河北南堡-曹妃甸海域工程地質(zhì)條件及海底穩(wěn)定性評價

徐元芹，李萍，劉樂軍*，傅命佐，高珊

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

河北南堡-曹妃甸海域工程地質(zhì)條件及海底穩(wěn)定性評價

徐元芹1,2，李萍1,2，劉樂軍1,2*，傅命佐1,2，高珊1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

本文通過土工實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)河北南堡-曹妃甸海域沉積物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土組成，約占總沉積物的85%，另含有少量的淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和中砂。綜合歸納南堡-曹妃甸海域的工程地質(zhì)條件，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質(zhì)條件差異性最突出的因素即海底地形地貌、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布，結(jié)合海底土質(zhì)類型及其物理力學(xué)性質(zhì)等條件,將研究區(qū)劃為4個工程地質(zhì)區(qū)，分別為近岸水下岸坡混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)、侵蝕平原、洼地砂質(zhì)土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)、侵蝕洼地混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)、陸架堆積平原細(xì)粒土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅳ)。通過海洋環(huán)境因素、災(zāi)害地質(zhì)條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質(zhì)區(qū)進(jìn)行海底穩(wěn)定性評價,4個工程地質(zhì)區(qū)的穩(wěn)定性分別為Ⅰ區(qū)：不穩(wěn)定區(qū)；Ⅱ區(qū)：較穩(wěn)定區(qū)；Ⅲ區(qū)：較不穩(wěn)定區(qū)；Ⅳ區(qū)：穩(wěn)定區(qū)。研究成果對該地區(qū)的海底工程建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。

南堡-曹妃甸海域；地質(zhì)災(zāi)害；工程地質(zhì)條件；穩(wěn)定性評價

1 引言

研究區(qū)位于渤海灣灣口北側(cè)，曹妃甸外海。曹妃甸是渤海灣內(nèi)正在開發(fā)的深水港口和在建的臨港工業(yè)區(qū)，其臨近海域蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣資源。隨著港口建設(shè)和海上油氣田開采，海洋工程建設(shè)增多，極有必要對曹妃甸附近海域的海底工程地質(zhì)條件及海底穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查與分析，這對該地區(qū)的海底工程建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。

自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)不少學(xué)者對曹妃甸及附近海域沉積物進(jìn)行了研究，取得了大批有價值的成果，但這些成果主要集中于晚更新世末期以來古植被與古氣候的演變序列及古環(huán)境恢復(fù)[1—2]，沉積物分布特征[3],表層沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)特征[4]，工程地質(zhì)特征及插樁深度和樁基適宜性等方面[5-6]。針對曹妃甸海域海底穩(wěn)定性評價的研究還未有報道，本文在綜合歸納南堡-曹妃甸海域的工程地質(zhì)條件，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質(zhì)條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布，結(jié)合海底土質(zhì)類型及其物理力學(xué)性質(zhì)等條件,進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)，并從海洋環(huán)境因素、災(zāi)害地質(zhì)條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質(zhì)區(qū)進(jìn)行海底穩(wěn)定性評價。

2 樣品與方法

研究區(qū)面積約為1 955 km2，均勻布設(shè)了95個采樣站位，取樣間距約為5 km。研究所用樣品包括2009年5月采集的16根重力柱狀樣和46個表層樣，以及2009年7月采集的33個表層樣。柱狀樣最短的為66 cm，最長的為355 cm，平均長度為194 cm。研究區(qū)域及取樣位置見圖1。

