重庆高校港口水工建筑物斜坡式防波堤讲义

第九章斜斜坡式防防波堤斜坡式防波波堤的结构构形式波浪与斜波波堤的相互互作用斜坡堤的断断面设计斜坡式防波波堤的计算算Ⅰ、斜坡式防防波堤的结结构形式一、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砌石护面防防波堤：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、斜坡式防波波堤的特点点与要求1、抛石防波波堤⑴不分级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；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缺点点：石料的的来源源和数数量不不易保保证。。③抛石石堤适适用条条件：：水深浅浅、基基软、、石料料丰富富、波波浪小小。对不分分级堤堤：设设计波波高小小于2～2.5m对分级级堤：：设计计波高高小于于3～4m2、砼块块体堆堆筑或或护面面的斜斜波堤堤⑴抛填砼砼方块块斜波波堤①优点点：重量大大（最最大可可达60～80t）稳定性性好，，抗波波能力力大。。②缺点点：需要大大型起起重设设备，，水泥泥用量量大、、费用用高。。③适用用范围围：波浪较较大、、缺乏乏石料料，但但有大大型起起重船船的情情况。。⑵砼块体体护面面堤块体重重量轻轻、效效果好好，一一般使使用于于波高高小于于3m的情况况。①栅栏栏板块块体长边与与短边边之比比：a/b=1.25；平面尺尺度与与设计计波高高的关关系：：a=1.25H；b=1.0H。a---沿斜坡坡方向向b———短边，，沿堤堤轴线线方向向；H-----设计波波高。。空隙率率：P′=33％～39％当斜坡坡坡度度：i=1：15～1：1.25时，栅栅栏板板的厚厚度h：缺点：：①支支撑棱棱体承承载力力要求求较高高②对对斜坡坡平整整度要要求高高。⑵异形形方块块特点：：①形状状因素素比较较好，，即具具有高高度的的不规规则性性，有利于于块体体之间间相互互结合合，增增大块块体的的稳定定性；；②空空隙率率大，表表面粗粗糙，，有利利于波波浪在在斜坡坡上破破碎，，波能能消散散。目目前常用用的异异形方方块有有：四足锥锥体、、四足足空心心方块块、扭扭工字字、铁铁砧体体、三三柱体体、六脚锥锥体。。缺点：：块体形形状复复杂、、制作作麻烦烦、施施工（（起吊吊）和和使用中因因肢体体连接接部位位较弱弱易断断裂，，从而而失去去块体体的防防护作作用，给给防波波堤带带来险险情。。护面块块体适适用于于：水水深大大、波波浪大大、地地质条条件软软的情情况。㈠、波波浪进进入斜斜坡范范围的的运动动特征征1、波浪浪进入入斜坡坡范围围后，，底部部受斜斜坡阻阻挠，，使其其前坡坡变陡，后后坡变变坦；；2、到db位置时时，波波峰失失去平平衡，，产生生破碎碎；3、破碎碎后波波浪产产生强强大的的射流流，冲冲击坡坡面，，上下下漫开开；4、部分分水体体爬到到一定定高度度，由由于动动能转转化为为势能能，在在重力作用用下，，沿斜斜坡面面流，，冲刷刷坡面面。