渤海海峽跨海工程自然條件分析

譚忠盛，吳永勝，萬 飛

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

渤海海峽跨海工程自然條件分析

譚忠盛，吳永勝，萬 飛

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

在收集渤海海峽的氣象水文、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地震活動等資料，以及現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了渤海海峽跨海工程的建設(shè)條件。由于海峽霧大、風(fēng)大，年平均大風(fēng)日達(dá)67.8 d，故采用橋梁方案不利于全天候通行。由于海峽島嶼眾多，且南北向成一字形分布，跨海工程線位可選擇連島方案以減小建設(shè)難度和成本。海峽第四系地層穩(wěn)定性差，且第三系地層主要為玄武巖，大孔隙結(jié)構(gòu)，分布極不均勻，最厚達(dá)70 m，這兩套地層對隧道埋深的選擇有較大影響。對于蓬萊—旅順線位，場址附近沒有活動斷層，地層相對穩(wěn)定。這些資料可為渤海海峽跨海通道方案的初步研究提供參考。

渤海海峽；跨海工程；氣象條件；地質(zhì)條件

1 前言

渤海是中國最大的內(nèi)海，從遼東半島沿海到膠東半島，三面大陸環(huán)繞狀如英文字母C，如圖1所示。渤海海峽是指旅順到蓬萊之間的峽灣海域，成為山東乃至華東到東北地區(qū)的海上天塹。渤海海峽是渤海與黃海的天然分界線，它西面與渤海相連，東面與黃海毗鄰。廟島群島分布在渤海海峽的中部和南部，形成船舶可航行的水道以及和外海域相連的通航航門，是外海水道進(jìn)入渤海的主要通道。

環(huán)渤海地區(qū)公路、鐵路交通網(wǎng)較發(fā)達(dá)，但有缺口的C形交通，從東北大連到煙臺、青島鐵路要多繞行1 500 km，高速公路要多繞行1 600 km。因此，渤海海峽跨海通道的研究，就是自20世紀(jì)70年代初至今，一直是中國經(jīng)濟和社會發(fā)展所面臨的一項重大研究課題。設(shè)想利用渤海海峽的有利地理條件，從山東蓬萊經(jīng)長島至遼寧旅順，建設(shè)鐵路和公路相結(jié)合的跨越渤海的直達(dá)快捷通道，將有缺口的C形交通變成四通八達(dá)的D形交通，化天塹為通途。

圖1 渤海海峽地圖Fig.1 Bohai Strait map

渤海海峽跨海工程的建設(shè)條件對橋隧比選、線位比選及縱橫斷面比選方案的確定十分重要，但目前該項目還處于初步研究階段，還缺乏有關(guān)渤海海峽自然條件的具體數(shù)據(jù)，特別是地質(zhì)條件，也沒有物探及鉆探資料。本文只是將能收集到的部分資料加以整理分析，為現(xiàn)階段方案研究提供依據(jù)。

2 渤海海峽氣象及水文

1）氣溫[1，2]。渤海海峽氣溫變化有明顯的“大陸性”，受陸地、水文和氣候的影響十分顯著，顯示出秋溫高于春溫，春寒夏暖的特點。渤海海峽歷年平均氣溫為11.9℃。最高年平均氣溫為12.8℃，最低年平均氣溫為10.7℃。極端最高氣溫為36.5℃，極端最低氣溫為-13.3℃。一年中1月份平均氣溫最低，為-1.6℃；8月份平均氣溫最高，為24.5℃。

2）降水量[2]。渤海海峽平均年降水量為560～916 mm，豐枯年降水量相差3～5倍，降水量年內(nèi)分配也不均。年平均降水量為541.3 mm，平均降水天數(shù)為63 d，多集中在6—9月，這4個月的降水量之和占年降水量的70.8%，其中7月、8月降水量最大，12月至翌年3月降水量最少，這4個月降水量之和僅占年降水量的6.7%。其次，降水量的年變化也較為顯著，有記錄的年最大降雨量達(dá)881.4 mm（1973年），較年平均值高出323.6 mm；年最小降水量為282.3 mm（1965年），較年平均值低275.5 mm。月最大降水量為328.3 mm（1963年7月），月最小降水量為0（1963年2月）；日最大降水量為197.4 mm（1973年7月24日）。

3）相對濕度[2]。渤海海峽相對濕度的年變化振幅在60%～85%。其中7—8月最大，為85%；12月最小，為60%。年平均相對濕度為67%。年平均絕對濕度為 11.6 mbar（1 mbar=100 Pa），其中 8月最高，為25.6 mbar；1月份最低，為3.4 mbar。相對濕度≤20%的日數(shù)平均為2.9 d；相對濕度≥80%的日數(shù)平均為67.9 d。

