CN113255050B - 一种桩式离岸堤及设计方法和应用 - Google Patents

一种桩式离岸堤及设计方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桩式离岸堤及设计方法和应用，属于海岸工程技术领域。该桩式离岸堤的布置结构为正弦曲线形式，设计方法包括：收集拟掩护区域附近的岸线、水深，风场等历史数据；确定拟掩护海域范围及对应的波频谱、方向谱以及计算S3的输入条件；确定离岸堤的主轴线长度L、正弦曲线布置形式控制要素正弦波长
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
（m）与非控制要素正弦振幅A、控制要素单桩间距d、单桩数N与非控制要素单桩的宽度a。正弦式的阵列排布可以有效阻挡长周期波的干扰，避免拟掩护区域发生波浪共振，同时阵列排布的单桩能有效阻挡短波的干扰，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带，从而提高桩式离岸堤的挡浪效率。

Description

一种桩式离岸堤及设计方法和应用
技术领域
本发明涉及海岸工程技术领域，更具体的说是涉及一种桩式离岸堤设计方法。
背景技术
离岸式防波堤( 简称离岸堤) 是目前较为有效且应用广泛的海岸防护结构物。离岸堤一般于滩外近海海域平行于岸线建造，主要适用于以波浪侵蚀为主的海岸。不同于单纯的固定岸线(海堤与护岸)或纯粹的截留泥沙(丁坝)，离岸堤通过阻挡外海波浪、消减近岸波能，使泥沙在堤后落淤，从而促成滩面拓宽。一些研究表明，离岸堤不仅可以阻挡泥沙的横向运动，其后形成的沙嘴(或连岛坝)对沿岸输沙也有一定的拦截能力。由于上述优点，离岸堤在缺乏沿岸输沙的侵蚀性海岸依然能够发挥较强的保滩促淤功效。
随着港口工程向生态、环保的理念转变，传统防波堤水体交换能力差、掩护区域内泥沙淤积和水质污染等问题日益凸显，逐渐不能适应工程建设的诸多要求。透空式防波堤具有良好的水体交换能力，有利于维持港内水质，缓解涨落潮时口门流速较大的问题。另外，透空结构物能够减轻波浪反射，减小波浪力对堤身稳定的不利影响，因此具有良好的应用前景。
在水运工程领域，一般认为周期小于 10 s 为短周期波，当周期大于 10 s 小于30 s时界定为中长周期波，而周期大于30 s则为长周期波。我国沿海港口码头工程面临的一般为短周期波环境。但在越来越多的海上工程项目中，面临中长周期波环境的挑战。
透空式防波堤造价低廉、技术简单、适用于深水及软土地基，具有拆除快捷和对港内自然条件影响小等优点。但现有的透空式防波堤仅在水深较大且波高较小、周期较短的波况下具有良好的消浪性能。在长周期的波浪条件下，透空式防波堤的消波效果并不理想，这限制了透空式防波堤在实际工程中的应用。
波浪穿过正弦曲线结构布置的桩式防波堤时，由于桩式结构正弦曲面布置的调制作用，引起波浪的相位变化，造成空间变化的相位差。因此将桩式防波堤布置成正弦曲线结构，不仅可以在短波状态下实现良好的消浪效果，而且对长周期波也能起到良好的调制作用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种桩式离岸堤及设计方法和应用，将光栅理论与防波堤的实际应用相结合，通过正弦曲线布置的桩式结构对波浪的调制作用，使波浪在传播过程中产生相位差，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带，从而提高桩式离岸堤的挡浪效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种桩式离岸堤，该桩式离岸堤的布置结构为正弦曲线形式。
进一步的，该桩式离岸堤的控制要素正弦波长
Figure 115185DEST_PATH_IMAGE002
（m）满足光栅理论，即：
Figure 970008DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 936696DEST_PATH_IMAGE004
为拟掩护海域范围内中长和/或长周期波浪的波向，
Figure 331906DEST_PATH_IMAGE005
为对应的波长，正弦振幅A为非控制要素，满足
Figure 146278DEST_PATH_IMAGE006
。
进一步的，该桩式离岸堤的单桩的控制要素桩的间距
Figure 906423DEST_PATH_IMAGE007
与单桩数N，其主要作用是阻挡拟掩护海域主波的传入，满足多缝衍射光栅方程：