Ⅱ、波浪浪与斜斜波堤堤的相相互作作用㈡、波波浪与与斜坡坡的相相互作作用1、斜坡坡倾斜斜时对对波浪浪运动动形态态的影影响（即波波浪的的破碎碎、反反射））⑴破碎影影响（i=1：m）试验证证明：：m≥5，完全破破碎，，不放放射1<m<5，大部分分破碎碎，很很少放放射（（α<45°°）m≤1，大部分分放射射，很很少破破碎（（α≥45°°）设计时时，当当墙面面平整整，且且不透透水时时：α≥45°°，按直立立堤计计算α<45°°，按斜坡坡堤计计算波浪在在斜坡坡上的的临界界水深深dd，可按下下式计计算：：⑵反射射影响响斜坡式式建筑筑物前前通过过反射射迭加加以后后的波波高和和反射射波高高：H’=H+HRHR=k△HR′式中：：H′———斜坡式式建筑筑物前前通过过反射射以后后的波波高；；HR——反射波波高；；k△——与斜坡坡面结结构型型式有有关的的糙渗渗系数数；HR′———k△=1时的反反射波波高，，它与与斜坡坡的m值和波波陡H/L有关。。2、波浪浪破碎碎后产产生冲冲击坡坡面，，且部部分水水体上上爬，，回流流，冲冲刷坡面面。⑴射流流作用用：包括括冲击击位置置，最最大冲冲击速速度，，最大大冲击压力力分布布（动动水压压力））①冲击位位置：按平平抛运运动计计算。。坡面上上有：：则得：：式中：：——按浅水水波计计算理理论计计算db——为破碎碎水深深，ac——破碎时时的静静水面面上的的波峰峰高度度。②最大大冲击击速度度式中：Kv——影响系数数（速度度校正系系数），，是考虑虑射流冲冲击坡面时时上、下下漫开造造成流速速减少的的影响。。③最大冲击击压力分分布B点的法向向速度：：射流方向向与水平平方向的的夹角：：动水压力力：对光滑平平整的坡坡面，破破碎波浪浪的水流流冲击斜斜面的动动水压力分分布如下下：式中：各点的总总水压力力：⑵波浪爬爬高斜坡为单单坡时：：①规则波：：R=k△R1H②在风直接接作用下下，不规则波波的爬高，，R1%=k△kwRu1H1%坡上设有有平台（（复坡））：平台顶面面标高在在静水面面上下半半个波高高范围内内，平台台宽度为0.5～2倍波高时时，波浪浪爬高可可减少10%～15%。⑶波高回回流冲刷刷深度及及范围冲刷深度度：作用范围围在爬高高R—d之间，也也就是坡坡面的保保护范围围。注意：以以上关于于波浪对对斜坡堤堤作用的的计算方方法，适适用于以下条件件：①波浪正正面作用用，对斜斜面坡：：波峰线线与建筑筑物轴线线之间的夹角小小于45，可视为为正向，，大于45，波浪作作用减弱弱，应折折减（由试试验确定定）②1：m，1<m<5（波浪大部部分破碎碎，很少少反射））③建筑物物前的水水深，d=（1.5——5.0）H④堤前海底底坡度I≤1/50Ⅲ、斜坡坡堤的断断面设计计设计内容容：断面尺寸寸及构造造稳定性计计算（断断面稳定定性、块块石稳定定性、胸胸墙稳定定性、地基基稳定性性等）㈠、断面面尺寸1、堤顶高高程的确确定取决于港港内水面面平稳程程度的要要求根据据我国经经验并参参考国外有关关资料，，可概括括成下表表：2、堤顶宽宽度⑴确定原原则：除必须保保证在波波浪作用用下，堤堤顶块体体的稳定定性，还还应保证除应满满足施工工，使用用要求外外。⑵基本要要求①人工块块体护面面：1.1～1.25H，但不小于于2m，且在构造上至少少能安放放两排或或随机安安放3块人工块块体。②砌石护护面堤：：1.1～1.25H③抛填砼方方块：由于堤底底的透浪浪程度较较大，堤堤的宽度度不宜太宽宽，否则则将影响响港内的的水面的的稳定，，在设计计高水位位处宽大于于3H。3、支承棱棱体和肩肩台宽度度⑴支承棱棱体因波浪作作用主要要集中在在设计水水位上、、下各1倍设计波波高范围围内，所所以在港港外侧设设置水下下支撑棱棱体的顶顶面高程程应低于于设计低低水位以以下1倍设计波波高处。。棱体顶顶面宽度度不小于于2m，厚度不不宜小于于1m。