摘 要

朱家尖月岙渔港往来渔船数量多，避风锚泊面积和码头泊位严重不足。为了保障渔民生命财产安全,方便渔民生产作业，需要建造合适的防波堤。本防波堤设计按照《防波堤设计与施工规范》，充分考虑当地实际情况，设计了一种直立沉箱式防波堤。根据地质条件和波浪要素等条件确定了防波堤的总平面设计方案和断面尺寸，并对所设计防波堤的自重力及作用力进行了计算，最后进行稳定性及地基安全性验算。

关键词：直立沉箱式防波堤；断面尺寸；稳定性验算

Abstract

There are a large number of fishing vessels on the Zhujiajian Yue Ao fishing port, and there are serious shortages of sheltered mooring areas and berths. In order to protect the safety of fishermen's lives and property and facilitate the fishermen's production operations, proper breakwaters need to be constructed. The design of the breakwater was based on the “Code for the Design and Construction of Breakwaters”, which fully considered the local conditions and designed a vertical caisson type breakwater. According to the geological conditions and wave elements and other conditions, the design of the general design of the breakwater and the size of the section were determined, and the self-gravity and force of the designed breakwater were calculated. Finally, the stability and foundation safety were checked.

Key words: Vertical caisson breakwater; section size; stability check.

目录

第一章 绪论 1

1.1设计背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3设计的基本内容及目标 4

第二章直立堤设计及计算 5

2.1设计资料 5

2.2断面设计 6

2.3堤身自重力及波浪力作用持久状况 7

2.4堤身自重力及波浪力作用短暂状况 11

2.5堤前护底块石的稳定重量和厚度计算 12

第三章 直立堤稳定性与地基安全性验算 14

3.1结构断面的抗滑抗倾稳定性验算 14

3.2承载力验算 19

3.3地基整体稳定性验算 27

3.4地基沉降计算 29

3.5干舷高度和浮游稳定计算 30

第四章 总结 35

参考文献 36

致谢 37

第一章 绪论

1.1设计背景

朱家尖月岙渔港位于朱家尖岛东北部的舟山群岛第五大岛—— 月岙村,地理坐标为29.57N, 122.24E。据统计,目前约有300艘渔船往返于月岙村渔港避风,从事渔业工作。由于避风锚泊和码头泊位的不足严重影响渔民的正常工作。为确保渔民的生命财产安全,渔民生产产品便利。按照国家和省政府的规划要求,全力实施标准渔港体系建设。以省标准渔港体系建设为基础,朱家尖月岙渔港将按国家渔港等级标准,开展基础设施建设,更好地为月岙村及周边渔民服务。针对这个自然背景下我们可以对比选用直立式防波堤。不仅因为其适宜当地的自然条件，而且具有堤身整体性好，水上安装工作量小，不需要大型起重设备，施工进度快，工程造价低等特点。根据防波堤设计与施工规范，并进行验算，以确定其合理性。

