重交大港口水工建筑物课件09斜坡式防波堤

第九章斜坡式防波堤斜坡式防波堤的结构形式波浪与斜波堤的相互作用斜坡堤的断面设计斜坡式防波堤的计算防波堤断面试验广东惠州泽华油码头护岸珠海电厂5万吨码头防波堤Ⅰ、斜坡式防波堤的结构形式一、斜坡式防波堤的结构形式按材料分，大致可分为：⑴抛石防波堤：抗浪能力较差多用于波浪不大且石料来⑵砌石护面防波堤：源丰富的情况。⑶人工块体护面防波堤：抗浪能力较强，多用于波浪较大的情况。二、斜坡式防波堤的特点与要求

1、抛石防波堤⑴不分级堤利用开采出来的大小不等的石快，不经分选，随意抛填。断面形式有梯形、折成形。

①优点：堤身密实、沉降均匀、施工简单；②缺点：块石重量轻，容受波浪冲击破坏、后期维修费用高，因此逐渐被分级堤替代。⑵分级堤按波浪对堤各部位作用的不同采用不同重量的块石，一般将较小的块石放在堤心和堤的下部，将大块石放在堤面和堤的顶层。

①优点：石料利用合理，定性提高，便于有计划的采石料②缺点：石料的来源和数量不易保证。③抛石堤适用条件：水深浅、基软、石料丰富、波浪小。对不分级堤：设计波高小于2～2.5m

对分级堤：设计波高小于3～4m2、砼块体堆筑或护面的斜波堤

⑴抛填砼方块斜波堤

①优点：重量大（最大可达60～80t）稳定性好，抗波能力大。

②缺点：需要大型起重设备，水泥用量大、费用高。

③适用范围：波浪较大、缺乏石料，但有大型起重船的情况。⑵砼块体护面堤块体重量轻、效果好，一般使用于波高小于3m的情况。①栅栏板块体

长边与短边之比：a/b=1.25；

平面尺度与设计波高的关系：

a=1.25H；b=1.0H。

a---沿斜坡方向b——短边，沿堤轴线方向；H-----设计波高。空隙率：P′=33％～39％当斜坡坡度：i=1：15～1：1.25时，栅栏板的厚度h：缺点：①支撑棱体承载力要求较高②对斜坡平整度要求高。⑵异形方块

特点：①形状因素比较好，即具有高度的不规则性，有利于块体之间相互结合，增大块体的稳定性；②空隙率大，表面粗糙，有利于波浪在斜坡上破碎，波能消散。目前常用的异形方块有：四足锥体、四足空心方块、扭工字、铁砧体、三柱体、六脚锥体。缺点：块体形状复杂、制作麻烦、施工（起吊）和使用中因肢体连接部位较弱易断裂，从而失去块体的防护作用，给防波堤带来险情。护面块体适用于：水深大、波浪大、地质条件软的情况。营口港鲅鱼圈港区长793m北防波堤工程珠海电厂5万吨码头防波堤㈠、波浪进入斜坡范围的运动特征

