1、海岸工程学海岸工程学2012年年3月月李俊花李俊花关于波浪对直墙式建筑物的作用力，本节将介绍两大类的计算方法。第一类是海港水文规范中规定的方法，它需要首先判别直立墙（堤）前的波浪形态，然后根据不同的波态分别选用不同的计算公式。第二类是目前国际上比较通用的由日本合田良实提出的方法，其普遍性的波浪压力公式可适用于立波和破波等各种波态。b静水面da 暗基床直墙式itgb静水面1db 明基床直墙式id2d直墙式建筑物的基本类型一、直墙式建筑物的波态二、立波作用力1、立波、立波2、远破波、远破波3、近破波、近破波三、破波作用力1、浅水立波法、浅水立波法2、森弗罗简化法、森弗罗简化法3、插值法、插值法4、
2、欧拉坐标一次近似法、欧拉坐标一次近似法5、合田良实法、合田良实法1、远破波作用力、远破波作用力2、近破波作用力、近破波作用力一、直墙式建筑物的波态根据海港水文规范的有关规定，在确定波浪对直墙式建筑物的作用力时，应判别墙前的波态。直立墙前的波态通常有、和三种。波浪将在墙面上完全反射，反射波与入射波相叠加形成的波。在墙前半波长或稍远处发生破碎的波浪，称为远破波。 在墙面或其附近发生破碎的波浪，称为近破波。直墙式建筑物前的三种波态，按下表确定： 基床类型 产生条件 波 态 暗基床和低基床 立 波 远破波 中基床 立 波 近破波 高基床 立 波 近破波 123dd8,28,1.8Tg ddHTg dd
3、H8,2,1 108,1.8,1 10Tg ddH iTg ddH i11233dd11.8dH11.8dH113dd11.5dH11.5dH 表中H为建筑物所在处进行波的波高，根据表的规定，应采用 ；d为墙前水深（m）； 为基床上水深（m）；i为墙前海底坡度。 当明基床上有护肩方块，且方块的宽度大于波高H时，宜用方块上的水深d2代替基床上水深d1以确定波态和波浪力。 当暗基床或低基床直立堤前水深d1/10时,墙前可能出现近破波,此时应由模型试验来确定波态和波浪力。说明：1%H1d二、立波作用力方 法 适用条件 1 基于椭圆余弦波的浅水立波法2 方法1和3的内插法3 森弗罗简化法4 欧拉坐标一
4、次近似法 在海港水文规范中，主要根据相对水深d/L的情况，分别采用四种不同方法计算立波作用力，如下表所示11.8dH1、浅水立波法当 ；d/L=0.05-0.12时，可采用浅水立波法计算直墙式建筑物上波峰作用力和波谷作用力。 11.8dH波峰作用时立波压力分布图（ d/L=0.05-0.12 ）静水面2dchcacpocpbcpdcpucPcPd波面高程按下公式计算：式中：mcHBdd0.5941*2.31042.5907BT2*/ 0.009130.6361.2515mTTT*/TTg d*mcmT波面高程（ ）；系数；无因次周期。B系数在静水面以上 处的墙面压力强度按下式计算：式中：ch1
5、.672/2212max 0.6366184.23264/,1.0ccacochddnppddnnnH dmcach 波浪压力强度p 在静水面以上的作用点位置（ ）；n静水面以上波浪压力强度分布曲线的指数，其值取式中两数的大值14accocqppphppABH dd与 对应的墙面波压力强度（kPa）;及墙面上其它各特征点的波压力强度按下式计算： 波压 计算式0.02901-0.000112.140820.14574-0.024030.91976-0.18-0.000153 2.543411.31427-1.20064-0.6736-3.073722.915850.11046-0.032910.
