果波向與堤內交角過大而接近垂直，且潮流強時，堤頭前方會生沖刷。

離岸堤雖能在堤後遮蔽區使波浪變小並形成環流，將泥沙帶入遮蔽區內堆積形成沙舌或繫岸沙洲，但離岸堤開口部份水流流速增加，可能形成侵蝕，堤體兩側因環流將泥沙帶往遮蔽區，故有明顯侵蝕。離岸堤通常構築於海中，故堤體常受波浪作用而崩潰或滑落，必須經常維護。由於離岸堤堤前前波浪大部份反射至深海，故波能之重疊使堤體受力增加易受破壞，也使堤趾沖刷，堤背後海域之水深變深，特別是颱風天候，這些不利情況更為明顯。

8.11 各種保護工法之優劣比較

應用人工岬灣的構想，可以安定已經受到侵蝕的海岸，使卓越方向的波浪幾乎垂直地到達灣岸內各處的海岸線，從而把沿岸漂沙降為最低，甚至完全防止它的形成。然而採用人工岬灣來保護海岸，有一項事實必須接受，即後灘區的土沙會被颱風波浪帶走，使灘線向岸移動而造成侵蝕。雖然漂沙在碎波點附近形成有保護性的沙洲，然後再由繼之而來的湧浪把它搬回，而使人工岬灣的海岸線恢復原貌。然而對颱風頻繁及土地資源有限的海島型國家而言，颱風波浪造成之海岸侵蝕往往危及百姓生命財產安全，雖能恢復原狀，實已造成損失，故實際應用時對颱風波浪等外在因素應加以考量。另者，Hsu等人 (1987) 之人工岬灣形狀函數，在實際應用時乃有些不便。如開放區岬灣下游控制點及控制線之長度決定不明確，若實測資料短缺，選擇不一；有結構物存在時，隨著遮蔽情況不同，下游控制點及岬灣形狀亦難決定。

通常人工潛礁之寬度小，堤頂水深淺，故大潮大浪作用下，波浪透過率高，消波效果因而降低，較難達到靜穩之效果。布拉格共振只適合單一週期之波浪，實際海域之波浪甚不規則，系列潛堤形成之布拉格共振不能滿足所有波浪，故其效果僅適用於較常發生之波浪。潛堤之構築常影響船隻之航行，施工時必須標示明確位置。潛堤之堤腳沖刷雖不若離岸堤嚴重，但設計時乃注意堤址附近流況，減少沖刷之危害。

人工養灘雖為較理想之柔性工法，但養灘料來源取得不易，成本相對增加，且養灘粒料必須適當篩選，如養灘料太細，則大潮大浪之侵襲即大量損失，也可能造成環境污染。一般養灘料與原有海灘相同者最適宜，但此法通常不易達成。

表8.7 列出各種防禦工法優缺點之比較。圖 8.55為各種不同海岸防護工法，針對各種不同因素，如自然環境、海上及陸上活動空間、土地保護、海水淨化、景觀及災害控制等予以評估，結果可作為規劃設計之參考。

圖 8.56乃就經濟因素分析各種防護工法之價值，圖中係以5公里海岸長度為基準，成本以每公尺每年計，依規劃之淤沙量估計成本。一般而言，要求之淤沙量愈高，則人工養灘與離岸堤之成本相對提高。

表8.7 各種防禦工法優缺點比較

 

圖8.55 海岸保護工法的選擇

近年來海岸工程師逐步發展出以緩坡堤、防砂突堤、離岸堤和養灘等方式交互使用的整合性海岸保護工法，企圖以「面」的保護方式控制漂砂，保養海灘進而抑制侵蝕。藉由柔性工法創造出的海灘，發揮自然吸收並抑制波能的功效，來避免海灘的破壞與侵蝕，並兼顧海岸景觀之維護。有關海岸整合性的防護工法及其適用海岸如表8.8。

 

8.11 各種保護工法之優劣比較

圖8.56 每五公里海灘保護工法之成本比較

 

表8.8 整合性的海岸保護工法及其適用海岸

整治模式	適用海岸
高潮、海嘯防波堤+堤防、護岸	灣狀海岸
離岸堤+堤防、護岸	侵蝕趨勢很強的海岸
潛堤+堤防、護岸	尋求與周遭環境調和之海岸
浮防波堤+堤防、護岸	水深及潮差大的海岸
堤防、護岸+養灘	海洋遊憩需求高的海岸
離岸堤+堤防、護岸+養灘	海洋遊憩需求高的海岸
潛堤+堤防、護岸+養灘	海洋遊憩需求高的海岸
人工潛礁+堤防、護岸+養灘	尋求與周遭環境調和之海岸
複斷面堤防、護岸及緩坡斜坡堤護岸+養灘	水域有設施限制之海岸
人工岬灣+堤坊、護岸+養灘	海洋遊憩需求高的海岸

