長江深水航道揚(yáng)中河段水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測

陳林，周彥章，何寧

（1.長江重慶航道工程局，重慶400000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024）

長江深水航道揚(yáng)中河段水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測

陳林1，周彥章2*，何寧2

（1.長江重慶航道工程局，重慶400000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024）

針對長江深水航道水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測問題，結(jié)合其變形監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)，提出了水下軟基變形監(jiān)測原則性方案及新型成套技術(shù)設(shè)備，實(shí)施并得到了施工期及結(jié)束后水下軟基變形過程規(guī)律。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，典型斷面拋石期內(nèi)沉降量占總監(jiān)測期累積沉降量83%，深層水平位移量占總監(jiān)測期累積水平位移量78%，拋石加載是水下軟基土體分層沉降和深層水平位移發(fā)生的主要原因；經(jīng)最終沉降量推算，典型斷面地基土體平均固結(jié)度86.2%，壓縮變形基本完成，水下軟基漸趨穩(wěn)定。

水下護(hù)灘堤；軟土地基；土體分層沉降；深層水平位移；現(xiàn)場變形監(jiān)測；穩(wěn)定性分析

軟土地基天然含水率高、透水性差、壓縮性大、強(qiáng)度低，地基承載力及穩(wěn)定性差，荷載作用下軟土地基變形量較大[1-2]。

傳統(tǒng)或常規(guī)軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)通常適用于水面以上的建筑物，或在建筑物填筑出水后鉆孔埋設(shè)相關(guān)設(shè)備，難以解決水下建筑物軟土地基的變形監(jiān)測問題[3]。護(hù)灘堤工程始終處于大水深的江底，在堤軸線等關(guān)鍵位置搭設(shè)觀測平臺(tái)對施工干擾過大、儀器設(shè)備保護(hù)極為困難。目前，對于水下建筑物軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)方法的研究及應(yīng)用并不多見，尤其是施工及運(yùn)行期內(nèi)始終位于水下的建筑物，難以準(zhǔn)確測得加載全過程軟土地基的土體分層沉降和深層水平位移等變形過程。

為獲得拋石加載期地基土體變形過程、確保施工安全穩(wěn)定、避免干擾施工、維護(hù)儀器設(shè)備良好工作，提出了水下軟基土體變形測量的新型成套技術(shù)方法。

1 工程概況

長江南京以下深水航道揚(yáng)中河段護(hù)灘堤工程位于鎮(zhèn)江-揚(yáng)中河段泰興順直段鰻魚沙心灘處，臨近泰州長江大橋，通航環(huán)境復(fù)雜。鰻魚沙心灘將河槽分為左、右兩槽，由于心灘不穩(wěn)，主航道經(jīng)常易位，不利水文年常發(fā)生沖灘淤槽，甚至出現(xiàn)主槽易位或邊灘下移現(xiàn)象[4]，影響深水航道順利貫通。深水航道整治工程口岸直I標(biāo)在該河段拋石填筑護(hù)灘堤1道、共10.6 km，護(hù)灘堤兩側(cè)建23條護(hù)灘帶、共4.745 km，護(hù)灘堤護(hù)底采用混凝土聯(lián)鎖片軟體排、堤身采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，護(hù)灘堤堤頂寬4 m、堤高2.0～3.9 m、斜坡堤坡比1∶2。

鉆孔資料顯示，護(hù)灘堤工程所在河段江底土為第四系粉砂、粉質(zhì)黏土組成的多層結(jié)構(gòu)類型，其表層主要為粉細(xì)砂，表層粉細(xì)砂在部分鉆孔地震工況下會(huì)產(chǎn)生不同程度的液化，經(jīng)計(jì)算，在施工階段和運(yùn)行工況下（考慮液化土層指標(biāo)折減），護(hù)灘堤等整治建筑物結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性均滿足要求，無需進(jìn)行地基處理，由于地基土層的不均勻性，計(jì)算所得理論最終沉降量在9～189 mm間。地基與堤身結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算的工況包括當(dāng)護(hù)底結(jié)構(gòu)邊緣出現(xiàn)沖刷坑并向結(jié)構(gòu)蔓延時(shí)對結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)荷載作用于地基時(shí)對于地基土體的影響。由于河段江底土層屬于河湖相沉積黏土或粉質(zhì)黏土典型軟弱地基，整治建筑物護(hù)灘堤采用水上軟體排鋪設(shè)和拋石方法施工。

