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海岸工程学2012年3月李俊花第四章防波堤工程4.2斜坡式防波堤4.3直立式防波堤4.1概述港口组成水域陆域进港航道防波堤港内锚地港内锚地大连港某鱼港防波堤布置平面图某港区防波堤工程通过前面的介绍，我们知道当建港的天然海域不能满足其掩护与泊稳需求时，工程上用防波堤圈围一个平稳的水面，将港内水域与外海隔开，使港内水域具有更好的掩护和泊稳条件。一、定义对于建造在开敞海岸、海湾或岛屿的港口，为防御波浪对港域的侵蚀而建造的用于掩护水域的一种结构物。4.1概述二、防波堤的功能1、防御波浪、冰棱的袭击，保证港内水域的平稳；2、阻拦泥沙，减少港内淤积，保证港内水深；3、堤的内侧可兼作码头。某鱼港防波堤布置平面图砂土不透水粘土地下水位总应力有效应力中和应力低透水粘土砂土砂土（不饱和）砂土粘土（半透水）总应力有效应力中和应力总应力有效应力中和应力毛细张力力三、防波堤的分类1、按平面型式：（1）突堤：一端与岸连接，另一端伸向海中，组成港口的口门。（2）岛堤：两端均不与岸连接，位于离岸一定距离的水域中，设有堤根。（3）组合堤双突堤－大连港防波堤的平面布置2、按结构型式分：斜坡式直立式混合式透空式浮式压气式水力式重型防波堤轻型防波堤（一）斜坡式：由堤心石、护面和护底组成（一般）（1）优点：a、消浪功能好，波浪大部分不反射；b、对地基承载要求不高，损坏后易修复；c、施工容易，一般不需大型起重设备，便于就地取材。（2）缺点：a、护面块石易被波浪冲走，需经常维修，增加后期费用；b、堤两侧不能直接做系靠船舶的码头之用；（3）适用范围：适用于水深不大（10-20m），当地材料价格便宜，地基较软的情况。（二）直立式：一般由墙身、上部结构和基础组成。临港和临海两侧均为直立墙，底部基础多采用抛石基床，水下墙身一般采用混凝土沉箱。（1）优点：a、与斜坡式相比，材料用量少；b、不需要经常维修；c、堤内侧可兼作码头，适用方便。（2）缺点：a、波浪反射大，消浪效果差，可能影响港内水域平静；b、堤前水深小于波浪的破碎水深时，波浪将破碎，对堤前产生很大的动水压力，需加大堤身宽度和需要护底措施，增大造价；c、地基应力大，对不均匀沉降敏感；d、一旦破坏，修复困难。（3）适用范围：a、水深较大（大于破碎水深，使波浪不破碎）；b、地基坚实；承载力大。（三）混合式（即高基床直立堤）：（1）适用范围：水深较大（20m-28m），地基承载能力有限的情况；若作直立式，地基承载力不够；若作斜坡式，材料用量太大（斜坡堤材料用量大致与水深平方成正比）（2）缺点：a、确定斜坡顶标高，要经济，进行技术比较（建议基肩上的水深不小于2.5H）；b、论证方案稳定性，需做模型试验，增加设计费用，延长设计时间。（四）特殊型式的防波堤理论和试验研究表明，波浪能量大部分集中在水体表面，在表层2-3倍波高范围内集中90%-98%的能量，因此产生了适应波能这一特殊型式的防波堤。1、透空防波堤：（1）优点：比较经济，施工也容易。（2）缺点：不能阻止泥沙进入，不能减小水流对港内水域的干扰。（3）适用范围：水深较大，波浪小，无防砂要求的水库港、湖泊港。透空式箱式2、浮式防波堤：（1）优点：不受水深，地质条件的限制；（2）缺点：锚链设备复杂，可靠性差，易起锚，不能阻止泥沙进入港内，不能减少水流对港内水域的影响。（3）适用范围：波陡大，水位变幅比较大的渔港或作临时防护。由有一定吃水深度的浮排和锚链系统组成。易拆除，易修建，较经济。3、喷气式、喷水式防波堤：原理：使波长变短，波陡变大，直到波浪破碎，消耗波能。优点：施工简单，基建投资少，安装、拆迁方便。喷气式喷水式缺点：动力消耗大，运输费用高。适用：围堰施工，打捞沉船及临时的装卸作业。四、防波堤的结构选型和设计条件防波堤的设计条件包括自然条件：风、浪、流、潮位、泥沙、冰凌、地震、地质等使用条件：港口对防波堤功能的要求，如反射、绕射、越浪、透浪、防沙、防流、防冰、堤顶是否利用、是否堤内侧靠船等材料条件：砂石料的开采、供应等施工条件：施工设备、施工技术、施工作业天数等防波堤的结构选型，应根据自然条件，材料来源，使用要求和施工条件等，通过全面的技术经济比较加以确定。1）水深较小时，斜坡堤石料丰富波高较大2）水深较大，地质较好时，直立堤3）水深更大时，浮式防波堤，高桩承台式防波堤4）水位变动较大或临时的挡浪结构，浮式防波堤1、防波堤布置的主要内容：五、防波堤的布置防波堤的布置包括：（1）防波堤的平面布置；这些往往需要通过模型试验来确定。