大直径薄壁圆筒直立堤变形机理分析

李维朝，蔡 红，严祖文，谢定松

（中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100048）

作为码头或防波堤建筑物，大直径圆筒因其以面力为主而弯曲应力较小、受力条件好、材料省、造价低和适应性强等特点，自20世纪80年代就在我国得到广泛的推广与应用［1］，但圆筒堤的一些作用机理仍在探讨之中，如不同变形阶段下筒内填料与筒壁结构的相互作用、筒内填料的抗倾机理［2］、圆筒与胸墙的相互作用以及圆筒周身土压力与波浪力的计算等［3-4］。这些问题直接影响到大直径圆筒堤的设计、机理分析和变形破坏处理措施等，同时也影响其更进一步的推广。本文旨在依托实际工程，观察圆筒直立堤变形迹象，并借助钻探、测量、水下检查等手段，对圆筒堤的变形机理进行分析，从而为后续圆筒堤的设计、变形分析及治理措施等提供借鉴，并增强对圆筒堤变形机理的认识。

1 工程概况

本圆筒直立堤地处河北省秦皇岛市，位于渤海海域。该海区常浪向为S向，次常浪向为SSW向；强浪向ENE向，次强浪向S向。其主导波型主要为风浪及风浪为主的混合浪，频率约为75%；其次为涌浪及涌浪为主的混合浪，频率约为22%，这种波型的波浪多为风转向后或风速减小后残存的风浪，周期不大，波峰面较为圆滑［5］。

该圆筒直立堤于1997年建成，位于场地的东侧及南侧（图1），承受来自渤海的波浪作用。圆筒外径9.50m，下部壁厚0.20m，上部壁厚0.28m，钢筋混凝土预制，无底，吊运沉放于1.00m厚的10～50kg抛石基床上。筒底铺设有1.15m厚的反滤层，反滤层上方回填海基砂石，外侧11.70m范围内铺设护坦块石护底。防浪胸墙预制后坐落于圆筒上，与圆筒为相互独立的结构（图2）。

2 变形特征

圆筒直立堤运行10多年后，除了部分圆筒结构上出现混凝土剥落、钢筋裸露锈蚀外，还出现了一些明显的变形迹象。位于南侧圆筒堤中部的102#圆筒（位置如图1所示）向临海侧倾斜达27‰，圆筒与胸墙间隙高达35cm，且圆筒相对胸墙向临海侧错出。

场地东南角38#—43#圆筒的胸墙顶部有明显的相对变形迹象，相邻筒间胸墙接缝处开裂，并产生相对位错（如图3所示）。以40#和41#的圆筒间接缝为中，左（41#—43#号圆筒）、右（38#—40#号圆筒）两侧对比可以看出，两侧的地理位置具有对称性，变形也具有相似性。其中38#圆筒的胸墙相对39#圆筒外错0.5cm；39#筒的胸墙相对40#筒外错1.7cm；41#圆筒的胸墙相对42#圆筒外错0.4cm；42#圆筒的胸墙相对43#圆筒外错3.0cm。其中，39#圆筒向临海侧倾斜13‰，42#圆筒向临海侧倾斜5‰，而38#、40#、41#及43#圆筒倾斜角度几乎没有。故可以推测，圆筒直立堤东南角的变形主要是39#和42#圆筒倾斜引起，该两筒与其它筒间的变形都是相对变形。结合图3所示的相对变形方向，可以推测场地东南角的相对变形主要是位于拐点的39#和42#圆筒胸墙的变形协调所致。

3 变形机理分析

为了查出上述变形迹象的成因，针对变形部位采取了水下检查和钻探。水下检查主要是查明海水面下圆筒堤的破损情况，特别是护坦石及基脚的破坏情况；钻探主要是查明圆筒内填料、反滤层、基床和清基等情况。将两者结果相结合，针对变形圆筒的实际情况，从而分析出变形的机理。

3.1 102#圆筒变形机理分析 102#圆筒位于南侧圆筒直立堤的中间部位，水下检查未发现圆筒临海侧护坦石缺失。钻探发现圆筒顶部有1.4m空洞，即填料高度较设计值下降了1.4m。造成圆筒内填料高度不足有3种原因：（1）原始填料不够密实；（2）填料漏失；（3）原始填筑高度不足。其中，圆筒的倾斜与圆筒内填料的高度变化之间有着相互因果关系，大直径圆筒为无底结构，圆筒倾斜会使圆筒底部形成一定的孔隙，从而导致圆筒内填料在重力及波吸力的作用下顺圆筒底部脱落流失，即圆筒倾斜有可能导致筒内填料高度下降。反之，圆筒内填料高度下降后，圆筒所受外力不变，但抗倾能力减弱，从而导致倾斜程度增大，即圆筒内填料高度下降有可能导致圆筒倾斜度增加。

对于102#圆筒，钻孔揭示，其反滤层和基床的厚度、颗粒级配与原设计相同，这表明该圆筒在运行过程中反滤层与基床没有遭受破坏。如果圆筒内填料高度下降是因圆筒倾斜所致，那么填料只能从圆筒底部脱落流失，在填料流失过程中圆筒的反滤层就会不可避免的受到损害，而非钻孔所揭示的状态。填料高度下降1.4m，约占总填料高度的18.7%，远非填料密实可以实现的下降深度，故可以推测圆筒内填料高度下降为原始缺失，而非从圆筒底部脱落流失或填料密实。

