灘海人工島工程安全監(jiān)測預(yù)警模式

焦志斌，馮京海，史賢志，李賢旭，劉海龍

（1.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.冀東油田分公司，河北 唐山 063200）

0 引言

隨著近海石油工業(yè)的勘探開采及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，在環(huán)渤海地區(qū)和其他近海區(qū)域相繼修建（擬建）了多個(gè)大型灘海人工島工程。灘海人工島工程處在海洋環(huán)境中，由于受到風(fēng)浪、潮流、海冰及風(fēng)暴潮等多種海洋環(huán)境因素的共同影響，和陸上建筑物相比，被破壞的可能性更大。歷史上人工島損毀事件屢見不鮮，破壞形式也多種多樣[1-2]。渤海6號曾在一場強(qiáng)風(fēng)浪作用下產(chǎn)生了2 m水平位移和80 cm的沉降；綏中油田的某沉箱在安裝過程中遭遇較大風(fēng)浪作用，平臺產(chǎn)生沉降達(dá)1.7 m；國內(nèi)最典型案例為長江口二期工程北導(dǎo)堤段，2002年12月5—8日，施工現(xiàn)場遭遇了強(qiáng)寒潮的大風(fēng)浪襲擊，風(fēng)力6～7級，陣風(fēng)8～9級，有效波高和有效波周期接近設(shè)計(jì)值。在連續(xù)兩天大風(fēng)浪的作用下，已安放好的16個(gè)沉箱在風(fēng)浪作用下最大沉降超過1.6 m，發(fā)生非正常沉降，屬于地基失穩(wěn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。

可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞都伴隨著結(jié)構(gòu)異常變形，可以通過安全監(jiān)測及時(shí)獲取，對判斷災(zāi)害體的發(fā)展和預(yù)警有著重要的技術(shù)支持。中國石油天然氣集團(tuán)公司經(jīng)過多年的人工島建設(shè)和系統(tǒng)研究，在國內(nèi)率先制定了人工島施工期安全監(jiān)測規(guī)范[5]，并提出了監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)，為灘海人工島工程施工期階段的安全建設(shè)和管理提供了技術(shù)依據(jù)和保障。

對于灘海人工島工程運(yùn)行期安全監(jiān)測，目前還沒有專門的監(jiān)測規(guī)范，運(yùn)行期安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)研究更是空白。人工島圍堤地基土經(jīng)過施工期的地基處理和預(yù)壓，1～2 a后圍堤地基土固結(jié)度一般可達(dá)80%以上[6]，后期水平位移和沉降變化速率明顯減小，施工期的安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)明顯不適合運(yùn)行期，需要根據(jù)工程的實(shí)際情況建立適宜的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警值，發(fā)揮運(yùn)行期安全監(jiān)測的預(yù)警作用。本文結(jié)合冀東南堡油田1-3號人工島工程運(yùn)行期安全監(jiān)測，首次探討了灘海人工島工程運(yùn)行期安全監(jiān)測的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警模式，可為類似工程參考。

1 工程概況

冀東南堡油田1-3號人工島位于河北省唐山市灤南縣北堡村南側(cè)、南堡村西南側(cè)，南堡淺灘-5 m等深線附近，地理位置見圖1。整體呈近似橢圓形布置，邊長尺寸為495 m×298 m，造地面積13.33萬m2，圍堤總長1 374 m。人工島圍堤采用袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)，島心采用吹填砂形成，引橋及登陸點(diǎn)布置在人工島北側(cè)，采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)型式，樁基采用鋼管樁。

冀東南堡油田1-3號人工島具有以下5個(gè)特點(diǎn)[7]：1）人工島建在北高南低的海溝邊緣，人工島和周邊構(gòu)筑物建設(shè)嚴(yán)重影響局部的水動力環(huán)境，可能造成局部沖刷；2）人工島周邊水深大，原泥面高程約-5.3 m，高潮時(shí)水深超過9 m；3） 島體吹填高度大，最大吹填高度14.2 m；4）人工島距離陸域較遠(yuǎn)，距陸域最近的1-1號人工島約6.7 km，受氣候及海洋等環(huán)境因素較大；5）曹妃甸區(qū)域的整體規(guī)劃修改對人工島周邊的水動力影響較大。

2 施工期預(yù)警指標(biāo)

