斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验一一电子教材一、实验简介本实验项目针对我国海洋战略发展的需求，坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践的实验教学理念，按照“能实不虚，虚实结合、以虚补实”的原则，培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新应用型港口航道与海洋工程专业人才。以波浪对斜坡式防波堤稳定性产生的作用为切入点，通过防波堤断面搭建、波浪要数确定、理论分析、仿真模拟等关键作业程序，借助3D建模、动画、人机交互等技术开发了斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验系统，使真实斜坡式防波堤波浪作用结构稳定难以实施的实验教学活动得以顺利实现，以解决现实中课程学习中难以解决的困难。二、实验目的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。三、斜坡式防波堤结构认知斜坡式防波堤是沿海港口的基础设施之一，能够防止港池出现淤泥，同时还可以起到避免波浪侵蚀岸线的作用，是维护港池的基本建筑物。斜坡式防波堤由堤心、垫层以及护面块石组成。斜坡式防波堤常用的结构形式。根据使用材料的不同，可以将斜坡式防波堤的种类划分为抛石防波堤以及人工混凝土块防波堤。抛石防波堤相比人工混凝土块体防波堤来说，主要适用于波浪较小的地区，因为相比人工混凝土块体防波堤，抛石防波堤主要采用不分级的人工开采石块，由于抛石防波堤将未经筛选的石块，随意的抛填而成，因此容易受到海浪冲击而破。然而抛石防波堤也拥有施工成本较小、堤身整体密实度高的优点，因此在石料较多的区域，抛石防波堤是主流的斜坡式防波堤的结构形式。1
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验——电子教材 1 一、实验简介 本实验项目针对我国海洋战略发展的需求，坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创 新实践”的实验教学理念，按照“能实不虚，虚实结合、以虚补实”的原则，培养具有专业胜 任能力和社会适应能力的创新应用型港口航道与海洋工程专业人才。以波浪对斜坡式防波堤 稳定性产生的作用为切入点，通过防波堤断面搭建、波浪要数确定、理论分析、仿真模拟等 关键作业程序，借助 3D 建模、动画、人机交互等技术开发了斜坡式防波堤波浪作用结构稳 定虚拟仿真实验系统，使真实斜坡式防波堤波浪作用结构稳定难以实施的实验教学活动得以 顺利实现，以解决现实中课程学习中难以解决的困难。 二、实验目的 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。 三、斜坡式防波堤结构认知 斜坡式防波堤是沿海港口的基础设施之一，能够防止港池出现淤泥，同时还 可以起到避免波浪侵蚀岸线的作用，是维护港池的基本建筑物。斜坡式防波堤由 堤心、垫层以及护面块石组成。斜坡式防波堤常用的结构形式。根据使用材料的 不同，可以将斜坡式防波堤的种类划分为抛石防波堤以及人工混凝土块防波堤。 抛石防波堤相比人工混凝土块体防波堤来说，主要适用于波浪较小的地区，因为 相比人工混凝土块体防波堤，抛石防波堤主要采用不分级的人工开采石块，由于 抛石防波堤将未经筛选的石块，随意的抛填而成，因此容易受到海浪冲击而破。 然而抛石防波堤也拥有施工成本较小、堤身整体密实度高的优点，因此在石料较 多的区域，抛石防波堤是主流的斜坡式防波堤的结构形式
