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1、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,、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：抛石防波堤：抗浪能力较差多用于波浪不大且石料来 砌石护面防波堤：源丰富的情况。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 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。优点：堤身密实、沉降均匀、施工简单；,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。分级堤按波浪对堤各部位作用的不同采用不同重量
2、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。优点：石料利用合理，定性提高，便于有计划的采石料 缺点：石料的来源和数量不易保证。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22.5m 对分级堤：设计波高小于34m,2、砼块体堆筑或护面的斜波堤,抛填砼方块斜波堤 优点：重量大（最大可达6080t）稳定性好，抗波能力大。缺点：需要大型起重设备，水泥用量大、费用高。适用范围：波浪较大、缺乏石料，但有大型起重船的情况。,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。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
3、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=3339 当斜坡坡度：i=1：151：1.25时，栅栏板的厚度h：缺点：支撑棱体承载力要求较高对斜坡平整度要求高。,异形方块 特点：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；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
4、件软的情况。,、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。,、波浪与斜波堤的相互作用,、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）破碎影响（i=1：m）试验证明：m5，完全破碎，不放射 1m5，大部分破碎，很少放射（45）m1，大部分放射，很少破碎（45）设计时，当墙面平整，且不透水时：45，按直立堤计算 45，按斜坡堤计算 波浪在斜坡上
5、的临界水深dd，可按下式计算：,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=kHR 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；HRk=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。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）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。,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
6、速减少的影响。,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：,波浪爬高 斜坡为单坡时：规则波：R=kR1H 在风直接作用下，不规则波的爬高，R1%=kkwRu1H1%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0.52倍波高时，波浪爬高可减少10%15%。,波高回流冲刷深度及范围 冲刷深度：作用范围在爬高Rd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：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
7、为正向，大于45，波浪作用减弱，应折减（由试验确定）1：m，1m5（波浪大部分破碎，很少反射）建筑物前的水深，d=（1.55.0）H 堤前海底坡度I1/50,、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）、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 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。基本要求 人工块体护面：1.11.25H，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。砌石护面堤：1.11.
8、25H 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 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。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。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13m，宽度取2.32.9H，且不小于6.0m。,4、胸墙的构造 胸墙型
9、式：一般有L型和反L型；材料：可为浆砌块石，砼或钢筋砼结构；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；胸墙前基本要求：一般有块石或人工块体做掩护；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 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。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,、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 护面块体
10、的稳定重量和护面层厚度 栅栏板的强度 堤前护底块石的稳定重量 胸墙的强度和抗滑、抗倾稳定性 地基的整体稳定性 地基沉降（确定坡顶欲角高度）,、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。持久状况：应考虑以下的持久组合 设计高水位：波高应采用相应的设计波高；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。,极端高水位：波高采
11、用相应的设计波高；极端低水位时，可不考虑波浪的作用。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25年。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。,西班牙的伊里巴伦
12、公式 反压力：FbHA A(wg/b)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）b-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：为摩擦系数，取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m2时。,Hudson公式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
13、和滚动的块体个数占此范围内块体总数的百分比。,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。注意事项 A、对于斜向波 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=cos/cos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
14、破碎区（d/H1.5时）堤身和堤头的块体重量相应再增加10%25%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。干砌块石或浆砌块石护面厚度 该公式适用
15、于m=1.53，d/H=1.54和L/H=1025的情况。,干砌条石护面该公式适用于m=0.81.5，d/H=1.73.3和L/H=1225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：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；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0Pmax；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 波压力大小 通常只计波峰作用，其
16、作用在胸墙上的平均波压力强度 KP-平均压强系数。与及坦波L/H有关。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；z-波压力作用高度至静水面的距离,4、单位长度上胸墙的总波压力5、胸墙底面上的总波浪浮托力 备注：当胸墙前斜坡护面块石或单层四脚空心方块时，可不考虑胸墙护面的影响，波压力不折减 当墙前有掩护块体时，并满足二排二层时，取折
17、减系数0.6。,6、胸墙稳定性计算（与直立堤的相同）沿墙底抗滑稳定性的承载能力极限状态表达式 Eb-胸墙底面埋深大于等于1m时，内侧地基土或填石的被动土压力（kN）,可按有关公式计算并乘以0.3 沿墙底抗倾稳定性验算,六、地基整体稳定性验算 采用圆弧滑动法验算时 圆心一般取在堤内侧 采用设计低水位 不计波浪作用 有软土夹层等情况时，宜用非圆弧滑动面法计算 当地基整体稳定性不能满足要求时，可修改堤的断面设计如放缓边坡，在堤两侧设置反压等，可以进行地基加固。,斜波堤的软基加固可采用下列方法：当地基为淤泥且厚度较小时可采用抛石挤淤法（h3m时，可取得较好的效果）；当淤泥厚度5m时，可采用排水砂垫层或铺设土工布法。进行排水固结，砂垫层厚度可取1-2m,其宽度应大于堤底宽度；当软土层较厚时，宜采用排水砂井或排水板法；当淤泥较厚，且采用陆上推进填石的施工方法时，可采用爆炸排淤法，（爆炸排淤填石法是一种水上处理软土的新技术，已在国内工程中获及成功，它施工简便，经济效益好，施工质量高，工期短等；搅拌水泥土法：软土层较厚。,
