斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真一实验指导书实验背景防波堤是用来抵御波浪与海冰的侵袭，维护港内水域的平稳，以保证船舶在港内安全的停泊和进行装卸作业；同时还可用于挡沙，维护港内水深。虽然近几十年来在波浪理论以及防波堤模型实验技术和设计方法方面均有极大的发展，但由于海浪现象的随机性以及波浪-防波堤-地基相互作用的复杂性，防波堤损坏事件在世界范围内不断发生。本科教学过程中的模型实验进行了较大简化，很难揭示防波堤实际受力情况，且实验过程周期较长，费用较高，难以实现所有学生自己动手，独立完成实验工作。采用虚拟仿真实验系统可有效解决这些问题。试验自的二、本实验课程以解决港口、航道、海岸工程中涉及的实际工程问题为依据，将港口、航道与海岸工程专业多门课程的教学实验集合成内容紧密联系、理论结合实践的综合型实验，旨在培养学生结合所学专业知识独立设计与完成实验的能力，培养独立思考和解决问题的能力，为今后从事设计或科研工作中完成物理模型实验打下坚实基础。三、实验原理1）波浪在斜坡上破碎原理斜坡式防波堤坡度较缓，波浪从斜坡上推进到波浪破碎的临界水深后会发生破碎，如下图所示。R1:mSa图3-1波浪在斜坡上的变形图中H为设计波高，L为设计波长，d静水面水深，m为防波堤护面坡度，α为斜坡堤角度，则波浪在斜坡上破碎的临界水深d可按下式计算：d=H(0.47+0.023)(1)1
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书 1 斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真——实验指导书 一、 实验背景 防波堤是用来抵御波浪与海冰的侵袭，维护港内水域的平稳，以保证船舶在港内安全 的停泊和进行装卸作业；同时还可用于挡沙，维护港内水深。虽然近几十年来在波浪理论 以及防波堤模型实验技术和设计方法方面均有极大的发展，但由于海浪现象的随机性以及 波浪-防波堤-地基相互作用的复杂性，防波堤损坏事件在世界范围内不断发生。本科教学 过程中的模型实验进行了较大简化，很难揭示防波堤实际受力情况，且实验过程周期较长， 费用较高，难以实现所有学生自己动手，独立完成实验工作。采用虚拟仿真实验系统可有 效解决这些问题。 二、 试验目的 本实验课程以解决港口、航道、海岸工程中涉及的实际工程问题为依据，将港口、航 道与海岸工程专业多门课程的教学实验集合成内容紧密联系、理论结合实践的综合型实验， 旨在培养学生结合所学专业知识独立设计与完成实验的能力，培养独立思考和解决问题的 能力，为今后从事设计或科研工作中完成物理模型实验打下坚实基础。 三、 实验原理 1）波浪在斜坡上破碎原理 斜坡式防波堤坡度较缓，波浪从斜坡上推进到波浪破碎的临界水深后会发生破碎，如 下图所示。 图 3-1 波浪在斜坡上的变形 图中 H 为设计波高，L 为设计波长，d 静水面水深，m 为防波堤护面坡度，α 为斜坡 堤角度，则波浪在斜坡上破碎的临界水深 db可按下式计算： db=H ቀ0.47+0.023 L H ቁ 1+m 2 m2 （1）
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书2）波浪在斜坡上的爬升与回落原理波浪破碎后会形成一股冲向斜坡面的水流，部分水体继续沿斜坡面向上爬升一定高度而停止，通常称此高度为波浪爬升高度Ru。上爬水体在自重力作用下沿斜坡面退下，形成回流，回流的回落深度Rd，如下图所示。RA静水面又国m图3-2斜坡上浪爬高R.和落深Ra3）护面块体稳定伊里巴伦认为波浪冲击堤面后，充满在孔隙中的水体释放出来的能量给块体一个离开堤面的力，这个力与块体在水中的重力合成。当块体向斜坡下滑动时，块体重力的下滑分力与垂直堤面分力产生的摩擦力达到极限平衡状态。