圖1 表層樣與柱狀樣取樣站位Fig.1 Sampling stations of surface and columnar samples

現(xiàn)場對表層沉積物進(jìn)行了含水率、密度、十字板剪切和微型貫入實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)測試依樣品性質(zhì)而定，對分段樣品(25～35 cm)進(jìn)行了含水率、密度、粒度、十字板剪切、貫入阻力、液塑限、快速固結(jié)及靜三軸剪切實(shí)驗(yàn)(UU)(2009年完成)。含水率測試采用烘干法，密度采用環(huán)刀法，粒度采用激光粒度法，十字板剪切強(qiáng)度采用微型十字板，貫入阻力采用袖珍貫入儀，液塑限采用液限塑限聯(lián)合測定法，快速固結(jié)采用三聯(lián)低壓固結(jié)儀(壓力等級為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，靜三軸剪切試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水法(周圍壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa)，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999。本文參照《海洋調(diào)查規(guī)范第11部分：海洋工程地質(zhì)調(diào)查》(GB/T 12763.11-2007)對土樣進(jìn)行分類和定名，其中，粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥屬于黏性土，砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土屬于粉土，中砂、細(xì)砂和粉砂屬于砂土。

3 海底土物理力學(xué)性質(zhì)特征

3.1 表層土的物理力學(xué)性質(zhì)特征

表層土是指深度0～0.4 m的海底土層?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本區(qū)表層土分布有淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉砂及少量的中砂和細(xì)砂。表層土的含水率介于30.83%～86.74%之間，平均為65.64%；天然密度介于1.57～1.96 g/cm3之間，平均為1.68 g/cm3；十字板剪切強(qiáng)度變化范圍為1.00～4.20 kPa，平均為2.40 kPa，貫入阻力變化范圍為1.45～7.80 N，平均為4.08 N。因表層土屬現(xiàn)代沉積，正遭受著海洋動力作用，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以表層土的物理力學(xué)性質(zhì)只能作為區(qū)域性對比的依據(jù)之一。對具體某一區(qū)域的工程特征來說，應(yīng)以淺層土的測試結(jié)果為依據(jù)。

3.2 淺層土的物理力學(xué)性質(zhì)特征

淺層土是指所取得的柱狀巖心深度范圍的土層。本區(qū)柱狀樣的巖性存在較大的變化，研究區(qū)西南部的NO-2、NO-5、NO-16、NO-18、NO-20、NO-27及東北部的NO-59站位，巖性以淤泥為主，含有少量的淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土及黏質(zhì)粉土。研究區(qū)域中部的NO-31、NO-41、NO-43、NO-45、NO-50、NO-55、NO-64、NO-69、NO-75站位(圖1)，巖性以粉砂、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和黏土為主，含有少量的粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂和礫砂。圖2為各個站位土類的垂直分布情況。

圖2 各站位土類的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soils at each station

不同深度處的淺層土物理力學(xué)性質(zhì)相差很大。黏性土的含水量最高，介于25.23%～80.14%之間，平均為58.23%，粉土含水量介于22.92%～44.16%之間，平均28.85%，砂土的含水量最低，介于18.22%～31.32%之間，平均為25.80%。含水量的變化規(guī)律是：與黏粒含量呈正比，粒度越細(xì)含水量愈高；與樣品深度呈反比，深度愈大，含水量愈低，即從表層向下，含水量變低。黏性土、粉土、砂土的平均密度值分別為1.71 g/cm3、1.99 g/cm3、2.00 g/cm3，可以看出，顆粒組成越細(xì)，密度越低。海底土的孔隙性與其結(jié)構(gòu)、顆粒大小、排列及密實(shí)程度有關(guān)，本區(qū)黏性土孔隙度最高，平均為1.54，粉土平均為0.74，砂土平均為0.69。粒度越細(xì)，孔隙度越高，反之孔隙度低。

反映海底土可塑性的指標(biāo)包括液限(WL)、塑限(WP)、塑性指數(shù)(IP)和液性指數(shù)(IL)。本區(qū)黏性土的液限、塑限和塑性指數(shù)平均值分別為59.75%、29.79%和36.35%；粉土的液限、塑限和塑性指數(shù)分別為49.11%、21.77%、32.09%；不難看出，各類土的可塑性與黏粒含量密切相關(guān)。黏粒含量高，可塑性好，反之則差。黏性土可塑性好，粉土的可塑性較差，砂土不具可塑性。

