深厚沖積地層護(hù)灘堤原型觀測(cè)技術(shù)

摘 要 原型觀測(cè)技術(shù)更多使用于建筑物填筑出水后通過(guò)鉆孔預(yù)埋設(shè)備的情況. 對(duì)于水下建筑物軟土地基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的研究與應(yīng)用較少，難以解決水下建筑物軟土地基的變形問(wèn)題，尤其是施工及運(yùn)行期內(nèi)始終位于水下的建筑物，因此有必要開(kāi)展水下監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究. 本文針對(duì)性提出水下軟基土體變形量測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳輸成套技術(shù)方法并獲得了完整的加載期間的地基土變形過(guò)程，研究結(jié)果對(duì)海上構(gòu)筑物安全建造與相關(guān)工程有指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞 軟土地基；水下監(jiān)測(cè)；原位測(cè)試；沉降計(jì)算；深厚沖積地層護(hù)灘堤

中圖分類(lèi)號(hào) TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

0 引 言

軟土地基[1-2]天然含水率高、透水性差、壓縮性大、強(qiáng)度低，地基承載力及穩(wěn)定性差，因而荷載作用下軟土地基變形量較大. 然而傳統(tǒng)的軟土地基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]適用于水面以上的建筑物，難以解決水下建筑物軟土地基的變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題. 因此有必要進(jìn)一步研究護(hù)灘堤的水下觀測(cè)技術(shù)[4].

護(hù)灘堤[5]處于大水深、高流速的江底，因此，在堤軸線(xiàn)等關(guān)鍵位置搭設(shè)觀測(cè)平臺(tái)存在施工干擾過(guò)大、儀器設(shè)備保護(hù)困難等問(wèn)題. 目前對(duì)水下建筑物施工與運(yùn)營(yíng)期軟土地基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用中，難以準(zhǔn)確測(cè)得加載的全過(guò)程軟土地基的土體沉降過(guò)程. 以往關(guān)于海堤變形監(jiān)測(cè)的研究[6]中，運(yùn)用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)地基實(shí)時(shí)位移狀態(tài)，但直接使用自動(dòng)化程度較低，因此，在后續(xù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)積極探索大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用. 在數(shù)據(jù)采集方面，周秘[7]采用GNSSRTK技術(shù)輔以導(dǎo)航測(cè)深軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，但只能對(duì)水下地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，難以對(duì)變形進(jìn)行有效監(jiān)測(cè). 關(guān)于水下設(shè)備管線(xiàn)的保護(hù)方面，王延寧等[8]采用多種技術(shù)手段保證儀器埋設(shè)成功率，在導(dǎo)線(xiàn)接頭及導(dǎo)線(xiàn)保護(hù)方面給了很大的啟發(fā).

本研究從長(zhǎng)江口南槽航道治理工程的深厚沖積地層護(hù)灘堤的原型觀測(cè)為依托，針對(duì)性提出水下軟基土體變形監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳輸成套技術(shù). 在實(shí)際工程中進(jìn)行水下軟土地基變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)，計(jì)算分析地基沉降，將計(jì)算值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比. 結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確獲得拋石加載期地基沉降，確保施工安全穩(wěn)定.

1 工程背景

護(hù)灘堤工程[9-10]始終處于大水深、高流速的江底，在堤軸線(xiàn)等關(guān)鍵位置搭設(shè)觀測(cè)平臺(tái)對(duì)施工干擾過(guò)大、儀器設(shè)備保護(hù)極為困難. 目前對(duì)水下建筑物軟土地基變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方法尤其是施工及運(yùn)行期內(nèi)始終位于水下的建筑物的研究與應(yīng)用較少，難以準(zhǔn)確測(cè)得加載的全過(guò)程軟土地基的土體沉降和位移等變形過(guò)程.

1.1 工程地理位置

長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程建設(shè)內(nèi)容包括整治建筑物工程. 整治建筑物工程沿江亞南沙南緣向下建設(shè)一條護(hù)灘堤，上游順接長(zhǎng)江口深水航道分流魚(yú)嘴南線(xiàn)堤，總長(zhǎng)約16 km，工程平面布置圖如圖1.

