上海海事大学-海岸工程学-第3.2章海堤3(海堤结构计算).ppt

海岸工程学 2012年2月 李俊花 七 海堤设计 2护坡计算 1波浪在堤坡上爬高计算 3防护墙稳定计算 4防浪胸墙稳定计算 5海堤抗滑稳定计算 6地基沉降计算 7软土地基加固 8海堤防渗和堵漏 爬高计算的目的 确定堤顶高程 非常重要 1 波浪在堤上爬高计算 波浪爬高概念 波浪爬高示意图 波浪爬高是指波浪沿建筑物上爬的高度 自静水位起算 向上为正 A海堤工程技术规范B港口工程技术规范C复式断面爬高计算D堤前有压载时的爬高计算 A海堤工程设计规范 1 单一坡度海堤在正向规则波作用时 适用范围 坡度1 1 1 5 堤前水深1 5 5 0H 堤前水底坡度小于1 50 R 波浪爬高 从静水位算起 向上为正 H 波高 K 糙渗系数 R1 K 1 H 1m时波浪爬高 式中 式中 2 在风直接作用下 单一坡度的斜坡式海堤正向不规则波的爬高 上述得到的波浪爬高仅仅是R1 若要计算不同波列累计频率情况i 的爬高 则需要将R1 乘以换算系数 RF KF R1 斜向入射波的爬高 当波浪以斜角行近建筑物时候 爬高值应该乘一下系数 B港口工程技术规范 特点 应用范围大 坡度0 20 波坦L H 10 50 相对水深d H 2 5 25 除了给出爬高的计算外 还有落深和爬落幅度的计算方法 且采用函数关系 方便电算 正向规则波在斜坡上的水位变化 包括爬高和回落 正向规则波在斜坡上的水位变化 包括爬高和回落 是糙率系数 是 1 H 1m时候波浪爬高或降深 与斜坡数m有关 与斜坡的m值有关的函数 爬高函数 相应于一定的d L时候爬高或者落深的最大值 爬高函数落深函数 C复式断面爬高计算 堤防规范 对于带有平台的复坡 可以先确定断面的折算坡度 然后按照折算坡度的单坡近视计算其爬坡 上 下坡度一致 上平下陡 下平上陡 应用在平台在静水位附近 堤坡断面均为斜坡 对于上下断面中含陡墙的不适用 上述计算公式的使用范围是 m 上 1 4m 下 1 5 3Dw L 0 067 0 67B L 0 25 D堤前有压载时的爬高计算 计算步骤 先计算无压载条件下的爬高 将所得爬高值乘以压载修正系数 当dw H 1 5 M 1 5时候 还要考虑dw的影响 计算公式多 但是不系统 不完善 有一定的适用范围 对带平台的斜坡 平台下为陡墙的研究比较少 不能满足实际工程需要 常常需要通过物理模型试验确定爬高 问题 越浪量计算 海堤越浪现象 指海堤受到大的风浪袭击时 因浪高超过堤顶高程导致部分水体越过堤顶进入内坡的现象 通常用越浪量作为计量 评价和控制参数 定义 海堤越浪量 指1m单位宽度海堤上每秒钟波浪翻越海堤的水量 其单位为 一般海堤在设计波浪作用下都允许有少量越浪 对于部分不允许波浪越过堤顶的斜坡堤 需通过对越浪量的计算进行校核堤顶高程 海堤工程设计规范 SL435 2008 推荐公式 1 斜坡顶无胸墙时 越浪量的计算 经验系数A B 护面结构影响系数 2 斜坡顶有胸墙时 越浪量的计算 B 经验系数 查表确定 顶部有胸墙的斜坡式建筑物 允许越浪量 允许越浪量根据海堤表面防护情况按 规范 中表6 6 2取 工程实例 一 防潮标准 采用百年一遇作为计算防潮标准 二 海堤型式 斜坡式 岸顶高程4 5m 陡墙式混凝土防浪墙 迎海侧护面为栅栏板护面 坡度比1 2 底部干砌石 碎石垫层 抛石基层 堤顶钢筋混凝土护面 宽9m 三 堤顶高程复核和越浪量复核 计算参数百年一遇高潮位hP 3 10m风速VZ 34 5m s风区长度D 1333m安全超高A 0 5m 允许越浪堤前水深d hP h滩 3 1 0 2 3 3m波高累积频率F 1 现状堤顶高程Ha 4 5m现状防浪墙高程H 5 4m 堤顶高程复核式 ZP hP RF A 1 设计波浪推算 由当地风场要素推算波浪要素 波浪要素计算 由已知的风速V 风区长度F和水深d 确定稳定状态的风浪要素平均波高H和平均波周期T 特征波 2 波浪爬高 栅栏板护坡糙渗系数K 取0 49风速系数KV根据V C查表取1 28 计算出栅栏板护坡的波浪爬高 R1 1 8 采用正向不规则波的爬高计算公式 3 堤顶高程复核 