福建大使澳渔港直立式式防波堤设计毕业论文
2020-02-18 12:02
摘 要
本次设计根据东山澳角渔港的地理位置条件、气象与水文条件、水位于波浪条件以及地质等条件，设计直立式防波堤并进行验算以确保其合理性。本次设计收集了大量港区资料，包括当地的各种设计水位信息，计算各种重现期的波浪条件，并严格按照防波堤设计与施工的国家规范，根据设计规范的要求结合当地实际情况进行设计工作。最终决定设计为重力式直立堤，墙身结构采用矩形沉箱式。确立了结构形式，完成标准值以及相应设计组合的计算，并且按照规范要求进行了水平缝的抗倾稳定性和抗滑稳定性的验算、基床底面抗滑稳定性的验算、地基承载力的验算、整体稳定性的验算以及地基沉降验算等后续验算工作。根据验算结果对设计参数进行优化，确保设计结果满足要求。
关键词：澳角渔港，直立式防波堤，重力式直立堤，沉箱结构
Abstract
According to the geographical location, meteorological and hydrological conditions, water level in wave conditions and geological conditions of Dongshan Aojiao fishing port, the vertical breakwater is designed and checked to ensure its rationality.This design collects a large number of port information, including local design water level information, calculates various wave conditions in the recurrence period, and strictly in accordance with the national code for breakwater design and construction, according to the requirements of the design code combined with the actual situation of the local design work. Finally, it was decided to design gravity vertical dike and rectangular caisson wall structure. The structure form is established, and the calculation of standard value and corresponding design combination is completed. In accordance with the requirements of the code, the following checking computations are carried out, such as the checking calculation of anti-tilt stability and anti-sliding stability of horizontal joints, the checking calculation of anti-sliding stability of the bottom of foundation bed, the checking calculation of bearing capacity of foundation, the checking calculation of overall stability and the checking calculation of foundation settlement. According to the checking results, the design parameters are optimized to ensure that the design results meet the requirements.
Key words: Macau Fishing Port, Vertical Breakwater, Gravity Vertical Breakwater, Caisson Structure
目 录
第一章、绪论 1
1.1目的以及意义 1
1.2直立堤国内外研究现状 1
1.3当地水文气象条件 2
第二章、设计资料 4
2.1设计水位 4
2.2风向、风速玫瑰图 4
2.3设计波浪要素 7
2.4地震荷载 9
2.5结构安全等级 9
第三章、直立式防波堤结构设计 10
