1、海岸工程學(xué),2012年3月,李俊花,4.3 直立式防波堤,主要內(nèi)容：,4.3.1 直立防波堤的結(jié)構(gòu)型式,4.3.2 波浪對(duì)直立式防波堤的作用,4.3.3 直立式防波堤的斷面尺寸和構(gòu)造,4.3.4 重力式防波堤的計(jì)算,4.3.1 直立防波堤的結(jié)構(gòu)型式,一、重力式直立堤,按堤身結(jié)構(gòu)分，主要有： 鋼筋混凝土沉箱式 普通混凝土方塊式 巨型混凝土方塊式 大直徑圓筒式等。,依靠結(jié)構(gòu)本身的重量來(lái)抵抗水平外力，維持建筑物的穩(wěn)定性。它主要由基床、墻身和上部結(jié)構(gòu)等組成。,1、方塊式直立堤,墻身塊體型式 方塊式墻身主要有：普通方塊（正砌方塊、斜砌方塊）、巨型方塊和消浪方塊。 優(yōu)點(diǎn) 墻身堅(jiān)固耐久，施工簡(jiǎn)便，能抵御較大

2、的波浪。 缺點(diǎn) 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(jìn)度慢，堤身整體性能差，易隨地基沉降而變形，對(duì)不均勻沉降比較敏感。 適用條件 施工期波浪不大，現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備能力較大和地基較堅(jiān)實(shí)的情況。,2、沉箱直立堤,沉箱墻身主要有：矩形、圓形和帶消能室的砼沉箱 優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)度快，箱中填以砂礫可降低造價(jià)。 缺點(diǎn)：沉箱的預(yù)制和水下需要相應(yīng)的場(chǎng)地和設(shè)備，要有足夠的水深的航道。箱壁較薄，在水位變動(dòng)區(qū)易受海水侵蝕而損壞，而沉箱一旦破壞，修復(fù)困難。 適用條件：有條件的地方（有預(yù)制能力，滑道和船塢，浮運(yùn)水深足夠）在實(shí)際工程中，矩形沉箱采用較多。,

3、鋼筋混凝土沉箱防波堤,3、大直徑圓筒直立堤,墻身直徑為3以上的薄壁無(wú)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(jī)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(duì)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,有：?jiǎn)闻艠妒?、雙排樁式和鋼板樁格形結(jié)構(gòu)等形式。 1、 單排樁防波堤 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,2、 雙排樁式防波堤 兩側(cè)是打入地基中的排樁，每排樁

4、由縱向?qū)Я杭茏。缓笥美瓧U將雙排樁對(duì)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,3、 鋼板樁格形結(jié)構(gòu)防波堤 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(diǎn)：格形結(jié)構(gòu)防波堤 整體穩(wěn)定性較好， 適用于水深大、 波浪強(qiáng)的情況。 缺點(diǎn)：鋼板樁 在水位變動(dòng)區(qū)易 銹蝕，需要采取 保護(hù)措施。,三、消能式防波堤 1、頂部削角直立堤 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 掉一個(gè)角。 優(yōu)點(diǎn)： 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

5、堤的穩(wěn)定， 從而減小了堤的斷面。 缺點(diǎn)：削角斜面上的越浪較大。,頂部削角直立堤,2、開孔消浪直立堤 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(guò)孔洞進(jìn)入海側(cè)箱格的消能室，利用堤前波浪與進(jìn)入消能室水體的相位差和水體進(jìn)入效能室后產(chǎn)生的劇烈紊動(dòng)來(lái)消能，以達(dá)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。 適用條件：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,3、 開孔半圓形防波堤 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。拱圈上開孔可消耗波能，底板上開孔可減小波浪浮托力。 特點(diǎn)：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

6、塊防波堤 (a)防波堤斷面圖 (b)方塊構(gòu)件圖,4、 削角空心方塊防波堤 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(diǎn)的一種新型結(jié)構(gòu)。,削角空心方塊防波堤,4.3.2 波浪對(duì)直立式防波堤的作用,一、直立式防波堤前波浪的形態(tài) 1、影響直立式防波堤前波浪形態(tài)的因素 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：立波、近破波、遠(yuǎn)破波。 立波：當(dāng)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(zhǎng)度大于一個(gè)波長(zhǎng)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