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验一电子教材海侧港侧安放两层4四聊锥体设计高水位文+1.70段计低水位文+4.404150Z2.050050015100kg块石1000图1斜坡式防波堤断面当代斜坡堤护面主要采用人工块体的的护面形式。护面块体直接承受波浪打击，保护内部的堤心材料，对防波提在波浪作用下的安全起着关键作用。ZH888图2斜坡式防波堤海侧结构图1、防波堤结构组成及作用介绍斜坡式防波堤结构展开如下图所示，其中，海侧受波浪作用的结构主要有：挡浪墙（胸墙）、护面块体、肩台、护底等护尚换信海港排换件侧侧理心石图3斜坡式防波堤展开图2
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验——电子教材 2 图 1 斜坡式防波堤断面 当代斜坡堤护面主要采用人工块体的的护面形式。护面块体直接承受波浪打 击，保护内部的堤心材料，对防波堤在波浪作用下的安全起着关键作用。 图 2 斜坡式防波堤海侧结构图 1、防波堤结构组成及作用介绍 斜坡式防波堤结构展开如下图所示，其中，海侧受波浪作用的结构主要有： 挡浪墙（胸墙）、护面块体、肩台、护底等 图 3 斜坡式防波堤展开图
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验一一电子教材（1）人工护面块体护面护面人工块体采用抗浪性能好，稳定性高的异型人工混凝土大块体。我国常用的人工护面块体有：四角锥体、四角空心方块、扭工字块体、扭王字块体和栅栏板等。b、四脚空心方块a、四脚锥体C、扭工字块d、扭王字块e、栅栏板图4常用的几种人工块体①四角锥体。如图4（a）所示，与天然块石比较，各个体之间相互咬合钳制较好，稳定性高：空隙率大，消波性能好。四角锥体护面一般应安放二层，下层正放，一列锥体的一脚朝向坡顶，相邻一列锥体的二脚朝向坡顶，间隔放置，彼此紧密相接，上层锥体插空正放。二层锥体的总厚度大致为4h/3，h是锥体的高度。当四角锥体的重量大于40t时，应考虑配置钢筋。②四角空心方块。如图4（b）所示，重心低、消波性能好、节省混凝土用量。四角空心方块护面一般单层铺放，要求排列整齐、相互靠紧，通过块体之间的摩擦力增强其稳定性。必须保证方块不被波浪抽出，否则会危及整个护面层。四角空心方块护面层适用于堤身坡度不陡于1:1.25、设计波高4m以下的情况。③扭工字块体。如如图1-4（c）所示所示，表面粗糙、空隙率高、消波性能好、稳定性高，能抵御较大波浪。扭工字块体护面一般安放二层，安放方法有两种，即定点随机安放和规则安放。定点随机安放的方法是：先按设计块体数的95%计算安放网点的位置进行安放，完成后进行检查，遗漏处用预留的5%块体3
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验——电子教材 3 （1）人工护面块体护面 护面人工块体采用抗浪性能好，稳定性高的异型人工混凝土大块体。我国 常用的人工护面块体有：四角锥体、四角空心方块、扭工字块体、扭王字块体和 栅栏板等。 a、四脚锥体 b、四脚空心方块 c、扭工字块 d、扭王字块 e、栅栏板 图 4 常用的几种人工块体 ①四角锥体。如图 4（a）所示，与天然块石比较，各个体之间相互咬合钳 制较好，稳定性高；空隙率大，消波性能好。 四角锥体护面一般应安放二层，下层正放，一列锥体的一脚朝向坡顶，相 邻一列锥体的二脚朝向坡顶，间隔放置，彼此紧密相接，上层锥体插空正放。二 层锥体的总厚度大致为 4h/3，h 是锥体的高度。当四角锥体的重量大于 40t 时， 应考虑配置钢筋。 ②四角空心方块。如图 4（b）所示，重心低、消波性能好、节省混凝土用 量。四角空心方块护面一般单层铺放，要求排列整齐、相互靠紧，通过块体之间 的摩擦力增强其稳定性。必须保证方块不被波浪抽出，否则会危及整个护面层。 四角空心方块护面层适用于堤身坡度不陡于 1:1.25、设计波高 4m 以下的情况。 ③扭工字块体。如如图 1-4（c）所示所示，表面粗糙、空隙率高、消波性能 好、稳定性高，能抵御较大波浪。扭工字块体护面一般安放二层，安放方法有两 种，即定点随机安放和规则安放。定点随机安放的方法是：先按设计块体数的 95％计算安放网点的位置进行安放，完成后进行检查，遗漏处用预留的 5％块体
