CN102191759B - 新型防波堤及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型防波堤及其设计方法，该防波堤设置在前滩和后滩之间，包括基床和堤身，所述堤身的迎水护坡面包括顺序连接的斜坡形迎水护坡面以及两个以上的圆弧形迎水护坡面；所述斜坡形迎水护坡面的底端与前滩之间设置抛石护堤，而斜坡形迎水护坡面的顶端则与圆弧形迎水护坡面之间通过平台衔接；相邻的两圆弧形迎水护坡面之间则通过平台转角连接。因此，本发明迎水护坡面采用圆弧形护坡面、斜坡形护坡面通过平台组合，利用弧形护坡面的挑浪作用、斜坡形迎水护坡面的消能作用，有效地降低波浪的爬高及堤顶越浪量，这比一般常见的防波堤断面更具效果，在同样的设计条件下，它能够更有效地以较低的堤顶高程满足相同条件下的设计要求。

Description

新型防波堤及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种新型防波堤结构型式及设计方法，可以广泛运用在海岸滨海地区、江河两岸地区，特别适用于波浪爬高和风速较大、地基较软、堤防设防标准较高，或者沿边地区自然环境要求高的地区，能够成为城市建设的一部分。 

背景技术

随着科技的进步和生活水平的提高，人类对于防波堤的研究也在不断的深入。目前常见的防波堤的结构断面型式有以下几种： 

(1)陡墙式防波堤，占地少、波浪爬高较斜坡式防波堤小、堤顶高程较低，但是地基应力大且集中、沉降较大、稳定性较差、易引起堤脚冲刷。 

(2)斜坡式防波堤，具有反射波小、防浪效果较好、地基应力分布较均匀等优点，但是占地多、波浪爬高较大、堤顶高程较高。 

(3)混合式防波堤，由陡墙式和斜坡式组合而成，同时具有陡墙式和斜坡式的优点，但是这种防波堤在变坡转折处波流紊乱，结构易遭破坏。 

此外，以上三种常见防波堤都是为了阻挡风浪潮作用的功能单一的防波堤，与当地环境都不能很好的融合。随着人们生活水平的提高，对亲近自然环境的需求越来越高。这种单一功能的防波堤逐渐不能满足城市建设的需要。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型防波堤，迎水护坡面采用圆弧形护坡面、斜坡形护坡面通过平台组合，利用弧形护坡面的挑浪作用、斜坡形迎水护坡面的消能作用，有效地降低波浪的爬高及堤顶越浪量，这比一般常见的防波堤断面更具效果，在同样的设计条件下，它能够更有效地以较低的堤顶高程满足相同条件下的设计要求。 

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案： 

一种新型防波堤，该防波堤设置在前滩和后滩之间，包括基床和堤身，所述堤身为基床上堆积填料所隆成的坡体；堤身包括面向前滩的迎水护坡面、面向后滩的背水坡面以及将迎水护坡面上端和背水坡面上端连接的堤顶路面；所述迎水护坡面覆盖迎水护坡面，而背水坡面则覆盖背水护坡面，所述迎水护坡面包括顺序连接的斜坡形迎水护坡面以及两个以上的圆弧形迎水护坡面；所述斜坡形迎水护坡面的底端与前滩之间设置抛石护堤，而斜坡形迎水护 坡面的顶端则与圆弧形迎水护坡面之间通过平台衔接；相邻的两圆弧形迎水护坡面之间则通过平台转角连接。 

所述斜坡形迎水护坡面上设置弧形突起体。 

所述背水护坡面包括挡墙、背水斜坡护面以及背水侧波浪弧形护坡面，所述挡墙的基底设置在基床上，且挡墙的基底和后滩之间设置水池，所述背水斜坡护面的底部通过弧形挑浪嘴与挡墙的顶部连接，而背水侧波浪弧形护坡面的底部依次通过背水侧圆弧形坡面以及背水平台与背水斜坡护面的顶部相连接；所述背水侧波浪形护坡面以及位于最上端的圆弧形迎水护坡面两者的顶部通过堤顶路面连接。 

