港口水工建筑物之 第十章 斜坡式防波堤

二、护面块体稳定性计算
1、护面块体的稳定重量计算 从现有国内外的研究成果看，块体失稳有三种型式：滑 动、滚动、上举脱出。 第二十一届国际航运会议上推荐西班牙、挪威、瑞典、 前苏联和美国公五种计算公式。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。
①栅栏板块体 长边与短边之比：a/b=1.25； 平面尺度与设计波高的关系： a=1.25H；b=1.0H。
a---沿斜坡方向 b——短边，沿堤轴线方向；H-----设计波高。
空隙率：P′=33％～39％ 当斜坡坡度：i=1：15～1：1.25时，栅栏板的厚度h：
0.61 0.13l h 0.235 H 0.27 b m
③最大冲击压力分布 B点的法向速度： Vn VB cos VB cos90
射流方向与水平方向的夹角：
tg
Vy VA
g
xB VA
2
1 m
2 gy c 1 2 2 m VA
动水压力：
PMAX Vn VB cos2 1.7 1.7 2g 2g
4、 胸墙的构造
⑴胸墙型式：一般有L型和反L型； ⑵材料：可为浆砌块石，砼或钢筋砼结构； ⑶胸墙高度：一般在堤顶面以上2m左右，胸墙底面一般嵌入堤顶以下 约1m； ⑷胸墙前基本要求：一般有块石或人工块体做掩护； ⑸胸墙稳定性：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。
③极端高水位：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。 ⑵短暂状况：对未成型的斜坡堤建筑物进行施工期复核 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2～5年。 ⑶偶然状况：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。
H ac H 0.95 0.84m 0.25 L
②最大冲击速度
VBy
xB V y gt g Vx
VB K V V y V A

2
2

KV 1 0.017m 0.02H
式中： Kv——影响系数（速度校正系数），是考虑射流冲
击坡面时上、下漫开造成流速减少的影响。
②缺点：块石重量轻，容受波浪冲击破坏、后期维修费用 高，因此逐渐被分级堤替代。 ⑵分级堤 按波浪对堤各部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。 ①优点：石料利用合理，定性提高，便于有计划的采石料 ②缺点：石料的来源和数量不易保证。 ③抛石堤适用条件：水深浅、基软、石料丰富、波浪小。 对不分级堤：设计波高小于2～2.5m
对分级堤：设计波高小于3～4m
2、砼块体堆筑或护面的斜波堤
⑴抛填砼方块斜波堤
①优点：重量大（最大可达60～80t）稳定性好，抗 波能力大。
②缺点：需要大型起重设备，水泥用量大、费用高。
③适用范围：波浪较大、缺乏石料，但有大型起重船 的情况。
⑵砼块体护面堤 块体重量轻、效果好，一般使用于波高小于3m的情况。
5、 斜坡坡度设计
⑴影响因素：取决于波浪要素、 护面结构的类型和块体重量等因素。 ⑵确定原则： 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
干砌或浆砌块石 干砌条石 安放人工块石 抛填混凝土方块
1：1.5～1：3
1：1.5～1：2 1：0.8～1：2 1：1.5～1：2 1：1.5～1：1.25
㈡、斜坡式防波堤的构造（略） 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
主要内容
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斜坡式防波堤的结构型式
波浪与斜坡式防波堤的相互作用 斜坡式防波堤的断面设计 斜坡式防波堤的计算
一、计算内容和计算状态 1、计算内容
⑴护面块体的稳定重量和护面层厚度
⑵栅栏板的强度 ⑶堤前护底块石的稳定重量 ⑷胸墙的强度和抗滑、抗倾稳定性 ⑸地基的整体稳定性 ⑹地基沉降（确定坡顶欲角高度）
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。 ⑴持久状况：应考虑以下的持久组合 ①设计高水位：波高应采用相应的设计波高； ②设计低水位： 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。
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港口与航道工程之
港口水工建筑物
第十章 斜坡式防波堤
中国海洋大学 工程学院 海洋工程系
主要内容
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斜坡式防波堤的结构型式
波浪与斜坡式防波堤的相互作用 斜坡式防波堤的断面设计 斜坡式防波堤的计算
主要内容
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斜坡式防波堤的结构型式
波浪与斜坡式防波堤的相互作用 斜坡式防波堤的断面设计 斜坡式防波堤的计算
一、斜坡式防波堤的结构形式
按材料分，大致可分为： ⑴抛石防波堤：抗浪能力较差多用于波浪不大且石料来 ⑵砌石护面防波堤：源丰富的情况。 ⑶人工块体护面防波堤： 抗浪能力较强，多用于波浪较大 的情况。
二、斜坡式防波堤的特点与要求
1、抛石防波堤
⑴不分级堤 利用开采出来的大小不等的石快，不经分选，随意抛填。 断面形式有梯形、折成形。 ①优点：堤身密实、沉降均匀、施工简单；
营口港鲅鱼圈港区长793m北防波堤工程
珠海电厂5万吨码头防波堤
主要内容
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斜坡式防波堤的结构型式
波浪与斜坡式防波堤的相互作用 斜坡式防波堤的断面设计 斜坡式防波堤的计算
㈠、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、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。
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。
3、支承棱体和肩台宽度 ⑴支承棱体 因波浪作用主要集中在设计水位上、下各1倍设计波高范 围内，所以在港外侧设置水下支撑棱体的顶面高程应低于设计 低水位以下1倍设计波高处。棱体顶面宽度不小于2m，厚度不 宜小于1m。 ⑵设戗台的堤 干砌块石或浆砌块石护面的防波堤通常设有戗台。为保证 护面的施工条件，戗台的高程宜设在施工水位附近，宽度不宜 小于2m 。 ⑶宽肩台堆石堤 为了有效的减少波浪爬高，更好的消能，肩台高程可定在 设计高水位以上1～3m，宽度取2.3～2.9H，且不小于6.0m。
㈡、波浪与斜坡的相互作用
1 、斜坡倾斜时对波浪运动形态的影响（即波浪的破碎、 反射） ⑴破碎影响（i=1:m） 试验证明： m≥5，完全破碎，不放射 1<m<5，大部分破碎，很少放射（α<45°） m≤1，大部分放射，很少破碎（α≥45°） 设计时，当墙面平整，且不透水时： α≥45°，按直立堤计算 α<45°，按斜坡堤计算 波浪在斜坡上的临界水深dd，可按下式计算： L 1 m2 d d H 0.47 0.023 H m2
Байду номын сангаас
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0.5～2倍波高时，波浪爬高可减少10%～15% 。
⑶波高回流冲刷深度及范围
冲刷深度：
1.22H dc m 0.8
H L
作用范围在爬高R—d之间，也就是坡面的保护范围。
注意：以上关于波浪对斜坡堤作用的计算方法，适用于 以下条件： ①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） ②1：m，1<m<5（波浪大部分破碎，很少反射） ③建筑物前的水深，d=（1.5—5.0）H ④堤前海底坡度I≤1/50
主要内容
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斜坡式防波堤的结构型式
波浪与斜坡式防波堤的相互作用 斜坡式防波堤的断面设计 斜坡式防波堤的计算
设计内容：
断面尺寸及构造
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） ㈠、断面尺寸 1、堤顶高程的确定
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：