1.2 監(jiān)測(cè)斷面上部結(jié)構(gòu)

3＋850原型觀測(cè)斷面上部結(jié)構(gòu)為半圓體混合堤（如圖2），堤身較高，局部地形沖刷嚴(yán)重區(qū)域，考慮先采用拋填砂袋填平?jīng)_刷坑后再實(shí)施堤身結(jié)構(gòu). 堤頂高程＋2.0 m，為內(nèi)徑5.0 m，外徑5.5 m的半圓形構(gòu)件，下部直線(xiàn)段高2.5 m，壁厚0.5 m，底板厚0.8 m，底板、圓弧壁北側(cè)均設(shè)φ500 mm開(kāi)孔. 兩側(cè)護(hù)肩寬4.0 m，采用 300～500 kg塊石，半圓形構(gòu)件下設(shè)10～100 kg拋石＋3層通長(zhǎng)袋基床，堤兩側(cè)設(shè)5 m寬的100～300 kg拋石護(hù)腳棱體.

護(hù)底采用堤身砂肋軟體排＋混凝土聯(lián)鎖塊軟體余排組成的混合軟體排.

1.3 工程地質(zhì)

本工程土層分布情況如下：

（1） 灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：土質(zhì)不均，流塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾薄層狀粉砂；頂標(biāo)高-5.50 m，層厚7.70 m；標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)0～3擊，平均值1.4擊.

（2） 灰色淤泥質(zhì)黏土：土質(zhì)稍均，流塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾少量薄層粉砂；頂標(biāo)高-13.2 m，層厚7.30 m；標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)1～3擊，平均值2.1擊.

（3） 灰色黏土：土質(zhì)稍均，流塑～軟塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾粉砂團(tuán)塊，有光澤，干強(qiáng)度及韌性高；頂標(biāo)高-20.5 m，層厚8.2 m；標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)1～5擊，平均值3.3擊.

（4） 灰色粉質(zhì)黏土：土質(zhì)不均，軟塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾薄層粉砂；頂標(biāo)高-28.7 m，層厚17.3 m；標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)4～7擊，平均值5.3擊.

2 水下軟土地基變形監(jiān)測(cè)

2.1 全斷面監(jiān)測(cè)

被測(cè)地基土體發(fā)生沉降時(shí)帶動(dòng)沉降盤(pán)拉動(dòng)位移計(jì)測(cè)桿，測(cè)桿拉動(dòng)振弦的應(yīng)力發(fā)生變化，從而改變振弦振動(dòng)頻率，電磁線(xiàn)圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)土體的沉降量. 采用定制的土體位移計(jì). 連接后儲(chǔ)液罐傳感器如圖3.

2.2 分層沉降監(jiān)測(cè)

分層沉降測(cè)量?jī)x選擇土體位移計(jì)監(jiān)測(cè)地基內(nèi)部垂直位移變化；土體位移計(jì)直接安裝在鉆孔里如圖4，以監(jiān)測(cè)多個(gè)土層的沉降，在下放的同時(shí)進(jìn)行傳感器測(cè)試，監(jiān)視傳感器是否正常，經(jīng)檢測(cè)合格后，將電纜進(jìn)行保護(hù)[8]，傳感器保護(hù)管如圖5.

2.3 深層土體測(cè)斜

目前最常規(guī)的監(jiān)測(cè)方式是固定式測(cè)斜儀. 采用鉆孔方式并安裝測(cè)斜管，按設(shè)計(jì)要求在測(cè)斜管內(nèi)不同高程安裝傾斜傳感器，即可獲取整治建筑物或結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同高程的水平位移狀態(tài)，這種應(yīng)用可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)，并可準(zhǔn)確而連續(xù)地監(jiān)測(cè)整治建筑物或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部或剖面的變形情況. 當(dāng)某層土的沉降量估算大于位移計(jì)量程時(shí)采用兩個(gè)或更多個(gè)土體位移計(jì)儀串聯(lián)在一起監(jiān)測(cè)土層的沉降量. 多段式測(cè)斜儀安裝如圖6.