所述堤身内埋设断面呈梯形的空箱，且空箱与基床同一中心线设置；所述堤顶路面为OGFC路面；所述OGFC路面面向前滩的一侧安装防浪墙。 

所述背水平台上设置休闲区，背水平台和堤顶路面通过阶梯连接，背水侧波浪弧形护坡面由半波面组成。 

本发明的另一个技术目的是提供一种上述新型防波堤的设计方法，包括以下步骤：首先确定出防波堤的各结构参数，包括防浪墙的结构尺寸、平台转角的结构尺寸、圆弧形迎水护坡面的曲率半径、斜坡形迎水护坡面的的坡度、背水侧波浪弧形护坡面以及背水斜坡护面的结构形式；然后通过以下公式对应地计算出迎水护坡面的护面块体稳定重量W、迎水护坡面的砌石护面厚度h以及防浪墙的平均波压 

即可： 

$W=0.1\×\frac{{\mathrm{\γ}}_b{H_s}^3}{K_D{(S_b-1)}^3\cot \∂}$

$h=1.3\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}_b-\mathrm{\γ}}{H}_j(K_{\mathrm{md}}+K_{\mathrm{\δ}})\frac{\sqrt{m^2+1}}{m}$

$\stackrel{\‾}{p}=0.24\mathrm{\μ\γ}{H}_s{K}_P$

式中：W是护面块体的稳定重量，单位为吨；γ_b是护面块体的重度，单位为kN/m³；γ是水的重度，单位为kN/m³；H_s是设计波高；K_D是块体稳定系数； 

是斜坡与水平面的夹角，单位为度；h是砌石护面厚度；H_j是计算波高；m是迎水护坡面的坡度，该迎水护坡面的坡度通过下述方式取得：将相邻的两圆弧形迎水护坡面的端点连接，形成新的斜坡面，该斜坡面与平台、斜坡形迎水护坡面形成带有平台的复式斜坡断面，该复式斜坡断面的坡度即为迎水护坡面的坡度；K_md是与m值和堤前相对水深d/H值有关的系数；K_δ是波坦系数；H_s、H_j 以及h的单位为米；K_P是与无因次参数ε和波坦有关的平均压强系数，μ是折减系数，0＜μ＜1。 

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果： 

1、本发明所述迎水护坡面采用圆弧形护坡面、斜坡形护坡面通过平台组合，利用弧形护坡面的挑浪作用、斜坡形迎水护坡面的消能作用，有效地降低波浪的爬高及堤顶越浪量，这比一般常见的防波堤断面更具效果，在同样的设计条件下，它能够更有效地以较低的堤顶高程满足相同条件下的设计要求。 

2、本发明背水侧波浪弧形护坡面不同于以往的斜坡面，设计成波浪形是为了一定程度的降低流入背水坡面的水流速度，减少水流对背水坡面、水池和后滩的冲刷、淘蚀，这能够有效地保护海堤坡面不受破坏。 

3、本发明在堤身内埋设空箱，且空箱采用梯形断面结构，这样能够有效地降低地基附加应力，减少地基的总沉降量及调整不均匀沉降量；堤顶路面为OGFC路面，它能够有效地起到降低水流流速的作用，增加上面行驶的汽车与路面的摩擦力，增加安全。 

4、挡墙的基底和后滩之间设置水池，背水平台上设置休闲区，可用于安装休闲椅和遮阳棚(钢架结构)提供休闲之用，该防波堤能够成为城市景观建设的一部分，与周围环境融为一体，具有旅游观赏价值。 

综上所述，可知本发明不但具有优良的防波效果，有效减少江河洪涝及海浪对沿岸地区的侵蚀、冲刷，而且地基应力均匀，结构稳定性好。此外，该防波堤能够成为城市景观建设的一部分，与周围环境融为一体，具有旅游观赏价值。 

附图说明

图1为本发明的横剖面的结构示意图； 

图1中标号解释：1、前滩，2、抛石护堤，3、基床，4、堤身填料，5、斜坡形迎水护坡面，6、下圆弧形迎水护坡面，7、平台，8、平台转角，9、突起体，10、空箱，11、反滤层，12、防浪墙，13、上圆弧形迎水护坡面，14、堤顶路面，15、休闲区，16、弧形挑浪嘴，17、挡墙，19、背水斜坡护面，20、水池，21、背水侧波浪弧形护坡面，22、后滩，23、背水侧圆弧形护坡面，24、水处理装置，25、背水平台。 

