1、海岸工程學(xué),2012年2月,李俊花,七、海堤設(shè)計,2 護(hù)坡計算,1 波浪在堤坡上爬高計算,3 防護(hù)墻穩(wěn)定計算,4 防浪胸墻穩(wěn)定計算,5 海堤抗滑穩(wěn)定計算,6 地基沉降計算,7 軟土地基加固,8 海堤防滲和堵漏,爬高計算的目的：確定堤頂高程（非常重要）,1、波浪在堤上爬高計算,波浪爬高概念：,波浪爬高示意圖,波浪爬高是指波浪沿建筑物上爬的高度，自靜水位起算，向上為正。,A 海堤工程技術(shù)規(guī)范 B 港口工程技術(shù)規(guī)范 C 復(fù)式斷面爬高計算 D 堤前有壓載時的爬高計算,A 海堤工程設(shè)計規(guī)范,（1） 單一坡度海堤在正向規(guī)則波作用時,適用范圍：坡度1：11：5,堤前水深1.55.0H,堤前水底坡度小于1/5

2、0,R波浪爬高，從靜水位算起，向上為正；,H波高；,K糙滲系數(shù)；,R1K=1、H=1m時波浪爬高；,式中：,式中：,（2）在風(fēng)直接作用下，單一坡度的斜坡式海堤正向不規(guī)則波的爬高,上述得到的波浪爬高僅僅是R1%，若要計算不同波列累計頻率情況i%的爬高，則需要將R1%乘以換算系數(shù)。,RF=KFR1%,斜向入射波的爬高,當(dāng)波浪以斜角行近建筑物時候，爬高值應(yīng)該乘一下系數(shù)。,B 港口工程技術(shù)規(guī)范,特點(diǎn): 應(yīng)用范圍大;坡度020,波坦L/H=1050,相對水深d/H=2.525. 除了給出爬高的計算外，還有落深和爬落幅度的計算方法。且采用函數(shù)關(guān)系，方便電算； 正向規(guī)則波在斜坡上的水位變化,包括爬高和回落,

3、正向規(guī)則波在斜坡上的水位變化,包括爬高和回落,是糙率系數(shù),是 =1,H=1m時候波浪爬高或降深,與斜坡數(shù)m有關(guān),與斜坡的m值有關(guān)的函數(shù)； 爬高函數(shù)； 相應(yīng)于一定的d/L時候爬高或者落深的最大值,爬高函數(shù) 落深函數(shù),C 復(fù)式斷面爬高計算（堤防規(guī)范）,對于帶有平臺的復(fù)坡，可以先確定斷面的折算坡度，然后按照折算坡度的單坡近視計算其爬坡。,上、下坡度一致,上平下陡,下平上陡,應(yīng)用在平臺在靜水位附近。堤坡斷面均為斜坡，對于上下斷面中含陡墻的不適用。,上述計算公式的使用范圍是: m(上)=14 m(下)=1.53 Dw/L=-0.0670.67 B/L=0.25,D 堤前有壓載時的爬高計算,計算步驟:,先

4、計算無壓載條件下的爬高; 將所得爬高值乘以壓載修正系數(shù); 當(dāng)dw/H=1.5,M=1.5時候,還要考慮dw的影響.,計算公式多，但是不系統(tǒng)，不完善，有一定的適用范圍，對帶平臺的斜坡，平臺下為陡墻的研究比較少，不能滿足實(shí)際工程需要。常常需要通過物理模型試驗(yàn)確定爬高。,問 題：,越浪量計算,海堤越浪現(xiàn)象：指海堤受到大的風(fēng)浪襲擊時，因浪高超過堤頂高程導(dǎo)致部分水體越過堤頂進(jìn)入內(nèi)坡的現(xiàn)象。通常用越浪量作為計量、評價和控制參數(shù)。,定義：,海堤越浪量：指1m單位寬度海堤上每秒鐘波浪翻越海堤的水量。其單位為,一般海堤在設(shè)計波浪作用下都允許有少量越浪。對于部分不允許波浪越過堤頂?shù)男逼碌?，需通過對越浪量的計算進(jìn)行

