1、海岸工程学海岸工程学2012年年3月月李俊花李俊花4.2 斜坡式防波堤 4.2.3 斜坡堤的断面设计4.2.2 波浪与斜坡堤的相互作用4.2.4 斜坡式防波堤的计算4.2.1 斜坡式防波堤的结构形式4.2.1 斜坡式防波堤的结构形式按材料分，大致可分为：一、斜坡式防波堤的结构形式抗浪能力差，多用于波浪不大且石料来源丰富的情况；石料来源丰富的情况；抗浪能力强，多用于波浪大的情况。二、斜坡式防波堤的特点与要求利用开采出来的大小不等的石块，不经分选，随意抛填。断面形式有梯形、折线形。 堤身密实、沉降均匀、施工简单； 块石重量轻，容易受波浪冲击破坏、后期维修费用高，因此逐渐被分级堤替代。按波浪对堤各部
2、位作用的不同采用不同重量的块石，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。 石料利用合理，便于有计划的开采石料；石料的来源和数量不易保证。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 重量大（最大可达6080t）稳定性好，抗波能力大。需要大型起重设备，水泥用量大、费用高。 波浪较大、缺乏石料，但有大型起重设备的情况。 块体重量轻、效果好，一般使用于波高小于3m的情况。长边与短边之比：平面尺度与设计波高的关系： a沿斜坡方向 b短边，沿堤轴线方向； H设计波高。当斜坡坡度：i=1：151：1.25时，栅栏板的厚度h：Hml
3、hb27.013.061.0235.0支撑棱体承载力要求较高 对斜坡平整度要求高。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。： 四脚锥体、四脚空心方块、扭工字、铁砧体、三柱体、六脚锥体。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。水深大、波浪大、地质条件软的情况。 4.2.2 波浪与斜坡堤的相互作用一、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
4、、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。二、波浪与斜坡的相互作用（即波浪的破碎、反射）（i=1：m）试验证明：m5，完全破碎，不反射；1m5，大部分破碎，很少反射（45）；m1，大部分反射，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，按斜坡堤计算斜坡式建筑物前通过反射迭加以后的波高和反射波高：式中： 斜坡式建筑物前通过反射以后的波高； 反射波高； 与斜坡面结构型式有关的糙渗系数； k=1时的反射波高，它与斜坡的m值和波陡H/L有关。RHHHRRHk HHRHkRH斜坡为单坡时
5、：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% 。冲刷深度：LHmHdc8 . 022. 1作用范围在爬高Rd之间，也就是坡面的保护范围。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 4.2.3 斜坡堤的断面设计
6、一、断面尺寸三、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）二、构造一、断面尺寸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：斜坡堤的护面采用人工块体时，取上述规定的较低值；采用块石结构时，可取较高值。对防护要求较高的斜坡堤，宜按波浪爬高计算确定其堤顶高程。保证在波浪作用下，堤顶块体的稳定性;保证满足施工和使用要求。：1.1H1.25H，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。1.11.25H由于堤底的透浪程度较大，堤顶的宽度不宜太宽，否则将影响港内的水面的稳定，在设计高水位处宽大于3H。 1、堤顶宽度和高程还应满足斜坡堤稳定
7、性要求；2、当采用陆上施工机具抛筑斜坡堤时，还应考虑在堤顶通行机具对顶宽的要求。 在港外侧设置水下支撑棱体的应低于设计低水位以下1倍设计波高处;不宜小于1m;棱体不小于1.5m，根据实际工程统计：3.51.5m4.02.0m5.03.0msssHmHmHm当时，棱体顶宽可取当时，棱体顶宽可取当时，棱体顶宽可取（1）减少主护面块体的数量；（2）支撑护面防止其下滑；（3）保护护底块石免遭冲刷。型式（b）将护面下端向海侧延伸形成棱体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。 一般有L型和反L型；可为浆砌块石，砼或钢筋砼结构；一般在堤顶面以上2m左右，胸墙底面一般嵌入
