直立式防波堤

1、第八章 直立式防波堤,本章主要內(nèi)容：直立防波堤的結(jié)構(gòu)型式直立式波浪對防波堤的作用直立式防波堤的斷面尺寸和構(gòu)造重力式防波堤的計算,,,Ⅰ、直立防波堤的結(jié)構(gòu)型式,直立式防波堤的結(jié)構(gòu)形式有重力式和樁式兩類，其中重力式最常用。近些年來，隨著港口技術(shù)的不斷發(fā)展，在一般重力式直立堤的基礎(chǔ)上，又研制出許多可減少波浪，增加穩(wěn)定和免于或減少地基處理的新型結(jié)構(gòu)，如：消能方塊，消能沉箱，大直徑圓筒，削角直立堤等。一、重力式直立堤 依靠結(jié)構(gòu)

2、本身的重量來抵抗水平外力，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。其功能和構(gòu)造與重力式碼頭基本相同。 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、巨型混凝土方塊式和大直徑圓筒式等。,,1、方塊式直立堤,⑴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。 ⑵優(yōu)點 墻身堅固耐久，施工簡便，能抵御較大的波浪。 ⑶缺點 自重大，地基

3、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，對不均勻沉降比較敏感。 ⑷適用條件 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、沉箱直立堤,⑴沉箱墻身主要有：矩形、圓形和帶消能室的砼沉箱 ⑵優(yōu)點：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。 ⑶缺點：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

4、航道。箱壁較薄，在水位變動區(qū)易受還水侵蝕而損壞，而沉箱一旦破壞，修復(fù)困難。 ⑷適用條件：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。 圓形沉箱受力條件較好，對波浪、水流的反射較小，但其制作、浮運及安裝較麻煩，使用受一定限制。 帶節(jié)能室的沉箱，在前墻一定范圍內(nèi)開孔，使艙格形成消能室，適用于須消減波浪和減少墻前反射或岸線夾角處波能集中的地方。,3、大直徑圓筒直立堤,墻身直徑為3

5、ｍ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。１. 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。２. 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 ⑴對于沉入地基較淺（1.5～3m）的圓筒，其工作狀態(tài)同重力直立堤。 ⑵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：單排樁式、雙排樁式和鋼板樁格形結(jié)構(gòu)等形式。1、 單排樁防波堤

6、 它由打入地基中的排樁、樁頂部的帽梁和連接構(gòu)件組成。 排樁結(jié)構(gòu)呈懸工作狀態(tài)，為了改善直狀的受力狀態(tài)，可間隔設(shè)置斜樁來頂撐直樁。,,2、 雙排樁式防波堤 兩側(cè)是打入地基中的排樁，每排樁由縱向?qū)Я杭茏?，然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)。 這種防波堤的寬度和埋入地基深度決定于抗滑、抗傾穩(wěn)定性。在內(nèi)力計算時?？蓪?nèi)、外排樁視為各自

7、獨立的單排樁，按有錨板樁的計算方法進(jìn)行計算。,3、 鋼板樁格形結(jié)構(gòu)防波堤 是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。 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。 其缺點是鋼板樁 在水位變動區(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

8、墻削 掉一個角。這樣，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；同 時，作用在斜面的波壓力的 垂直分力還有利于締的穩(wěn)定， 從而減小了堤的斷面。 缺點：削角斜面上的越浪較 大。,2、開孔消浪直立堤 將沉箱開海側(cè)的箱壁上開一系列孔洞 ，部分波浪水體通過孔洞進(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

9、的劇烈紊動來消能，以達(dá)到減少 波浪力的目的。同樣 也可采用迎浪側(cè)帶有 消浪孔洞的方快防波 堤。它適用于水深小 于6m、波浪周期小于 6s的環(huán)境。,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：波浪力作用小，構(gòu)件受力性能好。,4、 削角空心方塊防波堤 結(jié)合削角斜面結(jié)構(gòu)

10、和開孔消浪結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點的一種新型結(jié)構(gòu)。,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

11、波的波浪要素完全相同，入射波和反射波迭加后形成立波。其特點是撥高增加一倍，波長和周期不變。,Ⅱ、直立式波浪對直立式防波堤的作用,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波長以內(nèi)或是基床頂面水深不足時，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波長或梢遠(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，

12、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(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 見下表。,備注： ①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，宜用d2代替基床上水深d1來確定波態(tài)和波浪力。 ②當(dāng)進(jìn)行波波陡較大（H/L＞1/14）時，則立波波陡較原始波增加一倍，當(dāng)達(dá)到極限波陡時，立波可能破碎，堤身將 受到破碎立波的壓力。

13、 ③對暗基床和低基床的直墻式建筑物，當(dāng)墻前水深d＜2H 且水底坡度i＞1/10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浪壓力計算 1、公式的應(yīng)用范圍 ⑴當(dāng)d>=1.8H, d/L=0.05～0.12時,波峰(谷)時的波壓力采用大連理工大學(xué)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