本區(qū)黏性土、粉土、砂土內(nèi)聚力(靜三軸UU)的平均值分別是7.10 kPa、6.97 kPa、3.27 kPa，內(nèi)摩擦角(靜三軸UU)的平均值分別是3.31°、21.58°、25.20°；壓縮系數(shù)的平均值分別是1.75 MPa-1、0.43 MPa-1、0.42 MPa-1，黏性土屬高壓縮性土，粉土和砂土屬中壓縮性土。黏性土的內(nèi)聚力較大、內(nèi)摩擦角很小，這與本區(qū)黏性土的粒度成分和含水量等相吻合。而粉土和砂土的內(nèi)聚力較小，內(nèi)摩擦角較大，這是由于其顆粒較粗，含水量較低的緣故。

4 區(qū)域工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件評價是一項(xiàng)綜合分析各項(xiàng)因素后進(jìn)行的系統(tǒng)工程[7—8]，直接影響曹妃甸海域海底工程安全的因素可以歸納為4個方面，分別為海洋環(huán)境因素、地震活動性、災(zāi)害地質(zhì)特征及海底土穩(wěn)定性[9]，另外本區(qū)地形地貌類型復(fù)雜多樣，其對區(qū)域工程地質(zhì)條件也存在較大的影響。

4.1 海洋環(huán)境因素評價

曹妃甸海域地處中高緯度，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)的懸浮物質(zhì)主要來源于灤河，其分布范圍和擴(kuò)散趨勢受渤海環(huán)流、灤河沖淡水(沿岸流)及其他海洋動力因素(波浪、潮汐)的共同控制。

(1)波浪：曹妃甸海區(qū)以風(fēng)浪為主，波高多在0.7～1.1 m之間，常浪向?yàn)镾，次常浪向?yàn)镾E。強(qiáng)浪向?yàn)镋NE，H1/10≥1.8 m的出現(xiàn)頻率為0.81%；次強(qiáng)浪向?yàn)镹W和NE，H1/10≥1.8 m的出現(xiàn)頻率分別為0.68%和0.53%[10]。H1/10<0.6 m的波浪占波浪總數(shù)的60%。曹妃甸海域?qū)Π稙_淤演變起控制作用的主要為輕浪、中浪和大浪，波浪對泥沙的作用主要反映在橫向輸沙的沙壩塑造作用和對潮灘灘面的掀沙侵蝕作用[11]。

(2)渤海環(huán)流、灤河沖淡水：渤海環(huán)流逆時針方向流動，這一環(huán)流將大量灤河沖淡水輸送的懸移物質(zhì)帶向曹妃甸海域，在研究區(qū)東側(cè)，形成與岸線平行的潮流沙脊，沙脊與海岸之間是大型潮汐通道，3條沙脊呈雁形排列，沙脊高3～5 m，寬300～1 000 m，長達(dá)17 km[12]。

(3)潮流：區(qū)內(nèi)潮流基本屬往復(fù)流，在甸頭東側(cè)與老龍溝潮灘明顯存在逆時針旋轉(zhuǎn)流特性，流速具有甸頭附近、岬角深槽和潮溝處較大，岸灘附近與外海流速稍弱的分布規(guī)律[11]。

風(fēng)浪對區(qū)內(nèi)含沙量影響明顯，潮流影響較弱，隨著灤河的改道東移與入海泥沙的急劇減少，區(qū)內(nèi)泥沙明顯供給不足，導(dǎo)致東坑坨、曹妃甸等沙島外側(cè)的近岸區(qū)域整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)[10]。其外側(cè)的侵蝕平原、洼地區(qū)域主要是在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的相互作用下形成的，是現(xiàn)代海洋動力條件下的活動底形形態(tài)，隨著大潮，特別是風(fēng)暴潮作用下易改變形態(tài)和位置。曹妃甸深槽區(qū)以往復(fù)流運(yùn)動為主，雖然潮差較小，但獨(dú)特的甸頭岬角效應(yīng)，形成的甸頭深槽為水流最強(qiáng)區(qū)，是維持深槽水深的主要動力[13]。研究區(qū)南部地勢平坦，海洋動力作用相對較弱，侵蝕沖刷也較弱。

