xx港某工程在7m淤泥層拋石擠淤的設(shè)計(jì)考慮和風(fēng)險(xiǎn)

吳家強(qiáng)

摘要：港口建設(shè)工程就是進(jìn)行引堤和全部防波堤、圍堰段需進(jìn)行軟基處理設(shè)計(jì)，原始設(shè)計(jì)斷面為打設(shè)塑料排水板并分層拋石。實(shí)際施工中受施工區(qū)域海況惡劣、建設(shè)單位建設(shè)計(jì)劃和當(dāng)?shù)卣膲毫Γ瑢⒃O(shè)計(jì)斷面調(diào)整為施工速度快且不受海況限制的拋石擠淤方案。拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面通過實(shí)施前對工程處實(shí)際土層、堤頭流和海動(dòng)力情況科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)風(fēng)險(xiǎn)考慮、分析。實(shí)施后對堤心沉降、堤頭沖刷等實(shí)際工況的取樣評估，并堤身經(jīng)過天文低潮位下臺風(fēng)的考驗(yàn)，證實(shí)了在7m厚淤泥層采用拋石擠淤這種設(shè)計(jì)斷面的成功。但拋石擠淤這種方案屬冒險(xiǎn)且不計(jì)投資成本的設(shè)計(jì)，不建議在其它類似工程中繼續(xù)采用。

關(guān)鍵詞：港口建設(shè);塑料排水板;拋石擠淤;海流;技術(shù)考慮

引文：

拋石擠淤法是港口工程地基處理方法中最基本的一種，它的機(jī)理是對港口水工構(gòu)筑物下面的淤泥直接拋填塊石體，利用塊石體自重荷載擠出下面的淤泥，讓塊石體沉降和占據(jù)原來淤泥的空間，達(dá)到置換的目的。原《港口工程地基規(guī)范（JTJ250-98）》拋石擠淤法適用范圍限制在厚度小于3m的淤泥、流泥。隨著施工機(jī)械的發(fā)展及單體塊石的增大。2010年9月1日實(shí)施的《港口工程地基規(guī)范（JTS-147-1-2010）》將拋石擠淤法適用范圍增大為厚度小于5m的淤泥、流泥。

之所以對淤泥厚度作出限制，是因?yàn)榭繅K石體自重荷載可對5m厚以內(nèi)的淤泥產(chǎn)生擠壓置換的作用，其作用力正好，沉降得當(dāng)。超出5m限度，塊石體自重對下面的淤泥、流泥的擠出和塊石體的沉降的作用減弱、將擠出和沉降過程拉長，在一定時(shí)間內(nèi)可能停滯不動(dòng)。

一、XX港口一期工程工程概況

XX港口一期工程主要建設(shè)內(nèi)容為2個(gè)5000噸級雜貨泊位及相應(yīng)的引堤、防波堤、圍堰和配套工程，碼頭及后方陸域設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為5.0m，年設(shè)計(jì)通過能力為107萬噸，主要平面布局及特點(diǎn)如下：

該工程由凸出的半島形狀陸域向南側(cè)海中推進(jìn)建設(shè)4996m長引堤。在引堤端頭建設(shè)長655m防波堤，655m圍堰，形成正方合圍狀。305m碼頭主體平行于引堤，距引堤350m。從工程平面圖可以看出，整個(gè)工程處于兩灣中間海中，無遮擋無掩護(hù)，面對風(fēng)頭浪尖。本海區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾W，強(qiáng)風(fēng)向SE。工程地質(zhì)勘探表明，引堤從樁號3+833m處向南，其海底淤泥層厚達(dá)到7m左右，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)（淤泥層固結(jié)快剪試驗(yàn)的粘聚力值僅為Cg=10kPa、內(nèi)摩擦角值僅為φg=7.2°）均較低。根據(jù)港口地基規(guī)范，必須對樁號3+833m處向南的引堤及防波堤、圍堰等進(jìn)行軟基處理。

1、引堤、防波堤和圍堰軟基處理原始采用的打設(shè)塑料排水板并分層拋填10～100kg塊石的設(shè)計(jì)斷面

打設(shè)塑料排水板并分層拋填10～100kg塊石進(jìn)行軟基處理，它的作用機(jī)理是在不破壞土層穩(wěn)定性的前提下，通過堤體分層拋填的塊石自重作為上部荷載對下部淤泥施加擠壓力，從而減小淤泥內(nèi)自由水的含量以增加其地基承載力指標(biāo)。由于上部拋填塊石需分級加載預(yù)壓，因此該種軟基處理方式需要數(shù)月甚至更長時(shí)間完成，但此種處理方式的優(yōu)點(diǎn)為構(gòu)筑物沉降速率和時(shí)間均可控，較自然沉降時(shí)間短。

該項(xiàng)目軟基處理段的原始設(shè)計(jì)斷面，為根據(jù)地層物理力學(xué)指標(biāo)（附表1）采用先打設(shè)塑料排水板并分三級拋石加荷的方式，具體如下：第一級拋石加荷高度約為7m，固結(jié)時(shí)間要求為2.5個(gè)月;第二級拋石加荷高度為3m，固結(jié)時(shí)間要求為1個(gè)月;第三級拋石加荷高度為4m，固結(jié)時(shí)間要求為25天;要求每級的加荷速率控制為1.0～2.0kpa/天，沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)為Smax<10mm/天，橫向位移速率控制為Mmax<4mm/天。

2、將打設(shè)塑料排水板并分層拋填塊石設(shè)計(jì)斷面變更為拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面的原由