3.1设计条件 10
3.2材料重度标准值 10
3.3计算胸墙顶部高程 10
3.4基床形式与基床内外坡度设计 10
3.5堤前最大波浪流速计算 11
3.6计算护底块石的参数 11
3.7直立式防波堤作用标准值和相应组合计算 11
3.7.1持久组合的计算 12
3.7.2短暂组合的计算 20
3.8各合力和力矩汇总 25
第四章、直立堤的各项验算 27
4.1直立式防波堤抗滑、抗倾稳定性验 27
4.1.1结构断面沿堤底的抗倾稳定性验算 27
4.1.2结构断面沿堤底的抗滑稳定性验算 28
4.1.3结构断面沿基床底面的抗滑稳定性验算 30
4.2地基稳定性验算 31
4.2.1承载能力极限状态 31
4.2.2短暂状态 35
4.2.3偶然状态 35
4.3地基沉降计算 39
4.4沉箱吃水、干舷高度和浮游稳定性计算 41
4.4.1沉箱的干弦高度 41
4.4.2沉箱的浮游稳定性 44
4.5基床承载能力验算方法 45
4.6基床承载能力设计状况及与之对应的设计组合 46
4.7地基承载能力验算 47
4.8地基承载能力设计状况及与之对应的设计组合 48
第五章、结论 51
参考文献 53
致 谢 54
第一章、绪论
1.1目的以及意义
澳角渔港地处福建省东山岛澳角村。东山岛位于中国福建东南部，地处中国东南部，位于福建省南部沿海。地理坐标为北纬23°33′-23°47′，东经117°17′-117°35′，东邻台湾海峡，西面是诏安县，西北面云霄县，东北面是漳浦县，东距澎湖98海里，距高雄110海里，东山岛四面环海，海域达26300平方公里，陆地面积220.18平方公里。东山岛属于外湾，海域面积可达到390平方公里，海岸线长达141公里。东山岛四周没有多余的地形遮挡海水，水质优秀。地势由西北向东南倾斜，地貌依序为低丘——台地——滨海小平原（海拔15米以下）。最高处苏峰山顶海拔274.3米。下图为澳角渔港地图：
图1.1 澳角渔港卫星地图
东山澳角渔港是国家一级渔港，容量大到能够容纳上千艘渔船，很多的渔船在这里停泊、避风以及进行补给消耗和装卸货物的工作。周边的村子都集体进行各种和海产品相关的作业，渔民们捕捞海产为业，靠大海的资源谋生。建造合适的渔港防波堤 能够更好地防灾减灾，给港区的渔民们提供一个安全的作业环境。防波堤可以提供平稳的水面以及足够的水深给渔船停泊和作业，因此为了渔民的生命和财产安全，设计合理的防波堤工程是非常有必要的。
1.2直立堤国内外研究现状
防波堤是港口建设的重要组成部分，拥有防波浪拦漂沙的作用，还可以使港内保持足够的水深以供船舶停泊，提供稳定的水面，使船舶拥有良好的作业和进出环境。
我国各地建造的重力式直立堤使用最多的形式有两种，分别是墙身结构使用的是矩形沉箱的重力式直立堤，另一种是墙身结构使用正砌方块结构的。防波堤水深多在 20m之内。目前国外建造超过20m水深的防波堤，以日本居多,最深的也在日本，如釜石湾约63m水深的梯型沉箱混合堤;国内已建成几座水深约30m的矩形沉箱混合堤[1]。深水堤的建造也顺应今后建港的发展趋势。
建造外海防波堤常用的结构形式主要是直立式防波堤和斜式防波堤。外海施工条件恶劣，并且普通的斜式防波堤的断面尺寸都较大，考虑到边坡稳定的要求，普通斜式防波堤的施工难度就比较大了，施工进度偏慢。[2]建造常规的沉箱或者方块结构的重力式直立堤也有一些问题，即对于地基承载能力的要求比较高，建造工程开展时需要具有良好的地基基础。相对于这两种设计而言，一种更优秀的设计方法，直立式双板桩防波堤拥有更强的对于软土地基的适应力和施工速度更快用料更省的优点。因此这种防波堤更适用于外海深水地区的防波堤工程建设。遗憾的是到目前为止直立式双板桩结构的防波堤在深水工程建设中的运用实例还比较少，缺乏足够的实例所以对直立式双板桩结构的研究方法以及施工要领同样缺乏[3]。
在设计直立式双板桩防波堤的时候，我国采用的设计规范为将直立式双板桩结构进行一系列的简化运算，将问题转化为单板桩的结构来进行设计的方法。这种方法有一些问题，即当所设计的防波堤堤顶的宽度较小的情况下，双板桩防波堤的墙后的土压力与转化后单板桩土压力有较大的差别，即转化后的计算情况与原本双板桩实际情况不相符，这种方法就不合理了[4]。日本双板桩直立堤的设计规范与我国不同的是其设计时需考虑板桩墙与直立堤上部结构之间形成的排架结构的抵抗力，这种设计也是有问题的。与中国设计规范遇到的问题相反的是，使用日本规范设计在遇到堤顶宽度较大时，其公式的计算结果将会与实际结果相差较大，设计规范失去作用[5]。由此可以看出两国的设计规范都不能适用于所有的情况，都会在某些情况下产生问题。因此在实际情况下，需要运用两种设计规范分别进行结构断面的设计，两种方法综合起来确立标准尺寸。然后通过使用建模软件模拟分析，最终得出更合理可靠的设计方案。