允许越浪时 堤顶高程 ZP hP RF A 3 1 1 8 0 5 5 4m 4 越浪量核算 根据护面情况 允许越浪量为0 05 B为经验系数 0 45 KA为护面结构影响系数 0 5 计算越浪量为 防浪墙顶高程勉强满足要求 计算越浪量 允许越浪量 满足允许越浪量要求 主要设计内容A砌石护坡厚度计算 1 港口工程技术规范 法 2 裴什金法 3 海堤工程设计规范 法B稳定重量计算 1 单个块石或人工块体稳定重量计算 2 护底块石稳定重量计算C护面混凝土板厚度计算 2护坡计算 A砌石护坡厚度计算 1 港口工程技术规范 法 海港水文规范P738 2 9 注意 海港水文规范 中公式的使用范围包括坡度 相对水深和波坦坡度m 1 5 3堤前相对水深d H 1 5 4波坦L H 10 25海港水文规范还提供了斜坡式建筑物的干砌条石护面的厚度公式 计算波高取值 当 H取H4 当H取H13 使用范围 1 5 m 5 A砌石护坡厚度计算 2 裴什金法 堤防规范 中采用 结果比较适中 系数取值 K 干砌块石0 266H的取值d L 0 125 H4 0 125H13 注意 裴什金法也可以用在浆砌块石厚度 不过浆砌块石厚度计算时 H均取H13 干砌块石护面 A砌石护坡厚度计算 3 海堤工程设计规范 法 P113 干砌条石 A砌石护坡厚度计算 3 海堤工程设计规范 法 P113 算例 人工块体或块石护面层厚度计算 层数 2 3层先计算稳定块体重量 再计算厚度 便于图纸上标明厚度 人工块体的个数计算 空隙率 颗粒物料中 颗粒与颗粒间的空隙体积与整个颗粒物料层体积之比 1 单个块石或人工块体稳定重量计算 B稳定重量计算 容许失稳率表示静水面上下一个波高范围内 容许被波浪打击移动和滚落的块体个数所占的百分比 公式适合应用于不越浪的情况 材料 经过分选的块石 异形块体 注意 在破波区域的块石重量应当适量加重 可以比计算的重量增加10 25 另外在堤头的块体重量也要增加 护面垫层块石的重量可取护面块石稳定重量的1 20 1 10 2 护底块石稳定重量计算 B稳定重量计算 2 护底块石稳定重量计算 护底块石的稳定重量 可根据堤前最大波浪底流速确定与最大波浪底流速为2m s 3m s 4m s和5m s相应的护底块石重量为60kg 150kg 400kg和800kg B稳定重量计算 1 斜坡堤前最大波浪底流速 近破波 C护面混凝土板厚度计算 使用范围 斜坡坡度m 2 5 栅栏板厚度 斜坡坡度系数m 1 5 2 5时 栅栏板的厚度按下式计算 d 堤前水深 3防护墙稳定计算 G P Pe Pu 稳定计算内容 A墙身抗倾复稳定性计算B墙身整体沿墙底面或墙身沿各水平缝的抗滑稳定性计算C施工期间 防护墙稳定性D防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定E地基稳定计算 计算工况 A墙身抗倾复稳定性计算 B各水平缝抗滑稳定计算 抗倾稳定安全系数 抗滑稳定安全系数 C防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定 非粘性土 D防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定 粘性土 稳定计算内容 胸墙的抗滑 抗倾稳定计算 防浪墙稳定计算工况及临海侧水位 计算各种工况下的荷载 基本荷载 自重 设计潮位时的波浪压力 土压力 特殊荷载 地震荷载以及其它出现机会较少的荷载 4防浪胸墙稳定计算 抗倾 抗滑稳定计算 K的计算详见 海堤规范 附录M 允许的安全系数详见 海堤规范 主要荷载 波浪水平力 波浪上托力 参考海港水文规范中的8 2 11 A先按堤前水深和波高确定堤前波浪形态 依次分类确定波压力计算公式 B计算海堤前水深的波压力分布 截取作用与胸墙部分的波压力 参考海港水文规范8 1 荷载计算过程 一 波浪对胸墙的作用及组合 计算波浪对胸墙作用力时 一般波高采用1 波高 波长由平均周期算得 p 胸墙上的平均压强及波压力分布高度 1 无因次参数 按规范 海港水文规范 JTJ213 98公式计算d1 胸墙前水深 m 