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1、主讲人： 龚尚鹏,半圆形、圆弧面防波堤浅析,1.半圆形防波堤简介,3.半圆形防波堤案例浅析,2.半圆形防波堤的优缺点,4.圆弧面防波堤简介,5.两者对比实验研究,6.参考文献,目录,半圆形防波堤简介,半圆形防波堤是由半圆形拱圈和底板组成的预制钢筋混凝土构件,堤身坐落在抛石基床上。按堤顶高程是否高出静水面可将半圆堤分为出水堤和淹没堤（潜堤）两大类。从提高消浪效果和减少底板浮托力的角度考虑，有的在堤身适当开孔。按开孔情况分类，称不开孔的为基本型，迎浪侧开孔的为前面消浪型，背浪侧开孔的为背面消浪型，迎浪侧和背浪侧均开孔的为透过型。,浮托力：地下水位上升产生的静水压力对上覆不透水岩层产生。,1985年
2、初由日本开发的 1989年日本港湾技术研究所的谷本胜利和滑川伸孝以计算直立堤上波浪力的合田良实公式为 理论基础，对其相位和角度进行了经验性修正，提出了计算出水情况下半圆堤上波浪 力的经验公式。 1993年于宫崎港建造了长度为36 m的防波堤试验段。 1994年H.Sasajima等人提出半圆堤上的波浪力水平分量小于直立墙上的波浪力水平分量。 在国内 交通部第一航务工程勘察设计院(现一航院)首先于1995年3月完成了天津港北大防波堤的半圆形防波堤初步设计。 随后,又在天津港南疆第五期围埝的东端设计了527 m长的半圆形防波堤,该堤已于1997年9月建成。 1996年10月一航院完成了长江口深水航
3、道治理工程半圆形导堤结构的专题研究,最早为长江口导堤建设推荐了半圆形结构方案。长江口治理的第一期工程中,南导堤采用半圆形结构的堤段达到17.5 km。,半圆形防波堤发展历程,半圆形防波堤优点,(1)与传统的直立式防波堤相比,作用于半圆形防波堤上的波浪力较小,因此抗滑稳定性能好,堤身 断面经济。 (2)由于作用于半圆形堤面的波浪压力,其作用方向均通过圆心,对堤身不产生倾覆力矩,因此地基 应力基本为均布状况,适合于软基的条件。 (3)圆拱结构的构件受力性能好。 (4)半圆形构件全部在陆上预制,安放于整平好的抛石基床上后,即可抵御大浪的袭击,且无现浇混 凝土等后续工序,因此特别适用于自然条件较差的外
4、海地区。 (5)半圆形构件为自身稳定结构,堤身内勿需填石,施工简便,石料用量省。 (6)对已建好的堤段,可较方便地把半圆形构件吊起并重新安放就位。 (7)半圆形防波堤的外形,在海域中具有较好的景观效果,（1）因半圆型堤的底宽约为其高度的二倍,由此带来抛石基床比其它形式防波堤 体积增大,有可能不经济。,缺点,半圆形防波堤案例浅析（天津港北大防波堤）,根据天津港总体布局规划,将在现有港区的北侧开挖北港池,建设新的深水泊位。为此,需在原有北防波堤以北建造一道新的防波堤,称为北大防波堤,总长约6.4 km,以满足新建泊位的防浪和防淤要求。 天津港的地理环境和自然条件并不优越。由于其地处渤海湾西北平缓的
5、淤泥质海滩上,南北毗邻。 海河口和蓟运河口,因此该地区设计条件的特点是: 1)外堤延伸较远,工程规模尺度较大; 2)建堤处水深、波浪不大,但多属于破碎波区; 3)软基深厚,土质强度低,压缩性高,渗透性差; 4)砂石料来源缺乏,大宗砂石料需由外地供应; 5)施工场地较远,大型施工船舶需乘潮作业,北大防波堤堤址处海底地形平缓,海底坡度约为1/1500。防波堤轴线上的深度约为- 1.0 m；海底面下表层为淤泥,层底高程约为- 7 -11 m。第二层为淤泥质粘土,层底高程为- 12.7 -14.3 m。第二层以下为土质较好的亚粘土和亚砂土。,对于这座防波堤 , 在方案设计阶段曾经做过多方案的比选工作。