4）海霧[2]。渤海海峽能見度普遍良好，但海峽全年都有霧出現(xiàn)，4—7月是霧季，其中7月霧日最多，月均霧日為 4.4 d；9月至翌年1月霧日最少，10月沒有出現(xiàn)過霧日。霧的日變化比較顯著，夜間至早晨霧易生成或發(fā)展，且霧最濃。一般情況下，霧有60%～80%只持續(xù)1～4 h，絕大多數(shù)在上午9時前后趨于消散。渤海海峽逐月能見度頻率見表1。

表1 渤海海峽逐月能見度頻率表Table 1 The monthly visibility frequency table in Bohai Strait

5）海風(fēng)[2]。渤海海峽具有典型的季風(fēng)性氣候特征，海峽地處風(fēng)道，屬臺風(fēng)影響區(qū)，平均大風(fēng)日67.8 d；全年大風(fēng)日數(shù)冬季最多，平均23.4 d；春秋兩季平均19 d；夏季最少，平均6.6 d。最大風(fēng)速出現(xiàn)在1985年8月19日的9號臺風(fēng)中，為40 m/s。渤海海峽還時常出現(xiàn)持續(xù)時間較長的連續(xù)大風(fēng)，最長可出現(xiàn)持續(xù)18 d的連續(xù)大風(fēng)過程，有時一個月能出現(xiàn)28 d大風(fēng)。1975—2005年渤海海峽各月大風(fēng)平均最長持續(xù)日數(shù)見圖2，1995—2005年渤海海峽日最大、極大風(fēng)力概率分布見圖3。

6）海 水 溫 度 和 鹽 度[2～4]。 年 平 均 水 溫 為11.5℃。2月平均水溫最低，為2.5℃；8月最高，為22.1℃。3月上旬至8月下旬為升溫期，9月上旬至翌年2月下旬為降溫期。累年平均鹽度為31.33。一年中，2—3月為高鹽期，2月最高，達(dá)31.82；7—9月為低鹽期，8月最低，為30.49。

圖2 1975—2005年渤海海峽各月平均大風(fēng)最長持續(xù)日數(shù)Fig.2 Average of longest wind days of each month in Bohai Strait during 1975—2005

圖3 1995—2005年渤海海峽日最大、極大風(fēng)力概率分布Fig.3 Probability distribution of daily maximum and great wind in Bohai Strait during 1995—2005

7）海流及波浪[3～6]。全年多風(fēng)浪，累年頻率為99%；涌浪較少，累年頻率為63%。風(fēng)浪頻率的逐月分布無明顯變化，而涌浪頻率差異較大。春季涌浪最少，其中4月頻率為50%，系全年最低；秋季最多，其中11月頻率達(dá)78%，系全年最高。

8）對工程的影響分析。根據(jù)渤海海峽的氣象及水文條件，大風(fēng)、大霧及暴雨等惡劣天氣的時間較多，不利于海上通行，若采用橋梁方式通過渤海海峽將受到很大影響，不能確保全天候運營。日本的經(jīng)驗證明，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到33 m/s（風(fēng)力11級）時，可導(dǎo)致列車顛覆，無法保證鐵路運輸暢通無阻，因此制定了海上橋梁交通限制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 日本海上橋梁交通限制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The maritime bridge traffic restrictions in Japan

3 渤海海峽水深及地形地貌

1）渤海海峽水深分布[2，7，8]。渤海海峽平均水深為25 m。南部各島近岸的等深線為5 m，北部各島近岸的等深線為10 m。沖蝕洼地深50 m，最深處老鐵山水道85 m，見圖4。

圖4 渤海海峽水深分布（單位：m）Fig.4 Depth of the water distribution in Bohai Strait（unit：m）

2）渤海海峽島嶼及水道[2，9]。渤海海峽寬約106 km，分布著眾多島嶼，其中廟島群島位于渤海海峽最狹處，基本呈一直線南北擺開，占據(jù)海峽3/5的海面，南距蓬萊角7 km，北距旅順老鐵山42 km。廟島群島共有32個島嶼、66個明礁、16個暗礁、2處長灘。南北島距56.4 km，東西寬30.8 km。廟島群島中較大的有北隍城島、南隍城島、大欽島、砣磯島、高山島、大黑山島、北長山島和南長山島等，分布如圖5所示，南長山島面積最大為13.88 km2。