8、堤顶以下约1m；一般有块石或人工块体做掩护；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。堤顶胸墙（a）L型胸墙； （b）反L型胸墙（1）当胸墙前斜坡护面为块石或单层块体时，胸墙的；墙前，且在。（2）当胸墙斜坡护面为扭工字块体或四脚锥体时，其坡顶高程不宜低于胸墙顶高程，且在墙前坡肩范围内应能安放两排两层护面块体。：取决于波浪要素、护面结构的类型和块体重量等因素。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 护面类型坡度抛填或安放块石1：1.51：3干砌或浆砌块石1：1.51：2干砌条石1：0.81：2安放人工块石1：1.51
9、：2抛填混凝土方块1：1.51：1.25二、构造 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，可采用10kg100kg块石。对工程量较大，石料来源缺乏的地区，经论证可采用开山石、石碴或袋装砂土等代用材料。代用材料与垫层块石间宜有足够厚度的10kg100kg块石。（1）斜坡堤护底块石的宽度，视堤前水深和流速大小，堤身段可采用5m10m,堤头段可采用10m15m。（2）护底块石可采用12层，厚度不宜小于0.5m。对砂质海底，在护底块石层下宜设置厚度不小于0.3m的碎石层；（3）斜坡堤前沙质海底的护底范围根据其冲刷形态和冲刷深度可按防波堤设计与施工规范
10、（JTJ298-98）附录D确定。，其护面块体或水下棱体的大块石均不应直接抛于海底面上，而应在海底面上设置一层厚度不小于0.5m的10kg100kg块石垫层。（1）当随机安放两层扭工字块体时，其上层应有60%以上的块体保持垂直杆件在堤坡下方，水平杆件在堤坡上方的形式。（2）当为规则安放扭工字块体时，应使全部块体保持垂直杆件在堤坡下方，水平杆件在堤坡上方。两层扭工字块体安放示意图1-水平杆件；2-垂直杆件5、当扭工字块体重量大于20t、四脚锥体重量大于40t时，应考虑配置钢筋或采取其他加强措施。6、浆砌块石护面层，应设置纵、横变形缝和排水孔。变形缝的纵向间距可取5m10m，横向间距可取5m左右。
11、排水孔的纵、横向间距可取2m，孔径不宜小于100mm。（1）堤头段的长度可采用15m30m。对水深较大的斜坡堤宜适当加大；（2）当有缩窄口门宽度的要求时，斜坡堤的堤头段可采用直立式结构；（3）堤头段护面块体的重量应大于堤身外坡护面块体重量，也可将堤头段两侧的坡度适当放缓；（4）堤头段的护底块石重量也应适当加大。9、当堤根段出现波能集中时，应对堤根段和相邻的海岸段采取加强措施。10、当堤轴线向外拐折形成凹角，造成波能集中，应采取加强措施。胸墙前人工块体的安放砌石护面斜坡堤四脚锥体和扭工字块体的安放图 (a)四脚锥体 (b)扭工字块体四脚空心方块图扭工字块体栅栏板结构图4.2.4 斜坡式防波堤的计
12、算一、计算内容和计算状态1、计算内容护面块体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。：应考虑以下的持久组合波高应采用相应的设计波高；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。波高采用相应的设计波高；极端低水位时，可不考虑波浪的作用。对未成型
13、的斜坡堤建筑物进行施工期复核时，水位可采用和，波高的可采用年。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从现有国内外的研究成果看，块体失稳有三种型式：、。第二十一届国际航运会议上推荐西班牙、挪威、瑞典、前苏联和美国共五种计算公式。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。反压力：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-设计波高则反压力：bFHA23bAWg23bbWgFk
14、H2/gm s重力加速度由平衡条件可得：sincosFWWg为摩擦系数，取1得：因：bbbbbbWWVWVW则：2 3cossinbbFWgWkHgg2 3cossinbbbbWgWkg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。3,bkkkmctg323311bmWkk Hgm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，随机失稳率n%而异。表5-2-7(180页)3bW=cbDHKtgn%-即在设计水位上、下一倍设计波高的范围内
15、，在波浪打击下移动和滚动的块体个数占此范围内块体总数的百分比。通过上面的公式可以看出，护面块体的重量：1、与波高的三次方成正比；2、与块体在空气中的重度成正比，而与它在水中重度的三次方成反比；3、与斜坡角的某个函数成反比。1、一般采用有效波高2、当 时，采用0.3H d SH5%HA、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的坦波，此时建议用前苏联公式进行复核。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/