由于此工程為無遮擋的海上施工條件且海況惡劣，年平均海上作業(yè)天數(shù)不足120天。到了2010年8月份試驗(yàn)段完成，海上打設(shè)塑料排水板極為不順、停滯不前，建設(shè)單位邀請國內(nèi)著名港口設(shè)計(jì)、建設(shè)專家及上述四方共同研討咨詢，根據(jù)試驗(yàn)段的施工經(jīng)驗(yàn)及各種因素綜合分析，一致同意放棄打設(shè)塑料排水板設(shè)計(jì)斷面變更為拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行施工。

二、采用拋填擠淤法的技術(shù)考慮及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估

1、在等待海上打設(shè)塑料排水板施工期間，為保證陸上拋填的連續(xù)性，將引堤樁號3+833m～4+200m作為拋填擠淤試驗(yàn)段。最初幾天內(nèi)端頭塌陷沉降強(qiáng)烈，最大2m之多，這些都在預(yù)料之中和可控范圍內(nèi)。此期間最重要的是生產(chǎn)安全，制定相應(yīng)防范措施。

2、分析新老港口工程地基規(guī)范將適用于拋填擠淤法的淤泥厚度由小于3m加大為5m的緣由和意義

3、堤頭流分析

身處正在推進(jìn)的引堤端頭，可以強(qiáng)烈感受和看到旋轉(zhuǎn)翻騰的堤頭流運(yùn)動(dòng)，據(jù)種種現(xiàn)象分析，在堤頭流的作用下，堤頭淤泥被沖刷出一個(gè)流溝，相對減少了淤泥的厚度，有利于堤身的沉降。

4、海動(dòng)力的作用

引堤到了樁號3+000m以南就無擋無掩，受WS和ES雙風(fēng)向的夾擊。不僅受風(fēng)浪碰撞，無風(fēng)時(shí)外海傳來的涌浪也很強(qiáng)烈。每月有大半時(shí)間都受到風(fēng)浪、涌浪的撞擊。這種撞擊作為一種外力傳遞在堤身上，增加了對淤泥的擠壓力，加速了堤身的沉降速率。

5、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估

由打設(shè)塑料板并分層拋石設(shè)計(jì)斷面改為直接拋填擠淤設(shè)計(jì)斷面，通過以上分析可以基本排除堤身出現(xiàn)大的滑移的風(fēng)險(xiǎn)，工程安全可以保證。最主要的隱患是后期沉降速率較慢，因路面的緩慢沉降會(huì)對工程的后期使用產(chǎn)生一定影響，道路維修較困難。

三、工后檢測及評估

1、鉆孔取芯分析

樁號4+996m引堤已于2010年底完成。2011年1年在引堤樁號4+000m以南布置了鉆孔14個(gè)，勘探點(diǎn)深度：鑒別孔穿過堤心石進(jìn)入原始地質(zhì)層1-2m，取樣孔進(jìn)入風(fēng)化巖層。

2、堤頭海流觀測及堤頭水深測量

2007年7月在現(xiàn)引堤以近區(qū)域進(jìn)行的大小潮海流觀測資料與2011年1月在已建設(shè)中的引堤堤頭海流觀測資料進(jìn)行了對比。

通過兩個(gè)資料對比可以看出：

由于引堤的出現(xiàn)改變了原有水域的海流流速和流向。將原沿海灣陸岸流匯集于引堤端部，大大提高了流速，這是沖刷堤頭下的淤泥層的強(qiáng)烈動(dòng)力。根據(jù)堤頭水深測量報(bào)告，證實(shí)堤頭水深較原自然水深加深1m。換言之，淤泥層的厚度相對減少1m。

3、通過實(shí)際統(tǒng)計(jì)出的拋填塊石數(shù)量與地質(zhì)鉆探單位測量出的實(shí)際工程斷面進(jìn)行對比計(jì)算，數(shù)據(jù)基本一致。從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了引堤堤身沉降結(jié)果。

4、波浪觀測

前已分析波浪對堤身撞擊是增加對淤泥擠壓和加速堤身沉降的外力。特別本區(qū)域面對外海，有風(fēng)就有浪，無風(fēng)也有外海來的涌浪。這種用之不竭的海動(dòng)力對拋石擠淤和堤身沉降起到多大效果，可以量化計(jì)量嗎？為此，從2011年初，在引堤南端設(shè)立了波浪觀測站，以便積累資料，為今后的研究奠定基礎(chǔ)。

5、臺風(fēng)“米雷”的考驗(yàn)

2011年6月26日下午，臺風(fēng)“米雷”到達(dá)本工程海域。時(shí)值天文低潮位，東北向8級大風(fēng)挾著大雨來勢兇猛，海面上波浪翻滾驚濤拍岸。據(jù)波浪觀測，巨浪高達(dá)4～5m，間隔時(shí)間為19s。此次臺風(fēng)，給威海地區(qū)造成很大損失，特別是海上船舶及構(gòu)筑物。經(jīng)檢查一期工程已施工完成的4996m長引堤、300m長防波堤和300m長圍堰未有任何損壞、安然無恙，而且根據(jù)后期檢測，經(jīng)過臺風(fēng)巨浪的拍打后堤心石的擠壓近一步密實(shí)。由此證明在超過5m厚淤泥層上采用拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面是完全成功的。

四、結(jié)語

一期工程引堤、防波堤、圍堰在多種因素共同影響下，使得在厚淤泥地質(zhì)條件下采用冒險(xiǎn)的拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面取得了成功，這是與事前分析與工后檢測結(jié)果是相符的。該工程在厚軟土層采用拋石擠淤設(shè)計(jì)斷面，屬于冒險(xiǎn)且不計(jì)投資成本的設(shè)計(jì)方式，因此不可在其它類似工程中繼續(xù)采用。