海岸工程學直立式防波堤

1、海岸工程學海岸工程學 2012年年3月月 李俊花李俊花 4.3 直立式防波堤 一、重力式直立堤 按堤身結(jié)構(gòu)分，主要有： 等。 它主要由、和等組成。 1、方塊式直立堤、方塊式直立堤 方塊式墻身主要有：（正砌方塊、斜砌方塊）、 和。 墻身堅固耐久，施工簡便，能抵御較大的波浪。 自重大，地基應(yīng)力大，砼用量多，水下安裝和潛水工作量 大，施工進度慢，堤身整體性能差，易隨地基沉降而變形， 對不均勻沉降比較敏感。 施工期波浪不大，現(xiàn)場起重設(shè)備能力較大和地基較堅實 的情況。 2 2、沉箱直立堤、沉箱直立堤 沉箱主要有：、和 ：堤身整體性好，水上安裝工作量小，不需要大型起 重設(shè)備，施工進度快，箱中填以砂礫可降低

2、造價。 ：沉箱的預(yù)制和水下需要相應(yīng)的場地和設(shè)備，要有足 夠的水深的航道。箱壁較薄，在水位變動區(qū)易受海水侵蝕 而損壞，而沉箱一旦破壞，修復困難。 ：有條件的地方（有預(yù)制能力，滑道和船塢，浮 運水深足夠）在實際工程中，矩形沉箱采用較多。 鋼筋混凝土沉箱防波堤 3 3、大直徑圓筒直立堤、大直徑圓筒直立堤 墻身直徑為3以上的薄壁無底砼圓筒，置于拋石基床或 部分沉入地基之中，筒中填充砂石。 ） 置于拋石基床上的圓筒機構(gòu)及其工作原理與一般重力 式基本相同。 ） 部分沉入地基中的圓筒直立堤，適用于軟基和持力層 較深的情況 對于沉入地基較淺（1.53m）的圓筒，其工作狀態(tài)同 重力直立堤。 沉入較深的圓筒，由于

3、受土的嵌固影響較大，其工作 狀態(tài)不同于重力式結(jié)構(gòu)。 二、樁式直立堤二、樁式直立堤 有：、和等形式。 它由打入地基中的 排樁、樁頂部的帽梁和 連接構(gòu)件組成。 單排樁式防波堤斷面圖 兩側(cè)是打入地基中的排樁，每排樁由縱向?qū)Я杭茏?，?后用拉桿將雙排樁對拉，雙排樁中間用石料填充，頂部用混 凝土覆蓋，然后在蓋板上澆注上部結(jié)構(gòu)。 雙排樁防波堤斷面圖 組成：由打入地基中的鋼板樁組成封閉的系列格形結(jié) 構(gòu)，在空格中填充砂或石料。 優(yōu)點：格形結(jié)構(gòu)防波堤 ， 、 的情況。 鋼板樁 在水位變動區(qū)易 銹蝕，需要采取 保護措施。 三、消能式防波堤三、消能式防波堤 在直立堤的上部結(jié)構(gòu)靠海側(cè)做成較緩的斜面，猶如直立墻削 掉一

4、個角。 優(yōu)點： 堤前波浪在斜面上破碎 ，即削減了一部分波能， 又減少了堤前波浪的反射， 從而使波浪減少； 作用在斜面的波壓力的 垂直分力還有利于堤的穩(wěn)定， 從而減小了堤的斷面。 缺點：削角斜面上的越浪較大。 頂部削角直立堤 將沉箱靠海側(cè)的箱壁上開一系列孔洞 ，部分波浪水體通 過孔洞進入海側(cè)箱格的消能室，利用堤前波浪與進入消 能室水體的相位差和水體進入效能室后產(chǎn)生的劇烈紊動 來消能，以達到減少 波浪力的目的。同樣 也可采用迎浪側(cè)帶有 消浪孔洞的方塊防波 堤。 水深小 于6m、波浪周期小于 6s的環(huán)境。 沉箱前壁開孔直立堤 半圓形防波堤是由半圓形拱圈和底板組成，堤身內(nèi)不拋填石 料。拱圈上開孔可消耗

