1、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,（1） 单一坡度海堤在正向规则波作用时,适用范围：坡度1：11：5,堤前水深1.55.0H,堤前水底坡度小于1/5
2、0,R波浪爬高，从静水位算起，向上为正；,H波高；,K糙渗系数；,R1K=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=KFR1%,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: 应用范围大;坡度020,波坦L/H=1050,相对水深d/H=2.525.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
3、向规则波在斜坡上的水位变化,包括爬高和回落,是糙率系数,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,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)=14 m(下)=1.53 Dw/L=-0.0670.67 B/L=0.25,D 堤前有压载时的爬高计算,计算步骤:,先计算无
4、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,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
5、顶高程。,海堤工程设计规范（SL 4352008）推荐公式,1、斜坡顶无胸墙时，越浪量的计算,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,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
6、=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+A,1.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),特征波：,2.波浪爬高,栅栏板护坡糙渗系数K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
7、.1+1.8+0.5=5.4 m,4.越浪量核算,根据护面情况，允许越浪量为0.05,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：,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,(1)港口工程技术规范法（海港水文规范P73 8.2.9）,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
8、m: 1.53 堤前相对水深d/H: 1.54 波坦L/H: 1025 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%.,使用范围:1.5=m=5,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%, 0.125 H13%,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,A 砌石护坡厚度计算,(3)海堤工程设计规范法（P113）,干砌条石,A 砌石护坡厚度计算,(3)海堤工程设计规范法（P113）,
9、算例,人工块体或块石护面层厚度计算,层数：23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：,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1/201/10,（2）护底块石稳定重量计算,B 稳
10、定重量计算,（2）护底块石稳定重量计算,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）,C 护面混凝土板厚度计算,使用范围：斜坡坡度m=25,栅栏板厚度：,斜坡坡度系数m=1.52.5时 ,栅栏板的厚度按下式计算：d_堤前水深,3 防护墙稳定计算,G,P,Pe,Pu,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
11、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,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
12、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,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,-,（2）波峰作用时胸墙上平均压力强度 按规范
