CN117449245A - 一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，包括桩基础结构、倾斜挡浪板、底部开孔面板、错位异形列柱、栅栏式消浪后墙、顶部开孔面板以及胸墙。底部开孔面板设置开孔及矩形泄压槽，在孔槽处诱导形成射流；异形列柱锐缘多，且错位排布，使波浪进出通道蜿蜒曲折；倾斜挡浪板可增强对入射波浪的屏障效果，增强反射，并可起到引流作用增强其前部矩形泄压槽处射流强度；以上设置均可有效增强波能耗散。此外，开孔面板具有降低波浪荷载的有益效果，桩基础结构包括直桩与叉桩。本发明涉及的透空堤兼具增强波浪反射与波能耗散性能，能够抵御外海波浪，维持港内水域平稳，具有波浪透射率低、受力合理，且允许堤内堤外水体交换的优势。

Description

一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤

技术领域

本发明属于防波堤技术领域，具体涉及一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤。

背景技术

防波堤作为最重要的海岸构筑物之一，肩负着防御波浪侵袭、维持港区波况平稳的重担。传统防波堤型式主要分为斜坡式、直立式与混合式，然而几乎所有的传统型式的防波堤都对工作区域有着严苛的条件：斜坡堤的材料用量与工程耗时均对水深较为敏感；直立堤大多为重力式结构，靠自重保持稳定，对地基不均匀沉降敏感，对地基承载力要求高；混合式结构尽管解决了一定的材料用量问题，但其对下部抛石沉降要求严格，工程耗时长。此外，传统防波堤多为不透水结构，严重影响港区内外水体交换，容易造成泥沙淤积等问题，对海洋水动力环境影响较大。

随着海岸开发利用朝着规模化、深水化发展，传统防波堤型式在经济效益、施工难度与环境保护方面的劣势凸显，目前亟需开发顺应发展需要的新型防波堤型式。在深水情况下，水质点的波动振幅沿水深方向按对数规律迅速递减，波能主要集中在表层，采用透空式结构亦可得到较为有效的波浪防护效果，同时透空堤还具有工程用料少、施工便利、对海床条件要求低与水体交换性能优良等特点，因此透空堤一经提出便受到了广泛的关注。

透空堤是由上部消浪结构和下部透空的支撑结构组成的防波堤，其结构型式的创新大多体现在上部消浪结构。近年来，透空堤的消浪结构型式不断推陈出新，如多层挡板、T型板、消浪室、双层水平板、开孔双层水平板、开孔多层圆弧板和梳式等，其目的在于提高防浪效果、降低所受波浪荷载，拓宽透空堤的应用范围。但遗憾的是，目前透空堤的生存力与长波消浪性能仍存在较大不足。

发明内容

为了提升透空堤的消浪性能以及生存力，本发明提供了一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：

本发明公开了一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其包括桩基础结构、倾斜挡浪板、底部开孔面板、错位异形列柱、栅栏式消浪后墙、顶部开孔面板以及胸墙；所述桩基础结构用于承载透空堤，包括直桩和叉桩；所述倾斜挡浪板固定在桩基础结构中的叉桩上，同时倾斜挡浪板的上部与底部开孔面板相连；所述底部开孔面板固定于桩基础结构之上；所述错位异形列柱与栅栏式消浪后墙设置于底部开孔面板与顶部开孔面板之间，栅栏式消浪后墙设置于背浪侧，错位异形列柱与栅栏式消浪后墙作为消浪结构，同时也用于支撑顶部开孔面板；所述胸墙设置于顶部开孔面板的上部迎浪侧，用于防止越浪。

作为优选，桩基础结构包含两直桩以及四对叉桩，两直桩位于底部开孔面板下方的迎浪侧，两对叉桩位于底部开孔面板下方的中部，剩余两对叉桩位于底部开孔面板下方的背浪侧；直桩和背浪侧的叉桩都通过横梁与桩帽固定于底部开孔面板下方。

作为优选，倾斜挡浪板的倾斜角与用于固定倾斜挡浪板的叉桩中迎浪侧的斜桩的角度保持一致，以便于两者可紧密贴合，增强结构的可靠性。

作为优选，底部开孔面板的开孔率为10％-20％，底部开孔面板上设置有圆形泄压孔以及矩形泄压槽，圆形泄压孔和矩形泄压槽均为透孔，矩形泄压槽位于倾斜挡浪板与底部开孔面板相连处的迎浪侧，圆形泄压孔、矩形泄压槽和倾斜挡浪板用于诱发射流，并冲击底部开孔面板上部水体从而消减波能。同时底部开孔面板的孔槽设计还具有减小波浪对装置的浮托力的效果。进一步的，矩形泄压槽的位置与倾斜挡浪板形成配合，促进矩形泄压槽处的射流形成，倾斜挡浪板在增强波浪反射的同时可作引流板起引流作用，诱导水体通过其前端底部开孔面板所设置的矩形泄压槽，增强射流强度，促进波能耗散。