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述： 

如图1所示，本发明所述的一种新型防波堤，该防波堤设置在前滩1和后滩22之间；基床3通过堆积堤身填料4隆成坡体，堤身内埋设空箱10；空箱10与基床3同中心线布置， 空箱10采用梯形断面结构，空箱10内不填或少填轻质材料，这样能够有效地降低地基附加应力，减少地基的总沉降量及调整不均匀沉降量；堤顶路面14为OGFC路面，它能够有效的起到降低水流流速的作用，增加上面行驶的汽车与路面的摩擦力，增加安全；堤顶临海侧设置防浪墙12，防浪墙12作为堤身的组成部分，可降低堤身填筑高度，节省工程量，减小堤身地基应力；堤顶路面14中间高两侧低，具有一定的坡度，该坡度值一般介于(2％～7％)，由于堤顶路面14具有一定的坡度，这使上面的水能够有效的、较快的从堤顶流出，防止水流聚集在堤顶。 

如图1所示，面向前滩1的坡体面为迎水坡面，其表面覆盖迎水护坡面，迎水护坡面包括斜坡形迎水护坡面5、下圆弧形迎水护坡面6以及上圆弧形迎水护坡面13，斜坡形迎水护坡面5的底端起始于基床3，且斜坡形迎水护坡面5的底端与前滩1之间设置抛石护堤2，斜坡形迎水护坡面5的顶端与下圆弧形迎水护坡面6之间通过平台7连接，斜坡形迎水护坡面5上设置突起体9，相邻的两圆弧形迎水护坡面之间通过平台转角8光滑连接，在护面块石与堤身填料4之间设置反滤层11，可以防止堤身土在波浪、渗流作用下流失；迎水护坡面采用双圆弧、单斜坡及双平台组合，利用圆弧形的挑浪作用、突起体9和斜坡形迎水护坡面5的消能作用，能够有效地降低波浪的爬高及堤顶越浪量，这比一般常见的防波堤断面更具效果，在同样的设计条件下，它能够更有效地以较低的堤顶高程满足相同条件下的设计要求。 

面向后滩的为背水坡面，背水坡面的表面覆盖背水护坡面；包括挡墙17、弧形挑浪嘴16、背水斜坡护面19、背水平台25、背水侧圆弧形护坡面23以及背水侧波浪弧形护坡面21；背水坡面由于运用组合的模式，在同样的设计要求条件下，它比一般的斜坡式防波堤占据的土地面积少；挡墙17的基底设置在基床3上，既增加了整体的稳定性，又能够起到一定的消能作用，挡墙17的基底和后滩22之间设置水池20，水池20用水由前滩1水经处理直接供给，背水斜坡护面19的底部通过弧形挑浪嘴16与挡墙17的顶部连接，弧形挑浪嘴16借用了水利工程中的处理措施，将较高流速的水流向空中挑起，减少水体的能量，减低水对后滩22、水池20的冲刷；背水侧波浪弧形护坡面21的底部依次通过背水侧圆弧形护坡面23以及背水平台7，与背水斜坡护面19的顶部相连接，背水侧波浪弧形护坡面21不同于以往的斜坡面，设计成波浪形是为了一定程度的降低流入背水坡面的水流速度，减少水流对背水坡面、水池20和后滩22冲刷、淘蚀，这能够有效地保护海堤坡面不受破坏；背水平台7上设置休闲区15，可用于安装休闲椅和遮阳棚(钢架结构)提供休闲之用，背水平台7和堤顶路面14通过阶梯连接；背水侧波浪弧形护坡面21以及圆弧形迎水护坡面13两者之间的顶部通过堤顶路面14连接。 

