上海海事大学 海岸工程学 第3.2章海堤3(海堤结构计算)

海岸工程学2012年2月李俊花七、海堤设计2护坡计算1波浪在堤坡上爬高计算3防护墙稳定计算4防浪胸墙稳定计算5海堤抗滑稳定计算6地基沉降计算7软土地基加固8海堤防渗和堵漏爬高计算的目的：确定堤顶高程（非常重要）1、波浪在堤上爬高计算波浪爬高概念：波浪爬高示意图波浪爬高是指波浪沿建筑物上爬的高度，自静水位起算，向上为正。A海堤工程技术规范B港口工程技术规范C复式断面爬高计算D堤前有压载时的爬高计算A海堤工程设计规范)25.1exp(09.1)()πd/L4shπd/L41(2th2)()2(th)(1)()()432.0th(32.3312/12/121111MMMRLdKRLdMLmMMRKRMKRHRKRmm（1）单一坡度海堤在正向规则波作用时适用范围：坡度1：1~1：5,堤前水深1.5~5.0H,堤前水底坡度小于1/50R——波浪爬高，从静水位算起，向上为正；H——波高；K△——糙渗系数；R1——K△=1、H=1m时波浪爬高；式中：式中：（2）在风直接作用下，单一坡度的斜坡式海堤正向不规则波的爬高上述得到的波浪爬高仅仅是R1%，若要计算不同波列累计频率情况i%的爬高，则需要将R1%乘以换算系数。RF=KF×R1%斜向入射波的爬高•当波浪以斜角行近建筑物时候，爬高值应该乘一下系数。B港口工程技术规范特点:(1)应用范围大;坡度0~20,波坦L/H=10~50,相对水深d/H=2.5~25.(2)除了给出爬高的计算外，还有落深和爬落幅度的计算方法。且采用函数关系，方便电算；正向规则波在斜坡上的水位变化,包括爬高和回落正向规则波在斜坡上的水位变化,包括爬高和回落KK是糙率系数1R)25.1exp(09.1)()πd/L4shπd/L41(2th2)()2(th)(1)()()432.0th(32.3312/12/121111MMMRLdKRLdMLmMMRKRMKRHRKRmm是=1,H=1m时候波浪爬高或降深,与斜坡数m有关与斜坡的m值有关的函数；爬高函数；相应于一定的d/L时候爬高或者落深的最大值)(])[()432.0tanh(2111MRKRMKRm2121)2(tanh)(1LdHLmM))4sinh(41(2tanh(2)(31LdLdLdKRmmR)(1M)(MR)25.1exp(09.1)(32.3MMMRu)69.2exp(8.7)42.0exp(350.0)(02.2954.1MMMMMRd爬高函数落深函数C复式断面爬高计算（堤防规范）对于带有平台的复坡，可以先确定断面的折算坡度，然后按照折算坡度的单坡近视计算其爬坡。上、下坡度一致上平下陡下平上陡应用在平台在静水位附近。堤坡断面均为斜坡，对于上下断面中含陡墙的不适用。上述计算公式的使用范围是:•m(上)=1~4•m(下)=1.5~3•Dw/L=-0.067~0.67•B/L=0.25D堤前有压载时的爬高计算计算步骤:•先计算无压载条件下的爬高;•将所得爬高值乘以压载修正系数;•当dw/H=1.5,M=1.5时候,还要考虑dw的影响.计算公式多，但是不系统，不完善，有一定的适用范围，对带平台的斜坡，平台下为陡墙的研究比较少，不能满足实际工程需要。常常需要通过物理模型试验确定爬高。问题：越浪量计算海堤越浪现象：指海堤受到大的风浪袭击时，因浪高超过堤顶高程导致部分水体越过堤顶进入内坡的现象。通常用越浪量作为计量、评价和控制参数。定义：海堤越浪量：指1m单位宽度海堤上每秒钟波浪翻越海堤的水量。其单位为3/msm一般海堤在设计波浪作用下都允许有少量越浪。对于部分不允许波浪越过堤顶的斜坡堤，需通过对越浪量的计算进行校核堤顶高程。