4.2 地形地貌

近岸區(qū)等深線平行于岸線，地形坡度較大，水深變化劇烈，海底沖蝕溝槽與潮流沙壩相間分布，20 m等深線逼近海岸。曹妃甸外的海底深槽區(qū)，水深最深39 m，是研究區(qū)最大水深，深槽兩側(cè)向槽中傾斜，槽底呈平緩的波狀起伏。深槽的北坡較南坡陡，北坡坡角為0.16°，南坡坡角為0.05°。深槽南側(cè)為平原區(qū)，由南向北緩傾，坡角為0.03°，地勢略有起伏。深槽東北側(cè)，地形相對平坦，由陸向海緩傾，局部區(qū)域發(fā)育有波狀起伏帶(圖3)。

近岸區(qū)地貌單元主要為緩斜的水下侵蝕堆積岸坡、侵蝕的水下階地、陡斜的水下堆積岸坡。曹妃甸深槽區(qū)地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘。深槽南側(cè)地貌單元主要為平坦的陸架堆積平原、起伏的陸架侵蝕洼地。深槽東北側(cè)地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕平原、起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。

4.3 地震活動性

本區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，38°30′～40°00′N，117°30′～120°00′E范圍內(nèi)，在1927-1991年內(nèi)，發(fā)生3.0～4.6級地震625次，頻率為135次/百年，4.7～5.9級地震60次，頻率為12.9次/百年，6.0～6.9級地震6次，頻率為1.29次/百年，7.0～7.9級地震4次，頻率為0.86次/百年。說明該海域活動性較強(qiáng)，對研究區(qū)影響較大。地震震源深度一般在20 km左右，最淺的小于5 km，最深的33 km，均為淺震[6]。本區(qū)屬地震Ⅶ度烈度區(qū)，潛在震源區(qū)上限劃為6.0級，屬地殼不穩(wěn)定區(qū)[14]。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目在規(guī)劃和設(shè)計時，要充分考慮地殼不穩(wěn)定性的影響。

4.4 災(zāi)害地質(zhì)條件

研究區(qū)主要的災(zāi)害地質(zhì)類型為沙波沙丘、陡坡和陡坎、侵蝕溝槽、埋藏斜層、低洼地、斷裂、淺層氣(圖5)。

(1)沙波沙丘：主要分布在起伏的陸架侵蝕平原西南部的淺灘上，洼地中也有活動沙波分布，沙波沙丘在風(fēng)暴潮作用下的移動和伴隨的侵蝕與淤積會對跨海管線、海纜和海底建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅[15]。

(2)陡坡、陡坎：基本與海岸線平行分布，貫穿整個研究區(qū)，坡度較大，陡坡坡角0.8°～1.2°，陡坎坡角2°～4°，最大坡角4.68°，陡坎、陡坡在海洋動力和地震等作用下是潛在滑坡風(fēng)險的地形因素，也是海底管線鋪設(shè)施工中必須避讓或處理的災(zāi)害地質(zhì)因素[15]。

(3)侵蝕溝槽：研究區(qū)內(nèi)侵蝕溝槽分為兩部分，一是位于老龍溝口的兩條溝槽，二是由曹妃甸頭向東南延伸的規(guī)模較大的溝槽。侵蝕溝槽由海底表層沉積物遭受侵蝕沖刷而成，溝槽首先是地形起伏，成為工程地質(zhì)障礙性因素﹔其次有的溝槽標(biāo)志著海底的侵蝕作用仍在進(jìn)行，侵蝕作用改變海底地形結(jié)構(gòu)，可能使海底管線造成位移、架空甚至斷裂[15]。

