重慶高校港口水工建筑物斜坡式防波堤講義

第九章斜斜坡式防防波堤斜坡式防波波堤的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式波浪與斜波波堤的相互互作用斜坡堤的斷斷面設(shè)計斜坡式防波波堤的計算算Ⅰ、斜坡式防防波堤的結(jié)結(jié)構(gòu)形式一、斜坡式防波波堤的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式按材料分，，大致可分分為：⑴拋石防波波堤：抗浪能力較較差多用于于波浪不大大且石料來來⑵砌石護(hù)面防防波堤：源豐富的情情況。⑶人工塊體體護(hù)面防波波堤：抗浪能力較較強(qiáng)，多用用于波浪較較大的情況況。二、斜坡式防波波堤的特點點與要求1、拋石防波波堤⑴不分級堤利用開采出出來的大小小不等的石石快，不經(jīng)經(jīng)分選，隨隨意拋填。。斷面形式式有梯形、、折成形。。①優(yōu)點：堤身密實、、沉降均勻勻、施工簡簡單；②缺點：塊石重量輕輕，容受波波浪沖擊破破壞、后期期維修費用用高，因此此逐漸被分分級堤替代代。⑵分級堤按波浪對堤堤各部位作作用的不同同采用不同同重量的塊塊石，一般般將較小的的塊石放在在堤心和堤堤的下部，，將大塊石石放在堤面面和堤的頂頂層。①優(yōu)點：石料利用合合理，定性性提高，便便于有計劃劃的采石料料②缺點點：石料的的來源源和數(shù)數(shù)量不不易保保證。。③拋石石堤適適用條條件：：水深淺淺、基基軟、、石料料豐富富、波波浪小小。對不分分級堤堤：設(shè)設(shè)計波波高小小于2～2.5m對分級級堤：：設(shè)計計波高高小于于3～4m2、砼塊塊體堆堆筑或或護(hù)面面的斜斜波堤堤⑴拋填砼砼方塊塊斜波波堤①優(yōu)點點：重量大大（最最大可可達(dá)60～80t）穩(wěn)定性性好，，抗波波能力力大。。②缺點點：需要大大型起起重設(shè)設(shè)備，，水泥泥用量量大、、費用用高。。③適用用范圍圍：波浪較較大、、缺乏乏石料料，但但有大大型起起重船船的情情況。。⑵砼塊體體護(hù)面面堤塊體重重量輕輕、效效果好好，一一般使使用于于波高高小于于3m的情況況。①柵欄欄板塊塊體長邊與與短邊邊之比比：a/b=1.25；平面尺尺度與與設(shè)計計波高高的關(guān)關(guān)系：：a=1.25H；b=1.0H。a---沿斜坡坡方向向b———短邊，，沿堤堤軸線線方向向；H-----設(shè)計波波高。?？障堵事剩篜′=33％～39％當(dāng)斜坡坡坡度度：i=1：15～1：1.25時，柵柵欄板板的厚厚度h：缺點：：①支支撐棱棱體承承載力力要求求較高高②對對斜坡坡平整整度要要求高高。⑵異形形方塊塊特點：：①形狀狀因素素比較較好，，即具具有高高度的的不規(guī)規(guī)則性性，有利于于塊體體之間間相互互結(jié)合合，增增大塊塊體的的穩(wěn)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。目目前常用用的異異形方方塊有有：四足錐錐體、、四足足空心心方塊塊、扭扭工字字、鐵鐵砧體體、三三柱體體、六腳錐錐體。。缺點：：塊體形形狀復(fù)復(fù)雜、、制作作麻煩煩、施施工（（起吊吊）和和使用中因因肢體體連接接部位位較弱弱易斷斷裂，，從而而失去去塊體體的防防護(hù)作作用，給給防波波堤帶帶來險險情。。護(hù)面塊塊體適適用于于：水水深大大、波波浪大大、地地質(zhì)條條件軟軟的情情況。