2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 原則性監(jiān)測方案

水下軟土地基變形監(jiān)測工作需要與拋石施工交叉作業(yè)、避免互相干擾，電測儀器設(shè)備必須具有密封防水功能[5]，能夠在水下惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定工作，觀測期內(nèi)必須避免監(jiān)測儀器設(shè)備、水上觀測平臺(tái)和江底線纜等遭到破壞。水下軟土地基變形監(jiān)測的原則性方案（圖1）為：在護(hù)腳處打設(shè)鋼管樁平臺(tái)，護(hù)腳處地基分層沉降及深層水平位移監(jiān)測采用鉆孔埋設(shè)沉降-測斜管、引至平臺(tái)以上人工測量，堤軸線處地基分層沉降采用鉆孔埋設(shè)位移傳感器組、經(jīng)江底引線至護(hù)腳處并沿平臺(tái)管樁引至平臺(tái)以上人工讀數(shù)。

圖1 水下軟土地基變形監(jiān)測斷面圖Fig.1Sectional drawing of deformation monitoring for the soft soil foundation underwater

2.2 分層沉降監(jiān)測

水下護(hù)灘堤護(hù)腳處地基土體分層沉降采用水上鉆孔埋設(shè)沉降管、引至平臺(tái)以上人工測量的監(jiān)測方案，按照分層沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)的監(jiān)測位置、監(jiān)測深度、測點(diǎn)深度及間隔等要求，在施工船上鉆孔埋設(shè)ABS沉降管，沉降管外相應(yīng)位置固定沉降環(huán)隨沉降管安裝在地基中。沉降環(huán)彈性漲卡松開后嵌入被測土層、隨土體壓縮沿沉降管滑動(dòng)，埋設(shè)完成后，將沉降管向上引出水上觀測平臺(tái)固定保護(hù)，利用電磁式沉降儀人工測量。

堤軸線處地基土體分層沉降采用水上鉆孔埋設(shè)位移傳感器、經(jīng)江底引線至護(hù)腳處，并沿平臺(tái)管樁引至平臺(tái)以上人工讀數(shù)的監(jiān)測方案，按照設(shè)計(jì)要求，在施工船上鉆孔埋設(shè)設(shè)計(jì)數(shù)量的位移傳感器組及剛性基準(zhǔn)管，每個(gè)位移計(jì)組由位移傳感器、固定端、活動(dòng)連桿、活動(dòng)端、彈性漲卡及聯(lián)接件等組成（見圖2）。位移計(jì)組的間距按設(shè)計(jì)間隔由基準(zhǔn)管長度調(diào)節(jié)，土層壓縮沉降時(shí)，嵌入土層的彈性漲卡隨之移動(dòng)，帶動(dòng)傳感器活動(dòng)端沿基準(zhǔn)管滑動(dòng)，傳感器測得活動(dòng)端相對于固定端位移量，即該土層相對壓縮量，得到土體分層沉降量。

圖2 軸線處分層沉降監(jiān)測儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.2Structure diagram of the measuring equipment for layered settlement on the axis