灘海人工島工程施工期的預(yù)警指標(biāo)是人工島安全建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題，與工程地質(zhì)、施工特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)型式、安全等級等相關(guān)。通過大量的工程實(shí)踐和系統(tǒng)研究，中國石油天然氣集團(tuán)公司于2010年5月發(fā)布了我國第一個(gè)關(guān)于灘海人工島建設(shè)安全監(jiān)測的技術(shù)規(guī)范：Q/SY 1354—2010《灘海人工島工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范為灘海人工島的安全監(jiān)測提供了技術(shù)支持與保障，并把水平位移、沉降變化速率和超靜孔隙水壓力增量作為預(yù)警指標(biāo)。

預(yù)警指標(biāo)原則上根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，對于冀東南堡油田1-3號人工島，施工期的預(yù)警指標(biāo)為：地面沉降速率10 mm/d；側(cè)向水平位移速率5 mm/d。

施工期安全監(jiān)測的預(yù)警模式可參見文獻(xiàn)[5]。監(jiān)測過程中，當(dāng)發(fā)生下列情況之一，必須立即報(bào)告委托方，并應(yīng)及時(shí)增加觀測次數(shù)或調(diào)整監(jiān)測方案：1） 水平位移、沉降變化速率或超靜孔隙水壓力增量接近或超過預(yù)警值；2）周邊出現(xiàn)塌陷和滑坡征兆；3）由于風(fēng)暴潮、凍融、地震等自然災(zāi)害引起的異常情況。

在依據(jù)監(jiān)測變量進(jìn)行預(yù)警的同時(shí)，預(yù)警模式應(yīng)首先考慮設(shè)計(jì)海洋環(huán)境因素的影響，這是規(guī)范的不足，或者說沒有進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。在灘海工程中，施工期的風(fēng)險(xiǎn)主要來自海洋環(huán)境荷載[1]。

3 運(yùn)行期預(yù)警模式研究

運(yùn)行期灘海人工島的安全預(yù)警也應(yīng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：設(shè)計(jì)環(huán)境因素預(yù)警和島體安全監(jiān)測預(yù)警。本文重點(diǎn)討論人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測預(yù)警。

設(shè)計(jì)環(huán)境因素預(yù)警指的是工程設(shè)計(jì)時(shí)所允許出現(xiàn)的惡劣的環(huán)境條件，如地震、強(qiáng)風(fēng)暴潮、海嘯、特大冰災(zāi)等。這些自然災(zāi)害不一定對島體產(chǎn)生破壞，但會影響人工島上的安全生產(chǎn)和作業(yè)，也應(yīng)該納入安全預(yù)警系統(tǒng)中，常見的環(huán)境因素預(yù)警見表1。

灘海人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測預(yù)警指的是監(jiān)測指標(biāo)超過允許值，灘海工程出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，文中主要指的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圍堤）的穩(wěn)定。灘海人工島圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞一般分為滑動破壞和沖刷破壞?；瑒悠茐氖腔谌斯u地基失穩(wěn)引起的局部或整體破壞；水流沖刷會導(dǎo)致護(hù)底護(hù)坡失穩(wěn)而最終導(dǎo)致圍堤塌陷和破壞，風(fēng)暴潮、巨浪、強(qiáng)海流、寒潮是導(dǎo)致人工島沖刷破壞的主要因素。無論是滑動破壞和沖刷破壞，都伴隨著圍堤結(jié)構(gòu)的沉降、水平位移和地基土超靜孔隙水壓力的持續(xù)異常變化。因此灘海人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測的預(yù)警內(nèi)容主要包含：水平位移、沉降異常預(yù)警，以及圍堤地基土超靜孔隙水壓力異常預(yù)警。

由于灘海人工島圍堤地下水位受潮位的影響會出現(xiàn)動態(tài)變化，相對潮位有明顯的滯后現(xiàn)象，高潮位和低潮位時(shí)段出現(xiàn)峰值，其他時(shí)段穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間[8]，超靜孔隙水壓力監(jiān)測預(yù)警有待于深入研究。著重研究潮差與超靜孔隙水壓力分布的關(guān)系，尤其是風(fēng)暴潮作用下圍堤地基土超靜孔隙水壓力分布與消散規(guī)律。

冀東油田1-3號人工島圍堤地基土經(jīng)過施工期的預(yù)壓，1 a后地基土固結(jié)度一般已達(dá)80%以上[6]，后期水平位移和沉降變化速率明顯減小，1-3號人工島建成后第3年，圍堤年總沉降11 mm（見圖2），側(cè)向最大水平位移僅8 mm?？梢?，施工期的安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)已明顯不適應(yīng)運(yùn)行期，需要根據(jù)工程的實(shí)際情況建立適宜的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警值，發(fā)揮運(yùn)行期安全監(jiān)測的預(yù)警作用。