Figure 173457DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 372357DEST_PATH_IMAGE010
为拟掩护海域主波向，
Figure 729651DEST_PATH_IMAGE011
为拟掩护海域的主波长， N为桩式防波堤的单桩数。
进一步的，该桩式离岸堤的单桩宽度为a，a满足
Figure 723015DEST_PATH_IMAGE012
即可；单桩可取矩形桩或圆桩，其中，矩形桩为宽度，圆桩为直径。
进一步的，该桩式离岸堤的主轴线长度由拟掩护海域的主波长与拟掩护区域的范围共同确定，主轴线长度取主波长与拟掩护区域长度中大值的2~4倍。
进一步的，该桩式离岸堤主要作用是既能阻挡短周期波浪，又能阻挡波长为
Figure 477344DEST_PATH_IMAGE005
的中长和/或长周期的波浪，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带。
本发明还提供了一种桩式离岸堤的设计方法，包括以下步骤：
S1、收集拟掩护区域附近的岸线、水深数据，以及附近水文测站的风场历史统计资料；
S2、根据拟掩护区域附近测站的历史资料确定拟掩护海域范围及对应的波频谱S（
Figure 152039DEST_PATH_IMAGE013
）、方向谱S（
Figure 800058DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 853072DEST_PATH_IMAGE014
），并从波频谱与方向谱中确定S3的输入条件，输入条件为主波向
Figure 94697DEST_PATH_IMAGE010
与主波长
Figure 556771DEST_PATH_IMAGE011
；
S3、确定离岸堤的主轴线长度L、正弦曲线布置形式的控制要素正弦波长
Figure 200242DEST_PATH_IMAGE002
与非控制要素正弦振幅A、控制要素单桩间距
Figure 535409DEST_PATH_IMAGE007
、单桩数N与非控制要素单桩宽度
Figure 202013DEST_PATH_IMAGE015
。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
S21、确定拟掩护海域波频谱中波浪能量的集中频段范围以及谱峰频率f 0 ；
S22、确定拟掩护海域方向谱中的波能方向集中分布区间与主波向
Figure 280828DEST_PATH_IMAGE010
；
S23、将以上收集的水深与周期数据代入弥散关系确定S3的输入条件：主波长
Figure 467221DEST_PATH_IMAGE005
与波长分布范围。
本发明的有益效果包括：在桩式堤设计时布置成简单的正弦曲线，可解决长周期波入射港湾引起的港湾共振问题，对长周期波起到良好的调制作用，可解决在港口建设中未能解决的长周期波引起的港湾共振问题。正弦曲线结构设计简单，布置科学合理，桩式离岸堤不仅在水深较大且波高较小、周期较短的波况下具有良好的消浪性能，还能够消除长周期波对拟掩护区域的冲击，从而达到保护岸线的作用。
正弦式的阵列排布可以有效阻挡长周期波的干扰，避免拟掩护区域发生波浪共振，同时阵列排布的单桩能有效阻挡短波的干扰，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带，从而提高桩式离岸堤的挡浪效率。而且桩径小制作简单施工难度低，有效的节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的方法流程示意图。
图2为本发明实施例提供的桩式离岸堤示意图。
图3为本发明实施例提供的无正弦桩式离岸堤消能效果示意图。
图4为本发明实施例提供的正弦曲线桩式离岸堤消能效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种桩式离岸堤，该桩式离岸堤的布置结构为正弦曲线形式。
该桩式离岸堤的控制要素正弦波长
Figure 238868DEST_PATH_IMAGE002
（m）满足光栅理论，即：
Figure 189506DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 9695DEST_PATH_IMAGE004
为拟掩护海域范围内中长和/或长周期波浪的波向，
Figure 362179DEST_PATH_IMAGE005
为对应的波长，正弦振幅A为非控制要素，满足
Figure 491677DEST_PATH_IMAGE016