5、校核堤頂高程。,海堤工程設(shè)計規(guī)范（SL 4352008）推薦公式,1、斜坡頂無胸墻時，越浪量的計算,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A、B,護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù),2、斜坡頂有胸墻時，越浪量的計算,B經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表確定,頂部有胸墻的斜坡式建筑物,允許越浪量：,允許越浪量根據(jù)海堤表面防護(hù)情況按規(guī)范中表6.6.2取,工程實(shí)例 （一）防潮標(biāo)準(zhǔn)：采用百年一遇作為計算防潮標(biāo)準(zhǔn) （二）海堤型式：斜坡式，岸頂高程4.5m，陡墻式混凝土防浪墻。迎海側(cè)護(hù)面為柵欄板護(hù)面，坡度比1：2，底部干砌石，碎石墊層，拋石基層，堤頂鋼筋混凝土護(hù)面，寬9m。,（三）堤頂高程復(fù)核和越浪量復(fù)核,計算參數(shù) 百年一遇高潮位hP=3.10m 風(fēng)速VZ=34.5m/s

6、 風(fēng)區(qū)長度D=1333m 安全超高A=0.5m，允許越浪 堤前水深d=hP-h灘=3.1-（-0.2）=3.3m 波高累積頻率F%=1% 現(xiàn)狀堤頂高程Ha=4.5m 現(xiàn)狀防浪墻高程H=5.4m,堤頂高程復(fù)核式：ZP=hP+RF+A,1.設(shè)計波浪推算：由當(dāng)?shù)仫L(fēng)場要素推算波浪要素,波浪要素計算(由已知的風(fēng)速V 、風(fēng)區(qū)長度F 和水深d , 確定穩(wěn)定狀態(tài)的風(fēng)浪要素平均波高H 和平均波周期T),特征波：,2.波浪爬高,柵欄板護(hù)坡糙滲系數(shù)K取0.49 風(fēng)速系數(shù)KV根據(jù)V/C查表取1.28,計算出柵欄板護(hù)坡的波浪爬高：R1%=1.8,采用正向不規(guī)則波的爬高計算公式,3.堤頂高程復(fù)核,允許越浪時，堤頂高程：Z

7、P=hP+RF+A=3.1+1.8+0.5=5.4 m,4.越浪量核算,根據(jù)護(hù)面情況，允許越浪量為0.05,B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)=0.45，KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)=0.5,計算越浪量為：,防浪墻頂高程勉強(qiáng)滿足要求。,計算越浪量允許越浪量，滿足允許越浪量要求。,主要設(shè)計內(nèi)容 A 砌石護(hù)坡厚度計算 (1)港口工程技術(shù)規(guī)范法 (2) 裴什金法 (3) 海堤工程設(shè)計規(guī)范法 B 穩(wěn)定重量計算 (1) 單個塊石或人工塊體穩(wěn)定重量計算 (2) 護(hù)底塊石穩(wěn)定重量計算 C 護(hù)面混凝土板厚度計算,2 護(hù)坡計算,A 砌石護(hù)坡厚度計算,(1)港口工程技術(shù)規(guī)范法（海港水文規(guī)范P73 8.2.9）,注意海港水文規(guī)范中公式的使用范

8、圍包括坡度、相對水深和波坦 坡度m: 1.53 堤前相對水深d/H: 1.54 波坦L/H: 1025 海港水文規(guī)范還提供了斜坡式建筑物的干砌條石護(hù)面的厚度公式。 計算波高取值： 當(dāng) ，H取H4%,當(dāng) H取H13%.,使用范圍:1.5=m=0.125, H4%, 0.125 H13%,注意：裴什金法也可以用在漿砌塊石厚度，不過漿砌塊石厚度計算時,H均取H13%.,干砌塊石護(hù)面,A 砌石護(hù)坡厚度計算,(3)海堤工程設(shè)計規(guī)范法（P113）,干砌條石,A 砌石護(hù)坡厚度計算,(3)海堤工程設(shè)計規(guī)范法（P113）,算例,人工塊體或塊石護(hù)面層厚度計算,層數(shù)：23層 先計算穩(wěn)定塊體重量，再計算厚度，便于圖紙

9、上標(biāo)明厚度,人工塊體的個數(shù)計算：,空隙率：顆粒物料中，顆粒與顆粒間的空隙體積與整個顆粒物料層體積之比。,（1）單個塊石或人工塊體穩(wěn)定重量計算,B 穩(wěn)定重量計算,容許失穩(wěn)率表示靜水面上下一個波高范圍內(nèi)，容許被波浪打擊移動和滾落的塊體個數(shù)所占的百分比,公式適合應(yīng)用于不越浪的情況.,材料：經(jīng)過分選的塊石、異形塊體,注意：,在破波區(qū)域的塊石重量應(yīng)當(dāng)適量加重,可以比計算的重量增加10%25%,另外在堤頭的塊體重量也要增加.,護(hù)面墊層塊石的重量可取護(hù)面塊石穩(wěn)定重量的1/201/10,（2）護(hù)底塊石穩(wěn)定重量計算,B 穩(wěn)定重量計算,（2）護(hù)底塊石穩(wěn)定重量計算,護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量，可根據(jù)堤前最大波浪底流速確定

