潮位波動(dòng)下濱海吹填區(qū)復(fù)合地基內(nèi)部水位影響控制研究

曹 雄，吳燦森，張 龍

（1、珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 廣東 珠海 519000；2、廣東省濱海地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心 廣東 珠海 519000；3、珠海航空城工程建設(shè)有限公司 廣東 珠海 519000）

0 引言

潮汐是獨(dú)特的海洋自然景觀，潮水位變化會(huì)引起近岸工程地下水滲流、孔壓變化［1］、地層固結(jié)［2］與液化［3］，據(jù)分析其對(duì)地下水位的影響范圍可達(dá)到距離海岸線3 km 的內(nèi)陸［4］。尤其在強(qiáng)風(fēng)暴潮作用下，濱海地基地下水位可能發(fā)生突變，從而誘發(fā)地基整體沉降及破壞。濱海吹填區(qū)地基土工程性質(zhì)極差，若復(fù)合地基防災(zāi)控制不當(dāng)，可能會(huì)嚴(yán)重影響道路安全運(yùn)營(yíng)。

關(guān)于水位變化對(duì)工程的影響，陳從睿［5］通過數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出當(dāng)潮位高差達(dá)到4 m 時(shí)，圍堰結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的塑性變形。張光宗等人［6］通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得采用復(fù)合地基的高鐵路基在基坑工程降水后的沉降變化，得到路基表面沉降隨著與降水點(diǎn)距離的增加而減小，且同一斷面處，樁身越長(zhǎng)，樁身沉降增幅越小。王文良等人［7］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)得出群樁基礎(chǔ)樁端阻及側(cè)阻在水位上升過程中快速、明顯地下降，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降迅速增大?？梢姡蛔兓o近岸工程結(jié)構(gòu)物帶來了極大的安全隱患。故而高茂生等人［8］研究了潮汐作用下的濱海濕地淺層地下水周期性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。蘇喬等人［9］通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)提取出了地下水位中受潮汐影響的頻率成分，對(duì)處理后的地下水位數(shù)據(jù)與潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。此外，還有付叢生等人［10］、陳娟等人［11］、周訓(xùn)等人［12］和馮明偉［13］分別開展了潮汐對(duì)地下水位變化影響的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值計(jì)算、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)和實(shí)地監(jiān)測(cè)研究。但在濱海吹填區(qū)中，地基排水固結(jié)處理、圍堤結(jié)構(gòu)建造以及復(fù)合地基樁體阻隔等措施在控制潮位波動(dòng)對(duì)地基內(nèi)部水位影響方面的效果與規(guī)律，目前研究中仍較為少見。

鑒于此，本文通過研究堆載預(yù)壓排水結(jié)合圍堤結(jié)構(gòu)的潮位影響控制措施，并對(duì)潮位波動(dòng)引起的濱海吹填區(qū)復(fù)合地基內(nèi)部水位升降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析，得到外部潮位波動(dòng)影響的控制效果及規(guī)律，為濱海吹填區(qū)復(fù)合地基災(zāi)變防控設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程場(chǎng)地概況

某工程位于珠海市金灣區(qū)，場(chǎng)地地貌屬山前海積平原，場(chǎng)地內(nèi)土層分布主要為人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、殘積層、燕山三期花崗巖風(fēng)化層和泥盆系砂巖風(fēng)化層。地表水為海水，深度0.50～3.00 m，東深西淺，平均1.11 m，水面標(biāo)高-0.25～2.82 m。

吹填前場(chǎng)地內(nèi)淤泥廣泛分布，伏于海水之下或陸域直接出露地表，該層厚度31.50～57.00 m，頂板埋深0.50～3.00 m，底板埋深32.20～66.00 m，典型的工程地質(zhì)剖面如圖1 所示。淤泥層力學(xué)性質(zhì)沿深度變化大，以5 m 分層進(jìn)行參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1 所示，可見越接近表層，淤泥含水率、天然孔隙比越大，強(qiáng)度指標(biāo)越低；同時(shí)，淤泥各項(xiàng)物理指標(biāo)之間以及強(qiáng)度指標(biāo)與物理指標(biāo)之間均具有較好的線性相關(guān)性。