5、波能，底板上開孔可減小波浪浮托力。 特點：波浪力作用小，構(gòu)件受力性能好。 開孔半圓形防波堤 消浪方塊防波堤 (a)防波堤斷面圖 (b)方塊構(gòu)件圖 結(jié)合削角斜面結(jié)構(gòu)和開孔消浪結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點的一種新型結(jié)構(gòu)。 削角空心方塊防波堤 波浪要素（如H）、堤前水深（d）、海底坡度（i）、基 床輪廓尺寸（d1）。 根據(jù)這些影響因素，直立堤前可能出現(xiàn)的波浪形態(tài)有： 。 當直立墻前水深和基床頂面上的水深大于波浪破 碎水深，直立堤的長度大于一個波長以及入射波與墻正 交的情況下，波浪遇墻后不破碎，產(chǎn)生完全反射，即入 射波和反射波的波浪要素完全相同，入射波和反射波迭 加后形成立波。其特點是波高增加一倍，波長和周期不 變

6、。 當直立墻前面較遠處水深很大，而距建筑物前面 半個波長以內(nèi)或是基床頂面水深不足時，波浪行進到此處發(fā)生 劇烈變形，造成破碎，沖擊墻身，產(chǎn)生近破波。 這種波一般發(fā)生在中、高基床的情況。 當直立墻前面距墻身半個波長或梢遠處，其水深 小于波浪破碎水深情況下，進行波將在到達建筑物之前破碎， 形成一股向前運動的水流沖擊墻身。這種波浪形態(tài)稱為遠破波。 這種波一般發(fā)生在平緩海底，而且基床為暗基床或低基床 的情況。 基床類型產(chǎn)生條件波 態(tài) 暗基床和低基床 立 波 遠破波 中基床 立 波 近破波 高基床 立 波 遠破波 HddgT HddgT 8 . 1, 8/ 2, 8/ 3 2 1 d d 3 2 3 1

7、1 d d 3 2 1 d d 10 1 ,8 . 1, 8/ 10 1 ,2, 8/ iHddgT iHddgT Hd8 . 1 1 Hd8 . 1 1 Hd5 . 1 1 Hd5 . 1 1 當明基床上有護肩方塊，且方塊寬度大于1.0倍波高時， 宜用d2代替基床上水深d1來確定波態(tài)和波浪力。 當進行波波陡較大（H/L1/14）時，則立波波陡較原始 波增加一倍，當達到極限波陡時，立波可能破碎，堤身將 受到破碎立波的壓力。 對暗基床和低基床的直墻式建筑物，當墻前水深d2H 且水底坡度i1/10時，墻前可能出現(xiàn)近破波。它是否出現(xiàn) 和出現(xiàn)后的波壓力應(yīng)由模型試驗來確定。 二、作用于直立式防波堤的立波

8、浪壓力計算 當d=1.8H, d/L=0.050.12時,波峰(谷)時的波壓力采用大 連理工大學發(fā)展的橢余(圓)立波的計算方法。 該方法是在二階橢余波理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合較系統(tǒng)的模型實驗 和國外資料而制,為原規(guī)范的補充。（與實測結(jié)果也比較吻 合）。 當H/L1/30，0.5 d/L0.2時,波峰的波壓力采用有限振幅 波的一次近似解,波谷時仍采用Sainflow公式。 當H/L1/30，d/L=0.1390.2時,波峰(谷)時的波壓力的計 算均采用公式。 當d/L0.5時,按深水立波計算波壓力。 當d1.8H，0.139 d/L0.12和8T*=9時，波壓力（峰谷） 采用內(nèi)扦(在橢余立波公式和淺水

