大直徑薄壁圓筒直立堤變形機理分析

李維朝，蔡 紅，嚴祖文，謝定松

（中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100048）

作為碼頭或防波堤建筑物，大直徑圓筒因其以面力為主而彎曲應力較小、受力條件好、材料省、造價低和適應性強等特點，自20世紀80年代就在我國得到廣泛的推廣與應用［1］，但圓筒堤的一些作用機理仍在探討之中，如不同變形階段下筒內填料與筒壁結構的相互作用、筒內填料的抗傾機理［2］、圓筒與胸墻的相互作用以及圓筒周身土壓力與波浪力的計算等［3-4］。這些問題直接影響到大直徑圓筒堤的設計、機理分析和變形破壞處理措施等，同時也影響其更進一步的推廣。本文旨在依托實際工程，觀察圓筒直立堤變形跡象，并借助鉆探、測量、水下檢查等手段，對圓筒堤的變形機理進行分析，從而為后續圓筒堤的設計、變形分析及治理措施等提供借鑒，并增強對圓筒堤變形機理的認識。

1 工程概況

本圓筒直立堤地處河北省秦皇島市，位于渤海海域。該海區常浪向為S向，次常浪向為SSW向；強浪向ENE向，次強浪向S向。其主導波型主要為風浪及風浪為主的混合浪，頻率約為75%；其次為涌浪及涌浪為主的混合浪，頻率約為22%，這種波型的波浪多為風轉向后或風速減小后殘存的風浪，周期不大，波峰面較為圓滑［5］。

該圓筒直立堤于1997年建成，位于場地的東側及南側（圖1），承受來自渤海的波浪作用。圓筒外徑9.50m，下部壁厚0.20m，上部壁厚0.28m，鋼筋混凝土預制，無底，吊運沉放于1.00m厚的10～50kg拋石基床上。筒底鋪設有1.15m厚的反濾層，反濾層上方回填?；笆?，外側11.70m范圍內鋪設護坦塊石護底。防浪胸墻預制后坐落于圓筒上，與圓筒為相互獨立的結構（圖2）。

2 變形特征

圓筒直立堤運行10多年后，除了部分圓筒結構上出現混凝土剝落、鋼筋裸露銹蝕外，還出現了一些明顯的變形跡象。位于南側圓筒堤中部的102#圓筒（位置如圖1所示）向臨海側傾斜達27‰，圓筒與胸墻間隙高達35cm，且圓筒相對胸墻向臨海側錯出。

場地東南角38#—43#圓筒的胸墻頂部有明顯的相對變形跡象，相鄰筒間胸墻接縫處開裂，并產生相對位錯（如圖3所示）。以40#和41#的圓筒間接縫為中，左（41#—43#號圓筒）、右（38#—40#號圓筒）兩側對比可以看出，兩側的地理位置具有對稱性，變形也具有相似性。其中38#圓筒的胸墻相對39#圓筒外錯0.5cm；39#筒的胸墻相對40#筒外錯1.7cm；41#圓筒的胸墻相對42#圓筒外錯0.4cm；42#圓筒的胸墻相對43#圓筒外錯3.0cm。其中，39#圓筒向臨海側傾斜13‰，42#圓筒向臨海側傾斜5‰，而38#、40#、41#及43#圓筒傾斜角度幾乎沒有。故可以推測，圓筒直立堤東南角的變形主要是39#和42#圓筒傾斜引起，該兩筒與其它筒間的變形都是相對變形。結合圖3所示的相對變形方向，可以推測場地東南角的相對變形主要是位于拐點的39#和42#圓筒胸墻的變形協調所致。

3 變形機理分析

為了查出上述變形跡象的成因，針對變形部位采取了水下檢查和鉆探。水下檢查主要是查明海水面下圓筒堤的破損情況，特別是護坦石及基腳的破壞情況；鉆探主要是查明圓筒內填料、反濾層、基床和清基等情況。將兩者結果相結合，針對變形圓筒的實際情況，從而分析出變形的機理。

3.1 102#圓筒變形機理分析 102#圓筒位于南側圓筒直立堤的中間部位，水下檢查未發現圓筒臨海側護坦石缺失。鉆探發現圓筒頂部有1.4m空洞，即填料高度較設計值下降了1.4m。造成圓筒內填料高度不足有3種原因：（1）原始填料不夠密實；（2）填料漏失；（3）原始填筑高度不足。其中，圓筒的傾斜與圓筒內填料的高度變化之間有著相互因果關系，大直徑圓筒為無底結構，圓筒傾斜會使圓筒底部形成一定的孔隙，從而導致圓筒內填料在重力及波吸力的作用下順圓筒底部脫落流失，即圓筒傾斜有可能導致筒內填料高度下降。反之，圓筒內填料高度下降后，圓筒所受外力不變，但抗傾能力減弱，從而導致傾斜程度增大，即圓筒內填料高度下降有可能導致圓筒傾斜度增加。

對于102#圓筒，鉆孔揭示，其反濾層和基床的厚度、顆粒級配與原設計相同，這表明該圓筒在運行過程中反濾層與基床沒有遭受破壞。如果圓筒內填料高度下降是因圓筒傾斜所致，那么填料只能從圓筒底部脫落流失，在填料流失過程中圓筒的反濾層就會不可避免的受到損害，而非鉆孔所揭示的狀態。填料高度下降1.4m，約占總填料高度的18.7%，遠非填料密實可以實現的下降深度，故可以推測圓筒內填料高度下降為原始缺失，而非從圓筒底部脫落流失或填料密實。