2.4 監(jiān)測(cè)分項(xiàng)布置與監(jiān)測(cè)頻率

水下軟土地基變形監(jiān)測(cè)[4]工作需與拋石施工交叉作業(yè)、避免互相干擾，電測(cè)儀器設(shè)備必須具有密封防水功能. 在3＋850斷面堤心軸線(xiàn)處布置1組分層沉降觀測(cè)點(diǎn)、航道內(nèi)側(cè)護(hù)腳處布置1組深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)，在3＋850斷面堤心軸線(xiàn)及航道內(nèi)外側(cè)坡腳處各布置1組全斷面沉降觀測(cè)點(diǎn)，護(hù)灘堤水下監(jiān)測(cè)分項(xiàng)布置如圖7.

在施工期間每3天觀測(cè)1次，同時(shí)根據(jù)施工進(jìn)度調(diào)整. 斷面完工后前3個(gè)月每周1次，其后半年內(nèi)每1個(gè)月觀測(cè)1次，再后每3個(gè)月觀測(cè)1次，至竣工驗(yàn)收為止. 使用期每半年觀測(cè)1次.

2.5 監(jiān)測(cè)流程

按規(guī)范要求布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)鉆孔的方式，在點(diǎn)位安裝相應(yīng)類(lèi)型的監(jiān)測(cè)傳感器. 全斷面沉降觀測(cè)采用定制的土體位移計(jì)埋設(shè)在基床石高程面以下；分層沉降觀測(cè)采用常規(guī)土體位移計(jì)，沿測(cè)點(diǎn)深度按設(shè)計(jì)要求2～3 m（計(jì)劃2.3 m）間隔進(jìn)行埋設(shè)；地基深層測(cè)斜觀測(cè)采用固定式測(cè)斜儀，沿測(cè)點(diǎn)深度2 m間隔進(jìn)行埋設(shè). 傳感器埋設(shè)的同時(shí)，在堤腳附近搭建采集平臺(tái)，各傳感器埋設(shè)好的線(xiàn)纜接入采集平臺(tái)上的自動(dòng)采集箱. 自動(dòng)采集箱數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS或4G網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線(xiàn)傳輸方式，實(shí)時(shí)、自動(dòng)化傳輸至應(yīng)用數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、平臺(tái)軟件處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)變形分析，將成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布. 即將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4G最終傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)而再到用戶(hù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.

2.6 檢測(cè)設(shè)備及安裝

相應(yīng)傳感器均采用水上鉆孔預(yù)埋方式，傳感器線(xiàn)纜經(jīng)江底引至水上觀測(cè)平臺(tái)，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)含數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽(yáng)能板，通過(guò)加裝手機(jī)流量卡可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸. 鉆孔平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)如圖9（a）和9（b）.

鉆孔結(jié)束后應(yīng)沖洗干凈，檢查鉆孔通暢情況，測(cè)量鉆孔深度、方位、傾角. 鉆孔結(jié)束后不要立即拔出套管. 鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)記錄鉆進(jìn)情況，鉆孔時(shí)應(yīng)了解地質(zhì)情況，便于準(zhǔn)確確定傳感器安裝位置. 主要儀器設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1，表2，表3.

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 全斷面表層沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3＋850斷面（如圖2）于2019年7月2日至7月4日進(jìn)行拋石施工，拋石施工期間斷面軸線(xiàn)處測(cè)點(diǎn)表層沉降量54.2 mm，近期沉降速率0.8 mm/d；南側(cè)堤腳處測(cè)點(diǎn)拋石施工期間表層沉降量46.2 mm，近期沉降速率0.8 mm/d，北側(cè)堤腳處測(cè)點(diǎn)拋石施工期間表層沉降量59.3 mm，近期沉降速率0.9 mm/d. 根據(jù)《高填方地基技術(shù)規(guī)范》GB51254-2017第7.6條邊坡施工與質(zhì)量檢驗(yàn)的要求，本工程沉降速率控制為5 mm/d，3＋850斷面軸線(xiàn)與堤腳測(cè)點(diǎn)沉降速率均小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài). 截止7月22日，3＋850斷面軸線(xiàn)處表層累計(jì)沉降量72.1 mm，南側(cè)堤腳處表層累計(jì)沉降量72.0 mm，北側(cè)堤腳處表層累計(jì)沉降量80.5 mm.

