上海海事大学港航海岸工程学

上海海事大学200710613004第一章：海岸防护概论海岸带：海岸线（海洋与陆地的交界线称为海岸线）两侧具有一定宽度的条形地带称为海岸带。海岸带包括潮上带、潮间带和潮下带。位于高潮位之上的区域为潮上带，位于高潮位和低潮位之间的区域称为潮间带，位于低潮位以下的区域为潮下带。海岸带的组成：后滨或后滩、前滨或滩面和外滨或滨面海岸类型：根据海岸的形态、成因、物质组成和发展阶段等特征，分为基岩海岸、砂砾质海岸、淤泥质海岸、红树林海岸和珊瑚礁海岸。a） 基岩海岸：一般是陆地山脉或丘陵延伸与海面相交，经过波浪作用形成的海岸。浙江、福建所占基岩海岸最长。（岸线曲折、湾岬相间；岸滩陡峭、滩沙狭窄；波浪作用为主，潮汐和风暴潮作用比较显著;基岩海岸具有水深较大、掩护良好、基岩牢固的特点。适合建港）b） 砂砾质海岸：又称堆积海岸，主要是平原的堆积物被搬运到海岸边，再经波浪或风的改造堆积形成。辽宁所占砂砾质海岸最长。（岸线平顺；岸坡较坦；波浪作用为主并常引起沿岸漂沙）c） 淤泥质海岸：主要由江河携带入海的大量细颗粒泥沙，在波浪和潮流的作用下输运沉积形成。上海属于此类海岸。（岸线平直、一般位于大河河口两侧；岸坡坦缓；组成泥沙颗粒很细并常含有机质；潮流、波浪作用显著，以潮流作用为主；潮滩冲淤变换频繁。）d） 生物海岸：包括红树林海岸和珊瑚礁海岸。红树林海岸由红树植物与淤泥质潮滩组合而成（有利防浪、消浪、保滩促淤的功能）；珊瑚礁海岸由热带造礁珊瑚虫遗骸聚积而成。海岸线变化的影响因素：海岸线是海与陆地交汇的界限，除因潮汐涨落在潮间带范围内正常变化外，还受河流、波浪、气候、生物等影响，使岸滩堆积或侵蚀，从而加剧了海岸线的推进或后退的频繁变化。海岸线冲淤变化因素：分为长期作用和短期作用。长期作用：由于海平面上升或地面沉降引起岸线退蚀，以及河流改道是海岸的泥沙补给条件剧烈变化而出现海岸变迁。短期作用：主要指波浪、沿岸流、风暴潮、河流丰枯变化、风等自然因素以及人类活动因素。海岸侵蚀的原因：分为自然原因和认为原因。自然原因1海平面的上升，岸滩剖面将逐渐调整以适应较高的海平面，从而造成岸线的长期侵蚀2波浪对岸滩上部的冲刷，是泥沙向后滨方向运移和沉积3风力输沙，大风可吹动岸滩上松散细颗粒沙造成侵蚀4沿岸输沙，波浪斜向传至岸滩而发生破波所形成的沿岸流造成沿岸输沙。人为原因：1开采地下资源造成陆地和岸滩的下沉，岸滩剖面的调整将使岸线缓慢长期侵蚀2沿岸输沙被拦截，如建造导堤或开挖航道，使得沿岸输沙下游侧岸滩侵蚀3海滩采砂，破坏近岸带的泥沙供需平衡4天然海岸防护的变动，如沿岸沙坝或浅滩的挖除，将增加作用于海滩的波能，从而造成侵蚀。第二章海岸防护工程海堤：为防御风暴潮水和波浪对防护区的危害而修筑的堤防工程，又叫海塘，防潮堤。设计标准：海堤能够安全承受和防御的，并据以进行设计的潮、浪组合标准。a） 设计潮位：采用年频率统计的方法，推求不同重现期的高潮为作为设计高水位。（设计波浪：在确定波浪对各种不同类型海岸工程建筑物的作用力时，定义的一个合理的代表意义的波浪要素）b） 设计波浪：设计波浪的重现期标准和设计波浪的波列累积频率标准。重现期指某一特定波列平均多少年出现一次，它代表波浪要素的长期统计分布规律。累积频率指设计波浪要素在不规则波列中的出现频率，它代表波浪要素的短期统计分布规律。重现期标准反映海堤的使用年限和重要性，累积频率标准反映波浪对不同类型海堤或不同部位作用的不同性质。设计高潮位的推算：确定方法：年最高潮位频率分析。