嵊泗马关滞流沉箱式直立堤设计说明.doc
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嵊泗马关滞流防浪工程沉箱式直立堤设计
嵊泗马关滞流防浪工程沉箱式直立堤
设计说明书
专业:
港口航道与海岸工程
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摘要
浙江省嵊泗马关滞流防浪工程位于浙江省舟山嵊泗县泗礁岛西南侧。
为进一步发展水产养殖业,据嵊泗县海盛养殖投资有限公司的要求,本设计通过湾口大礁、黄石礁和大、小旗杆山一线修建滞流防浪工程,减小主要来自SE向风浪的影响,形成新的相对平静的养殖水面。
本设计采用的沉箱直立堤是一种常见的防波堤形式,基于此类防波堤的研究具有一定的理论意义和实用价值。
在设计中,首先进行水文分析:
利用高(低)潮累积频率曲线和极值I型曲线分别推求设计水位、极端水位;采用P-Ⅲ型曲线和波浪折射图的数值方法推求各种水位条件下工程点处的设计波高。
结合工程点附近水文条件,按照堤轴线和口门的布置原则进行防波堤的平面布置。
在以上工作的基础上,进行沉箱直立堤断面的结构设计;验算沉箱沿堤底的抗倾、抗滑稳定及沿基床底面的抗滑稳定;验算基床和地基承载力;采用VB编程对整体稳定进行验算;进行地基沉降计算。
根据沉箱直立堤的特点,还进行了沉箱吃水、干舷高度以及浮游稳定性验算。
本设计关键点在于采用VB编程进行解决P-III曲线的拟合、波浪折射图的绘制以及地基整体稳定验算的问题。
关键词:
沉箱式防波堤;设计高、低水位;极端高、低水位;设计波浪;堤轴线布置;结构设计;稳定性分析;地基沉降
Abstract
ThebreakwaterdesignedinthisdissertationislocatedsouthwestSijiaoIslandofZhoushan,ZhejiangProvince.Topromoteaquiculture,HaishengCultivationInvestmentCorporationplanstoconstructabreakwateralongthelineconsistingofDajiao,HuangshiIsland,DaqiganMountainandXiaoqiganMountain,toreducetheinfluenceofwavescomingfromtheSoutheast.Ascaissonbreakwaterisoneofthecommontypesofjetty,itisofsomesignificancebothintheoryandpracticetostudytheproblemofthistypeofbreakwater.Inthisdissertation,hydrologicalanalysisislaunchedfirstwithcumulativefrequencycurveofhigh(low)tideandGumbelprobabilitydistributions,calculatingdesignhigh(low)waterlevelandextremehigh(low)waterlevelrespectively;ontheotherhand,onecanobtainthedesignwaveneartheprojectsitewiththecombinationofP-IIIprobabilitydistributionsandnumericalmethodofwavediffractionplot.Basedonthehydrologicalconditionsneartheprojectsite,thegenerallayoutofthebreakwateriscarriedoutundersomeprincipals.Insuccession,onecaninitiatethestructuredesignofcaissonbreakwater.Inthenextpart,anti-slidingandanti-overturningstabilityalongthebottomofthecaissonandtheanti-slidingstabilityalongthefoundationbedarechecked.Meanwhile,boththebearingcapabilityofbeddingandfoundationareundertaken.Furthermore,theoverallstabilityofthestructureandthesedimentationareintroduced.Bythecharacteristicsofcaissonbreakwater,thecheckoutofdraft,freeboardandfloatingstabilityisnecessary.ThekeypointinthedissertationisthefittingofP-IIIprobabilitydistributionscurve,plotofwavediffractionandthecheckoutofoverallstabilitybyVBprograms.