6、由于当地石料单价高 , 斜坡堤结构的造价较贵。而传统的混合堤结构 , 由于自重较大 , 在软弱地基的条件下 , 一般需采用打设排水砂井或塑料排水板来进行地基加固处理,才能满足地基强度和稳定性以及沉降等要求。经过计算比较,由于半圆形混合堤结构的自重轻 , 采用砂垫层和土工布的简单地基处理方法即可满足地基整体稳定性的要求 , 具有石料省、造价低和施工进度快等明显优点 , 被确定为1995年完成的初步设计中的主要结构方案。,过渡页 （设计好之后可以删掉这个文本框哦）,天津港半圆形防波堤(北大防波堤)断面图,北大防波堤施工流程图,土工布，又称土工织物，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材
7、料。强力高，耐腐蚀等特点。,内容页 （设计好之后可以删掉这个文本框哦）,4.圆弧面防波堤简介,圆弧面(1 /4圆)防波堤是在半圆型防波堤基础上由谢世楞院士开发的一种新型防波堤。堤身由1/4圆的圆弧迎浪面、水平底板和竖直后墙组成,其底宽约相当于半圆堤堤身的一半。与半圆形防波堤相同,圆弧面防波堤的堤身也坐落在抛石基床上。由于堤身底宽缩小将近一半,圆弧面防波堤所需要的抛石基床工程量比半圆形防波堤显著减少,这是开发圆弧面防波堤的主要目的。,圆弧面防波堤构造组成和试验断面,谢世楞，著名海岸动力及海岸工程设计专家，中国工程设计大师。中国工程院院士,目前对于圆弧面防波堤相关研究较少。 天津大学吴永强（200
8、4）对圆弧面防波堤做了相关研究，通过试验观测证明堤身的稳定可以满足工程要求. 天津大学刘任在此基础上对不规则波浪与圆弧形防波堤相互作用做了研究，认为不规则波浪力仍符合瑞利分布，对区域内水体分布做了深入研究。但研究结果仍然仅限于经验公式的修正，且研究成果并未在工程实践中得到验证，仅处于初步状态。 此后，国内相继推出了多种圆弧形防波堤结构，如圆弧面格型结构防波堤，在圆弧基础上，加入空心沉箱式格型结构，以增加港侧堤顶兼作通道的功能，再比如谢世楞院士申请的专利新型曲面胸墙沉箱混合堤，将圆弧安放在仓格型沉箱组合上，适用于深水大浪的恶劣地区。,圆弧面防波堤发展历程,圆弧面防波堤优点,圆弧面防波堤吸收了半圆
9、形防波堤水力和结构特性的诸多优点。 例如 , 以圆弧面迎浪可以减少波浪力作用;作用于圆弧面的波浪压力通过圆心 , 对堤身不产生倾覆力矩 ; 圆拱结构的构件受力性能好 ; 在陆上预制 , 便于安装 , 施工简便 ; 堤身内不需填充石料 ,安放后即可抵御大浪袭击 ; 具有较好的景观效果等。圆弧面防波堤和半圆形防波堤各有其适用的地基条件。半圆形防波堤地基应力基本为均布状况 , 适合于软基,其基床顶宽约堤身高度2倍的目的在于扩大基床和地基的受力面积 ; 圆弧面防波堤则适合于地基较好的情况 , 可以减少基床抛石和相关的工作量。,圆弧面防波堤与半圆形防波堤波浪力对比试验,在表1所列的水位和波浪条件下分别测
10、定了圆弧面防波堤和半圆形防波堤波浪力,以进行分析比较,参照半圆形防波堤波浪力计算方法确定作用在圆弧面防波堤上的波浪力。在试验模型中沿堤身迎浪面、底板和背浪面布置压力传感器,根据对堤身各部分实测波压强度积分的方法确定作用于堤身的合成波浪力。合成波浪力分别以水平合力和竖向合力给出,定义行进波的方向为水平波浪力的正方向,竖直向上为垂向力正方向。沿圆弧面防波堤和半圆形防波堤模型堤身布置的压力传感器位置如图2所示。本次试验的圆弧面防波堤和半圆形防波堤堤身均未开设泄压或泄气孔。 （详细计算/实验 方法参照 ：谢世楞, 李炎保,吴永强,谷汉斌.圆弧面防波堤波浪力初步研究J.2006.）,内容页 （设计好之后
11、可以删掉这个文本框哦）,过渡页 （设计好之后可以删掉这个文本框哦）,试验同步记录了圆弧面防波堤和半圆形防波堤模型各部分的波压过程,根据这些波压过程可得到作用于堤身的合成波浪力的变化过程 , 由此可得到对堤身稳定性起控制条件的最大水平波浪力以及最大竖向波浪力 , 以下对波浪力的分析均以最大值为代表。试验结果表明 , 在相同的水位和波浪条件下 , 作用于圆弧面防波堤堤身的波浪力大于半圆形防波堤堤身上的波浪力 , 水位高于堤顶的淹没情况下两者的差别大于水位低于堤顶的出水堤情况。,圆弧面防波堤与半圆形防波堤的迎浪面完全相同 , 可根据它们的水力特性以及波浪力对比试验结果分析波浪力形成机理的不同点 ,