10、與最大波浪底流速為2m/s、3m/s、4m/s和5m/s相應(yīng)的護(hù)底塊石重量為60kg、150kg、400kg和800kg。,B 穩(wěn)定重量計算,1、斜坡堤前最大波浪底流速（近破波）,C 護(hù)面混凝土板厚度計算,使用范圍：斜坡坡度m=25,柵欄板厚度：,斜坡坡度系數(shù)m=1.52.5時 ,柵欄板的厚度按下式計算： d_堤前水深,3 防護(hù)墻穩(wěn)定計算,G,P,Pe,Pu,穩(wěn)定計算內(nèi)容：,A 墻身抗傾復(fù)穩(wěn)定性計算 B 墻身整體沿墻底面或墻身沿各水平縫的抗滑 穩(wěn)定性計算 C 施工期間，防護(hù)墻穩(wěn)定性 D 防護(hù)墻沿墊層與地基接觸面的抗滑穩(wěn)定 E 地基穩(wěn)定計算,計算工況,A 墻身抗傾復(fù)穩(wěn)定性計算,B 各水平縫抗滑穩(wěn)

11、定計算,抗傾穩(wěn)定安全系數(shù),抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),C 防護(hù)墻沿墊層與地基接觸面的抗滑穩(wěn)定（非粘性土）,D 防護(hù)墻沿墊層與地基接觸面的抗滑穩(wěn)定（粘性土）,穩(wěn)定計算內(nèi)容：胸墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定計算,防浪墻穩(wěn)定計算工況及臨海側(cè)水位,計算各種工況下的荷載,基本荷載：自重、設(shè)計潮位時的波浪壓力、土壓力,特殊荷載：地震荷載以及其它出現(xiàn)機(jī)會較少的荷載,4 防浪胸墻穩(wěn)定計算,抗傾、抗滑穩(wěn)定計算,K的計算詳見海堤規(guī)范附錄M,允許的安全系數(shù)詳見海堤規(guī)范,主要荷載：波浪水平力，波浪上托力 （參考海港水文規(guī)范中的8.2.11）,A 先按堤前水深和波高確定堤前波浪形態(tài)，依次分類確定波壓力計算公式,B 計算海堤前水深的波壓力分布

12、，截取作用與胸墻部分的波壓力 （參考海港水文規(guī)范8.1）,荷載計算過程：,（一）波浪對胸墻的作用及組合,計算波浪對胸墻作用力時，一般波高采用1%波高，波長由平均周期算得,p,胸墻上的平均壓強(qiáng)及波壓力分布高度,（1）無因次參數(shù) 、 按規(guī)范海港水文規(guī)范JTJ213-98公式計算 d1-胸墻前水深（m），當(dāng)靜水面在胸墻底面以下時，d1為負(fù)值， d堤前水深（m）； H設(shè)計波高（m）； L波長（m）； 該參數(shù)實(shí)際上反映的是防浪墻的位置，包括離水面高度，波浪爬坡高度，及波浪特性,-,（2）波峰作用時胸墻上平均壓力強(qiáng)度 按規(guī)范海港水文規(guī)范JTJ21398公式計算： 當(dāng) 與無因次參數(shù) 和波坦 有關(guān)的平均壓力強(qiáng)

13、度,（3）墻上波壓力分布高度 與無因次參數(shù)和波坦有關(guān)的波壓力作用高度系數(shù),（4）單位長度胸墻上水平波浪力標(biāo)準(zhǔn)值P（ ）的計算： （5）單位長度胸墻底面上的波浪浮托力標(biāo)準(zhǔn)值計算 波浪浮托力折減系數(shù)，采用0.7 b胸墻底寬(m),（二）防浪胸墻抗滑、抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算,（1）沿墻底抗滑穩(wěn)定性的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，按下式計算 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； 水平波浪力分項(xiàng)系數(shù)； 波浪浮托力分項(xiàng)系數(shù)； 自重力分項(xiàng)系數(shù)； 土壓力分項(xiàng)系數(shù)； f胸墻底面摩擦系數(shù)設(shè)計值。,（2）沿墻底抗傾穩(wěn)定性的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，按下式計算： 水平波浪力的標(biāo)準(zhǔn)值對胸墻后趾的傾覆力矩（kNm）； 波浪浮托力的標(biāo)準(zhǔn)值對胸墻后趾的傾覆力矩（k

