港珠澳大橋詳勘水文地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)

王愛(ài)國(guó) 黃 揚(yáng)

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇淮安 223005)

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口—伶仃洋海域，橋位區(qū)地表海水發(fā)育，混凝土基樁部分位于海水中，處于長(zhǎng)期浸水狀態(tài)，部分位于海水漲落潮區(qū)，處于干濕交替狀態(tài)，海水對(duì)樁基有可能產(chǎn)生腐蝕;樁基位于泥面以下的部分，長(zhǎng)期與樁基周圍巖土、地下水接觸，也可能被其腐蝕;因此，有必要查明場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，判定場(chǎng)地水對(duì)建筑材料以及基礎(chǔ)的腐蝕性，并且對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 勘測(cè)技術(shù)要求

本次勘察目的如下:查明沿線橋位的水文地質(zhì)條件，詳細(xì)查明橋位區(qū)地表水及地下水的類型、地下含水層性質(zhì)，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，評(píng)價(jià)擬建橋位區(qū)地表水、地下水對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕性;針對(duì)基礎(chǔ)的防腐施工提出合理建議。

3 水文地質(zhì)條件［1］

3.1 地形地貌

擬建的港珠澳大橋位于珠江口的伶仃洋海域，匯集了珠江入海8個(gè)口門(mén)中的虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝和橫門(mén)4個(gè)口門(mén)的徑流，為珠江主要出海口和最大的河口灣。伶仃洋水下地形西北高、東南低，水深從灣內(nèi)向?yàn)晨谥鸩皆黾印硟?nèi)淺灘和深槽相間，水下地形構(gòu)成三灘兩槽結(jié)構(gòu)。

3.2 氣象水文

場(chǎng)區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖潮濕，年平均氣溫22.3℃，多年平均降水量1 900 mm。

本區(qū)潮汐類型屬于不規(guī)則的半日潮混合潮型，呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式。其中大潮期間日潮現(xiàn)象較明顯，小潮期間半日潮現(xiàn)象顯著，中潮介于兩者之間。從潮位和潮流關(guān)系來(lái)看，本海區(qū)潮波屬于變形前進(jìn)波性質(zhì)。

伶仃洋內(nèi)水面高度一般相差可達(dá)30 cm～100 cm。工程水域高潮位由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大，低潮位由外海向珠江口逐漸降低。潮差也有由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大的趨勢(shì)。

漲潮流來(lái)自遼闊的南海方向，潮流以海水為主;退潮流來(lái)自陸域方向，沿岸主要為珠江水體向海中排泄，海水被沖淡;具有落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大的特點(diǎn)。

據(jù)專題研究，橋位處500年重現(xiàn)設(shè)計(jì)高水位為3.98 m，設(shè)計(jì)低水位為－1.67 m，均為85黃海基面。

珠江口為我國(guó)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)區(qū)，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，在近岸水域會(huì)產(chǎn)生明顯的水位升降，即臺(tái)風(fēng)暴潮。據(jù)伶仃洋各測(cè)站風(fēng)暴增水情況的統(tǒng)計(jì)，伶仃洋海區(qū)臺(tái)風(fēng)暴潮增水可達(dá)2 m以上。

3.3 地下水

根據(jù)多次勘探資料，場(chǎng)區(qū)發(fā)育厚度40 m～90 m的松散層，由兩岸向水域逐漸變厚。地層結(jié)構(gòu)總體分為四個(gè)層組，即軟土、黏土、砂土、基巖風(fēng)化層。

根據(jù)含水層的巖性、埋藏條件及地下水的賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將橋位區(qū)地下水劃分為松散巖類承壓水含水巖組和基巖裂隙水兩大類。本文研究對(duì)工程有重要影響的松散巖類孔隙承壓水。

該含水巖組分布于橋位區(qū)海域，埋深34.80 m～59.40 m，頂板高程 －65.78 m ～ －40.80 m，厚度 20.55 m ～44.00 m。含水層多為單層，局部為雙層;表層為淤泥、淤泥質(zhì)土或黏性土覆蓋(其滲透系數(shù)小于1.1×10－7cm/s)，為不透水土層;下部與基巖風(fēng)化層直接接觸，基巖淺部全、強(qiáng)風(fēng)化層，風(fēng)化程度高，粘粒高，透水性差。含水層主要由粉細(xì)砂、中砂、粗礫砂等組成，在中部發(fā)育2 m～25 m的粗礫砂混礫石，局部夾黏性土，均屬于晚更新世早期河流相沖積物，總體上上細(xì)下粗，巖相、厚度變化較大，富含孔隙承壓水，多為咸水。

