一种反弧形防波堤及防波堤总水平波浪力的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种反弧形防波堤，包括前墙为连续的半圆筒形的弧形迎浪面结构，前墙的后面为方形沉箱结构。反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，通过以下公式计算：P＝KPPZ，修正系数KP＝0.91。本发明专利技术的有益效果是：反弧形防波堤波压力垂向分布与直墙式防波堤类似，静水位附近为三角形分布，静水位以下为抛物线分布；反弧形防波堤波压力环向分布为：波峰作用时，圆弧中心断面波压强最大，沿圆弧角度的增大，波压强减少。波谷作用时，波压强基本相等，呈均匀分布。反弧形防波堤总水平波浪力计算宜采用修正后的合田良实公式，计算分析表明，反弧形防波堤水平波浪总力比同等尺度直墙式防波堤的波浪力小10％左右。

【技术实现步骤摘要】
一种反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法
本专利技术属于海岸工程
，涉及一种具有半圆连续反弧形结构组成的防波堤，本专利技术还涉及该反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法。
技术介绍
为了满足船舶大型化，港口码头深水化和专业化的要求，对作为主要港口水工建筑物的深水防波堤也提出了更高的要求。圆筒形结构由于能够适应外海水深浪大、地质条件复杂等要求得到了广泛的应用。圆筒结构所受的波压力为径向力，沿圆沉箱纵轴线波压力的水平分力将相互抵消，结构受力状态好。另外，圆筒结构还具有材料用量少，结构简单、预制安装方便等诸多优点。但是圆筒形防波堤也有其不足，由于迎浪面由多个半圆柱形曲面构成，波峰在接触到筒体后很快分向两侧推进。在两圆筒的接合处形成波峰的汇集区。该区的波浪振幅要比筒前大很多，并且形成底部护肩有严重的冲刷现象。对圆筒结构的强度计算也有很大影响。因此，有必要专利技术一种新型防波堤结构以达到吸收圆筒结构的优点并弥补其缺点。根据防波堤发展的历史和各国使用防波堤的经验，实体直立式防波堤的优化和改进一般通过以下四种方式以达到不同的防波体的功能要求：改进堤的上部结构；改变墙面的几何形状；采用消波结构；在直立堤前建斜坡堤。总结前人研究成果，在各种结构优化思路的指引下，近年出现的V形浮式防波堤可以为防波堤的结构优化提供借鉴。该种防波堤俯视为V形，通过V形结构的尖端朝向波浪的来向，将来波展开和反射，使入射波在V形防波堤的内域中衰减，从而在防波堤内及防波堤的下风处“创造”一片静水。美国军方的RIBS(RapidlyInstalledBreakwaterSystem)就是此种结构的典型范例，日本曾用类似装置作为油轮失事后防油污染的围栏。另外，在海岸防护中，为了防止海岸侵蚀，人们通过修建离岸堤来实现保滩促淤，离岸堤修建后，会在离岸堤和海岸之间形成V形和半圆形连续出现的类似韵律海岸的稳定岸线形态，能很好的适应波浪对海岸的冲击。由此种韵律海岸的海岸地貌平面形态，从“遵循顺水之性，因势利导”的方法出发，我们可以在此基础上发展成一种稳定的护岸结构，这也符合对传统防波堤进行改进的方法中，通过改变墙面几何形状的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种反弧形防波堤，具有圆筒形防波堤的优点，能使平行于防波堤轴线的波压力相互抵消，另外其向外开口的弧形设置能有效引导波浪水流的流动，有效降低圆筒形防波堤在衔接处的波压力强度。本专利技术的另一目的是提供该反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，为今后工程设计应用该防波堤结构形式提供科学依据。本专利技术所采用的技术方案是，一种反弧形防波堤，包括前墙为连续的半圆筒形的弧形迎浪面结构，前墙的后面为方形沉箱结构。本专利技术所采用的另一种技术方案是，一种反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，通过以下公式计算：P＝KpPZ式中：Kp为修正系数，P为作用在反弧形防波堤上的水平波浪力，PZ为作用在合田良实直墙式防波堤上的水平波浪力；其中，修正系数Kp＝0.91。本专利技术的有益效果是：(1)半圆反弧形防波堤波压力垂向分布与直墙式防波堤类似，静水位附近为三角形分布，静水位以下为抛物线分布；反弧形防波堤波压力环向分布为：波峰作用时，圆弧中心断面波压强最大，沿圆弧角度的增大，波压强减少。波谷作用时，波压强基本相等，呈均匀分布。值得指出的是，即便在波峰作用时，波压强沿断面分布不同，但其相差并不大，受力状态比圆筒形防波堤要好。(2)半圆反弧形防波堤波压强随波高、周期的增大而增大。(3)半圆反弧形防波堤总水平波浪力计算宜采用修正后的合田良实公式，计算分析表明，反弧形防波堤水平波浪总力比同等尺度直墙式防波堤的波浪力小10％左右。