灘海人工島工程安全監測預警模式

焦志斌，馮京海，史賢志，李賢旭，劉海龍

（1.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.冀東油田分公司，河北 唐山 063200）

0 引言

隨著近海石油工業的勘探開采及經濟發展需要，在環渤海地區和其他近海區域相繼修建（擬建）了多個大型灘海人工島工程。灘海人工島工程處在海洋環境中，由于受到風浪、潮流、海冰及風暴潮等多種海洋環境因素的共同影響，和陸上建筑物相比，被破壞的可能性更大。歷史上人工島損毀事件屢見不鮮，破壞形式也多種多樣[1-2]。渤海6號曾在一場強風浪作用下產生了2 m水平位移和80 cm的沉降；綏中油田的某沉箱在安裝過程中遭遇較大風浪作用，平臺產生沉降達1.7 m；國內最典型案例為長江口二期工程北導堤段，2002年12月5—8日，施工現場遭遇了強寒潮的大風浪襲擊，風力6～7級，陣風8～9級，有效波高和有效波周期接近設計值。在連續兩天大風浪的作用下，已安放好的16個沉箱在風浪作用下最大沉降超過1.6 m，發生非正常沉降，屬于地基失穩，造成巨大的經濟損失[3-4]。

可見，圍護結構的破壞都伴隨著結構異常變形，可以通過安全監測及時獲取，對判斷災害體的發展和預警有著重要的技術支持。中國石油天然氣集團公司經過多年的人工島建設和系統研究，在國內率先制定了人工島施工期安全監測規范[5]，并提出了監測預警指標，為灘海人工島工程施工期階段的安全建設和管理提供了技術依據和保障。

對于灘海人工島工程運行期安全監測，目前還沒有專門的監測規范，運行期安全監測預警指標研究更是空白。人工島圍堤地基土經過施工期的地基處理和預壓，1～2 a后圍堤地基土固結度一般可達80%以上[6]，后期水平位移和沉降變化速率明顯減小，施工期的安全監測預警指標明顯不適合運行期，需要根據工程的實際情況建立適宜的預警指標和預警值，發揮運行期安全監測的預警作用。本文結合冀東南堡油田1-3號人工島工程運行期安全監測，首次探討了灘海人工島工程運行期安全監測的預警指標和預警模式，可為類似工程參考。

1 工程概況

冀東南堡油田1-3號人工島位于河北省唐山市灤南縣北堡村南側、南堡村西南側，南堡淺灘-5 m等深線附近，地理位置見圖1。整體呈近似橢圓形布置，邊長尺寸為495 m×298 m，造地面積13.33萬m2，圍堤總長1 374 m。人工島圍堤采用袋裝砂斜坡堤結構，島心采用吹填砂形成，引橋及登陸點布置在人工島北側，采用高樁墩臺結構型式，樁基采用鋼管樁。

冀東南堡油田1-3號人工島具有以下5個特點[7]：1）人工島建在北高南低的海溝邊緣，人工島和周邊構筑物建設嚴重影響局部的水動力環境，可能造成局部沖刷；2）人工島周邊水深大，原泥面高程約-5.3 m，高潮時水深超過9 m；3） 島體吹填高度大，最大吹填高度14.2 m；4）人工島距離陸域較遠，距陸域最近的1-1號人工島約6.7 km，受氣候及海洋等環境因素較大；5）曹妃甸區域的整體規劃修改對人工島周邊的水動力影響較大。

2 施工期預警指標

灘海人工島工程施工期的預警指標是人工島安全建設的關鍵技術難題，與工程地質、施工特點、結構型式、安全等級等相關。通過大量的工程實踐和系統研究，中國石油天然氣集團公司于2010年5月發布了我國第一個關于灘海人工島建設安全監測的技術規范：Q/SY 1354—2010《灘海人工島工程監測技術規范》。該規范為灘海人工島的安全監測提供了技術支持與保障，并把水平位移、沉降變化速率和超靜孔隙水壓力增量作為預警指標。

預警指標原則上根據設計要求確定，對于冀東南堡油田1-3號人工島，施工期的預警指標為：地面沉降速率10 mm/d；側向水平位移速率5 mm/d。

施工期安全監測的預警模式可參見文獻[5]。監測過程中，當發生下列情況之一，必須立即報告委托方，并應及時增加觀測次數或調整監測方案：1） 水平位移、沉降變化速率或超靜孔隙水壓力增量接近或超過預警值；2）周邊出現塌陷和滑坡征兆；3）由于風暴潮、凍融、地震等自然災害引起的異常情況。

在依據監測變量進行預警的同時，預警模式應首先考慮設計海洋環境因素的影響，這是規范的不足，或者說沒有進行重點強調。在灘海工程中，施工期的風險主要來自海洋環境荷載[1]。

3 運行期預警模式研究

運行期灘海人工島的安全預警也應包括兩個方面的內容：設計環境因素預警和島體安全監測預警。本文重點討論人工島運行期安全監測預警。

設計環境因素預警指的是工程設計時所允許出現的惡劣的環境條件，如地震、強風暴潮、海嘯、特大冰災等。這些自然災害不一定對島體產生破壞，但會影響人工島上的安全生產和作業，也應該納入安全預警系統中，常見的環境因素預警見表1。

