直立式防波堤.ppt

第八章 直立式防波堤,本章主要内容：直立防波堤的结构型式直立式波浪对防波堤的作用直立式防波堤的断面尺寸和构造重力式防波堤的计算,、直立防波堤的结构型式,直立式防波堤的结构形式有重力式和桩式两类，其中重力式最常用。近些年来，随着港口技术的不断发展，在一般重力式直立堤的基础上，又研制出许多可减少波浪，增加稳定和免于或减少地基处理的新型结构，如：消能方块，消能沉箱，大直径圆筒，削角直立堤等。一、重力式直立堤 依靠结构本身的重量来抵抗水平外力，维持建筑物的稳定性。它主要由基床、墙身和上部结构等组成。其功能和构造与重力式码头基本相同。按堤身结构分，主要有：钢筋混凝土沉箱式、普通混凝土方块式、巨型混凝土方块式和大直径圆筒式等。,1、方块式直立堤,墙身块体型式 方块式墙身主要有：普通方块（正砌方块、斜砌方块）、巨型方块和消浪方块。优点 墙身坚固耐久，施工简便，能抵御较大的波浪。缺点 自重大，地基应力大，砼用量多，水下安装和潜水工作量大，施工进度慢，堤身整体性能差，易随地基沉降而变形，对不均匀沉降比较敏感。适用条件 施工期波浪不大，现场起重设备能力较大和地基较坚实的情况。,2、沉箱直立堤,沉箱墙身主要有：矩形、圆形和带消能室的砼沉箱 优点：堤身整体性好，水上安装工作量小，不需要大型起重设备，施工进度快，箱中填以砂砾可降低造价。缺点：沉箱的预制和水下需要相应的场地和设备，要有足够的水深的航道。箱壁较薄，在水位变动区易受还水侵蚀而损坏，而沉箱一旦破坏，修复困难。适用条件：有条件的地方（有预制能力，滑道和船坞，浮运水深足够）在实际工程中，矩形沉箱采用较多。圆形沉箱受力条件较好，对波浪、水流的反射较小，但其制作、浮运及安装较麻烦，使用受一定限制。带节能室的沉箱，在前墙一定范围内开孔，使舱格形成消能室，适用于须消减波浪和减少墙前反射或岸线夹角处波能集中的地方。,3、大直径圆筒直立堤,墙身直径为3以上的薄壁无底砼圆筒，置于抛石基床或部分沉入地基之中，筒中填充砂石。.置于抛石基床上的圆筒机构及其工作原理与一般重力式基本相同。.部分沉入地基中的圆筒直立堤，适用于软基和持力层较深的情况 对于沉入地基较浅（1.53m）的圆筒，其工作状态同重力直立堤。沉入较深的圆筒，由于受土的嵌固影响较大，其工作状态不同于重力式结构。,二、桩式直立堤,有：单排桩式、双排桩式和钢板桩格形结构等形式。1、单排桩防波堤 它由打入地基中的排桩、桩顶部的帽梁和连接构件组成。排桩结构呈悬工作状态，为了改善直状的受力状态，可间隔设置斜桩来顶撑直桩。,2、双排桩式防波堤 两侧是打入地基中的排桩，每排桩由纵向导梁架住，然后用拉杆将双排桩对拉，双排桩中间用石料填充，顶部用混凝土覆盖，然后在盖板上浇注上部结构。这种防波堤的宽度和埋入地基深度决定于抗滑、抗倾稳定性。在内力计算时。可将内、外排桩视为各自独立的单排桩，按有锚板桩的计算方法进行计算。,3、钢板桩格形结构防波堤 是由打入地基中的钢板桩组成封闭的系列格形结构，在空格中填充砂或石料。格形结构防波堤 整体稳定性较好，适用于水深大、波浪强的情况。其缺点是钢板桩 在水位变动区易 锈蚀，需要采取 保护措施。,三、消能式防波堤 1、顶部削角直立堤 在直立堤的上部结构靠海侧做成较缓的斜面，犹如直立墙削 掉一个角。这样，堤前波浪在斜面上破碎，即削减了一部分波能，又减少了堤前波浪的 反射，从而使波浪减少；同 时，作用在斜面的波压力的 垂直分力还有利于缔的稳定，从而减小了堤的断面。缺点：削角斜面上的越浪较 大。,2、开孔消浪直立堤 将沉箱开海侧的箱壁上开一系列孔洞，部分波浪水体通过孔洞进入海侧箱格的消能室，利用堤前波浪与进入消能室水体的相位差和水体进入效能室后产生的剧烈紊动来消能，以达到减少 波浪力的目的。同样 也可采用迎浪侧带有 消浪孔洞的方快防波 堤。它适用于水深小 于6m、波浪周期小于 6s的环境。,3、开孔半圆形防波堤 半圆形防波堤是由半圆形拱圈和底板组成，堤身内不抛填石料。拱圈上开孔可消耗波能，底板上开孔可减小波浪浮托力。