交通部運輸研究所 港灣設施防災技術之研究(二) -港灣設施防災對策之研究- 期末報告簡報 中華民國 九十三 年 十二 月 一 日

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1 交通部運輸研究所 港灣設施防災技術之研究(二) -港灣設施防災對策之研究- 期末報告簡報 中華民國 九十三 年 十二 月 一 日
Institute of Transportation, MOTC 港灣設施防災技術之研究(二) -港灣設施防災對策之研究- 期末報告簡報 國 立 台 灣 海 洋 大 學 宇泰工程顧問有限公司 中華民國 九十三 年 十二 月 一 日

2 一、工作內容 － 章節編排 簡報內容 第一章　前言 第二章　港灣設施受災可能破壞模式研究 第三章　國內外災損案例探討分析 第四章　補強復建工法之蒐集探討 第五章　港灣構造物損壞等級的建立 第六章　災害潛勢評估方法之探討 第七章　港灣構造物之安全評估 第八章　災前補強與災後復建之工法研擬 第九章　結論與建議

3 第一章、前言 ‧ 研究緣起及目的 ‧ 研究範圍與對象 ‧ 研究內容與工作流程 ‧ 港灣設施防災對策的理念探討 3

4 一、前言 － 研究目的及對象 研究目的 研究對象 強化港灣設施之防災功能及對策 探討港灣設施災前補強及災後復建之可行工法與技術
重力式碼頭、板樁式碼頭、棧橋式碼頭 沉箱式防波堤、拋石式防波堤

5 一、前言 － 防災理念探討 本研究工作流程圖

6 一、前言 － 防災理念探討 ‧審查委員建議 防災理念流程圖

7 一、前言 － 防災理念探討 監測的目的 維修補強的成效評估 長期監測資料作為理論檢核驗證之用 達到預警的目的
‧審查委員建議 監測的目的 維修補強的成效評估 長期監測資料作為理論檢核驗證之用 達到預警的目的 鑑定結構損壞情形，作為事故發生法律上責任釐清的參考 提供原始設計或輔助設計處理所需之資料 確保施工安全、確認施工步驟、控制工期（節省成本）

8 第二章、港灣設施受災可能破壞模式研究 ‧重力式碼頭破壞模式 ‧板樁式碼頭破壞模式 ‧棧橋式碼頭破壞模式
　－上部結構破壞模式（審查委員建議增加） ‧沉箱式防波堤破壞模式 ‧拋石式防波堤破壞模式 ‧小結（審查委員建議增加） 8

9 二、港灣設施受災可能破壞模式研究 － 前言

10 小結 二、港灣設施受災可能破壞模式研究 棧橋式碼頭－上部結構破壞模式（裝載載重、活載重） 碼頭面板及樑－彎矩及剪力破壞 碼頭格樑接榫破壞
‧審查委員建議 棧橋式碼頭－上部結構破壞模式（裝載載重、活載重） 碼頭面板及樑－彎矩及剪力破壞 碼頭格樑接榫破壞 小結 重力式碼頭破壞模式關係表 板樁式碼頭破壞模式關係表 棧橋式碼頭破壞模式關係表 沉箱式防波堤式碼頭破壞模式關係表

11 二、港灣設施受災可能破壞模式研究 重力式碼頭破壞模式關係表 破壞模式 破壞原因 破壞結果 壁體滑動
地震所產生的額外土壓力及水壓力或土壤液化所產生的超額孔隙水壓、動流體壓力。 法線凹凸。 岸肩與壁體錯開。 岸肩塌陷、凹洞及龜裂。 壁體接縫處裂縫增大。 船舶碰撞使得壁體破裂導致填充砂外漏，將會減輕壁體自重使其抗滑阻力也降低。 壁體傾覆 船舶推進器導致基礎發生淘刷的現象，使沉箱壁體重心改變。 壁體沉陷 地震所產生的額外土壓力及水壓力或基礎底部土壤若有超額孔隙水壓力或土壤液化現象，則會使基礎承載力降低。 岸肩與壁體錯開。岸肩塌陷、凹洞及龜裂。 岸肩下陷 因壁體變位導致接縫處裂縫增大，使得背填土流入海中。或因土壤液化發生噴砂現象，造成土壤的壓密。 當波浪的長波效應或潮位差長期作用，產生的波壓由縫隙侵入背填土造成濾布破壞，使得背填土流入背填卵石之縫隙中，致使地層孔隙增加，地震時易造成土體壓縮。