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制護(hù)灘堤軟土地基在施工期內(nèi)的變形過程，護(hù)腳處和堤軸線處地基土體分層沉降監(jiān)測需在拋石施工之前完成安裝埋設(shè)并開始讀數(shù)測量，因此水上觀測平臺(tái)需打設(shè)在護(hù)腳處外側(cè)位置。堤軸線處的監(jiān)測儀器設(shè)備埋設(shè)完成后，沿江底鋪設(shè)保護(hù)并引線至觀測平臺(tái)以上固定保護(hù)，這種采用位移傳感器測量地基分層沉降的新型技術(shù)具有以下特點(diǎn)：儀器設(shè)備安裝埋設(shè)后不需要從被測位置上方直接引出，不影響被測位置的正常拋石施工；不需要電磁式沉降儀人工讀數(shù)，直接用讀數(shù)儀測量引到護(hù)灘堤以外的數(shù)據(jù)電纜即可獲得水下地基的分層沉降量[6]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，水下護(hù)灘堤地基土體分層沉降監(jiān)測深度為江底土層以下25 m，每間隔2～3 m設(shè)置1個(gè)分層沉降測點(diǎn)，因此在護(hù)腳處和堤軸線處25 m深地基土體中各設(shè)置10個(gè)測點(diǎn)，即護(hù)腳處沉降管需要安裝10支分層沉降環(huán)、堤軸線處裝配10組位移傳感器，要求拋石施工控制分層沉降平均每晝夜不大于10 mm。

2.3 深層水平位移監(jiān)測

水下護(hù)灘堤護(hù)腳處地基深層水平位移采用水上鉆孔埋設(shè)測斜管、引至平臺(tái)以上人工測量的監(jiān)測方案，按照深層水平位移監(jiān)測設(shè)計(jì)的觀測深度要求，在施工船上鉆孔埋設(shè)ABS測斜管，由于護(hù)腳處地基土體深層水平位移監(jiān)測位置與分層沉降監(jiān)測位置重合，因此該測斜管可以與護(hù)腳處地基分層沉降觀測沉降管共用為沉降-測斜管[7]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，水下護(hù)灘堤地基土體深層水平位移監(jiān)測深度為江底土層以下25 m，要求拋石施工控制深層水平位移平均每晝夜不大于5 mm。

2.4 實(shí)施過程

儀器設(shè)備安裝埋設(shè)的基本步驟及流程如圖3。

圖3 監(jiān)測儀器安裝埋設(shè)流程圖Fig.3Installation procedure of monitoring equipments

3 監(jiān)測成果分析

水下軟土地基變形監(jiān)測儀器設(shè)備安裝完成后，隨即開始護(hù)灘堤拋填施工及測量各項(xiàng)初始值，作為水下軟基土體分層沉降和深層水平位移變形過程的基準(zhǔn)值。拋石施工開始后，監(jiān)測工作進(jìn)入正常觀測期，由專業(yè)人員按照設(shè)計(jì)方案頻次要求，定期開展測量觀測工作，并為施工提供監(jiān)測成果及控制依據(jù)。

3.1 分層沉降

經(jīng)過近半年（含拋石期約1個(gè)月）的測量監(jiān)測，得到了水下護(hù)灘堤施工加載期以及加載結(jié)束后軸線處和護(hù)腳處軟土地基的分層沉降量即土體壓縮量。由于護(hù)腳處拋石荷載較小，即該處分層沉降量和土體壓縮量較小，因此根據(jù)典型監(jiān)測斷面堤軸線處分層沉降、土體壓縮統(tǒng)計(jì)成果及其變化過程曲線（圖4）能夠看出：自安裝埋設(shè)完成、拋石施工開始以來，水下軟基分層沉降監(jiān)測儀器設(shè)備工作運(yùn)行狀況良好，根據(jù)實(shí)測結(jié)果計(jì)算得到了水下護(hù)灘堤工程軟基分層沉降及土體壓縮變化過程。

圖4 典型斷面堤軸線處分層沉降過程曲線Fig.4Process curves of layered settlement on the embankment axis of typical section