1.3当地水文气象条件
在气温方面，东山县的地理位置属于亚热带，拥有充分的阳光，冬日气温较为舒适，没有非常寒冷的时节；夏天的气温也比较凉爽，并无酷暑。多年年平均光照小时数为2413.5h，气候特点是海洋季风气候。最近25年东山县气象局气温报告显示，东山年平均气温21.2度。每年7月份是一年中最热的时候，月气温平均值为26.8℃，其中最高气温为36.2℃；2月份是每年最冷的时间，气温平均13.5℃，最低极端气温为3.6℃。未发生过霜冻。
关于降水，东山县多年年平均降雨量1129.0毫米，平均有46天的降水量大于于50毫米。每年五、六、七、八四个月是年降水量最多的时候，全年61%的降水都集中在这个时候。
湿度方面东山县年平均相对湿度为80%。10月与11月相对湿度最小，仅为72%；最大的为6月，为88%。各月份相对湿度差异较小，影响程度较低。
第二章、设计资料
2.1设计水位
设计水位见表2.1。
表2.1 设计水位统计表（单位：m）
水位 | 黄零基准 | 东山理论最低潮面基准 |
（黄零以下1.71m） | ||
极端高潮位 | 2.96（50年一遇） | 4.67（50年一遇） |
设计高潮位 | 2.06（高潮10%） | 3.77（高潮10%） |
设计低潮位 | -1.28（低潮10%） | 0.43（低潮90%） |
极端低潮位 | -2.09（50年一遇） | -0.38（50年一遇） |
2.2风向、风速玫瑰图
据根东山县气象台1965年～2010年实测资料统计显示，澳角渔港地区年平均风速为7.2米/秒，强风来自东北方向至东北偏东方向，东北方向常有强风来，其频率为26%。东北偏东方向频率为22%，强风风速最大值为42m/s。以下为各项风速特征值统计数据表：
表2.2 各向最大风速、平均风速及风向频率统计表
风向 | 最大风速值 （m/s） | 平均风速（m/s） | 风向频率（%） |
N | 18 | 2.8 | 3 |
NNE | 29 | 7.9 | 10 |
NE | 42 | 9.2 | 27 |
ENE | 41 | 9.0 | 21 |
E | 27 | 5.5 | 2 |
ESE | 19 | 4.6 | 2 |
SE | 15 | 3.5 | 1 |
SSE | 25 | 3.6 | 2 |
S | 35 | 4.4 | 4 |
SSW | 17 | 4.9 | 8 |
SW | 15 | 4.4 | 6 |
WSW | 17 | 4.3 | 2 |
W | 11 | 2.8 | 2 |
WNW | 13 | 2.8 | 3 |
NW | 15 | 2.8 | 1 |
NNW | 28 | 3.3 | 2 |
图2.2 最大风速玫瑰图
图2.3 平均风速玫瑰图
图2.4 风向频率玫瑰图
2.3设计波浪要素
根据风向情况判断，澳角渔港的虽然NE方向风速最大，但此方向为地面区域，受到陆地的保护，大大减小了波浪造成的影响。无障碍物的S方向为开阔的海域，波浪造成的影响更为关键，因此主要考虑的波浪因素为S方向和SW来波。以下为设计波浪统计资料[6]。
表2.3 100年一遇S向拟建防波堤堤前设计波要素计算表
计算 水位 | 设 计 波 要 素 | ||||||
H1%(m) | H4%(m) | H5%(m) | Hs(m) |
| T(m) | L(m) | |
4.67m | 7.06* | 6.54 | 6.41 | 5.72 | 4.13 | 10.83 | 101.4 |
3.77m | 6.41* | 6.30 | 6.20 | 5.56 | 4.08 | 10.84 | 97.4 |
0.43m | 4.09* | 4.07* | 4.07* | 4.07* | 2.90* | 10.82 | 79.1 |
-0.38m | 3.51* | 3.51* | 3.51* | 3.51* | 2.51* | 10.83 | 73.8 |
(m)表2.4 100年一遇SW向拟建防波堤堤前设计波要素计算表
计算 水位 | 设 计 波 要 素 | ||||||
H1%(m) | H4%(m) | H5%(m) | Hs(m) |
| T(m) | L(m) | |
4.67m | 5.62 | 4.95 | 4.82 | 4.21 | 2.89 | 9.46 | 86.2 |
3.77m | 5.41 | 4.79 | 4.67 | 4.10 | 2.84 | 9.46 | 82.7 |
0.43m | 4.08* | 4.05 | 3.97 | 3.58 | 2.63 | 9.46 | 68.4 |
-0.38m | 3.37* | 3.37* | 3.37* | 3.37* | 2.41* | 9.46 | 62.7 |
表2.5 50年一遇S向拟建防波堤堤前设计波要素计算表