6、174530.650740.037650.464432.916980.062201.32641-2.975570.28649-3.8676638.419511,A B22,A B b,c 12 *pAAAT12 *pBBB T*2*TqTbTcocpdbcpddcpdocpdocpdbcpdbcpddcpddcpdppABq系数、和（波峰作用）若计算得出 ，则取 ， 为自海底起算高度为d/2处的波压力强度。 bcocppbcocppbcp注意：单位长度墙身上的水平总波浪力计算： 单位长度墙身上的水平总波浪力矩：2221214caccoccbcdcPpphppdd ddddd/CPkN m式中：
7、单位长度墙身上的水平总波浪力20312111111542324424caccccoccbcdcMphphhppdddddddddd(/)cMkN m m式中：单位长度墙身上的水平总波浪力矩单位长度墙底面上的波浪浮托力计算：2dcucbpP ucPb式中：单位长度墙底上的波浪浮托力(kN/M)直墙的底宽(m) 波谷作用时立波压力分布图（ d/L=0.05-0.12 ）静水面dtputPtPdotpt波谷的波面在静水面以下的高度按下式计算：墙面上各特征点的波压力强度均按下式计算 /qtppABH dd/qpppABH dd式中：p墙面上各特征点的波压力强度（kPa）,PpdtotdtotABqpp
8、pp系数和 按表确定。若计算得出则取,totpppABqd式中：波谷的波面在静水面以下的高度（m）按下表中与栏对应的值确定 波压 计算式 0.0397-0.00018 1.95 1.687 0.16894 -2.0195 0.98222 -3.06115 -0.2848-2.19707 0.92802 0.2350 2.599 -0.8679 0.07092 20.1565 -1.9723 0.1332911,A B22,A B b,c 12*pAAA T12 *pBBB T*cTbqT eotpdppABq系数、和 （波谷作用）dtpd2 *1*0.1A TpAAT eotpddtpdotp
9、ddtpd单位长度墙身上的水平总波浪力（负值）： 2112totdttPppddddtP式中： 单位长度墙身上的水平总波浪力（kN/m）单位长度墙底面上的波谷浮托力（负值，方向向下） 2dtutbpP 注意：波谷浮托力实际上为在原有的静水浮力上减少的动水浮托力。通常计算中把静水浮力作为不变，因此波谷浮托力的方向向下。2、森弗罗简化法当 和d/L=0.139-0.2时，可采用森弗罗简化法计算直墙式建筑物上的立波作用力。1 30H L 森弗罗简化法立波波峰压力图静水面spuPPdi波浪中心线bpdpsh1d2ddpdbHH超高 ：立波的波浪中线超出静水面的高度。sh22sHdhchLL波峰压力：0
10、；在静水面以上的高度为 sHh水底处的波浪压力强度 2dHpdchL静水面处的波浪压力强度 ssdsHhppddHh墙底处的波浪压力强度 1bssddppppd单位长度墙身上的总波浪力21112sbHhdpddP墙底面上的波浪浮托力 2bubpP 森弗罗简化法立波波谷压力图静水面spuPPdi波浪中心线bpdpsh1d2ddpbHH静水面处的波浪压力强度为零 水底处的波浪压力强度 2dHpdchL静水面以下深度 处的波浪压力强度 sHhsspHh墙底处的波浪压力强度 1bssdssdhHppppdhH单位长度墙身上的总波浪力（方向与波向相反） 墙底面上的波浪力（方向向下） 21112sbdhd
11、HdpP2bubpP 海港水文规范规定当 和 (相当于 )时，可由浅水立波法与森弗罗简化法的内插值来确定立波作用力。 设为实际波况时的 ，则立波的波面高程，波浪压强、波浪力和波浪力矩等量值可按下式进行计算： 1.8dH0.12/0.139d L*98T*/TTg d*8898TXXXXT*8*9*89TXXTH dXTH d式中：实际波况时的波面高程、波浪压强、波浪力和波浪力矩等各量值；由和实际波况的，按森弗罗简化法算得的各量值；由和实际波况的，按浅水立波法算得的各量值；当 和 时，可采用欧拉坐标一次近似法计算直墙式建筑物上的立波波峰作用力。 1 30H L 0.2/0.5d L立波波峰压力分