㈠、波波浪進(jìn)進(jìn)入斜斜坡范范圍的的運動動特征征1、波浪浪進(jìn)入入斜坡坡范圍圍后，，底部部受斜斜坡阻阻撓，，使其其前坡坡變陡，后后坡變變坦；；2、到db位置時時，波波峰失失去平平衡，，產(chǎn)生生破碎碎；3、破碎碎后波波浪產(chǎn)產(chǎn)生強(qiáng)強(qiáng)大的的射流流，沖沖擊坡坡面，，上下下漫開開；4、部分分水體體爬到到一定定高度度，由由于動動能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為為勢能能，在在重力作用用下，，沿斜斜坡面面流，，沖刷刷坡面面。Ⅱ、波浪浪與斜斜波堤堤的相相互作作用㈡、波波浪與與斜坡坡的相相互作作用1、斜坡坡傾斜斜時對對波浪浪運動動形態(tài)態(tài)的影影響（即波波浪的的破碎碎、反反射））⑴破碎影影響（i=1：m）試驗證證明：：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°°）設(shè)計時時，當(dāng)當(dāng)墻面面平整整，且且不透透水時時：α≥45°°，按直立立堤計計算α<45°°，按斜坡坡堤計計算波浪在在斜坡坡上的的臨界界水深深dd，可按下下式計計算：：⑵反射射影響響斜坡式式建筑筑物前前通過過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過過反射射以后后的波波高；；HR——反射波波高；；k△——與斜坡坡面結(jié)結(jié)構(gòu)型型式有有關(guān)的的糙滲滲系數(shù)數(shù)；HR′———k△=1時的反反射波波高，，它與與斜坡坡的m值和波波陡H/L有關(guān)。。2、波浪浪破碎碎后產(chǎn)產(chǎn)生沖沖擊坡坡面，，且部部分水水體上上爬，，回流流，沖沖刷坡面面。⑴射流流作用用：包括括沖擊擊位置置，最最大沖沖擊速速度，，最大大沖擊壓力力分布布（動動水壓壓力））①沖擊位位置：按平平拋運運動計計算。。坡面上上有：：則得：：式中：：——按淺水水波計計算理理論計計算db——為破碎碎水深深，ac——破碎時時的靜靜水面面上的的波峰峰高度度。②最大大沖擊擊速度度式中：Kv——影響系數(shù)數(shù)（速度度校正系系數(shù)），，是考慮慮射流沖沖擊坡面時時上、下下漫開造造成流速速減少的的影響。。③最大沖擊擊壓力分分布B點的法向向速度：：射流方向向與水平平方向的的夾角：：動水壓力力：對光滑平平整的坡坡面，破破碎波浪浪的水流流沖擊斜斜面的動動水壓力分分布如下下：式中：各點的總總水壓力力：⑵波浪爬爬高斜坡為單單坡時：：①規(guī)則波：：R=k△R1H②在風(fēng)直接接作用下下，不規(guī)則波波的爬高，，R1%=k△kwRu1H1%坡上設(shè)有有平臺（（復(fù)坡））：平臺頂面面標(biāo)高在在靜水面面上下半半個波高高范圍內(nèi)內(nèi)，平臺臺寬度為0.5～2倍波高時時，波浪浪爬高可可減少10%～15%。⑶波高回回流沖刷刷深度及及范圍沖刷深度度：作用范圍圍在爬高高R—d之間，也也就是坡坡面的保保護(hù)范圍圍。