（2）防波堤的口门布置；（3）防波堤的轴线布置；2、防波堤布置的原则：⑴防波堤轴线布置形成的港内水域应是扩散形的，波浪进入口门内能迅速扩散到较大的波峰线上，使波高降低。⑵防波堤的纵轴线一般应向港内拐折，θ＝120°～180°，尽量避免向港外拐折成凹角β（因为在凹角处会波能集中，波高增大），若必须向外拐，如为保护船舶进出口门时避免受横向波浪影响，在主堤段外端接一辅助翼端，且两段堤轴线的外夹角β角不宜小于150°，且最好用圆弧连接。⑶轴线与波向线要斜交成α＝60°～80°，以减少波浪力，增加安全储备。⑷堤高应沿纵轴线按水深、地质、波浪条件分段设计（堤头、堤身、堤根）。3、堤头⑴环境特点一般位于深水区且离岸最远。三面环水，受三个方向的波浪作用，受力复杂且堤前水底的水流冲刷也最强烈。⑵型式①斜坡式堤头一般为15～30m长；水深较大的斜坡堤，堤头段长度应适当加长。斜坡式堤头处，波浪容易越过堤头形成破碎水流冲击堤坡上的护面块体，并向外推，受力比堤干大。因此。堤头段内外侧的护面块石或人工块体的重量必须加大，或放缓堤头内外侧的坡度。优点：波浪在斜坡上破碎，因此，波浪反射下，口门附近的水域比较平稳，船舶进出港安全。缺点：在高水位时口门的实际宽度增加较大，对港内水域的掩护不利。因此，有将斜坡式防波堤的堤头改为直立式堤头，即将直立式堤头伸入斜坡式堤身内一段长度。斜坡式防波堤的直立式堤头构造②直立式堤头长度：其长度取堤头宽度的1.5～2.0倍，也可采用与堤干标准段相同的长度。堤头与堤干之间应设置变形缝。宽度：当需要在堤头设置灯标或因内侧系靠船只而设置系船设施与阶梯，因此在堤头段内侧须加宽，其宽度有时可达堤干宽度的1.5～2.0倍。形状：半圆形与矩形的合并形式、圆形、矩形或多边形等形状。（但转角处以做成圆形为佳，并应向港内加宽，以减弱转角处的强烈波浪和水流对建筑物的作用。）直立式堤头的平面形状结构型式：尽量采用与堤干结构相同的类型。一般重力式直立堤主要采用沉箱或混凝土方块结构。但都要求具有较好的整体性。堤头处基础及其附近海底的基本要求:A、护底块石层需由外侧延伸至堤的内侧；B、对明基床应适当放缓边坡坡度，并在基肩上安放压肩方块、四脚空心方块或栅拦板。压肩方块上的水深应大于航道所要求的水深。4、堤干堤干段总长度大，沿着它的轴线地形不断变化，各处的水深和波浪也不同，设计时应根据地形、地质的变化和堤干段中的某些特殊控制点，结合沉降缝的要求，将堤干划分非若干标准段（20～30m）。然后配合堤身的断面设计，修正各段的基床厚度和水下部分的底部高程，从而得出堤干的纵断面图。与岸连接段，一般位于浅水区。当在岩石海岸建堤时，如果岩岸较陡，则堤根水深较大。5、堤根浅水区：水深较浅，波浪已破碎，波能不大，且因为水深浅难以用浮式起重机船来安放重大方块和大沉箱，因此一般采用斜坡式堤根，斜坡护面不需特殊加固，深水区：如岩石海岸，堤根可采用直立式，但如岩岸较陡，堤根处水深较大，则可能由于波浪在海岸上的反射造成堤根段的波能集中，因此要采取加强措施，如堆砌护面块体较大的人工岸坡，以减少反射跌加的波能。防波堤的平面和纵断面图（a）平面图（b）纵断面图六、防波堤的设计标准（1）设计潮位标准：设计高、低潮位：完整的一年实测潮位资料，取高潮累积率10%的潮位和低潮累积率90%的潮位；极端高、低潮位：重现期50年的年极值极端高潮位和低潮位（2）设计波浪标准：重现期，波列累积频率设计波浪的波列累积频率，是指设计波浪要素在不规则波列中的出现概率，代表波浪要素的短期统计分布规律。主要反映波浪对不同类型海工建筑物的不同作用性质。设计波浪的重现期，是指某一特定波列累积频率的波浪平均多少年出现一次，代表波浪要素的长期统计分布规律。主要反映建筑物的使用年数和重要性。1、重现期：斜坡式、直立式、墩柱式、桩基式50年；护岸等非重要建筑物，25年；灯塔，100年，必要时，按照历史最大值设计2、波列累积率：不同结构型式，不同验算指标，不同部位，使用的波列累积频率可能不同（表5-1-1）,p168《海港水文规范》规定：重现期波高的推算方法：1当有较长期的波浪实测资料时，对分方向的年极值波高系列进行PIII曲线分析；2无较长期的测波资料，但对岸距离小于100Km时，对分方向的年极值风速系列进行PIII曲线分析，再由重现期风速和对岸距离，间接确定同一重现期的设计波高。3无较长期的测波资料而对岸距离又较长时，采用历史天气图。平均周期推算方法：表5-1-2,p1691.当地大的波浪主要为风浪时２．当地大的波浪主要为涌浪或混合浪时对年极值波高所对应的波周期进行PIII曲线分析