Fs静水面护画反活灌芯中面反减IG自晨洁图3-3护面块体波浪作用图3-4护面破坏形态护面块体是保证防波堤结构安全及坡面稳定重要构件，护面块体设计的重要指标是护面块体重量。赫德森在伊利巴伦研究的基础上，给出了块体稳定重量的计算式：K31H(2)W=0.1,kkmK=L(3)76-7其中，W为单个护面块体的稳定重量；"为块体材料在空气中的重度；为水的重度；Kp为块体稳定系数；m为斜坡坡度。4）护底稳定当堤前波浪底流速大于地基土起动流速时，堤前海底将受到冲刷，因此需在堤前一定范围内的海底抛填护底块石。2
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书 2 2）波浪在斜坡上的爬升与回落原理 波浪破碎后会形成一股冲向斜坡面的水流，部分水体继续沿斜坡面向上爬升一定高 度而停止，通常称此高度为波浪爬升高度 Ru。上爬水体在自重力作用下沿斜坡面退下， 形成回流，回流的回落深度 Rd，如下图所示。 图 3-2 斜坡上浪爬高 Ru和落深 Rd 3）护面块体稳定 伊里巴伦认为波浪冲击堤面后，充满在孔隙中的水体释放出来的能量给块体一个离开 堤面的力，这个力与块体在水中的重力合成。当块体向斜坡下滑动时，块体重力的下滑分 力与垂直堤面分力产生的摩擦力达到极限平衡状态。 图 3-3 护面块体波浪作用 图 3-4 护面破坏形态 护面块体是保证防波堤结构安全及坡面稳定重要构件，护面块体设计的重要指标是护 面块体重量。赫德森在伊利巴伦研究的基础上，给出了块体稳定重量的计算式： W=0.1γ bKγ 3 1 KD H 3 m （2） Kγ= γ γb -γ （3） 其中，W 为单个护面块体的稳定重量；γ b为块体材料在空气中的重度；γ为水的重度； KD为块体稳定系数；m 为斜坡坡度。 4）护底稳定 当堤前波浪底流速大于地基土起动流速时，堤前海底将受到冲刷，因此需在堤前一定 范围内的海底抛填护底块石
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书堤前最大波浪底流速Vmax按下式计算：元H(4)VmaxFain2式中符号意义同前。护底块石的稳定重量，可根据堤前最大波浪底流速按相关规范确定。5）挡浪墙稳定波浪在斜坡上破碎后，呈射流状对墙体产生冲击，形成打击压力，胸墙上波浪力有水平力和底部浮托力，如下图所示。胸墙稳定性验算考虑的相应组合包括：考虑持久组合（设计高水位）、持久组合（极端高水位）、短暂组合（施工期）三种组合情况。鞋水面IPBa)高水位PO特水DIPB0b)低水位图3-5胸墙上波压力分布沿堤底和堤身各水平缝及齿缝的抗倾稳定性按下式计算：% (M+M)≤M(5)沿墙底抗滑稳定性按下式计算：(6)o,P≤(vGG-Pu)f+Eb其中，MG、Mp、Mu、为结构自重力、波浪力对计算点力矩：G为结构自重力标准值；P为水平波浪力标准值；Pu为波浪浮托力标准值：f为摩擦系数设计值：E为土压力标准值；其他为分项系数。实验需要掌握知识点：3
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书 3 堤前最大波浪底流速 Vmax按下式计算： Vmax= πH ට πl g sinh4πd L （4） 式中符号意义同前。护底块石的稳定重量，可根据堤前最大波浪底流速按相关规范确 定。 5）挡浪墙稳定 波浪在斜坡上破碎后，呈射流状对墙体产生冲击，形成打击压力，胸墙上波浪力有水 平力和底部浮托力，如下图所示。胸墙稳定性验算考虑的相应组合包括：考虑持久组合（设 计高水位）、持久组合（极端高水位）、短暂组合（施工期）三种组合情况。 a) 高水位 b) 低水位 图 3-5 胸墙上波压力分布 沿堤底和堤身各水平缝及齿缝的抗倾稳定性按下式计算： γ 0 ቀγ p Mp+γ uMuቁ ≤ 1 γ d γGMG （5） 沿墙底抗滑稳定性按下式计算： γ 0 γ p P≤൫γGG-γ uPu൯f+γEEb （6） 其中，MG、Mp、Mu、为结构自重力、波浪力对计算点力矩；G 为结构自重力标准值； P 为水平波浪力标准值；Pu 为波浪浮托力标准值；f 为摩擦系数设计值；Eb 为土压力标准 值；其他为分项系数。 实验需要掌握知识点：
