曹 雄，吳燦森，張 龍

（1、珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院 廣東 珠海 519000；2、廣東省濱海地區(qū)防災減災工程技術(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

潮汐是獨特的海洋自然景觀，潮水位變化會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)分析其對地下水位的影響范圍可達到距離海岸線3 km 的內(nèi)陸［4］。尤其在強風暴潮作用下，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，若復合地基防災控制不當，可能會嚴重影響道路安全運營。

關(guān)于水位變化對工程的影響，陳從睿［5］通過數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測得出當潮位高差達到4 m 時，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)場試驗測得采用復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距離的增加而減小，且同一斷面處，樁身越長，樁身沉降增幅越小。王文良等人［7］通過室內(nèi)模型試驗得出群樁基礎(chǔ)樁端阻及側(cè)阻在水位上升過程中快速、明顯地下降，導致基礎(chǔ)沉降迅速增大?？梢?，水位變化給近岸工程結(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態(tài)變化規(guī)律。蘇喬等人［9］通過去除長期趨勢提取出了地下水位中受潮汐影響的頻率成分，對處理后的地下水位數(shù)據(jù)與潮位數(shù)據(jù)進行了對比分析。此外，還有付叢生等人［10］、陳娟等人［11］、周訓等人［12］和馮明偉［13］分別開展了潮汐對地下水位變化影響的統(tǒng)計分析、數(shù)值計算、數(shù)學模型預測和實地監(jiān)測研究。但在濱海吹填區(qū)中，地基排水固結(jié)處理、圍堤結(jié)構(gòu)建造以及復合地基樁體阻隔等措施在控制潮位波動對地基內(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壓排水結(jié)合圍堤結(jié)構(gòu)的潮位影響控制措施，并對潮位波動引起的濱海吹填區(qū)復合地基內(nèi)部水位升降進行現(xiàn)場監(jiān)測與分析，得到外部潮位波動影響的控制效果及規(guī)律，為濱海吹填區(qū)復合地基災變防控設(shè)計提供參考。

1 工程場地概況

某工程位于珠海市金灣區(qū)，場地地貌屬山前海積平原，場地內(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、燕山三期花崗巖風化層和泥盆系砂巖風化層。地表水為海水，深度0.50～3.00 m，東深西淺，平均1.11 m，水面標高-0.25～2.82 m。

吹填前場地內(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。淤泥層力學性質(zhì)沿深度變化大，以5 m 分層進行參數(shù)指標統(tǒng)計如表1 所示，可見越接近表層，淤泥含水率、天然孔隙比越大，強度指標越低；同時，淤泥各項物理指標之間以及強度指標與物理指標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。主要潮流方向為NW-SE向，漲潮流為NW 向，落潮流為SE向，轉(zhuǎn)流時作順時針旋轉(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6.5 h，平均落潮歷時6.0 h。

2 圍堤與吹填工程

本工程場地吹填形成陸域面積292.3 萬m2，交工標高為3.8 m。為確保吹填場地穩(wěn)定，并控制外部潮流對場地內(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，并對南側(cè)和西側(cè)舊圍堤進行加固。

2.1 圍堤地基處理

采用堆載預壓+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)計底高程為-20.0 m，其余位置設(shè)計底高程為-26.0 m。

處理過程依托原有舊堤以及場地內(nèi)子圍堰進行，首先回填中細砂至+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加載（每級厚度1.0 m）至靜態(tài)標高+6.0 m；最后滿載預壓105 d，固結(jié)度達到90%開挖卸載，并施工圍堤結(jié)構(gòu)。

2.2 圍堤設(shè)計與施工

根據(jù)場地水文條件，確定圍堤設(shè)計高水位1.824 m（高潮累積率10%），設(shè)計低水位-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1 254.0 m，主要受E向浪作用，設(shè)計頂高程4.8 m（預留300 mm 工后沉降）。圍堤設(shè)計斷面如圖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）厚的柵欄板護面，護面坡比為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)置反壓平臺兼作親水平臺，平臺寬4 m，頂高程為2.0 m。親水平臺為漿砌塊石結(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防越浪沖刷面層結(jié)構(gòu)。

圍堤堤身施工工序為：堤身堆載砂卸載開挖?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?堤心石拋理?安裝柵欄板護面或現(xiàn)澆護面及現(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 場地吹填

圍堤圍閉后，場地吹填疏浚土（臨時航道疏浚土）至標高約+0.8 m，繼續(xù)吹填（含泥量≤30%）吹海砂至交工標高+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排出。

3 復合地基設(shè)計及水位影響監(jiān)測

場地內(nèi)為避免真空聯(lián)合堆載預壓處理對圍堤產(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合地基進行軟基處理。素混凝土樁設(shè)計樁徑為400 mm，樁長為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)，地基強度得到了一定提高。根據(jù)室內(nèi)試驗，此時軟土層的滲透系數(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）

由于復合地基臨海，長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)吹填含砂土層進入復合地基內(nèi)部，導致地基應力狀態(tài)和侵蝕性離子含量變化，影響復合地基工作性能。故開展復合地基下潮水位影響監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域為白龍路BL5 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)測項目為復合地基內(nèi)部地下水位變化，監(jiān)測孔與東側(cè)圍堤擋浪墻垂直距離為15 m。

圖4 監(jiān)測點平面位置圖Fig.4 Plane Location Map of Monitoring Points

4 水位監(jiān)測結(jié)果與分析

先后分兩次對監(jiān)測點地下水位變化進行了監(jiān)測，與地下水位相對應的潮位數(shù)據(jù)來源于場地附近的三灶水文站。2021年4月19日，水文站觀測到的全日潮水位變化曲線以及連續(xù)7 h監(jiān)測得到的鉆孔內(nèi)水位變化曲線如圖5?所示。可見，海潮全天最高水位為13 時的212 cm，鉆孔內(nèi)最高水位為17時的174.8 cm。對比海潮水位和孔內(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到近150 cm左右。孔內(nèi)地下水位振幅遠小于高茂生等人［8］研究得到的接近海洋潮汐波動的1∕3，證明本研究所采用的堆載預壓排水固結(jié)與建造圍堤結(jié)構(gòu)的措施，有效地控制了潮位波動對地基內(nèi)部水位的影響。

為探究內(nèi)外水位聯(lián)動規(guī)律，4 月26 日～4 月27 日進行了24 h 連續(xù)監(jiān)測，26 日～27 日潮水位變化曲線以及鉆孔內(nèi)實測水位變化曲線如圖5?所示。對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)類似簡諧波動形態(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，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，變化幅度約為5 cm，周期約12 h。內(nèi)外水位波峰出現(xiàn)時間差約2 h，但波峰幅值大小比例并不完全對應，即內(nèi)外水位相位差為λ個周期+2 h（λ=1，2···，n）。

圖5 潮水位與孔內(nèi)實測水位變化曲線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)復合地基潮位影響控制研究及復合地基內(nèi)部水位升降現(xiàn)場監(jiān)測分析，得出主要結(jié)論如下：

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

⑵現(xiàn)場實測復合地基內(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個周期+2 h的相位差。