Keywords:
caissonbreakwater;designhigh/lowwaterlevel;extremehigh/lowwaterlevel;generallayout;structuraldesign;stabilityanalysis;sedimentation
目录
第一章工程概述 5
第二章自然条件 6
2.1工程地理位置 6
2.2气象概况 6
2.3水文 7
2.4潮流、泥沙 9
2.5工程地质 9
第三章工程区域水文分析 11
3.1设计水位 11
3.2波浪 16
第四章嵊泗马关滞流防浪工程平面布置 33
4.1防波堤平面布置原则 33
4.2嵊泗马关滞流防浪工程平面布置 34
第五章直立堤设计 35
5.1直立堤断面尺寸的确定 35
5.2波浪对直立堤的作用 38
第六章稳定性计算与校核 41
6.1抗滑稳定计算 41
6.2抗倾稳定计算 45
6.3基床及地基承载力验算 47
6.4地基整体稳定性验算 51
6.5地基沉降计算 53
6.6堤前护底块石稳定重量和厚度计算 55
6.7沉箱的吃水、干舷高度和浮游稳定计算 55
第七章软基处理 58
附录 60
附录1P-III曲线拟合程序 60
附录2波浪射线推算程序 64
附录3不同累计率波高换算程序 67
附录4地基整体稳定性验算程序 68
附图 77
附图
(一)防波堤断面图 77
附图
(二)沉箱结构图 78
参考文献 79
第一章工程概述
浙江省嵊泗马关滞流防浪工程位于浙江省舟山嵊泗县泗礁岛西南侧,地理位置为122°26′E,30°41.5′N。
拟建工程所在海域气候宜人,多年平均气温15.9℃,多年平均降水量1007mm。
海区潮汐类型属正规半日潮,平均潮差2.74m。
受到自中柱山至小乔岙、外关岙到旗杆山形成的坐北朝南的海湾地形影响,大潮期涨急流场在该海湾中有环流生成,易于悬浮物质的输运。
海湾水底高程一般在-2m~-4m左右(85国家基面)。
整个海湾环境有利于水产养殖。
为进一步发展水产养殖业,嵊泗县海盛养殖投资有限公司拟通过湾口大礁、黄石礁和大、小旗杆山一线修建滞流防浪工程,减小主要来自SE向风浪的影响,形成新的相对平静的养殖水面。
应嵊泗县海盛养殖投资有限公司的要求,本设计通过对当地工程水文、地质等条件的分析,对该滞流防浪工程进行了设计。
本工程的安全等级取为二级。
第二章自然条件
2.1工程地理位置
浙江省嵊泗马关滞流防浪工程位于浙江省舟山嵊泗县泗礁岛西南侧,地理位置为122°26′E,30°41.5′N。
拟建防波堤自中柱山东南角向东经大礁、黄石礁,到达大旗杆山,如图2.1所示。
沿堤地形变化不大,中柱山至大礁段堤前平均自然泥面标高为-4.2m(85国家高程,下同);大礁至黄石礁段堤前平均泥面标高为-3.7~4.2m;黄石礁至大旗杆山段堤前平均泥面标高为-3.8m。
图2.1拟建防波堤附近地形地势图
2.2气象概况
2.2.1气象(根据嵊泗县站1959~1990年资料统计)
本地区的特征气温如下:
多年平均气温:
15.9℃
最高月平均气温:
26.8℃
最低月平均气温:
5℃
多年极端最高气温:
36.7℃(1966年8月6日)
多年极端最低气温:
-7.0℃(1967年1月16日)
2.2.2降水(根据嵊泗县站1959~1990年资料统计)
多年最大降水量:
1613.1mm(1959年)
多年平均降水量:
1007.0mm
多年日降水量≥10mm雨日:
28.9天(1961~1980年)
多年日降雨量≥25mm雨日:
9.1天(1961~1980年)
多年日降雨量≥50mm雨日:
2.7天(1961~1980年)
2.2.3风况
根据嵊泗县气象站1962~1992年测风资料统计,本区常风向为NNW~NNE向,其中NNW向的频率为12.4%;次常风向为SSE~S,其中SSE向频率为10.0%;强风向也为NNW~NNE向,其中NNE向最大风速40m/s,平均风速为8.2m/s,S向德最大风速仅为23m/s,但该向平均风速(8.5m/s)为各向之冠。