特点：波浪力作用小，构件受力性能好。,4、削角空心方块防波堤 结合削角斜面结构和开孔消浪结构两者的优点的一种新型结构。,一、直立式防波堤前波浪的形态 1、影响直立式防波堤前波浪形态的因素 波浪要素（如H）、堤前水深（d）、海底坡度（i）、基床轮廓尺寸（d1）。根据这些影响因素，直立堤前可能出现的波浪形态有：立波、近破波、远破波。立波：当直立墙前水深和基床顶面上的水深大于波浪破碎水深，直立堤的长度大于一个波长以及入射波与墙正交的情况下，波浪遇墙后不破碎，产生完全反射，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形成立波。其特点是拨高增加一倍，波长和周期不变。,、直立式波浪对直立式防波堤的作用,近破波：当直立墙前面较远处水深很大，而距建筑物前面半个波长以内或是基床顶面水深不足时，波浪行进到此处发生剧烈变形，造成破碎，冲击墙身，产生近破波。这种波一般发生在中、高基床的情况。远破波：当直立墙前面距墙身半个波长或梢远处，其水深小于波浪破碎水深情况下，进行波将在到达建筑物之前破碎，形成一股向前运动的水流冲击墙身。这种波浪形态称为远破波。这种波一般发生在平缓海底，而且基床为暗基床或低基床的情况。2、各种形态的波浪产生的条件 见下表。,备注：当明基床上有护肩方块，且方块宽度大于1.0倍波高时，宜用d2代替基床上水深d1来确定波态和波浪力。当进行波波陡较大（H/L1/14）时，则立波波陡较原始波增加一倍，当达到极限波陡时，立波可能破碎，堤身将 受到破碎立波的压力。对暗基床和低基床的直墙式建筑物，当墙前水深d2H 且水底坡度i1/10时，墙前可能出现近破波。它是否出现 和出现后的波压力应由模型试验来确定。,二、作用于直立式防波堤的立波浪压力计算 1、公式的应用范围 当d=1.8H,d/L=0.050.12时,波峰(谷)时的波压力采用大连理工大学发展的椭余(圆)立波的计算方法。该方法是在二阶椭余波理论的基础上,结合较系统的模型实验和国外资料而制,为原规范的补充。（与实测结果也比较吻合）。当H/L1/30，0.5 d/L0.2时,波峰的波压力采用有限振幅波的一次近似解,波谷时仍采用Sainflow公式。当H/L1/30，d/L=0.1390.2时,波峰(谷)时的波压力的计算均采用Sainflow公式。当d/L0.5时,按深水立波计算波压力。当d1.8H，0.139 d/L0.12和8T*=9时，波压力（峰谷）采用内扦(在椭余立波公式和浅水立波Sainflow公式之间)的方法。,2、当d1.8H,d/L=0.050.12时，作用于直墙建筑物上的立波波压力的计算 波峰作用时 波面高程的计算,静水面以上波压力分布强度折点的位置hc以及波压力强度pac的计算 静水面处及水下墙面上特征点处波压力强度（Poc，Pbc和Pdc）,单位长度墙上的水平总波浪力的计算 单位长度墙上的总水平波压力的力矩Mc,单位长度墙底面上的波浪浮托力按下式计算 波谷作用时 波谷时，堤前总波压力小于静水压力；当认为港内为静水，堤内侧所受静水压力。所以波谷作用于堤面时，波浪的附加压力的方向是离堤的，或称为负压力。波谷波面高程：墙面各特征点波压力强度：,单位长度墙面上水平总波压力 单位长度墙底面上向上方向的总波压力,3、当、时：简化Sainflow公式 浅水立波波压力：式中：波峰时取正，波谷时取负；Z墙面在静水面以下任一关的深度；r海水容重；立波中心线超高HS：波浪中心线超出静水面的高度。,波峰作用时 水底处波压力强度：静水面处的波压力强度：直墙底处的波压力强度：H+hs处，p00总波压力：波浮托力：,波谷作用时 水底处的波压力强度：静水面处波压力强度为0 静水面以下（H-hs）处波压力强度：墙底处波压力强度：,总波压力：总波浪浮托力：,4、当，时，对立波作用 波峰作用时：采用有限振幅波一次近似解 特点：以静水面为基准，不考虑波高超高，静水面以上，按直线分布，静水面以下按曲线分布。