港口水工建筑物之斜坡式防波堤讲义

港口与航道道工程之港口水工建建筑物中国海洋大大学工程程学院海海洋工程系系第十章斜斜坡式防防波堤主要内容斜坡式防波堤的结构型式12波浪与斜坡式防波堤的相互作用3斜坡式防波堤的断面设计4斜坡式防波堤的计算主要内容斜坡式防波堤的结构型式12波浪与斜坡式防波堤的相互作用3斜坡式防波堤的断面设计4斜坡式防波堤的计算一、斜坡式防波波堤的结构构形式按材料分，，大致可分分为：⑴抛石防波波堤：抗浪能力较较差多用于于波浪不大大且石料来来⑵砌石护面面防波堤：：源丰富的情情况。⑶人工块体体护面防波波堤：抗浪能力较较强，多用用于波浪较较大的情况况。二、斜坡式式防波堤的的特点与要要求1、抛石防波波堤⑴不分级堤堤利用开采出出来的大小小不等的石石快，不经经分选，随随意抛填。。断面形式式有梯形、、折成形。。①优点：堤身密实、、沉降均匀匀、施工简简单；斜坡式防波波堤的结构构型式斜坡式防波波堤的结构构型式②缺点：块石重量轻轻，容受波波浪冲击破破坏、后期期维修费用用高，因此此逐渐被分分级堤替代代。⑵分级堤按波浪对堤堤各部位作作用的不同同采用不同同重量的块块石，一般般将较小的的块石放在在堤心和堤堤的下部，，将大块石石放在堤面面和堤的顶顶层。①优点：石料利用合合理，定性性提高，便便于有计划划的采石料料②缺点：石料的来源源和数量不不易保证。。③抛石堤适适用条件：：水深浅、基基软、石料料丰富、波波浪小。对不分级堤堤：设计波波高小于2～2.5m对分级堤：：设计波高高小于3～4m斜坡式防波波堤的结构构型式斜坡式防波波堤的结构构型式2、砼块体堆堆筑或护面面的斜波堤堤⑴抛填砼方块块斜波堤①优点：重量大（最最大可达60～80t）稳定性好好，抗波能能力大。②缺点：需要大型起起重设备，，水泥用量量大、费用用高。③适用范围围：波浪较大、、缺乏石料料，但有大大型起重船船的情况。。斜坡式防波波堤的结构构型式斜坡式防波波堤的结构构型式⑵砼块体护面面堤块体重量轻轻、效果好好，一般使使用于波高高小于3m的情况。①栅栏板块块体长边与短边边之比：a/b=1.25；平面尺度与与设计波高高的关系：：a=1.25H；b=1.0H。a---沿斜坡方向向b——短边，沿堤堤轴线方向向；H-----设计波高。。空隙率：P′=33％～39％当斜坡坡度度：i=1：15～1：1.25时，栅栏板板的厚度h：缺点：①支支撑棱体承承载力要求求较高②对对斜坡平整整度要求高高。斜坡式防波波堤的结构构型式斜坡式防波波堤的结构构型式②异形方方块特点：①形形状状因因素素比比较较好好，，即即具具有有高高度度的的不不规规则则性性，，有利利于于块块体体之之间间相相互互结结合合，，增增大大块块体体的的稳稳定定性性；；②②空空隙隙率率大，，表表面面粗粗糙糙，，有有利利于于波波浪浪在在斜斜坡坡上上破破碎碎，，波波能能消消散散。。目目前常常用用的的异异形形方方块块有有：：四足足锥锥体体、、四四足足空空心心方方块块、、扭扭工工字字、、铁铁砧砧体体、、三三柱柱体体、、六脚脚锥锥体体。。缺点点：：块体体形形状状复复杂杂、、制制作作麻麻烦烦、、施施工工（（起起吊吊））和和使使用中中因因肢肢体体连连接接部部位位较较弱弱易易断断裂裂，，从从而而失失去去块块体体的的防防护护作作用，，给给防防波波堤堤带带来来险险情情。。护面面块块体体适适用用于于：：水水深深大大、、波波浪浪大大、、地地质质条条件件软软的的情情况。。斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式营口口港港鲅鲅鱼鱼圈圈港港区区长长793m北防防波波堤堤工工程程斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式珠海海电电厂厂5万吨吨码码头头防防波波堤堤斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式斜坡坡式式防防波波堤堤的的结结构构型型式式主要要内内容容斜坡式防波堤的结构型式12波浪与斜坡式防波堤的相互作用3斜坡式防波堤的断面设计4斜坡式防波堤的计算㈠、波波浪浪进进入入斜斜坡坡范范围围的的运运动动特特征征1、波波浪浪进进入入斜斜坡坡范范围围后后，，底底部部受受斜斜坡坡阻阻挠挠，，使使其其前前坡坡变变陡，，后后坡坡变变坦坦；；2、到到db位置置时时，，波波峰峰失失去去平平衡衡，，产产生生破破碎碎；；3、破破碎碎后后波波浪浪产产生生强强大大的的射射流流，，冲冲击击坡坡面面，，上上下下漫漫开开；；4、部部分分水水体体爬爬到到一一定定高高度度，，由由于于动动能能转转化化为为势势能能，，在在重重力作作用用下下，，沿沿斜斜坡坡面面流流，，冲冲刷刷坡坡面面。。波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用㈡、波波浪浪与与斜斜坡坡的的相相互互作作用用1、斜斜坡坡倾倾斜斜时时对对波波浪浪运运动动形形态态的的影影响响（（即即波波浪浪的的破破碎碎、、反反射射））⑴破破碎碎影影响响（（i=1:m）试验验证证明明：：m≥≥5，完完全全破破碎碎，，不不放放射射1<m<5，大大部部分分破破碎碎，，很很少少放放射射（（α<45°°）m≤≤1，大大部部分分放放射射，，很很少少破破碎碎（（α≥≥45°°）设计计时时，，当当墙墙面面平平整整，，且且不不透透水水时时：：α≥≥45°°，按按直直立立堤堤计计算算α<45°°，按按斜斜坡坡堤堤计计算算波浪浪在在斜斜坡坡上上的的临临界界水水深深dd，可可按按下下式式计计算算：：波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用⑵反射射影影响响斜坡坡式式建建筑筑物物前前通通过过反反射射迭迭加加以以后后的的波波高高和和反反射射波波高高：：H’’=H+HRHR=k△HR′式中中：：H′′————斜坡坡式式建建筑筑物物前前通通过过反反射射以以后后的的波波高高；；HR———反射射波波高高；；k△———与斜斜坡坡面面结结构构型型式式有有关关的的糙糙渗渗系系数数；；HR′————k△=1时的的反反射射波波高高，，它它与与斜斜坡坡的的m值和和波波陡陡H/L有关关。。波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用2、波波浪浪破破碎碎后后产产生生冲冲击击坡坡面面，，且且部部分分水水体体上上爬爬，，回回流流，，冲冲刷坡坡面面。。⑴射射流流作作用用：：包括括冲冲击击位位置置，，最最大大冲冲击击速速度度，，最最大大冲冲击压压力力分分布布（（动动水水压压力力））①冲冲击击位位置置：：按按平平抛抛运运动动计计算算。。坡面面上上有有：：波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用则得得：：式中中：：———按浅浅水水波波计计算算理理论论计计算算波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用db———为破破碎碎水水深深，，ac———破碎碎时时的的静静水水面面上上的的波波峰峰高高度度。。波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用②最最大大冲冲击击速速度度式中中：：Kv————影响响系系数数（（速速度度校校正正系系数数）），，是是考考虑虑射射流流冲冲击坡坡面面时时上上、、下下漫漫开开造造成成流流速速减减少少的的影影响响。。