本海区风向的季风特征明显,秋季和冬季盛行N~NW向,夏季盛行ESE~SSE向,春季南北风交替明显。
形成本区大风的天气系统主要是寒潮和热带风暴,其中以寒潮期大风日最多。
影响嵊泗县的寒潮大风,平均每年5.58次(1955~1990年)。
热带风暴平均每年3.43次(1954~1990年)。
马迹山港区平均风力≥7级的日数可达42.2,但≥7级风的延时一般不长。
马迹山站1993年11月~1994年10月一整年测风资料表明一次大风延时1~2小时的占77%,最长一次为14小时。
另据嵊泗气象站1986年7月至1988年6月逐时逐风资料统计,年均≥7级风的累计时数为214小时。
2.2.4雾况
根据嵊泗县气象站1959~1990年统计资料,能见度小于1000的年平均雾日数为32天,最多年雾日数47天,最少年雾日数17天。
2.2.5雷暴
根据嵊泗县气象站1959~1990年资料统计,本区雷暴年平均发生日数为21.3天,其中以7~9月较多。
雷暴持续时间一般很短,多年平均仅39.4分钟。
2.3水文
根据嵊泗(马关)1996年全年的实测潮位资料,进行潮汐调和分析,得到各主要分潮的潮汐调和常数(见表2-1),同时得到的基面关系如图2.2所示:
85国家基面=理论基面+2.132m
平均海平面=85国家基面+0.2m
平均海平面=理论基面+2.332m
图2.2各基面换算关系图
表2-1嵊泗(马关)各主要分潮潮汐调和常数
分潮
M2
S2
N2
K2
P1
O1
Q1
K1
M4
SM4
M6
振幅(cm)
119.7
53.1
16.3
13.9
8.7
15.3
2.9
25.1
5.3
4.6
0.5
迟角(°)
291
336
272
1
217
146
134
145
118
160
313
因主要分潮振幅比(HK1+HO1)/HM2=0.338<0.5,故该海区潮汐类型为正规半日潮。
根据《嵊泗马关滞流防浪工程水文泥沙测验分析报告》,该海区的潮位特征如下:
(1)潮差:
平均潮差为2.74m,月平均潮差(表2-2)最大为2.92m,最小为2.62m,变幅为0.3m,年最大潮差为4.74m。
表2-2马迹山平均潮差、最大潮差(m)
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均潮差
2.74
2.79
2.92
2.81
2.70
2.66
2.62
2.72
2.73
2.74
2.68
2.72
最大潮差
4.40
4.65
4.53
4.56
4.57
4.26
4.37
4.74
4.53
4.41
4.35
4.35
(2)涨落潮历时
涨落潮历时与浅海分潮大小直接相关。
浅海分潮较小的海区,涨落潮历时比较接近,浅海分潮较大,涨落潮的时差也大。
表2-3各月涨落潮历时(时:
分)
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均涨潮历时
5:
55
5:
48
5:
52
5:
53
5:
51
5:
51
5:
54
5:
55
5:
52
5:
54
5:
50
5:
53
平均落潮历时
6:
30
6:
36
6:
32
6:
29
6:
32
6:
32
6:
31
6:
29
6:
31
6:
29
6:
34
6:
31
2.4潮流、泥沙
本海区潮流总趋势:
涨潮流自东向西,落潮流自西向东,由于潮流被大、小海岛分割产生局部流速增大和流向的改变。
马迹山以南海域潮流通畅、动力较强、涨落潮最大流速1.2m/s左右,为往复流,工程区域内受周围岛屿影响流速减小约一半。
工程区域及各口门中间均为往复流。
最大流速出现在中潮位附近,而高潮位流速接近于零。
含沙量随潮流强弱和水深大小而变,悬沙垂涎分布均匀,年内分布按一般规律在冬季含沙量高,夏季含沙量低。
悬沙中径为0.004~0.007mm。
由于潮流受到列岛的阻拦,岛周围潮流不畅,泥沙淤积形成了浅海海滩,水深在5~7以下;在相邻较近的岛屿之间,潮流集中流速相对较大,水深较深达10~20m,最深的马迹~白节山水深达80~90m;而离岛较远的海域,海流平顺,海底平整,水深在10~20m之间。