当静水面在胸墙底面以下时 d1为负值 d 堤前水深 m H 设计波高 m L 波长 m 该参数实际上反映的是防浪墙的位置 包括离水面高度 波浪爬坡高度 及波浪特性 2 波峰作用时胸墙上平均压力强度按规范 海港水文规范 JTJ213 98公式计算 当 与无因次参数和波坦有关的平均压力强度 3 墙上波压力分布高度 与无因次参数和波坦有关的波压力作用高度系数 4 单位长度胸墙上水平波浪力标准值P 的计算 5 单位长度胸墙底面上的波浪浮托力标准值计算 波浪浮托力折减系数 采用0 7b 胸墙底宽 m 二 防浪胸墙抗滑 抗倾稳定性验算 1 沿墙底抗滑稳定性的承载能力极限状态设计 按下式计算 结构重要性系数 水平波浪力分项系数 波浪浮托力分项系数 自重力分项系数 土压力分项系数 f 胸墙底面摩擦系数设计值 2 沿墙底抗倾稳定性的承载能力极限状态设计 按下式计算 水平波浪力的标准值对胸墙后趾的倾覆力矩 kN m 波浪浮托力的标准值对胸墙后趾的倾覆力矩 kN m 胸墙自重力标准值对胸墙后趾的稳定力矩 kN m 土压力的标准值对胸墙后趾地面的稳定力矩 kN m 结构系数 取1 25 5海堤抗滑稳定计算 1 海堤稳定计算要解决的问题 2 重度的选择 A浮容重B干容重C饱和容重D浸润线的确定 1根据地基强度指标和工程的安全系数 设计海堤 2根据海堤断面 验算稳定性 3 海堤抗滑计算的工况 A总应力法B有效应力法 4 海堤抗滑计算方法 海堤地基强度指标和应用范围 A总应力法 瑞典条分法 不考虑土条两侧面的相互作用力 B有效应力法 淤泥 天然含水率大于液限 天然孔隙率大于等于1 5的粘性土 海堤沉降计算 概念 初始沉降 淤泥质土 天然孔隙率小于1 5 但是大于1 0的粘性土 沉降原因 初始沉降固结沉降 固结沉降 初始沉降 分层总和法 固结沉降 S 最终沉降量 mm n 压缩层范围的土层数 e1i 第i土层在平均自重和平均附加固结应力作用下的孔隙比 e2i 第i土层在平均自重和平均附加应力共同作用下的孔隙比 hi 第i土层的厚度 mm m 修正系数 一般堤基的m 1 0 对软土堤基可采用m 1 3 1 6 堤身较高 堤基土较软弱时取较大值 否则取较小值 1 首先在防波堤断面上选择沉降计算点的位置 再按作用在基础上荷载的性质 求出基地压力的大小和分布 当基础有埋置深度d时 采用地基净压力去计算地基中的附加应力 2 将地基分层 在分层时天然土层的交界面为分层面 同时在同一类土层中 各分层的厚度不宜过大 3 计算地基中土的自重应力分布 求出计算点垂线上各分层层面处的竖向自重应力 从地面算起 4 计算地基中竖向附加应力分布 根据海堤三角形简化 条形基础上受三角形均布荷载作用 此时地基附加应力系数采用下式进行计算 其中参数式中 b 基底宽度 x 计算点距角点距离 取值 z 计算点垂线上各分层层面距地面距离 由求出计算点垂线上各分层层面处的竖向附加应力 当时 确定该处深度为压缩层的厚度 5 按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力 由此查得孔隙比 6 求第i分层的压缩量 根据第i分层的平均初始应力及初始应力与附加应力之和 得到每层土体的压力增量 于是可得第i分层的压缩量 7 最后将每层的压缩量累加 海堤设计算例 地理位置附件某中型企业拟通过填海造地工程建设仓库 工程附近岸线大致呈南北走向 西侧背靠大陆 南有海岛作为屏障 相距约10km 水文 极端高水位 重现期50年一遇 4 51m极端低水位 重现期50年一遇 4 12m设计高水位 高潮累积频率10 3 22m设计低水位 低潮累积频率90 3 01m 拟建工程围堤前沿设计波高 地质 场地内岩土层可分为7大层 自上而下依次为 1 全新统海积层 Q4m 根据颗粒组成差异可细分为 a 淤泥质粘土 Q4m 1a 呈深灰色 主要由粘 粉粒组成 质较纯 局部夹薄层粉 细砂或含砂较多 该层标贯试验大多产生自沉现象 1击 仅少数实测击数2 5击 呈流 软塑状 属高压缩性软弱土 力学强度低 工程性能差 b 淤泥混砂 Q4m 1b 呈深灰色 主要由淤泥和中 粗砂混合而成 含淤泥约60 90 