《海堤工程设计规范》（SL435—2008）推荐公式1、斜坡顶无胸墙时，越浪量的计算1.72221313131.52.8ln2pcApgTmHHdqAKthTHHHm:;cppAqHHHTTTAK313%式中——单宽平均越浪量（m/ms）;——波高，采用——波顶在静水面以上的高度（ｍ）；——谱峰周期（ｓ），可取＝1.2——经验系数；——护面结构影响系数cHd顶部无胸墙的斜坡式建筑物经验系数A、B护面结构影响系数2、斜坡顶有胸墙时，越浪量的计算'1322211313130.30.07exp0.52.8ln22cHHpApgTmbHdqBKthHTHHmB——经验系数，查表确定顶部有胸墙的斜坡式建筑物允许越浪量：允许越浪量根据海堤表面防护情况按《规范》中表6.6.2取工程实例（一）防潮标准：采用百年一遇作为计算防潮标准（二）海堤型式：斜坡式，岸顶高程4.5m，陡墙式混凝土防浪墙。迎海侧护面为栅栏板护面，坡度比1：2，底部干砌石，碎石垫层，抛石基层，堤顶钢筋混凝土护面，宽9m。（三）堤顶高程复核和越浪量复核计算参数百年一遇高潮位hP=3.10m风速VZ=34.5m/s风区长度D=1333m安全超高A=0.5m，允许越浪堤前水深d=hP-h滩=3.1-（-0.2）=3.3m波高累积频率F%=1%现状堤顶高程Ha=4.5m现状防浪墙高程H=5.4m堤顶高程复核式：ZP=hP+RF+A1.设计波浪推算：由当地风场要素推算波浪要素波浪要素计算(由已知的风速V、风区长度F和水深d,确定稳定状态的风浪要素平均波高H和平均波周期T)mLsTmHVHgVTgVgdthVgdthVgdthVHg2.17,4.3,587.0][9.13})])/((7.0[13.0)/(0018.0{])(7.0[13.05.027.0245.027.022特征波：sTTmHHmHHP522.433.1,939.06.1,309.123.23/1%12.波浪爬高1%11%RKKRH栅栏板护坡糙渗系数KΔ取0.49风速系数KV根据V/C查表取1.28计算出栅栏板护坡的波浪爬高：R1%=1.8采用正向不规则波的爬高计算公式3.堤顶高程复核允许越浪时，堤顶高程：ZP=hP+RF+A=3.1+1.8+0.5=5.4m4.越浪量核算根据护面情况，允许越浪量为0.053/msm'22210.30.07exp0.52.8ln22cHHpApgTmbHdqBKthHTHHmB为经验系数=0.45，KA为护面结构影响系数=0.5计算越浪量为：531.603710/qmsm防浪墙顶高程勉强满足要求。计算越浪量允许越浪量，满足允许越浪量要求。主要设计内容A砌石护坡厚度计算(1)《港口工程技术规范》法(2)裴什金法(3)《海堤工程设计规范》法B稳定重量计算(1)单个块石或人工块体稳定重量计算(2)护底块石稳定重量计算C护面混凝土板厚度计算2护坡计算A砌石护坡厚度计算211.3()mdmhKHKKm(1)《港口工程技术规范》法（海港水文规范P738.2.9）•注意《海港水文规范》中公式的使用范围包括坡度、相对水深和波坦•坡度m:1.5~3•堤前相对水深d/H:1.5~4•波坦L/H:10~25•海港水文规范还提供了斜坡式建筑物的干砌条石护面的厚度公式。•计算波高取值：当，H取H4%,当H取H13%.125.0/Ld125.0/Ld使用范围:1.5=m=531.3HLhKKHmA砌石护坡厚度计算(2)裴什金法—《堤防规范》中采用,结果比较适中系数取值•K,干砌块石0.266•H的取值d/L=0.125,H4%,0.125H13%注意：裴什金法也可以用在浆砌块石厚度，不过浆砌块石厚度计算时,H均取H13%.