圖5 主要島嶼及水道分布Fig.5 Main island and channel distribution

渤海海峽共有14條水道，總的來說北部水道寬而深，南部水道窄而淺。主要的水道有：老鐵山水道，位于北隍城島和老鐵山角之間，走向為東西，寬42km，主航道水深42～78 m，最深處達(dá)85 m；隍城水道，位于南、北隍城島之間，走向為東西，長5.6 km，寬1.5 km，主航道水深19～40 m；小欽水道，位于小欽島與南隍城島之間，走向為北西，長45 km，寬4 km，主航道水深40～50 m；北砣磯水道，位于砣磯島與大欽島之間，走向為東西，長115 km，寬10 km，主航道水深3l～50 m，航道中部有一暗礁群；長山水道，位于北長山島與砣磯島之間，走向為東西，長17 km，寬7.5km，主航道水深20～30 m；登州水道，位于南長山島與蓬萊角之間，走向為東西，長31.5 km，寬6 km，主航道水深l2～37 m。

3）海底地形地貌[8～10]。渤海海峽的海底，由于受老鐵山角和蓬萊角的扼制及島嶼的分割，構(gòu)成水下溝脊橫穿的崎嶇地貌。海底地勢自西向東，自南向北傾斜。老鐵山水遭底部成V形溝谷，形成洼槽與壟脊并列相間延伸的地形。北隍城島北側(cè)的斷裂下陷部位與V形溝谷的南坡相連。形成渤海海峽最深陡的洼槽，底部堆積著直徑2～7 cm的礫石。廟島海峽底部沖刷槽起伏大，有兩個深凹，各島之間水道的掘蝕洼地，平面輪廓多為規(guī)模較小的橢圓形，有砂礫覆蓋，兩壁呈水平層理的河湖相淤泥層，部分也有基巖出露，如圖6所示。

圖6 渤海海峽海底地形地貌Fig.6 Bohai Strait undersea topography

4）對線位選擇的影響分析。由于渤海海峽有很多島嶼，且南北方向呈一直線擺開，島嶼周圍的水深較淺，因此，無論橋梁方案或隧道方案在線位比選時，優(yōu)先選擇連島方案都是有利的。對于橋梁方案，可以利用島嶼減少橋梁的長度，并且由于水深較淺可以減小橋墩高度。對于隧道方案，可以利用島嶼設(shè)置施工豎井及運營通風(fēng)豎井，避免在海上設(shè)置人工島而增加成本及建設(shè)的難度，同時由于水深較淺可以減小隧道深度。

由于老鐵山水道水深最大，最大水深達(dá)85 m，為海上運輸穿越渤海海峽的主要航道，這是工程方案比選主要考慮的因素之一。如果選擇橋梁跨越，則必須考慮橋梁大跨度問題及深水橋墩修建的難度問題；如果選擇隧道穿越，則必須考慮隧道的合理埋深問題及高水壓隧道施工難題。初步分析，采用隧道方案穿越老鐵山水道更優(yōu)。

4 渤海海峽地層巖性

根據(jù)有關(guān)部門的研究資料[10，11]，渤海海峽區(qū)內(nèi)出露地層為上元古界的“蓬萊群”，為一套淺變質(zhì)巖系，上部為新生代的第三系和第四系地層。

1）上元古界蓬萊群。a.豹山口組，下部以絹云千枚巖為主，夾含礫石英巖和長石石英巖，上部主要為紫色、青灰色板巖夾長石石英巖或石英巖，主要分布于大竹山島、小竹山島、車由島、砣子島、高山島、猴磯島和砣磯島等島嶼上。b.輔子夼組，下部主要為青灰色、紫色板巖與石英巖互層，厚度較大。主要分布在大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島、南長山島、北長山島、大黑山島、小黑山島等島嶼上。

2）新生代地層。第三系地層為兩期火山噴發(fā)的玄武巖，下部氣孔構(gòu)造發(fā)育，具備有斑晶，斑晶為伊丁石化橄欖石；上部為深灰黑色、致密、堅硬的玄武巖，偶見斑晶，斑晶為輝石和伊丁石橄欖石。主要分布于大黑山島，最大厚度達(dá)70 m。

第四系地層在多數(shù)島嶼及海底均有分布，尤其在大欽島、砣磯島、大黑山島、南長山島較發(fā)育，由南向北逐漸增厚。在海底的第四系地層最大厚度初步估計達(dá)30 m左右。第四系地層按其成因分為殘積層、坡積-洪積層、海積層。

殘積層由礫石和棕紅色亞黏土組成，厚度一般為l～3 m，系原巖風(fēng)化物，多分布于山丘地區(qū)。礫石主要為石英碎塊，磨圓度差，呈棱角狀。亞黏土由砂礫和黏土組成。