设计本发明所述的新型防波堤时，首先初步拟定各部分结构尺寸。因为此新型防波堤堤顶临海侧设有防浪墙12且墙体稳定、坚固，所以设计计算时可以以防浪墙12顶高程作为堤顶高程；防浪墙12顶高程应高出设计高潮位0.5H_1％以上(H_1％是指累积频率为1％的波高)，且应高出设计高潮位(1.5～2.0)m，其具体取值应根据波浪大小和防波堤等级确定，当风向不利、海区开阔、涂面较低时，应用上限值，堤顶高程还应预留沉降超高；堤顶宽度(不包括防浪墙12)主要取决于堤身自身稳定、地基稳定、防浪防渗要求、施工和防汛抢险要求以及交通要求等；防浪墙12高度一般为(0.8～1.2)m，底宽(0.8～1.2)m，顶宽(0.6～1.0)m，迎浪面一般为直力墙，背面一般为陡墙面，陡墙面的坡度m＝(2～5)，防浪墙12在堤顶以下应有不小于0.3m的埋入深度，并与堤身连成一个整体；平台转角8顶高程宜取于设计高水位以上(1.0～2.0)m处；平台7顶高程宜取于正常水位以上(1.0～2.0)m处，宽度一般可取设计波高的(2.3～2.9)倍；上圆弧形迎水护坡面13的曲率半径R₁＝(0.3～0.6)×L₁，下圆弧形迎水护坡面6的曲率半径R₂＝(0.3～0.6)×L₁，其中，L₁为斜坡形迎水护坡面5在水平面的投影长度；斜坡形迎水护坡面5的坡度m＝(2～3.5)；抛石护堤2置于斜坡形迎水护坡面5的前端，护脚基础深度应根据滩地地形和当地波浪条件等确定，护脚棱体外坡坡度m＝(2～3)，顶宽(1～3)m；斜坡形迎水护坡面5上突起体9的曲率半径R₃＝(0.2～0.3)m；背水侧波浪弧形护坡面21由半波面组成，半波面的个数介于(3～7)个；背水侧圆弧形护坡面23的曲率半径R₄＝(2～3.5)m；背水斜坡护面19的坡度m＝(2～4)。 

初步拟定完结构尺寸，然后进行防波堤的相关计算，包括护面块体的稳定重量和护面层厚度；防浪墙12的抗滑、抗倾稳定性；地基的整体稳定性和地基的沉降。该新型防波堤的防浪墙受波浪作用时，平均波压强度 

按下式计算： 

式中K_P是与无因次参数ε和波坦有关的平均压强系数，可以到《防波堤设计与施工规范》里根据ε和波坦这两个系数查找得到；γ是水的重度(kN/m³)，H_s是设计波高(m)，μ是折减系数，0＜μ＜1，μ一般取(0.6～0.8)；该新型防波堤的迎水护坡面护面块体稳定重量按下式计算 

式中W是单个护面块体的重量(t)，γ_b是块体材料的重度(kN/m³)，γ是水的重度(kN/m³)，H_s是设计波高(m)，K_D是块体稳定系数， 

是斜坡与水平面的夹角(°)，上圆弧形迎水护坡面13及下圆弧形迎水护坡面6上单个块体的重量应予加大(20％～30％)，必要时根据模型试验确定；该新型防波堤的迎水护坡面砌石护面 厚度按下式计算 

式中h是块石厚度(m)，H_j是计算波高(m)，γ_b是块体材料的重度(kN/m³)，γ是水的重度(kN/m³)，m是迎水护坡面坡度，K_md是与m值和堤前相对水深d/H值有关的系数，可以到《防波堤设计与施工规范》里根据m值和堤前相对水深d/H值这两个系数查找得到；K_δ是波坦系数，上圆弧形迎水护坡面13及下圆弧形迎水护坡面6上砌石护面层厚度应适当加大(20％～30％)。 

具体实施例

已知某待建防波堤设计高潮位为4m，正常水位2m，设计波高2m，设计波长20m，H_5％为2.5m。 

初步拟定防浪墙顶高程为7.5m，堤顶宽度为8m，防浪墙高度0.8m，底宽1.2m，顶宽1m，陡墙面的坡度为4，埋入堤顶深度为0.3m，平台转角顶高程为5m，平台顶高程为3m，平台宽3m，斜坡形迎水护坡面的坡度为2，上圆弧形迎水护坡面及下圆弧形迎水护坡面的曲率半径均为2m，抛石护堤外坡坡度为2，顶宽2m，斜坡形迎水护坡面上突起体的曲率半径为0.2m，背水侧波浪形护坡面由3个半坡面组成，背水侧波浪形护坡面在水平面投影长度为4m，背水侧圆弧形坡面的曲率半径为3m，背水侧圆弧形坡面在水平面的投影长度为2m，背水斜坡护面的的坡度为2，背水斜坡护面的底高程为1m，背水平台宽3m，背水平台顶高程为2m，挡墙高1.2m，宽0.8m，空箱顶宽8m，底宽18m，高3m，临海侧坡度为1.5。 