。
该桩式离岸堤的单桩的控制要素桩的间距
Figure 929612DEST_PATH_IMAGE007
与单桩数N，其主要作用是阻挡拟掩护海域主波的传入，满足多缝衍射光栅方程：
Figure 350229DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 760482DEST_PATH_IMAGE010
为拟掩护海域主波向，
Figure 873931DEST_PATH_IMAGE011
为拟掩护海域的主波长，N为桩式防波堤的单桩数。
该桩式离岸堤的单桩宽度为a，a满足
Figure 799162DEST_PATH_IMAGE012
即可；单桩可取矩形桩或圆桩，其中，矩形桩为宽度，圆桩为直径。
该桩式离岸堤的主轴线长度由拟掩护海域的主波长与拟掩护区域的范围共同确定，主轴线长度取主波长与拟掩护区域长度中的大值的2~4倍。
该桩式离岸堤主要作用是既能阻挡短周期波浪，又能阻挡波长为
Figure 708956DEST_PATH_IMAGE005
的中长和/或长周期的波浪，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带。
实施例2
一种桩式离岸堤设计方法，包括以下步骤：
S1、收集拟掩护区域附近的岸线、水深数据，以及附近水文测站的风场等历史统计资料。
S2、根据拟掩护区域附近测站的历史资料确定拟掩护海域范围及对应的波频谱S（
Figure 770453DEST_PATH_IMAGE013
）、方向谱S（
Figure 54803DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 405013DEST_PATH_IMAGE014
）并从波频谱与方向谱中确定S3的输入条件，输入条件为主波向
Figure 433012DEST_PATH_IMAGE010
与主波长
Figure 614595DEST_PATH_IMAGE011
；具体包括：
S21、确定拟掩护海域波频谱中波浪能量的集中频段范围以及谱峰频率f 0 ，
S22、确定拟掩护海域方向谱中的波能方向集中分布区间与主波向
Figure 991218DEST_PATH_IMAGE010
，
S23、将以上收集的水深与周期数据代入弥散关系确定S3的输入条件：主波长
Figure 891041DEST_PATH_IMAGE011
与波长分布范围。
S3、确定离岸堤的主轴线长度L、正弦曲线布置形式的控制要素正弦波长
Figure 457152DEST_PATH_IMAGE002
与非控制要素正弦振幅A、控制要素单桩间距
Figure 696503DEST_PATH_IMAGE007
、单桩数N与非控制要素单桩宽度
Figure 57078DEST_PATH_IMAGE015
，具体包括：
S31、主轴线长度为拟掩护海域的主波长与拟掩护区域的范围共同确定，取主波长与拟掩护区域长度中的大值的2~4倍；
S32、离岸堤的布置结构形式为正弦形式，其主要作用是阻挡波长为
Figure 444197DEST_PATH_IMAGE005
的中长和/或长周期的波浪,，其中控制要素正弦波长
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（m）满足光栅理论，即：
Figure 502414DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 330692DEST_PATH_IMAGE004
为拟掩护海域范围内中长和/或长周期波浪的波向，
Figure 127747DEST_PATH_IMAGE005
为对应的波长，正弦振幅A为非控制要素，一般满足
Figure DEST_PATH_IMAGE018
即可；
S33、单桩的控制要素桩的间距
Figure DEST_PATH_IMAGE019
与单桩数N，其主要作用是阻挡拟掩护海域主波的传入，满足多缝衍射光栅方程：
Figure 923533DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 97026DEST_PATH_IMAGE010
为拟掩护海域主波向，
Figure 45390DEST_PATH_IMAGE011
为拟掩护海域的主波长， N为桩式防波堤的单桩数;
S34、单桩可取矩形桩或圆桩，单桩的尺寸为非控制要素，其中单桩的宽度（矩形桩）或者直径（圆桩）a满足
Figure 13346DEST_PATH_IMAGE012