圖3 研究區(qū)地形圖Fig.3 Topographic map of study area

圖4 研究區(qū)地貌圖Fig.4 Geomorphologic map of study area

圖5 災(zāi)害地質(zhì)類型分布圖Fig.5 Distributions of geological hazards

(4)埋藏斜層：研究區(qū)內(nèi)分布有3處埋藏斜層區(qū)，一處位于曹妃甸南頭的侵蝕洼地中，面積約為50 km2，另外兩處位于研究區(qū)中部，面積分別為22.6 km2和16.2 km2。埋藏斜層的深度數(shù)十米不等，分布無規(guī)律性，傾斜角度為SW向，下伏地層力學(xué)性質(zhì)不一，為潛在地質(zhì)災(zāi)害，對海灣工程建設(shè)有一定影響，如樁基穩(wěn)定性[15]。

(5)低洼地：分布于研究區(qū)中部的潮流沙脊群內(nèi)，地形起伏變化較大，并且水動力作用較強(qiáng)，對海底電纜和輸油氣管線鋪設(shè)等海洋工程有潛在的危害性[9]。

(6)活動斷層：區(qū)內(nèi)斷裂有4條，均勻分布于研究區(qū)內(nèi)，大體為NW-SE走向?；顒訑嗔?，特別是切割第四紀(jì)的活動斷裂的緩慢移動會引發(fā)地震等災(zāi)害。

(7)淺層氣：研究區(qū)西部的陡斜的水下岸坡坡麓堆積體和坡麓低洼槽內(nèi)充填層中分布有淺層氣，呈長條狀分布，長度約為21 km，寬度1～2.6 km，面積約為31 km2。本區(qū)海底表面沒有發(fā)現(xiàn)成群的麻坑狀地貌特征，說明淺層氣壓力不大，災(zāi)害性較小[15]。

4.5 海底土體穩(wěn)定性

4.5.1 波浪荷載作用下的土體穩(wěn)定性分析

海底土的滑移是造成海底管線及構(gòu)筑物損壞的主要因素，海底斜坡土體的失穩(wěn)，多數(shù)是在風(fēng)暴潮期間發(fā)生的。風(fēng)暴潮引起的巨浪一方面會增加土體的剪切應(yīng)力；另一方面誘發(fā)土體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓，使其有效應(yīng)力減小，從而降低其抗剪強(qiáng)度[16—18]。

南堡-曹妃甸海域水深介于5.0～32.7 m之間，水深變化劇烈，海底地形復(fù)雜多樣，海底侵蝕溝槽、沙波沙丘、陡坡陡坎均有分布，海底坡角介于0.8°～4.0°之間，最大坡角4.68°。研究區(qū)主要分布有松散的粉砂、細(xì)砂、粉土、黏土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥。表層黏性土(包括黏土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥)的不排水剪切強(qiáng)度在2.00～11.50 kPa之間。

根據(jù)艾里波理論，假定海底為剛性，海底以下一定深度處，波致剪切應(yīng)力的幅值τz為[19]

τz=P0λZe-λZ,

(1)

(2)

根據(jù)土體的極限平衡理論，表層黏性土穩(wěn)定的條件是土的不排水剪切強(qiáng)度大于或者等于外力在土體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力。本文計算了研究區(qū)表層黏性土在5 a、50 a一遇特大波浪荷載作用下的剪應(yīng)力，結(jié)果見表1和表2?？梢钥闯霰韺羽ば酝恋牟慌潘羟袕?qiáng)度均大于波浪作用所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。因此，在5 a、50 a一遇波浪作用下，大部分表層黏性土處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生局部滑移或?qū)娱g蠕滑現(xiàn)象。而近岸區(qū)和曹妃甸深槽區(qū)與周圍環(huán)境相比，地形陡且坡降大，表層黏性土在極限波浪條件作用下有可能存在滑移或?qū)娱g蠕滑的現(xiàn)象。