斜坡式防波提波浪作用结构稳定虚拟仿真实验一一电子教材进行补放。规则安放的方法是：垂直杆朝坡面下方，并压在前块体的横杆上；横杆平放在垫层块石上，腰杆跨在相邻的横杆上，且不使垫层块石外露。扭工字块体的腰杆容易产生拉应力，造成块体断裂。当扭工字块体的重量大于20t时，应考虑配置钢筋或加大腰杆的尺度。④扭王字块体。如如图4（d）所示所示，由三个杆件组成，两端杆件平行，中间的杆件正交于两端杆件。扭王字块体的安装分为规则摆放和不规则摆放两种方式，以不规则摆放最为常见。③栅栏板。如如图4（e）所示所示，栅栏板是带长条孔的长方形混凝王大板，空隙率约为33%～39%。栅栏板应采用钢筋混凝土板。栅栏板护面层对水下支撑棱体的稳定性和垫层块石的平整度要求较高。（2）挡浪墙堤顶胸墙，可以现场浇筑，也可以是由浆砌块石构成。胸墙通常采用梯形断面，断面尺寸应根据波浪力大小由稳定验算确定。（3）肩台宽肩台的特点：消浪；低越浪量；减轻护面块石的稳定重量；但抛石量较大，容许外侧断面在波浪作用下发生变形（4）护底在斜坡堤堤脚处，波浪压力差和地下水下流动可能产生很快的流速，引起泥沙悬浮，然后海流把悬浮泥沙搬运走。浅的冲刷孔洞可以移动覆盖层的支撑物，使它们滑落到表面：同时，深的孔洞可能破坏斜坡堤的稳定性，使它不断变陡，直到基底土层承载力衰退，导致全面滑动。保护堤脚的措施，在斜坡前采用护底块石层。2、潮位与波浪（1）设计潮位标准设计高、低潮位：完整的一年实测潮位资料，取高潮累积率10%的潮位和低潮累积率90%的潮位；极端高、低潮位：重现期50年的年极值极端高潮位和低潮位。（2）设计波浪标准（重现期，波列累积频率）设计波浪的波列累积频率，是指设计波浪要素在不规则波列中的出现概率，4
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验——电子教材 4 进行补放。规则安放的方法是：垂直杆朝坡面下方，并压在前块体的横杆上；横 杆平放在垫层块石上，腰杆跨在相邻的横杆上，且不使垫层块石外露。 扭工字块体的腰杆容易产生拉应力，造成块体断裂。当扭工字块体的重量大 于 20t 时，应考虑配置钢筋或加大腰杆的尺度。 ④扭王字块体。如如图 4（d）所示所示，由三个杆件组成，两端杆件平行， 中间的杆件正交于两端杆件。扭王字块体的安装分为规则摆放和不规则摆放两种 方式，以不规则摆放最为常见。 ⑤栅栏板。如如图 4（e）所示所示，栅栏板是带长条孔的长方形混凝土大 板，空隙率约为 33％～39％。栅栏板应采用钢筋混凝土板。栅栏板护面层对水 下支撑棱体的稳定性和垫层块石的平整度要求较高。 （2）挡浪墙 堤顶胸墙，可以现场浇筑，也可以是由浆砌块石构成。胸墙通常采用梯形断 面，断面尺寸应根据波浪力大小由稳定验算确定。 （3）肩台 宽肩台的特点：消浪；低越浪量；减轻护面块石的稳定重量；但抛石量较大， 容许外侧断面在波浪作用下发生变形。 （4）护底 在斜坡堤堤脚处，波浪压力差和地下水下流动可能产生很快的流速，引起泥 沙悬浮，然后海流把悬浮泥沙搬运走。浅的冲刷孔洞可以移动覆盖层的支撑物， 使它们滑落到表面：同时，深的孔洞可能破坏斜坡堤的稳定性，使它不断变陡， 直到基底土层承载力衰退，导致全面滑动。保护堤脚的措施，在斜坡前采用护底 块石层。 2、潮位与波浪 （1）设计潮位标准 设计高、低潮位：完整的一年实测潮位资料，取高潮累积率 10%的潮位和低 潮累积率 90%的潮位； 极端高、低潮位：重现期 50 年的年极值极端高潮位和低潮位。 （2）设计波浪标准（重现期，波列累积频率） 设计波浪的波列累积频率，是指设计波浪要素在不规则波列中的出现概率