7、形成立波。其特點(diǎn)是波高增加一倍，波長(zhǎng)和周期不變。,近破波：當(dāng)直立墻前面較遠(yuǎn)處水深很大，而距建筑物前面 半個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)或是基床頂面水深不足時(shí)，波浪行進(jìn)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。 遠(yuǎn)破波：當(dāng)直立墻前面距墻身半個(gè)波長(zhǎng)或梢遠(yuǎn)處，其水深 小于波浪破碎水深情況下，進(jìn)行波將在到達(dá)建筑物之前破碎， 形成一股向前運(yùn)動(dòng)的水流沖擊墻身。這種波浪形態(tài)稱為遠(yuǎn)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。,2、各種形態(tài)的波浪產(chǎn)生的條件,備注： 當(dāng)明基床上有護(hù)肩方塊，且方塊寬度大于1.0倍波高時(shí)，宜用d2代替基床上水深d1來(lái)確定波態(tài)和波浪力

8、。 當(dāng)進(jìn)行波波陡較大（H/L1/14）時(shí)，則立波波陡較原始波增加一倍，當(dāng)達(dá)到極限波陡時(shí)，立波可能破碎，堤身將 受到破碎立波的壓力。 對(duì)暗基床和低基床的直墻式建筑物，當(dāng)墻前水深d2H 且水底坡度i1/10時(shí)，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(yàn)來(lái)確定。,二、作用于直立式防波堤的立波浪壓力計(jì)算 1、公式的應(yīng)用范圍 當(dāng)d=1.8H, d/L=0.050.12時(shí),波峰(谷)時(shí)的波壓力采用大 連理工大學(xué)發(fā)展的橢余(圓)立波的計(jì)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(shí)驗(yàn)和國(guó)外資料而制,為原規(guī)范的補(bǔ)充。（與實(shí)測(cè)結(jié)果也比較吻合）。 當(dāng)H/L1/30，0.5 d/L

9、0.2時(shí),波峰的波壓力采用有限振幅 波的一次近似解,波谷時(shí)仍采用Sainflow公式。 當(dāng)H/L1/30，d/L=0.1390.2時(shí),波峰(谷)時(shí)的波壓力的計(jì) 算均采用Sainflow公式。 當(dāng)d/L0.5時(shí),按深水立波計(jì)算波壓力。 當(dāng)d1.8H，0.139 d/L0.12和8T*=9時(shí)，波壓力（峰谷）采用內(nèi)扦(在橢余立波公式和淺水立波Sainflow公式之間)的方法。,2、當(dāng)d1.8H, d/L=0.050.12時(shí)，作用于直墻建筑物 上的立波波壓力的計(jì)算 波峰作用時(shí) 波面高程的計(jì)算,靜水面以上波壓力分布強(qiáng)度折點(diǎn)的位置hc以及波壓 力強(qiáng)度pac的計(jì)算 靜水面處及水下墻面上特征點(diǎn)處波壓力強(qiáng)度（P

10、oc， Pbc和Pdc）,單位長(zhǎng)度墻上的水平總波浪力的計(jì)算 單位長(zhǎng)度墻上的總水平波壓力的力矩Mc,單位長(zhǎng)度墻底面上的波浪浮托力按下式計(jì)算 波谷作用時(shí) 波谷時(shí)，堤前總波壓力小于靜水壓力；當(dāng)認(rèn)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(shí)，波 浪的附加壓力的方向是離堤的，或稱為負(fù)壓力。 波谷波面高程： 墻面各特征點(diǎn)波壓力強(qiáng)度：,單位長(zhǎng)度墻面上水平總波壓力 單位長(zhǎng)度墻底面上向上方向的總波壓力,3、當(dāng) 、 時(shí)：簡(jiǎn)化Sainflow公式 淺水立波波壓力： 式中：波峰時(shí)取正，波谷時(shí)取負(fù)； Z墻面在靜水面以下任一關(guān)的深度； r海水容重； 立波中心線超高HS：波浪中心線超出靜水面的高度。,波峰作用時(shí)

11、立波波壓力圖,波峰作用時(shí) 水底處波壓力強(qiáng)度： 靜水面處的波壓力強(qiáng)度： 直墻底處的波壓力強(qiáng)度： H+hs處，p00 總波壓力： 波浮托力：,波谷作用時(shí)立波波壓力圖,波谷作用時(shí) 水底處的波壓力強(qiáng)度： 靜水面處波壓力強(qiáng)度為0 靜水面以下（H-hs）處波壓力強(qiáng)度： 墻底處波壓力強(qiáng)度：,總波壓力： 總波浪浮托力：,4、當(dāng) ， 時(shí)，對(duì)立波作用 波峰作用時(shí)：采用有限振幅波一次近似解 特點(diǎn)：以靜水面為基準(zhǔn)，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。 靜水面處： 靜水面以下深Z處波壓力強(qiáng)度：,波峰作用時(shí)立波波壓力圖（0.2d/L0.5）,墻底處的波壓力強(qiáng)度： 波浪浮托力： 單位長(zhǎng)度墻上的總波