图1.1 朱家尖月岙渔港地图

1.2国内外研究现状

牛恩宗等^[1]在大连港大窑湾岛式防波堤采用了具有透流，轻型特点的梳式防波堤。吴浩等^[2]则通过弹性有限元的方法建立一个变形数值模式用于求解波浪与大开孔消浪结构的强非线性相互作用,该数值模式最主要的特点是具有良好的精确度,可应用于开孔消浪结构形式的沉箱防波堤效果的计算和研究。张文全^[3]采取了直墙消波沉箱防波堤和上部为斜面的沉箱防波堤结合的方法，在普通沉箱防波堤的前方放置带槽的曲面透空墙和消能室而形成的曲面消波沉箱防波堤。杨志坚等^[4]在一个沉箱防波堤的基础上增加了一个振荡式水柱波浪发电机，形成了一个喇叭防波堤和一个波浪发电厂。可使波浪力对防波堤的作用可大大减少，同时又产生了可以利用的电能。郄禄文等^[5]提出水平波浪力、削角垂直波浪力和堤底浮托力不确定系数，用来研究波浪力在削角胸墙上的分布规律，从而得到削角直立堤的波浪计算公式，在此基础上提出对斜面竖向波浪力的计算值进行适当调整，可得到更接近实际的波浪力值，为我们研究和计算直立堤波浪力提供了宝贵的经验。还有谢世楞^[6]对直立堤与斜坡堤进行优化设计，他从建造费用和维修费用两方面计算出总投资的不同结构断面。开始时并不知道设计波浪的重现期,对所有范围内的波浪都按一定的结构断面和规范规定来设计，根据对比选择最经济安全的结构断面。在青岛崂山前海直立式防波堤兼码头工程的设计中，宋军港和徐文琦^[7]通过对比分析规范计算值与断面物理模型试验数据,得到合理的断面尺度、堤顶高程和越浪量等设计参数。根据多组不同实验初始数据经计算得到结果进行对比分析，可以对挡浪胸墙的结构形状和护底尺寸进行优化，通过增加护底块石的重量来弥补护底尺寸的不足，一样可以保证工程的安全使用，他们通过实验的方法积累经验，总结出一套适用于护底设计规范，特别是深水直立堤护底设计的经验公式。沈雨生等^[8]对比浮箱式、浮筒式、浮筏式等多种不同浮式防波堤的消浪理论和结果，从而分析出了它们各自结构的优缺点，然后从理论推导、经验公式和数值计算三个方面总结出浮式防波堤的波浪透射系数。说明了当前浮式防波堤设计的不足之处，与浮式防波堤在工程实践中遇到的问题，并对国内外浮式防波堤研究成果进行总结，为我们进一步研究和改进浮式防波堤指明前进的道路。最后曹义国和夏俊桥^[9]在连云港徐圩港区直立式防波堤工程采用一种新型桶式结构,这种结构的优点是解决了海上运输与安装的问题,节省工程成本,运输工程采用水上气浮拖带运输,通过排气使结构受到的浮力减少，因而结构重力大于浮力下沉，为了保证新型桶式结构的顺利安装。在桶式基础结构气浮拖运和下沉过程中,通过电脑自动控制系统控制桶式基础结构的位置和沉放速度来保证精度,保证了工程质量。

图1.2透空式防波堤 图1.3新型桶式防波堤基础

Paprota^[10]在波浪槽中安放波纹槽底部有多孔管组成的气动防波堤模型，并使其与活塞式空气压缩机连接。上升的空气泡会形成一个空气屏障，消解波浪的能量并减低传播波浪的高度。这个模型暴露在具有固定参数的规则波浪中，并使用控制供应给管道的空气量来修改空气屏障的性能。用粒子图像测速和声学多普勒测速方法来测量作用防波堤的水下空气屏障附近的波流速度场。为了评估气动防波堤在阻尼波中的有效性并确定导致波能消散的过程，测量由自由表面高程的各种流速。根据测量结果，分析了不同波浪条件下气动防波堤的性能。结果表明，由上升气泡引起的湍流区域内能量的耗散可被认为是气动防波堤能量衰减的主要机制。Rossi等^[11]使用静态的岸边保护结构通常被认为是减少海岸线活力的不可逆转的变化，但可以对结构进行修改，使其更加符合人类需求，并创造出更具流动性的海滩。这个概念通过比较出现的分段式海上防波堤改造成连续的水下结构而造成的海滩和近岸的形状和体积的变化,记录了1983年至1987年期间，意大利托斯卡纳海岸福洛尼卡湾建造了分段防波堤，防波堤创建了一个不对称的海岸线。2011年至2013年期间，防波堤被拆除，巨石被用来创建一个连续的远离海洋的淹没式防波堤，在海平面以下-0.5英寸处有一个更宽的波峰。目的是为了获得更好的海景和更宽阔的海岸宽度。在这个过程中，自然过程允许更大的波峰来重塑海滩。海岸线在改造后变直，但在2013年至2016年间平均退缩12.9英寸。这项研究提供了修改防波堤以使海岸线功能更自然的为数不多的原型之一。 RS Shih^[12]解释海上结构损坏的主要原因是波浪冲击力。防护结构，如浸没式防波堤，屏蔽防波堤和各种桩通常设计用于提供衰减（减少）额外的冲击力。在本研究中，通过物理实验研究了高透水管道防波堤对波浪冲击力和波压的降低。波浪冲击的过程相当复杂，涉及强烈的非线性和瞬态效应。海浪结构通常受到强烈的波浪冲击力而部分破坏，因此，波浪冲击力是影响沿海建筑物安全和破坏需要考虑的重要因素之一。这项研究解决了使用高透气密度小口径管道的问题，这可以有利于港区内海水的对流和交换，并且有效地进行波浪吸收，研究调查了安装在海堤前的透水管屏防波堤的性能，看是否可以以减少波浪冲击力和波浪压力。物理实验通过在各种条件下考虑规则波和不规则波来进行。实验结果表明，垂直放置在路基前方的透水管道障碍物可以有效减轻和减少70％以上的波浪冲击力。