4 水文地質(zhì)分析評(píng)價(jià)

本次勘察沿橋位軸線在不同部位、不同時(shí)間采取了21組海水樣和13組地下水樣，取樣位置見(jiàn)圖1，并利用了初勘階段在擬建橋位采集的4組地表水樣和2組地下水樣水質(zhì)分析成果。

圖1 取樣點(diǎn)平面位置圖（比例1：100 000）

4.1 地表水(海水)

本次勘察沿橋軸線按橋墩號(hào)由小到大的順序每隔5 km左右分高平潮、低平潮海流環(huán)境分別采集了海水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，并且利用了初勘的海水樣水質(zhì)分析成果，主要試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1海水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同一位置高潮位與低潮位海水的含鹽量(溶解性總固體含量)及化學(xué)離子成分中Mg2+含量總體上有明顯遞減趨勢(shì)離子含量有遞減趨勢(shì)但不明顯，含量很低的與pH值則看不出有明顯變化規(guī)律，侵蝕性CO2由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)太少難以進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。雖然海水試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示同一位置高潮位與低潮位海水的含鹽量及化學(xué)離子成分有明顯變化規(guī)律，但是低平潮與高平潮海水其化學(xué)離子含量仍幾乎處于同一數(shù)量級(jí)水平。

究其原因，與橋位區(qū)海域所處的地理環(huán)境有關(guān)。本區(qū)域地處珠江入海口，珠江徑流與海水交融，潮汐類型屬于不規(guī)則的半日潮混合潮型，呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式。漲潮流來(lái)自遼闊的南海方向，潮流以海水為主，由外海涌向珠江口，使得潮水中的含鹽量升高;退潮流來(lái)自陸域方向，由珠江口涌向外海，沿岸主要為珠江水體向海中排泄，海水被沖淡，使得潮水中的含鹽量降低;從而導(dǎo)致同一位置高潮位與低潮位海水的含鹽量及化學(xué)離子成分中Cl－，含量有明顯遞減趨勢(shì)。低平潮與高平潮海水中化學(xué)離子含量幾乎處于同一量級(jí)水平則說(shuō)明珠江徑流與海水交融后對(duì)本橋位區(qū)的海水成分未能起到根本性改變。

由表1海水試驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，從DB01標(biāo)段海水沿橋軸線分布情況來(lái)看，無(wú)論是高平潮還是低平潮時(shí)段海水中含鹽量及化學(xué)離子成分中含量在青州航道橋及江海直達(dá)船航道橋附近比其他區(qū)段都明顯高很多，這也就意味著此兩處海水對(duì)建筑材料的腐蝕性更強(qiáng)。初步分析認(rèn)為:青州航道橋及江海直達(dá)船航道橋附近地處航道，船舶過(guò)往頻繁，海流情況更加復(fù)雜多變所導(dǎo)致。

表1 橋位區(qū)海水水質(zhì)分析成果表

根據(jù)本次勘察及初勘各地段所取海水的水質(zhì)分析成果顯示:其溶解性總固體含量低潮位最低值為4 664.5 mg/L，高潮位最高值為27 457 mg/L，低潮海水比高潮海水淡。侵蝕性CO2一般未檢出。海水水化學(xué)類型均為Cl-Na型。

根據(jù)JTJ 064-98公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范按Ⅱ類環(huán)境、直接臨水的條件進(jìn)行地表水對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)，地表水對(duì)混凝土無(wú)分解類腐蝕性、具結(jié)晶類中等腐蝕性和結(jié)晶分解復(fù)合類強(qiáng)腐蝕性，綜合判定地表水對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，應(yīng)采取三級(jí)防護(hù)措施。按GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版):在長(zhǎng)期浸水條件下，地表水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性;在干濕交替條件下，地表水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。按GB 50568-2010油氣田管道巖土工程勘察規(guī)范:地表水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

4.2 地下水

本次勘察采取的地下水樣進(jìn)行水質(zhì)分析及利用的初勘試驗(yàn)成果主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

