摘 要

防波堤的建造，需要考虑自然条件和水深变化的影响，合理的布置防波堤。考虑了汕头港广澳港区水深浪大的特点，本课题在汕头港广澳港区选择了直立沉箱式防波堤这种结构型式。防波堤设计按照防波堤设计与施工规范，总结了现有的防波堤修建经验，结合了汕头港广澳港区的实际情况进行设计。通过大量收集港区的自然条件资料，对防波堤结构进行计算，绘制防波堤断面图，对设计的防波堤进行验算，包括抗滑稳定性、抗倾稳定性、地基整体稳定性等。

关键词：防波堤；总体布置；稳定性

Abstract

The construction of breakwaters needs to consider the influence of natural conditions and changes in water depth and rationally arrange breakwaters. Considering the characteristics of the water depth of Shantou port GuangAo harbor, this subject selected the vertical caisson type breakwater in Shantou port GuangAo harbor. The design of the breakwater was strictly in accordance with the design and construction specifications of the breakwater, summarizing the existing experiences in the construction of the breakwater, and combining with the actual situation of Shantou port GuangAo harbor. By collecting a large number of data on the natural conditions in the port area, the structure of the breakwater was calculated, a section view of the breakwater was drawn, and the design of the breakwater was checked, including anti-sliding stability, anti-dump stability, and overall stability.

KEYWORDS:breakwater; general layout; stability

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容与方法 3

第2章 直立堤设计计算 5

2.1 设计资料 5

2.2 断面设计 8

2.3 直立堤作用标准值计算持久状况 9

2.4 直立堤作用标准值计算短暂状况 12

2.5 堤前护底块石的稳定重量和厚度计算 13

第3章 直立堤稳定性验算 15

3.1 结构断面抗滑抗倾稳定性验算 15

3.2 承载力验算 19

3.3 地基整体稳定性验算 28

3.4 地基沉降验算 31

3.5 干舷高度和浮游稳定验算 31

第4章 总结 36

参考文献 37

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

众所周知，全球气候变暖问题日益严峻，由于增温造成的南北极和南北极海域冰层的融化导致全球海平面的上升，这俨然已成为全世界所共同关注的问题。这对近海地区造成了严重的影响，最直接的就是导致近海区域风浪和水深变大，进而影响港区水域的稳定以及工程的施工安全，最重要的是危及附近渔民的生命财产安全。汕头港广澳港区位于汕头市南部广澳湾内，是汕头港重要的港区之一。广澳港区地理位置十分优越，港区内泥沙冲淤积较少。地质构造较稳定，距市区位置不远，交通非常便利，是整个粤东区域仅有的一个天然深水良港。然而，波浪条件相对较差，附近海域水深浪大，且在夏秋季节经常受到台风的危害，近海岸经常受到强波浪力的作用。综上所述，有必要修建防波堤来优化整个广澳港区的建港条件和作业环境以及掩护港内水域的稳定^[1]。综合考虑汕头港广澳港区的自然条件，本课题将设计一种直立沉箱式防波堤作为汕头港广澳港区的防波堤结构，通过现有的文献资料和计算方式，进行其稳定性计算，以确认其合理性。从目前国内外研究现状和成果来看防波堤具有极高的实用价值。

图1.1 广澳港区

防波堤作为海洋工程中极其重要的水工建筑物，故在海港工程项目中具有特殊地位及重要意义。防波堤按结构可以分为斜坡式，直立式以及特殊形式三类。防波堤通常用来掩护港口水域。在深水处，波浪会非常大，大部分防波堤就位于此处，它们直接承受巨大的波浪力作用，要在恶劣的环境中修建，难度也大大增加。防波堤在保护港内传播及其他海洋工程时，前提是要保护自己。韩理安^[2]对防波堤作了说明：防波堤有助于防御波浪对港域的侵袭，确保港口具有平稳的水域，便于船舶对接，有助于进行货物装卸作业和方便上下旅客。防沙，防流，防冰，导流或兼作码头有时候也需要一些防波堤来完成。在防波堤工程中，安全问题是研究和建造者最主要考虑的问题，这关系到生命与财产的安全。防波堤的破损将严重影响港口的正常使用。虽然在世界上防波堤的建造已经数不胜数，但仍有很多问题需要解决。合理的按照规范设计与建造防波堤，不仅能减少工程的损耗，还能节约资金。

