第3章水作用

第三章 水作用 第三节 波浪作用力
深水波带
浅水波带
击岸波带
上涌带
d>L/2
L
L /2>d 1>d c
L1 H1
d <d
L2
水面
H
H2
dc d1 d
临界水深 底面
d2
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
二、波浪作用力的计算
波浪作用力的主要影响因素： 波浪特性、构筑物型式、地形地貌、海底坡度等。
现行确定波浪荷载的方法带有很大的经验性，一般情况下 当浪高超过0.5m时，应考虑波浪对构筑物的作用力。
（3）静水面下H-hs处（即波浪中线下H处）波压强度ps’为：
ps' ( H hs )
（4）墙底波压强度pb’为：
d1 hs H p p (p p ) d hs H
' b ' s ' s ' d
' ( d1 pb )(d1 H hs ) d12 （5）单位长度上总波压力P ’为：P ' 2 2
直立式防波堤存在暗基床（左图）或明基床（右图）。
静水 面
静水面
b d d
i i
b d1
应根据基床类型、水底坡度i、波高H及水深d判别波态， 对应进行波浪作用力计算。
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（一）立波波压力 假定波压强沿水深按直线分布，当相对水深d/L=0.1~0.2和 波陡H/L≥1/30时，先计算直墙各转折点压强，再将各点用直线 相连，即得直墙上立波压强分布。 1.波峰时
第三章 水作用 第四节 冰压力
移冰 产堆 生整 压体 力推 变冰 化盖 膨的 胀温 力度
作风 用和 冰水 面流
冲流 击冰 动产 压生 力的
第三章 水作用 第四节 冰压力
一、冰堆整体推移的静压力 当大面积冰层受阻于桥墩，形成冰层或冰堆。墩台受 到流冰挤压，并在冰层破碎前的一瞬间对墩台产生最大压力， 此压力等于冰强度乘以挤压面积，可导出极限冰压力计算公 式。
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
描述波浪运动性质及形态的要素：波峰、波谷、波高、波长、 波陡、波速、波周期等。 波陡——浪高（H）/ 波长（L）；
波浪中线——平分波高的水平线；
超高——波浪中线到静止水面的垂直距离（hs）。
波顶 波峰 浪高H 波浪中心线 静止水面 波谷 波底 波长 L 超高h s
pd (0.5 ~ 0.6) ps
bps Pu (0.5 ~ 0.6) 2
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
2. 波谷时 （1）静水面处波压强度为零；
静水面
（2）静水面以下H/2处至水底 处的波压强度均为：
i
H/ d 2H
b
p
p 0.5 H
（3）墙底波浪浮托力Pu’ （方向向下）为：
（6）墙底波浪浮托力（方向向下） Pu’为：
' bpb Pu' 2
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（二）远破波波压力 远破波波压力与波高、波陡、堤前海底坡度有关，波陡 越小或底坡越陡，波压力越大。 1. 波峰时
静水面
ps
H/
pu
0.7 ps
H
b
d 2H
pd=(0.5~0.6) ps
i
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
荷载与结构设计方法
第三章 水作用
第三章 水作用
本章内容 第一节 静水压力
第二节 流水压力
第三节 波浪作用力
第四节 冰压力
第五节 撞击力
第六节 浮托力
第三章 水作用
水以不同的存在形态和作 用方式对结构物产生作用力。 水库堤坝、河流桥墩：静水 压力和流水压力作用； 港口建筑、沿海堤坝：波浪 冲击力作用。
式中 hs——波浪中线超出静水面的高度，按下式确定：
π H2 2π d hs coth L L
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（4）墙底处波浪压力强度pb为：
d1 p b ps ( ps p d ) d
（5）单位长度直墙上总波浪压力P为：
( H hs d1 )( pb d1 ) d12 P 2 2
静水面 波 浪中心线 H
hs
H
d1 d
ps p pb pu
b
i
pd pd d
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（1）水底处波压力强度pd为： 式中 ——水的重度。
Pd
H
2π d ch L
（2）静水面上H+hs处（即波浪中线上H处）波压力强度为零； （3）静水面处的波浪压力强度ps为：
H hs ps ( pd d )( ) d H hs
第三章 水作用 第二节 流水压力
受到洪水冲 击后的桥梁
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