13、海港水文规范JTJ21398公式计算：当与无因次参数 和波坦 有关的平均压力强度,（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,（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0.7 b胸墙底宽(m),（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；土压力分项系数； f胸墙底面摩擦系数设计值。,（2）沿墙底抗倾稳定性的承载能力极限状态设计，按下式计算：水平波浪力的标准值对胸墙后趾
14、的倾覆力矩（kNm）；波浪浮托力的标准值对胸墙后趾的倾覆力矩（kNm）；胸墙自重力标准值对胸墙后趾的稳定力矩（kNm）；土压力的标准值对胸墙后趾地面的稳定力矩（kNm）；结构系数，取1.25；,5 海堤抗滑稳定计算,（1）海堤稳定计算要解决的问题：,（2）重度的选择,A 浮容重 B 干容重 C 饱和容重 D 浸润线的确定,1 根据地基强度指标和工程的安全系数， 设计海堤。 2 根据海堤断面，验算稳定性。,（3）海堤抗滑计算的工况,A 总应力法 B 有效应力法,（4）海堤抗滑计算方法,海堤地基强度指标和应用范围,A 总应力法(瑞典条分法),不考虑土条两侧面的相互作用力,B 有效应力法,淤泥： 天
15、然含水率大于液限,天然孔隙率大于等于1.5的粘性土.,海堤沉降计算,概念：初始沉降,淤泥质土: 天然孔隙率小于1.5,但是大于1.0的粘性土.,沉降原因： 初始沉降固结沉降,固结沉降, 初始沉降,分层总和法：, 固结沉降,S最终沉降量，mm； n压缩层范围的土层数； e1i第i土层在平均自重和平均附加固结应力作用下的孔隙比； e2i第i土层在平均自重和平均附加应力共同作用下的孔隙比； hi第i土层的厚度，mm； m修正系数，一般堤基的m=10，对软土堤基可采用m=13 16，堤身较高、堤基土较软弱时取较大值，否则取较小值。,1、首先在防波堤断面上选择沉降计算点的位置，再按作用在基础上荷载的性质
16、，求出基地压力的大小和分布。当基础有埋置深度d时，采用地基净压力 去计算地基中的附加应力,2、将地基分层。在分层时天然土层的交界面为分层面，同时在同一类土层中，各分层的厚度不宜过大。,3、计算地基中土的自重应力分布。求出计算点垂线上各分层层面处的竖向自重应力（从地面算起）。,4、计算地基中竖向附加应力分布。根据海堤三角形简化，条形基础上受三角形均布荷载作用。此时地基附加应力系数采用下式进行计算： 其中参数 式中：b 基底宽度；x 计算点距角点距离（取值）；z 计算点垂线上各分层层面距地面距离。 由 求出计算点垂线上各分层层面处的竖向附加应力 。当 时，确定该处深度为压缩层的厚度。,5、按算术平
17、均求各分层平均自重应力 和平均附加应力 ：,由此查得孔隙比,6、求第i分层的压缩量。根据第i分层的平均初始应力 及初始应力与附加应力之和 ，得到每层土体的压力增量。 于是可得第i分层的压缩量。7、最后将每层的压缩量累加,海堤设计算例,地理位置 附件某中型企业拟通过填海造地工程建设仓库。工程附近岸线大致呈南北走向，西侧背靠大陆；南有海岛作为屏障，相距约10km。,水文,极端高水位(重现期50 年一遇) 4.51m 极端低水位(重现期50 年一遇) -4.12m 设计高水位(高潮累积频率10) 3.22m 设计低水位(低潮累积频率90) -3.01m,拟建工程围堤前沿设计波高 ：,地质 ：,场地内
18、岩土层可分为7大层，自上而下依次为：,1、全新统海积层（Q4m）：根据颗粒组成差异可细分为： a.淤泥质粘土（Q4m）（1a）：呈深灰色，主要由粘、粉粒组成，质较纯，局部夹薄层粉、细砂或含砂较多。该层标贯试验大多产生自沉现象（1击），仅少数实测击数25击，呈流软塑状，属高压缩性软弱土，力学强度低，工程性能差。 b.淤泥混砂（Q4m） (1b)：呈深灰色，主要由淤泥和中、粗砂混合而成，含淤泥约6090%，局部夹薄层粉、细砂或含砂较多；富含腐殖质，味臭；饱和；该层标贯实测击数27击，呈流软塑状,属高压缩性软弱土，力学强度低，工程性能较差。,2、上更新统海陆交互沉积层（Q3m-al）：根据颗粒组成差
19、异可细分为： a.砾砂（Q3m-al）（2a）：呈浅灰、灰色，主要由粗、砾粒组成，含泥约15%，局部含卵石，直径一般约23cm，最大约4cm，饱和；该层标贯实测击数1225击，呈稍中密状，属中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好。 b.淤泥质粘土（Q3m-al）（2b）：呈灰黑、深灰色，主要由粘、粉粒组成，质较纯，局部夹薄层粉、细砂或含砂较多；该层15m段标贯实测击数716击，呈软可塑状，属中高压缩性土，力学强度较低，工程性能较差。,3、上更新统冲洪积层（Q3pl-al）: 根据颗粒组成差异可细分为： a.粉质粘土（Q3pl-al）（3a）：呈浅黄、灰白色，主要由粘、粉粒及砂砾粒组成，含砂砾约