局部夹薄层粉 细砂或含砂较多 富含腐殖质 味臭 饱和 该层标贯实测击数2 7击 呈流 软塑状 属高压缩性软弱土 力学强度低 工程性能较差 2 上更新统海陆交互沉积层 Q3m al 根据颗粒组成差异可细分为 a 砾砂 Q3m al 2a 呈浅灰 灰色 主要由粗 砾粒组成 含泥约15 局部含卵石 直径一般约2 3cm 最大约4cm 饱和 该层标贯实测击数12 25击 呈稍 中密状 属中压缩性土 力学强度较高 工程性能较好 b 淤泥质粘土 Q3m al 2b 呈灰黑 深灰色 主要由粘 粉粒组成 质较纯 局部夹薄层粉 细砂或含砂较多 该层15m段标贯实测击数7 16击 呈软 可塑状 属中 高压缩性土 力学强度较低 工程性能较差 3 上更新统冲洪积层 Q3pl al 根据颗粒组成差异可细分为 a 粉质粘土 Q3pl al 3a 呈浅黄 灰白色 主要由粘 粉粒及砂砾粒组成 含砂砾约30 40 局部夹碎石 直径一般约2 3cm 最大约8cm 该层标贯实测击数16 25击 呈可 硬塑状 属中压缩性土 力学强度较高 工程性能较好 b 粗砂 Q3pl al 3b 呈灰黄色 主要由粗 中粒组成 含泥约15 局部夹砾卵石 饱和 该层标贯实测击数13 25击 呈稍 中密状 属中压缩性土 力学强度较高 工程性能较好 c 圆砾 Q3pl al 3c 呈灰黄色 主要由砾 粗粒组成 含泥约15 局部夹卵 漂石 一般直径4 5cm 最大直径 25cm 饱和 该层呈稍 中密状 局部密实 属中压缩性土 力学强度较高 工程性能较好 4 残积粘性土 Qel 残积层 呈浅黄 灰白色 主要由粘 粉粒组成 质较纯 原岩结构特征不清晰 母岩为火山凝灰岩 该层标贯实测击数21 28击 呈可 硬塑状 属中压缩性土 力学强度较高 工程性能较好 5 全风化火山岩 J3nC 燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩 J3nC 风化 呈褐黄 灰黄色 大部分长石已风化为粘土矿物 具散体结构 岩芯呈粘性土状 手捏即散 该层标贯实测击数32 42击 岩石极破碎 属极软岩 岩体基本质量指标为 级 天然状态下力学强度较高 工程性能较好 但泡水易崩解 6 强风化花岗岩 J3nC 燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩 J3nC 风化 根据岩芯结构可细分为 a 散体状强风化火山岩 J3nC 6a 呈灰褐 灰黄色 部分长石已风化为粘土矿物 具散体结构 岩芯呈粘性土或砂砾状 手捏即可散 该层标贯实测击数53 98击 岩石极破碎 属软岩 岩体基本质量等级为 类 天然状态下力学强度较高 工程性能较好 但长时间泡水可软化崩解 b 碎裂状强风化火山岩 J3nC 6b 呈灰褐 灰黄色 具碎裂状结构 岩芯呈碎块状 手折可断 该层岩石破碎 属次软岩 岩体基本质量等级为 类 力学强度较高 工程性能较好 7 中风化火山岩 J3nC 燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩风化 呈灰黄 灰白色 具厚层状结构 岩芯呈片状或柱状 锤击声稍清脆 金刚石钻进时伴有强烈拨钻声 进尺缓慢 该层岩石较完整 属次硬 极硬岩 岩体基本质量等级为 类 力学强度较高 工程性能较好 设计过程 一 确定工程等级 项目为中型企业 确定填海造地工程围堤的工程等级为 级 防洪标准 重现期 取50年一遇设计高潮位 波浪取50年一遇波要素 二 确定围堤的结构断面型式 根据工程地质情况 材料资源及附近工程经验 围堤拟采用抛石斜坡堤结构型式 护面块体拟采用珊栏板 斜坡的坡度取1 2 斜坡堤具有堤身稳定性好 适应地基能力强 基底应力扩散效果好 波浪爬高小 消能效果好等特点 三 确定斜坡堤的断面尺寸 1 堤顶高程 根据 海堤工程设计规范 海堤堤顶高程按照下式计算 按允许越浪计算波浪爬高 糙渗系数 正向规则波作用下 乘以换算系数 风直接作用下 波速 风速 实取10 3m 2 越浪量验算 按堤顶有胸墙计算越浪量 根据护面情况 允许越浪量为0 05 越浪量满足要求 3 堤顶宽度 堤顶宽度