表1 5 a一遇波浪作用下土層的剪應(yīng)力

表2 50 a一遇波浪作用下土層的剪應(yīng)力

4.5.2 飽和砂土液化勢分析

根據(jù)海底土的土質(zhì)條件，可以評價砂土液化的可能性。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191-2012)：6度時一般不計液化的影響；粉土中粒徑小于0.005 mm的黏粒含量百分率，7度、8度和9度分別不小于10%、13%和16%時，可不計液化的影響。研究區(qū)內(nèi)粉土一般不易液化，粉砂(黏粒含量介于3.79%～16.12%，平均值為12.20%)在8度地震時有液化的可能性，細(xì)砂(黏粒含量介于1.43%～2.67%，平均值為1.91%)和中砂(黏粒含量介于0.00～4.86%，平均值為1.21%)7度地震就有液化風(fēng)險。本區(qū)屬地震Ⅶ度烈度區(qū)，近岸區(qū)域由大面積細(xì)砂分布，存在液化風(fēng)險。其他區(qū)域主要由粉砂和粉土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土及黏土組成，地震液化風(fēng)險不大。

5 工程地質(zhì)分區(qū)

工程地質(zhì)分區(qū)是在綜合歸納各種工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)差異性和相似性原則進(jìn)行的單元劃分[20]。綜合歸納上述南堡-曹妃甸海域的工程地質(zhì)條件特征，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質(zhì)條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布，結(jié)合海底土質(zhì)類型及其物理力學(xué)性質(zhì)等條件，可將該區(qū)域劃分為4個工程地質(zhì)區(qū)(圖6)，各工程地質(zhì)區(qū)的土體的物理力學(xué)性質(zhì)特征見表3。

圖6 工程地質(zhì)分區(qū)圖 Fig.6 Engineering geological zoning map

近岸水下岸坡混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)：分布在研究區(qū)北部的南堡-曹妃甸近岸水下岸坡區(qū)域，占總面積的28.4%。沉積物類型主要為細(xì)砂、黏土、淤泥質(zhì)黏土，含有少量的粉砂和淤泥。等深線平行于岸線，地形坡度較大，水深變化劇烈(圖3)。地貌單元主要為緩斜的水下侵蝕堆積岸坡、侵蝕的水下階地、陡斜的水下堆積岸坡(圖4)。主要的災(zāi)害地質(zhì)類型有陡坡、淺層氣、侵蝕溝槽、斷裂，陡坡、侵蝕溝槽在水動力作用下，均具有較大活動性，淺層氣、斷裂危害性相對不大。

侵蝕平原、洼地砂質(zhì)土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)：分布在研究區(qū)東北部的陸架侵蝕平原、陸架侵蝕洼地區(qū)域，占總面積的34.8%。主要由粉砂、粉土組成，含有少量的中砂。地形相對平坦，由陸向海緩傾，局部區(qū)域發(fā)育有波狀起伏帶(圖3)。地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕平原、起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。主要的災(zāi)害地質(zhì)類型有沙波沙丘、淺灘、埋藏斜層、低洼帶、斷裂，沙波沙丘具有活動性，低洼帶、埋藏斜層在沒用工程建設(shè)時不具危險性，淺灘、斷裂的危害性較小。

侵蝕洼地混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)：位于曹妃甸東南的深槽區(qū)，近東西走向，面積約占研究區(qū)域的17.3%。由粉砂、粉土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥組成。深槽兩側(cè)向槽中傾斜，槽底呈平緩的波狀起伏。深槽的北坡較南坡陡，北坡坡角為0.16°，南坡坡角為0.05°(圖3)。地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。主要的災(zāi)害地質(zhì)類型有侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘、埋藏斜層、斷裂，侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘在較強(qiáng)的水動力條件下，活動性大，具有一定的危害性。埋藏斜層、斷裂的危害性相對不大。