1、波浪进入斜坡范围后，底部受斜坡阻挠，使其前坡变陡，后坡变坦；

2、到db位置时，波峰失去平衡，产生破碎；

3、破碎后波浪产生强大的射流，冲击坡面，上下漫开；

4、部分水体爬到一定高度，由于动能转化为势能，在重力作用下，沿斜坡面流，冲刷坡面。Ⅱ、波浪与斜波堤的相互作用

㈡、波浪与斜坡的相互作用

1、斜坡倾斜时对波浪运动形态的影响（即波浪的破碎、反射）

⑴破碎影响（i=1：m）试验证明：

m≥5，完全破碎，不放射

1<m<5，大部分破碎，很少放射（α<45°）

m≤1，大部分放射，很少破碎（α≥45°）设计时，当墙面平整，且不透水时：

α≥45°，按直立堤计算

α<45°，按斜坡堤计算波浪在斜坡上的临界水深dd，可按下式计算：⑵反射影响斜坡式建筑物前通过反射迭加以后的波高和反射波高：

H’=H+HR

HR=k△HR′

式中：

H′——斜坡式建筑物前通过反射以后的波高；

HR

——反射波高；

k△

——与斜坡面结构型式有关的糙渗系数；

HR′——k△=1时的反射波高，它与斜坡的m值和波陡H/L有关。2、波浪破碎后产生冲击坡面，且部分水体上爬，回流，冲刷坡面。

⑴射流作用：包括冲击位置，最大冲击速度，最大冲击压力分布（动水压力）

①冲击位置：按平抛运动计算。

坡面上有：则得：式中：——按浅水波计算理论计算

db——为破碎水深，

ac——破碎时的静水面上的波峰高度。②最大冲击速度

式中：

Kv——影响系数（速度校正系数），是考虑射流冲击坡面时上、下漫开造成流速减少的影响。③最大冲击压力分布

B点的法向速度：射流方向与水平方向的夹角：动水压力：

对光滑平整的坡面，破碎波浪的水流冲击斜面的动水压力分布如下：

式中：

各点的总水压力：

⑵波浪爬高斜坡为单坡时：①规则波：R=k△R1H

②在风直接作用下，不规则波的爬高，

R1%=k△kwRu1H1%

坡上设有平台（复坡）：平台顶面标高在静水面上下半个波高范围内，平台宽度为0.5～2倍波高时，波浪爬高可减少10%～15%。⑶波高回流冲刷深度及范围

冲刷深度：作用范围在爬高R—d之间，也就是坡面的保护范围。注意：以上关于波浪对斜坡堤作用的计算方法，适用于以下条件：①波浪正面作用，对斜面坡：波峰线与建筑物轴线之间的夹角小于45，可视为正向，大于45，波浪作用减弱，应折减（由试验确定）②1：m，1<m<5（波浪大部分破碎，很少反射）③建筑物前的水深，d=（1.5—5.0）H④堤前海底坡度I≤1/50Ⅲ、斜坡堤的断面设计

设计内容：断面尺寸及构造稳定性计算（断面稳定性、块石稳定性、胸墙稳定性、地基稳定性等）㈠、断面尺寸

1、堤顶高程的确定取决于港内水面平稳程度的要求根据我国经验并参考国外有关资料，可概括成下表：

2、堤顶宽度

⑴确定原则：除必须保证在波浪作用下，堤顶块体的稳定性，还应保证除应满足施工，使用要求外。

⑵基本要求①人工块体护面：1.1～1.25H，但不小于2m，且在构造上至少能安放两排或随机安放3块人工块体。②砌石护面堤：1.1～1.25H③抛填砼方块：由于堤底的透浪程度较大，堤的宽度不宜太宽，否则将影响港内的水面的稳定，在设计高水位处宽大于3H。

3、支承棱体和肩台宽度

⑴支承棱体因波浪作用主要集中在设计水位上、下各1倍设计波高范围内，所以在港外侧设置水下支撑棱体的顶面高程应低于设计低水位以下1倍设计波高处。棱体顶面宽度不小于2m，厚度不宜小于1m。⑵设戗台的堤干砌块石或浆砌块石护面的防波堤通常设有戗台。为保证护面的施工条件，戗台的高程宜设在施工水位附近，宽度不宜小于2m。

⑶宽肩台堆石堤为了有效的减少波浪爬高，更好的消能，肩台高程可定在设计高水位以上1～3m，宽度取2.3～2.9H，且不小于6.0m。

4、胸墙的构造

⑴胸墙型式：一般有L型和反L型；

⑵材料：可为浆砌块石，砼或钢筋砼结构；⑶胸墙高度：一般在堤顶面以上2m左右，胸墙底面一般嵌入堤顶以下约1m；⑷胸墙前基本要求：一般有块石或人工块体做掩护；

⑸胸墙稳定性：由于胸墙本身承受破碎波波压力的作用，因此，胸墙本身的断面尺寸需通过稳定性验算来确定。

5、斜坡坡度设计

⑴影响因素：取决于波浪要素、护面结构的类型和块体重量等因素。

⑵确定原则：外侧＜内侧（外缓内陡）上部＜下部（上缓下陡）抛石护面＜安砌块石＜人工块体护面堤头＜堤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、斜坡式防波堤的构造（略）

1、堤心

2、护面块体

3、外坡护面块体下的垫层

4、堤底垫层及堤前护底块石

5、其他部位一、计算内容和计算状态

1、计算内容⑴护面块体的稳定重量和护面层厚度⑵栅栏板的强度⑶堤前护底块石的稳定重量⑷胸墙的强度和抗滑、抗倾稳定性⑸地基的整体稳定性⑹地基沉降（确定坡顶欲角高度）Ⅳ、斜坡式防波堤的计算

2、计算状态

在进行斜坡堤承载能力极限状态设计时，应以设计波高和相应的波长确定的波浪力作为标准值，并应考虑三种设计状况与相应的组合。⑴持久状况：应考虑以下的持久组合

①设计高水位：波高应采用相应的设计波高；②设计低水位：

A、当有推算的外海设计波浪时，应取设计低水位进行波浪浅水变形分析，求出堤前的设计波高；

B、当只有防波堤建筑物附近不分水位统计的设计波浪时，可取与设计高水位时相同的设计波高，但不超过低水位时的浅水极限波高。

③极端高水位：波高采用相应的设计波高；极端低水位时，可不考虑波浪的作用。⑵短暂状况：对未成型的斜坡堤建筑物进行施工期复核时，水位可采用设计高水位和设计低水位，波高的重现期可采用2～5年。

