山東東營港北區(qū)防波堤水平位移分析

郭 超，張秀勇

（1.中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519070；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029）

引 言

防波堤作為抵御激流、泥沙、波浪，保護(hù)港口和船舶安全以及維持水面平穩(wěn)的水工建筑物[1-4]，扮演著越來越重要的角色，甚至在各類水工建筑物中有著獨特的代表地位[3]。在施工中，判斷防波堤拋填施工是否處于受控狀態(tài)，土體側(cè)向位移監(jiān)測、沉降監(jiān)測及孔隙水壓力監(jiān)測等動態(tài)原位監(jiān)測技術(shù)[5]的實施必不可少。

山東東營港北區(qū)防波堤位于東營市北部，瀕臨渤海西南海岸。近海表面覆蓋為淤泥地基，地質(zhì)條件差，東營港北防波堤工程采用了拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，拋石厚度大，淤泥厚度大、壓縮性大、強度低，預(yù)計地基的豎向變形、水平位移大。因此在施工過程中對防波堤進(jìn)行穩(wěn)定性和安全監(jiān)測至關(guān)重要。本項目按照設(shè)計要求監(jiān)測斷面，埋設(shè)儀器并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對防波堤施工過程進(jìn)行監(jiān)控，為防波堤施工期及運行期提供可靠的監(jiān)測信息，達(dá)到及時了解堤身臨海面的深層土體側(cè)向位移狀況，為控制筑堤速率、評估堤身安全性提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

東營港北防波堤軸線與北引堤軸線成 23°夾角，向東南方向延伸4 080 m，再向南轉(zhuǎn)約40°，繼續(xù)延伸883 m，全長為4 963 m，堤頂高程均為5.0 m。本工程防波堤采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0；設(shè)計波浪重現(xiàn)期按50年一遇考慮。防波擋沙堤堤心為10～100 kg堤心石，堤身兩側(cè)邊坡1:1.5，護(hù)面層采用12 t扭王字塊體，護(hù)面塊體與堤心石之間設(shè)有600～800 kg塊石墊層。根據(jù)穩(wěn)定性要求堤身兩側(cè)600～800 kg塊石壓腳棱體，邊坡為1:3。為防止沖刷，坡腳設(shè)有60～100 kg塊石護(hù)底，采用排水固結(jié)法對堤身下方的淤泥、淤泥質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等軟弱土層進(jìn)行地基處理。首先鋪設(shè)砂墊層、打設(shè)塑料排水板，再鋪設(shè)土工格柵、二片石墊層和塊石進(jìn)行堆載預(yù)壓。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置示意

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)域泥面高程在-1.92～-10.47 m之間，地勢總體自然坡降較小，近岸水淺、灘寬、地勢較平坦。表層沉積物近岸以粉土為主，遠(yuǎn)岸以淤泥質(zhì)土為主?？辈旖Y(jié)果表明，該區(qū)域土層分布較有規(guī)律，在勘察深度范圍內(nèi)，自上而下各土層情況如下：

第一大層分布底高程為-10.28～-16.94 m。具有含水率大、壓縮性高、強度低等特點，該層分布較連續(xù)，工程性質(zhì)較差。第二大層分布底高程為-21.51～-26.93 m。該土層壓縮性高，工程性質(zhì)較差。第三大層分布底高程為-24.99～-33.32 m。該土層土質(zhì)較好，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時可視上部荷載大小和使用要求，在滿足承載力及變形條件下，作為地基土持力層。第四大層主要呈密實狀，為全區(qū)良好的基礎(chǔ)持力層。其中第一大層海相沉積層構(gòu)成了擬建東營港北防波堤工程施工區(qū)域的表層土層，為高含水率、高壓縮率、低強度的靈敏軟土，工程地質(zhì)性質(zhì)差，填筑之前需進(jìn)行必要的地基處理。處理的效果和范圍應(yīng)滿足構(gòu)筑物穩(wěn)定性以及填筑安全的要求。

