港湾设计实例课程第四章第二部分.docx
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港湾设计实例课程第四章第二部分
第一章港湾及港埠设施概说第二章各类型船舶设计尺寸第三章自然条件
第四章防波堤设计第五章水域设施设计
第六章码头结构型式及设计要点第七章专用码头的规划设计
4.1防波堤规划基本原则
4.2设计之基本原则
4.3基本设计
4.4细部设计
4.5实例介绍
4.3.2波力
1.波力概论
波力为港湾结构物最主要之外力之一，设计时应考虑结构物之型式、海底地形、水深、以及设计波浪及潮位等各项因素。
可依实际状况采用合适之计算公式推算之，或以水工模型试验加以检核验证，水工模型之比例愈大愈好，试验时最好能考虑波浪之不规则性。
随结构物之型式，波力大致可分成以下几种：
作用于直立式结构物之波力。
作用于护面材之波力。
作用于海中结构之波力。
作用于水面附近结构物之波力。
4.3.2波力
1.波力概论
实际波浪之波高、周期均不规则，随着水深或海底地形，有非碎波或碎波后之波浪作用在结构物上，波力计算时，应依设计条件，以带给结构物最严重影响之波浪来检讨。
就波高而言，波高愈大之波浪，带来之波力愈大，因此，应以到达结构物前不规则波群中之最高波作为波力估算之依据；但对作用于坡面之护坡石、消波块等之安定性，刚性较低之柱状结构物以及浮体结构物上之波力，则应考虑不规则波浪连续作用之影响。
以模型试验进行波力之检讨时，须充分考虑结构物之破坏情况，而采取适当之测定法，如以规则波进行试验时，必须进行最大波之检讨。
4.3.2波力
2.作用于直立壁之波力性质作用于直立壁之波力，因受潮位、水深、海底地
形、结构物之断面形状、法线形状等而改变。
位于海
底坡度陡峭区域或位于高堤基上面之直立壁，由于会遭受强大冲击波压作用，须充分留意其发生条件以计算波力。
影响作用于直立堤波力之主要因素为：
波浪之周期、波高、波向、潮位、水深、海底坡度、堤基高程及堤基宽度、堤基坡度、直立堤之堤顶高以及堤底水深等。
防波堤转角处，可能会遭受较直线部更大之波力，设计时须考虑法线形状之影响。
另外，直立堤前面以消波块覆盖时，消波块之特性，顶端高程及宽度等均有影响。
4.3.2波力
2.作用于直立壁之波力性质
作用于直立堤之波力，就波浪之形态而言，可分为重复波力、碎波后之波力等，但其变化应为连续性。
重复波力为与水深相比波高较小之波浪所产生，波压之时间变化较缓，随着波高之增大，作用之波力亦大。
碎波后之波力通常位于直立堤稍微海侧破碎之波浪，将会产生最大之波力，因此除在非常浅之区域外，在直立堤前方碎波之碎波力较距直立堤很远处碎波之作用力为大，特别在坡度很陡之海底面上之直立堤，或坡度虽缓但堤基很高之直立堤上，碎波作用时，会产生强大之冲击碎波压，应特别留意。
4.3.2波力
3.设计波高
堤前设计波高以合田良实（Goda）由试验归纳得到之公式来计算，一般防波堤稳定分析采用提前最大波高（Hmax），而消波块重量之计算则采用（H1/3）。
4.3.2波力
3.设计波高
4.3.2波力
3.设计波高
Ks值可由下图或Goda提供之非线性波浪浅化公式求得。
4.3.2波力
4.波力计算
A.波峰作用时波压分布图
4.3.2波力
4.波力计算
B.波压作用高度
4.3.2波力
4.波力计算
C.波压强度
P1
η*
hc
d
浮力h’
h
Pu
P2P3
4.3基本设计
4.3.2波力
4.波力计算
C.波压强度
4.3.2波力
4.波力计算
C.波压强度
4.3.2波力
C.波压强度
若为直立堤且入射波向角β＜30O之情况，尚需考虑冲击波压发生之可能，此时α2值应修正为α*。
海工程学系港湾设计实例（第四章）
4.3.2波力
4.波力计算
D.浮力及上扬压力（直立壁底面在水面下）
浮力仅考虑直立堤身于设计水位下之部份。
作用于直立壁底面之上扬压力呈前趾为Pu后趾为0之三角形分布，下式Hd采用Hmax。
D.浮力及上扬压力（直立壁底面在水面上）
直立壁位于设计水位下之扬压力分布，则u＝B（堤底宽），然若直立壁位于设计水位以上，则以谷本．小岛提出之修正式计算。
E.波谷作用时产生之负压力（直立壁底面在水面上）
当波浪之波谷作用于堤面时，所产生之负波力，可依据水工模型试验亦或以下式加以计算。
堤面波谷作用时，堤体之负波压如图5.2-5所示，在静水面为0，静水面下0.5Hd为Pn，至底面为止均为不变之直线分布波压向海侧作用。
P1
4.3基本设计*
4.3.2波力
h
5.波力合成力及其力矩
hc
d
浮力h’
Pu
A.水平合成力（P）及其力矩（M）P2P3
P1
4.3基本设计*
4.3.2波力
h
5.波力合成力及其力矩
hc
d
浮力h’
Pu
B.上扬力合成力（U）及其力矩（Mu）P3
4.3.2波力
6.作用于消波块覆盖堤的波力
作用于消波块充分覆盖直立壁之波力，随消波块之构造而变化，因此应依模型试验加以推算为原则。
若消波块之顶端与直立壁之顶高相同，且波浪作用时亦能确保消波块之安定，则作用于直立壁之波力，可依合田公式加以计算，并依据设计条件设定适当之波压修正系数λ1、λ2、λ3。
由于消波块消散碎波波力，一般而言碎波波压修正系数λ2设为零；波压修正系数λ1及λ3则与最大波高相关。
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
护面块石除应有充分安全之重量以对抗波力作用，并应有让内部材料不被吸出之厚度。