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书1）设计潮位标准2）设计波浪标准3）波浪在斜坡上破碎原理4）波浪在斜坡上的爬升与回落原理5）堤顶越浪量6）护面块体稳定理论7）护面块体稳定重量8）堤前最大波浪底流速9）护底块石的稳定重量10）胸墙上波压力分布11）胸墙上波浪作用力12）胸墙抗倾稳定性13）胸墙抗滑稳定性参考资料：《波浪模型试验规程》JTJ/T234-2001；《港口与航道水文规范》JTS145-2015；《防波堤与护岸设计规范》（JTS154一2018)。港口工程学及海岸工程学相关教材四、实验模型方案采用具有代表性的斜坡式防波堤作为实验对象，断面形状如下图所示。图3-4防波堤实验断面1）设计水（潮）位水（潮）位高程(m)极端高水（潮）位4
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书 4 1）设计潮位标准 2）设计波浪标准 3）波浪在斜坡上破碎原理 4）波浪在斜坡上的爬升与回落原理 5）堤顶越浪量 6）护面块体稳定理论 7）护面块体稳定重量 8）堤前最大波浪底流速 9）护底块石的稳定重量 10）胸墙上波压力分布 11）胸墙上波浪作用力 12）胸墙抗倾稳定性 13）胸墙抗滑稳定性 参考资料： 《波浪模型试验规程》JTJ/T234-2001； 《港口与航道水文规范》JTS145-2015； 《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)。 港口工程学及海岸工程学相关教材 四、 实验模型方案 采用具有代表性的斜坡式防波堤作为实验对象，断面形状如下图所示。 图 3-4 防波堤实验断面 1）设计水（潮）位 水（潮）位 高程(m) 极端高水（潮）位
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书设计高水（潮）位设计低水（潮）位极端低水（潮）位防波堤底部高程2）波浪参数水位波高H (m)波周期T(s)波长L(m)H1% (m)设计高水位H5% (m)H13% (m)施工水位H1% (m)极端高水位H5% (m)H13% (m)H1% (m)设计低水位H5% (m)H13% (m)胸墙顶高程3）防波堤堤顶尺寸脚墙前肩宽度胸墙顶高程：胸墙前肩宽度：护面块体提顶商行堤顶高程：立胸墙底商程提顶宽度堤顶宽度：注明：堤顶高程：允许少量越浪，设计高水位+0.6-0.7H；基本不越浪，设计高水位+>1.0H堤顶宽度：满足施工机具和使用要求；胸墙前肩宽度：构造上至少满足安放两排或随机安放三排人工块体的宽度。5
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验指导书 5 设计高水（潮）位 设计低水（潮）位 极端低水（潮）位 防波堤底部高程 2）波浪参数 水位 波高 H (m) 波周期 T(s) 波长 L(m) 设计高水位 H1%(m) H5%(m) H13%(m) 施工水位 极端高水位 H1%(m) H5%(m) H13%(m) 设计低水位 H1%(m) H5%(m) H13%(m) 3）防波堤堤顶尺寸 胸 墙顶高 程： 胸墙前肩宽度： 堤 顶 高 程： 堤 顶 宽 度： 注明：堤顶高程: 允许少量越浪，设计高水位+0.6-0.7H； 基本不越浪， 设计高水位+>1.0H； 堤顶宽度： 满足施工机具和使用要求； 胸墙前肩宽度：构造上至少满足安放两排或随机安放三排人工块体的宽度