防波堤

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[外文]：breakwater为防御波浪、泥沙、冰凌入侵，形成一个掩蔽水域所需要的水工建筑物或其他设施。它是在建港的自然条件不能满足其掩蔽水域的需要时建造的，使掩蔽水域有足够的水深和平稳的水面，既能保证船舶的系泊、装卸和航行的安全，又能保护海港的各种装备与设施，是海港工程的重要组成部分。一般规定港内的容许波高在0.5～1.0米之间，具体按水域的不同部位、船舶的不同类型与吨位的需要确定。防波堤常由一、二道与岸连接的突堤或不连接的岛堤组成，或由突堤和岛堤共同组成。防波堤掩护的水域常有一个或几个口门供船只进出。沙质海岸和淤泥质海岸在波浪和潮流共同作用下，泥沙运动活跃，常在港口航道和泊地淤积。在这种情况下建造防波堤，除了防浪外还兼有防沙的要求。对沙质海岸，防波堤可以起到拦截挟沙水流，改变泥沙淤积部位的作用。对淤泥质海岸，防波堤可用于引导挟沙水流，尽量不改变原来滩沙冲淤平衡。港内泥沙淤积强度直接影响港池和航道水深，除采用防波堤防淤、减淤外，必要时还需采用疏浚措施维护水深。在有冰凌的港口建造防波堤，还应考虑减轻流冰对航道和泊地的影响，以及易于排走冰块。防波堤的平面布置，特别是口门的位置、方向、大小，对海港水域的水面平稳和泥沙淤积起决定性作用。口门一般布置在港区的最大水深处，口门轴线（即堤头连线的垂直平分线）方向要与强风向成45°～60°的夹角，口门的宽度以1～1.5个船长为宜，军港和渔港的口门可适当加宽。部分波浪经口门向里传播，港内水域的波高分布是判别防浪掩护效果的主要指标。港内波高分布的计算，通常以口门处的波要素（规则波法）或波浪的方向频率谱（不规则波法）为原始设计依据。波浪遇口门堤头发生绕射（图1），绕射波波峰线向港内展开，波能扩散，波高不断减小，从而形成平稳水面。布置防波堤时，要求用最短的堤线掩护所需的水域面积，平面轮廓一般以直线段组成为宜，尽量避免形成使局部波能集中的不良现象。平面布置还应注意避免发生港口共振，即港外长周期波从口门入侵，引起港内水域形成一种长周期驻波的强迫振动。港口共振亦称假潮，将严重影响水域平稳，并可能造成船舶与码头相撞事故，迫使作业停顿。港口共振是一种低频水面波动，主要与港区水域边界的几何形状有关，确定水域尺度时，应尽量使水域的自振频率处于港外长周期波的频率谱范围以外，同时，在满足航行需要的前提下，应采用较小的口门。防波堤的平面布置通常要采用物理模型试验或数学模型计算来进行验证和方案比较，选取最优方案（见海岸工程水力模型）。防波堤的结构一般可分为重型和轻型两类：前者是传统和常用的防波堤型式，包括斜坡堤、直墙堤和混成堤等（图2）；后者是近数十年来发展起来的，根据波能集中于表层的特点，结合工程的特殊需要而研究出来的各种轻型防波堤，如透空堤、浮堤、喷气堤和射水堤等（图4）。斜坡堤波浪同斜坡堤相遇将发生显著变形，在斜坡上破碎，给斜坡带来局部集中的动水压力和底流，水下坡面还出现向上的反压力。因此，堤外坡常用天然大块石、人工混凝土方块或异形块体（图3）护面，防止波浪淘刷；堤身一般用分层分级块石堆成梯形断面；堤顶高程主要根据波浪在护面上的上爬高度和容许越波量来确定。斜坡堤适用于水深较小和软土地基的条件。直墙堤正向波浪在直墙堤前将发生完全或不完全反射，形成立波（驻波）。完全立波波高约为两倍原始波高，波长不变；在墙面和墙前半波长处波峰与波谷交替出现，称为波腹；在墙前四分之一波长处水面几乎不动，称为波节。这样，直墙将承受立波的压力和浮托力，因此常采用钢筋混凝土沉箱或混凝土巨块构筑，波浪较小时也可采用木笼，近来也有采用大型管柱排列的结构。直墙堤适用于岩基或较密实的地基，墙底常铺一层碎石基床，堤外基床面视需要铺设护面块石，堤内侧可兼作码头用。容许越浪时堤顶高程可降低，有时还采用削角顶盖和带消浪空室的沉箱以减少立波压力。斜向波浪或不规则波的方向谱分量，在直墙前反射形成三向波，峰谷呈棋盘状交替出现，确定沿堤线波浪的合压力需要考虑直墙分段的影响。混成堤上部为混凝土直墙、下部用斜坡式抛石突基床混合组成的防波堤。根据突基床顶高程的不同，波浪在直墙前的破碎临界水深变化于0.8～1.7倍波高范围内。在满足地基承载力的前提下，应尽量采用较低的突基床，使直墙前水深大于临界水深形成立波。突基床过低，直墙前水深小于临界水深，则不可避免地形成破波，直墙上将承受压强比立波压力大得多的破波压力，直接影响直墙的稳定。因此，在破波条件下，应尽量采用较高的基床，使波浪破碎在基床上，不直接冲击直墙，此时，直墙上承受的是部分波浪或破波水流的波压力。突基床外侧需采用大块石或人工块体护面和压肩。堤内侧也可兼作码头。透空堤把上部防浪结构安设在桩、柱支撑上，构成下部可以透水的防波堤。在波浪小、水深大的水域修建重型防波堤工程量大，不经济。根据波浪能量集中于海水表层的特点，可以采用这种轻型透空堤。由于3倍波高的表层水深内集中了90％以上的波能，防浪结构伸入水下2～2.5倍波高处就可以发挥防浪掩护作用。结构型式有空箱、一两道直挡板、斜板、平板等，其中箱和板也可做成透水的。桩、柱等支撑为透空结构，下部波能仍可以穿越。图4透空堤是采用挡板固定在桩台两侧的结构，一侧用来防浪，另一侧可以作码头用。透空堤要按波浪荷载设计。浮堤是由浮体和锚系设备组成的防波堤，可以消减表面波能。浮体结构有排筏、气囊、空箱或其他特殊形体，常用铁锚系在沉块上。图4的浮堤是采用竹筏。每道浮堤要有足够的宽度，有时需设数道浮堤才能有效地防浪，再加上其结构的活动性，常须考虑平面布置问题。浮堤有易于搬移的特点，可以多处使用。浮堤结构有较多的局限性，主要用于水深大而波浪小的水域或某些需临时防波设施之处。喷气堤和射水堤利用空压机，通过安置在水底的有孔管道喷排气泡，形成气幕和两侧的环流，阻碍并消减波浪的装置为喷气堤（图4）；利用水泵，通过安置在水面的喷嘴喷射水流，以达到消减波能的装置为射水堤。两者都易于搬移，适用于施工、维修等临时性工程，喷气堤还用于防护爆炸冲击波。喷气堤与射水堤耗电量大，易发生锈蚀和生物附着，实际应用中还存在不少具体问题。上述所有轻型防波堤都适用于陡波条件，对长波的掩护效果较差，都有结构单薄、易于损坏、维护要求高等弱点。参考书目天津大学主编：《港口工程》，人民交通出版社，北京，1978。