海岸工程11防波堤工程ppt（93页）

1、第五章防波堤工程第一节概论第二节斜坡式防波堤第三节直立式防波堤第四节混成式防波堤第五节浮式防波堤第六节防波堤优化设计 一防波堤的功能 形成有掩护的水域，防御波浪对港域的侵蚀，为船舶提供平稳，安全的停泊和作业环境 改善码头、护岸等的设计条件 对于砂质海岸，阻拦沿岸输送的泥沙 对于淤泥质海岸，减小随潮进入口门的泥沙 防止沿岸的强流或流冰侵入港域 引导水流的导堤 拦截沿岸漂沙的防沙堤 是海港工程的重要组成部分。第一节概论二防波堤的类型 平面形式分 突堤,岛式防波堤,组合堤第一节概论庙三突堤码头日本皆生海岸离岸堤第一节概论防波堤的平面布置 单突堤：系在海岸适当地点筑堤一条，伸入海中，使堤端达适当深水处

2、。适用于波浪频率比较集中在某一方位，泥沙运动方向较单一情况。但在沿岸泥沙活跃地区，不宜采用。 双突堤：双突堤系自海岸两边适当地点，各筑突堤一道伸入海中，遥相对峙，而达深水线，两堤末端形成一突出深水的口门，以围成较大水域，保持港内航道水深。B1式双突堤用于海底平坦的开敞海岸；B2式用于海底坡度较陡；B3式多建于迎面风浪特大，海底坡度较陡；B4式为海岸已有天然湾澳，湾口中央为深水的情况，筑堤费用亦较省。第一节概论防波堤的平面布置第一节概论 岛堤：岛堤系筑堤海中，形同海岛，专拦迎面袭来的波浪。堤身轴线可以是直线、折线或曲线。C1式岛堤堤身与岸平行，可形成窄长港区，适用于海岸平直、水深足够、风浪迎面而

3、方向变化范围不大的情况；C2式适用于港址海岸稍具湾形而水深的情况，可以增加港内水域面积。C3式堤用于已有足够宽的水域之湾澳，两岸水较深而湾口有暗礁或沙洲。防波堤的平面布置第一节概论 组合堤：亦称混合堤系由突堤与岛堤混合应用而成。大型海港多用此类堤式。D1式堤系因突堤端有回浪而必须再建岛堤以阻挡。D2式系岛堤建于双突堤口外，以阻挡强波侵入港内。D3式适合于岸边水深大，海底坡度甚陡的地形。D4式适用于岸边水深不大，海底坡度平缓，须借防浪堤在海中围成大片港区的情况。D5式适用于已有良好掩护并足够开阔的天然湾澳。防波堤的平面布置第一节概论 结构型式分：斜坡式，直立式，混成式，透空式，浮式， 压气式，水

4、力式 （图）三防波堤的结构型式及其适用条件 斜坡式防波堤 直立式防波堤 混成式防波堤 特种结构防波堤 防波堤的结构选型 第一节概论（一） 斜坡式防波堤 适用于地基较差，水深较小（小于7m）石料来源丰富的情况 缺点是：需要的材料数量大，斜坡上的护面石块或人工块体如重量不足，将受波浪作用而滚落走失，需要经常修补；在使用方面，堤的内侧不能用作靠船码头。 优点在于：它对地基承载力的要求较低；施工比较简 单，在施工过程中或建成之后，如有损坏，修复较易；在使用方面，由于波浪在坡面上破碎和较少反射，所以消波性能良好。1996年竣工的广东台山电厂东防波堤，防波堤长1370m。护面为10t21t扭工字块。 块石

5、不分级的抛石堤 通常用于施工技术条件较差的地区 设计水位上下波浪强烈作用区，采用较缓的堤坡维持稳定； 该域以外则用较陡的坡度以减少堤身断面积 三层式抛石堤 图 三层，指护面、垫层和块石 该断面适用于d水深大于1.3倍有效波高Hs 当d1.0H 防护要求较高时，要按 设计高水位+爬高+安全超高 核算 堤顶宽度： 满足施工机具和使用要求 一般为1.1-1.25H 构造上至少满足安放两排或随机安放三排人工块体的宽度 边坡坡度： 与护面的形式有关 抛石棱体 顶高程： 设计低水位下 约 1.0-1.5H 宽度： 不小于2.0m 厚度 不小于1.0m 水深较小时，亦可把护面块体向海延伸，形成棱体 肩台 顶

