淺析海岸地形中風場效應對高樓建筑施工的影響

摘要：文章分析了海岸地形風力通過土堤后后方風力的變化，以對鄰近高層建筑施工提供參考。

關鍵詞：風場；土堤；平均風速；速度上升比

中圖分類號：TU-80 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）26-0128-02

空曠的海岸地形在面臨強風的吹襲下，各式不同土堤形狀結構物如防波堤等，在不同傾角的狀況下會造成其周遭流場的不同，相對會產生許多變化，且對其表面承受風力作用及鄰近區域的高層建筑物施工皆有重大影響，為此本文針對其進行研討。

臺灣地區電力公司林口電廠更新擴建計劃，預定將以林口電廠東北海域填積煤灰所產生之新生地規劃為煤倉區，建造10座相同規格的燃煤儲存筒倉，每座有效儲存容積74 000 m3，凈內徑尺寸直徑46 m，外徑約為48 m，高度則為高出既有地表面（EL+10.0m）72 m。

由于該工程案預定施作于空曠的海岸地形場所，且建筑量體屬大型建物，施工過程中受風力影響不小。因此利用風場實驗成果，藉以作為其施工受風力影響的安全性評估參考。

1 大氣風場的技術背景及實驗原理

1.1 大氣紊流邊界層

地球表面接受太陽輻射量的不一致造成壓力不平衡仍是形成風的基本因素，一般而言，由地表至1 000 m高度之間的大氣運動屬于紊流邊界層型態。Davenport對在中性大氣穩定時，不同地形下的大氣紊流邊界層高度δ提供下列的建議值：鄉村地形：δ=274 m；市郊地形：δ=400 m；都市地形：δ=512 m。

Counihan則建議以600 m做為不考慮地形條件下大氣邊界層的平均高度。

1.2 實驗目的

針對不同斜坡傾角的土堤進行模型試驗，分析其在受風力作用下的風場結構與特性，以便提供土堤形狀構造物相關工程研究設計或評估其周遭施工受風力影響的安全性等參考。

1.3 實驗方法

1.3.1 模擬大氣紊流邊界層

為使環境風洞內產生理想的模擬大氣邊界層，采用三角型的渦流產生器（spire）與粗糙元素（roughness element）搭配，藉此模擬出較符合現實流場的平均風速剖面與紊流特性。

1.3.2 模擬風場通過土堤

依照1/300縮尺比制造模型，模型仿真風通過一無限長的土堤模型的風場結構，將模型中心置于風洞試驗段10.5 m處，量測土堤的上下游及土堤上的風場結構。

1.3.3 采樣點模擬

采樣點的配置則在縱軸向自土堤前端起算；于土堤上游斜坡起點、上游斜坡中央點、上游斜坡最高點、土堤中央點、土堤下游斜坡最高點、下游斜坡中央點、下游斜坡終點4處依序設置量測點，并針對四種不同傾斜角土堤進行風速剖面量測。

2 實驗結果分析

2.1 平均風速剖面

土堤斜坡傾角共有四種角度，分別為0°、45°、26.57°、14.04°，在此依序以土堤（a）、土堤（b）、土堤（c）、土堤（d）來表示。

由實驗結果可知在接近地面處因與地表摩擦效應影響下產生的速度差異，在堤頂處尤其明顯。同時由于土堤的作用，堤頂前端接近地表處的風速皆有極顯著增大的現象，而在通過堤頂后的下游流場則平均風速減緩。

若以土堤斜坡的傾角加以比較，通過土堤（a）的流場受到較大的影響，各點位置風速剖面的變化幅度頗大，在流場通過堤頂前端時，其上升與加速現象最為明顯，而堤頂中點及終端與后方流場則受到前端流線分離的影響，造成近地表的風速急速下降，尤以通過土堤后方流場最為明顯。而隨著坡度的減緩，流場變動幅度亦相對變小。

在接近地面時，堤頂處的平均風速比其它的風速剖面較高，而堤頂后方流場則明顯降低。隨著斜坡傾角的減緩，堤頂地面風速有漸小的趨勢，變化幅度也隨傾角的降低而減緩。

2.2 速度上升比ΔS

氣流通過土堤后，在接近堤面附近風場有加速現象，以土堤（a）而言，僅在堤頂前有速度上升現象，其后方會產生速度下降現象。而土堤（b）、（c）、（d）則表現出風場在流經一具傾角的土堤時皆會產生風速增加的情況，同時無論距地表的高度為何，皆有加速效應，而其上升趨勢則會隨著斜坡角度的下降而減緩。對堤頂處速度上升比較可知，土堤（b）的風速會隨著流場位置有明顯的增加，顯示流場風速在流經此類型傾斜角土堤時會持續增加。土堤（c）（d）則由于傾斜角度較緩，其上升比則較為穩定。