坡積-洪積層主要由礫石、含礫亞砂土和亞黏土組成，分布于溝谷兩側(cè)、山坡地帶和平緩處，有的夾有礫石層，富含鈣質(zhì)，局部含姜結(jié)核。此層厚度變化大，一般為20～40 m，有的厚達(dá)60多米。

海積層主要由礫石，亞黏土，粉砂、海洋生物遺骸和貝殼組成。分布于各大島海岸線平緩處。礫石為石英巖，多為球形。

渤海海峽地層剖面如圖7所示。

圖7 渤海海峽地層剖面Fig.7 Geological profile in Bohai Strait

3）對隧道埋深的影響分析[11，12]。根據(jù)目前已有的渤海海峽地層巖性資料，其第四系地層厚度較小，結(jié)構(gòu)松散，沒有隔水層，穩(wěn)定性差；第三系地層為火山噴發(fā)的玄武巖，大孔隙結(jié)構(gòu)，透水性較強。因此，不能采用淺埋隧道方案而把隧道設(shè)置在這兩個地層中；應(yīng)該考慮采用深埋隧道方案，把隧道設(shè)置于花崗巖地層中，這樣水壓相對較小、地層相對穩(wěn)定，對隧道施工和運營都有利。

5 渤海海峽地質(zhì)構(gòu)造

1）渤海海峽地質(zhì)構(gòu)造[13，14]。渤海海峽及其兩岸的斷裂較為發(fā)育，渤海海峽主要是NE、NWW向斷裂[11，12]，如圖8所示。主要的斷裂有郯廬斷裂帶，NNE向，其渤海段是控制渤海灣盆地東側(cè)邊界的斷裂，也稱營口—濰坊斷裂，在萊州灣進(jìn)入渤海后，在渤海南部海域郯廬斷裂主要分為兩支：張家口—蓬萊斷裂帶，NWW向，渤海中部及南部海域內(nèi)的NW向斷裂都被認(rèn)為是張家口—蓬萊斷裂帶的次級斷裂，它們控制了海域內(nèi)的次級構(gòu)造凸起和凹陷，并在渤海中部切過郯廬斷裂帶；還有一組NEE-EW向斷裂，主要分布于凹陷或凸起上，規(guī)模較大的如萊北斷裂、墾北斷裂、黃河口斷裂等。

圖8 渤海海峽斷裂構(gòu)造分布Fig.8 Bohai Strait fracture distribution

渤海海峽不僅前第四紀(jì)的斷裂活動頻繁、強烈，而且第四紀(jì)以來存在一系列的繼承性斷裂活動，尤其是晚更新世以來的構(gòu)造運動比較突出。淺地層剖面反映的部分活動斷層位于活動斷裂帶附近，深部的錯動引起上覆地層發(fā)生位移形成繼承性的活動斷層。渤海海峽北部及廟島群島海域分布著大量火成巖侵入體。渤海海峽海域第四紀(jì)曾經(jīng)歷過多次火山活動，晚更新世火山巖以凝灰?guī)r為主。

2）對隧道的影響分析[11，12]。根據(jù)已有的渤海海峽地質(zhì)構(gòu)造資料，穿島方案線位的隧道必須穿越兩組主要的NWW向斷裂構(gòu)造帶，以及島上一系列小的斷裂構(gòu)造帶，而海峽最大的郯廬斷裂帶與隧道基本平行，且相距有40多千米，對隧道的影響相對較小。隧道施工穿越構(gòu)造帶的時候，突水突泥的風(fēng)險較大，施工時必須做好地質(zhì)預(yù)報及超前加固地層、堵水措施。

6 渤海海峽地震

1）渤海地區(qū)地震活動特征[14，15]。已有的資料表明，在我國近海海域中，渤海是我國強震最為活躍的海域之一。本區(qū)屬華北地震區(qū)，根據(jù)區(qū)域大地構(gòu)造、新構(gòu)造、地球物理場和地震活動等特征，可以劃分出河北平原地震帶、郯廬地震帶、北京—渤海強震帶、遼東地震帶、遼西地震帶和石家莊—安丘地震帶。東部地區(qū)4次強烈地震（河北省邢臺1966年7.2級、渤海1969年7.4級、遼寧省海城1975年7.3級、河北省唐山1976年7.8級）均發(fā)生在這個地域內(nèi)。全區(qū)90%的6～6.9級強震和全部大于7級的大震都發(fā)生在這幾條強震帶上。自公元1548年以來，本區(qū)記錄到的5級以上地震13次，其中7級以上的地震4次，平均120年發(fā)生一次，1888年7.5級地震為最大；6級以上的地震7次；6級及其以下地震的記載缺失較多。圖9為渤海地區(qū)發(fā)生于公元1548年至2005年5月時期4級及以上的地震分布。