1.3设计的基本内容及目标

先收集朱家尖月岙渔港的气象及水文状况，通过收集到的设计水位与波浪设计要素确定防波堤的堤高和胸墙底面高程，根据水深与地基情况设计沉箱结构的长宽比，计算出设计的防波堤在不同水位工作状况下的自重力及对后踵力矩和波浪作用力（波峰和波谷），根据所得到的防波堤自重力及对后踵和波浪作用力验算防波堤底面的抗滑稳定性，抗倾稳定性，基床承载力等。然后再计算在防波堤作用下地基的沉降及整个地基面是否会发生圆弧滑动。最后考虑防波堤在建造过程中沉箱的运输问题，计算其浮游时是否稳定，有没有足够的干舷高度。在完成设计计算后绘制图纸。

第二章 直立堤设计及计算

2.1设计资料

根据当地的实测数据可得：年平均气温为：16.4℃，月平均最高气温为:27.2℃，月平均最低气温为:5.6℃，极端最高气温为:38.2℃，极端最低气温为:-6.5℃。春夏两季降雨量占全年降雨量的60%-65%，降水集中在3-4月份春雨期和5-6月份梅雨期，8-9月份因台风影响亦较多，其中有：年均降雨量为:1100mm，年最大降雨量为:1480mm，日最大降雨量：176mm。正常风为西北部，频率15.6%，次常风向位于东北部，频率12.3%，冬季常风向西北北，夏季常风向东南东；强风向东北、东北北，最大风速37m/s。多年来有36天的平均风速大于或等于6级，16天的平均风速大于或等于7级，6天的平均风速大于或等于8级。该地区春季雾最多，约占全年59%，雾主要集中在半夜前后到上午10点左右，中午前后到下午则较少出现，平均每年大雾日26天。这个地方的主要灾害天气为：台风，强对流天气，暴雨，等。

这个地区的常波向为NE,强浪波向为E,年平均波高0.5m，年平均周期3.6s，最大周期16.05s,最大波高4.2m。其中主要受外海海浪影响，有一部分为风浪影响，大浪主要是由于台风吹刮引起，同时导致水位增加，潮位增高，设计波浪要素见下表2.1。

表2.1 防波堤设计波浪要素

根据信书等^[13]可知工程海区是一个正常的半日浅海潮，根据当地海洋水文气象站的潮汐观测资料进行分析计算，可得到潮位特征值（当地理论最低潮面）如下：平均海平面3.13m，最高高潮位6.67m，最低低潮位-0.73m，平均高潮位5.13m，平均低潮位1.13m，平均潮差4.10m，平均潮面潮流属于不正规半日潮前海潮流类型，以往复流动的形式，表面层可以具有180cm/s的最大流速，垂线上产生的最大平均流速为160cm/s，海面表层最大余流为23.6cm/s，海底底层最大余流为10.2cm/s，余流方向主要为落潮方向。

通过对资料的综合分析可得出朱家尖月岙渔港乘潮统计表2.2(单位：m)

表2.2 乘潮水位保证率

确定的设计水位如下：设计高水位：5.35m，设计低水位：0.96m，极端高水位：6.65m，极端低水位：0.33m。

朱家尖月岙渔港的地质构造是浙江闽南的凸起延伸地带，地质构造复杂，浅海中广布深厚中生代火山岩，间杂酸性、中性岩株，局部分布有花岗岩等侵入体，其上覆盖的粘性土厚度在8～12m之间，具有足够的承载能力，部分地域为砂质，可作为天然地基使用。下方的花岗岩等岩层满足强度要求，可作为持力层。地震基本烈度为7度，结构安全等级取2级。

根据朱家尖月岙村的海岸含沙测量资料可知：月岙渔港海水含沙量适中，平均含沙量为0.053-1.814kg/m³,涨潮时平均含沙量为0.465Kg/m³，落潮时平均含沙量为0.345kg/m³,。当大涨潮时测得单宽输沙量在79-415t/(m·d)，落潮的单宽输沙量在90-369t/(m·d);小涨潮单宽输沙量为7-38t/(m·d),小涨潮落潮单宽输沙量在9-18t/（m·d）,这种输沙过程为往复输沙。

材料重度标准值：钢筋混凝土沉箱：。沉箱浮游稳定计算时：。封顶混凝土：。混凝土胸墙:。沉箱内填积砂石：沉箱内填10～100kg块石：。基床块石：。

2.2断面设计