表1 吹填前不同深度淤泥層參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters Index of Silt Layers with Different Depths before Blowing and Filling

圖1 吹填前典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical Geological Profile before Blowing and Filling

據(jù)工程場(chǎng)地附近三灶水文站資料，該區(qū)域潮汐調(diào)和常數(shù)為1.50，屬不規(guī)則半日混合潮型。在一個(gè)月內(nèi)有一半以上的日期一天有兩次高潮和兩次低潮，且相鄰高潮不等現(xiàn)象較顯著。大潮出現(xiàn)于溯、望之后1～2 d；小潮出現(xiàn)于上、下弦之后1～2 d。主要潮流方向?yàn)镹W-SE向，漲潮流為NW 向，落潮流為SE向，轉(zhuǎn)流時(shí)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，沿岸潮流流速較大，外海較小。歷年最高潮位3.294 m，歷年最低潮位-1.506 m，平均高潮位0.994 m，平均低潮位-0.246 m，最大潮差3.18 m，平均潮差1.24 m，平均漲潮歷時(shí)6.5 h，平均落潮歷時(shí)6.0 h。

2 圍堤與吹填工程

本工程場(chǎng)地吹填形成陸域面積292.3 萬m2，交工標(biāo)高為3.8 m。為確保吹填場(chǎng)地穩(wěn)定，并控制外部潮流對(duì)場(chǎng)地內(nèi)后期修建的基礎(chǔ)設(shè)施的影響，在回填區(qū)新建東側(cè)圍堤，并對(duì)南側(cè)和西側(cè)舊圍堤進(jìn)行加固。

2.1 圍堤地基處理

采用堆載預(yù)壓+塑料排水板的方式加固軟土地基，提高圍堤下臥軟土層強(qiáng)度及防滲性，并減少圍堤沉降。排水板橫向插打范圍為圍堤前沿線向場(chǎng)地內(nèi)30 m 及向海側(cè)30 m 范圍，處理寬度為60 m。排水板設(shè)計(jì)頂高程為3.0 m，由于軟土層深厚，排水板無法全部穿透，根據(jù)穩(wěn)定圓弧理論，確定靠海側(cè)10 m 寬度范圍內(nèi)塑料排水板設(shè)計(jì)底高程為-20.0 m，其余位置設(shè)計(jì)底高程為-26.0 m。

處理過程依托原有舊堤以及場(chǎng)地內(nèi)子圍堰進(jìn)行，首先回填中細(xì)砂至+2.0 m，部分區(qū)域打設(shè)塑料排水板；然后填筑1.0 m中粗砂墊層至+3.0 m并大范圍插板，砂墊層之上按厚度控制分級(jí)加載（每級(jí)厚度1.0 m）至靜態(tài)標(biāo)高+6.0 m；最后滿載預(yù)壓105 d，固結(jié)度達(dá)到90%開挖卸載，并施工圍堤結(jié)構(gòu)。

2.2 圍堤設(shè)計(jì)與施工

根據(jù)場(chǎng)地水文條件，確定圍堤設(shè)計(jì)高水位1.824 m（高潮累積率10%），設(shè)計(jì)低水位-0.796 m（低潮累積率90%），極端高水位3.454 m（50 年一遇），極端低水位-1.326 m（50 年一遇），100 年一遇高水位3.734 m。