图1.2 圆筒直立堤 图1.3 斜坡堤

1.2 国内外研究现状

通过交通部1999年6月开始发布实施的《防波堤设计与施工规范(JTJ298-98)》^[3]中可以基本上了解到90年代以来我国在防波堤和防浪等建筑物的设计、科研和施工方面的主要成果和经验。《海港水文规范(JTJ21398)》^[4]中提到，在海港工程中需包含设计高水位，设计低水位，极端高水位，极端低水位四个设计潮位。可用相同的四个设计潮位用于水工建筑物结构设计。

谢世楞^[5]提到应用以分项系数表达的概率极限状态设计法来设计直立堤和斜坡堤的胸墙。但在90年代后期对于防波堤和防浪护岸工程有了一些新研究进展，如在天津港和长江口地区采用的半圆型防波堤和导堤等新结构由于规范编制和审查的周期所限，并未反映在新规范中。王美茹^[6]提出防波堤是港口工程项目的重要组成部分。这些年来,国内已能够自行设计和施工各港扩建或新建的防波堤工程,除此之外还承担了国外某些大型深水防波堤工程的设计和施工。李静静等^[7]说明了水平波浪力及波浪浮托力是防波堤最主要考虑的荷载,可靠度分析计算时应考虑两者之间的相关性。荷载间的相关性可以结合Gumbel-Houggard Copula函数与对数正态边缘分布构造二维的Copula分布很好地描述出来。谢世楞^[8]认为随着海运事业的进步、船舶吨位的变大和经济全球化的趋势，世界各国海港的防波堤有向深水地区发展的势头，国际上一直关注建造深水防波堤述及的高新技术。 陆忠兴^[9]介绍了日本近年来防波堤结构发展的动向，他提到研究设计能使海水保持平稳和没有反射波的防波堤结构，是环境保护的需求，同时要研究使海水尽量不受污染的防波堤施工方法等等。为了确保航道安全，又由于沿岸场地面积少，故需向海面和深水区水域扩展，同时又由于海岸防灾，海洋开发的需要，深水防波堤遂逐步得到发展。当水深达到几十米深度时，在采用机械化，大型化的现代施工和检查技术的大环境下，传统的结构形式（特别是沉箱式混合堤）在一般条件下可能仍是最适用的。

在国外，文献^[5]提到，1994年在日本召开了“深水防波堤”国际研讨会，主题是交流世界各国建造深水防波堤方面的经验，吸取经验教训来改进防波堤的设计技术。Dong ^[10]对波浪荷载作用下防波堤沉箱危险性分析作了详细的研究说明。他提出了一种新的基于荷载面的沉箱型防波堤可靠性分析方法。利用所谓的荷载面来考虑作用于防波堤上的水平和垂直波荷载的不确定性，可以估计出波浪高度、水位等函数。然后，采用一阶可靠性方法(FORM)来确定波作用下的故障概率。在此基础上，对波峰和水平面不确定因素的可靠性进行了分析。此外，考虑到波高比的一个随机变量，将波峰高度与最大波峰高度联系在一起，可以考虑波浪破断的不确定性，采用数值方法对沉箱防波堤在波浪冲击下进行部分或全波破坏的可靠性分析。Han 等^[11]提出了对直立式防波堤前浪涌力的实验研究。在垂直防波堤的胸壁上，测量的波浪力与计算值有很大的偏差，这是由于过量的结果。为了探究这一偏差的原因，通过物理模型试验，测量了垂直胸壁上的波浪力。通过对实测值和正常计算值的比较分析，讨论了水深的影响和覆盖量。在垂直防波堤的波浪区放置了力传感器，对不同波动条件下的波压分布进行了测试。试验结果表明，随着水深的增加和过顶高度的增加，两种波力的差值越大。Contestabile等^[12]研究了波浪荷载作用于创新的碎石堆防波堤的波能转换以及波浪荷载作用于结构各部分的性质和大小。结果提高了对设备行为的整体认识，所提供的公式已被用于设计2016年1月在那不勒斯港(意大利)的第一个OBREC原型防波堤。