12 第三章、國內外災損案例探討分析 ‧1999年921震災台中港災損案例 ‧1995年阪神震災神戶港災損案例
‧1999年丹恩颱風金門料羅港災損案例 ‧1994年提姆、道格風災花蓮港災損案例 ‧台塑麥寮港防波堤沉箱破壞案例 ‧高雄港36及41號碼頭撞損案例（新增） ‧1978年葡萄牙Sines港颶風災損案例 ‧1994年道格颱風龍洞遊艇港災損案例 ‧小結（新增） 　高雄港78~81號碼頭漏砂案例（刪除） 12

13 三、國內外災損案例探討分析 神戶港(阪神地震)與台中港(921地震)災損案例 ‧考量實際港區震度 ‧審查委員建議 921大地震台中港災損案例
921大地震台中港災損案例 阪神震災神戶港災損案例 地震規模 芮氏規模7.3 芮氏規模7.2 主要受損港灣設施 台中港1至4A碼頭 神戶港 受損碼頭結構型式 重力沉箱式 港區震度 Kh=0.163 Kh=0.20至0.273 港區設計震度 Kh=0.15 Kh=0.10至0.18 災損調查位置項目 •地質鑽探調查 •災損區地形測量 •船席航道水深測量 •其他碼頭設施檢測與勘查 •碼頭 •基礎土壤 •岸肩 分析項目 •沉陷量分析 •土壤液化潛能評估 •沉箱位移分析 •側向位移量 •正規化側向位移量 •沉陷量 •伸張應變 •扭曲變形量 災損狀況 •碼頭沉箱位移11cm至168cm •碼頭沉箱沉陷10cm至57cm •碼頭法線朝海測位移1至5.9m •碼頭沉陷量1至2.5m •碼頭沉箱傾斜5度 •碼頭面板與後線高差1至4m ‧考量實際港區震度

14 三、國內外災損案例探討分析 高雄港41號碼頭撞損事件 高雄港36號碼頭撞損事件 93年3月15日10時 船頭撞擊第4號繫纜樁處
‧審查委員建議 93年3月15日10時 船頭撞擊第4號繫纜樁處 　→防舷材撕裂、螺栓拔出、防蝕塊掉落五塊、 　　水下鋼樣樁擦撞凹陷 高雄港36號碼頭撞損事件 92年12月20日20時 船頭撞擊第3號繫纜樁處 　→船頭凹陷、繫纜樁周邊產生裂縫、胸牆底部結構破裂、 　　鋼板樁變形開裂

15 三、國內外災損案例探討分析 36號碼頭損壞概況表 項目 損害位置 損害情形 備註 1. 鋼板樁
項目 損害位置 損害情形 備註 1. 鋼板樁 (如下圖)自A點起往36號碼頭48.5M處為損害中心，兩邊寬各3M處，沉度自胸牆底部起8.9M為原鋼板樁撞彎變形最低點。 施工中依修復計劃復原 預計鋼板樁15支彎曲變，樁與樁接合處開 2. 碼頭地面RC 如下圖 凹陷面積寬10m、長24m 3. 地下構件 (如拉桿、腰樑) 未知 (待開挖地面檢查) 損毀中心 繫船柱

16 三、國內外災損案例探討分析 小結－國內外災損案例整理 ‧審查委員建議 案例 時間 災損情形 災損原因 921震災 台中港災損
1999年9月21日 芮氏規模7.3 •碼頭沉箱位移11cm至168cm •碼頭沉箱沉陷10cm至57cm •在超過設計震度之地震加速度慣性力作用下，沉箱可能有朝海側滑動、傾斜與變位等現象發生，加上背填土壤可能發生局部液化現象，引致動水壓增加，造成沉箱朝海側滑動、傾斜與變位加劇。 •因沉箱朝海側滑動，致後線土壤大量流入沉箱滑移後所遺留之空間，加上背填土砂長久以來經沉箱間隙漏入海中，與土壤因地震作用而壓密，導致後線堆儲場區發生坍陷。 阪神震災 神戶港災損 1995年10月17日 芮式規模7.2 •碼頭法線朝海測位移1至5.9m •碼頭沉陷量1至2.5m •碼頭沉箱傾斜5度 •碼頭面板與後線高差1至4m •地震加速度超過原有設計震度。 •背填土壤或基礎土壤發生液化。