本区域潮动力较强,但滩地涂面均偏低,天然情况下很不容易淤积。
2.5工程地质
根据浙江省相关机构勘探,编写的地质资料显示:
工程区第四系地层有全新统的海积淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土,冲—海积的粉细砂层。
上更新统洪积的黄褐色含粘性土的砾石层及含砾亚砂土层。
湖—海相得粉质粘土等。
根据揭露,共有以下几个土层:
第一层淤泥():
出露于涂面,顶板高程-5.10m,厚0~2.2m,呈透镜体分布在孔附近,灰黑—灰黄色,呈饱和,流塑状态。
粘性较差,局部有粉砂薄层及粉砂团。
主要物理力学指标:
=59.6%,=16.7,快剪=3.9,=
第二层淤泥质粘土():
绝大部分出露涂面,顶板高程-8.18~4.38m,厚0~4.5m,一般厚3~4m,局部缺失。
灰青色、呈饱和,软塑~流塑状态。
夹有粉砂薄层,微层理发育,并见有贝壳碎片。
其主要物理力学指标:
=53.6~54.8%,=17.0~17.2,=1.5
快剪=6.3,=2~6.3o,固快=8.4,=14.5o
第三层淤泥():
一般埋藏于第二层淤泥质粘土底部,局部地段直接出露于地表,顶板高程-10.18~-5.18m,一般厚2~4m,最大厚度可达11.0m,该土层为堤基持力层中最差的一层土,含水量达60%以上,呈饱和,流塑状态,土质较均匀,渗透固结性能差。
主要物理力学指标:
=62.6~68.2%,=16.3~16.5,=1.3
快剪=5.4~8.2,=1.4~2.8o,固快=7.7~13.4
=12.4~13.5o
第四层淤泥质粘土():
普遍分布于第三层淤泥底部,顶板高程-17.28~-11.68m,厚3~14.2m。
该土层土质及厚度皆不均匀,层内或层底分别可见有呈透镜体分布的淤泥及细粉砂夹层,土质比较复杂。
灰青色,呈饱和软塑状态。
细粉砂夹层含砂量均在40~60%以上,最高可达80~90%。
局部并见有小砾石。
其主要物理力学指标:
=46.9~54.5%,=17.1~17.4,=1.3~2.0
快剪=9.6~11.0,=2.7~4.8o,固快=8.8~12.2
=12~14.8o
第五层淤泥质粉质粘土~粉质粘土():
为滨海泻湖相淤积,顶板高程-27.38~-19.18m,未钻穿揭露厚度1.5~4.3m,呈褐色,水平方向土质不均匀,局部地段因土质粘粒含量高,渗透固结较差。
主要物理力学指标:
=27.2~37.7%,=18.1~19.3,=2.4~6.3
快剪=9.4~20.2,=4.2~12.7o,固快=11.8~49.5
=14~23.5o
第六层粉质粘土混砂砾石():
顶板高程-25.68~-22.28m,厚度未钻穿,揭露最大厚度1.15m,黄褐色,粉质粘土中混有少量砂砾石,砾石直径一般1~2cm左右,半磨圆,并见有粗细砂,土质比较密实。
主要物理力指标:
=19.7~20.1,固快=31.4~72.6,=18.6~25.4o
第三章工程区域水文分析
3.1设计水位
3.1.1设计高、低水位
根据交通部《海港水文规范》(JTJ213-98)规定:
(1)对海岸港和潮汐作用明显的河口港,设计高水位应采用高潮累计率10%的潮位,简称高潮10%;设计低水位应采用低潮累计率90%的潮位,简称低潮90%;
(2)对于海岸港和潮汐作用明显的河口港,如已有历时累计频率统计资料,其设计高水位和设计低水位也可分别采用历时累积频率1%和98%的潮位;
(3)对于潮汐作用不明显的河口港,设计高水位和设计低水位应分别采用多年的历时1%和98%的潮位。
根据嵊泗(马关)当地的实际情况和资料情况,采用1996~1998年的日最高(日最低)潮位进行设计高(低)潮位的推求。
设计高(低)潮位分别取高潮累计频率10%的潮位(低潮累计频率90%的潮位)。
在水位推求过程中,本文所采用的基面为理论基准面。
高潮累积频率(低潮累积频率)曲线的绘制:
以每日两次高潮和两次低潮作为统计数据绘制曲线
(1)找出资料中最高和最低潮位,在两者之间采用10cm为一级进行分组;
(2)统计各级潮位出现的次数,然后计算高于各组下限的潮位累积频率在1年中出现的累积次数;
(3)设累积次数为m,总次数为n,分别计算高于该组下限的潮位累积频率P=m/(n+1)×100%,并列于表3-1和3-2;
(4)根据高、低潮累积频率曲线,得设计高水位和设计低水位分别为4.53m和0.5m。
表3-1高水位分级累计频率统计计算表
高水位分级累计频率计算
潮位分级(cm)
分级潮位下限值(cm)
出现次数
累积次数
累积频率(%)
>=520
520
1
1
0.092
510-519
510
0
1
0.092
500-509
500
2
3
0.276
490-499
490
4
7
0.644
480-489
480
4
11
1.012
470-479
470
20
31
2.852
460-469
460
37
68
6.256
450-459
450
43
111
10.212
440-449
440
55
166
15.271
430-439
430
101
267
24.563
420-429
420
84
351
32.291
410-419
410
99
450
41.398
400-409
400
85
535
49.218
390-399
390
85
620
57.038
380-389
380
70
690
63.477
370-379
370
74
764
70.285
360-369
360
67
831
76.449
350-359
350
56
887
81.601
340-349
340
74
961
88.408
330-339
330
56
1017
93.560
320-329
320
35
1052
96.780
310-319
310
19
1071
98.528
300-309
300
10
1081
99.448
290-299
290
4
1085
99.816
280-289
280
1
1086
99.908
图3.1高潮累计频率曲线
表3-2低水位分级累计频率统计计算表
低水位分级累计频率计算
潮位分级(cm)
分级潮位下限值(cm)
出现次数
累积次数
累积频率(%)
>=260
260
0
0
0.000
250-259
250
1
1
0.092
240-249
240
0
1
0.092
230-239
230
0
1
0.092
220-229
220
1
2
0.184
210-219
210
4
6
0.552
200-209
200
7
13
1.196
190-199
190
11
24
2.208
180-189
180
35
59
5.428
170-179
170
49
108
9.936
160-169
160
67
175
16.099
150-159
150
58
233
21.435
140-149
140
74
307
28.243
130-139
130
78
385
35.419
120-129
120
63
448
41.214
110-119
110
73
521
47.930
100-109
100
88
609
56.026
90-99
90
75
684
62.925
80-89
80
81
765
70.377
70-79
70
79
844
77.645
60-69
60
61
905
83.257
50-59
50
63
968
89.052
40-49
40
48
1016
93.468
30-39
30
29
1045
96.136
20-29
20
20
1065
97.976
10-19
10
17
1082
99.540
0-9
0
3
1085
99.816
-1--10
-10
1
1086
99.908
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