土層1至土層10由深至淺分布，各土層的單層土體壓縮量、土體總沉降量、土體總壓縮率及其最大分層沉降速率等指標(biāo)均由上至下逐漸降低，說明該斷面護(hù)灘堤工程江底軟基淺層土體受拋石加載影響顯著，最淺層土體厚度2 m，單層壓縮量5.58 mm，隨深度增加，深部土體的分層沉降量及壓縮量逐漸減小，趨近于相對不動(dòng)的非壓縮土層；總厚度25.38 m被測土層的總沉降量（即總壓縮量）14.50 mm、總壓縮率0.06%，其中最淺層土體的壓縮量5.58 mm占總壓縮量14.50 mm的38.5%，說明水下軟基分層沉降主要由江底淺層土體在施工期拋石荷載作用下發(fā)生壓縮而引起，最大分層沉降速率0.37 mm/d遠(yuǎn)小于分層沉降安全控制標(biāo)準(zhǔn)，施工期內(nèi)沉降量12.04 mm占總監(jiān)測期內(nèi)累積沉降量83%，拋石結(jié)束后進(jìn)入停工期，分層沉降變形趨于穩(wěn)定。

3.2 深層水平位移

經(jīng)過近半年（含拋石期約1個(gè)月）的測量監(jiān)測，得到了水下護(hù)灘堤施工加載期以及加載結(jié)束后護(hù)腳處軟土地基的深層水平位移量，根據(jù)實(shí)測結(jié)果計(jì)算，能夠得到水下護(hù)灘堤軟土地基深層水平位移變化過程（圖5）。典型監(jiān)測斷面軟土地基深層水平位移監(jiān)測歷時(shí)內(nèi)江底以下3.41 m深處最大累積水平位移量為12.70 mm，其中施工期內(nèi)位移量9.86 mm、停工期內(nèi)位移量2.84 mm，施工期內(nèi)水平位移量占總監(jiān)測期內(nèi)累積位移量的78%，即土體深層水平位移主要發(fā)生在施工期，最大深層水平位移速率也遠(yuǎn)小于側(cè)向水平位移的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，說明水下護(hù)灘堤地基土體深層水平位移主要受施工期拋石荷載影響。施工期拋石加載是決定水下護(hù)灘堤地基土體深層水平位移發(fā)生的主要原因，隨著拋石加載結(jié)束，停工期內(nèi)土體深層水平位移量及變形速率逐漸減小，水平位移變形也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 典型斷面護(hù)腳處土體深層水平位移曲線Fig.5Deep horizontal displacement curves of soil at the toe of typical section

4 水下軟基穩(wěn)定性分析

采用軟土地基固結(jié)變形理論中有關(guān)最終沉降量推算的常用方法，可以計(jì)算得到水下護(hù)灘堤軟土地基最終的沉降量，常用的推算方法包括三點(diǎn)法、Asaoka法和雙曲線法等，以典型監(jiān)測斷面最上部測點(diǎn)與深部基準(zhǔn)點(diǎn)間總厚度25.38 m被測土層的總沉降量作為監(jiān)測期內(nèi)的實(shí)測沉降量，計(jì)算得到該斷面水下軟基最終沉降量的推算值（表1）。

表1 水下軟基最終沉降量推算結(jié)果表Table 1Calculated results of final settlement for the underwater soft soil foundation

根據(jù)三種推算方法計(jì)算得到典型監(jiān)測斷面的最終沉降量分別為15.08 mm、15.30 mm和20.09 mm，監(jiān)測期內(nèi)該斷面實(shí)測沉降量占不同沉降量推算值的72.2%～91.7%（即推求固結(jié)度），說明施工期及拋石結(jié)束停工期內(nèi)實(shí)際測得的累積沉降量占水下軟基最終推算沉降量的絕大部分比例，水下護(hù)灘堤軟土地基壓縮變形已基本完成并趨于穩(wěn)定。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，水下軟基拋石施工期內(nèi)沉降量12.04 mm，占總監(jiān)測期累積沉降量14.50 mm的83%，施工期內(nèi)深層水平位移量9.86 mm占總監(jiān)測期累積水平位移量12.70 mm的78%，說明施工填筑期內(nèi)拋石加載是水下軟基土體分層沉降和深層水平位移發(fā)生的主要原因，拋石加載結(jié)束后沉降變形量及沉降速率逐漸減小，監(jiān)測末期平均沉降速率已降至0.017 mm/d。據(jù)水下軟基最終沉降量推算結(jié)果，典型監(jiān)測斷面地基土體固結(jié)度最小值72.2%、最大值94.7%、平均值86.2%，工后沉降推算值僅為2.31 mm，說明土體壓縮變形已基本完成，地基土體的壓縮變化過程隨著加載結(jié)束而趨緩，拋石加載結(jié)束后水下軟基土體分層沉降和深層水平位移變形也逐漸趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

