山東東營港北區防波堤水平位移分析

郭 超，張秀勇

（1.中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519070；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029）

引 言

防波堤作為抵御激流、泥沙、波浪，保護港口和船舶安全以及維持水面平穩的水工建筑物[1-4]，扮演著越來越重要的角色，甚至在各類水工建筑物中有著獨特的代表地位[3]。在施工中，判斷防波堤拋填施工是否處于受控狀態，土體側向位移監測、沉降監測及孔隙水壓力監測等動態原位監測技術[5]的實施必不可少。

山東東營港北區防波堤位于東營市北部，瀕臨渤海西南海岸。近海表面覆蓋為淤泥地基，地質條件差，東營港北防波堤工程采用了拋石斜坡堤結構，拋石厚度大，淤泥厚度大、壓縮性大、強度低，預計地基的豎向變形、水平位移大。因此在施工過程中對防波堤進行穩定性和安全監測至關重要。本項目按照設計要求監測斷面，埋設儀器并進行現場監測，根據現場監測結果對防波堤施工過程進行監控，為防波堤施工期及運行期提供可靠的監測信息，達到及時了解堤身臨海面的深層土體側向位移狀況，為控制筑堤速率、評估堤身安全性提供數據支持。

1 工程概況

東營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，再向南轉約40°，繼續延伸883 m，全長為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構，結構安全等級為二級，結構重要性系數γ0=1.0；設計波浪重現期按50年一遇考慮。防波擋沙堤堤心為10～100 kg堤心石，堤身兩側邊坡1:1.5，護面層采用12 t扭王字塊體，護面塊體與堤心石之間設有600～800 kg塊石墊層。根據穩定性要求堤身兩側600～800 kg塊石壓腳棱體，邊坡為1:3。為防止沖刷，坡腳設有60～100 kg塊石護底，采用排水固結法對堤身下方的淤泥、淤泥質粘土及淤泥質粉質粘土等軟弱土層進行地基處理。首先鋪設砂墊層、打設塑料排水板，再鋪設土工格柵、二片石墊層和塊石進行堆載預壓。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置示意

2 工程地質條件

工程區域泥面高程在-1.92～-10.47 m之間，地勢總體自然坡降較小，近岸水淺、灘寬、地勢較平坦。表層沉積物近岸以粉土為主，遠岸以淤泥質土為主。勘察結果表明，該區域土層分布較有規律，在勘察深度范圍內，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、強度低等特點，該層分布較連續，工程性質較差。第二大層分布底高程為-21.51～-26.93 m。該土層壓縮性高，工程性質較差。第三大層分布底高程為-24.99～-33.32 m。該土層土質較好，進行基礎設計時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狀，為全區良好的基礎持力層。其中第一大層海相沉積層構成了擬建東營港北防波堤工程施工區域的表層土層，為高含水率、高壓縮率、低強度的靈敏軟土，工程地質性質差，填筑之前需進行必要的地基處理。處理的效果和范圍應滿足構筑物穩定性以及填筑安全的要求。

3 水平位移監測

在施工過程中，對防波堤地基表層和深層進行水平位移的監測，分別是為了監測防波堤表層的位置變化來控制加載速率，及時反映堤身穩定性情況以及監測防波堤堤腳軟弱地層在堤身填筑過程中的水平位移，分析地基的位移速率，發現失穩跡象并及時報警。現場監測的內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測。為此，共布設了19個監測斷面。

3.1 防波堤地基表層水平位移

防波堤地基表層水平位監測共設置 19個監測斷面。每個斷面布置1～2個監測點，位于2級加載體軸線，測點與沉降監測點公用。監測采用GPS和測距兩種方法。防波堤大里程部位采用GPS監測，選用Hiper V基準站套件+Hiper V流動站套件，防波堤根部采用測距的方式，測距選用DS-100AC+棱鏡組合。根據監測點的 GPS坐標變化來檢測防波堤地基表層的位移情況。

3.2 防波堤地基深層水平位移

1）儀器埋設

防波堤地基深層水平位移監測的方法主要是用測斜儀進行監測，測斜管采用鉆孔埋設法，鉆機成孔至所需高程，埋設測斜管，測斜管首先在地面進行連接，連接時導槽要相通，而且管連接處及管端均需封緊，十字槽一軸對準潛在的水平位移主方向。管底部須進入相對硬土層或基巖中，管口加保護蓋。

