一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法与流程

1.本发明涉及港口航道工程技术领域，特别是涉及一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法。


背景技术：

2.在港口建设中，防波堤的作用非常重要，防波堤不仅可以有效阻挡外海波浪及水流对港内水域的侵蚀，还具有防砂的作用。在防波堤工程中通常采用护底块石来保护堤脚或堤前海滩免受冲刷，护底块石的稳定重量是非常重要的技术参数。在实际防波堤工程设计中，即使防波堤各构件的设计满足规范要求，也会产生护面块石及护底块石失稳。
3.许多学者都对护底块石的稳定重量展开研究，都取得了一定的成果，其中较为著名的有伊兹巴什公式、美国海岸防护手册公式及交通部规范方法等。各公式中护底块石的稳定重量均与堤前最大波浪底流速有着密切关系，因此合理确定堤前流速就成为关键。
4.目前，主要根据《防波堤与护岸设计规范》推荐方法来推算堤前流速，同时规范中还要求对于重要工程尤其是在浅水区域需要通过物理模型试验来确定护底块石的稳定重量，说明现有计算方法仍有不完善之处，目前还没有较好的解决方法。在防波堤护底、抛石护岸工程中，经常会遇到块石在水流作用下的稳定性问题，某电厂码头防波堤工程建成后不断下滑坍塌，波浪引起的底部流速占主要成分，沿堤流造成的基底冲刷可能是其破坏的重要原因。如何更合理的确定防波堤堤前流速是目前港口航道工程技术领域中亟待解决的重点难题之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法，适合于港口航道工程技术领域中斜坡堤护底块石重量计算。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法，包括：统计若干斜坡堤护底块石稳定性试验结果，并对所述试验结果进行分类，获得分类结果；汇总所统计的试验中模型试验条件，基于所述试验条件与计算标准，计算斜坡堤前最大波浪底流速、护底块石稳定重量，得到计算结果；结合所述计算结果、所述分类结果与所述试验结果进行分析，得到考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速公式，基于所述考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速，确定护底块石稳定重量。
7.优选地，所述分类结果包括护底块石稳定、护底块石滚动但未失去护底功能和护底块石失稳三种结果。
8.优选地，所述试验条件包括：设计波高、计算波长、堤前水深、平均周期、护底石块厚度和护底石块重量。
9.优选地，计算所述斜坡堤前最大波浪底流速的方法为：式中：v
max
‑‑‑
斜坡堤前最大波浪底流速，单位为m/s；h
‑‑‑
设计波高，单位为m；l
‑‑‑
计算波长，单位为m；
‑‑‑
重力加速度，取9.81m/s2；d
‑‑‑
堤前水深，单位为m。
10.优选地，基于所述试验结果中的护底块石稳定重量与所述斜坡堤前最大波浪底流速进行分析，得到考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式。
11.优选地，所述考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式为：式中：
‑‑‑
为考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速，单位为m/s；h
‑‑‑
设计波高，单位为m；t
‑‑‑
平均周期，单位为s；d
‑‑‑
堤前水深，单位为m；b
‑‑‑
护底块石厚度，单位为m。
12.优选地，基于所述考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算结果，确定所述护底块石稳定重量，并与所述试验结果进行对比分析，得到分析结果。
13.优选地，将所述分析结果中失稳块石重量进行反算，若反算结果与所述试验结果吻合，则确定所述护底块石的重量，满足护底块石重量稳定要求。
14.本发明的有益效果为：（1）本发明通过统计国内外上百个斜坡堤护底块石稳定试验结果，发现规范推荐方法计算护底块石稳定重量偏于危险；（2）本发明根据计算偏差较大的数十个案例进行分析，提出了考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式，根据考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速确定合理的护底块石稳定重量，最终满足护底块石重量稳定要求。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例中规范公式护底块石计算重量与试验结果对比图；图2为本发明实施例中新的计算方法护底块石计算重量与试验结果对比图；图3为本发明实施例中某电厂工程防波堤原设计断面图；图4为本发明实施例中某电厂工程防波堤原设计断面模型试验中护底块石失稳图；图5为本发明实施例中某电厂工程防波堤优化断面图；
图6为本发明实施例中某电厂工程防波堤优化断面模型试验中护底块石稳定图；图7为本发明实施例中的方法流程图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.本发明提出一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法，如图7，主要包括如下具体步骤：步骤一：统计国内外上百个斜坡堤护底块石稳定性试验结果，并对其稳定结果进行分类，将试验结果总结归纳为三类：护底块石稳定，少量滚动但未失去护底功能，护底块石失稳。
20.步骤二：汇总每组模型试验的试验条件，主要包括：设计波高，计算波长，堤前水深，平均周期，护底块石厚度，护底块石重量。
21.步骤三：根据模型试验条件按照《防波堤与护岸设计规范》jts154-2018推荐计算公式（见式（1））计算斜坡堤前最大波浪底流速。
22.式中：v
max
‑‑‑
斜坡堤前最大波浪底流速（m/s）；h