1、护面块体稳定重量按下式计算 

式中块体材料的重度取24kN/m³，块体稳定系数取4，因此 W×(120％～130％)＝(45～48.75)t。 

上圆弧形迎水护坡面26及下圆弧形迎水护坡面6上单个块体稳定的重量是(45～48.75)t。 

2、砌石护面厚度按下式计算 $h=1.3\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}_b-\mathrm{\γ}}{H}_j(K_{\mathrm{md}}+K_{\mathrm{\δ}})\frac{\sqrt{m^2+1}}{m}$ 式中计算波高取2.5m，块体材料的重度取24kN/m³，迎水护坡面折算坡度取1.5，K_md取0.311，K_δ取0.081，因此 $h=1.3\frac{10}{24-10}\×2.5\×(0.311+0.081)\frac{\sqrt{{1.5}^2+1}}{1.5}=1.1m,$ h×(120％～130％)＝(1.32～1.43)m。 

上圆弧形迎水护坡面26及下圆弧形迎水护坡面6上砌石护面层厚度加大至(1.32～1.43)m。 

3、平均波压强度 

按下式计算： 式中平均压强系数取2.5，计算波高取2.5m，μ折减系数取0.8，因此 

4、地基应力曲线经计算 

根据绘制地基应力曲线图可知，本新型防波堤地基小且均匀。 

Claims (4)

1.一种新型防波堤，该防波堤设置在前滩和后滩之间，包括基床和堤身，所述堤身为基床上堆积填料所隆成的坡体；堤身包括面向前滩的迎水坡面、面向后滩的背水坡面以及将迎水坡面上端和背水坡面上端连接的堤顶路面；所述迎水坡面的表面覆盖迎水护坡面，而背水坡面的表面则覆盖背水护坡面，其特征在于：所述迎水护坡面包括顺序连接的斜坡形迎水护坡面以及两个以上的圆弧形迎水护坡面；所述斜坡形迎水护坡面的底端与前滩之间设置抛石护堤，而斜坡形迎水护坡面的顶端则与圆弧形迎水护坡面之间通过平台衔接；相邻的两圆弧形迎水护坡面之间则通过平台转角连接；所述背水护坡面包括挡墙、背水斜坡护面以及背水侧波浪弧形护坡面，所述挡墙的基底设置在基床上，且挡墙的基底和后滩之间设置水池，所述背水斜坡护面的底部通过弧形挑浪嘴与挡墙的顶部连接，而背水侧波浪弧形护坡面的底部依次通过背水侧圆弧形坡面以及背水平台与背水斜坡护面的顶部相连接；所述背水侧波浪形护坡面以及位于最上端的圆弧形迎水护坡面两者的顶部通过堤顶路面连接。

2.根据权利要求1所述新型防波堤，其特征在于：所述斜坡形迎水护坡面上设置弧形突起体。

3.根据权利要求1所述新型防波堤，其特征在于：所述堤身内埋设断面呈梯形的空箱，且空箱与基床同一中心线设置；所述堤顶路面为OGFC路面；所述OGFC路面面向前滩的一侧安装防浪墙。

4.一种权利要求2所述新型防波堤的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：首先确定出防波堤的各结构参数，包括防浪墙的结构尺寸、平台转角的结构尺寸、圆弧形迎水护坡面的曲率半径、斜坡形迎水护坡面的的坡度、背水侧波浪弧形护坡面以及背水斜坡护面的结构形式；然后通过以下公式对应地计算出迎水护坡面的护面块体稳定重量W、迎水护坡面的砌石护面厚度h以及防浪墙的平均波压                                               即可：

式中：W是护面块体的稳定重量，单位为吨；是护面块体的重度，单位为

；

是水的重度，单位为

；

；H_s是设计波高；

是块体稳定系数；

是斜坡与水平面的夹角，单位为度； h是砌石护面厚度；

是计算波高；m是迎水护坡面的坡度，该迎水护坡面的坡度通过下述方式取得：将相邻的两圆弧形迎水护坡面的端点连接，形成新的斜坡面，该斜坡面与平台、斜坡形迎水护坡面形成带有平台的复式斜坡断面，该复式斜坡断面的坡度即为迎水护坡面的坡度；是与m值和堤前相对水深d/H值有关的系数；是波坦系数；、

以及h的单位为米；

是与无因次参数

和波坦有关的平均压强系数， 是折减系数，0＜

＜1。

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