20、3040%，局部夹碎石，直径一般约23cm，最大约8cm；该层标贯实测击数1625击，呈可硬塑状，属中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好。 b.粗砂（Q3pl-al）（3b）：呈灰黄色，主要由粗、中粒组成，含泥约15%，局部夹砾卵石，饱和；该层标贯实测击数1325击，呈稍中密状，属中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好。 c. 圆砾（Q3pl-al）（3c）：呈灰黄色，主要由砾、粗粒组成，含泥约15%，局部夹卵、漂石，一般直径45cm，最大直径25cm，饱和； 该层呈稍中密状，局部密实，属中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好。,4、残积粘性土（Qel）：残积层；呈浅黄、灰白色，主要由粘、粉
21、粒组成，质较纯，原岩结构特征不清晰，母岩为火山凝灰岩；该层标贯实测击数2128击，呈可硬塑状，属中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好。 5、全风化火山岩(J3nC)：燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩(J3nC)风化；呈褐黄、灰黄色，大部分长石已风化为粘土矿物，具散体结构，岩芯呈粘性土状，手捏即散；该层标贯实测击数3242击，岩石极破碎，属极软岩，岩体基本质量指标为级，天然状态下力学强度较高，工程性能较好，但泡水易崩解。,6、强风化花岗岩(J3nC)：燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩(J3nC)风化；根据岩芯结构可细分为： a.散体状强风化火山岩(J3nC)（6a）：呈灰褐、灰黄色，部
22、分长石已风化为粘土矿物，具散体结构，岩芯呈粘性土或砂砾状，手捏即可散。该层标贯实测击数5398击，岩石极破碎，属软岩，岩体基本质量等级为类，天然状态下力学强度较高，工程性能较好，但长时间泡水可软化崩解。 b.碎裂状强风化火山岩(J3nC)（6b）：呈灰褐、灰黄色，具碎裂状结构，岩芯呈碎块状，手折可断；该层岩石破碎，属次软岩，岩体基本质量等级为类，力学强度较高，工程性能较好。 7、中风化火山岩(J3nC)：燕山早期侵入的上侏罗系南园组凝灰熔岩风化；呈灰黄、灰白色，具厚层状结构，岩芯呈片状或柱状，锤击声稍清脆，金刚石钻进时伴有强烈拨钻声，进尺缓慢；该层岩石较完整，属次硬极硬岩，岩体基本质量等级为类
23、，力学强度较高，工程性能较好。,设计过程,一、确定工程等级,项目为中型企业，确定填海造地工程围堤的工程等级为级，防洪标准（重现期）取50年一遇设计高潮位，波浪取50年一遇波要素。,二、确定围堤的结构断面型式,根据工程地质情况、材料资源及附近工程经验，围堤拟采用抛石斜坡堤结构型式。 护面块体拟采用珊栏板。斜坡的坡度取1:2。斜坡堤具有堤身稳定性好，适应地基能力强，基底应力扩散效果好，波浪爬高小，消能效果好等特点。,三、确定斜坡堤的断面尺寸,1、堤顶高程,根据海堤工程设计规范，海堤堤顶高程按照下式计算：,按允许越浪计算波浪爬高：,糙渗系数,正向规则波作用下：,乘以换算系数,风直接作用下：,波速：,
24、风速：,实取10.3m,2、越浪量验算,按堤顶有胸墙计算越浪量：,根据护面情况，允许越浪量为0.05,越浪量满足要求。,3、堤顶宽度,堤顶宽度取波高的1.101.25倍,取5.3m,4、护面结构,护面结构宜选择稳定性好，消浪效果较好，适应地基不均匀沉降，施工方便的护面块体。本项目拟采用栅栏板。,栅栏板的厚度计算：,栅栏板重度：,水的重度：,堤前水深：,极端高水位-泥面高程,平均波高：,平均,取H13%=3.85m作为设计波高,取H5%=4.41m作为设计波高,设计波高,补充：海港水文规范,代入算得：,取：,平台一般在大小潮位之间，并且考虑行车的需要,最底层的垫层起到整平的作用，有利于块石砌筑。
25、,干砌块石起到垫层的作用,四、稳定性验算,采用瑞典圆弧滑动法计算,五、沉降计算,地基不错，几乎全是砂土，沉降没那么重要，就不算了,软土地基加固,A、软土地基处理采用方法出发点： 工程上能否实现，经济上是否合理,B、主要处理方法： 置换砂垫层法-也叫清淤法 适用范围,软土比较薄（小于4m)。砂石垫层 (2)镇压层法作用：增加海堤断面的抗滑力矩，提高圆弧滑动的安全系数，改善堤基的应力分布，提高地基的稳定。施工：,注意：要对称施工，以免失稳 不利因素：占用较大土地面积,(3) 排水砂垫法 砂垫厚度大于50cm，软土厚度不超过5m (4) 竖向排水预压固结法,竖向排水预压固结法的布置和要求：排水砂井： 间距2-4m, 长度小于20m袋装砂井: 间距1-1.5m, 长度10-20m塑料板排水: 间距1-1.5m,一般长度小于20m不利面：承受水平切力的能力差，容易被切割,(5) 土工织物法,作用：可以提供元弧滑动的安全系数，但是提高水平有限。,(6) 爆破挤淤法,连云港田湾核电站,8 海堤防渗与堵漏,A、防渗计算：,C渗径系数,A、防渗计算：,防渗土: 小潮高潮位以下用海泥,以上用山土.并且用海泥覆面. 设置反滤层.,B 堵漏方法(堤防规范p11.p14),方法:,1 粘土铺盖 2 粘土截水槽 3 压力灌砂 4 减压井,