17 三、國內外災損案例探討分析 小結－國內外災損案例整理 ‧審查委員建議 案例 時間 災損情形 災損原因 丹恩颱風 金門料羅港災損
1999年10月9日 •南防波堤部分消坡塊流失 •碼頭舖面掏空下陷及破損 •水頭與九宮港區部份港埠設施遭致損壞 •吹風歷時及吹風距離極長，造成湧浪浪高極大 •南外廓防波堤延建工程尚未完工，無法提供有效遮蔽 •防波堤覆面塊石無法承受颱風波浪越波衝擊 提姆、道格颱風 花蓮港災損 1994年7月10日及8月7日 •東防波堤胸牆斷裂 •西防波堤消波塊沖失 •第25號碼頭面版、消波室樑柱嚴重損害 •東防波堤並未提供有效之遮蔽，南向波浪可直接侵襲 •颱風波浪過大，且該碼頭位置較暴露，以致碼頭前的波高超出設計值 道格颱風 龍洞遊艇港災損 1994年8月6日 •北堤消坡塊石嚴重流失 •北堤堤頭段沉箱斷落沉入水中 •北堤海側胸牆向港側傾倒，消波塊散落於堤面上或鑲入胸牆內 •持續的長週期湧浪 •波高超過20公尺以上 •水位抬升歷時12小時，大浪更容易到達岸邊，波力高出一般正常海岸

18 第四章、補強復建工法之蒐集探討 ‧1995年阪神震災神戶港災損復建 ‧1999年921震災台中港災損復建
‧1999年丹恩颱風金門料羅港災損復建 ‧高雄港36及41號碼頭撞損復建(新增) ‧1994年提姆、道格風災花蓮港災損復建 ‧1994年道格颱風龍洞遊艇港災損復建 ‧災損復建工法研擬(新增) 　高雄港78~81號碼頭漏砂復建(刪除) 18

19 四、補強復建工法之蒐集探討 高雄港41號碼頭撞損修復工法 清除海生物、拍照存證 水中電焊以厚鋼板彎折成Ｕ型修補 ‧審查委員建議 全長角焊
厚鋼板樁 原鋼板樁 全長等角焊 冠牆 焊接方式示意圖

20 四、補強復建工法之蒐集探討 高雄港36號碼頭撞損修復工法 水中平行於原有鋼板樁之邊緣打設擋水圍堰 鑿除後受損區之胸牆及拆除碰墊
‧審查委員建議 高雄港36號碼頭撞損修復工法 水中平行於原有鋼板樁之邊緣打設擋水圍堰 鑿除後受損區之胸牆及拆除碰墊 打設陸地圍堰並安裝臨時腰樑、抽換原有拉桿 切除受損部分並打設新型鋼 檢查腰樑與拉桿，更新損毀者 背填土回填、胸牆澆置 安裝繫船柱及橡膠防舷材

21 四、補強復建工法之蒐集探討 碼頭災損復建工法研擬 重力式碼頭補強工法分類及斷面示意圖 板樁式碼頭補強工法分類及斷面示意圖
‧審查委員建議 碼頭災損復建工法研擬 重力式碼頭補強工法分類及斷面示意圖 板樁式碼頭補強工法分類及斷面示意圖 棧橋式碼頭補強工法分類及斷面示意圖