14、Nm）； 胸墻自重力標(biāo)準(zhǔn)值對胸墻后趾的穩(wěn)定力矩（kNm）； 土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值對胸墻后趾地面的穩(wěn)定力矩（kNm）； 結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.25；,5 海堤抗滑穩(wěn)定計算,（1）海堤穩(wěn)定計算要解決的問題：,（2）重度的選擇,A 浮容重 B 干容重 C 飽和容重 D 浸潤線的確定,1 根據(jù)地基強(qiáng)度指標(biāo)和工程的安全系數(shù)， 設(shè)計海堤。 2 根據(jù)海堤斷面，驗(yàn)算穩(wěn)定性。,（3）海堤抗滑計算的工況,A 總應(yīng)力法 B 有效應(yīng)力法,（4）海堤抗滑計算方法,海堤地基強(qiáng)度指標(biāo)和應(yīng)用范圍,A 總應(yīng)力法(瑞典條分法),不考慮土條兩側(cè)面的相互作用力,B 有效應(yīng)力法,淤泥： 天然含水率大于液限,天然孔隙率大于 等于1.5的粘性土.,海

15、堤沉降計算,概念：初始沉降,淤泥質(zhì)土: 天然孔隙率小于1.5,但是大于1.0 的粘性土.,沉降原因： 初始沉降 固結(jié)沉降,固結(jié)沉降, 初始沉降,分層總和法：, 固結(jié)沉降,S最終沉降量，mm； n壓縮層范圍的土層數(shù)； e1i第i土層在平均自重和平均附加固結(jié)應(yīng)力作用下的孔隙比； e2i第i土層在平均自重和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比； hi第i土層的厚度，mm； m修正系數(shù)，一般堤基的m=10，對軟土堤基可采用m=13 16，堤身較高、堤基土較軟弱時取較大值，否則取較小值。,1、首先在防波堤斷面上選擇沉降計算點(diǎn)的位置，再按作用在基礎(chǔ)上荷載的性質(zhì)，求出基地壓力的大小和分布。當(dāng)基礎(chǔ)有埋置深度d時，采

16、用地基凈壓力 去計算地基中的附加應(yīng)力,2、將地基分層。在分層時天然土層的交界面為分層面，同時在同一類土層中，各分層的厚度不宜過大。,3、計算地基中土的自重應(yīng)力分布。求出計算點(diǎn)垂線上各分層層面處的豎向自重應(yīng)力（從地面算起）。,4、計算地基中豎向附加應(yīng)力分布。根據(jù)海堤三角形簡化，條形基礎(chǔ)上受三角形均布荷載作用。此時地基附加應(yīng)力系數(shù)采用下式進(jìn)行計算： 其中參數(shù) 式中： b 基底寬度； x 計算點(diǎn)距角點(diǎn)距離（取值）； z 計算點(diǎn)垂線上各分層層面距地面距離。 由 求出計算點(diǎn)垂線上各分層層面處的豎向附加應(yīng)力 。當(dāng) 時，確定該處深度為壓縮層的厚度。,5、按算術(shù)平均求各分層平均自重應(yīng)力 和平均附加應(yīng)力 ：,由

17、此查得孔隙比,6、求第i分層的壓縮量。根據(jù)第i分層的平均初始應(yīng)力 及初始應(yīng)力與附加應(yīng)力之和 ，得到每層土體的壓力增量。 于是可得第i分層的壓縮量。 7、最后將每層的壓縮量累加,海堤設(shè)計算例,地理位置 附件某中型企業(yè)擬通過填海造地工程建設(shè)倉庫。工程附近岸線大致呈南北走向，西側(cè)背靠大陸；南有海島作為屏障，相距約10km。,水文,極端高水位(重現(xiàn)期50 年一遇) 4.51m 極端低水位(重現(xiàn)期50 年一遇) -4.12m 設(shè)計高水位(高潮累積頻率10) 3.22m 設(shè)計低水位(低潮累積頻率90) -3.01m,擬建工程圍堤前沿設(shè)計波高 ：,地質(zhì) ：,場地內(nèi)巖土層可分為7大層，自上而下依次為：,1、全