12、壓力：,波谷作用時(shí)：按Sainflow公式計(jì)算 5、當(dāng) 時(shí)，按深水立波計(jì)算 波峰作用時(shí)，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(qiáng)度： 靜水面以下深度Z處的波壓力強(qiáng)度（下式中d=L/2）： 靜水面以下Z=L/2處的波壓力強(qiáng)度為零。,波谷作用時(shí)，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=0,三、作用于直立式防波堤的遠(yuǎn)破波波壓力 遠(yuǎn)破波波壓力可按以下公式計(jì)算 1、 波峰作用時(shí) 靜水面以上高度H處的波浪壓力強(qiáng)度為零； 靜水面處的波浪壓力強(qiáng)度為： ps=K1K2H 靜水面以上的

13、波浪壓力強(qiáng)度按直線變化； 靜水面以下深度Z=H/2處的波浪壓力強(qiáng)度 pz=0.7pS 水底處的波浪壓力強(qiáng)度 Pd=0.6pS， d/H1.7 pd=0.5pS， d/H1.7,墻底面上的浮托力為： Pu=bpd/2 2、 波谷作用時(shí) 靜水面處波浪壓力強(qiáng)度為零； 靜水面以下，從深度Z=H/2至水底處的波浪壓力強(qiáng)度為： p=0.5H 墻底面上方向向 下的波浪力為 Pu=bp/2,波峰時(shí)遠(yuǎn)破波波壓力圖,四、 作用在直立式碼頭近破波波壓力 計(jì)算方法有：米尼金法（計(jì)算結(jié)果偏大），前蘇聯(lián)規(guī)范（計(jì)算結(jié)果偏?。?，我國(guó)規(guī)范法。 1、 適用范圍 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：

14、b（12）H，或近似于d1,計(jì)算結(jié)果不符合上訴條件，需做模型試驗(yàn)。 2、計(jì)算公式 靜水面以上高度Z處的波壓力強(qiáng)度為0,靜水面處波浪壓力強(qiáng)度 當(dāng)1/3d1/d2/3時(shí) 當(dāng)1/4d1/d1/3時(shí) 墻底處的波浪壓力強(qiáng)度 pb=0.6pS,單位長(zhǎng)度墻底的總波浪力按下式計(jì)算 當(dāng)1/3d1/d2/3時(shí) 當(dāng)1/4d1/d1/3時(shí) 墻面上的波浪浮托力,備注： 1.由于近破波波壓力有很強(qiáng)的沖擊性，且破碎過(guò)程 復(fù)雜，波壓力不穩(wěn)定 （高波要素，地形，建筑物尺寸的 影響）在進(jìn)行防波堤平面布置和擬定結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)盡量 避免在設(shè)計(jì)低水位時(shí)出現(xiàn)近破波（即建筑物所處的位置 應(yīng)避開破碎帶）。 2. 對(duì)于低基床的直墻式建筑物，可先

15、按建筑物前水 深d繪制遠(yuǎn)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 1、波浪越頂 方法：按不越頂計(jì)算波浪力，減去越頂部分的波壓 力，試驗(yàn)證明時(shí)偏安全的 。 2、 削角堤波浪力 計(jì)算方法：按不同削角堤計(jì)算波壓力，在斜面上，用相應(yīng)高程上相同的波壓力法向作用在斜面上，偏于安 全。 削角堤最大的缺點(diǎn)是越波較大。,4.3.3 直立式防波堤的斷面尺寸和構(gòu)造,一、組成及功能 上部結(jié)構(gòu)：設(shè)置交通、擋波、削波； 墻身：擋波、沙，維持港內(nèi)穩(wěn)定，并傳遞外力至基 床； 基床：保護(hù)地基免受沖刷，平整地基便于安裝，分 布地基應(yīng)力； 護(hù)底：保護(hù)堤前地基，免受海水淘刷 。,二、斷面尺寸擬定 1

16、、高程設(shè)計(jì) 堤頂高程 允許少量要求（無(wú)作業(yè)要求）=設(shè)計(jì)高水位+（0.60.7）H 基本不越浪（有作業(yè)要求）=設(shè)計(jì)高水位+（1.01.25）H 備注： 直立堤設(shè)計(jì)波高，除特別注明外，均指重現(xiàn)期為50年、波列累計(jì)頻率為1%的波高H，但不超過(guò)淺水極限波高。 對(duì)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。 墻身頂高程（沉箱或最上層方塊的頂高程） 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,基床的頂面高程 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(jià)。定的高一些，可減少堤身高度，降低造價(jià)，但過(guò)高會(huì)造成近破波，因此設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： (I) 考慮地