參考文獻

1.        歐善惠，許泰文，「台灣南部海岸侵蝕對策-塭豐離堤岸規劃研究」，國立成功大學水利及海洋工程研究所研究報告，農委會74農建-4.1-源-25(3)，台南 (1986)。

2.        許泰文，歐善惠，張憲國，「花蓮海岸侵蝕防護對策之研究」，第十六屆海洋工程研討會論文集，高雄，第 D-186-206 頁 (1994)。

3.        張金機，黃清和，「台灣四周海岸沖蝕防治技術」，八十六年度海岸工程研討會論文集，第 1-26 頁 (1997)。

4.        張憲國、許泰文、李逸信(1997)，「波浪通過人工沙洲之試驗研究」，第十九屆海洋工程研討會論文集，台中，第242-249頁。

5.        許泰文，張憲國，徐立政，「單一透過式離岸堤後海岸線變遷之研究」，中國土木水利工程學刊，第九卷，第三期，第 473-481 頁 (1997)。

6.        許泰文，溫志中，「河川與海岸穩定對策之研究-穩定宜蘭海岸侵蝕對策之研究(III)」，農委會科技研究，86科技-1.10-林-02(1)，國立成功大學水利及海洋工程研究所，台南 (1997).

7.        Ahrens, J. P. and J. Cox, “ Design and performance of reef breakwaters,” Journal of Coastal Research, SI No. 7, pp. 61-75 (1990).

8.        Bruun, P., “ Sea-level rise as a cause of shore erosion,” Journal of Waterways and Hydraulics Division, ASCE, Vol. 88, pp. 117-130 (1962).

9.        Dally, W. R. and J. Pope, Detached Breakwaters for Shore Protection, U.S. Army Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center, Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS., Technical Report CERC-86-1, (1986).

10.    Fleming, G. A., Guide on the use of groynes in Coastal engineering, CIRIA, Report 119, (1990).

11.    Ho, S. K., Grenulate Shaped Bays, Asian Institute Technology, Master Engineering Thesis, pp. 346 (1971).

12.    Homma, M. and K. Horikawa, “ A study on submerged breakwaters,” Coastal Engineering in Japan, Vol. 4, pp. 85-102 (1961).

13.    Horikawa, K., Coastal Engineering: An Introduction to Ocean Engineering, University of Tokyo Press, Japan (1978).

14.    Horikawa, K., Nearshore Dynamics and Coastal Processes, University of Tokyo Press, Japan, pp.11 (1988).

15.    Hsu, J. R., C., R., Silvester and Y M. Xia, “ New characteristics of equilibrium shaped bays,” Proceedings of 8th Australian Conference on Coastal and Ocean Engineering, pp. 140-144 (1987).

16.    Hsu, T.W., S. H., Ou and S. Y. Tzang, “ Evaluations of coastal topographical changes at Hualien coast, Taiwan,” Journal of Coastal research, (2000).

17.    Hsu, J. R. C., R. Silvester and Y. M. Xia, “Applications of headland control,” Journal of Waterways, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, Vol. 115, No. 3, pp. 299-310 (1989)

18.    Hsu, J. R. C. and C. Evans, “Parabolic bay shapes and applications,” Proceedings of Institution of Civil Engineers, Vol. 87, pp. 557-570 (1989).

19.   

參考文獻

Krumbein, W. C. and W. R. James, “ A lognormal size distribution model for estimating stability of beach fill material,” U.S. Army Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center, Technical Report No. 16 (1965).

20.    Manual on the use of rock in coastal and shoreline engineering, Construction Industry Research and Information Association, Special Publication 83, Centre for Civil Engineering Research and Codes Report 154 (CUR) (1991).

21.    McCormick, M.E., “ Equilibrium shoreline response to breakwaters,” Journal of Waterways, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, Vol. 119. No. 6, pp. 657-670 (1993).

22.    Suh, K. and R. A. Dalrymple, “ Offshore breakwaters in laboratory and field,” Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, Vol. 113 (2), pp. 105-121 (1987).

23.    Yasso, W. E., “ Plan geometry of headland bay beaches,” Journal of Geology, Vol. 73, pp. 702-714 (1965).

24.    S re Protection Manual, 4th Ed., Vol. 2, U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experiment Station, Washington, D.C (1984).

25.    永井莊七郎，「海岸防砂堤關研究」，海岸工學講演會講演集，第2回，pp. 107-116 (1955)。

26.    本間仁，「海岸防災」，共立出版株式會社，日本 (1972)。

27.    田中則男，「日本沿岸漂砂特性沿岸構造物築造伴地形變化關研究」，港灣技研資料，No. 453, 148頁 (ho1983)。