東段圍堤長(zhǎng)1 254.0 m，主要受E向浪作用，設(shè)計(jì)頂高程4.8 m（預(yù)留300 mm 工后沉降）。圍堤設(shè)計(jì)斷面如圖2 所示，采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，坡頂設(shè)置C30 現(xiàn)澆混凝土擋浪墻。擋浪墻下方鋪設(shè)300 mm 厚的二片石墊層，前方鋪設(shè)500 mm（含100 mm 的底趾）厚的柵欄板護(hù)面，護(hù)面坡比為1∶3。水平段柵欄板與斜坡面上柵欄板之間的間隙用C30 現(xiàn)澆混凝土填充。柵欄板坡底處設(shè)置反壓平臺(tái)兼作親水平臺(tái)，平臺(tái)寬4 m，頂高程為2.0 m。親水平臺(tái)為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，頂上鋪設(shè)200 mm 厚的C30 混凝土面層，沿堤約每200 m設(shè)置一處現(xiàn)澆混凝土步梯。

圖2 圍堤斷面示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Cross Section of the Dike （mm）

圍堤堤心拋設(shè)10～100 kg 塊石，堤心外圍鋪設(shè)600 mm 厚的混合倒慮層，堤心石與倒濾層之間鋪設(shè)500 mm 厚的二片石過渡。坡腳處采用80～120 kg 的塊石護(hù)底（厚700 mm），下設(shè)500 mm 厚的二片石墊層。圍堤底部滿堂鋪設(shè)土工格柵，增強(qiáng)圍堤整體穩(wěn)定性，格柵頂層鋪設(shè)一層土工布倒濾層。擋浪墻后方10 m 范圍內(nèi)鋪設(shè)500 mm 厚的干砌塊石作為臨時(shí)防越浪沖刷面層結(jié)構(gòu)。

圍堤堤身施工工序?yàn)椋旱躺矶演d砂卸載開挖?堤底土工格柵及土工布鋪設(shè)?拋理堤腳反壓→鋪設(shè)混合倒濾層?堤心內(nèi)側(cè)二片石鋪設(shè)?漿砌親水平臺(tái)?堤心石拋理?安裝柵欄板護(hù)面或現(xiàn)澆護(hù)面及現(xiàn)澆步梯?擋墻底二片石鋪設(shè)?擋浪墻澆筑?擋浪墻后方回填?堤頂后方二片石防沖刷層。

2.3 場(chǎng)地吹填

圍堤圍閉后，場(chǎng)地吹填疏浚土（臨時(shí)航道疏浚土）至標(biāo)高約+0.8 m，繼續(xù)吹填（含泥量≤30%）吹海砂至交工標(biāo)高+3.8 m。吹填結(jié)束后利用開山土或開山土石填筑施工臨時(shí)道路。為防止填筑的施工道路形成封閉的區(qū)域而大量積水，在填筑道路內(nèi)設(shè)置混凝土排水管（內(nèi)徑不小于50 cm），將積水通過圍堤親水平臺(tái)排出。

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)及水位影響監(jiān)測(cè)

場(chǎng)地內(nèi)為避免真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理對(duì)圍堤產(chǎn)生不利影響，沿東側(cè)圍堤而建的白龍路采用素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行軟基處理。素混凝土樁設(shè)計(jì)樁徑為400 mm，樁長(zhǎng)為25 m，樁間距為1.6 m，呈正三角形布置，樁身材料為C15 混凝土，于場(chǎng)地吹填4 年后施工。該道路范圍內(nèi)典型工程地質(zhì)剖如圖3 所示，可見一定深度以下的軟土層由淤泥成為淤泥質(zhì)土，即經(jīng)過吹填工程中的地基處理及工后排水固結(jié)，地基強(qiáng)度得到了一定提高。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，此時(shí)軟土層的滲透系數(shù)在2.3×10-8～3.4×10-8cm∕s范圍。

圖3 吹填4年后場(chǎng)地內(nèi)白龍路地層剖面圖Fig.3 Stratigraphic Section of Bailong Road in the Site after 4 Years of Blowing and Filling （m）