1.3 研究内容与方法

设计的主要内容是针对汕头港广澳港区，设计一种直立沉箱式防波堤，以保障渔民生命财产安全、方便渔民生产作用。根据防波堤设计与施工规范，设计针对本项目的直立沉箱式防波堤，并根据规范对其进行验算，以确认其合理性。首先对汕头港广澳港区的地形，水文，气象，泥沙，地质等资料收集和调研，通过对资料的分析来掌握港口的现状及存在的问题；针对汕头港广澳港区情况，设计直立沉箱式防波堤；根据设计结果，绘制防波堤断面图；对设计的防波堤进行验算，包括结构断面沿堤底和基床顶面的抗滑稳定性、抗倾稳定性、地基整体稳定性和基床、地基承载力验算等。

参考《防波堤设计与施工规范》^[3]、《海港水文规范(JTJ21398)》^[4]、《港口工程结构设计算例》^[13]、《防波堤设计手册》^[14]和《港口工程地基规范》^[15]等一系列文献确定设计条件，并计算各个所需要的数值以确保结构的安全性，利用CAD制图软件绘制防波堤各个结构部位图纸。根据水深、波浪和地质环境的变化，需对防波堤进行分段，采取不同断面尺度或不同的结构形式。对于防波堤的结构选型，应根据自然条件、材料由来、使用要求和施工条件等，经技术经济比较后确定^[3]。通过设计计算防波堤的断面尺寸和沉箱设计，考虑水下自重力变化的影响，验算防波堤整体的合理性，要确保满足受力条件。

第2章 直立堤设计计算

2.1 设计资料

汕头港广澳港区位于汕头市南区广澳湾内，地理位置为北纬23°19′—23°21′，东经116°38′—116°45′，四周有马耳岬海峡，企望湾，汕头市，南海，是汕头港非常重要的港区之一。广澳港区地理位置十分优越，交通非常方便，是整个广东地区唯一的天然深水良港。汕头港广澳港区是汕头港的重要组成部分,是广东省东北部沿海大型的深水港区,也是我国为数不多的良港，水深优势明显,发展潜力巨大,是汕头港未来发展的前途所在。

图2.1 汕头港广澳港区地理位置

汕头港广澳港区属于亚热带海洋性气候，气候宜人，四季光照充足，雨量充沛，尤其在夏季，台风灾害严重。多年平均气温为21.3°C，极端最高气温为36.2°C，极端最低气温为1.8°C；年平均降水量为1530.2mm，年最大降水量为2510.2mm，一日最大降水量为306.4mm，年平均降水天数为117.2天，日降水量≥80mm暴雨日数年平均为3.7天，日降水量≥50mm暴雨日数年平均为8.1天；平均每年有21.6个雾日，并且每个月都会出现，但2～5月份的出现频率较高。能见度小于1km的大雾平均每年实际出现近60小时。

根据广澳港区观测的结果，常风向为东北，出现频率为27.20％，其次为东南，出现频率为15.40％。强风向为东北，次强风向为西南。一年中大于6级风的天数为18天。汕头近岸经常遭受台风袭击，平均每年有8个左右的台风。广澳港区的风玫瑰图见图2.2。