12、布图静水面spuPPdibpdp1dbHzpZ静水面以上高度H处的波浪压力强度为0 静水面处的波浪压力强度 spH静水面以上波浪压力强度按直线分布 静水面以下深度z处的波浪压力强度 22zdzchLpHdchL水底处波浪压力强度 墙底处波浪压力强度 单位长度墙身上的总波浪力 2dHpdchL122bddchLpHdchL12212222ddshHLdLPHthdLchL绘制墙面上波压力分布图时，可用不少于5个点的压力强度值，其中包括波峰处的压力零点、 和 spbp当为暗基床时， 改用 bpdp墙底面上的波浪浮托力 2bubpP 波谷作用时仍采用森弗罗简化法的有关公式计算 当 时，静水面以下深度
13、z=L/2处的波浪压力强 度可取为0，波峰作用下 和0.5d L 22zdzdpH chchLL22sHdhchLL波谷作用下的 的d均改用L/2.合田良食法是根据大量的模型试验以及对原体防波堤的检验，提出的一个既可计算立波又可计算破波作用力的公式。目前，这个公式不仅通行于日本，而且也为众多的欧美国家所采纳。合田良实法的波峰压力图静水面spdupdp1d2d图示为直立堤断面，假定作用在墙面上的波峰压力为直线分布：在静水面以上 处，波压力为0；静水面处波压 最大；水底处的波压为 。 spdp,sdpp的计算公式： 1.5H12spHsdppchkd21120.622kdsh kd23222322
14、min;3dddHddH式中：2kkL波数，35d 墙前 倍有效波高处的水深墙底处的波压：313111bsppddchkd 墙底面上的浮托压力假定为三角形分布，墙后踵处为0，墙前趾处：13upH 221;ddd基床护面层上的水深，若无护面层，则合田良实公式的只能计算，对于波谷作用力一般仍用森弗罗简化法的有关公式计算。三、破波作用力三、破波作用力(1)波峰作用力远破波波峰压力分布图静水面spuP2dHi(0.50.6)dsppbH0.7sp2H系数K1静水面以上高度H处的波浪压强为0 静水面处波浪压强 12spK K H式中： 12iKKL H水底坡度 的函数，见下表；波坦的函数，见下表。底坡i
15、 1/101/251/401/501/601/801.89 1.541.40 1.37 1.33 1.29 1.25 1001K注：底坡i可取建筑物前一定距离内的平均值。系数K2波坦 14 15 16 17 18 19 20 21 221.011.06 1.121.171.211.261.301.34 1.37波坦 23 24 25 26 27 28 29 301.411.441.461.491.501.521.541.55L HL H2K2K静水面以上的波浪压强按直线变化静水面以下深度z=H/2处的波浪压强 0.7zspp水底处的波浪压强 1.7,0.6;1.7,0.5;dsdsd Hppd
16、 Hpp墙底面上的波浪浮托力2dubpP0.7波浪浮托力分布图的折减系数，可采用。(2)波谷作用力远破波波谷压力图静水面2H0.5pH静水面处波浪压强为0 静水面以下，自深度z=H/2至水底处的波浪压强均为 0.5pH墙底面上的波浪力（方向向下）为 2ubpP 若在建造建筑物前，波浪在该处或较远处已发生破碎时，对于i在1/140-1/50范围内的较缓底坡，可用波高H=0.78d代入式 计算波浪力； 当底坡在上述范围以外时，可用相应的极限波高代入式 作初步估算，但应通过模型试验验证。12spK K H12spK K H 波峰作用 近破波波峰压力图静水面spuPdibp1dbZ静水面以上高度z处的