注意：以以上關(guān)于于波浪對對斜坡堤堤作用的的計算方方法，適適用于以下條件件：①波浪正正面作用用，對斜斜面坡：：波峰線線與建筑筑物軸線線之間的夾角小小于45，可視為為正向，，大于45，波浪作作用減弱弱，應(yīng)折折減（由試試驗確定定）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、斜坡坡堤的斷斷面設(shè)計計設(shè)計內(nèi)容容：斷面尺寸寸及構(gòu)造造穩(wěn)定性計計算（斷斷面穩(wěn)定定性、塊塊石穩(wěn)定定性、胸胸墻穩(wěn)定定性、地基基穩(wěn)定性性等）㈠、斷面面尺寸1、堤頂高高程的確確定取決于港港內(nèi)水面面平穩(wěn)程程度的要要求根據(jù)據(jù)我國經(jīng)經(jīng)驗并參參考國外有關(guān)關(guān)資料，，可概括括成下表表：2、堤頂寬寬度⑴確定原原則：除必須保保證在波波浪作用用下，堤堤頂塊體體的穩(wěn)定定性，還還應(yīng)保證除應(yīng)滿滿足施工工，使用用要求外外。⑵基本要要求①人工塊塊體護(hù)面面：1.1～1.25H，但不小于于2m，且在構(gòu)造上至少少能安放放兩排或或隨機(jī)安安放3塊人工塊塊體。②砌石護(hù)護(hù)面堤：：1.1～1.25H③拋填砼方方塊：由于堤底底的透浪浪程度較較大，堤堤的寬度度不宜太寬寬，否則則將影響響港內(nèi)的的水面的的穩(wěn)定，，在設(shè)計計高水位位處寬大于于3H。3、支承棱棱體和肩肩臺寬度度⑴支承棱棱體因波浪作作用主要要集中在在設(shè)計水水位上、、下各1倍設(shè)計波波高范圍圍內(nèi)，所所以在港港外側(cè)設(shè)設(shè)置水下下支撐棱棱體的頂頂面高程程應(yīng)低于于設(shè)計低低水位以以下1倍設(shè)計波波高處。。棱體頂頂面寬度度不小于于2m，厚度不不宜小于于1m。⑵設(shè)戧臺臺的堤干砌塊石石或漿砌砌塊石護(hù)護(hù)面的防防波堤通通常設(shè)有有戧臺。。為保證證護(hù)面的的施工條條件，戧戧臺的高高程宜設(shè)設(shè)在施工工水位附附近，寬寬度不宜宜小于2m。⑶寬肩臺臺堆石堤堤為了有效效的減少少波浪爬爬高，更更好的消消能，肩肩臺高程程可定在在設(shè)計高高水位以以上1～3m，寬度取2.3～2.9H，且不小于于6.0m。4、胸墻墻的構(gòu)造造⑴胸墻型型式：一般有L型和反L型；⑵材料：：可為漿砌砌塊石，，砼或鋼鋼筋砼結(jié)結(jié)構(gòu)；⑶胸墻高高度：一般在堤堤頂面以以上2m左右，胸胸墻底面面一般嵌嵌入堤頂頂以下約約1m；⑷胸墻前基基本要求：一般有塊塊石或人工工塊體做掩掩護(hù)；⑸胸墻穩(wěn)定定性：由于胸墻墻本身承受受破碎波波波壓力的作作用，因此此，胸墻本本身的斷面面尺寸需通通過穩(wěn)定性性驗算來確確定。5、斜坡坡坡度設(shè)計⑴影響因素素：取決于波浪浪要素、護(hù)護(hù)面結(jié)構(gòu)的的類型和塊塊體重量等等因素。⑵確定原則則：外側(cè)＜內(nèi)側(cè)側(cè)（外緩內(nèi)內(nèi)陡）上部＜下部部（上緩下下陡）拋石護(hù)面＜＜安砌塊石石＜人工塊塊體護(hù)面堤頭＜堤身身護(hù)面類型坡度拋填或安放塊石1：1.5～1：3干砌或漿砌塊石1：1.5～1：2干砌條石1：0.8～1：2安放人工塊石1：1.5～1：2拋填混凝土方塊1：1.5～1：1.25㈡、斜坡式式防波堤的的構(gòu)造（略略）1、堤心2、護(hù)面塊體體3、外坡護(hù)面面塊體下的的墊層4、堤底墊層層及堤前護(hù)護(hù)底塊石5、其他部位位一、計算內(nèi)內(nèi)容和計算算狀態(tài)1、計算內(nèi)容容⑴護(hù)面塊體體的穩(wěn)定重重量和護(hù)面面層厚度⑵柵欄板的的強(qiáng)度⑶堤前護(hù)底底塊石的穩(wěn)穩(wěn)定重量⑷胸墻的強(qiáng)強(qiáng)度和抗滑滑、抗傾穩(wěn)穩(wěn)定性⑸地基的整整體穩(wěn)定性性⑹地基沉降降（確定坡坡頂欲角高高度）Ⅳ、斜坡式防防波堤的計計算2、計算狀狀態(tài)在進(jìn)行斜坡坡堤承載能能力極限狀狀態(tài)設(shè)計時時，應(yīng)以設(shè)設(shè)計波高和相應(yīng)的波波長確定的的波浪力作作為標(biāo)準(zhǔn)值值，并應(yīng)考考慮三種設(shè)設(shè)計狀況與相應(yīng)應(yīng)的組合。。