2.3 紊流強度

紊流強度一般可作為紊流場中擾動量大小的指標，亦可看出紊流能量的大小。首先由土堤（a）分析后得知在土堤無斜坡的情況下，坡頂近地面處的紊流強度變化不大。接著由土堤（b）、（c）、（d）分析可知，近地表處紊流強度最大值大多發生在進入土堤斜坡初時與通過坡頂的后方流場，由于斜坡的作用，此時的紊流強度皆較土堤（a）為小，可見傾角對流場的影響。

在分析各土堤堤頂處的紊流強度上可發現，紊流強度的大小主要取決于土堤斜坡的傾角大小。隨著斜坡傾斜角度的下降，其近地表處紊流強度會逐漸降低。而在此時通過斜坡進入堤頂的位置會產生最大的紊流強度，可知風場在此擾動最大。

2.4 風壓系數

風壓系數值可用來作為分析風力作用于結構物表面各點壓力相對關系的參考依據，同時比較出在物體表面各不同位置下，接受風力作用形成表面風壓情況與此時流場的變化。

不同土堤下游各點的平均風壓系數，在進入土堤斜坡處時由于受到風力的直接作用，此時皆為正值，同時受到土堤斜坡角度變化的影響，壓力作用大小也隨著傾角的下降而減少。接著在風場通過斜坡進入堤頂處后則有了顯著的變化。由于土堤造型造成的流場改變，此時在堤頂處前端產生了流線分離現象，因此土堤堤頂處前段的壓力急劇下降形成負風壓系數，其變化幅度隨傾角增大而更加劇烈，而在通過堤頂中心至堤頂后方處則暫時回復穩定，在通過堤頂后則又恢復紊亂，土堤（d）則明顯反應出由于傾角較緩，造成流場變化較小，由此可見土堤斜坡傾角對風壓的影響。

在不同傾角土堤下游，各點的風壓擾動系數更清楚，可知，土堤（a）與土堤（b）的風壓擾動量隨著流場下游位置的改變而有極大的變動，在通過土堤斜坡進入堤頂處至堤頂中點此段易產生最大的擾動值，而土堤(a)則在通過堤頂后風場再度急遽變動，再次增加其風壓擾動量。至于土堤（c）與土堤（d）則由于坡度較緩，其風壓擾動量皆保持穩定，變動不大。

2.5 剪應力分析

由于剪應力對結構物影響頗大，實驗結果說明土堤（b）、（c）、（d）三者在進入斜坡時的剪應力系數隨著斜坡傾角增大而上升，而在通過斜坡進入坡頂后開始產生變化。在堤頂前端部分，剪應力系數由于進入斜坡角度的不同而有所改變，此時以土堤（d）較大，而依傾角的增大而漸漸下降，在堤頂后段則逐漸回復平穩。風場通過堤頂之后，土堤（a）后方由于風場紊亂的關系，地表剪應力系數則突然增大，而其余土堤則稍微下降，無太大改變。

由上述的情況可發現，剪應力系數在進入斜坡時會隨著傾角遞增而加大，但在堤頂前方段則會因此而稍稍下降減少。同時由土堤（d）亦可看出，此時的風場由于較為穩定，因此剪應力系數保持平穩，在此亦可見傾角對風場的作用。

3 結 論

綜上所述，筆者得到以下的一些建議以供本次工程參考：

由不同土堤的風場量測中得知，接近地面處在迎風面堤頂上的速度上升最大。另速度上升比與在具備斜坡的土堤上由會隨著傾斜角度的遞減而下降，同時表示流場風速在流經此類型傾斜角土堤時則會持續增加；由于本次工程的地型類同土堤（b），因此需特別注意作業人員于正向受風面高空作業時，受風力加速的影響。

近地表處紊流強度最大值大多發生在進入土堤斜坡初時與通過坡頂的后方流場。在分析各土堤堤頂處的紊流強度上則可發現，此時紊流強度的大小主要取決于土堤斜坡的傾角大小，隨著斜坡傾斜角度的下降，其近地表處紊流強度會逐漸降低。

土堤斜坡處時的平均風壓系數Cp（mean）皆為正值，表示受到正風壓，同時壓力作用大小會隨著傾角的下降而減少。而在土堤堤頂處前段則會因壓力急劇下降形成負風壓系數，其變化幅度隨傾角增大而更加劇烈，在通過堤頂中心至堤頂后方處則回復穩定，通過堤頂后則又恢復紊亂，此現象明顯地表示土堤斜坡傾角對風壓的影響。

紊流邊界層在通過土堤斜坡時的剪應力系數隨著斜坡傾角增大而上升，而在通過斜坡進入坡頂后剪應力系數則由于進入斜坡角度的不同而有所改變，而依斜坡傾角的增大而漸漸下降，在堤頂后段則逐漸回復平穩。

參考文獻：

[1] 王欽華，石碧青，張樂樂.風向對某超高層建筑等效靜風荷載的影響[J].汕頭大學學報，2012，(2).