选取每年最高潮位进行累积频率统计，得到年最高潮位的累积频率分布曲线，可以得知不同累积频率下的量值。a） 资料中有特大值时设计高潮位的推算方法：1）经验频率计算方法2）考虑特高潮位后的统计参数的计算b） 资料短缺情况下设计高潮位的推算：通过“极值同步差比法”求高潮位。已知点和待定点之间满足①潮汐性质相似②地理位置临近③受河流径流（包括汛期）的影响相似④受增减水影响相似。假定：两地相同重现期设计高潮位与多年平均海面的差值同两地潮差的平均值成比例；两地短期平均海面与多年平均海面的差值相同。理论累积频率曲线的选用，目的：拟合经验累积频率点，进而达到外延的目的。通常采用皮尔逊-III型曲线海堤断面主要有斜坡式、陡墙式和混合式三种基本型式。a） 斜坡式：优点：1）因迎水面坡度缓，则稳定性好；堤前反射小；2）堤身底宽大，堤基应力分布比较均匀，整体沉降变形较小，在海滩淤泥地基上筑堤较为有利，适合于软土地基；3）在临海坡坡面有充足的地方布设消浪设施，能消散部分波浪能量4）施工较简易，可就地取材，对风浪引起的堤身变形和局部破坏适应性强，便于修复。缺点：1）堤身断面大，堤身填筑材料需求较多，需工程量和占地面积较多，沉降差较大2）在一定的坡度范围内，迎水坡的波浪爬高较大，相应堤身较高；3）在滩地高程较低情况下，由于施工时往往要求先堆土方，后做护坡，结果容易导致已堆筑的土方被冲失。b） 陡墙式：优点：1）断面小、占地少，工程量相对较小；2）波浪爬高较通常斜坡堤小，堤顶高程略低；3）地基应力较集中，沉降差较小4）施工时采用“土石并举，石头占先”方式，这样可减少土方被潮水冲失。缺点：1）堤基对地基土层承载力的要求高于斜坡式海堤，地基应力比较集中，堤身沉陷比较大，局部地区需要进行地积加固处理，增大工程投资。2）因重力式防护外墙与墙后填料的材料性质不同，容易引起墙与墙后填料的沉降差增大，产生不利的后果3）由于临海边坡坡度陡直或直立，波浪作用力较大，波浪上壅回落宜产生墙角淘刷，需要有保护措施。4）防护墙损坏后维修比较困难。c） 混合式海堤断面临海边坡为变坡比结构。是斜坡式与陡墙式的结合型式。当断面组合得当，兼有两者的优点。海堤的基本断面：海堤的构造内容（斜坡式）海堤的计算内容；设计潮位计算；设计波浪的计算；波浪爬高；越浪量的计算；护坡计算；海堤稳定计算；海堤沉降计算。建海堤时的地基处理：一般方法和选择原则：对于浅埋的薄层软土宜挖除；当软土厚度较大难以挖除或挖除不经济时，可采用垫层法、土工织物铺垫法、反压法、排水井法、抛石挤淤法、爆炸置换法、水泥土搅拌法、振冲碎石桩法等，也可采用多种方法相结合。护岸：在河口、海岸地区，对原有岸坡采取砌筑加固的工程措施。功能：防止波浪、水流的侵袭、淘刷；防止在土压力、地下水渗透压力作用下造成的崩塌。护岸和海堤的异同：相同点：护岸与海堤都是为了防浪、挡潮保护陆上农田、城镇。不同点：护岸是对原有岸坡加以保护，防止岸坡在波浪水流作用下坍塌，维持岸线稳定；海堤是在地表以上修建挡水建筑物，主要功能是防止暴潮、洪水的淹没泛滥。丁坝一般与岸线成丁字形相交，由坝头、坝身、坝根三部分组成。坝头伸向海、河中，坝根与堤岸连接，坝身向外延伸，将水流挑离岸边，拦截沿岸漂沙，使之落淤。功能：1）丁坝自岸边向外伸出，对斜向朝着岸坡推进的波浪和顺着岸边的沿岸流都起了阻碍作用，减弱波浪和水流对岸边的冲击力。2）阻碍泥沙的沿岸运动，使泥沙落淤在两丁坝之间，使滩地淤长，巩固堤、岸。第三章：围海工程围海工程：在沿海修筑海堤围割部分海域的进行围海造地。