对于圆筒与其内填料的组合体而言，圆筒内填料原始缺失后，组合体所受的外力（主动土压力、波吸力、浮托力等）及倾覆力矩不变，但重力及抗倾力矩低于设计值，抗倾能力弱，同时圆筒自身的抗弯刚度低，在同等外力作用下挠度大。故在运行过程中，受主动土压力及临海侧波吸力的双重作用，102#圆筒的倾斜程度增大。

通过上述变形机理分析可以看出，102#圆筒的变形主要是筒内填料原始缺失所致，而非圆筒倾斜所致。填料的反滤层未受到损害，补填圆筒内填料即可。

3.2 东南角部分圆筒变形机理分析 经设计复核、变形特征及水下检查，发现东南角有以下不利于圆筒稳定的因素：（1）不利位置。从图1所示的场地外形上可以看出，场地的东侧和南侧圆筒堤长度较长，作用于其上的波浪主要为正射波，而东南角为场地的拐角处，且圆筒堤长度较短，作用于其上的波浪主要为斜射波。此种结构形式下，斜射波的作用力大于正射波［3-4］，故同等设计条件下，该位置更容易遭受波浪的冲刷、淘蚀等破坏；（2）布设方式。39#和42#圆筒分别位于东南角的两个拐点处，从图3可以看出，这2个圆筒的临海面积大于其它圆筒，故同等波浪作用下，受到的冲刷范围及冲刷力较强，并且圆筒本身所受到的波吸力也大于相邻圆筒；（3）堤前护坦石稀少。水下检查发现场地东南角圆筒临海侧护坦石稀少。在圆筒直立堤中，护坦石的主要作用是防止基床遭受冲刷。护坦石稀少后，其消波能力减弱，作用在基床上的波浪作用增强，基床易受影响，局部承载力会降低，易产生不均匀沉降，从而导致倾斜。

结合不利因素及变形特征，可推测场地东南角为波浪冲刷导致的胸墙调整变形，其变形模式按时间顺序可归纳为（图4所示）：（1）受圆筒直立堤分布形状影响，同一波浪下，直立堤东南角遭受冲刷作用较大的斜射波；（2）相对场地其它位置，斜射波较大的冲刷作用使东南角圆筒堤临海侧护坦石稀少；（3）护坦石破坏后，波浪开始作用到堤趾附近的基床上，在波浪的冲刷、淘蚀等作用下，堤趾附近的基床受到影响，局部承载力降低；（4）因39#和42#圆筒分别位于东南角的2个拐点，受力面积大，从而基床承受波浪作用大，导致圆筒产生不均匀沉降，并倾斜变形，但此变形量较小；（5）胸墙与圆筒为2个相对独立的结构，39#和42#圆筒倾斜变形后，坐落于其上的胸墙的平衡状态被打破，然后胸墙受圆筒变形及重力作用的双重影响寻求新的平衡，与周围圆筒的胸墙产生了协调变形；（6）拐点处的39#和42#圆筒胸墙的变形导致其与相邻筒的胸墙产生相对位错。

通过上述分析可以看出，场地东南角的变形中，39#和42#圆筒为变形的始动力圆筒，它们的变形导致其与相邻圆筒间的一系列相对变形。

4 结论

（1）圆筒倾斜与圆筒内填料高度变化之间有着相互因果关系。大直径圆筒为无底结构，圆筒倾斜会使圆筒底部形成一定的孔隙，从而导致圆筒内填料在重力或波吸力的作用下顺圆筒底部脱落流失，即圆筒倾斜有可能导致筒内填料高度下降；圆筒内填料高度下降后，圆筒所受外力不变，但抗倾能力减弱，从而导致倾斜程度增大，即圆筒内填料高度下降有可能导致圆筒倾斜度增加。

（2）102#圆筒倾斜变形是圆筒内填料原始缺失所致。102#圆筒内填料高度下降1.4m，约占总填料高度的18.7%，远非填料密实可以实现的下降深度。圆筒内反滤层和基床的厚度、颗粒级配与原设计相同，这表明在运行过程中该圆筒的反滤层与基床没有遭受破坏。这些表明圆筒内填料高度下降为原始缺失，而非从圆筒底部脱落流失或填料密实。圆筒内填料原始缺失，导致圆筒抗倾能力弱、抗弯刚度低，同等外力作用下挠度和倾斜变形大。因而回填筒内填料即可保障运行。

（3）场地东南角圆筒的变形中，39#和42#圆筒为变形的始动力圆筒，它们的变形导致其与相邻圆筒间的一系列相对变形。因39#和42#圆筒地处拐角，且临水面积较大，故遭受到作用比较大的斜射波，致使堤前护坦石被冲刷缺失，基床防护减弱，受到波浪作用影响，从而圆筒产生变形。胸墙与圆筒为两个相对独立的结构，胸墙在圆筒变形后，为达到新平衡，产生了协调变形，导致39#和42#圆筒与其相邻圆筒间出现相对变形。因而修复堤前护坦石并柔性处理胸墙前接缝即可保障运行。

（4）通过对薄壁圆筒直立堤两处变形特征及变形机理的分析，可以看出该场地内圆筒堤的变形均非破坏性的变形，在采取一定的补救措施后，即可保障运行。

［1］邱驹.港工建筑物［M］.天津：天津大学出版社，2002.

［2］竺存宏，丁乃庆.大直径圆筒筒内填料抗倾机理［J］.水利水运工程学报，2003（1）：58-62.

［3］俞聿修，李本霞，张宁川，等.斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载［J］.水运工程，2008（4）：1-4.

［4］唐筱宁，饶永红.斜向波对直立式防波堤堤头作用的试验研究［J］.海岸工程，2005，24（2）：7-12.

［5］华北电力设计院.秦皇岛热电厂二期工程水文气象报告书［R］.北京：华北电力设计院，1993.