14、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）。 ⑵當(dāng)H/L≥1/30，0.5> d/L>0.2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。 ⑶當(dāng)H/L≥1/30，d/L=0.139～0.2時,波峰(谷)時的波壓力的計算均采用Sainflow公式。 ⑷當(dāng)d/L≥0.5時,按深水立波計算波壓力。 ⑸當(dāng)d≥1.8H，0.139> d/L>

15、0.12和8<T*<=9時，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)d≥1.8H, d/L=0.05～0.12時，作用于直墻建筑物上的立波波壓力的計算 ⑴波峰作用時 ①波面高程的計算,②靜水面以上波壓力分布強(qiáng)度折點的位置hc以及波壓力強(qiáng)度pac的計算 ③靜水面處及水下墻面上特征點處波壓力強(qiáng)度（Poc，Pbc和Pdc）,,④單位

16、長度墻上的水平總波浪力的計算 ⑤單位長度墻上的總水平波壓力的力矩Mc,,,⑥單位長度墻底面上的波浪浮托力按下式計算 ⑵波谷作用時 波谷時，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，波浪的附加壓力的方向是離堤的，或稱為負(fù)壓力。 ①波谷波面高程： ②墻面各特征點波壓力強(qiáng)度：,,,,③單位長度墻面上水平總波壓力 ④單位長度墻底面上向上

17、方向的總波壓力,,,3、當(dāng) 、 時：簡化Sainflow公式 ⑴淺水立波波壓力： 式中：波峰時取正，波谷時取負(fù)； Z——墻面在靜水面以下任一關(guān)的深度； r——海水容重； ⑵立波中心線超高HS：波浪中心線超出靜水面的高度。,,,⑴波峰作用時 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

18、處，p0＝0總波壓力： 波浮托力：,,,,⑵波谷作用時 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，對立波作用 ⑴波峰作用時：采用有限振幅波一次近似解 特點：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

19、，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：,,,,墻底處的波壓力強(qiáng)度： 波浪浮托力：單位長度墻上的總波壓力：,,,⑵波谷作用時：按Sainflow公式計算5、當(dāng) 時，按深水立波計算 ⑴波峰作用時，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

20、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。,,,,⑵波谷作用時，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算1、 波峰作用時 ⑴靜水面以上高度H處的波浪壓力強(qiáng)度為零； ⑵靜水面處的波浪壓力強(qiáng)度為：

21、 ps=γK1K2H ⑶靜水面以上的波浪壓力強(qiáng)度按直線變化； ⑷靜水面以下深度Z=H/2處的波浪壓力強(qiáng)度 pz=0.7pS ⑸水底處的波浪壓力強(qiáng)度 Pd=0.6pS， d/H≤1.7 pd=0.5pS， d/H＞1.7,⑹墻底面上的浮托力為： Pu=μbpd/2

22、2、 波谷作用時 ⑴靜水面處波浪壓力強(qiáng)度為零； ⑵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=0.5γH ⑶墻底面上方向向 下的波浪力為 Pu′=bp/2,四、 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?。?，我國規(guī)范法。1、 適用范圍 ⑴只考慮波峰 ⑵直立墻明基床為拋石基床，前坡1：m

23、，m＝2～3，基肩寬度：b＝（1～2）H，或近似于d1,,計算結(jié)果不符合上訴條件，需做模型試驗。2、計算公式 ⑴靜水面以上高度Z處的波壓力強(qiáng)度為0,,⑵靜水面處波浪壓力強(qiáng)度 當(dāng)1/3＜d1/d≤2/3時 當(dāng)1/4＜d1/d≤1/3時 ⑶墻底處的波浪壓力強(qiáng)度 pb=0.6pS,,,⑷單位長度墻底的總波浪力按下式計算 當(dāng)1/3＜d1/d≤2/3時 當(dāng)1/4＜d1/d≤1/3時 ⑸墻面上的波浪浮

24、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(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：按不越頂計算波浪

25、力，減去越頂部分的波壓 力，試驗證明時偏安全的 。2、 削角堤波浪力 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 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；

26、 護(hù)底：保護(hù)堤前地基，免受海水淘刷 。,Ⅲ、直立式防波堤的斷面尺寸和構(gòu)造,二、斷面尺寸擬定 1、高程設(shè)計 ⑴堤頂高程 允許少量要求（無作業(yè)要求）=設(shè)計高水位+（0.6～0.7）H 基本不越浪（有作業(yè)要求）=設(shè)計高水位+（1.0～1.25）H 備注：　?、僦绷⒌淘O(shè)計波高，除特別注明外，均指重現(xiàn)期為50年、波列累計頻率為1%的波高H，但不超過淺水極限波高。 ②對于上部結(jié)構(gòu)為削角型式的直立堤，

27、其頂部高程宜取高值。 ⑵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（0.3～0.5m）,⑶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。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： ①考慮基床對堤前波浪形態(tài)的影響（避免在設(shè)計低水位時出現(xiàn)近破波），要避免這種情況，要求d1（d2）≥（1.5～2.0）d；