由于復(fù)合地基臨海，長(zhǎng)期受周期性波浪和潮汐作用引起的地下水位變化及滲流，經(jīng)吹填含砂土層進(jìn)入復(fù)合地基內(nèi)部，導(dǎo)致地基應(yīng)力狀態(tài)和侵蝕性離子含量變化，影響復(fù)合地基工作性能。故開展復(fù)合地基下潮水位影響監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榘埪稡L5 斷面，其平面位置如圖4所示，位于星云一路與白龍路的丁字路口。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為復(fù)合地基內(nèi)部地下水位變化，監(jiān)測(cè)孔與東側(cè)圍堤擋浪墻垂直距離為15 m。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置圖Fig.4 Plane Location Map of Monitoring Points

4 水位監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

先后分兩次對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，與地下水位相對(duì)應(yīng)的潮位數(shù)據(jù)來源于場(chǎng)地附近的三灶水文站。2021年4月19日，水文站觀測(cè)到的全日潮水位變化曲線以及連續(xù)7 h監(jiān)測(cè)得到的鉆孔內(nèi)水位變化曲線如圖5?所示?？梢?，海潮全天最高水位為13 時(shí)的212 cm，鉆孔內(nèi)最高水位為17時(shí)的174.8 cm。對(duì)比海潮水位和孔內(nèi)水位可知，鉆孔內(nèi)水位相比外側(cè)潮水位變化波形明顯延遲，孔內(nèi)水位變化幅度很小，僅為4 cm左右，而海潮變化幅度能達(dá)到近150 cm左右?？變?nèi)地下水位振幅遠(yuǎn)小于高茂生等人［8］研究得到的接近海洋潮汐波動(dòng)的1∕3，證明本研究所采用的堆載預(yù)壓排水固結(jié)與建造圍堤結(jié)構(gòu)的措施，有效地控制了潮位波動(dòng)對(duì)地基內(nèi)部水位的影響。

為探究?jī)?nèi)外水位聯(lián)動(dòng)規(guī)律，4 月26 日～4 月27 日進(jìn)行了24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)，26 日～27 日潮水位變化曲線以及鉆孔內(nèi)實(shí)測(cè)水位變化曲線如圖5?所示。對(duì)比兩條水位變化曲線可知，孔內(nèi)水位和外部潮水位波形有一定相似性，均呈現(xiàn)類似簡(jiǎn)諧波動(dòng)形態(tài)，兩者之間有相位延遲，外部潮水位峰值在220 cm 左右，出現(xiàn)在27 日上午9 時(shí)，變化幅度約為160 cm，周期約12 h；孔內(nèi)水位峰值在168.4 cm 左右，出現(xiàn)在26 日上午11 時(shí)，變化幅度約為5 cm，周期約12 h。內(nèi)外水位波峰出現(xiàn)時(shí)間差約2 h，但波峰幅值大小比例并不完全對(duì)應(yīng)，即內(nèi)外水位相位差為λ個(gè)周期+2 h（λ=1，2···，n）。

圖5 潮水位與孔內(nèi)實(shí)測(cè)水位變化曲線Fig.5 Variation Curve of Tide Level and Measured Water Level in the Hole

5 結(jié)論

通過濱海吹填區(qū)復(fù)合地基潮位影響控制研究及復(fù)合地基內(nèi)部水位升降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，得出主要結(jié)論如下：

⑴通過堆載預(yù)壓排水固結(jié)，并設(shè)計(jì)建造圍堤結(jié)構(gòu)，一定程度上阻隔了地下水的流動(dòng)，濱海吹填區(qū)內(nèi)復(fù)合地基受外部潮位波動(dòng)的影響得到了有效地控制，復(fù)合地基內(nèi)部水位波動(dòng)量?jī)H為外部潮水位的1∕30～1∕40。

⑵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)復(fù)合地基內(nèi)部水位周期變化規(guī)律與外部潮水位變化規(guī)律相似，兩者之間存在λ個(gè)周期+2 h的相位差。