9、立波Sainflow公式之間)的 方法。 2、當d1.8H, d/L=0.050.12時，作用于直墻建筑物 上的立波波壓力的計算 波面高程的計算 m c dHB d )/( 5945. 0 * 5907. 23104. 2 TB )2515. 1636. 000913. 0/( * 2 * * TTTm dgTT/ * 靜水面以上波壓力分布強度折點的位置hc以及波壓 力強度pac的計算 靜水面處及水下墻面上特征點處波壓力強度（Poc， Pbc和Pdc） 2 /2 n d d h cc )2)(1( 2 nnd p d p ocac 0 . 1 ,)/11 (23264. 4636618. 0m

10、ax 67. 1 dn q pp dHBA d P )/( 單位長度墻上的水平總波浪力的計算 單位長度墻上的總水平波壓力的力矩Mc 單位長度墻底面上的波浪浮托力按下式計算 波谷時，堤前總波壓力小于靜水壓力；當認為港內(nèi)為 靜水，堤內(nèi)側(cè)所受靜水壓力。所以波谷作用于堤面時，波 浪的附加壓力的方向是離堤的，或稱為負壓力。 波谷波面高程： 墻面各特征點波壓力強度： 2 bP P dc uc q pp t dHBA d )/( q pp dHBA d P )/( 單位長度墻面上水平總波壓力 單位長度墻底面上向上方向的總波壓力 dd p d p d P tdtot 1 2 1 2 2 bP P dt ut

11、3、當 、 時：簡化Sainflow公式 式中：波峰時取正，波谷時取負； Z墻面在靜水面以下任一關(guān)的深度； r海水容重； ：波浪中心線超出靜水面的高度。 30 1 L H 2 . 0139. 0 l d H L d Sh zd L Sh L d ch zd L ch Z P 2 )( 2 2 )( 2 L d cth L H hs 2 2 波峰作用時立波波壓力圖 水底處波壓力強度： 靜水面處的波壓力強度： 直墻底處的波壓力強度： H+hs處，p00 總波壓力： 波浮托力： L d ch H d L d ch H ddPP d 22 波 dhH hH dPP s s ds )( xsdssb P

12、P d d PPPP 1 )( 2 )( 2 111 ddPdhH P bs bPP b 2 1 波谷作用時立波波壓力圖 水底處的波壓力強度： 靜水面處波壓力強度為0 靜水面以下（H-hs）處波壓力強度： 墻底處波壓力強度： L d ch H L d ch H P ddd 22 )( Ss hHP Hhd Hhd PPPP s s dssb 1 ) ( 總波壓力： 總波浪浮托力： 2 1 b bpP 2 ) )( 11 2 1bs PdHhdd P 4、當 ， 時，對立波作用 ：采用有限振幅波一次近似解 特點：以靜水面為基準，不考慮波高超高，靜水面以上， 按直線分布，靜水面以下按曲線分布。 靜

13、水面處： 靜水面以下深Z處波壓力強度： 30 1 L H 2 . 05 . 0 l d L d ch L zd ch HPz 2 )(2 波峰作用時立波波壓力圖（0.2d/L0.5） 墻底處的波壓力強度： 波浪浮托力： 單位長度墻上的總波壓力： L d ch L dd ch HPb 2 )(2 1 b BPP 2 1 L d ch L dd ch L d th HL HP 2 )(2 2 22 1 1 2 ：按Sainflow公式計算 ，用修正的有限振幅波的一次近似解，即 以代替，則： 靜水面以上高度H處的波壓力為零。 靜水面處的波壓力強度： 靜水面以下深度Z處的波壓力強度（下式中d=L/2）

14、： 靜水面以下Z=L/2處的波壓力強度為零。 5.0 l d HP s L d ch L zL ch HPz 2 )2/(2 用修正的Sainflow公式 即將立波中心線超高公式中：L/2代替，則： 靜水面以下深度：Z=L/2處，Pz=0 cth H h L d cth H h ss 2 2 2 22 )( ss hHP 三、作用于直立式防波堤的遠破波波壓力 遠破波波壓力可按以下公式計算 靜水面以上高度H處的波浪壓力強度為零； 靜水面處的波浪壓力強度為： ps=K1K2H 靜水面以上的波浪壓力強度按直線變化； 靜水面以下深度Z=H/2處的波浪壓力強度 pz=0.7pS 水底處的波浪壓力強度 P