對于圓筒與其內填料的組合體而言，圓筒內填料原始缺失后，組合體所受的外力（主動土壓力、波吸力、浮托力等）及傾覆力矩不變，但重力及抗傾力矩低于設計值，抗傾能力弱，同時圓筒自身的抗彎剛度低，在同等外力作用下撓度大。故在運行過程中，受主動土壓力及臨海側波吸力的雙重作用，102#圓筒的傾斜程度增大。

通過上述變形機理分析可以看出，102#圓筒的變形主要是筒內填料原始缺失所致，而非圓筒傾斜所致。填料的反濾層未受到損害，補填圓筒內填料即可。

3.2 東南角部分圓筒變形機理分析 經設計復核、變形特征及水下檢查，發現東南角有以下不利于圓筒穩定的因素：（1）不利位置。從圖1所示的場地外形上可以看出，場地的東側和南側圓筒堤長度較長，作用于其上的波浪主要為正射波，而東南角為場地的拐角處，且圓筒堤長度較短，作用于其上的波浪主要為斜射波。此種結構形式下，斜射波的作用力大于正射波［3-4］，故同等設計條件下，該位置更容易遭受波浪的沖刷、淘蝕等破壞；（2）布設方式。39#和42#圓筒分別位于東南角的兩個拐點處，從圖3可以看出，這2個圓筒的臨海面積大于其它圓筒，故同等波浪作用下，受到的沖刷范圍及沖刷力較強，并且圓筒本身所受到的波吸力也大于相鄰圓筒；（3）堤前護坦石稀少。水下檢查發現場地東南角圓筒臨海側護坦石稀少。在圓筒直立堤中，護坦石的主要作用是防止基床遭受沖刷。護坦石稀少后，其消波能力減弱，作用在基床上的波浪作用增強，基床易受影響，局部承載力會降低，易產生不均勻沉降，從而導致傾斜。

結合不利因素及變形特征，可推測場地東南角為波浪沖刷導致的胸墻調整變形，其變形模式按時間順序可歸納為（圖4所示）：（1）受圓筒直立堤分布形狀影響，同一波浪下，直立堤東南角遭受沖刷作用較大的斜射波；（2）相對場地其它位置，斜射波較大的沖刷作用使東南角圓筒堤臨海側護坦石稀少；（3）護坦石破壞后，波浪開始作用到堤趾附近的基床上，在波浪的沖刷、淘蝕等作用下，堤趾附近的基床受到影響，局部承載力降低；（4）因39#和42#圓筒分別位于東南角的2個拐點，受力面積大，從而基床承受波浪作用大，導致圓筒產生不均勻沉降，并傾斜變形，但此變形量較??；（5）胸墻與圓筒為2個相對獨立的結構，39#和42#圓筒傾斜變形后，坐落于其上的胸墻的平衡狀態被打破，然后胸墻受圓筒變形及重力作用的雙重影響尋求新的平衡，與周圍圓筒的胸墻產生了協調變形；（6）拐點處的39#和42#圓筒胸墻的變形導致其與相鄰筒的胸墻產生相對位錯。

通過上述分析可以看出，場地東南角的變形中，39#和42#圓筒為變形的始動力圓筒，它們的變形導致其與相鄰圓筒間的一系列相對變形。

4 結論

（1）圓筒傾斜與圓筒內填料高度變化之間有著相互因果關系。大直徑圓筒為無底結構，圓筒傾斜會使圓筒底部形成一定的孔隙，從而導致圓筒內填料在重力或波吸力的作用下順圓筒底部脫落流失，即圓筒傾斜有可能導致筒內填料高度下降；圓筒內填料高度下降后，圓筒所受外力不變，但抗傾能力減弱，從而導致傾斜程度增大，即圓筒內填料高度下降有可能導致圓筒傾斜度增加。

（2）102#圓筒傾斜變形是圓筒內填料原始缺失所致。102#圓筒內填料高度下降1.4m，約占總填料高度的18.7%，遠非填料密實可以實現的下降深度。圓筒內反濾層和基床的厚度、顆粒級配與原設計相同，這表明在運行過程中該圓筒的反濾層與基床沒有遭受破壞。這些表明圓筒內填料高度下降為原始缺失，而非從圓筒底部脫落流失或填料密實。圓筒內填料原始缺失，導致圓筒抗傾能力弱、抗彎剛度低，同等外力作用下撓度和傾斜變形大。因而回填筒內填料即可保障運行。

（3）場地東南角圓筒的變形中，39#和42#圓筒為變形的始動力圓筒，它們的變形導致其與相鄰圓筒間的一系列相對變形。因39#和42#圓筒地處拐角，且臨水面積較大，故遭受到作用比較大的斜射波，致使堤前護坦石被沖刷缺失，基床防護減弱，受到波浪作用影響，從而圓筒產生變形。胸墻與圓筒為兩個相對獨立的結構，胸墻在圓筒變形后，為達到新平衡，產生了協調變形，導致39#和42#圓筒與其相鄰圓筒間出現相對變形。因而修復堤前護坦石并柔性處理胸墻前接縫即可保障運行。

（4）通過對薄壁圓筒直立堤兩處變形特征及變形機理的分析，可以看出該場地內圓筒堤的變形均非破壞性的變形，在采取一定的補救措施后，即可保障運行。

［1］邱駒.港工建筑物［M］.天津：天津大學出版社，2002.

［2］竺存宏，丁乃慶.大直徑圓筒筒內填料抗傾機理［J］.水利水運工程學報，2003（1）：58-62.

［3］俞聿修，李本霞，張寧川，等.斜向和多向不規則波作用于直墻堤上的波浪荷載［J］.水運工程，2008（4）：1-4.

［4］唐筱寧，饒永紅.斜向波對直立式防波堤堤頭作用的試驗研究［J］.海岸工程，2005，24（2）：7-12.

［5］華北電力設計院.秦皇島熱電廠二期工程水文氣象報告書［R］.北京：華北電力設計院，1993.