18、新統(tǒng)海積層（Q4m）：根據(jù)顆粒組成差異可細(xì)分為： a.淤泥質(zhì)粘土（Q4m）（1a）：呈深灰色，主要由粘、粉粒組成，質(zhì)較純，局部夾薄層粉、細(xì)砂或含砂較多。該層標(biāo)貫試驗(yàn)大多產(chǎn)生自沉現(xiàn)象（25cm，飽和； 該層呈稍中密狀，局部密實(shí)，屬中壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。,4、殘積粘性土（Qel）：殘積層；呈淺黃、灰白色，主要由粘、粉粒組成，質(zhì)較純，原巖結(jié)構(gòu)特征不清晰，母巖為火山凝灰?guī)r；該層標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)2128擊，呈可硬塑狀，屬中壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。 5、全風(fēng)化火山巖(J3nC)：燕山早期侵入的上侏羅系南園組凝灰熔巖(J3nC)風(fēng)化；呈褐黃、灰黃色，大部分長石已風(fēng)化為粘土礦物，具

19、散體結(jié)構(gòu)，巖芯呈粘性土狀，手捏即散；該層標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)3242擊，巖石極破碎，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)為級，天然狀態(tài)下力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好，但泡水易崩解。,6、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(J3nC)：燕山早期侵入的上侏羅系南園組凝灰熔巖(J3nC)風(fēng)化；根據(jù)巖芯結(jié)構(gòu)可細(xì)分為： a.散體狀強(qiáng)風(fēng)化火山巖(J3nC)（6a）：呈灰褐、灰黃色，部分長石已風(fēng)化為粘土礦物，具散體結(jié)構(gòu)，巖芯呈粘性土或砂礫狀，手捏即可散。該層標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)5398擊，巖石極破碎，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為類，天然狀態(tài)下力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好，但長時間泡水可軟化崩解。 b.碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化火山巖(J3nC)（6b）：呈灰褐、灰黃色，具碎

20、裂狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈碎塊狀，手折可斷；該層巖石破碎，屬次軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為類，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。 7、中風(fēng)化火山巖(J3nC)：燕山早期侵入的上侏羅系南園組凝灰熔巖風(fēng)化；呈灰黃、灰白色，具厚層狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈片狀或柱狀，錘擊聲稍清脆，金剛石鉆進(jìn)時伴有強(qiáng)烈撥鉆聲，進(jìn)尺緩慢；該層巖石較完整，屬次硬極硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為類，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。,設(shè)計過程,一、確定工程等級,項(xiàng)目為中型企業(yè)，確定填海造地工程圍堤的工程等級為級，防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期）取50年一遇設(shè)計高潮位，波浪取50年一遇波要素。,二、確定圍堤的結(jié)構(gòu)斷面型式,根據(jù)工程地質(zhì)情況、材料資源及附近工程經(jīng)驗(yàn)，圍堤擬采用拋石斜坡

21、堤結(jié)構(gòu)型式。 護(hù)面塊體擬采用珊欄板。斜坡的坡度取1:2。斜坡堤具有堤身穩(wěn)定性好，適應(yīng)地基能力強(qiáng)，基底應(yīng)力擴(kuò)散效果好，波浪爬高小，消能效果好等特點(diǎn)。,三、確定斜坡堤的斷面尺寸,1、堤頂高程,根據(jù)海堤工程設(shè)計規(guī)范，海堤堤頂高程按照下式計算：,按允許越浪計算波浪爬高：,糙滲系數(shù),正向規(guī)則波作用下：,乘以換算系數(shù),風(fēng)直接作用下：,波速：,風(fēng)速：,實(shí)取10.3m,2、越浪量驗(yàn)算,按堤頂有胸墻計算越浪量：,根據(jù)護(hù)面情況，允許越浪量為0.05,越浪量滿足要求。,3、堤頂寬度,堤頂寬度取波高的1.101.25倍,取5.3m,4、護(hù)面結(jié)構(gòu),護(hù)面結(jié)構(gòu)宜選擇穩(wěn)定性好，消浪效果較好，適應(yīng)地基不均勻沉降，施工方便的護(hù)面塊體。本項(xiàng)目擬采用柵欄板。,柵欄板的厚度計算：,柵欄板重度：,水的