冀東油田1-3號人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)詳見文獻(xiàn)[7]，針對運(yùn)行期灘海人工島水平位移和沉降的變化特點(diǎn)，選擇運(yùn)行期的圍堤水平位移、圍堤沉降作為人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測的預(yù)警指標(biāo)[7]。

水平位移、沉降異常預(yù)警采用分級控制，預(yù)警參數(shù)分為預(yù)警值和允許值，預(yù)警指標(biāo)建議值及對應(yīng)的工程應(yīng)對措施見表2。

當(dāng)水平位移速率D＜2 mm/d且沉降速率H＜5 mm/d時(shí)，灘海人工島處于安全運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)采用定時(shí)觀測，且每月進(jìn)行島體圍堤巡視檢查，檢查觀測斷面及其他區(qū)域有無異?，F(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)地震、風(fēng)暴潮、海嘯、特大冰災(zāi)等惡劣環(huán)境時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測。

當(dāng)水平位移速率2 mm/d≤D≤5 mm/d或沉降速率5 mm/d≤H≤10 mm/d時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出異常警報(bào)，進(jìn)入Ⅱ級預(yù)警處理流程。此時(shí)應(yīng)連續(xù)觀測，并進(jìn)行特別巡視檢查，

結(jié)合周邊海況，分析異常原因，判斷護(hù)坡結(jié)構(gòu)完整及穩(wěn)定性，直至風(fēng)險(xiǎn)解除。風(fēng)險(xiǎn)解除后，應(yīng)及時(shí)提交人工島異常預(yù)警調(diào)查報(bào)告。

當(dāng)水平位移速率D＞5 mm/d或沉降速率H＞10 mm/d時(shí)，監(jiān)測變量超過允許值，系統(tǒng)會發(fā)出異常警報(bào)，進(jìn)入Ⅰ級預(yù)警處理流程。此時(shí)應(yīng)該連續(xù)觀測，并進(jìn)行特別巡視檢查，觀察圍堤整體有無不均勻沉降、異常變形、滑動跡象等，結(jié)合周邊海況變化，分析異常原因，判斷護(hù)坡穩(wěn)定性。有條件時(shí)應(yīng)結(jié)合島體周邊水域沖淤監(jiān)測，判斷護(hù)底完整性，必要時(shí)進(jìn)行圍堤斷面淺剖，分析護(hù)坡結(jié)構(gòu)完整性。

當(dāng)監(jiān)測變量超過允許值持續(xù)3 d時(shí)，要考慮暫停生產(chǎn)和人員撤離。相關(guān)部門要針對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估并采取拋石護(hù)坡等綜合工程措施，加強(qiáng)護(hù)坡和圍堤的穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)解除后，應(yīng)及時(shí)提交人工島異常預(yù)警調(diào)查報(bào)告。

由于護(hù)底和護(hù)坡的損壞而引起的圍堤局部塌陷和滑移應(yīng)給予足夠的重視，一方面需定時(shí)進(jìn)行觀測，同時(shí)及時(shí)進(jìn)行工程修復(fù)。

表2 運(yùn)行期灘海人工島工程安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)建議值及應(yīng)對措施

4 結(jié)語

結(jié)合冀東南堡油田1-3號人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，分析并提出了灘海人工島運(yùn)行期監(jiān)測的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警模式。預(yù)警指標(biāo)為圍堤水平位移和圍堤沉降；預(yù)警模式為根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，結(jié)合海域沖淤、斷面淺剖，分級提出預(yù)警，并給出了工程應(yīng)對措施。同時(shí)安全監(jiān)測預(yù)警要和環(huán)境因素預(yù)警有機(jī)結(jié)合。

灘海人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的選取與監(jiān)測技術(shù)相關(guān)，圍堤地基土超靜孔隙水壓力預(yù)警是亟待研究的難題。預(yù)警模式應(yīng)結(jié)合具體工程進(jìn)行完善和改進(jìn)，更好地適應(yīng)不同海況條件下構(gòu)筑物的安全監(jiān)測需要，并使之標(biāo)準(zhǔn)化。

隨著全球?yàn)?zāi)害性氣候的加劇及海洋環(huán)境的復(fù)雜性，人工島及相關(guān)構(gòu)筑物損毀事件時(shí)有發(fā)生，應(yīng)盡快推動人工島運(yùn)行期安全監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警模式相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的編制，為管理部門提供技術(shù)依據(jù)。

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