附图说明图1是本专利技术结构示意图。图2试验模型结构示意图图3是反弧形防波堤水平波压力测点布置图。图4是相对压强垂向分布图。图5是波峰作用时环向压强分布图。图6是波谷作用时环向压强分布图。图7为波高不同时测压断面1压强分布图。图8为波高不同时测压断面2压强分布图。图9为波高不同时测压断面3压强分布图。图10为周期不同时测压断面1压强分布图。图11为周期不同时测压断面2压强分布图。图12为周期不同时测压断面3压强分布图。图13为D＝0.45mT＝1.4Sh＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。图14为D＝0.4mT＝1.4Sh＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。图15为D＝0.35mT＝1.4Sh＝0.14m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。图16为D＝0.45mT＝1.6sh＝0.16m时，反弧形防波堤与矩形沉箱波压力的比较图。图17为拟合公式得到的计算值与实测值的对比图。图中，1.前墙，2.沉箱结构。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术的一种反弧形防波堤，结构有两种建造实现形式，如图1、图2所示，包括前墙1为连续反弧形迎浪面，反弧形迎浪面的后面为方形沉箱结构2。此种防波堤前墙的形式相当于两个四分之一圆筒背靠背，后面为普通的沉箱结构。当两个防波堤结构拼接时又可以构成一个半圆筒的结构形式。此种防波堤具有圆筒形防波堤的优点，能使平行于防波堤轴线的波压力相互抵消，另外其向外开口的弧形设置能有效引导波浪水流的流动，有效降低圆筒形防波堤在衔接处的波压力强度。反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，具体模型试验研究如下：本次模型设计参考圆筒形防波堤的工程实例参数和圆筒形防波堤断面模型试验的方法，取防波堤中的一个单元和左右各半个单元组成模型的断面(如图2所示)。依据《波浪模型试验规程》JTJ/J234-201中有关波浪模型试验的国内行业标准，本次试验中的物理模型采用正态模型，物理模型长度比尺为1:20。模型高0.67m，前段圆弧直径为0.4m，后部沉箱宽0.4m。试验过程中，沉箱内填充0.2m高的块石，以保证模型的稳定。本次试验是在长沙理工大学云塘校区水利实验中心的风-浪-流实验水槽内进行的，该水槽总长为45m、宽0.8m、深1.0m，最低工作水深0.2m，最高工作水深0.7m。水槽的一端配有伺服电机驱动式造波机，在造波机后侧设有直立式消能网，水槽的另一端设有消能坡，以消除波浪反射影响。造波控制系统是由大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室研究开发的Wavemake系统，可产生单向规则波、不规则波且产生的波形平稳，重复性好。本次压强试验数据的测量和采集均使用成都泰斯特电子信息有限公司研制的CY200数字压力传感器测试系统，采集时间间隔为0.0039s。模型试验时，取中间的四分之一圆弧面布置测点，共设3个测压断面，与来浪方向的夹角分别为0°、45°、75°，总计布置21个压力盒，用以测定水平波力沿防波堤横断面和纵向的分布，波压力测点布置如图3所示。图3中1-21为设置的21个压力盒位置。在三组不同水深情况下，通过输入不同造波参数进行规则波造波，得到不同影响因素下防波堤所受波浪压力的大量数据。同一水深试验组次为20组，每组试验工况重复采集2次。表1试验水位及波浪要素试验结果分析：1新型反弧形防波堤波压力分布规律波压力分布规律包括波压力垂向分布规律和波压力环向分布规律，由于此新型防波堤结构为直立堤式且其前墙形式与圆筒形防波堤类似，因此本文对其波压力分布规律的研究，借鉴了直墙和圆筒形防波堤的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反弧形防波堤，其特征在于，包括前墙(1)为连续的半圆筒形的弧形迎浪面结构，前墙(1)的后面为方形沉箱结构(2)。

【技术特征摘要】
1.一种反弧形防波堤总水平波浪力的计算方法，其特征在于，该反弧形防波堤包括前墙(1)为连续的半圆筒形的弧形迎浪面结构，前墙(1)的后面为方形沉箱结构(2)；所述前墙(1)的一个半圆筒形的弧形迎浪面为两个四分之一圆筒背靠背拼接构成；通过以下公式计算：P＝KPPZ式中：KP为修正系数，P为作用在反弧形防波堤上的水平波浪力，PZ为作用在合田良实直墙式防...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵利平，朱亚洲，谢奥运，邹俊飞，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43