22 四、補強復建工法之蒐集探討 重力式碼頭補強工法分類

23 四、補強復建工法之蒐集探討 重力式碼頭補強工法分類

24 四、補強復建工法之蒐集探討 JA1-1 重力式碼頭耐震補強工法斷面示意圖 JA1-2

25 第五章、港灣構造物損壞等級的建立 ‧功能設計法之簡介 －各種性能等及評估之介紹 ‧港灣構造物之損壞等級建立 －重力式碼頭損壞等級之建立
　　－各種性能等及評估之介紹 ‧港灣構造物之損壞等級建立 　　－重力式碼頭損壞等級之建立 　　－板樁式碼頭損壞等級之建立 　　－棧橋式碼頭損壞等級之建立 　　－防波堤損壞等級之建立 25

26 五、港灣構造物損壞等級的建立 － 設計方法比較
損壞等級 － 災前補強、災後復建的依據 傳統方法 － 安全評估（力）、無訂定損壞等級 工作應力法（現行基準）－ 單目標（安全性） 強度設計法（日本港灣設施技術基準‧同解說） －無法涵蓋結構物使用期間的性能 性能設計（損壞等級）－ 性能評估（位移） 整體結構性能目標 生命週期成本 － 規劃、施工、維修（營運損失） 建立損壞等級 － 性能評估（使用、修復、接近崩塌）

27 五、港灣構造物損壞等級的建立 － 設計方法比較
損壞狀態之量化（工程）描述 － 使用、修復、接近崩塌 損壞等級的訂定（量化） 1. 參考舊有構造物維修、災損的經驗 結構物材料強度、勁度及承載地盤之不確定性 設計與評估方法的差異、外力不確定性 2. 考量構造物使用期間之所需的總成本 － 生命週期成本 確立損壞狀態與修復成本之關係 3. 社會對意外災害損失之容許程度 4. 與其他意外災害危險性的比較

28 五、港灣構造物損壞等級的建立 － 性能目標建立
性能和危害等級（性能目標）關係圖

29 五、損壞等級與功能性等級的建立 － 損壞等級建立
碼頭損壞等級－國內外相關資料 震後港灣及河海堤快速診斷與補強手冊 日本－港湾構造物維持．補修　 PIANC－Seismic Design Guidelines for Port Structures(國際航海協會) 港灣構造物安全檢測與評估之研究 港灣工程－海工、結構、大地、地震及材料 損壞等級的建立→透過產、官、學界之分工整合 現行港灣設計基準－參考日本相關規範（考量連貫性） 經由蒐集國內外損壞等級的相關資料 建議現階段採用PIANC研究成果 將來經時間累積的經驗、理論及實驗驗證後，再進行修訂較適宜

30 PIANC 重力式碼頭損壞等級和功能標準建議值（定量）
五、損壞等級與功能性等級的建立 PIANC 重力式碼頭損壞等級和功能標準建議值（定量） DL1 DL2 DL3 DL4 岸壁 正規化水平殘留變位比(d/H) <1.5% 1.5~5% 5~10% >10% 朝海面傾斜角 <3° 3°~5° 5°~8° >8° 岸肩 不均勻沉陷量 <3~10cm Ｎ/Ａ 岸肩與後線陸地之沉陷差 <30~70 cm <2~3∘ 損 壞 等 級 位 置 及 項 目 (d/H=岸壁法線變位量/岸壁高度) ※ N/A表示無需檢核(Not Applicable)

31 第六章、災害潛勢評估方法之探討 ‧國內外地震潛勢評估方法簡介 ‧地震危害度分析 ‧波浪危害度分析（增加） ‧構造物損害評估
→災害潛勢評估具有區域性、僅做概念性的介紹 ‧地震危害度分析 ‧波浪危害度分析（增加） ‧構造物損害評估 31

32 六、災害潛勢評估方法之探討 災害潛勢評估流程 減災計畫 ( 結構補強 人員培訓 ) 整備計畫 ( 救災資源 防災演習 )
減災計畫 ( 結構補強 人員培訓 ) 整備計畫 ( 救災資源 防災演習 ) 應變計畫 ( 設立時機 運作方式 – 人力、資源 ) 復建計畫 ( 環境復原 結構補強 )

33 機率分析 － 危害度曲線 (PGA)、彈性反應譜
六、災害潛勢評估方法之探討 危害度分析 － 地震 機率分析 － 危害度曲線 (PGA)、彈性反應譜 震源分區 地震規模再現頻率 衰減律(震源距離、地震規模) 境況模擬分析（肯定分析） 選定地震規模與震源 (工址附近活斷層) 衰減律、PGA