6、高程 设计高水位上下约0.5H 宽度 不小于2.0m 宽肩台式斜坡堤，肩台顶高程 设计高水位 上 1.0-3.0m 宽度 不小于6.0m 挡浪墙 重力式结构，应满足稳定要求， 抗滑稳定性和抗倾稳定性 顶高程， 设计高水位+1.0-1.25H 嵌入堤顶 至少0.3m 坡肩宽度 块石或四角空心方块； 四角锥体或扭工块体堤身宽度 对于抛填方块斜坡堤，堤身在设计高水位时，不小于3H护底 宽度， 堤身处 5-10m 堤头处10-15m 厚度 1-2层，且不小于0.5m3 块石重量 外坡：设计水位上下1倍波高范围内， 按Hudson公式计算 设计低水位下1.0-1.5H， 取护面块体重的1/5-1/10

7、设计低水位下1.5H，取护面重量的1/10-1/15 垫层：外坡护面块体的 1/20-1/40 内坡：允许少量越浪时， 堤顶至设计低水位之间，取与外坡护面块体相同的重量 设计低水位以下，取与外坡垫层块石相同的重量 不允许越浪时， 取与外坡垫层块石相同的重量，并按内侧波浪进行复核 堤顶： 块石重量一般与外坡护面块体重量相同 当堤顶高程在设计高水位以上不足0.2H时，其重量应加 大为不小于1.5倍的外坡护面块体的重量 堤心： 一般为10-100kg的块石，级配适当 护底：依堤前最大波浪底流速确定 公式5-2-424 细部构造的要求1）对于护面、抛石棱体等大块石，不宜直接抛于海底面，而应设置厚度不小

8、于0.5m的重量为10-100kg的碎石垫层2）随机安放及规则摆放的扭工字块体，摆放要求3）浆砌块石 变形缝及排水孔的要求4）堤头段5）堤根短6）堤轴线向外的折角段 斜坡式防波堤设计流程：依据条件选择断面型式初拟断面尺寸；3. 防波堤设计计算； 护面、护底、胸墙稳定性、地基沉降、地基稳定性。4. 按照构造要求，进行细部设计。知识点波浪与直立式建筑物相互作用问题；*直立堤上波浪荷载计算；*断面尺寸与构造；直立堤新的发展趋势第三节 直立式防波堤（一）波浪与直立式防波堤的相互作用直立式建筑物的基本类型：为什么进行波浪力的计算：直墙上波浪力主要用于建筑物的抗倾、抗滑稳定计算。波浪力与建筑物前的波态密切

9、相关。不同波态，波浪力计算方法不同。直立墙前的波浪形态立波： 当行进波的波峰线与直立堤的轴线大致平行，堤前有足够的水深,且波陡比较小时，波浪将在堤面上反射，反射波与入射波相叠而形成立波。有完全立波和部分立波.破碎立波： 如果入射波陡过大，则立波不能维持，波峰水体上溅而破碎，形成破碎立波。破碎波：远破波、近破波远破波(低基床或暗基床) 堤前水深不足，堤身反射造成堤前波能密度过大，而形成的在波腹点破碎的远破波。近破波(中高基床) 中、高基床时,水深不足,波浪在基床上变形破碎，而形成的破波点离堤很近的破碎波。注：1 低基床或暗基床时，当d1/10时，也可能出现近破波。2 建筑物位于天然海滩的破波线近

10、岸侧，堤身直接承受破碎波浪的打击。1）庄井七郎公式a 浅水区公式：微幅波理论静水面以下，最大波浪压力分布为静水面以上，最大波浪压力呈三角形分布即，z=H处p=0，z=0处p=rHb 非常浅水区公式静水面以上1.3H范围内 三角形分布静水面以下 呈 指数分布（二）直立堤上的波浪力3）Sainflou立波波浪力Sainflou基于非线性浅水立波理论推导了立波作用力波峰时：波谷时：范，对不同波陡和水深条件下的波浪压力计算，作了补充规定 我国海港水文规范波峰作用力： a.87海港水文规范 a.1 当 时，采用Sainflou公式 ； a.2 当 时，采用庄井七郎浅水区公式； a.3 当 时，水深d改用