針對長江深水航道水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測問題，提出了水下軟基土體分層沉降和深層水平位移變形測量的新型成套技術(shù)方法，通過開展現(xiàn)場原型監(jiān)測，得到了拋石施工期及其結(jié)束后水下軟土地基變形過程規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)，為獲得地基變形過程、確保施工安全穩(wěn)定、避免干擾施工和維護(hù)儀器良好工作，提出了水下軟土地基變形監(jiān)測的原則性方案及相應(yīng)的成套設(shè)備，經(jīng)儀器設(shè)備選型、優(yōu)化安裝方案、儀器設(shè)備埋設(shè)及監(jiān)測實(shí)施，得到了水下軟基變形過程規(guī)律；

2）根據(jù)典型斷面土體分層沉降和深層水平位移變形監(jiān)測結(jié)果，水下軟基拋石施工期內(nèi)沉降量占總監(jiān)測期累積沉降量的83%，其中最淺層土體壓縮量占土體總壓縮量的38.5%，施工期內(nèi)深層水平位移量占總監(jiān)測期累積水平位移量的78%，施工拋石加載是水下軟基土體分層沉降和深層水平位移發(fā)生的主要原因；

3）通過最終沉降量推算，可以計(jì)算得到水下軟基最終沉降量，典型監(jiān)測斷面地基土體固結(jié)度最小值72.2%、最大值94.7%、平均值86.2%，工后沉降推算值2.31 mm，說明土體壓縮變形已基本完成，土體壓縮過程隨著加載結(jié)束而趨緩，拋石加載結(jié)束后水下軟基變形漸趨穩(wěn)定。

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Deformation monitoring of soft soil foundation of underwater beach protection embankment in Yangzhong reach of Yangtze River deepwater channel

CHEN Lin1,ZHOU Yan-zhang2*,HE Ning2
（1.Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau,Chongqing 400000,China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Jiangsu Nanjing 210024,China）

The principle scheme and the new type of measuring technique and equipment for deformation monitoring of soft soil foundation of underwater beach protection embankment was proposed in this paper,by considering the technical characteristics of deformation monitoring of this kind of soft soil foundation,to solve the problem of deformation monitoring of soft soil foundation of underwater beach protection embankment in Yangtze River deepwater channel.The deformation process and rules of the soft soil foundation under water during and after the construction period was obtained.According to the measured results,the settlement during the construction period accounted for 83%of the total settlement,and the deep horizontal displacement during the construction period accounted for 78%of the total deep horizontal displacement in the typical section riprap period.The riprap loading was the prime reason to the layered settlement and deep horizontal displacement of soft soil foundation under water.Based on the final settlement calculation result,the average consolidation degree of the typical monitoring section was 86.2%.The compression deformation was basically completed,and the soft soil foundation under water was becoming stabilized gradually.

underwater beach protection embankment;soft soil foundation;layered settlement;deep horizontal displacement; site deformation monitoring;stability analysis

U655.54；U656.3

A

2095-7874（2017）06-0048-05

10.7640/zggwjs201706011

2017-01-05

2017-03-08

陳林（1986—），男，重慶市人，工程師，主要從事港口與航道工程技術(shù)管理等工作。

*通訊作者：周彥章，E-mail：yzzhou@nhri.cn