34 危害度分析 － 波浪、潮位 波浪（波高）機率分析 － 實測、推算 波浪變形 － 等值深海波高 六、災害潛勢評估方法之探討
‧審查委員建議 危害度分析 － 波浪、潮位 波浪（波高）機率分析 － 實測、推算 颱風波浪推算 － 規模、路徑、發生機率 極端值（統計）分析 － 極端值選用法、超量選用法 深海波高（周期）超越機率（重現期） 波浪變形 － 等值深海波高 波浪之淺化、折射、繞射、反射

35 潮位機率分析 － 天文潮、氣象潮、風揚 六、災害潛勢評估方法之探討 氣象潮（暴潮）－ 颱風進行路徑、規模、發生機率 潮位超越機率（重現期）
‧審查委員建議 潮位機率分析 － 天文潮、氣象潮、風揚 氣象潮（暴潮）－ 颱風進行路徑、規模、發生機率 潮位超越機率（重現期） － 分項統計（天文潮、氣象潮）、綜合統計 長期的觀測資料

36 第七章、港灣構造物之安全評估 ‧前言 ‧重力式碼頭安全評估 ‧板樁式碼頭安全評估 ‧棧橋式碼頭安全評估 －位移係數法（增加）
　－位移係數法（增加） ‧防波堤安全評估 ‧小結（增加） 36

37 七、港灣構造物之安全評估 － 前言 安全（性能）評估 針對各種可能破壞模式 → 力學分析 評估構造物在剩餘使用年限 － 使用性、修復性、耐久性、穩定性的安全程度 擬訂維修補強工法之依據

38 七、港灣構造物之安全評估 － 前言 擬靜力法（靜力分析） － 現行基準 位移分析法 非線性動力分析法
外力與桿件抵抗強度之關係 － 檢核結構是否安全 無法分析損壞程度 位移分析法 損壞程度（使用、修復、破壞） －位移量、沉陷量、滑動量、傾斜角 防波堤（不影響功能）滑動 → 不等於破壞 非線性動力分析法 模擬結構、土壤的材料幾何非線性力學行為及結構、土 壤的互制行為 非線性動力歷時曲線

39 棧橋式碼頭力學分析 七、港灣結構物之安全評估 － 棧橋式碼頭力學分析 樁與土壤互制行為 現有基準分析法 容量譜法
－ Y.L.Chang的直接解法 － p - y曲線法 現有基準分析法 容量譜法 位移係數法 －審查委員建議增加 非線性動力分析法

40 七、港灣結構物之安全評估 － 棧橋式碼頭力學分析
位移係數法 ‧審查委員建議 ‧振態參與因子 －譜位移與結構節點位移關係的修正係數 ‧非線性因子 －非線性系統最大位移反應與線性系統最大位移的相關修正係數 ‧強度或勁度劣化修正因子 －勁度衰減與強度降減對非線性系統最大位移反應影響的修正係數 ‧P-△效應因子 －動態P-Δ效應對非線性系統最大位移反應影響的修正係數 ‧可經由簡易公式探討非線性效應－不需迭代 ‧精確度不足

41 七、港灣設施安全評估分析 － 小結 小結－港灣構造物設計檢核分析彙整表 現行基準分析法 簡化動力分析法 非線性動力分析法 重力式碼頭
‧審查委員建議 現行基準分析法 簡化動力分析法 非線性動力分析法 重力式碼頭 1.外力計算 2.壁體滑動檢討 3.壁體傾覆檢討 4.基礎承載力檢討 5.軟弱基礎檢討 6.土壤液化時之檢討 ‧壁體滑動檢討 －滑動塊分析法 有限元素法 有限差分法 板樁式碼頭 2.整體滑動檢討 3.板樁斷裂檢討 4.拉桿斷裂檢討 5.錨碇板滑動檢討 6.錨碇板斷裂安定檢討 7.錨碇直樁安定檢討 ‧整體滑動檢討