11、 ，使用庄井七郎浅水区公式； a.4 当 时，规范中并未规定，可以采用庄井非常浅水公式进行估算，但应做物模实验。 a.5 当 时，规范规定，按Sainflou公式计算的波压力要乘以Miche-Bissel系数。b.98海港水文规范 b.1 采用二阶椭圆余弦波理论； b.2 采用Sainflou公式； b.3 采用无因此周期内插法； b.4 其它情况与87同。波谷作用力：a.1,87海港水文规范 采用Sainflou公式。a.2,98海港水文规范 时，采用二阶椭圆余弦波理论；在 时，采用无因此周期内插法。2. 远破波作用力2.1 影响远破波的因素： a. 波浪要素：H，L， 描述了推进波所携带的

12、能量；波坦越长，波压力越大； b. 海底坡度： 反映了波能量的集中度和破碎能量的损耗度，坡度越大，能量集中越迅速，波腹点离堤越近，波压力越大； c. 相对水深d/H，反映了波浪能量沿水深分布的均匀度，相对水深越大，能量分布越不均匀，破碎就越接近表面，水底波压强也就相对较小。2.2 远破波公式：3. 近破波作用力 近破波发生于中、高基床，基床尺度及糙渗对波浪破碎有较大影响，其影响因素归结为：基床相对水深 ，基肩相对宽度 ，基床边坡m；基床糙渗性；波浪尺度 ；堤顶高程。 无量纲的波浪力 可表述如下： 在工程实用条件下，上式可以简化为： 近破波的最大波压强随相对水深 减小，先达到一极大值，之后再减小

13、，这与合田良实公式一致。4.当直立堤处于破波带内 3.1， i=1/501/140时，取波高H=0.78d 按远破波公式计算波浪力； 3.2， i大于1/50时，可能产生较大的波浪力，宜通过模型试验确定波浪力。作为初步估算，可以采用远破波公式，波高取为相应该底坡的极限波高。 5. 合田良实公式79日本港湾设计标准： 原设计标准，对立波采用Sainflou公式，对破碎波，采用广井公式，其中存在两个问题：1.两个公式在破碎临界处差别很大；2.计算波高取有效波高，标准偏低。 合田良实，提出了统一的波浪力计算公式，该公式可计算斜向波、破碎波以及立波。 5-3-375-3-39 不足：1.墙底浮托力与波

14、压力不相等，这与流体力学同一点各向压强不相符相悖；2.静水面以上压强作用高度取为1.5H，而不区分波态值得研究；3.波压强分布取为直线分布，对水深较大时的误差将加大。6 斜向波的作用力 5.1 合田良实公式可以用来计算斜向波的作用力。 5.2 斜向波作用时波高的折减系数7 削角直立堤 先按完全直立堤绘制波压力分布图，然后假定削角部分的波浪力与完全直立部分的波浪力相同。8 开孔沉箱直立堤 波浪力与开孔形式，开孔率、消能室宽度有关系。（三）波浪对直立堤前砂底的冲刷 立波作用下的泥沙运动形式：推移质和悬移质。 取决于泥沙的粒径和波浪要素的大小 当组成砂底的颗粒较细时，泥沙运动状态以悬移质为主。在节点

15、处发生冲刷，而在腹点附近发生堆积 当组成砂底的颗粒较粗时，泥沙运动以推移质为主。砂底在节点与腹点的中部发生冲刷，而在节点处发生堆积。 相对细颗粒泥沙的冲刷平衡剖面：用余摆线描述； 相对粗颗粒泥沙的冲刷平衡剖面：用多项式描述。(三) 直立式防波堤堤前砂底的冲刷立波作用下直立堤前的泥沙运动形式：推移质：泥沙沿床面滑动、滚动或越移，其速度小于流速悬移质：泥砂悬浮于水中，其速度等于水流速度。 运动形式取决于泥沙的粒径和波浪要素的大小,以(umax-uc)/W来区分，当(umax-uc)/w16.5时，为相对细颗粒泥砂 当组成砂底的颗粒较细时，泥沙运动状态以悬移质为主。在节点处发生冲刷，而在腹点附近发生

16、堆积 当组成砂底的颗粒较粗时，泥沙运动以推移质为主。砂底在节点与腹点的中部发生冲刷，而在节点处发生堆积。冲 淤 机 理 分 析立波传质速度分布波节波节波腹SWL两 类 冲 淤 形 态波腹波节波腹波节波腹UminUmaxUminUmaxUmin二、直立堤的断面尺寸及构造1. 直立堤的断面尺度1.1 上部结构： a.现浇整体式或装配整体式； b.型式：削角面、直立面、弧面； c. 顶高程：允许越浪（0.60.7）H 传递波高 （0.1-0.2）H 不允许越浪（1.01.25）H d. 底高程：高出施工水位0.3m； e. 底宽：根据抗滑和抗倾稳定性计算确定。1.2 堤身： a. 堤顶宽度取（1.5