一、波浪特性 波浪是液体自由表面在外力作用下产生的周期性起伏 波动，它是液体质点振动的传播现象。 无风不起浪，波浪在干扰力的作用下生成： 由风力引起的波浪称风成波； 由月球引力引起的波浪称潮汐波； 由船舶航行引起的波浪称船行波。 风成波是 工程设计 主要考虑 对象
（5）墙底波浪浮托力pu为 ：
bps Pu 0.6 2
第三章 水作用 第四节 冰压力
位于冰凌河流的桥梁墩台和水库的坝体，由于冰层作用 对结构产生冰压力。按照其作用性质的不同可分为： 静冰压力： 冰堆整体推移的静压力；
风和水流作用于大面积冰层引起的静压力；
冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力； 冰层因水位升降还会产生竖向作用力。 动冰压力：指河流流冰产生的冲击动压力。
v2
2
A
式中 v——来流流速；A——绕流物体在垂直于来流方向上 的投影面积；CD——绕流阻力系数，主要与结构物形状有 关；——流体密度。 为减小绕流阻力，常将桥墩、闸 墩设计成流线型，降低阻力。
第三章 水作用 第二节 流水压力
二、桥墩流水压力计算 桥墩上的流水压力标准值可按下式计算
v2 Fw KA 2g
第三章 水作用 第二节 流水压力
位于流水中的桥墩，其上游迎水面受到流水冲击作用。 流水受到桥墩阻碍，对桥墩施加压力。 等速流动的河流可视为流速为v的平面流场，流线为互相 平行的水平线。
第三章 水作用 第二节 流水压力
一、水流流经结构物特征 等速流动的河流 中放置一桥墩，流线 在接近柱体时流动受 阻，在桥墩前一分为 二，沿柱面两侧向后 流动，桥墩后出现旋 涡区。
H H p s 1.25 H (1.8 0.16)(1 0.13 ) d1 d1
当1/3≥d1/d>1/4时：
d1 H H ps 1.25 H [(13.9 36.4 )( 0.67) 1.03](1 0.13 ) d d1 d1
（3）墙底处波压强度pb为：
p b 0.6 ps
（6）墙底波浪浮托力（方向向下）Pu为：
bpb Pu 2
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
2.波谷时
静水面 波浪中心线
H H
' ps
hs
p' d d'
' pb
b
' pu ' pd
pd'
d
' pd
（1）水底处波浪压力强度pd’为： （2）静水面处波压强度为零；
H
ch 2π d L
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
第三章 水作用
北方严冬，千里冰封，河 流结冻，引起冻胀力； 春暖花开，河流解冻，冰 堆推移，流冰冲击，产生冰 压力。
第三章 水作用 第一节 静水压力
在实际工程中，设计和建造水闸、堤坝、桥墩和码头时， 必须考虑水在结构物表面产生的静水压力。静水压力是指静 止液体对其接触面产生的压力。 静水压强具有两个特征： （1）静水压强垂直于作用面，并指向作用面内部； （2）静止液体中任一点处各方向的静水压强都相等。 静水压强＝液体表面压强＋液体内部压强
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
风成波 船行波
潮汐波
海啸
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
在风力直接作用下，静水表面形成的波称强制波；风力渐 止后，波浪依靠其惯性力和重力作用继续运动的波称自由波。 若自由波的外形是向前推进的称推进波，而不再向前推进 的波称驻波。当水域底部对波浪运动无影响时形成的波称深水 波，有影响形成的波称浅水波。
' pu
Pu'
bp 2
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（三）近破波波压力
静水面
ps
d1 d pb pu
b
当墙前水深d1≥0.6H时，按下述方法计算 （1）静水面以上Z处的波压强度为零，Z按下式计算：
d1 Z (0.27 0.53 ) H H
第三章 水作用 第三节 波浪作用力
（2）静水面处波压强度ps为： 当2/3≥d1/d>1/3时：
桥墩形状
方形桥墩
矩形桥墩 (长边与水流平行)
圆形桥墩
尖端形桥墩
圆端形桥墩
K
1.5
1.3
0.8
0.7
0.6
矩形桥墩
圆端形桥墩
尖端形桥墩
第三章 水作用 第二节 流水压力
流速随深度呈曲线变化，河床底面处流速接近于零。 为了简化计算，流水压力的分布可近似取为倒三角形， 故其着力点位置取在设计水位以下1/3水深处。
式中 Fw——作用在桥墩上的流水压力标准值（kN）； ——水的重度（kN/m3）； v——设计流速（m/s）； A——桥墩阻水面积（m2），计算至一般冲刷线处； g——重力加速度，取9.81（m/s2）； K——由试验测得的桥墩形状系数，按下表取用。