3 水平位移監(jiān)測

在施工過程中，對防波堤地基表層和深層進(jìn)行水平位移的監(jiān)測，分別是為了監(jiān)測防波堤表層的位置變化來控制加載速率，及時反映堤身穩(wěn)定性情況以及監(jiān)測防波堤堤腳軟弱地層在堤身填筑過程中的水平位移，分析地基的位移速率，發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)跡象并及時報警?，F(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容包括防波堤地基沉降、表層水平位移、深層水平位移、棧橋水平位移、孔隙水壓力和水位監(jiān)測。為此，共布設(shè)了19個監(jiān)測斷面。

3.1 防波堤地基表層水平位移

防波堤地基表層水平位監(jiān)測共設(shè)置 19個監(jiān)測斷面。每個斷面布置1～2個監(jiān)測點，位于2級加載體軸線，測點與沉降監(jiān)測點公用。監(jiān)測采用GPS和測距兩種方法。防波堤大里程部位采用GPS監(jiān)測，選用Hiper V基準(zhǔn)站套件+Hiper V流動站套件，防波堤根部采用測距的方式，測距選用DS-100AC+棱鏡組合。根據(jù)監(jiān)測點的 GPS坐標(biāo)變化來檢測防波堤地基表層的位移情況。

3.2 防波堤地基深層水平位移

1）儀器埋設(shè)

防波堤地基深層水平位移監(jiān)測的方法主要是用測斜儀進(jìn)行監(jiān)測，測斜管采用鉆孔埋設(shè)法，鉆機(jī)成孔至所需高程，埋設(shè)測斜管，測斜管首先在地面進(jìn)行連接，連接時導(dǎo)槽要相通，而且管連接處及管端均需封緊，十字槽一軸對準(zhǔn)潛在的水平位移主方向。管底部須進(jìn)入相對硬土層或基巖中，管口加保護(hù)蓋。

2）監(jiān)測方法

土體深層水平位移監(jiān)測結(jié)果所反映的是土體某一部位的傾斜度，采用活動式測斜儀進(jìn)行測試，在地基中預(yù)埋一根特制的有導(dǎo)向槽的管道，通常稱之為測斜管。測斜管隨地基變形后，測斜管傾角αi發(fā)生變化，通過監(jiān)測不同深度測斜管傾角的變化得到兩個測點之間的位移差δi，如式(1)，求出整根測斜管土體水平位移差Δn分布如式(2)：

式中：Li為第i節(jié)管子長度，常取100 cm。

當(dāng)管子的埋置足夠深時，管底可認(rèn)為是不動的，Δn即為管頂?shù)乃轿灰浦?。把測量結(jié)果整理成水平位移變化曲線，反映各土層的水平位移情況。測斜儀工作原理如圖2。

圖2 測斜儀工作原理示意

初始監(jiān)測，每0.5 m為一個測點，同一方向正反兩次測量，埋設(shè)初期需對其進(jìn)行數(shù)次監(jiān)測，直至測斜管位置穩(wěn)定，確定為初始讀數(shù)。之后每次測量時，每個測定需平行測讀兩次，同一監(jiān)測方向正反各測一次，平行測讀兩次的讀數(shù)誤差控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。測斜儀從測斜管底處自下而上測量不同深度處的土體水平位移量，繪制水平位移深度變化曲線。

4 水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 防波堤表層水平向位移監(jiān)測分析

表1 表層水平累計位移

該工程共布設(shè)了19個監(jiān)測斷面，表1監(jiān)測結(jié)果顯示了各斷面表層水平位移情況。由于各斷面表層水平位移隨時間變化曲線過多，現(xiàn)以 K0+150，K1+950，K3+150，K4+863斷面為例進(jìn)行分析，見圖3。

從表1可知，外側(cè)水平位移量在36～186 mm，內(nèi)側(cè)水平位移為 20～130mm，顯然外側(cè)累計水平位移量大于內(nèi)側(cè)累計水平位移量，且堤根位移量小于堤中和堤頭位移量。