在潮间带滩涂上筑堤围海，利用潮差将堤内海水排出，使堤内滩地得以开发利用。围海工程分类：按工程性质分为：围涂、堵港、连岛、促淤、人工岛等。按开发目的分为：农业、工业、港口及城市用地、养殖业、盐业。按地形地貌分为：平直海岸围海工程、河口海岸围海工程、港湾围海工程、海岛围海工程、人工岛围海工程。人工岛围海工程：在海中用土石等材料由人工建造的陆地。人工岛工程包括岛身填筑、护岸和岛陆交通三部分。围海工程包括：海堤工程、堵口工程和软基处理堵口工程的内容：堵口：选择合适的时期，集中力量在龙口段将截流堤填筑出水面，封堵龙口，隔断内外海域，这项工作称为堵口或合龙。闭气：海堤堵口以后，仍有部分水流在堆石截流堤孔隙中流动，即堆石渗流。为完全截断堤内外水流通道，要在截流堤的内侧或外侧填筑防渗材料，形成海堤的防渗体，称之为闭气土体。修筑闭气土体的工作称为闭气。龙口：在围海工程中，当海堤修筑到最后阶段，要预留一个或几个口子作为潮流进出的通道，这种口门称为龙口。堵口的顺序与方法:堵口顺序指龙口从起始口门开始，逐步压缩至最后封堵口门的过程。堵口方法有平堵、立堵和平立堵相结合三种。a） 平堵：定义：从龙口底部开始逐步抬高截流堤顶（口门底槛）高程的方法称为平堵。优点：抛投工作面长，可均匀逐层抬高底槛，水力条件较好，最大流速值较小，易于堵口；当底槛高程超过某一高程后，由于流速逐渐减小，继续抬高几乎没有任何困难。缺点：若用船抛，由于受到水流的影响，只能在平潮前后流速小时进行，有效工作时间少，效率低，对工程进度有影响。b） 立堵：定义：从龙口两侧或一侧堤头进占，压缩口门的方法称为立堵。优点：可以从堤头陆抛进占，不受潮水影响，有效工作时间长且效率较高，成本低。缺点：立堵时水流集中，尤其当口门压缩至形成窄而深时，龙口水力条件严重恶化，堵口困难加大；同时这种水流还会加剧对口门基床和两侧堤头的冲刷。由于立堵的这些缺点，我国除少数岩基的围海工程（如浙江漩门港一期工程）^卜，一般不采用纯立堵法堵口。c） 平立堵结合：定义：在堵口过程中，在不同阶段分别采用立堵和平堵的方法称为平立堵结合。它是我国围海堵口工程中采用最多的堵口方法。特点：可以合理地选择堵口顺序和方法，利用平堵和立堵各自的优点而避开它们的缺点，扬长避短，使堵口过程中，既能获得较好的龙口水力条件和地基稳定条件，又能发挥陆上施工力量，利用陆抛提高效率，加快进度，降低成本。龙口水力计算：龙口水力条件随着潮型和口门尺寸的变化而变化。通过龙口水力计算可掌握堵口过程中内港水位H、上下游水位差Z、堰顶流速v、单宽流量q等水力要素的变化规律，为确定龙口尺寸、选择堵口程序、进行龙口防护和截流堤设计提供依据。计算的步骤：选择堵口设计潮位与设计潮型；推算内港水位过程线；计算Z~t、v~t、q~t、p~t曲线。原理：利用水量平衡原理，由外潮位过程线推算内港水位过程线，进一步推算涨落潮工程中口门各水力要素的数值。转化口门线的概念和特征：将水力要素最大值等值线图中各等值线的节点相连，所得之曲线称为转化口门线。此线表示一个围海工程堵口过程中口门尺寸（口门宽度、底槛高程）与水力要素最大最大值的关系。计算内港水位过程线：截流堤是在堵口段用来截断潮流的戗堤堆石截流堤水力稳定断面：在平堵过程中截流堤的水下部分是溢流的，由于块石和龙口水利条件的不同，其水力稳定断面有两种形式，密集断面和扩展断面。密集断面：当抛投的石块足够大，其极限稳定流速大于龙口实际流速，而且随着龙口流速的增大，抛投的块石也随着增大，块石是稳定的，这样抛投所形成的断面基本形式呈梯形，称密集断面。