⑶偶然状况：应考虑地震作用的偶然组合，即进行地震力作用下斜坡堤的整体稳定验算，但不考虑波浪对堤体的作用。此时，水位采用设计低水位。二、护面块体稳定性计算

1、护面块体的稳定重量计算从现有国内外的研究成果看，块体失稳有三种型式：滑动、滚动、上举脱出。第二十一届国际航运会议上推荐西班牙、挪威、瑞典、前苏联和美国公五种计算公式。在相同情况下，各种公式的计算结果差异还比较大。我国的港工防波堤规范推荐采用美国Hudson公式。

⑴西班牙的伊里巴伦公式

反压力：F∝γbHAA∝(wg/γb)2/3

式中：

A---块体的受力（反压力）面积（m2）

W---块体在空气中的重量（t）

γb---块体在空气中的重度（kN/m3）

H----设计波高

g----重力加速度（m/s2）则反压力：由平衡条件可得：μ为摩擦系数，取μ＝1得：因：则：令：本公式缺点：a.K′----稳定系数是常数，没有考虑块体肩的相互嵌固制约作用（结果偏大）b.稳定重量偏安全，保守，尤其是当m<2时。

⑵Hudson公式

①计算公式

根据试验得：

KD---稳定系数，不再是常数，与护面结构类型和块体稳定标准有关，考虑了块体间得相互嵌固，随块体得种类、构造层数，随机失稳而异

n%---即在设计水位上、下一倍设计波高的范围内，在波浪打击下移动和滚动的块体个数占此范围内块体总数的百分比。

②适用条件

A、正向波作用下（波的峰线平行于堤轴线）且堤前波浪不破碎；

B、用于计算设计水位上下一倍设计波高范围内的护面块体的单个块体的稳定重量；不适用于波浪周期较长，波小于1/30的坦波，此时建议用前苏联公式进行复核。③注意事项

A、对于斜向波

β<45°可视为正向波

β>45°波浪作用减弱，此时应对W折减，折减程度通过模型试验确定。但对抛石堤、砌石堤可用m’=cosα/cosβ代替m，按上式计算（可不做试验）。

例外：对于人工块体护面的斜波堤，特别是工字型块体护面，波向波的作用不一定减弱，因此不宜考虑折减。

B、斜波堤堤头部分，波浪作用条件恶劣，块体重量要增加20%—30%C、堤位置在波浪破碎区（d/H<1.5时）堤身和堤头的块体重量相应再增加10%—25%④几个不同部位的稳定重量堤顶、外坡、内坡、垫层、水下支撑棱体，堤心石等块体稳定重量与Hudson公式W成比例。查规范。三、砌石护面层厚度的确定砌石护面（干砌、浆砌块石或干砌条石）由于块石间相互挤紧，而形成一个面。在波浪对护面层作用过程中，在护面层上、下出现压力差。在某一瞬间可出现护面层底面压力差大于表面压力，因此产生一股向上的推力。此时单个块石因被周围块石挤紧，一般不会脱出而由一片护面层的重力来平衡上推力。因为单位面积的砌石护面重力只与其厚度有关，所以砌石护面的稳定性由护面层厚度来控制。

⑴干砌块石或浆砌块石护面厚度该公式适用于m=1.5～3，d/H=1.5～4和L/H=10～25的情况。②干砌条石护面该公式适用于m=0.8～1.5，d/H=1.7～3.3和L/H=12～25的情况。四、人工块体护面厚度t和所需块体数量N的确定五、堤顶胸墙波压力的计算及胸墙稳定性计算

1、胸墙波压力分析波浪在斜坡式防波堤前破碎，对胸墙的作用大致分为三种情况：⑴波浪在胸墙前或坡顶附近破碎，冲击点在墙上，整个墙面受波浪冲击Pmax；⑵波浪在坡面上部破碎，射流作用在坡面上部，但部分水体上爬作用于墙面0—Pmax；⑶波浪在坡面低处破碎，冲击点在坡面下部，部分水体上爬到坡顶墙脚下P=0。2、波压力大小及与波浪破碎位置的关系⑴波压力大小通常只计波峰作用，其作用在胸墙上的平均波压力强度

KP---平均压强系数。与ξ及坦波L/H有关。

⑵波压力p随波浪破碎位置而变化，而破碎位置与下列因素有关：d1/d,d/H,H/L,用复合因素ξ来反映前三个因素的影响。

试验表明情况C:情况A：情况B：

3、胸墙上波压力作用高度计算

式中：

KZ---作用高度系数，与L/H（坦波）有关

d1---胸墙前的水深当水位在坡顶以上时，d1为正；当水位在坡顶以下时，d1为负；