對于圖3中的K0+150斷面，可以清楚的看出隨著時間的增加，該斷面外側(cè)和內(nèi)側(cè)的水平位移均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，且外側(cè)水平位移-時間曲線位于內(nèi)側(cè)水平位移-時間曲線的上方，這說明在一定時間下，外側(cè)水平位移總大于內(nèi)側(cè)的水平位移，監(jiān)測期間該斷面內(nèi)側(cè)水平累計位移為20 mm，外側(cè)水平累計位移達(dá)到36 mm，外側(cè)較內(nèi)側(cè)高出1.8倍。因此，在實際工程中應(yīng)多多注意外側(cè)的位移量。但由于施工、觀測環(huán)境及風(fēng)浪影響，觀測表層水平位移的可靠性較差，建議在類似拋石防波堤工程中選擇埋設(shè)深層水平位移監(jiān)測斷面來得到相對準(zhǔn)確可靠的水平位移值。

圖3 各斷面表層水平位移-時間關(guān)系曲線

4.2 防波堤深層水平向位移監(jiān)測分析

為了在本工程中得到相對準(zhǔn)確可靠的水平位移值，我們又對斷面深層水平位移進(jìn)行了2年左右的監(jiān)測并得出了一些數(shù)據(jù)結(jié)論：從2015年3月到2016年12月，6個監(jiān)測斷面深層水平位移統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表中可以清楚地看出在K1+650斷面，深度為17.5 m處，相較其他斷面，它的最大水平位移最高，達(dá)到127.7 mm；而在K2+850斷面，深度為10 m處，其最大水平位移為55.3 mm，為最小值。根據(jù)各監(jiān)測斷面深層水平位移變化過程，地基的最大深層水平位移為127.7 mm，各斷面地基土層最大深層水平位移在原泥面以下深度5～10 m范圍的淤泥層中，符合北防波堤工程地質(zhì)條件的特點。

表2 深層水平累計位移

施工填筑期，北防波堤地基的深層位移速率較大；填筑后，地基土體的深層水平位移逐漸趨于穩(wěn)定。各監(jiān)測斷面的最大水平位移速率均小于10 mm/d，各斷面深層水平位移隨深度變化情況如圖4所示，可以看出防波堤下部土體位移主要發(fā)生在原泥面以下深度5～10 m范圍的淤泥層中，最大位移在180 mm以內(nèi)。在測量過程中，未出現(xiàn)超過報警值的情況，并且截止防波堤監(jiān)測后期，地基深層位移每月變化量較小，不會對堤體的穩(wěn)定造成影響。

圖4 典型斷面觀測點水平位移隨高程變化曲線

5 結(jié) 語

在全面的深入分析監(jiān)測內(nèi)容和工作特點、制定監(jiān)測方案、儀器設(shè)備選型、優(yōu)化和改進(jìn)埋設(shè)方案、確定數(shù)據(jù)分析與成果整理方法等一系列前期準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，依據(jù)技術(shù)方案，開展實施了東營港北防波堤工程監(jiān)測及相應(yīng)儀器的埋設(shè)安裝工作，以及常規(guī)測量、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和成果整理工作，并在監(jiān)測期間維護(hù)儀器設(shè)備正常工作。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，針對表層和深層水平位移的監(jiān)測主要得出以下結(jié)論：

1）通過防波堤表層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，外側(cè)水平位移量明顯大于內(nèi)側(cè)水平位移量，且堤根位移量小于堤中和堤頭位移量。

2）從深層水平位移監(jiān)測結(jié)果來看，防波堤下部土體位移主要發(fā)生在原泥面以下深度5～10 m范圍的淤泥層中，最大位移在180 mm以內(nèi)，在測量過程中，未出現(xiàn)超過報警值的情況，并且截止防波堤監(jiān)測后期，地基深層位移每月變化量較小，不會對堤體的穩(wěn)定造成影響。

通過對于防波堤地基表層和深層的水平位移監(jiān)測，本工程在施工中后期堤體位移均未超過預(yù)警值，確保了堤體的穩(wěn)定，這也說明本工程的水平位移監(jiān)測對于控制筑堤速率，評估堤身安全性以及拋填施工的動態(tài)控制起到關(guān)鍵性的支持和保障作用。