⑵设戗台台的堤干砌块石石或浆砌砌块石护护面的防防波堤通通常设有有戗台。。为保证证护面的的施工条条件，戗戗台的高高程宜设设在施工工水位附附近，宽宽度不宜宜小于2m。⑶宽肩台台堆石堤堤为了有效效的减少少波浪爬爬高，更更好的消消能，肩肩台高程程可定在在设计高高水位以以上1～3m，宽度取2.3～2.9H，且不小于于6.0m。4、胸墙墙的构造造⑴胸墙型型式：一般有L型和反L型；⑵材料：：可为浆砌砌块石，，砼或钢钢筋砼结结构；⑶胸墙高高度：一般在堤堤顶面以以上2m左右，胸胸墙底面面一般嵌嵌入堤顶顶以下约约1m；⑷胸墙前基基本要求：一般有块块石或人工工块体做掩掩护；⑸胸墙稳定定性：由于胸墙墙本身承受受破碎波波波压力的作作用，因此此，胸墙本本身的断面面尺寸需通通过稳定性性验算来确确定。5、斜坡坡坡度设计⑴影响因素素：取决于波浪浪要素、护护面结构的的类型和块块体重量等等因素。⑵确定原则则：外侧＜内侧侧（外缓内内陡）上部＜下部部（上缓下下陡）抛石护面＜＜安砌块石石＜人工块块体护面堤头＜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1：1.5～1：1.25㈡、斜坡式式防波堤的的构造（略略）1、堤心2、护面块体体3、外坡护面面块体下的的垫层4、堤底垫层层及堤前护护底块石5、其他部位位一、计算内内容和计算算状态1、计算内容容⑴护面块体体的稳定重重量和护面面层厚度⑵栅栏板的的强度⑶堤前护底底块石的稳稳定重量⑷胸墙的强强度和抗滑滑、抗倾稳稳定性⑸地基的整整体稳定性性⑹地基沉降降（确定坡坡顶欲角高高度）Ⅳ、斜坡式防防波堤的计计算2、计算状状态在进行斜坡坡堤承载能能力极限状状态设计时时，应以设设计波高和相应的波波长确定的的波浪力作作为标准值值，并应考考虑三种设设计状况与相应应的组合。。⑴持久状况况：应考虑以以下的持久久组合①设计高水水位：波高应采采用相应的的设计波高高；②设计低水水位：A、当有推算算的外海设设计波浪时时，应取设设计低水位位进行波浪浅水变变形分析，，求出堤前前的设计波波高；B、当只有防防波堤建筑筑物附近不不分水位统统计的设计计波浪时，可取与与设计高水水位时相同同的设计波波高，但不不超过低水水位时的浅水极极限波高。。③极端高水位位：波高采用用相应的设设计波高；；极端低水水位时，可可不考虑波波浪的作用用。⑵短暂状况况：对未成型的的斜坡堤建建筑物进行行施工期复复核时，水水位可采用用设计高水水位和设计计低水位，，波高的重重现期可采采用2～5年。⑶偶然状况况：应考虑地地震作用的的偶然组合合，即进行行地震力作作用下斜坡坡堤的整体体稳定验算算，但不考考虑波浪对对堤体的作作用。此时时，水位采采用设计低低水位。二、护面块块体稳定性性计算1、护面块体体的稳定重重量计算从现有国内内外的研究究成果看，，块体失稳稳有三种型型式：滑动动、滚动、、上举脱出出。第二十一届届国际航运运会议上推推荐西班牙牙、挪威、、瑞典、前前苏联和美美国公五种种计算公式式。在相同同情况下，，各种公式式的计算结结果差异还还比较大。。我国的港港工防波堤堤规范推荐荐采用美国国Hudson公式。⑴西班牙的的伊里巴伦伦公式反压力：F∝γbHAA∝(wg/γb)2/3式中：A---块体的受力力（反压力力）面积（（m2）W---块体在空气气中的重量量（t）γb---块体在空气气中的重度度（kN/m3）H----设计波高g----重力加速度度（m/s2）则反压力：：由平衡条件件可得：μ为摩擦系数数，取μ＝1得：因：则：令：本公式缺点点：a.K′′----稳定系数是是常数，没没有考虑块块体肩的相相互嵌固制约作用（（结果偏大大）b.