42 七、港灣設施安全評估分析 － 小結 小結－港灣構造物設計檢核分析彙整表 現行基準分析法 簡化動力分析法 非線性動力分析法 棧橋式碼頭
‧審查委員建議 現行基準分析法 簡化動力分析法 非線性動力分析法 棧橋式碼頭 1.外力計算 2.基樁傾斜檢討 3.基樁斷裂及彎曲檢討 4.基樁沉陷檢討 5.上部結構彎矩及剪力檢討 ‧整體性能檢討 　(側向位移檢討) －容量譜法 －位移係數法 有限元素法 有限差分法 防波堤 2.穩定分析 3.消波塊的安定性 4.拋石堤覆面塊的穩定分析 ‧沉箱穩定分析 －滑動量分析法

43 第八章、災前補強與災後復建之工法研擬 ‧碼頭後線地盤液化防治工法 ‧重力式碼頭補強復建工法研擬 ‧板樁式碼頭補強復建工法研擬
‧棧橋式碼頭補強復建工法研擬 ‧防波堤補強復建工法研擬 43

44 八、災前補強與災後復建之工法研擬  偶發載重(地震) 災前補強及災後復建工法研擬工作流程圖

45 八、災前補強與災後復建之工法研擬 補強復建工法 → 無統一的標準與方法  工法特性、結構物的重要性、損害情形  工法特性
‧工程背景、補強復建原理、適用條件 ‧考量施工的順利、工法的經濟性 ‧選用材料與結構物的結合度及相容性 ‧未來進行檢測的可行性  安全性、耐久性、經濟性、美觀性、生態環境 　－生命週期

46 八、災前補強與災後復建之工法研擬 工法研擬示意圖

47 八、災前補強與災後復建之工法研擬 碼頭後線地盤液化防治工法 ‧降低地下水位、提高土壤有效應力 ‧提高土壤緊密度與內摩擦角
‧增加土壤顆粒間膠結力、提高地盤有效支撐力 ‧改變土壤粒徑分佈 ‧結構基礎設計改良、防止因土層液化造成結構損壞 ‧抑制土壤剪應力變形

48 八、災前補強與災後復建之工法研擬 重力式碼頭補強工法  船舶碰撞－沉箱破裂、漏砂  地震力作用－沉箱滑動、下陷、傾覆 ‧水中混凝土澆置
‧後線面板開挖重新舖設濾布、回填夯實  地震力作用－沉箱滑動、下陷、傾覆 ‧沉箱前端新設結構物工法 ‧減低背填土壓工法 ‧抑制沉箱滑動補強工法

49 八、災前補強與災後復建之工法研擬 重力式碼頭補強工法分類

50 八、災前補強與災後復建之工法研擬 重力式碼頭補強工法分類

51 八、災前補強與災後復建之工法研擬 板樁式碼頭補強工法  船舶碰撞－開裂、漏砂  地震力作用－板樁傾斜、斷裂、整體滑動
‧打設圍堰、並做補強指水措施 ‧更換受損鋼板樁、腰樑、拉桿  地震力作用－板樁傾斜、斷裂、整體滑動 ‧沉箱前端新設結構物工法 ‧減低背填土壓工法 ‧抑制板樁整體結構滑動補強工法

52 八、災前補強與災後復建之工法研擬 板樁式碼頭補強工法

53 八、災前補強與災後復建之工法研擬 板樁式碼頭補強工法 (續)

54 八、災前補強與災後復建之工法研擬 棧橋式碼頭補強工法  地震力作用－基樁剪力、彎矩破壞（塑性鉸） －增加構件截面工法 －改變結構系統工法
‧基樁斷面增強方式 ‧增打基樁方式 ‧棧橋前移方式

55 八、災前補強與災後復建之工法研擬 棧橋式碼頭補強工法

56 八、災前補強與災後復建之工法研擬 防波堤補強工法  沉箱滑動  沉箱結構體受損  消波設施  拋石堤覆面塊石
‧增加抵抗力工法（基礎加寬） ‧減少波壓工法 ‧兩者合併使用  沉箱結構體受損 ‧灌入法修補至原狀  消波設施 ‧加拋消波塊石至原設計高度  拋石堤覆面塊石 ‧修補至原設計面即可

57 簡報完畢 敬請指教