3.2 分層沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

截止2019年8月3日，沉降量最大土層本月沉降量30.3 mm，各測(cè)點(diǎn)沉降速率穩(wěn)定. 8月4日，安裝上部結(jié)構(gòu)半圓體混合堤，3＋850斷面軸線(xiàn)處測(cè)點(diǎn)本月沉降量73.9 mm，3＋850斷面軸線(xiàn)處分層沉降速率穩(wěn)定，無(wú)明顯異常，各測(cè)點(diǎn)位移如圖10所示.

3.3 深層側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3＋850斷面深層側(cè)向位移12.9 mm，近期位移速率0.28 mm/d；《建筑變形測(cè)量規(guī)范》JGJ8-2016第6.4.7條：位移速率的大小應(yīng)根據(jù)具體工程情況和工程類(lèi)比經(jīng)驗(yàn)分析確定. 當(dāng)無(wú)法確定時(shí)，可將5 mm/d～10 mm/d作為位移速率大的參考標(biāo)準(zhǔn). 位移速率小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài).

4 理論與數(shù)值計(jì)算

4.1 理論計(jì)算

（1） 僅計(jì)算由堤身自重引起的地基沉降，不考慮因地下水位下降、地震等因素引起的沉降和堤身自身沉降量. （2） 計(jì)算水位一般采用設(shè)計(jì)低水位. （3） 沉降計(jì)算一般選取堤軸線(xiàn)及斷面的兩側(cè)作為計(jì)算點(diǎn)，本工程僅計(jì)算堤軸線(xiàn)沉降量. （4） 地基壓縮層計(jì)算深度，一般算到附加應(yīng)力σz等于0.2倍自重應(yīng)力σc的深度為止. 計(jì)算固結(jié)沉降量Sc時(shí)，采用分層總和法，利用土層e～p曲線(xiàn)計(jì)算各土層壓縮量. 計(jì)算公式如下：

式中Sc表示最終沉降量（cm）；n表示壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i表示第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i表示第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力作用下的孔隙比；hi表示第i層土厚度（cm）；Ms表示沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)江口地區(qū)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程堤身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況，確定Ms＝1.3.

4.2 數(shù)值計(jì)算

將通用的有限元分析與巖土結(jié)構(gòu)的專(zhuān)業(yè)性要求結(jié)合，土體本構(gòu)模型采用莫爾—庫(kù)倫彈塑性模型（M-C經(jīng)典模型），邊界條件選取頂面為自由面，底面鉸接，四周為法向約束將上部結(jié)構(gòu)及拋石層簡(jiǎn)化為外荷載. 根據(jù)地勘報(bào)告，各層土的取值按照?qǐng)?bào)告中的土層物理性質(zhì)參數(shù)確定，其計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示.

4.3 不同計(jì)算方法結(jié)果比較

3＋850監(jiān)測(cè)斷面理論計(jì)算所需的參數(shù)如表4所示，3＋850監(jiān)測(cè)斷面結(jié)果比較見(jiàn)表5.

依照比較結(jié)果，目前土體的最終沉降根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)-測(cè)數(shù)據(jù)推算值相對(duì)理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果較小，主要是由于理論計(jì)算與數(shù)值模擬均采用地勘報(bào)告中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，且受計(jì)算模型選擇、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取等因素的影響，計(jì)算結(jié)果偏保守.