28、 ②考慮地基承載能力； ③結(jié)構(gòu)總造價。2、 基床寬度 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)由計算確定，但拈性土地基不小于1.5m，砂土地基不小于1.0m。4、 堤身寬度 原則上由穩(wěn)定計算確定（抗傾覆、抗滑和地基承載能力及沉降等），初設(shè)時可取：B＝0.8×

29、堤高。,三、斷面構(gòu)造 1、上部構(gòu)造 ⑴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。 ⑵型式 直立式，弧形式，削角面式等 對削角面式： ①削角面與水平面的夾角α可取25°～30°　?、谝话闱闆r下，削角直立堤的頂標(biāo)高不應(yīng)低于直立頂標(biāo) 高，即至少在設(shè)計高水位以上0.7H處 ③削角平面的拐點可設(shè)在設(shè)計高水位附近 ⑶厚度 厚

30、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） 對方塊式，由于受到較大的波浪力作用，其最小重量應(yīng)滿足P137表7-2-4的要求。具體設(shè)計時參閱規(guī)范。3、 拋石基床結(jié)構(gòu) ⑴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；

31、 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 ⑵塊石重量：10～100kg ⑶護(hù)底塊石：基床向海一側(cè)需修建堤前護(hù)底，取1～2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 1、作用 較碼頭單純，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，應(yīng)以設(shè)計波高及對應(yīng)的波長確定的波浪力作為標(biāo)準(zhǔn)值。 2、設(shè)計狀況及相應(yīng)組合 ⑴持久狀況（重現(xiàn)

32、期為50年） ①設(shè)計高水位時：波高采用相應(yīng)的設(shè)計波高（重現(xiàn)期為50年），應(yīng)考慮以下持久組合。,Ⅳ、重力式防波堤的計算,②設(shè)計低水位時，波高采用以下兩種方法： A、當(dāng)推算外海設(shè)計波浪時，應(yīng)取設(shè)計低水位進(jìn)行波浪淺水變形分析，求出堤前的設(shè)計波高； B、當(dāng)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。 ③設(shè)計高水位時，堤前波態(tài)為立波，而設(shè)計低水位

33、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(jìn)行計算。 ④極端高水位時，波高采用相應(yīng)的設(shè)計波高；極端低水位時，可不考慮波浪力的作用。,⑵短暫狀況：應(yīng)考慮以下組合 對未成型的重力式直立堤進(jìn)行施工期復(fù)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5～10年。 ⑶偶然狀況 在進(jìn)行重力式直立堤地基承載力和整體穩(wěn)定性計算時，應(yīng)考慮地震作用的偶然組合。水位采

34、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)定性計算，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、重力式直堤計算 1、計算內(nèi)容（同重力式碼頭類似） ⑴沿堤底和堤身各水平縫的抗傾覆穩(wěn)定性 ⑵沿堤底和堤身各水平縫的抗滑穩(wěn)定性（波峰谷） ⑶沿基床底面的抗滑穩(wěn)定性（明基床沿滑動面） ①明基床 ②暗基床,,⑷基床和地基承載力（同重力式）

35、 ⑸整體穩(wěn)定性（應(yīng)帶入波浪力） ⑹地基沉降 ⑺明基床護(hù)肩塊石和堤前護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量 ⑻對沉箱結(jié)構(gòu)尚應(yīng)計算 ①沉箱的吃水，干舷高度和浮游穩(wěn)定性 ②沉箱的外壁、隔墻、底板和底板懸臂的承載力和裂縫寬度。 備注：①計算外壁時，應(yīng)考慮使用時期箱外為波峰或波谷 壓力。箱內(nèi)為填料側(cè)壓力的組合情況。 ②計算底板時，應(yīng)分別考慮堤身在波峰或波谷作用 下的基床反力與箱內(nèi)填料垂直壓力組合；

36、③具體計算可參閱《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。,,,,2、 護(hù)肩塊石和護(hù)底塊石 ⑴護(hù)肩塊石和坡面 參閱規(guī)范附錄F計算或查表。 ⑵護(hù)底塊石 根據(jù)堤前最大的波浪底流速Vmax按規(guī)范表4.2.21選取。 ①堤前為立波： ②堤前為遠(yuǎn)破波： ③堤前為近破波：,三、直堤堤頭和堤根的設(shè)計特征 1、堤頭設(shè)計特征 ⑴平面形狀和加寬特征 ①形狀　　方形（

37、矩形和折角形）、圓形和半圓與矩形的組合?、诩訉?向港內(nèi)、向港外和向兩側(cè)。設(shè)計時宜向港內(nèi)加寬 　 ⑵堤頭的結(jié)構(gòu)特征 ①適當(dāng)加寬護(hù)底寬度（堤頭處水流流速和波浪底流速都較大）。,②堤頭基床的內(nèi)外坡度比堤外緩，并要加強(qiáng)基肩部分的保護(hù) ③堤頭頂部三面均要設(shè)胸墻，且比堤外胸墻高，以保護(hù)堤頭設(shè)施（如燈塔） ④堤頭段和堤外段銜接處要設(shè)變形縫 ⑤堤頭段長度＝1.5－2倍堤頭寬度2、堤根設(shè)計特點