缺点：①支撑棱体承载力要求较高②对斜坡平整度要求高。
② 异形方块 特点：①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；②空隙率 大，表面粗糙，有利于波浪在斜坡上破碎，波能消散。目 前常用的异形方块有： 四足锥体、四足空心方块、扭工字、铁砧体、三柱体、 六脚锥体。 缺点：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。 护面块体适用于：水深大、波浪大、地质条件软的情 况。
⑴西班牙的伊里巴伦公式 反压力：F∝γbHA
A∝(wg/γb)2/3 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） γb---块体在空气中的重度（kN/m3） H----设计波高 g----重力加速度（m/s2） 2/3 则反压力： wg F k b H b
F 由平衡条件可得： W ' sin W ' cos g
2/3
μ为摩擦系数，取μ＝1得：
B Wg F W ' cos sin k H g g b
因：

b W ' Vb b W ' W W Vb b b
x V At 1 2 y y c gt 2
坡面上有： y
1 x yc y g 2 V A
2
1 x m
则得：
0.5 2 2 V V 1 x B A V A A 2 gyc 2 2 b b 4ac g m m ) , ( x1, 2 2a xm yB m 式中：——按浅水波计算理论计算
2 2
对光滑平整的坡面，破碎波浪的水流冲击斜面的动 水压力分布如下：
1 0.025s
3 0.053s
式中：
2 0.065s 4 0.135s
ml
s
24 m 2 1
各点的总水压力：
P P动 P静
⑵波浪爬高
斜坡为单坡时： ①规则波：R=k△R1H ②在风直接作用下，不规则波的爬高， R1%=k△kwRu1H1%
2g 2 2g 2 coth d k c tanh d V A H 2L L 2L L m k 4.7 H 3.4 0 . 85 c 2 L 1 m
y c d b ac
db——为破碎水深，
ac——破碎时的静水面上的波峰高度。
2、堤顶宽度 ⑴确定原则： 除必须保证在波浪作用下，堤顶块体的稳定性，还应保 证除应满足施工，使用要求外。
⑵基本要求
①人工块体护面：1.1～1.25H，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。 ②砌石护面堤：1.1～1.25H ③抛填砼方块：由于堤底的透浪程度较大，堤的宽度
⑵反射影响 斜坡式建筑物前通过反射迭加以后的波高和反射波高： H’=H+HR HR=k△HR′ 式中： H′——斜坡式建筑物前通过反射以后的波高； HR ——反射波高；
k△ ——与斜坡面结构型式有关的糙渗系数；
HR′——k△=1时的反射波高，它与斜坡的m值和波陡H/L有关。
2、波浪破碎后产生冲击坡面，且部分水体上爬，回流，冲 刷坡面。 ⑴射流作用：包括冲击位置，最大冲击速度，最大冲 击压力分布（动水压力） ①冲击位置：按平抛运动计算 。