15、d=0.6pS， d/H1.7 pd=0.5pS， d/H1.7 墻底面上的浮托力為： Pu=bpd/2 靜水面處波浪壓力強度為零； 靜水面以下，從深度Z=H/2至水底處的波浪壓力強度 為： p=0.5H 墻底面上方向向 下的波浪力為 Pu=bp/2 波峰時遠破波波壓力圖 四、 作用在直立式碼頭近破波波壓力 計算方法有：米尼金法（計算結(jié)果偏大），前蘇聯(lián)規(guī)范 （計算結(jié)果偏小），我國規(guī)范法。 只考慮波峰 直立墻明基床為拋石基床，前坡1：m，m23，基 肩寬度：b（12）H，或近似于d1 計算結(jié)果不符合上訴條件，需做模型試驗。 靜水面以上高度Z處的波壓力強度為0 67.025.0 1 d d 10/

16、 130/ 1/LH Hz H d1 53. 027. 0 )6 .0(5 .167.0 1 1 Hd H d 靜水面處波浪壓力強度 當1/3d1/d2/3時 當1/4d1/d1/3時 墻底處的波浪壓力強度 pb=0.6pS 11 13. 0116. 08 . 125. 1 d H d H HP s 1 1 1 13. 0103. 14 .369 .1367. 025. 1 d H d d d H HP s 單位長度墻底的總波浪力按下式計算 當1/3d1/d2/3時 當1/4d1/d1/3時 墻面上的波浪浮托力 17. 09 . 125. 1 1 1 d H HdP 1 . 18 .388 .

17、1467. 025. 1 1 1 1 d d d H HdP 7 . 0, 2 b bp P 備注： 1.由于近破波波壓力有很強的沖擊性，且破碎過程 復雜，波壓力不穩(wěn)定 （高波要素，地形，建筑物尺寸的 影響）在進行防波堤平面布置和擬定結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)盡量 避免在設(shè)計低水位時出現(xiàn)近破波（即建筑物所處的位置 應(yīng)避開破碎帶）。 2. 對于低基床的直墻式建筑物，可先按建筑物前水 深d繪制遠破波波壓力分布圖，然后減去基床部分的波浪 力。 五、特殊情況下波浪力的處理 方法：按不越頂計算波浪力，減去越頂部分的波壓 力，試驗證明時偏安全的 。 計算方法：按不同削角堤計算波壓力，在斜面上，用 相應(yīng)高程上相同的波壓力

18、法向作用在斜面上，偏于安 全。 削角堤最大的缺點是越波較大。 一、組成及功能 ：設(shè)置交通、擋波、削波；：設(shè)置交通、擋波、削波； 擋波、沙，維持港內(nèi)穩(wěn)定，并傳遞外力至基擋波、沙，維持港內(nèi)穩(wěn)定，并傳遞外力至基 床；床； 保護地基免受沖刷，平整地基便于安裝，分保護地基免受沖刷，平整地基便于安裝，分 布地基應(yīng)力；布地基應(yīng)力； ：保護堤前地基，免受海水淘刷：保護堤前地基，免受海水淘刷 。 二、斷面尺寸擬定 允許少量要求（無作業(yè)要求）=設(shè)計高水位+（0.60.7）H 基本不越浪（有作業(yè)要求）=設(shè)計高水位+（1.01.25）H 直立堤設(shè)計波高，除特別注明外，均指重現(xiàn)期為直立堤設(shè)計波高，除特別注明外，均指重現(xiàn)