图2.2 风玫瑰图

以下各个数据以汕头港广澳港区理论最低潮面点起算，历年最高潮位为4.35m，

历年最低潮位为-0.1m，年最高潮位为2.75m，年最低潮位为0.13m，平均高潮位为1.90m，平均低潮位为1.01m，平均海平面为1.40m。

设计水位分别为，设计高水位2.05m，设计低水位0.35m，极端高水位4.05m，极端低水位－0.40m。乘潮水位见表2.1。

表2.1 乘潮水位一览表

根据资料分析可以得知，主要浪向为ESE向，出现频率为36.69％，次常浪向为SE向，出现频率为27.68％，强浪向为ESE向，次强浪向为SSW向。在设计防波堤时需要考虑计算的数据为：正向浪，重现期为50年，H_1%=4.2m，H_5%=3.4m，=6.6s；重现期为10年，H_1%=3.0m，=6.0s。

本港区属于正规半日潮流，性质为往复流。涨潮流一般历时较长(为8小时左右)；落潮流一般历时较短(为6小时左右)。在平潮前2小时左右会出现涨落潮的转流。通常情况下，涨潮流速会大于落潮流速，表层流速又大于中、底层流速。平潮后2小时左右就会出现最大流速。

汕头广澳港区位于汕头港和达濠江之间的广澳湾内。港区周围海岸以花岗岩基岩侵蚀海岸为主，广澳湾湾口向南，呈两侧有基岩岬角控制的对数螺旋形，企望湾顶有达濠江与汕头港相通。企望湾和广澳湾相似，有着平直的西侧岸线，弯曲的东侧岸线，海岸侵蚀供砂不多，在波浪作用下形成的对数螺旋线形海湾。由于花岗岩抗侵蚀能力较强，变化缓慢，附近陆地供沙也不多，堆积海岸淤长且慢，整个海湾都是稳定的海岸线。

陆地径流来砂、海岸侵蚀来砂及海底侵蚀是整个企望湾泥沙的主要来源，但数量都不大。因此，广澳湾没有区外的泥沙来源，本地的泥沙又不多，泥沙基本不会回淤，因此一直以来都是较稳定的深水水域。

本港区主要有中生代花岗岩和第四纪晚更新世沉积物。港区属于相对稳定花岗岩区域，且港区断裂活动发生在中生代，第四纪时期稳定，对工程影响不大。中砂层厚3.81～6.71m。淤泥、流泥层厚0.91～6.50m。细砂、中砂层厚1.1～9.1m。淤泥、淤泥质土层厚1.0～6.1m。中砂、粗砂、细砂层厚0.85m～19.4m。粘土、粉质粘土层厚1.1～5.8m。淤泥、淤泥质土层厚0.54～9.4m。细砂、中粗砂层厚0.92～19.4m。粘土、粉质粘土层厚1.3～7.5m。砾质粘性土层厚为0.64～8.45m。全风化花岗岩的厚度较薄，最大为2.55m，最小为1.05m，岩面标高为-29.7～-11.66m。强风化花岗岩揭露厚度0.6～4.5m。中风化花岗岩揭露厚度3.1～3.3m。持力层为粘土，粘土的物理力学指标标准值：γ=19.3kN/m³,=26°，c=20kpa，ω=50%，ω_L=55%，ω_p=24%，I_Llt;0,故γ=γ^，=19.3kN/m³.同时也要考虑地震的影响，本港区地震基本烈度为8度。设计计算所需材料重度标准值有：钢筋混凝土沉箱：γ=25.0kN/m³，γ^，=15.0kN/m³；沉箱浮游稳定计算时：γ=24.5kN/m³，γ^，=14.5kN/m³；封顶混凝土：γ=23.0kN/m³，γ^，=13.0kN/m³；混凝土胸墙：γ=24.0kN/m³，γ^，=14.0kN/m³ ；沉箱内填积砂石：γ=18.0kN/m³，γ^，=9.0kN/m³，Φ=30°；

沉箱内填10-100kg块石：γ=18.0kN/m³，γ^，=11.0kN/m³；基床块石：γ^，=11.0kN/m³。根据规范，本文设计的防波堤结构安全等级为：二级。

2.2 断面设计

按照《防波堤设计与施工规范》的规定,依据所在港区防波堤使用要求，按允许少量越浪考虑，堤顶定在设计高水位以上0.6-0.7倍设计波高值处，即：

堤顶高程=

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