扩展断面：当块石的极限稳定流速小于龙口流速，水流把块石推动滚落到斜坡上，这时块石依靠扩展截留潜堤断面，延缓下游边坡，小号水流能量才能稳定，这时的断面为扩展断面。不同地基上的截流堤断面形式：a） 软基上的断面型式：采用主堤和子堤相结合的截流堤断面。主堤：溢流的，采用扩展断面；堵口方式以平堵为主，堤顶高程一般在小潮高潮或中潮位附近。子堤：建在主堤上，是最后合龙截流堤。不溢流，采用密集断面。b） 基岩或砂基上的断面型式：采用密集断面。基岩上的截流堤只需考虑堤身稳定；砂基上的截流堤要考虑堤身稳定和堤下冲刷，做好护底。围海造地的存在的主要问题：（1）围海使湿地面积锐减。（2）围海影响了行洪和航行安全。⑶围海导致海湾和河口纳污能力减弱，环境质量降低。围海造地可导致潮差变小，潮汐冲刷能力降低，港湾内纳潮减少，海水自净能力减弱，加大赤潮发生的频率和强度。（4）围海导致海岸侵蚀和海底冲刷与淤积。由于岸线、海底形态的改变，影响了自然条件下的潮流场与泥沙运动规律，有些情况下会在局部造成持续的侵蚀或淤积，破坏海岸与海底的自然平衡状态，使得生物多样性和生态环境发生重大改变。（5）海洋自然性状改变，海洋灾害潜在威胁加大。围海会造成天然海湾的消失、河口束狭、岸线趋于平直等。第四章：海岸防护工程破坏情况海堤破坏情况分类（按程度不同）：1、海堤决口，海水倒灌，影响堤内。2、海堤严重破坏。表现为块石护坡连片破坏或堤身土方大部分被冲掉，海堤濒临决口边缘。3、海堤外坡局部破坏。有的块石护坡部分被破坏，有的堤脚被淘刷。海堤破坏原因：1、台风浪。诸动力因素中台风浪是海堤破坏的主要因素，海堤的破坏主要是由于台风浪对海堤进行打击，而海堤材料（护坡块石、堤身土等）的抗冲稳定性不够造成的。2、护坡质量差。护坡质量差是堤坡风浪冲刷破坏的主要原因。3、土堤施工质量差、不密实。土堤施工质量差、不密实是海堤被冲刷和穿孔漏水的主要原因。4、海堤断面型式。海堤断面型式与波浪对海堤的作用情况有关，因此也影响到海堤的破坏情况。如直立式海堤易被风浪破坏而倒塌，斜坡式海堤破坏较少。一般堤坡越平坦，波浪对堤坡作用就越缓和，因此破坏也越小。5、海堤堤顶高程偏低。6、海堤堤前浅滩的侵蚀情况和保滩促淤措施及其效果。第五章：防波堤工程防波堤：对于建造在开敞海岸、海湾或岛屿的港口，为防御波浪对海港的侵蚀而建造的用于掩护水域的一种结构物。防波堤的分类：a） 按平面形式分：突堤：防波堤的一端与岸相连时称为突堤。岛式堤：防波堤的两端均不与岸相连时称为岛式防波堤。b） 按结构型式分：重型防波堤（斜坡式、直立式、混合式）轻型防波堤（透空式、浮式、压气式、水力式）斜坡式防波堤：主要由块石三体材料填筑而成。波浪在斜坡面上发生破碎，从而消散能量，堤前反射波高较小。水深增加，堤身体积会有较多的增长，因而适用于水深较浅。对地基的不均匀沉降不敏感，可适用于较软弱的地基条件；也适应海底面很不平整的岩石地基。斜坡堤遭到较严重的破坏，其残留断面还能起到相当的防浪作用，修复也比较容易。直立式防波堤：堤断面主要由上部结构、墙身和基床三部分构成。具有直立或接近直立的墙面，根据墙前的水深，入射波在墙面上产生完全反射或部分反射；内墙面对港内波的反射将对港内泊稳条件产生不利影响。直立堤有重力式和桩式两种类型：重力式一由抛石基床、墙身和上部结构组成，对地基的不均匀沉降较为敏感，要求地基条件好；建造直立堤，需要大型专门的施工设备，施工技术也比较复杂。适用于水深较大的情