17、2.0）H； b. 堤宽和堤高比（0.81.0） c. 满足沿堤底面的抗滑稳定性和抗倾稳定性。1.3 基床： a. 堤前水深d1应大于（1.52.0）倍的波浪破碎波高； b. 可采用明基床、暗基床和混合基床； c. 外肩与内肩宽度可分别取计算宽度的0.6和0.4倍； e. 明基床坡度：外侧1:1.21:3；内侧 1:1.51:2； f. 暗基床，宽度不宜小于直立堤墙身宽度加两倍基床厚度； g. 抛石基床厚度：粘土地基：不小于1.5m；沙土：不小于1m；岩石地基：不小于0.5m。同时满足基床底地基承载力要求。2. 直立堤的设计计算2.1 重力式直立堤按承载能力极限状态进行设计。2.2 应考虑三种

18、设计状况及相应组合 a 持久状况：应考虑的组合如下 a.1 设计高水位时 a.2 设计低水位时 a.3 极端高水位时 a.4 极端低水位时 b. 短暂状况：用来进行施工期复核，应考虑的组合如下： 水位采用设计高水位和设计低水位，波浪重现期510年。 c. 偶然状况：对地基承载力和稳定性计算，考虑地震作用的偶然组合。水位采用设计低水位，不考虑地震和波浪同时作用的组合。 注： 直立堤稳定性计算，不考虑内侧与外侧波浪相组合的情况，将内侧视为静水面。堤头处：堤前设计波高，堤内为静水位。直立堤堤头附近的波态2.3 对重力式直立堤的设计计算的项目： a. 重力式直立堤堤身和上部结构的稳定性计算 抗倾稳定性

19、和抗滑稳定性 b. 基床承载力验算； c. 整体稳定性验算； e. 地基沉降计算 f . 明基床护肩块石和堤前护底块石的稳定重量计算。 对于方块式直立堤，尚需进行沿水平缝的抗滑和抗倾稳定计算；沿齿缝的抗倾稳定计算。 对于沉箱式直立堤，需对沉箱结构进行设计计算。 2.4 关于设计计算的几点说明 a 抗滑稳定性和抗倾稳定性 a.1 上部结构受力分析 a.2 水平缝和齿缝的受力分析 a.3 沿基床底面的受力分析 b 整体稳定性 b.1 对于非岩石地基，必须有足够的抵抗连同土壤一起的抗滑稳定性； b.2 采用圆弧滑动法； b.3 当地基中含有软弱夹层时： 复式滑动面方法； b.4 关于滑动圆弧； b.

20、5 堤前出现冲刷坑：应考虑冲刷坑的不利影响 c 地基沉降 c.1 主要是控制施工时期的预留沉降量； c.2 可不考虑波浪侧压力引起的沉降量； c.3 一般只计算设计低水位； c.4 基床本身的压缩沉降量不计； c.5 采用分层总和法； c.6 沉降量的容许值：沉箱结构：35cm；方块结构：30cmd 明基床基肩和坡面块石稳定重量计算 d.1 我国规范：适用于抛填块石和四角空心方块； 安放块石，取抛填块石的0.6倍； 坡度1:1时，取图中值的1.33倍 波高采用5%累计率波高 d.2 日本运输省港湾技术研究所e 直立堤前基床护底块石稳定重量 e.1 立波时， e.2 远破波时 e.3 近破波时

21、e.4 波高采用5%累积率波高 e.5 护底块石重量与最大波浪底流速有关。3. 直立堤的构造要求 a 上部结构：a.1 ；a.2； a.3； a.4 b 护底 b.1 ；b.2； b.3 c 基床 c.1 ；c.2 d 堤身 d.1 ；d.2； d.3； d.4 ；d.5 ；d.6； d.7； d.8 e 堤头： e.1 ；e.2； e.3； e.4 第四节 混成式防波堤一、混成式防波堤的结构型式 混成式防波堤:直立墙前有斜坡掩护棱体的型式。 烟台港东防波堤，南非的堪斯贝埃渔港。由于原设计直立堤年久损坏或直立堤堤身断面不能满足波浪外力作用，而采用在直立堤前抛筑斜坡掩护棱体的一种补强措施。 日本的留萌港西防波堤。设计波浪要素较大时，为减小直立堤上的波浪作用力，也可采用混成堤型式。二、混