5 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)江口護(hù)灘提，展開(kāi)了監(jiān)測(cè)并用理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出如下結(jié)論：

（1） 全斷面沉降觀測(cè)采用定制的土體位移計(jì)，分層沉降觀測(cè)采用常規(guī)土體位移計(jì)，地基深層測(cè)斜觀測(cè)采用固定式測(cè)斜儀，有效對(duì)堤壩進(jìn)行了監(jiān)測(cè).

（2） 3＋850斷面軸線(xiàn)處表層累計(jì)沉降量72.1 mm，小于設(shè)計(jì)要求值. 沉降量最大土層本階段沉降量為30.3 mm，各土層沉降速率穩(wěn)定. 本階段深層土體位移值為12.9 mm，位移速率0.28 mm/d，處于安全控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

（3） 在后續(xù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)積極探索將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，及時(shí)有效地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出評(píng)判并分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以更好地做好預(yù)警工作，為施工管理提出合理建議.

參考文獻(xiàn)

[1]" 張惠敏，雷國(guó)輝，劉芳雪，等. 均質(zhì)軟土地基上土堤穩(wěn)定性的極限分析方法[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（S2）：21-4.

[2]" 雷國(guó)輝，張惠敏，劉芳雪，等. 成層軟土地基上土堤填筑穩(wěn)定性的塑性極限分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（8）：1522-7.

[3]" 王偉，徐鍇，王海龍，等. 施工階段斜坡堤地基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2017，39（S1）：85-90.

[4]" 陳林，周彥章，何寧. 長(zhǎng)江深水航道揚(yáng)中河段水下護(hù)灘堤軟土地基變形監(jiān)測(cè)[J]. 中國(guó)港灣建設(shè)，2017，37（6）：48-52.

[5]" 卞為東. 長(zhǎng)江下游鰻魚(yú)沙護(hù)灘堤工程水下軟基分層沉降監(jiān)測(cè)[J]. 水運(yùn)工程，2016（11）：1-7.

[6]" 孫永朝，丁咚，李廣雪，等. 基于多源觀測(cè)技術(shù)的海堤變形監(jiān)測(cè)方法研究[J]. 海洋科學(xué)，2021，45（3）：108-21.

[7]" 周秘. 洋山深水港區(qū)航道水下地形監(jiān)測(cè)與跟蹤分析[J]. 巖土工程技術(shù)，2020，34（4）：217-21.

[8]" 王延寧，蔣斌松，張強(qiáng)，等. 深海沉管隧道基礎(chǔ)水下沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2018，35（3）：116-21.

[9]" 李凌. 新型生態(tài)護(hù)灘技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用[J]. 水運(yùn)工程，2017（8）：97-100.

[10]" ZHU M，LI S，WEI X，et al. Prediction and stability assessment of soft foundation settlement of

the fishbone-shaped dike near the estuary of the Yangtze river using machine learning methods[J]. Sustainability-Basel，2021，13（7）：3744.

Prototype Monitoring Technology for Deep

Alluvial Formation Berms

WANG Yahui1， 2

（1. China Railway 14th Bureau Group Co.， LTD.， Jinan 250101， Shandong， China;

2. The Second Engineering Co.， LTD.， China Railway 14th Engineering Bureau Group， Tai'an 271000， Shandong， China.）

Abstract" Prototype observation techniques are more commonly used in cases where buildings are buried through drilling holes after filling in water. There are few research and application of technical methods for underwater building soft soil foundation deformation monitoring， and it is difficult to solve the deformation problem of soft ground foundation of underwater buildings， especially buildings that are always underwater during construction and operation. It is necessary to study underwater monitoring technology methods. In a targeted manner， a complete set of technical methods for wireless transmission of underwater soft substrate deformation measurement is proposed， and the complete soil deformation process during loading is obtained， and the research results are of guiding significance for the safe construction of offshore structures and related projects.

Keywords" soft foundations; underwater monitoring; in situ testing; settlement calculations; deep alluvial formation berms

收稿日期：2022- 06- 05

作者簡(jiǎn)介：王亞輝（1980—），男（漢族）：山東泰安人，高級(jí)工程師. 研究方向：地基與結(jié)構(gòu)的相互作用分析.

E-mail：1398002107@qq.com