圖9 近500年渤海地區(qū)中強震（M≥4）分布Fig.9 Moderate strong earthquake（M≥4）distribution of Bohai region in nearly 500 years

渤海及周邊地區(qū)現(xiàn)今小震活動分布如圖10所示，從圖中可以看出存在4個小震密集區(qū)，分別為1976年唐山、1975年海城、1969年渤海大地震區(qū)和山東半島煙臺外側(cè)海域。渤海海域內(nèi)小震的分布是不均勻的，絕大多數(shù)分布在中部和南部，遼東灣是一個相對空白區(qū)。小震的分布也呈NNE向和NW向兩個趨勢，與強震分布趨于一致，也與NNE向郯廬斷裂帶和NWW向的張家口—蓬萊斷裂帶的位置基本相同，顯示了上述兩條斷裂對渤海地震活動的控制作用[14～16]。

圖10 渤海地區(qū)小震分布Fig.10 Distribution of small earthquakes in Bohai region

2）渤海海峽地區(qū)穩(wěn)定性評價。通過對環(huán)渤海地區(qū)地震學(xué)參數(shù)等綜合分析認(rèn)為，渤海海峽及鄰區(qū)有發(fā)生5級以上地震的異常背景。預(yù)測區(qū)域為：膠東北部海域3級地震集中區(qū)及邊緣有發(fā)生4.5級左右地震的可能；唐山老震區(qū)仍有發(fā)生5級左右地震的可能；海城老震區(qū)5.4級地震后地震活動水平呈下降趨勢，小震活動頻繁，但無明顯地震異常。

從圖9、圖10可以看出，初步擬定的蓬萊—旅順線位穿過NWW向的張家口—蓬萊斷裂帶，該斷裂帶在靠近蓬萊地段地震較多，工程場址附近發(fā)生過4級以上地震有幾次，4級以下的小震十分密集，因此，采用抗震效果較好的隧道方案優(yōu)于橋梁方案。

7 結(jié)語

通過對渤海海峽的氣象、水文及地質(zhì)等自然條件的分析，得出以下初步結(jié)論。

1）渤海海峽島嶼眾多，且南北向排列，跨海工程線位可選擇連島方案，以減小工程建設(shè)的難度和建設(shè)成本。

2）由于渤海海峽風(fēng)大、霧大、持續(xù)時間長，而且老鐵山水道又是重要的航道，這些條件不利于選擇橋梁作為跨海通道方案。

3）通過對地質(zhì)構(gòu)造及地震分布特征分析，擬選的蓬萊—旅順線位場址附近斷裂帶較少，地層相對穩(wěn)定。

4）渤海海峽第四系地層穩(wěn)定性差，厚度不均，海底一般達(dá)30 m左右，第三系地層主要為玄武巖，大孔隙結(jié)構(gòu)，分布極不均勻，最厚的達(dá)70 m。這兩套地層對隧道埋深的選擇有一定影響，建議采用深埋隧道方案，將隧道設(shè)置于穩(wěn)定的基巖中。

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Analysis of natural condition for Bohai Strait cross-sea engineering

Tan Zhongsheng，Wu Yongsheng，Wan Fei
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Geological conditions of Bohai Strait is complicated.Meteorological conditions，topography，stratum lithology，geological structure，earthquake activity are directly related to the Bohai Strait cross-sea construction successful or not.Adopting the research method，a lot of engineering geological and hydrogeological data of the bohaistraitwere collected，and detailed analysis has been carried on，the regional stability evaluated.The bridge is not disadvantage of the all-weather horoughfare，for thick fog，high wind and the average gale in year days up to 67.8 days in Bohai Strait；because there are some islands and islets what keep a line along the longitude，the joining islands are choosed for the Bohai Strait cross-sea engineering construction to reduce the difficulty and cost of construction.There are the poor stability Quaternary stratigraphic and third strata mainly basalt，large pore structure，very uneven distributed and up to 70 m cover，and these two sets of strata have great influence on theoption of buried depth of the tunnel.To line of Penglai—Lvshun，there are not active faults in construction site，and the formation of relatively stable.These work can provide reference for the Bohai Strait crosssea construction.

Bohai Strait；cross-sea engineering；geological condition

U45

A

1009-1742（2013）12-0032-07

2013-10-22

譚忠盛（1963—），男，廣西梧州市人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作；E-mail：zstan@vip.sina.com