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验一一电子教材代表波浪要素的短期统计分布规律。主要反映波浪对不同类型海工建筑物的不同作用性质。设计波浪的重现期，是指某一特定波列累积频率的波浪平均多少年出现一次，代表波浪要素的长期统计分布规律。主要反映建筑物的使用年数和重要性。《港口与航道水文规范》JTS145-2015规定：①重现期，斜坡式防波堤50年。②波列累积率，不同结构型式，不同验算指标，不同部位，使用的波列累积频率可能不同。表 1设计波浪的波列累积频率标准建筑物型式部位设计内容波高累积频率F（%）1胸墙、堤顶方块强度和稳定性斜坡式稳定性护面块石、护面块体13 (注)13护底块石稳定性注：当平均波高与水深的比值H/d<0.3时，F宜采用5%。（3）设计波浪在波浪传播过程中，波高、波长、波周期和波向等不是固定不变的，也就是说波浪不是规则波，而是具有随机特性的不规则波。为了研究和计算方便，常将不规则波用一个有等效作用的规则波表征，用不规则波波浪要素的统计特征值作为等效规则波的波浪要素。不规则波波浪要素的统计特征值有：平均周期T、平均波高H、累计频率为F（%）的波高H（如H1%为累计频率为1%的波高）及1/P大波的平均波高（如有效波高Hi3为1/3大波的平均波高）。设计波浪的周期一般采用平均周期T：与某一重现期的设计波高相对应的波浪周期的确定方法，根据产生波浪的因素，分两种情况考虑。当波浪主要为风浪时，可由当地风浪的波高与周期的相关关系推算设计波高相对应的波浪周期，或按表2-2确定相应的波浪周期：当波浪主要为涌浪或混合浪时，可采用与波浪年最大值对应的周期系列进行频率分析，确定与设计波高为同一重现期的周期值。表2风浪的波高与周期的近似关系105672348H1/3 (m)96.17.58.710.612.713.2T,(s)9.811.412.15
斜坡式防波堤波浪作用结构稳定虚拟仿真实验——电子教材 5 代表波浪要素的短期统计分布规律。主要反映波浪对不同类型海工建筑物的不同 作用性质。 设计波浪的重现期，是指某一特定波列累积频率的波浪平均多少年出现一次， 代表波浪要素的长期统计分布规律。主要反映建筑物的使用年数和重要性。 《港口与航道水文规范》JTS145-2015 规定： ①重现期，斜坡式防波堤 50 年。 ②波列累积率，不同结构型式，不同验算指标，不同部位，使用的波 列累积频率可能不同。 设计波浪的波列累积频率标准 表 1 建筑物型式 部 位 设计内容 波高累积频率 F（%） 斜坡式 胸墙、堤顶方块 强度和稳定性 1 护面块石、护面块体 稳定性 13（注） 护底块石 稳定性 13 注：当平均波高与水深的比值 H/d<0.3 时，F 宜采用 5%。 （3）设计波浪 在波浪传播过程中，波高、波长、波周期和波向等不是固定不变的，也就是 说波浪不是规则波，而是具有随机特性的不规则波。为了研究和计算方便，常将 不规则波用一个有等效作用的规则波表征，用不规则波波浪要素的统计特征值作 为等效规则波的波浪要素。不规则波波浪要素的统计特征值有：平均周期𝑇、平 均波高𝐻、累计频率为F（%）的波高H（如H1%为累计频率为 1%的波高）及 1/P 大波的平均波高（如有效波高H1/3 设计波浪的周期一般采用平均周期𝑇：与某一重现期的设计波高相对应的波 浪周期的确定方法，根据产生波浪的因素，分两种情况考虑。当波浪主要为风浪 时，可由当地风浪的波高与周期的相关关系推算设计波高相对应的波浪周期，或 按表 2-2 确定相应的波浪周期；当波浪主要为涌浪或混合浪时，可采用与波浪年 最大值对应的周期系列进行频率分析，确定与设计波高为同一重现期的周期值。 为 1/3 大波的平均波高）。 风浪的波高与周期的近似关系 表 2 H1/3 (m) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ts(s) 6.1 7.5 8.7 9.8 10.6 11.4 12.1 12.7 13.2