⑴持久狀況況：應(yīng)考慮以以下的持久久組合①設(shè)計高水水位：波高應(yīng)采采用相應(yīng)的的設(shè)計波高高；②設(shè)計低水水位：A、當(dāng)有推算算的外海設(shè)設(shè)計波浪時時，應(yīng)取設(shè)設(shè)計低水位位進(jìn)行波浪淺水變變形分析，，求出堤前前的設(shè)計波波高；B、當(dāng)只有防防波堤建筑筑物附近不不分水位統(tǒng)統(tǒng)計的設(shè)計計波浪時，可取與與設(shè)計高水水位時相同同的設(shè)計波波高，但不不超過低水水位時的淺水極極限波高。。③極端高水位位：波高采用用相應(yīng)的設(shè)設(shè)計波高；；極端低水水位時，可可不考慮波波浪的作用用。⑵短暫狀況況：對未成型的的斜坡堤建建筑物進(jìn)行行施工期復(fù)復(fù)核時，水水位可采用用設(shè)計高水水位和設(shè)計計低水位，，波高的重重現(xiàn)期可采采用2～5年。⑶偶然狀況況：應(yīng)考慮地地震作用的的偶然組合合，即進(jìn)行行地震力作作用下斜坡坡堤的整體體穩(wěn)定驗算算，但不考考慮波浪對對堤體的作作用。此時時，水位采采用設(shè)計低低水位。二、護(hù)面塊塊體穩(wěn)定性性計算1、護(hù)面塊體體的穩(wěn)定重重量計算從現(xiàn)有國內(nèi)內(nèi)外的研究究成果看，，塊體失穩(wěn)穩(wěn)有三種型型式：滑動動、滾動、、上舉脫出出。第二十一屆屆國際航運運會議上推推薦西班牙牙、挪威、、瑞典、前前蘇聯(lián)和美美國公五種種計算公式式。在相同同情況下，，各種公式式的計算結(jié)結(jié)果差異還還比較大。。我國的港港工防波堤堤規(guī)范推薦薦采用美國國Hudson公式。⑴西班牙的的伊里巴倫倫公式反壓力：F∝γbHAA∝(wg/γb)2/3式中：A---塊體的受力力（反壓力力）面積（（m2）W---塊體在空氣氣中的重量量（t）γb---塊體在空氣氣中的重度度（kN/m3）H----設(shè)計波高g----重力加速度度（m/s2）則反壓力：：由平衡條件件可得：μ為摩擦系數(shù)數(shù)，取μ＝1得：因：則：令：本公式缺點點：a.K′′----穩(wěn)定系數(shù)是是常數(shù)，沒沒有考慮塊塊體肩的相相互嵌固制約作用（（結(jié)果偏大大）b.穩(wěn)定重量偏偏安全，保保守，尤其其是當(dāng)m<2時。⑵Hudson公式①計算公式式根據(jù)試驗得得：KD---穩(wěn)定系數(shù)，，不再是常常數(shù)，與護(hù)護(hù)面結(jié)構(gòu)類類型和塊體體穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)有關(guān)，考考慮了塊體體間得相互互嵌固，隨隨塊體得種種類、構(gòu)造造層數(shù)，隨隨機(jī)失穩(wěn)而而異n%---即在設(shè)計水水位上、下下一倍設(shè)計計波高的范范圍內(nèi)，在在波浪打擊擊下移動和和滾動的塊塊體個數(shù)占占此范圍內(nèi)內(nèi)塊體總數(shù)數(shù)的百分比比。