波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用③最大大冲冲击击压压力力分分布布B点的的法法向向速速度度：：射流流方方向向与与水水平平方方向向的的夹夹角角：：动水水压压力力：：对光光滑滑平平整整的的坡坡面面，，破破碎碎波波浪浪的的水水流流冲冲击击斜斜面面的的动动水压压力力分分布布如如下下：：波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用式中中：：各点点的的总总水水压压力力：：波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用⑵波浪浪爬爬高高斜坡坡为为单单坡坡时时：：①规规则则波波：：R=k△R1H②在风风直直接接作作用用下下，，不不规规则则波波的的爬爬高高，，R1%=k△kwRu1H1%坡上上设设有有平平台台（（复复坡坡））：：平台台顶顶面面标标高高在在静静水水面面上上下下半半个个波波高高范范围围内内，，平平台台宽度度为为0.5～2倍波波高高时时，，波波浪浪爬爬高高可可减减少少10%～15%。波浪浪与与斜斜坡坡式式防防波波堤堤的的相相互互作作用用⑶波高高回回流流冲冲刷刷深深度度及及范范围围冲刷刷深深度度：：作用用范范围围在在爬爬高高R——d之间间，，也也就就是是坡坡面面的的保保护护范范围围。。注意意：：以以上上关关于于波波浪浪对对斜斜坡坡堤堤作作用用的的计计算算方方法法，，适适用用于于以下下条条件件：：①波波浪浪正正面面作作用用，，对对斜斜面面坡坡：：波波峰峰线线与与建建筑筑物物轴轴线线之之间间的夹夹角角小小于于45，可可视视为为正正向向，，大大于于45，波浪浪作用用减弱弱，应应折减（由由试验验确定定）②1：m，1<m<5（波浪浪大部部分破破碎，，很少少反射射）③建筑筑物前前的水水深，，d=（1.5—5.0）H④堤前海海底坡坡度I≤1/50波浪与与斜坡坡式防防波堤堤的相相互作作用主要内内容斜坡式防波堤的结构型式12波浪与斜坡式防波堤的相互作用3斜坡式防波堤的断面设计4斜坡式防波堤的计算设计内内容：：断面尺尺寸及及构造造稳定性性计算算（断断面稳稳定性性、块块石稳稳定性性、胸胸墙稳稳定性、地地基稳稳定性性等））㈠、断断面尺尺寸1、堤顶顶高程程的确确定取决于于港内内水面面平稳稳程度度的要要求根根据我我国经经验并并参考考国外有有关资资料，，可概概括成成下表表：斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计2、堤顶顶宽度度⑴确定定原则则：除必须须保证证在波波浪作作用下下，堤堤顶块块体的的稳定定性，，还应应保证除应应满足足施工工，使使用要要求外外。⑵基本本要求求①人工工块体体护面面：1.1～1.25H，但不不小于于2m，且在在构造上至至少能能安放放两排排或随随机安安放3块人工工块体体。②砌石石护面面堤：：1.1～1.25H③抛填砼砼方块块：由由于堤堤底的的透浪浪程度度较大大，堤堤的宽宽度不宜太太宽，，否则则将影影响港港内的的水面面的稳稳定，，在设设计高高水位位处宽大大于3H。斜坡式式防波波堤的的断面面设计计3、支承承棱体体和肩肩台宽宽度⑴支承承棱体体因波浪浪作用用主要要集中中在设设计水水位上上、下下各1倍设计计波高高范围围内，，所以以在港港外侧侧设置置水下下支撑撑棱体体的顶顶面高高程应应低于于设计计低水水位以以下1倍设计计波高高处。。棱体体顶面面宽度度不小小于2m，厚度度不宜宜小于于1m。⑵设戗戗台的的堤干砌块块石或或浆砌砌块石石护面面的防防波堤堤通常常设有有戗台台。为为保证证护面面的施施工条条件，，戗台台的高高程宜宜设在在施工工水位位附近近，宽宽度不不宜小小于2m。⑶宽肩肩台堆堆石堤堤为了有有效的的减少少波浪浪爬高高，更更好的的消能能，肩肩台高高程可可定在在设计计高水水位以以上1～3m，宽度度取2.3～2.9H，且不不小于于6.0m。斜坡式式防波波堤的的断面面设计计4、胸胸墙的的构造造⑴胸墙墙型式式：一一般有有L型和反反L型；⑵材料料：可可为浆浆砌块块石，，砼或或钢筋筋砼结结构；；⑶胸墙墙高度度：一一般在在堤顶顶面以以上2m左右，，胸墙墙底面面一般般嵌入入堤顶顶以下下约1m；⑷胸墙墙前基基本要要求：：一般般有块块石或或人工工块体体做掩掩护；；⑸胸墙墙稳定定性：：由于于胸墙墙本身身承受受破碎碎波波波压力力的作作用，，因此此，胸胸墙本本身的的断面面尺寸寸需通通过稳稳定性性验算算来确确定。。