静水面处：静水面以下深Z处波压力强度：,墙底处的波压力强度：波浪浮托力：单位长度墙上的总波压力：,波谷作用时：按Sainflow公式计算5、当 时，按深水立波计算 波峰作用时，用修正的有限振幅波的一次近似解，即以代替，则：静水面以上高度H处的波压力为零。静水面处的波压力强度：静水面以下深度Z处的波压力强度（下式中d=L/2）：静水面以下Z=L/2处的波压力强度为零。,波谷作用时，用修正的Sainflow公式 即将立波中心线超高公式中：L/2代替，则：静水面以下深度：Z=L/2处，Pz=0,三、作用于直立式防波堤的远破波波压力 远破波波压力可按以下公式计算1、波峰作用时 静水面以上高度H处的波浪压力强度为零；静水面处的波浪压力强度为：ps=K1K2H 静水面以上的波浪压力强度按直线变化；静水面以下深度Z=H/2处的波浪压力强度 pz=0.7pS 水底处的波浪压力强度 Pd=0.6pS，d/H1.7 pd=0.5pS，d/H1.7,墙底面上的浮托力为：Pu=bpd/22、波谷作用时 静水面处波浪压力强度为零；静水面以下，从深度Z=H/2至水底处的波浪压力强度为：p=0.5H 墙底面上方向向 下的波浪力为 Pu=bp/2,四、作用在直立式码头近破波波压力 计算方法有：米尼金法（计算结果偏大），前苏联规范（计算结果偏小），我国规范法。1、适用范围 只考虑波峰 直立墙明基床为抛石基床，前坡1：m，m23，基肩宽度：b（12）H，或近似于d1,计算结果不符合上诉条件，需做模型试验。2、计算公式 静水面以上高度Z处的波压力强度为0,静水面处波浪压力强度 当1/3d1/d2/3时 当1/4d1/d1/3时 墙底处的波浪压力强度 pb=0.6pS,单位长度墙底的总波浪力按下式计算 当1/3d1/d2/3时 当1/4d1/d1/3时 墙面上的波浪浮托力,备注：1.由于近破波波压力有很强的冲击性，且破碎过程复杂，波压力不稳定（高波要素，地形，建筑物尺寸的影响）在进行防波堤平面布置和拟定结构形式时应尽量避免在设计低水位时出现近破波（即建筑物所处的位置应避开破碎带）。2.对于低基床的直墙式建筑物，可先按建筑物前水深d绘制远破波波压力分布图，然后减去基床部分的波浪力。,五、特殊情况下波浪力的处理 1、波浪越顶 方法：按不越顶计算波浪力，减去越顶部分的波压 力，试验证明时偏安全的。2、削角堤波浪力 计算方法：按不同削角堤计算波压力，在斜面上，用相应高程上相同的波压力法向作用在斜面上，偏于安 全。削角堤最大的缺点是越波较大。,一、组成及功能 上部结构：设置交通、挡波、削波；墙身：挡波、沙，维持港内稳定，并传递外力至基床；基床：保护地基免受冲刷，平整地基便于安装，分布地基应力；护底：保护堤前地基，免受海水淘刷。,、直立式防波堤的断面尺寸和构造,二、断面尺寸拟定 1、高程设计 堤顶高程 允许少量要求（无作业要求）=设计高水位+（0.60.7）H 基本不越浪（有作业要求）=设计高水位+（1.01.25）H 备注：直立堤设计波高，除特别注明外，均指重现期为50年、波列累计频率为1%的波高H，但不超过浅水极限波高。对于上部结构为削角型式的直立堤，其顶部高程宜取高值。墙身顶高程（沉箱或最上层方块的顶高程）施工水位+施工期波浪影响（0.30.5m）,基床的顶面高程 防波堤总高度是一定的，所以基床和堤体的高度分配应考虑每延米的造价。定的高一些，可减少堤身高度，降低造价，但过高会造成近破波，因此设计时要注意以下几点：考虑基床对堤前波浪形态的影响（避免在设计低水位时出现近破波），要避免这种情况，要求d1（d2）（1.52.0）d；考虑地基承载能力；结构总造价。2、基床宽度 外肩宽（0.6倍计算堤身宽）+堤身宽+内肩宽（0.4倍计 算堤身宽）；暗基床底宽不宜小于直立堤墙底宽度加两倍基床厚度。,3、基床厚度 非岩石地基上的抛石基床厚度应由计算确定，但拈性土地基不小于1.5m，砂土地基不小于1.0m。4、堤身宽度 原则上由稳定计算确定（抗倾覆、抗滑和地基承载能力及沉降等），初设时可取：B0.8堤高。