②適用條件件A、正向波作作用下（波波的峰線平平行于堤軸軸線）且堤堤前波浪不不破碎；B、用于計算算設(shè)計水位位上下一倍倍設(shè)計波高高范圍內(nèi)的的護(hù)面塊體體的單個塊塊體的穩(wěn)定定重量；不適用于波波浪周期較較長，波小小于1/30的坦波，此此時建議用用前蘇聯(lián)公公式進(jìn)行復(fù)復(fù)核。③注意事項項A、對于斜向向波β<45°°可視為正向向波β>45°°波浪作用減減弱，此時時應(yīng)對W折減，折減減程度通過過模型試驗驗確定。但但對拋石堤堤、砌石堤堤可用m’=cosα/cosβ代替m，按上式計算（（可不做試驗驗）。例外：對于人人工塊體護(hù)面面的斜波堤，，特別是工字字型塊體護(hù)面，波向向波的作用不不一定減弱，，因此不宜考考慮折減。B、斜波堤堤頭頭部分，波浪浪作用條件惡惡劣，塊體重重量要增加20%—30%C、堤位置在波波浪破碎區(qū)（（d/H<1.5時）堤身和堤堤頭的塊體重量相應(yīng)再再增加10%—25%④幾個不同部位位的穩(wěn)定重量量堤頂、外坡、、內(nèi)坡、墊層層、水下支撐撐棱體，堤心心石等塊體穩(wěn)定重量與與Hudson公式W成比例。查規(guī)規(guī)范。三、砌石護(hù)面面層厚度的確確定砌石護(hù)面（干干砌、漿砌塊塊石或干砌條條石）由于塊塊石間相互擠擠緊，而形成成一個面。在在波浪對護(hù)面面層作用過程程中，在護(hù)面面層上、下出出現(xiàn)壓力差。。在某一瞬間間可出現(xiàn)護(hù)面面層底面壓力力差大于表面面壓力，因此此產(chǎn)生一股向向上的推力。。此時單個塊塊石因被周圍圍塊石擠緊，，一般不會脫脫出而由一片片護(hù)面層的重重力來平衡上上推力。因為為單位面積的的砌石護(hù)面重重力只與其厚厚度有關(guān)，所所以砌石護(hù)面面的穩(wěn)定性由由護(hù)面層厚度度來控制。⑴干砌塊石或或漿砌塊石護(hù)護(hù)面厚度該公式適用于于m=1.5～3，d/H=1.5～4和L/H=10～25的情況。②干砌條石護(hù)護(hù)面該公式適用于于m=0.8～1.5，d/H=1.7～3.3和L/H=12～25的情況。四、人工塊體體護(hù)面厚度t和所需塊體數(shù)數(shù)量N的確定五、堤頂胸墻墻波壓力的計計算及胸墻穩(wěn)穩(wěn)定性計算1、胸墻波壓力力分析波浪在斜坡式式防波堤前破破碎，對胸墻墻的作用大致致分為三種情況：⑴波浪在胸墻前前或坡頂附近近破碎，沖擊擊點在墻上，，整個墻面受波浪沖沖擊Pmax；⑵波浪在坡面上上部破碎，射射流作用在坡坡面上部，但但部分水體上爬作用用于墻面0—Pmax；⑶波浪在坡面低低處破碎，沖沖擊點在坡面面下部，部分分水體上爬到坡頂墻墻腳下P=0。2、波壓力大大小及與波浪浪破碎位置的的關(guān)系⑴波壓力大小小通常只計波峰峰作用，其作作用在胸墻上上的平均波壓壓力強(qiáng)度KP---平均壓強(qiáng)系數(shù)數(shù)。與ξ及坦波L/H有關(guān)。⑵波壓力p隨波浪破碎位位置而變化，，而破碎位置置與下列因素素有關(guān)：d1/d,d/H,H/L,用復(fù)合因素ξ來反映前三個個因素的影響響。試驗表明情況C:情況A：情況B：3、胸墻上波壓壓力作用高度度計算式中：KZ---作用高度系數(shù)數(shù)，與L