上海海事大学_海岸工程学_补充波浪对海工建筑物的作用

海岸工程学2012年3月李俊花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波浪对海工建筑物的作用1波浪对直墙式建筑物的作用2波浪对斜坡式建筑物的作用1波浪对直墙式建筑物的作用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itgb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2、远破波3、近破波三、破波作用力1、浅水立波法2、森弗罗简化法3、插值法4、欧拉坐标一次近似法5、合田良实法1、远破波作用力2、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立波、远破波和近破波三种。1、波态定义立波：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。远破波：在墙前半波长或稍远处发生破碎的波浪，称为远破波。近破波：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123dd8,28,1.8TgddHTgddH8,2,1108,1.8,110TgddHiTgddHi11233dd11.8dH11.8dH113dd11.5dH11.5dH2、波态的判别表中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d2H,但底坡i1/10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11.8dH1、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（1）波峰作用力波峰作用时立波压力分布图（d/L=0.05-0.12）静水面2dchcacpocpbcpdcpucPcPd波面高程按下公式计算：式中：mcHBdd0.5941*2.31042.5907BT2***/0.009130.6361.2515mTTT*/TTgd*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：ch1.672/2212max0.6366184.23264/,1.0ccacochddnppddnnnHdmcach——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14accocqppphppABHdd——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0.02901-0.000112.140820.14574-0.024030.91976-0.18-0.0001532.543411.31427-1.20064-0.6736-3.073722.915850.11046-0.032910.174530.650740.037650.464432.916980.062201.32641-2.975570.28649-3.8676638.419511,,AB22,,ABb,,c12*pAAAT12*pBBBT*2**TqTbTcocpdbcpddcpdocpdocpdbcpdbcpddcpddcpdppABq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。bcocppbcocppbcp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：2221214caccoccbcdcPpphppddddddd/CPkNm式中：——单位长度墙身上的水平总波浪力20312111111542324424caccccoccbcdcMphphhppdddddddddd(/)cMkNmm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)（2）波谷作用力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/qtppABHdd/qpppABHdd式中：p——墙面上各特征点的波压力强度（kPa）,,PpdtotdtotABqpppp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0.0397-0.000181.951.6870.16894-2.01950.98222-3.06115-0.2848-2.197070.928020.23502.599-0.86790.0709220.1565-1.97230.1332911,,AB22,,ABb,,c12*pAAAT12*pBBBT**cTbqTeotpdppABq系数、和（波谷作用）dtpd2*1*0.1ATpAATeotpddtpdotpddtpd单位长度墙身上的水平总波浪力（负值）：2112totdttPppddddtP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。130HL森弗罗简化法立波波峰压力图静水面spuPPdi波浪中心线bpdpsh1d2ddpdbHH（1）波峰作用超高：立波的波浪中线超出静水面的高度。sh22sHdhchLL波峰压力：0；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（2）波谷作用森弗罗简化法立波波谷压力图静水面'sp'uP'Pdi波浪中心线'bp'dpsh1d2d'dpbHH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sHh'sspHh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）2111'2sbdhdHdpP''2bubpP3、插值法《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：1.8dH0.12/0.139dL*98T*/TTgd**8898TXXXXT*8*9*89TXXTHdXTHd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；4、欧拉坐标一次近似法当和时，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。130HL0.2/0.5dL立波波峰压力分布图静水面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2dHpdchL122bddchLpHdchL12212222ddshHLdLPHthdLchL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注意：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z=L/2处的波浪压力强度可取为0，波峰作用下和0.5dL22zdzdpHchchLL22sHdhchLL波谷作用下的的d均改用L/2.5、合田良实法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：1.5H12spHsdppchkd21120.622kdshkd23222322min;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，则注意：合田良实公式的只能计算波峰作用力，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1、远破波作用力(1)波峰作用力远破波波峰压力分布图静水面spuP2dHi(0.50.6)dsppbH0.7sp2H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12spKKH式中：12iKKLH——水底坡度的函数，见下表；——波坦的函数，见下表。底坡i1/101/251/401/501/601/801.891.541.401.371.331.291.251001K注：底坡i可取建筑物前一定距离内的平均值。系数K2波坦1415161718192021221.011.061.121.171.211.261.301.341.37波坦23242526272829301.411.441.461.491.501.521.541.55LHLH2K2K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.