19、期為50年、年、 波列累計頻率為波列累計頻率為1%的波高的波高H，但不超過淺水極限波高。，但不超過淺水極限波高。 對于上部結(jié)構(gòu)為削角型式的直立堤，其頂部高程宜取高對于上部結(jié)構(gòu)為削角型式的直立堤，其頂部高程宜取高 值。值。 施工水位+施工期波浪影響（0.30.5m） 重力式防波堤的斷面輪廓尺寸 防波堤總高度是一定的，所以基床和堤體的高度分配應(yīng)考慮 每延米的造價。定的高一些，可減少堤身高度，降低造價， 但過高會造成近破波，因此設(shè)計時要注意以下幾點： (I) 考慮地基承載能力； (II) 結(jié)構(gòu)總造價。 外肩寬（0.6倍計算堤身寬）+堤身寬+內(nèi)肩寬（0.4倍計 算堤身寬）； 暗基床底寬不宜小于直立堤墻

20、底寬度加兩倍基床厚度。 非巖石地基上的拋石基床厚度應(yīng)由計算確定，但粘性 土地基不小于1.5m，砂土地基不小于1.0m。 原則上由穩(wěn)定計算確定（抗傾覆、抗滑和地基承載能 力及沉降等），初設(shè)時可?。築0.8堤高。 三、斷面構(gòu)造 應(yīng)有足夠的剛度和良好的整體性，并與墻身結(jié)構(gòu) 連接牢 固。 直立式，弧形式，削角面式等 對削角面式： 削角面與水平面的夾角可取2530 一般情況下，削角直立堤的頂標高不應(yīng)低于直立頂標 高，即至少在設(shè)計高水位以上0.7H處 削角平面的拐點可設(shè)在設(shè)計高水位附近 厚度 1m，嵌入沉箱或大直徑圓筒的深度 30cm。 方塊、沉箱、大直徑圓筒、格形鋼板樁等（同重力式） 對方塊式，由于受到

21、較大的波浪力作用，其最小重量應(yīng)滿 足一定的要求。具體設(shè)計時參閱規(guī)范。 ：取決于波浪水深條件和地質(zhì)條件 暗基床：用于水深淺，易沖刷，表面土質(zhì)差，在堤前無近 破波的情況； 明基床：由于水深大，地基承載力高，在堤前無近破波的 情況； 混合基床：用于水深大，地基差的情況，在堤前無近破波 的情況 ：10100kg ：基床向海一側(cè)需修建堤前護底，取12層， 厚度 0.5m。 一、重力式直立堤的承載能力極限狀態(tài)、設(shè)計狀況和作用 組合 豎向荷載僅自重力，水平荷載主要是波浪力。在進行承 載能力極限狀態(tài)時，應(yīng)以設(shè)計波高設(shè)計波高及對應(yīng)的波長對應(yīng)的波長確定的 波浪力作為標準值波浪力作為標準值。 （重現(xiàn)期為50年） ：

22、波高采用相應(yīng)的設(shè)計波高（重現(xiàn)期 為50年），考慮持久組合。 ，波高采用以下兩種方法： A、當推算外海設(shè)計波浪時，應(yīng)取設(shè)計低水位進行波浪 淺水變形分析，求出堤前的設(shè)計波高； B、當只有建筑物附近部分水位統(tǒng)計的設(shè)計波浪時，可 取與設(shè)計高水位時相同的設(shè)計波高，但不超過低水位時的淺 水極限波高。 ，堤前波態(tài)為立波，而設(shè)計低水位時， 已為破碎波，尚應(yīng)對設(shè)計低水位至設(shè)計高水位之間可能產(chǎn)生 最大波浪力的水位情況進行計算。 ，波高采用相應(yīng)的設(shè)計波高； ，可不考慮波浪力的作用。 應(yīng)考慮以下組合 對未成型的重力式直立堤進行施工期復合時，水位可 采用設(shè)計高水位和設(shè)計低水位，波高的重現(xiàn)期可采用510 年。 在進行重力式直立堤地基承載力和整體穩(wěn)定性計算時， 應(yīng)考慮地震作用的偶然組合。水位采用設(shè)計低水位，不記 波浪與地震作用的組合。 備注： 直立堤的穩(wěn)定性