灘海人工島運行期安全監測預警指的是監測指標超過允許值，灘海工程出現安全風險，文中主要指的是圍護結構（圍堤）的穩定。灘海人工島圍護結構的破壞一般分為滑動破壞和沖刷破壞。滑動破壞是基于人工島地基失穩引起的局部或整體破壞；水流沖刷會導致護底護坡失穩而最終導致圍堤塌陷和破壞，風暴潮、巨浪、強海流、寒潮是導致人工島沖刷破壞的主要因素。無論是滑動破壞和沖刷破壞，都伴隨著圍堤結構的沉降、水平位移和地基土超靜孔隙水壓力的持續異常變化。因此灘海人工島運行期安全監測的預警內容主要包含：水平位移、沉降異常預警，以及圍堤地基土超靜孔隙水壓力異常預警。

由于灘海人工島圍堤地下水位受潮位的影響會出現動態變化，相對潮位有明顯的滯后現象，高潮位和低潮位時段出現峰值，其他時段穩定在一個區間[8]，超靜孔隙水壓力監測預警有待于深入研究。著重研究潮差與超靜孔隙水壓力分布的關系，尤其是風暴潮作用下圍堤地基土超靜孔隙水壓力分布與消散規律。

冀東油田1-3號人工島圍堤地基土經過施工期的預壓，1 a后地基土固結度一般已達80%以上[6]，后期水平位移和沉降變化速率明顯減小，1-3號人工島建成后第3年，圍堤年總沉降11 mm（見圖2），側向最大水平位移僅8 mm。可見，施工期的安全監測預警指標已明顯不適應運行期，需要根據工程的實際情況建立適宜的預警指標和預警值，發揮運行期安全監測的預警作用。

冀東油田1-3號人工島運行期安全監測自動化系統詳見文獻[7]，針對運行期灘海人工島水平位移和沉降的變化特點，選擇運行期的圍堤水平位移、圍堤沉降作為人工島運行期安全監測的預警指標[7]。

水平位移、沉降異常預警采用分級控制，預警參數分為預警值和允許值，預警指標建議值及對應的工程應對措施見表2。

當水平位移速率D＜2 mm/d且沉降速率H＜5 mm/d時，灘海人工島處于安全運行狀態，系統采用定時觀測，且每月進行島體圍堤巡視檢查，檢查觀測斷面及其他區域有無異常現象。當出現地震、風暴潮、海嘯、特大冰災等惡劣環境時，應轉入實時監測。

當水平位移速率2 mm/d≤D≤5 mm/d或沉降速率5 mm/d≤H≤10 mm/d時，系統會發出異常警報，進入Ⅱ級預警處理流程。此時應連續觀測，并進行特別巡視檢查，

結合周邊海況，分析異常原因，判斷護坡結構完整及穩定性，直至風險解除。風險解除后，應及時提交人工島異常預警調查報告。

當水平位移速率D＞5 mm/d或沉降速率H＞10 mm/d時，監測變量超過允許值，系統會發出異常警報，進入Ⅰ級預警處理流程。此時應該連續觀測，并進行特別巡視檢查，觀察圍堤整體有無不均勻沉降、異常變形、滑動跡象等，結合周邊海況變化，分析異常原因，判斷護坡穩定性。有條件時應結合島體周邊水域沖淤監測，判斷護底完整性，必要時進行圍堤斷面淺剖，分析護坡結構完整性。

當監測變量超過允許值持續3 d時，要考慮暫停生產和人員撤離。相關部門要針對風險進行評估并采取拋石護坡等綜合工程措施，加強護坡和圍堤的穩定，風險解除后，應及時提交人工島異常預警調查報告。

由于護底和護坡的損壞而引起的圍堤局部塌陷和滑移應給予足夠的重視，一方面需定時進行觀測，同時及時進行工程修復。

表2 運行期灘海人工島工程安全監測預警指標建議值及應對措施

4 結語

結合冀東南堡油田1-3號人工島運行期安全監測自動化系統，分析并提出了灘海人工島運行期監測的預警指標和預警模式。預警指標為圍堤水平位移和圍堤沉降；預警模式為根據監測數據變化，結合海域沖淤、斷面淺剖，分級提出預警，并給出了工程應對措施。同時安全監測預警要和環境因素預警有機結合。

灘海人工島運行期安全監測預警指標的選取與監測技術相關，圍堤地基土超靜孔隙水壓力預警是亟待研究的難題。預警模式應結合具體工程進行完善和改進，更好地適應不同海況條件下構筑物的安全監測需要，并使之標準化。

隨著全球災害性氣候的加劇及海洋環境的復雜性，人工島及相關構筑物損毀事件時有發生，應盡快推動人工島運行期安全監測預警指標和預警模式相關規范標準的編制，為管理部門提供技術依據。

[1] 李炎保，蔣學煉，劉任.防波堤損壞特點與其成因的關系[J].海洋工程，2006，24（2）：130-138.

[2] S Y Tzang，S S Hsiao.A Case Study on Typhoon Induced Consecutive Damages on Coastal Structures at Keelung Coast[C]//Coastal Structures'99.Rotterdam：Balkema，2000：1 017-1 025.

[3]范期錦.長江口南導堤局部堤身下沉的原因及對策[J].中國港灣建設，2003（3）：1-4.

[4]范期錦，李乃揚.長江口二期工程北導堤局部破壞的原因及對策[J].中國港灣建設，2004（2）：1-8.

[5]Q/SY 1354—2010，灘海人工島工程監測技術規范[S].

[6] 蘇冬林，焦志斌.南堡1-3人工島工程施工期觀測與檢測分析報告[R].南京：南京水利科學研究院，2009.

[7] 焦志斌，鄭澄鋒，米占寬.離岸深水人工島安全自動監測及預警系統研究[R].南京：南京水利科學研究院，2011.

[8] 焦志斌，蔡正銀，徐光明.分離卸荷式地連墻碼頭原型觀測與現場試驗研究[M]//董文才.唐山港地連墻板樁碼頭.南京：河海大學出版社，2009：109-114.