2）監測方法

土體深層水平位移監測結果所反映的是土體某一部位的傾斜度，采用活動式測斜儀進行測試，在地基中預埋一根特制的有導向槽的管道，通常稱之為測斜管。測斜管隨地基變形后，測斜管傾角αi發生變化，通過監測不同深度測斜管傾角的變化得到兩個測點之間的位移差δi，如式(1)，求出整根測斜管土體水平位移差Δn分布如式(2)：

式中：Li為第i節管子長度，常取100 cm。

當管子的埋置足夠深時，管底可認為是不動的，Δn即為管頂的水平位移值。把測量結果整理成水平位移變化曲線，反映各土層的水平位移情況。測斜儀工作原理如圖2。

圖2 測斜儀工作原理示意

初始監測，每0.5 m為一個測點，同一方向正反兩次測量，埋設初期需對其進行數次監測，直至測斜管位置穩定，確定為初始讀數。之后每次測量時，每個測定需平行測讀兩次，同一監測方向正反各測一次，平行測讀兩次的讀數誤差控制在規范要求范圍內。測斜儀從測斜管底處自下而上測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。

4 水平位移監測結果分析

4.1 防波堤表層水平向位移監測分析

表1 表層水平累計位移

該工程共布設了19個監測斷面，表1監測結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間變化曲線過多，現以 K0+150，K1+950，K3+150，K4+863斷面為例進行分析，見圖3。

從表1可知，外側水平位移量在36～186 mm，內側水平位移為 20～130mm，顯然外側累計水平位移量大于內側累計水平位移量，且堤根位移量小于堤中和堤頭位移量。

對于圖3中的K0+150斷面，可以清楚的看出隨著時間的增加，該斷面外側和內側的水平位移均呈現出一定的上升趨勢，且外側水平位移-時間曲線位于內側水平位移-時間曲線的上方，這說明在一定時間下，外側水平位移總大于內側的水平位移，監測期間該斷面內側水平累計位移為20 mm，外側水平累計位移達到36 mm，外側較內側高出1.8倍。因此，在實際工程中應多多注意外側的位移量。但由于施工、觀測環境及風浪影響，觀測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深層水平位移監測斷面來得到相對準確可靠的水平位移值。

圖3 各斷面表層水平位移-時間關系曲線

4.2 防波堤深層水平向位移監測分析

為了在本工程中得到相對準確可靠的水平位移值，我們又對斷面深層水平位移進行了2年左右的監測并得出了一些數據結論：從2015年3月到2016年12月，6個監測斷面深層水平位移統計結果見表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。根據各監測斷面深層水平位移變化過程，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條件的特點。

表2 深層水平累計位移

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定。各監測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。在測量過程中，未出現超過報警值的情況，并且截止防波堤監測后期，地基深層位移每月變化量較小，不會對堤體的穩定造成影響。

圖4 典型斷面觀測點水平位移隨高程變化曲線

5 結 語

在全面的深入分析監測內容和工作特點、制定監測方案、儀器設備選型、優化和改進埋設方案、確定數據分析與成果整理方法等一系列前期準備工作的基礎上，依據技術方案，開展實施了東營港北防波堤工程監測及相應儀器的埋設安裝工作，以及常規測量、監測數據分析和成果整理工作，并在監測期間維護儀器設備正常工作。根據監測結果，針對表層和深層水平位移的監測主要得出以下結論：

1）通過防波堤表層水平位移監測數據來看，外側水平位移量明顯大于內側水平位移量，且堤根位移量小于堤中和堤頭位移量。

2）從深層水平位移監測結果來看，防波堤下部土體位移主要發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，在測量過程中，未出現超過報警值的情況，并且截止防波堤監測后期，地基深層位移每月變化量較小，不會對堤體的穩定造成影響。

通過對于防波堤地基表層和深層的水平位移監測，本工程在施工中后期堤體位移均未超過預警值，確保了堤體的穩定，這也說明本工程的水平位移監測對于控制筑堤速率，評估堤身安全性以及拋填施工的動態控制起到關鍵性的支持和保障作用。