郭 超,張秀勇
(1.中國(guó)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)
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(lái)越重要的角色,甚至在各類水工建筑物中有著獨(dú)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(cè)、沉降監(jiān)測(cè)及孔隙水壓力監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)[5]的實(shí)施必不可少。
山東東營(yíng)港北區(qū)防波堤位于東營(yíng)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(yíng)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(qiáng)度低,預(yù)計(jì)地基的豎向變形、水平位移大。因此在施工過(guò)程中對(duì)防波堤進(jìn)行穩(wěn)定性和安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。本項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)要求監(jiān)測(cè)斷面,埋設(shè)儀器并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)防波堤施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,為防波堤施工期及運(yùn)行期提供可靠的監(jiān)測(cè)信息,達(dá)到及時(shí)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(píng)估堤身安全性提供數(shù)據(jù)支持。
東營(yíng)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(zhǎng)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(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0;設(shè)計(jì)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(duì)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
工程區(qū)域泥面高程在-1.92~-10.47 m之間,地勢(shì)總體自然坡降較小,近岸水淺、灘寬、地勢(shì)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。勘察結(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(qiáng)度低等特點(diǎn),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(jì)時(shí)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(shí)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(yíng)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(qiáng)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。
在施工過(guò)程中,對(duì)防波堤地基表層和深層進(jìn)行水平位移的監(jiān)測(cè),分別是為了監(jiān)測(cè)防波堤表層的位置變化來(lái)控制加載速率,及時(shí)反映堤身穩(wěn)定性情況以及監(jiān)測(cè)防波堤堤腳軟弱地層在堤身填筑過(guò)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(shí)報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)。為此,共布設(shè)了19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。
防波堤地基表層水平位監(jiān)測(cè)共設(shè)置 19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)斷面布置1~2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),位于2級(jí)加載體軸線,測(cè)點(diǎn)與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)公用。監(jiān)測(cè)采用GPS和測(cè)距兩種方法。防波堤大里程部位采用GPS監(jiān)測(cè),選用Hiper V基準(zhǔn)站套件+Hiper V流動(dòng)站套件,防波堤根部采用測(cè)距的方式,測(cè)距選用DS-100AC+棱鏡組合。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 GPS坐標(biāo)變化來(lái)檢測(cè)防波堤地基表層的位移情況。
1)儀器埋設(shè)
防波堤地基深層水平位移監(jiān)測(cè)的方法主要是用測(cè)斜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)斜管采用鉆孔埋設(shè)法,鉆機(jī)成孔至所需高程,埋設(shè)測(cè)斜管,測(cè)斜管首先在地面進(jìn)行連接,連接時(shí)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(duì)準(zhǔn)潛在的水平位移主方向。管底部須進(jìn)入相對(duì)硬土層或基巖中,管口加保護(hù)蓋。
2)監(jiān)測(cè)方法
土體深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果所反映的是土體某一部位的傾斜度,采用活動(dòng)式測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)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(cè)斜管。測(cè)斜管隨地基變形后,測(cè)斜管傾角αi發(fā)生變化,通過(guò)監(jiān)測(cè)不同深度測(cè)斜管傾角的變化得到兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的位移差δi,如式(1),求出整根測(cè)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(zhǎng)度,常取100 cm。
當(dāng)管子的埋置足夠深時(shí),管底可認(rèn)為是不動(dòng)的,Δn即為管頂?shù)乃轿灰浦?。把測(cè)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(cè)斜儀工作原理如圖2。
圖2 測(cè)斜儀工作原理示意
初始監(jiān)測(cè),每0.5 m為一個(gè)測(cè)點(diǎn),同一方向正反兩次測(cè)量,埋設(shè)初期需對(duì)其進(jìn)行數(shù)次監(jiān)測(cè),直至測(cè)斜管位置穩(wěn)定,確定為初始讀數(shù)。之后每次測(cè)量時(shí),每個(gè)測(cè)定需平行測(cè)讀兩次,同一監(jiān)測(cè)方向正反各測(cè)一次,平行測(cè)讀兩次的讀數(shù)誤差控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。測(cè)斜儀從測(cè)斜管底處自下而上測(cè)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。
表1 表層水平累計(jì)位移
該工程共布設(shè)了19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,表1監(jiān)測(cè)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(shí)間變化曲線過(guò)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(jì)水平位移量大于內(nèi)側(cè)累計(jì)水平位移量,且堤根位移量小于堤中和堤頭位移量。
對(duì)于圖3中的K0+150斷面,可以清楚的看出隨著時(shí)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(shì),且外側(cè)水平位移-時(shí)間曲線位于內(nèi)側(cè)水平位移-時(shí)間曲線的上方,這說(shuō)明在一定時(shí)間下,外側(cè)水平位移總大于內(nèi)側(cè)的水平位移,監(jiān)測(cè)期間該斷面內(nèi)側(cè)水平累計(jì)位移為20 mm,外側(cè)水平累計(jì)位移達(dá)到36 mm,外側(cè)較內(nèi)側(cè)高出1.8倍。因此,在實(shí)際工程中應(yīng)多多注意外側(cè)的位移量。但由于施工、觀測(cè)環(huán)境及風(fēng)浪影響,觀測(cè)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(cè)斷面來(lái)得到相對(duì)準(zhǔn)確可靠的水平位移值。
圖3 各斷面表層水平位移-時(shí)間關(guān)系曲線
為了在本工程中得到相對(duì)準(zhǔn)確可靠的水平位移值,我們又對(duì)斷面深層水平位移進(jìn)行了2年左右的監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面深層水平位移統(tǒng)計(jì)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(cè)斷面深層水平位移變化過(guò)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(diǎn)。
表2 深層水平累計(jì)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(cè)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(cè)量過(guò)程中,未出現(xiàn)超過(guò)報(bào)警值的情況,并且截止防波堤監(jiān)測(cè)后期,地基深層位移每月變化量較小,不會(huì)對(duì)堤體的穩(wěn)定造成影響。
圖4 典型斷面觀測(cè)點(diǎn)水平位移隨高程變化曲線
在全面的深入分析監(jiān)測(cè)內(nèi)容和工作特點(diǎn)、制定監(jiān)測(cè)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(shí)施了東營(yíng)港北防波堤工程監(jiān)測(cè)及相應(yīng)儀器的埋設(shè)安裝工作,以及常規(guī)測(cè)量、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和成果整理工作,并在監(jiān)測(cè)期間維護(hù)儀器設(shè)備正常工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,針對(duì)表層和深層水平位移的監(jiān)測(cè)主要得出以下結(jié)論:
1)通過(guò)防波堤表層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)結(jié)果來(lái)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(cè)量過(guò)程中,未出現(xiàn)超過(guò)報(bào)警值的情況,并且截止防波堤監(jiān)測(cè)后期,地基深層位移每月變化量較小,不會(huì)對(duì)堤體的穩(wěn)定造成影響。
通過(guò)對(duì)于防波堤地基表層和深層的水平位移監(jiān)測(cè),本工程在施工中后期堤體位移均未超過(guò)預(yù)警值,確保了堤體的穩(wěn)定,這也說(shuō)明本工程的水平位移監(jiān)測(cè)對(duì)于控制筑堤速率,評(píng)估堤身安全性以及拋填施工的動(dòng)態(tài)控制起到關(guān)鍵性的支持和保障作用。