本次勘察在橋位區(qū)所取地下水樣賦存于含水層砂性土中，該含水層由于上部黏性隔水層對(duì)其地下水自由排泄通道的阻隔，形成封蓋阻力而具承壓性，其排泄口與海水相通，主要接受海水的補(bǔ)給，屬于松散巖類孔隙承壓水。孔隙承壓水徑流表現(xiàn)在相同層位間的側(cè)向徑流，但受含水層巖性、分布的控制及海水的影響，其速度極慢，變化小。孔隙承壓水的排泄，主要是通過(guò)排泄口泄入海中，其次為孔隙承壓水向其他含水巖組側(cè)滲排泄和越流排泄。地下水以水平流動(dòng)為主，流向?yàn)槟现翓|南向。孔隙承壓水受海水潮差影響較明顯，時(shí)刻不斷地隨潮位變化，且地下水波形與海水基本一致，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 地下水主要離子成分表

據(jù)本次勘察及初勘地下水樣水質(zhì)分析成果顯示，橋位區(qū)松散巖類孔隙承壓水溶解性總固體含量6.202 g/L～15.320 g/L，按礦化度分屬咸水～鹽水，多為咸水，pH值4.09～8.10，按pH值分屬酸性～弱堿性水，水化學(xué)類型為Cl-Na，即氯鈉型水。地下水化學(xué)成分及離子含量與海水相似或接近，某種程度上亦可證明該場(chǎng)地地下水水源與海水存在關(guān)聯(lián)，海水亦為其主要補(bǔ)給來(lái)源。

根據(jù)JTJ 064-98公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范按Ⅱ類環(huán)境、強(qiáng)透水土層條件進(jìn)行地下水對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)，橋位區(qū)地下水對(duì)混凝土具結(jié)晶類弱腐蝕性、具分解類強(qiáng)腐蝕性和結(jié)晶分解復(fù)合類中等腐蝕性，綜合判定地下水對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，應(yīng)采取三級(jí)防護(hù)措施。按GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范:在長(zhǎng)期浸水條件下，橋位區(qū)地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。按GB 50568-2010油氣田管道巖土工程勘察規(guī)范:橋位區(qū)地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)珠江口的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，究其原因主要是:受歷史沉積演變、人類活動(dòng)、周圍排泄水等的影響所致。

2)根據(jù)本次勘察采取海水樣和地下水樣，利用前期水質(zhì)分析成果，水化學(xué)類型均為Cl-Na型。

3)由海水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同一位置高潮位與低潮位海水的含鹽量(溶解性總固體含量)及化學(xué)離子成分中Mg2+含量總體上有明顯遞減趨勢(shì)含量有遞減趨勢(shì)但不明顯，但是低平潮與高平潮海水其化學(xué)離子含量仍幾乎處于同一數(shù)量級(jí)水平。青州航道橋及江海直達(dá)船航道橋附近海水中含鹽量及化學(xué)離子成分中含量比其他區(qū)段都明顯高很多，初步分析認(rèn)為:青州航道橋及江海直達(dá)船航道橋附近地處航道，船舶過(guò)往頻繁，海流情況更加復(fù)雜多變所導(dǎo)致。地表水對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，應(yīng)采取三級(jí)防護(hù)措施。在長(zhǎng)期浸水條件下，地表水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性;在干濕交替條件下，地表水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。地表水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

4)據(jù)本次勘察及初勘地下水樣水質(zhì)分析成果，橋位區(qū)孔隙承壓水按礦化度分屬咸水～鹽水，多為咸水，按pH值分屬酸性～弱堿性水。地下水化學(xué)成分及離子含量與海水相似或接近，某種程度上亦可證明該場(chǎng)地地下水水源與海水存在關(guān)聯(lián)，海水亦為其主要補(bǔ)給來(lái)源。橋位區(qū)地下水對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，應(yīng)采取三級(jí)防護(hù)措施。在長(zhǎng)期浸水條件下，橋位區(qū)地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。橋位區(qū)地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

［1］江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.港珠澳大橋主體工程工程地質(zhì)初步勘察報(bào)告［R］.2009.

［2］江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.2011.

［3］JTJ 064-98，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［4］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)［S］.

［5］GB 50568-2010，油氣田管道巖土工程勘察規(guī)范［S］.