,三、断面构造 1、上部构造 基本要求 应有足够的刚度和良好的整体性，并与墙身结构 连接牢固。型式 直立式，弧形式，削角面式等 对削角面式：削角面与水平面的夹角可取2530一般情况下，削角直立堤的顶标高不应低于直立顶标 高，即至少在设计高水位以上0.7H处 削角平面的拐点可设在设计高水位附近 厚度 厚度1m，嵌入沉箱或大直径圆筒的深度30cm。,2、堤身结构 方块、沉箱、大直径圆筒、格形钢板桩等（同重力式）对方块式，由于受到较大的波浪力作用，其最小重量应满足P137表7-2-4的要求。具体设计时参阅规范。3、抛石基床结构 型式：取决于波浪水深条件和地质条件 暗基床：用于水深浅，易冲刷，表面土质差，在堤前无近破波的情况；明基床：由于水深大，地基承载力高，在堤前无近破波的情况；混合基床：用于水深大，地基差的情况，在堤前无近破波的情况 块石重量：10100kg 护底块石：基床向海一侧需修建堤前护底，取12层，厚度0.5m。,一、重力式直立堤的承载能力极限状态、设计状况和作用组合 1、作用 较码头单纯，竖向荷载仅自重力，水平荷载主要是波浪力。在进行承载能力极限状态时，应以设计波高及对应的波长确定的波浪力作为标准值。2、设计状况及相应组合 持久状况（重现期为50年）设计高水位时：波高采用相应的设计波高（重现期为50年），应考虑以下持久组合。,、重力式防波堤的计算,设计低水位时，波高采用以下两种方法：A、当推算外海设计波浪时，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、当只有建筑物附近部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。设计高水位时，堤前波态为立波，而设计低水位时，已为破碎波，尚应对设计低水位至设计高水位之间可能产生最大波浪力的水位情况进行计算。极端高水位时，波高采用相应的设计波高；极端低水位时，可不考虑波浪力的作用。,短暂状况：应考虑以下组合 对未成型的重力式直立堤进行施工期复合时，水位可采用设计高水位和设计低水位，波高的重现期可采用510年。偶然状况 在进行重力式直立堤地基承载力和整体稳定性计算时，应考虑地震作用的偶然组合。水位采用设计低水位，不记波浪与地震作用的组合。备注：直立堤的稳定性计算，可不考虑堤内侧和堤外侧波浪相组合，即将堤内侧的水面作为静水面。,二、重力式直堤计算 1、计算内容（同重力式码头类似）沿堤底和堤身各水平缝的抗倾覆稳定性 沿堤底和堤身各水平缝的抗滑稳定性（波峰谷）沿基床底面的抗滑稳定性（明基床沿滑动面）明基床 暗基床,基床和地基承载力（同重力式）整体稳定性（应带入波浪力）地基沉降 明基床护肩块石和堤前护底块石的稳定重量 对沉箱结构尚应计算 沉箱的吃水，干舷高度和浮游稳定性 沉箱的外壁、隔墙、底板和底板悬臂的承载力和裂缝宽度。备注：计算外壁时，应考虑使用时期箱外为波峰或波谷 压力。箱内为填料侧压力的组合情况。计算底板时，应分别考虑堤身在波峰或波谷作用 下的基床反力与箱内填料垂直压力组合；具体计算可参阅重力式码头设计与施工规范的有关规定执行。,2、护肩块石和护底块石 护肩块石和坡面 参阅规范附录F计算或查表。护底块石 根据堤前最大的波浪底流速Vmax按规范表4.2.21选取。堤前为立波：堤前为远破波：堤前为近破波：,三、直堤堤头和堤根的设计特征 1、堤头设计特征 平面形状和加宽特征 形状方形（矩形和折角形）、圆形和半圆与矩形的组合加宽 向港内、向港外和向两侧。设计时宜向港内加宽 堤头的结构特征 适当加宽护底宽度（堤头处水流流速和波浪底流速都较大）。,堤头基床的内外坡度比堤外缓，并要加强基肩部分的保护 堤头顶部三面均要设胸墙，且比堤外胸墙高，以保护堤头设施（如灯塔）堤头段和堤外段衔接处要设变形缝 堤头段长度1.52倍堤头宽度2、堤根设计特点 一般采用斜坡式 当水深较大，且为岩基，堤为直立时，可考虑用直立式堤根，但在堤根部分要抛石，以免波能集中。,