斜坡式式防波波堤的的断面面设计计5、斜斜坡坡坡度设设计⑴影响响因素素：取决于于波浪浪要素素、护护面结结构的的类型型和块块体重重量等等因素素。⑵确定定原则则：外侧＜＜内侧侧（外外缓内内陡））上部＜＜下部部（上上缓下下陡））抛石护护面＜＜安砌砌块石石＜人人工块块体护护面堤头＜＜堤身身护面类型坡度抛填或安放块石1：1.5～1：3干砌或浆砌块石1：1.5～1：2干砌条石1：0.8～1：2安放人工块石1：1.5～1：2抛填混凝土方块1：1.5～1：1.25斜坡式式防波波堤的的断面面设计计㈡、斜坡坡式防防波堤堤的构构造（（略））1、堤心心2、护面面块体体3、外坡坡护面面块体体下的的垫层层4、堤底底垫层层及堤堤前护护底块块石5、其他他部位位斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计斜坡式式防波波堤的的断面面设计计主要内内容斜坡式防波堤的结构型式12波浪与斜坡式防波堤的相互作用3斜坡式防波堤的断面设计4斜坡式防波堤的计算一、计计算内内容和和计算算状态态1、计算算内容容⑴护面面块体体的稳稳定重重量和和护面面层厚厚度⑵栅栏栏板的的强度度⑶堤前前护底底块石石的稳稳定重重量⑷胸墙墙的强强度和和抗滑滑、抗抗倾稳稳定性性⑸地基基的整整体稳稳定性性⑹地基基沉降降（确确定坡坡顶欲欲角高高度））斜坡式式防波波堤的的计算算2、计算算状态态在进行行斜坡坡堤承承载能能力极极限状状态设设计时时，应应以设设计波波高和相应应的波波长确确定的的波浪浪力作作为标标准值值，并并应考考虑三三种设设计状况与与相应应的组组合。。⑴持久久状况况：应应考虑虑以下下的持持久组组合①设计计高水水位：：波高高应采采用相相应的的设计计波高高；②设计计低水水位：：A、当有有推算算的外外海设设计波波浪时时，应应取设设计低低水位位进行行波浪浅浅水变变形分分析，，求出出堤前前的设设计波波高；；B、当只只有防防波堤堤建筑筑物附附近不不分水水位统统计的的设计计波浪浪时，可可取与与设计计高水水位时时相同同的设设计波波高，，但不不超过过低水水位时的浅浅水极极限波波高。。斜坡式式防波波堤的的计算算③极端高高水位位：波波高采采用相相应的的设计计波高高；极极端低低水位位时，，可不不考虑虑波浪浪的作作用。。⑵短暂暂状况况：对未成成型的的斜坡坡堤建建筑物物进行行施工工期复复核时时，水水位可可采用用设计计高水水位和和设计计低水水位，，波高高的重重现期期可采采用2～5年。⑶偶然然状况况：应考虑虑地震震作用用的偶偶然组组合，，即进进行地地震力力作用用下斜斜坡堤堤的整整体稳稳定验验算，，但不不考虑虑波浪浪对堤堤体的的作用用。此此时，，水位位采用用设计计低水水位。。二、护护面块块体稳稳定性性计算算1、护面面块体体的稳稳定重重量计计算从现有有国内内外的的研究究成果果看，，块体体失稳稳有三三种型型式：：滑动动、滚滚动、、上举举脱出出。第二十十一届届国际际航运运会议议上推推荐西西班牙牙、挪挪威、、瑞典典、前前苏联联和美美国公公五种种计算算公式式。在在相同同情况况下，，各种种公式式的计计算结结果差差异还还比较较大。。我国国的港港工防防波堤堤规范范推荐荐采用用美国国Hudson公式。。斜坡式式防波波堤的的计算算⑴西班班牙的的伊里里巴伦伦公式式反压力力：F∝γγbHAA∝(wg/γγb)2/3式中：：A---块体的的受力力（反反压力力）面面积（（m2）W---块体在在空气气中的的重量量（t）γb---块体在在空气气中的的重度度（kN/m3）H----设计波波高g----重力加加速度度（m/s2）则反压压力：：斜坡式式防波波堤的的计算算由平衡衡条件件可得得：μ为摩擦擦系数数，取取μ＝1得：因：则：斜坡式式防波波堤的的计算算令：：本公式式缺点点：a.K′′----稳定系系数是是常数数，没没有考考虑块块体肩肩的相相互嵌嵌固制约作作用（（结果果偏大大）b.稳定重重量偏偏安全全，保保守，，尤其其是当当m<2时。