干砌块石护面31bHLtKHmcotmA砌石护坡厚度计算(3)《海堤工程设计规范》法（P113）210.7440.4760.157bmdtHmAH干砌条石A砌石护坡厚度计算(3)《海堤工程设计规范》法（P113）算例人工块体或块石护面层厚度计算130.1bQtnC层数：2~3层先计算稳定块体重量，再计算厚度，便于图纸上标明厚度人工块体的个数计算：23'0.11bNAnCPQ空隙率：颗粒物料中，颗粒与颗粒间的空隙体积与整个颗粒物料层体积之比。（1）单个块石或人工块体稳定重量计算B稳定重量计算容许失稳率表示静水面上下一个波高范围内，容许被波浪打击移动和滚落的块体个数所占的百分比公式适合应用于不越浪的情况.材料：经过分选的块石、异形块体注意：在破波区域的块石重量应当适量加重,可以比计算的重量增加10%~25%,另外在堤头的块体重量也要增加.护面垫层块石的重量可取护面块石稳定重量的1/20～1/10（2）护底块石稳定重量计算B稳定重量计算（2）护底块石稳定重量计算max4HuLdshgL护底块石的稳定重量，可根据堤前最大波浪底流速确定与最大波浪底流速为2m/s、3m/s、4m/s和5m/s相应的护底块石重量为60kg、150kg、400kg和800kg。B稳定重量计算1、斜坡堤前最大波浪底流速（近破波）max4HuLdshgLC护面混凝土板厚度计算使用范围：斜坡坡度m=2~5栅栏板厚度：•斜坡坡度系数m=1.5～2.5时,栅栏板的厚度按下式计算：•d_堤前水深HmHdhb27.0/13.061.0235.03防护墙稳定计算GPPePu稳定计算内容：A墙身抗倾复稳定性计算B墙身整体沿墙底面或墙身沿各水平缝的抗滑稳定性计算C施工期间，防护墙稳定性D防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定E地基稳定计算计算工况A墙身抗倾复稳定性计算B各水平缝抗滑稳定计算抗倾稳定安全系数抗滑稳定安全系数C防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定（非粘性土）D防护墙沿垫层与地基接触面的抗滑稳定（粘性土）稳定计算内容：胸墙的抗滑、抗倾稳定计算防浪墙稳定计算工况及临海侧水位计算各种工况下的荷载基本荷载：自重、设计潮位时的波浪压力、土压力特殊荷载：地震荷载以及其它出现机会较少的荷载4防浪胸墙稳定计算抗倾、抗滑稳定计算YXKKK的计算详见《海堤规范》附录M允许的安全系数详见《海堤规范》主要荷载：波浪水平力，波浪上托力（参考海港水文规范中的8.2.11）A先按堤前水深和波高确定堤前波浪形态，依次分类确定波压力计算公式B计算海堤前水深的波压力分布，截取作用与胸墙部分的波压力（参考海港水文规范8.1）荷载计算过程：（一）波浪对胸墙的作用及组合•计算波浪对胸墙作用力时，一般波高采用1%波高，波长由平均周期算得(负值)p胸墙上的平均压强及波压力分布高度（1）无因次参数、按规范《海港水文规范》JTJ213-98公式计算d1---胸墙前水深（m），当静水面在胸墙底面以下时，d1为负值，d——堤前水深（m）；H——设计波高（m）；L——波长（m）；•该参数实际上反映的是防浪墙的位置，包括离水面高度，波浪爬坡高度，及波浪特性b-LHHddd21043.029.3LHb（2）波峰作用时胸墙上平均压力强度按规范《海港水文规范》JTJ213—98公式计算：当——与无因次参数和波坦有关的平均压力强度bpHKp24.0PKHL（3）墙上波压力分布高度——与无因次参数和波坦有关的波压力作用高度系数mZd1zKLdHthmZd21zK（4）单位长度胸墙上水平波浪力标准值P（）的计算：（5）单位长度胸墙底面上的波浪浮托力标准值计算——波浪浮托力折减系数，采用0.7b——胸墙底宽(m)mKNZdpP12pbPu（二）防浪胸墙抗滑、抗倾稳定性验算（1）沿墙底抗滑稳定性的承载能力极限状态设计，按下式计算——结构重要性系数；——水平波浪力分项系数；——波浪浮托力分项系数；——自重力分项系数；—