陸架堆積平原細(xì)粒土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅳ)：分布在曹妃甸碼頭東南的陸架堆積平原區(qū)，占總面積的19.5%。主要由淤泥組成，含有少量的淤泥質(zhì)黏土和黏土。位于曹妃甸深槽南側(cè)，由南向北緩傾，坡角為0.03°，地勢略有起伏(圖3)。地貌單元主要為平坦的陸架堆積平原、起伏的陸架侵蝕洼地(圖4)。幾乎不存在地質(zhì)災(zāi)害，危害性極小。

表3 各工程地質(zhì)區(qū)沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

注：斜線前數(shù)值為范圍值，斜線后數(shù)值為平均值。

圖7 海底穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of seabed stability

6 海底穩(wěn)定性評價

根據(jù)上述分析，從海洋環(huán)境因素、災(zāi)害地質(zhì)條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質(zhì)區(qū)進(jìn)行海底穩(wěn)定性評價，南堡-曹妃甸海域的4個工程地質(zhì)區(qū)的海底穩(wěn)定性分別為不穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、較不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)(圖7)。

6.1 不穩(wěn)定區(qū)

近岸水下岸坡混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)：本區(qū)位于陡斜的水下堆積岸坡和水下階地區(qū)域，海底地形變化急劇，大量陡坡、陡坎分布且坡度變化較大。本區(qū)有大面積細(xì)砂分布，存在地震液化風(fēng)險，黏性土在極限波浪作用下有滑移或?qū)娱g蠕滑的可能性。隨著灤河的改道東移，泥沙明顯供給不足，導(dǎo)致本區(qū)整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)?？傮w而言，本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性高，海底穩(wěn)定較差。

6.2 較穩(wěn)定區(qū)

侵蝕平原、洼地砂質(zhì)土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)：本區(qū)位于陸架侵蝕平原，海底較平坦，局部海區(qū)發(fā)育有波狀起伏帶。新構(gòu)造運(yùn)動不明顯，有一條斷裂分布，并伴有淺斷層。本區(qū)是在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的相互作用下形成的，在大潮，特別是風(fēng)暴潮作用下，沙波沙丘活動性較強(qiáng)，但未見滑坡和塌陷。區(qū)內(nèi)主要分布粉砂、粉土，地震液化風(fēng)險不大?？傮w而言，本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性不高，海底較穩(wěn)定。

6.3 較不穩(wěn)定區(qū)

侵蝕洼地混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)：本區(qū)位于內(nèi)陸架侵蝕洼地，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，有斷層分布。區(qū)內(nèi)有侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘、埋藏高角度斜層。本區(qū)水深、浪高、流大、潮流作用明顯，對海底土體具有破壞作用。幾乎不存在地震液化風(fēng)險。總體而言，地質(zhì)災(zāi)害危險性較高，海底較不穩(wěn)定。

6.4 穩(wěn)定區(qū)

陸架堆積平原細(xì)粒土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅳ)：本區(qū)位于平坦的陸架堆積平原，主要由細(xì)粒土組成，地質(zhì)構(gòu)造簡單，未發(fā)現(xiàn)斷裂，歷史上地震記錄較少，近期更少，處于相對“寧靜”時期。通過多個站位計算，在波浪、地震共同作用下土體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)滑坡和塌陷。地質(zhì)災(zāi)害危險性低，海底穩(wěn)定性較高。

7 結(jié)論

(1)根據(jù)表層土和淺層土的土工測試結(jié)果，河北南堡-曹妃甸海域沉積物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土組成，約占總沉積物的85%，另含有少量的淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和中砂。

(2)根據(jù)影響研究區(qū)工程地質(zhì)條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布，結(jié)合海底土質(zhì)類型及其物理力學(xué)性質(zhì)等條件，可將研究區(qū)劃分為4個工程地質(zhì)區(qū)，分別為近岸水下岸坡混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)、侵蝕平原、洼地砂質(zhì)土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)、侵蝕洼地混合土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)、陸架堆積平原細(xì)粒土工程地質(zhì)區(qū)(Ⅳ)。