稳定重量偏偏安全，保保守，尤其其是当m<2时。⑵Hudson公式①计算公式式根据试验得得：KD---稳定系数，，不再是常常数，与护护面结构类类型和块体体稳定标准准有关，考考虑了块体体间得相互互嵌固，随随块体得种种类、构造造层数，随随机失稳而而异n%---即在设计水水位上、下下一倍设计计波高的范范围内，在在波浪打击击下移动和和滚动的块块体个数占占此范围内内块体总数数的百分比比。②适用条件件A、正向波作作用下（波波的峰线平平行于堤轴轴线）且堤堤前波浪不不破碎；B、用于计算算设计水位位上下一倍倍设计波高高范围内的的护面块体体的单个块块体的稳定定重量；不适用于波波浪周期较较长，波小小于1/30的坦波，此此时建议用用前苏联公公式进行复复核。③注意事项项A、对于斜向向波β<45°°可视为正向向波β>45°°波浪作用减减弱，此时时应对W折减，折减减程度通过过模型试验验确定。但但对抛石堤堤、砌石堤堤可用m’=cosα/cosβ代替m，按上式计算（（可不做试验验）。例外：对于人人工块体护面面的斜波堤，，特别是工字字型块体护面，波向向波的作用不不一定减弱，，因此不宜考考虑折减。B、斜波堤堤头头部分，波浪浪作用条件恶恶劣，块体重重量要增加20%—30%C、堤位置在波波浪破碎区（（d/H<1.5时）堤身和堤堤头的块体重量相应再再增加10%—25%④几个不同部位位的稳定重量量堤顶、外坡、、内坡、垫层层、水下支撑撑棱体，堤心心石等块体稳定重量与与Hudson公式W成比例。查规规范。三、砌石护面面层厚度的确确定砌石护面（干干砌、浆砌块块石或干砌条条石）由于块块石间相互挤挤紧，而形成成一个面。在在波浪对护面面层作用过程程中，在护面面层上、下出出现压力差。。在某一瞬间间可出现护面面层底面压力力差大于表面面压力，因此此产生一股向向上的推力。。此时单个块块石因被周围围块石挤紧，，一般不会脱脱出而由一片片护面层的重重力来平衡上上推力。因为为单位面积的的砌石护面重重力只与其厚厚度有关，所所以砌石护面面的稳定性由由护面层厚度度来控制。⑴干砌块石或或浆砌块石护护面厚度该公式适用于于m=1.5～3，d/H=1.5～4和L/H=10～25的情况。②干砌条石护护面该公式适用于于m=0.8～1.5，d/H=1.7～3.3和L/H=12～25的情况。四、人工块体体护面厚度t和所需块体数数量N的确定五、堤顶胸墙墙波压力的计计算及胸墙稳稳定性计算1、胸墙波压力力分析波浪在斜坡式式防波堤前破破碎，对胸墙墙的作用大致致分为三种情况：⑴波浪在胸墙前前或坡顶附近近破碎，冲击击点在墙上，，整个墙面受波浪冲冲击Pmax；⑵波浪在坡面上上部破碎，射射流作用在坡坡面上部，但但部分水体上爬作用用于墙面0—Pmax；⑶波浪在坡面低低处破碎，冲冲击点在坡面面下部，部分分水体上爬到坡顶墙墙脚下P=0。2、波压力大大小及与波浪浪破碎位置的的关系⑴波压力大小小通常只计波峰峰作用，其作作用在胸墙上上的平均波压压力强度KP---平均压强系数数。与ξ及坦波L/H有关。⑵波压力p随波浪破碎位位置而变化，，而破碎位置置与下列因素素有关：d1/d,d/H,H/L,用复合因素ξ来反映前三个个因素的影响响。试验表明情况C:情况A：情况B：3、胸墙上波压压力作用高度度计算式中：KZ---作用高度系数数，与L