即可。
如本发明实施例中图4所示，拟掩护区域为50m左右，本发明桩式离岸堤的主轴线长度为150m。
如本发明实施例中图2~4所示，相较于直线式离岸堤，此桩式离岸堤在通过正弦曲线布置的桩式结构对波浪的调制作用，使波浪在传播过程中产生相位差，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带，从而提高桩式离岸堤的挡浪效率。在保证了拟掩护区域的水体交换能力的同时，克服了桩式离岸堤无法阻挡长周期波向拟掩护区域的传播的弊病，消除了长周期波对拟掩护区域的影响，达到保护掩护区域的目的。
本发明所有数据来自于附近水文站的历史统计资料，没有具体值，也没有具体范围，本方法具有一般性，也就是说适用于任何海况下此类型桩式离岸堤的布置，因此文中提及的主波长与主波向，以及波长范围与波向范围都是通过当地水文测站或实际测量获取，因此文中没有具体值也没有具体范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种桩式离岸堤，其特征在于，该桩式离岸堤的布置结构为正弦曲线形式；
该桩式离岸堤的控制要素正弦波长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（m）满足光栅理论，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为拟掩护海域中周期较长波浪的波向，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为对应的波长，正弦振幅A为非控制要素，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
该桩式离岸堤的单桩的控制要素桩的间距
Figure DEST_PATH_IMAGE006
与单桩数N，满足多缝衍射光栅方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为拟掩护海域主波向，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为拟掩护海域的主波长，N为桩式防波堤的单桩数；
该桩式离岸堤的单桩宽度为a，a满足
Figure DEST_PATH_IMAGE010
即可；单桩可取矩形桩或圆桩，其中，矩形桩为宽度，圆桩为直径；
该桩式离岸堤的主轴线长度由拟掩护海域的主波长与拟掩护区域的范围共同确定，主轴线长度取主波长与拟掩护区域长度中大值的2~4倍；
该桩式离岸堤主要作用是既能阻挡短周期波浪，又能阻挡波长为
Figure 355755DEST_PATH_IMAGE004
的中长和/或长周期的波浪，将消浪频率从窄带宽扩大为宽频带。
2.根据权利要求1所述的一种桩式离岸堤，其特征在于，设计方法包括以下步骤：
S1、收集拟掩护区域附近的岸线、水深数据，以及附近水文测站的风场历史统计资料；
S2、根据拟掩护区域附近测站的历史资料确定拟掩护海域范围及对应的波频谱S（
Figure DEST_PATH_IMAGE011
）、方向谱S（
Figure 69633DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
），并从波频谱与方向谱中确定S3的输入条件，输入条件为主波向
Figure 393911DEST_PATH_IMAGE008
与主波长
Figure 320278DEST_PATH_IMAGE009
；
S3、确定离岸堤的主轴线长度L、正弦曲线布置形式的控制要素正弦波长
Figure 665809DEST_PATH_IMAGE001
与非控制要素正弦振幅A、控制要素单桩间距
Figure 753851DEST_PATH_IMAGE006
、单桩数N与非控制要素单桩宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
3.根据权利要求2所述的一种桩式离岸堤，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、确定拟掩护海域波频谱中波浪能量的集中频段范围以及谱峰频率f 0 ；
S22、确定拟掩护海域方向谱中的波能方向集中分布区间与主波向
Figure 833933DEST_PATH_IMAGE008
；
S23、将以上收集的水深与周期数据代入弥散关系确定S3的输入条件：主波长与波长分布范围。
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