作为优选，所述错位异形列柱按列排布，且各列与相邻列存在错位，一列错位异形列柱包括多个均匀排布的异形柱；各列错位异形列柱与相邻列之间沿波峰线方向的间错位距离为s，且s＝0.5·L，其中L为各列错位异形列柱沿波峰线方向的柱中心间距，L需满足1.5·d≤L≤2.0·d，其中d为异形柱沿波峰线方向的截面长度；所述异形柱截面型式为十字形或T形。错位异形列柱采取错位型式排布，使得透浪通道交错曲折，辅以栅栏式消浪后墙设置，波浪需经过多重反射、绕射后向堤后传播，逐级消减波浪能量；同时由于反射波组分多，可避免在堤前形成稳定驻波场，减小堤前水面振荡。

作为优选，所述顶部开孔面板的开孔率为10％-20％，可在较低水位时，对堤内波面产生气动阻尼效应，增强波能消减，并在极端高水位时进行泄压，减小波浪浮托力峰值，改善其受力的时变特征。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的透空堤稳定性高、生存能力强：桩基础结构，综合考虑直桩与叉桩承载特性，直桩承受竖向荷载，叉桩承受水平荷载，设计合理，整体结构抗倾稳定性强；通过在面板上增设开孔结构，提供泄压通道，能够有效降低波浪浮托力；采用波浪耗散型结构，即开孔面板与错位异形列柱，增强防浪效果，相比于采用挡浪板的波浪反射型防浪，此举明显减弱透空堤正向波浪荷载。

本发明提出的透空堤糅合多种消浪机理增强波能消减，波浪防护性能显著提升：采用十字异形柱，多锐缘，激发涡旋脱落；栅栏式消浪后墙可有效降低透流面积、诱发射流现象；开孔面板设置开孔结构，波浪作用下在开孔处形成射流，同时其会与列柱周围水流相互冲击，引起局部紊动；增设倾斜挡浪板可显著增强对入射波浪的屏障效应，促进反射，同时在面板矩形泄压槽处诱导强烈射流生成，冲击上部水体。

本发明提出的透空堤环境友好性显著：透空堤上下部结构均为非封闭式结构，对水体流通的阻碍较小，透流，透沙性能强，可有效降低对海洋环境的影响。

附图说明

图1是本发明透空堤的结构示意图；

图2是本发明透空堤的侧视图；

图3是本发明透空堤的剖视图及预期水体流动示意图；

图4是本发明涉及错位异形列柱的排布示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面基于附图及附图说明具体介绍本发明的具体实施方式。

一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于包括直桩1、叉桩2、桩帽3、横梁4、倾斜挡浪板5、底部开孔面板6、错位异形列柱7、栅栏式消浪后墙8、顶部开孔面板9以及胸墙10，结构示意图及侧视图见图1和图2。

直桩1、叉桩2及桩帽3组成桩基础结构是透空堤整体结构的基础。

在单个透空堤单元中，两根直桩1设置于迎浪测且间距较大，两对叉桩2设置于中部且间距较小，还有两对叉桩2设置于背浪侧且其间距于直桩相同。背浪侧设置叉桩以抵抗波浪冲击带来的倾覆力矩。

直桩1和叉桩2采用预制桩，同时结合工程现场的波候及地质条件等因素，根据《港口工程桩基规范》的相关规定计算，确定各直桩和叉桩深入海床泥面下深度，以确保稳定性。

桩帽3采用现浇钢筋混凝土结构，便于调整桩顶标高以偏位，起到保护桩身、承载荷载与连接结构的作用。

桩帽3内预埋槽钢以便于挡浪板的安装。

横梁4采用现浇钢筋混凝土结构，与桩帽3形成紧密整体，并承载上部结构。

倾斜挡浪板5采用预制板结构，并在顶部预埋槽钢以便安装。

倾斜挡浪板5的安装：根据预设对挡浪板安装位置进行校核标记，在倾斜挡浪板5的底部位置临时设置两个钢抱箍，与中部的叉桩稳固连接，架设工字钢作为临时托底承载结构，进行倾斜挡浪板的精调；倾斜挡浪板精调完成后将桩帽与倾斜挡浪板内预埋的槽钢进行焊接临时固定；最后对节点进行混凝土浇筑，完成安装。

底部开孔面板6、错位异形列柱7、栅栏式消浪后墙8、顶部开孔面板9以及胸墙10均为预制构件；错位异形列柱7、栅栏式消浪后墙8安装于顶部开孔面板9与底部开孔面板6之间，支撑顶部开孔面板9；胸墙10设置于顶部开孔面板上的迎浪测，与顶部开孔面板一体成型；各预制构件均进行加固连接，形成整体结构。