保护层采整放及砌石方式时，可由工程师判断决定所需重量，保护层采乱抛时，层厚应以2层为标准。
A.斜坡堤护面块石与消波块所需重量
河海工程学系港湾设计实例（第四章）
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
A.斜坡堤护面块石与消波块所需重量受波力作用之斜坡面结构物之表面护坡块石或消波
块所需重量可依下式（Hudson公式）加以计算。
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
A.斜坡堤护面块石与消波块所需重量
设计波高：
抛石或型块所构成之结构物中，并非由不规则波群之最高波Hmax之单一波之作用而导致破坏，系由大小波浪之连续作用逐渐形成破坏，与以往之实绩相比较，Hudson式之波高H，应代表不规则波群之规模。
因此应采用坡面设置位置之示性波高为准。
但当水深在相当深水波高之0.5倍以下时，可以使用相当深水波高之0.5倍水深处之示性波高。
堤头部重量之加成：
堤头部承受各方向来袭之波浪，所以斜坡覆盖材往背面倾覆翻倒之危险较大，因此，堤头部使用之抛石及混凝土消波块，建议使用Hudson式计算值1.5倍之重量。
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
A.斜坡堤护面块石与消波块所需重量
水面下覆盖材重量：
斜坡堤水面下波浪作用较弱，因此在静水面下1.5H1/3以下处可使用重量较小之覆盖材。
波向修正：
有关波向之影响现有检讨案例较少，尚未充分了解，故除以试验加以确认者外，通常对波向不加以修正。
混凝土块之强度：
异型混凝土块除须确保所需要之重量外，型块本身亦须具备充分之结构强度。
暗礁上消波块：
其安定性受暗礁斜坡宽度之距离以及暗礁上之水深等之影响很大，因此设计时须特别考虑。
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
A.斜坡堤护面块石与消波块所需重量
顶端高程低的斜坡堤之安定性：
背后无壁面支撑，堤顶高程低之斜坡堤之消波块，顶端面（特别是位于背后侧）之消波块，容易破坏须特别注意。
陡坡上之消波块的安定性：
海底坡度陡，同时又有呈卷状之碎波时，随消波块之形状会有强力之波力作用，须特别加以考虑。
斜坡堤各种块石及混凝土消波块之Kd参考值
名称
层数
堆积法
堤身
堤头
（第四章）
Kd
Kd
坡度
碎波
未碎波
碎波
未碎波
cotθ
圆滑块石
2
乱抛
1.2
2.4
1.1
1.9
1.5~5.0
圆滑块石
≧3
乱抛
1.6
3.2
1.4
2.3
1.5~5.0
菱角块石
2
乱抛
2.0
4.0
1.9
1.6
1.3
3.2
2.8
2.3
1.5
2.0
3.0
菱角块石
≧3
乱抛
2.2
4.5
2.1
4.2
1.5~5.0
菱形块（Tetrapod）及四角块（Quadripod）
2
乱抛
7.0
8.0
5.0
4.5
3.5
6.0
5.5
4.0
1.5
2.0
3.0
鼎形块
（Tribar）
2
乱抛
9.0
10.0
8.3
7.8
6.0
9.0
8.5
6.5
1.5
2.0
3.0
鼎形块
1
整砌
12.0
15.0
7.5
9.5
1.5~3.0
道拉斯块
（Dolos）
2
乱抛
15.5
31.8
8.0
7.0
16.0
14.0
2.0
3.0
修饰方块
（Modifiedcube）
2
乱抛
6.5
7.5
-
5.0
1.5~3.0
六脚块
（Hexapod）
2
乱抛
8.0
9.5
5.0
7.0
学
1.5~3.0
日本使用消波块Kd参考值
例（第四章）
河海工程学系港湾设计实例（第四章）
河海工程学系港湾设计实例（第四章）
河海工程学系港湾设计实例（第四章）
消波块重量受到Kd值及Sr影响之对比
设计波高：
18.3m
型式
比重
Sr
坡度
cotα
安定系数
Kd
重量
W
菱形块
2.3
1.5
8
627T
双T块
2.4
1.5
20
208T
高比重双T块
3.2
1.5
20
70T
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
B.斜坡堤迭层厚度以及内层块石重量迭层厚度计算式
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
B.斜坡堤迭层厚度以及内层块石重量
内层块石重量级级配参考表
4.3基本设计
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
C.合成堤堤基护基方块与护面块石所需重量
海工程学系港湾设计实例（第四章）
4.3基本设计
4.3.2波力
7.护面块石与消波块所需重量计算
C.合成堤堤基护基方块与护面块石所需重量
河海工程学系港湾设计实例（第四章）
保护堤趾块石
基础块石
实例（第四章）
4.3基本设计
4.3.3其他外力计算
1.静水压：
堤内外之静水面有高差时，应考虑相当于水位差之静水压。
2.浮力：
静水面以下之堤体应考虑浮力，如果堤内外之静水面有高差时，将两侧之水位相连，浮力为作用于该连线水面以下之堤体。
3.自重：
堤体之自重，以假设断面各材料之单位体积重量加以计算。
4.地震力：
地震时之动水压，作为堤体倾覆以及基础承载力安定计算时之依据。
4.3基本设计
4.3.4安定计算
1.
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