‑‑‑
设计波高（m）；l
‑‑‑
计算波长（m）；
‑‑‑
重力加速度，取9.81m/s2；d
‑‑‑
堤前水深（m）。
23.步骤四：基于斜坡堤前最大波浪底流速得到护底块石稳定重量方法为依据《防波堤与护岸设计规范》（jts154-2018）如下表1确定，并与试验结果进行对比分析，对比分析结果详见图1所示，从图1对比结果可以看出规范计算护底块石重量结果偏于危险。
24.步骤五、基于与规范计算偏差较大的数十个案例进行分析，得到考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式为：
其中：l
‑‑‑
计算波长，单位为m；g
‑‑‑
重力加速度，取9.81m/s2；d
‑‑‑
堤前水深，单位为m；t
‑‑‑
平均周期，单位为s；v
max
’‑‑‑
为考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速（m/s）；h
‑‑‑
设计波高（m）；t
‑‑‑
平均周期（s）；d
‑‑‑
堤前水深（m）；b
‑‑‑
护底块石厚度,（m）。
25.步骤六、基于考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算值按表2确定护底块石稳定重量。
26.步骤七、通过本发明方法计算结果与试验结果进行对比，对比分析结果详见图2所示，从图2对比结果可以看出，修正公式计算结果与试验结果更为吻合。
27.现以本发明提出的一种强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法应用于某地区某电厂工程防波堤为例来详细说明本发明。如图3所示为该地区电厂工程防波堤原设计断面图，从图3中可以看出护底块石重量设计值为200~300kg，但在模型试验中此护底块石失稳，见图4所示。
28.本工程需对护底块石重量进行优化，优化方法采用本发明提出强非线性波浪作用下护底块石稳定重量计算方法，对于本技术领域技术人员具体实施步骤执行步骤五和步骤六即可得到护底块石稳定重量结果。
29.具体实施过程为：（1）、获取防波堤断面基本参数，主要包括：设计波高h，平均周期t，泥面高程值，设计水位值，护底块石顶高程值，护底块石底高程值。
30.该工程位置处设计波高h为4.88m，平均周期t为18.09s，从图3可以看出泥面高程值为-4.0m，设计水位值极端高水位（e.h.w.l）时为1.13m，护底块石顶高程为-2.8m，护底块石底高程值为-4.0m。
31.（2）、根据（1）获取的基本参数得到计算参数，包括：计算波长l，堤前水深d，护底厚度b。
32.堤前水深d=设计水位值-泥面高程值=1.13-（-4.0）=5.13m；护底厚度b=护底块石顶高程值-护底块石底高程值=(-2.8)-(-4.0)=1.2m；
根据公式（3）计算波长为127m。
33.式中：l
‑‑‑
计算波长，单位为m；g
ꢀ‑‑‑
重力加速度，取9.81m/s2；d
‑‑‑
堤前水深，单位为m；t
‑‑‑
平均周期，单位为s。
34.（3）：将（1）和（2）获取的参数代入考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速（m/s）计算公式（2）中，计算考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速（m/s）为4.33m/s2。
35.基于考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算值按表2确定护底块石稳定重量为400~600kg。
36.优化方案（见图5）经模型试验验证（见图6），400~600kg护底块石稳定，此优化方案已在工程中得到成功应用。
37.本发明计算方法与《防波堤与护岸设计规范》jts154-2018推荐计算方法进行对比说明：将（1）和（2）获取的参数代入《防波堤与护岸设计规范》jts154-2018推荐公式（1）中计算斜坡堤前最大波浪底流速为3.3m/s；式中：v
max
‑‑‑
斜坡堤前最大波浪底流速，单位为m/s；h
‑‑‑
设计波高，单位为m；l
‑‑‑
计算波长，单位为m；
‑‑‑
重力加速度，取9.81m/s2；d
‑‑‑
堤前水深，单位为m。
38.依据《防波堤与护岸设计规范》（jts154-2018）（表1）确定护底块石稳定重量为200~300kg，与原设计方案一致（见图3），但在模型试验中此设计方案护底块石失稳（见图4），规范公式计算结果偏于危险。
39.通过对比本发明计算方法与规范公式计算方法计算结果，本发明的计算方法计算结果更能满足护底块石稳定重量要求。
40.本发明的设计原理是：斜坡堤护底块石的稳定重量均与堤前最大波浪底流速有着密切关系。目前，防波堤工程设计中主要根据《防波堤与护岸设计规范》推荐方法来推算堤前流速，通过统计国内外上百个防波堤护底块石稳定性试验结果，发现规范推荐方法计算护底块石重量偏于危险，因此合理确定堤前流速就成为关键。本发明根据计算偏差较大的数十个案例进行分析，提出了考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式，再结合工程实际需求，根据考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速确定合理的护底块石重量，最终满足护底块石重量稳定要求。
41.本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明通过统计国内外上百个斜坡堤护底块石稳定试验结果，发现规范推荐方法计算护底块石重量偏于危险；二是明根据计
算偏差较大的数十个案例进行分析，提出了考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速计算公式，根据考虑护底厚度的护底顶面最大波浪底流速确定合理的护底块石重量，最终满足护底块石重量稳定要求。
42.以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。