17、波浪压强为0 ，z按下式计算： 10.270.53dzHH静水面处的波浪压强分两种情况计算111111121(1)331.251.80.161 0.1311(2)341.2513.9 36.40.671.031 0.13ssddHHpHdddddHHpHddd当时：当时：墙底处的波浪压强 0.6bspp墙底面的波浪浮托力 2bubpP0.7波浪浮托力分布图的折减系数，可采用。10.6dH注意：适用条件为 四、斜向波作用力上面介绍的均为入射波向与海工建筑物轴线正交，即正向作用时的波浪力计算方法。斜向波对建筑物的作用是更为普遍的问题，但是由于其作用性质复杂，因此有关的计算方法也不成熟。 假定入射波
18、与建筑物轴线的夹角 ， 反射波与建筑物轴线的夹角 根据 角的大小，将反射波分为：（1）当 角大于约 时， ，即为规则波。045（2）当 角约在 至 之间时，将产生类似于声学中所谓“马赫（Mach）反射”的现象，此时除入射波和反射波外，在墙前还出现波峰线与墙轴线相垂直的马赫干涉波。马赫干涉波的波高大于入射波高；反射波的波高则小于入射波高，且 。 020045（3）当 角小于约 时，入射波的波峰线在墙前转折为与墙轴线相垂直的马赫干涉波，而不产生反射波。020在斜向波作用时，直立墙上的波浪力将决定于墙前干涉波的波高。现有的有关斜向波作用力折减系数的经验公式，都表明 时，折减系数为1； 时，折减系数为
19、0.5；一般都可近似采用以下公式： 090001 21 cos2PK090PK式中：斜向波作用力折减系数，即斜向波浪力与正向波浪力的比值；波向线与墙轴线的法线间的夹角， =2 波浪对斜坡式建筑物的作用 护底块石护面层垫层无胸墙的斜坡式建筑物顶部有胸墙的斜坡式建筑物一、斜面护面板的波浪力一、斜面护面板的波浪力 二、斜坡顶部胸墙作用力二、斜坡顶部胸墙作用力2 波浪对斜坡式建筑物的作用 一、斜面护面板的波浪力 在斜坡式建筑物的设计中。通常只对钢筋混凝土平板或栅栏板护面，需要考虑波浪的作用力，以核算板的断面强度及抗裂度。图 斜坡护面平板的波压力分布图下图给出了 的条件下，作用在整体或装配平板护面上的波
20、压力分布图。1.55.0m2p3z2z3l4l2l1l最大波压力 ：212pk k p H3122/0.854.80.028 1.510 15 20 25 351.0 1.15 1.3 1.35 1.482kN mHHkmLLHkkLp式中： 水的重度系数系数 ：当为、 、 、 、 时， 分别为、 、斜坡上点 的最大相对波压力，按表中给出的数值采用。 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 3.7 2.8 2.3 2.1 1.9 1.81.75 1.7 H m4.0p斜坡上最大相对波压力p2pkPa最大波压力 作用点2的垂直坐标 ：2p 2zm2221121zAmABm2210
21、.470.0230.950.840.25LmAHHmHBHmL式中： 波浪在斜坡上的爬高3z斜坡其它各点的波压力 ：p1322420.01250.02650.40.03250.06750.1aaaallllppllllpp与处，与处，241amLlm其中：012poppk k pHBopp 反向相对波压力，按下图查取。图中 为护面板的宽度（m）图 反向波压力曲线图波峰作用时胸墙上的波浪压力分布胸墙波压力分布图波峰作用时胸墙上的平均波浪压力强度：0.24ppHK式中：pK 与无因次参数 和波坦 有关的平均压强系数，由下图查得。pL H21HLpdddH1d胸墙前水深（m），当静水面在胸墙底面以下时为负值。胸墙上的平均波浪压力强度（ ）作用的总高度：p12zddzHthKLzpKL H与和有关的作用高度系数，由上图查得。( )zmz自静水面量起的平均波浪压力分布图的最高点高度并非波浪在胸墙上的最大爬升高度。单位长度胸墙上的总波浪力P(kN/m):1Pp dz胸墙底面上的波浪浮托力Pu(kN/m):2ubpP式中：0.7波浪浮托力分布图的折减系数，取注：上述计算方法不适用于胸墙前有抛石或人工块体掩护棱体的情况。