12、以通过修正方法确定圆弧面防波堤上的波浪力。物模和数模试验都表明 , 两种类型防波堤堤前水力现象基本相同 , 而堤后水力现象差别较大 , 半圆型防波堤的受力条件优于圆弧面防波堤。其原因是圆弧面防波堤背浪面为垂直面 , 在堤顶有一个突然转折,波浪越过时水流紊乱 , 容易出现尾涡 , 形成负压区 , 加大顺浪方向的波浪力 ; 而半圆堤背浪面为与迎浪面光滑连接的圆弧面 , 波浪越过时成光滑绕流状态 , 不易出现水流紊乱。,圆弧面防波堤与半圆形防波堤波浪力形成机理的差别,从此图可看到,当波浪越过圆弧面防波堤堤顶时,堤后出现尾涡。尾涡的出现在一定程度上是圆弧面防波堤垂直背浪面在堤顶剧烈转折引起的,这与半圆
13、形防波堤迎浪面背浪面在堤顶光滑过渡有明显差别。是造成两种防波堤波浪力差别的重要原因。,波浪作用下圆弧面防波堤堤身周围流场分布图,1)圆弧面防波堤是在半圆形防波堤基础上开发的一种新型防波堤,堤身由 1/4圆圆弧的迎浪面、水平底板和竖直后墙组成,其底宽相当于半圆堤 堤身的一半,适合于地基较好的情况,可以显著减少基床抛石和相关的工 作量。 2)根据与半圆形防波堤相同的水位和波浪条件下的稳定性试验,圆弧面防 波堤的稳定性接近于半圆形防波堤。 3)通过圆弧面防波堤与半圆形防波堤波浪力对比试验,本文建议了圆弧面 防波堤波浪力的简化计算方法:即对半圆堤正向水平波浪力乘以一修正 系数,在堤顶淹没情况下修正系数
14、可取1.3,在堤顶出水情况下修正系数 可取1.1。 4)利用数值波浪水槽模拟圆弧面防波堤的水力特性表明,圆弧面防波堤与 半圆形防波堤波浪力的主要差别在于波浪越堤后水流紊乱,容易出现尾 涡,形成负压区,加大顺浪方向的波浪力。,对比试验结论,复合土工布也叫软体排,软排.软排上层为反滤土工布层，下层为机织布层，上下两层之间缝制成若干单元体，每一单元体周边充灌有沙子形成具有主肋和辅肋的框格形状，其主肋垂直于水流方向，辅肋顺着水流方向，由于复合土工布软排具有很好的柔性，在抛石过程中，可自动调节整体的形状，形成良好的防护线及承载石头的能力，具有很好的护岸功能 软体排是利用土工织物缝接成一定尺寸的排布，在排
15、布上加铰链接砼预制板块作为压重而形成的一种防冲结构。也是土工合成材料在江河岸坡、丁坝护底（护脚）中常用的一种结构形式。它覆盖在有水流冲刷处，既能削减冲击能量，又可利用土工织物的反滤作用，使覆盖面下的土粒不被水流冲走。 砂肋软体排，是用于堤坝、河岸、河床底部及滩面等防冲刷工程的软体排。需要解决的技术问题是提供一种造价较低、整体性好、施工方便、防冲刷性能较好的软体排。包括排布和砂肋压载，其特征是排布上土工织物为单一土工织物或复合土工织物，复合土工织物由两种土工织物针刺复合而成。排布上缝制均布排列的加筋带和砂肋套，砂肋套中穿入土工织物长管袋，长管袋中充填砂料形成砂肋。砂肋软体排适于防冲刷工程铺设使用
16、。,长江口半圆形导堤断面图,开孔率与波浪力的影响关系,图 6 为在水深分别为 0.35m、 0.4m、 0.45m 的情 况 下 用 固 定 波 列 （ 波 周 期 T=1.4s，波 高 H=0.14m） 分别作用 4种不同开孔率的圆弧面所得到的压力图。 结论： 在一定范围内 ， 增加开孔率会减小波浪压力，但超过这个范围后结构反而会偏于危险。（该论文作者认为本次试验的最佳开孔率为 18.18%） 详细实验内容参考：虞 鑫,赵利平.圆弧形护面斜坡式防波堤水动力及消浪特性研究J.2014.,参考文献,1 谢世楞.半圆形防波堤的设计和研究进展J.中国工程科学,2000,2(11): 35- 39. 2 谢世楞.淹没情况下半圆型导堤上的波浪力J.港工技术,1998,(2):1- 5. 3 俞聿修,张宁川,饶永红.半圆型防波堤的水力特性研究J.海洋工程,1999,17(4): 39-48. 4 刘颖辉,吴永强,李炎保.圆弧面防波堤水力特性的实验研究J.2006. 5