17、基承載能力； (II) 結(jié)構(gòu)總造價(jià)。 2、 基床寬度 外肩寬（0.6倍計(jì)算堤身寬）+堤身寬+內(nèi)肩寬（0.4倍計(jì) 算堤身寬）； 暗基床底寬不宜小于直立堤墻底寬度加兩倍基床厚度。,3、 基床厚度 非巖石地基上的拋石基床厚度應(yīng)由計(jì)算確定，但粘性土地基不小于1.5m，砂土地基不小于1.0m。 4、 堤身寬度 原則上由穩(wěn)定計(jì)算確定（抗傾覆、抗滑和地基承載能力及沉降等），初設(shè)時(shí)可取：B0.8堤高。,三、斷面構(gòu)造 1、上部構(gòu)造 基本要求 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。 型式 直立式，弧形式，削角面式等 對(duì)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(biāo)高不應(yīng)

18、低于直立頂標(biāo) 高，即至少在設(shè)計(jì)高水位以上0.7H處 削角平面的拐點(diǎn)可設(shè)在設(shè)計(jì)高水位附近 厚度 厚度1m，嵌入沉箱或大直徑圓筒的深度30cm。,2、 堤身結(jié)構(gòu) 方塊、沉箱、大直徑圓筒、格形鋼板樁等（同重力式） 對(duì)方塊式，由于受到較大的波浪力作用，其最小重量應(yīng)滿足一定的要求。具體設(shè)計(jì)時(shí)參閱規(guī)范。 3、 拋石基床結(jié)構(gòu) 型式：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(wú)近破波的情況； 明基床：由于水深大，地基承載力高，在堤前無(wú)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(wú)近破波的情況 塊石重量：10100kg 護(hù)底塊石：基床向海一側(cè)需修建堤前護(hù)底，取12

19、層，厚度0.5m。,4.3.4 重力式防波堤的計(jì)算,一、重力式直立堤的承載能力極限狀態(tài)、設(shè)計(jì)狀況和作用 組合 1、作用 豎向荷載僅自重力，水平荷載主要是波浪力。在進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)時(shí)，應(yīng)以設(shè)計(jì)波高及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)確定的波浪力作為標(biāo)準(zhǔn)值。 2、設(shè)計(jì)狀況及相應(yīng)組合 持久狀況（重現(xiàn)期為50年） 設(shè)計(jì)高水位時(shí)：波高采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)波高（重現(xiàn)期 為50年），考慮持久組合。,設(shè)計(jì)低水位時(shí)，波高采用以下兩種方法： A、當(dāng)推算外海設(shè)計(jì)波浪時(shí)，應(yīng)取設(shè)計(jì)低水位進(jìn)行波浪 淺水變形分析，求出堤前的設(shè)計(jì)波高； B、當(dāng)只有建筑物附近部分水位統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)波浪時(shí)，可 取與設(shè)計(jì)高水位時(shí)相同的設(shè)計(jì)波高，但不超過(guò)低水位時(shí)的淺 水極限波高

20、。 設(shè)計(jì)高水位時(shí)，堤前波態(tài)為立波，而設(shè)計(jì)低水位時(shí)， 已為破碎波，尚應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)低水位至設(shè)計(jì)高水位之間可能產(chǎn)生 最大波浪力的水位情況進(jìn)行計(jì)算。 極端高水位時(shí)，波高采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)波高；極端低水 位時(shí)，可不考慮波浪力的作用。,短暫狀況：應(yīng)考慮以下組合 對(duì)未成型的重力式直立堤進(jìn)行施工期復(fù)合時(shí)，水位可 采用設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位，波高的重現(xiàn)期可采用510 年。 偶然狀況 在進(jìn)行重力式直立堤地基承載力和整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)， 應(yīng)考慮地震作用的偶然組合。水位采用設(shè)計(jì)低水位，不記 波浪與地震作用的組合。 備注： 直立堤的穩(wěn)定性計(jì)算，可不考慮堤內(nèi)側(cè)和堤外側(cè)波浪 相組合，即將堤內(nèi)側(cè)的水面作為靜水面。,二、重力式直堤計(jì)算 1、計(jì)算內(nèi)容 沿堤底和堤身各水平縫的抗傾覆穩(wěn)定性 沿堤底和堤身各水平縫的抗滑穩(wěn)定性（波峰谷） 沿基