斜坡式式防波波堤的的计算算⑵Hudson公式①计算算公式式根据试试验得得：KD---稳定系系数，，不再再是常常数，，与护护面结结构类类型和和块体体稳定定标准准有关关，考考虑了了块体体间得得相互互嵌固固，随随块体体得种种类、、构造造层数数，随随机失失稳而而异n%---即在设设计水水位上上、下下一倍倍设计计波高高的范范围内内，在在波浪浪打击击下移移动和和滚动动的块块体个个数占占此范范围内内块体体总数数的百百分比比。斜坡式式防波波堤的的计算算②适用条条件A、正向向波作作用下下（波波的峰峰线平平行于于堤轴轴线））且堤堤前波波浪不不破碎碎；B、用于于计算算设计计水位位上下下一倍倍设计计波高高范围围内的的护面面块体体的单单个块块体的的稳定定重量量；不适用用于波波浪周周期较较长，，波小小于1/30的坦波波，此此时建建议用用前苏苏联公公式进进行复复核。。③注意意事项项A、对于于斜向向波β<45°°可视为为正向向波β>45°°波浪作作用减减弱，，此时时应对对W折减，，折减减程度度通过过模型型试验验确定定。但但对抛抛石堤堤、砌砌石堤堤可用用m’=cosαα/cosβ代替m，按上上式计计算（（可不不做试试验））。斜坡式式防波波堤的的计算算例外：：对于于人工工块体体护面面的斜斜波堤堤，特特别是是工字字型块块体护面面，波波向波波的作作用不不一定定减弱弱，因因此不不宜考考虑折折减。。B、斜波波堤堤堤头部部分，，波浪浪作用用条件件恶劣劣，块块体重重量要要增加20%—30%C、堤位位置在在波浪浪破碎碎区（（d/H<1.5时）堤堤身和和堤头头的块块体重量量相应应再增增加10%—25%④几个不不同部部位的的稳定定重量量堤顶、、外坡坡、内内坡、、垫层层、水水下支支撑棱棱体，，堤心心石等等块体稳定定重量量与Hudson公式W成比例例。查查规范范。斜坡式式防波波堤的的计算算三、砌砌石护护面层层厚度度的确确定砌石护护面（（干砌砌、浆浆砌块块石或或干砌砌条石石）由由于块块石间间相互互挤紧紧，而而形成成一个个面。。在波波浪对对护面面层作作用过过程中中，在在护面面层上上、下下出现现压力力差。。在某某一瞬瞬间可可出现现护面面层底底面压压力差差大于于表面面压力力，因因此产产生一一股向向上的的推力力。此此时单单个块块石因因被周周围块块石挤挤紧，，一般般不会会脱出出而由由一片片护面面层的的重力力来平平衡上上推力力。因因为单单位面面积的的砌石石护面面重力力只与与其厚厚度有有关，，所以以砌石石护面面的稳稳定性性由护护面层层厚度度来控控制。。⑴干砌砌块石石或浆浆砌块块石护护面厚厚度该公式式适用用于m=1.5～3，d/H=1.5～4和L/H=10～25的情况况。斜坡式式防波波堤的的计算算②干砌条条石护护面该公式式适用用于m=0.8～1.5，d/H=1.7～3.3和L/H=12～25的情况况。四、人人工块块体护护面厚厚度t和所需需块体体数量量N的确定定斜坡式式防波波堤的的计算算五、堤堤顶胸胸墙波波压力力的计计算及及胸墙墙稳定定性计计算1、胸墙墙波压压力分分析波浪在在斜坡坡式防防波堤堤前破破碎，，对胸胸墙的的作用用大致致分为为三种情况况：⑴波浪浪在胸胸墙前前或坡坡顶附附近破破碎，，冲击击点在在墙上上，整整个墙面受受波浪浪冲击击Pmax；⑵波浪浪在坡坡面上上部破破碎，，射流流作用用在坡坡面上上部，，但部部分水体上上爬作作用于于墙面面0—Pmax；⑶波浪浪在坡坡面低低处破破碎，，冲击击点在在坡面面下部部，部部分水水体上爬到到坡顶顶墙脚脚下P=0。斜坡式式防波波堤的的计算算2、波波压力力大小小及与与波浪浪破碎碎位置置的关关系⑴波压压力大大小通常只只计波波峰作作用，，其作作用在在胸墙墙上的的平均均波压压力强强度KP---平均压压强系系数。。与ξ及坦波波L/H有关。。⑵波压压力p随波浪浪破碎碎位置置而变变化，，而破破碎位位置与与下列列因素素有关关：d1/d,d/H,H/L,用复合因因素ξ来反映前前三个因因素的影影响。斜坡式防防波堤的的计算试验表明明情况C:情况A：情况