(3)Ⅰ區(qū)位于陡斜的水下岸坡和階地區(qū)，細(xì)砂存在地震液化風(fēng)險，黏性土在極限波浪作用下有滑移或蠕滑可能性；隨著灤河改道，整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)，地質(zhì)災(zāi)害危險性高，海底穩(wěn)定較差。Ⅱ區(qū)位于陸架侵蝕平原，海底較平坦；在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的作用下，沙波活動性較強(qiáng)；土體地震液化風(fēng)險低。地質(zhì)災(zāi)害危險性不高，海底較穩(wěn)定。Ⅲ區(qū)位于內(nèi)陸架侵蝕洼地，有侵蝕溝槽、沙波沙丘、埋藏斜層等分布；區(qū)內(nèi)水深、潮流作用明顯，海底處于侵蝕狀態(tài)。地質(zhì)災(zāi)害危險性較高，海底較不穩(wěn)定。Ⅳ區(qū)位于平坦的陸架堆積平原，主要由細(xì)粒土組成，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，土體在波浪、地震作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，地質(zhì)災(zāi)害危險性低，海底穩(wěn)定性較高。

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Engineering geological conditions and seabed stability assessment of Nanpu-Caofeidian, Hebei Province

Xu Yuanqin1,2, Li Ping1,2, Liu Lejun1,2, Fu Mingzuo1,2, Gao Shan1,2

(1.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China;2.LaboratoryforMarineGeology,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266061,China)

In this paper, through the analysis of geotechnical test, sediment of the sea around Nanpu-Caofeidian is mainly composed of mud, silty sand, clay, silty soil, which account for 85% of the total number of analyzed samples. Muddy clay, silty clay, fine sand and medium sand are relatively less. According to the most prominent factor which influence the geotechnical conditions of Nanpu-Caofeidian area: submarine landform unit, potential geological hazards, combined with submarine soil type and its physical and mechanical properties, the research area can divide into four engineering geological zone, they are subaqueous slope mixed engineering geological zone(Ⅰ), erosion plain and depression sandy soil engineering geological zone(Ⅱ), erosion depression mixed engineering geological zone(Ⅲ), shelf accumulation plain fine grained soil engineering geological zone (Ⅳ) respectively. Through comprehensive analysis of the factors which influence the geotechnical conditions of sea floor by marine environment factors, seismic activity, disaster geology and soil stability, the seabed stability of the four engineering geological zones are unstable area(Ⅰ), relatively stable area (Ⅱ), relatively unstable area(Ⅲ), stable area (Ⅳ). The research results have important guiding significance for the construction and disaster prevention and reduction of the sea floor in this area.

Nanpu-Caofeidian sea area; disaster geology; geotechnical condition; seabed stability assessment

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.010

2016-07-29；

2016-11-29。

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BS2015HZ009)；國家自然科學(xué)基金委員會-山東省人民政府海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1606401)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41506071)。

徐元芹(1982—)，女，山東省臨朐縣人，助理研究員，主要從事海洋災(zāi)害地質(zhì)研究。E-mail:xuyuanqin03@126.com

*通信作者：劉樂軍(1972—)男，遼寧省大連市人，博士，研究員，主要從事海洋災(zāi)害地質(zhì)與工程地質(zhì)研究。E-mail:liulj@fio.org.cn

P737.17

A

0253-4193(2017)05-0103-12

徐元芹，李萍，劉樂軍, 等. 河北南堡-曹妃甸海域工程地質(zhì)條件及海底穩(wěn)定性評價[J]. 海洋學(xué)報, 2017, 39(5):103-114,

Xu Yuanqin, Li Ping, Liu Lejun, et al. Engineering geological conditions and seabed stability assessment of Nanpu-Caofeidian, Hebei Province[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5):103-114, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.010