16、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，波的作用不一定减弱，因此不宜考虑折减。，波浪作用条件恶劣，块体重量要增加20%30%。（d/H1.5时）堤身和堤头的块体重量相应再增加10%25%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
17、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。 mmKKHKhmdr1)(3 . 12该公式适用于m=1.53，d/H=1.54和L/H=1025的情况。5%13%m52 1152 12m0.1250.125bmdKKKKL HHd LHd LH重度系数，与斜坡的 值有关的系数，查表与波坦有关的系数，查表计算波高（ ）；当时，取；当时，取式中：mctg该公式适用于m=0.81.5，d/H=1.73.3和L/H=1225的情况。HHdAmmKhr)157. 0476. 0(1744. 023m(/)1.20.85;0.8 1.5bh
18、kN mAm干砌条石护面层厚度，即条石长度（ ）；护面条石的重度系数，斜缝干砌可取，平缝干砌可取坡度系数，取。式中：四、人工块体护面厚度h和所需块体数量N的确定52 13nc护面中的块体层数系数，查表式中：4060NAP人工块体个数；垂直于厚度的护面层平均面积；护面层的空隙率(%)。空隙率为空隙所占护面块体堆积的百分比一般空隙率为%-%2 30.11bNAncPW130.1bWhnc护面块体构造型式 c说明块石抛填两层 1.0 40立放一层 1.31.4四脚锥体安放两层 1.0 50扭工字块体安放两层 1.2 60随机安放 1.1 60规则安放扭王字块体安放一层 1.36 50随机安放%P块体
19、形状系数c和护面块体空隙率P五、其它块体的重量及尺度1、当允许波浪越顶时，从堤顶到设计低水位之间的块体，应采用与外坡护面块体相同的重量。2、在设计低水位以下，一般可用与外坡护面垫层相同重量的块石，但不小于150200kg，且应按堤内侧波浪复核。3、若不允许波浪越顶时，则内坡护面块石的重量应按堤内侧波浪来确定，一般情况下可采用与外坡护面垫层相同重量的块石。1、堤顶部位的块体重量，一般与外坡块体重量相同。2、当堤顶高程较低（在设计高水位以上不足0.2倍设计波高值）时，堤顶部位块体的重量宜加大至外坡重量的1.5倍左右。垫层的重量应不小于护面块体重量的1/201/40，且应复核在施工时期波浪作用下的稳
20、定性。垫层块石的厚度一般取两层块石的厚度，一般采用10100kg的块石。当斜坡堤建造在波浪作用下可冲刷的地基上时，在堤前应设置护底层。护底块石层的宽度（自坡脚向外算起），对于堤身段一般采用510m，堤头段一般采用1015m。护底层的厚度不宜小于0.5m。护底块石的稳定重量可根据堤前最大底流速 确定。当 为2、3、4和5m/s时，块石的稳定重量分别为60、150、400和800kg。maxumaxu 1、对于可冲刷的地基，护面块体或水下棱体的大块石均不应直接抛于海底上，而应在海底面上铺设10100kg的块石垫层，垫层的厚度不应小于护底的厚度。2、抛筑防波堤的石料，通常应满足下列要求：（1）在水中
21、浸透后的强度。对于护面块石和需要进行夯实的基床块石不低于50MPa，对于垫层块石和不进行夯实的基床块石不低于30MPa。（2）不成片状，无严重风化和裂纹。但是，对于堤心石，则可根据具体情况，适当降低要求。3、对于防波堤的混凝土和钢筋混凝土构件，应按有关的混凝土和钢筋混凝土设计中的规定选定抗冻标号。在无抗冻要求时，通常混凝土标号不应低于20号；钢筋混凝土标号不应低于25号。4、对于浆砌块石结构，其石料在水中浸透后的强度不应低于50MPa；水泥砂浆的强度标号不应低于10号，当有抗冻要求时不应低于20号；勾缝水泥砂浆的强度标号不应低于20号。六、堤顶胸墙波压力的计算及胸墙稳定性计算波浪在斜坡式防波堤
22、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。波压力大小通常只计波峰作用，其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 。0.24ppHK21HLdddH情况C:情况A：情况B：MAXbPPLH,043. 029. 3MAXbPP0,625. 00-0
23、.625,P试验表明(a)高水位时 (b)低水位时胸墙上波压力分布图LdthHkzdz21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 高水位时(KN/m)(dP1zP0.7),/(2/PmKNPb海港水文规范，规定折减系数为海港水文规范，规定折减系数为0.60.6Eb-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 bEGEfpGp0EEGGdPpEMMM10七、地基整体稳定性验算 采用验算时 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。