底部开孔面板6开孔率设计为10％-20％，优选的，底部开孔面板6上的开孔大小由迎浪测至背浪测依次减小，以达到最佳减荷效果。

底部开孔面板6设置有一道矩形泄压槽11，矩形泄压槽11位于倾斜挡浪板5与底部开孔面板6相连处的迎浪侧，具体位置在第二、三列异形列柱之间，如图2和图3所示。

错位异形列柱7沿波浪入射方向共设置四列，且在安装时需严格按照错位排布。优选的，记异形柱沿波峰线方向截面长度为d，d＝1.0m，单列异形列柱的柱中心间距为L，错位排布形式具体为各列错位异形列柱与相邻列之间沿波峰线方向的间错位间距为s＝0.5·L，即各列柱中单个柱体在相邻列两柱体中心，同时柱中心间距为L需满足1.5·d≤L≤2.0·d，尺寸示意可见图4。在波浪与结构物相互作用时，波浪经多级反射与绕射，波浪运动路线曲折蜿蜒(见图3)，波浪能量得到有效消减。

需要指出的是，在满足结构安全的情况下，错位异形列柱7截面不限于十字形，T形或其他有利于诱发涡旋脱落、促进波能耗散的截面形式均可；列数不限于四列，可根据情况灵活设计。

栅栏式消浪后墙8中实体部分与开孔部分分别等间距交替出现，且开孔率设为30％。

顶部开孔面板9开孔率设计为10％-20％。

胸墙10加厚加高，高度为2.0-4.0m，厚度为2.0-3.0m，有效防止越浪，同时后部为梯形截面设计，稳定性强。

基于本发明透空堤的波能消减方法：在与波浪相互作用时，上部波浪进入顶部开孔面板9和底部开孔面板6之间，与错位异形列柱7、栅栏式消浪后墙8先后接触，波浪发生多次反射、绕射，并在栅栏式消浪后墙8产生射流现象，流体运动路线蜿蜒曲折，同时错位异形列柱7的锐缘处会诱发涡旋脱落，波浪能量逐级递减。此外，底部开孔面板6下部波浪在运动过程中会抨击底部开孔面板6，在泄压孔处产生射流；此外，倾斜挡浪板5在促进波浪反射的同时引导下部流体流经矩形泄压槽11，产生强烈射流。射流会对开孔面板间流体的流动产生明显的冲击作用，消减波能。

以上的具体实施方式详细阐述了本发明的技术方案，应补充说明的是本发明可以有多重形式及构造的改变。凡在本发明的机理与原则之内，所做的任何修改与等同替换等均视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于包括桩基础结构、倾斜挡浪板、底部开孔面板、错位异形列柱、栅栏式消浪后墙、顶部开孔面板以及胸墙；所述桩基础结构用于承载透空堤，包括直桩和叉桩；所述倾斜挡浪板固定在桩基础结构中的叉桩上，同时倾斜挡浪板的上部与底部开孔面板相连；所述底部开孔面板固定于桩基础结构之上；所述错位异形列柱与栅栏式消浪后墙设置于底部开孔面板与顶部开孔面板之间，栅栏式消浪后墙设置于背浪侧，错位异形列柱与栅栏式消浪后墙作为消浪结构，同时也用于支撑顶部开孔面板；所述胸墙设置于顶部开孔面板的上部迎浪侧，用于防止越浪。

2.根据权利要求1所述的具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于，桩基础结构包含两直桩以及四对叉桩，两直桩位于底部开孔面板下方的迎浪侧，两对叉桩位于底部开孔面板下方的中部，剩余两对叉桩位于底部开孔面板下方的背浪侧；直桩和背浪侧的叉桩都通过横梁固定于底部开孔面板下方。

3.根据权利要求1所述的具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于，倾斜挡浪板的倾斜角与用于固定倾斜挡浪板的叉桩中迎浪侧的斜桩的角度保持一致。

4.根据权利要求1所述的具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于，底部开孔面板的开孔率为10％-20％，底部开孔面板上设置有圆形泄压孔以及矩形泄压槽，圆形泄压孔和矩形泄压槽均为透孔，矩形泄压槽位于倾斜挡浪板与底部开孔面板相连处的迎浪侧，圆形泄压孔、矩形泄压槽和倾斜挡浪板用于诱发射流，从而消减波能。

5.根据权利要求1所述的具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于，所述错位异形列柱按列排布，且各列与相邻列存在错位，一列错位异形列柱包括多个均匀排布的异形柱；各列错位异形列柱与相邻列之间沿波峰线方向的错位距离为s，且s＝0.5·L，其中L为各列错位异形列柱沿波峰线方向的柱中心间距，L需满足1.5·d≤L≤2.0·d，其中d为异形柱沿波峰线方向的截面长度；所述异形柱截面型式为十字形或T形。

6.根据权利要求1所述的具有错位异形列柱结构的高波能耗散型透空堤，其特征在于，所述顶部开孔面板的开孔率为10％-20％。