岩土工程地质勘察第十章

第十章海洋岩土工程勘察

本章重点：海洋沉积物的工程地质特征；海港的工程地质问题及其处理措施，港口工程地质勘察要点。

第一节概述

一、海洋工程的分类

1、港湾工程：港口、船厂、海湾水库、海上架桥、围海造田、海上机场及海上城市

2、海洋动力工程：潮汐、波浪及海水温差发电站

3、以海底石油为中心的海洋矿产资源开发工程：海洋石油钻探平台、人工岛、海底储油罐库及海底输油管等

4、海底电缆、地锚工程5、海底隧道及海底仓库工程6、海中瞭望塔、灯塔7、军事海洋工程：军事基地、水下补给基地、水下兵工厂、水下观测系统及反潜环境预报系统等

第二节海洋沉积物的工程地质特征及变形破坏型式一、海洋沉积物的工程地质特征

海洋这一特殊的沉积环境，决定了海洋沉积物具有独特的工程地质性质。海洋沉积物特别是浅海、三角洲沉积物主要是由粘土、粉砂和砂组成的松软沉积物，常常含有较多的生物骨骼和有机岩屑。这类物质同陆上沉积物相比具有以下十大特点。

1.高灵敏度。

由于海水的离子作用，海洋沉积物的灵敏度一般都在4以上。也就是说，当海洋沉积物受到扰动时其强度可丧失75％以上，有的甚至可达98.8％。

2.高孔隙性。

由于海水的长期作用，粘土质海洋沉积物戍典型的絮状结构，絮状的细小粒子堆聚成巨大的絮状物，其孔隙比一般都大于1.5，有的甚至可高达5.4。

3.高触变性。

粘土质海洋沉积物的胶体特性很强，在海洋环境中粘土粒子之间有一定的结构联结。当沉积物被扰动时结构联结遭到破坏并发生胶溶作用，强度大大降低甚至变成稀释状态，但当其静止后由于凝聚作用又会使沉积物的强度有所恢复。所以这种高触变性可以多次重复发生。

4.高蠕变性。

粘土质海洋沉积物在固定不变的或连续发生的剪切应力作用下，随着时间的延续会产生长期的流变变形，常使建筑物的沉降持续很多年。

5.高液化性。

细粒砂质海洋沉积物在某种动力作用下，瞬息间就会使饱水砂的结构突然破坏，砂粒相互脱离接触，孔隙水压力增至全应力，砂粒悬浮而失稳，使建筑物地矗产生不均匀沉降，或由于液化的砂土向旁侧流出使建筑物遭到破坏。

6.高含水性。

海洋沉积物的天然含水率都在塑限以上，且大部分超过了液限，有的高达423％。资料表明，海洋沉积物的这种高含水性是随深度的增大而降低的，致使其抗剪强度随深度的增大而增大。

7.高压缩性。

粘土质海洋沉积物属高压缩性软土，压缩系数一般都大于0.816μ㎡／N，有的可高达20.4μ㎡／N，因此海洋工程建筑的沉降量都非常大。8.低渗透性。

粘土质海洋沉积物基本上是不透水的，这对地基的固结不利，所以海洋工程建筑地墓沉降延续的时间很长。9.低强度。

海洋沉积物的力学强度很低，局部地方甚至可出现负强度。

10.高变异性。

海洋沉积物就其成因类型而言并不如陆地沉积物多，但海洋沉积物在空间分布的变化上却比陆地沉积物大得多。二、海洋沉积物变形破坏的主要型式

海洋沉积物特别是三角洲沉积物，在不断增加的沉积作用、海浪、地震等超荷载的影响下常产生负强度效应而导致变形和破坏。其变形破坏的主要型式是滑坡。这些滑坡大致可以分为以下几种类型：

1．边缘旋转型滑坡

这类滑坡是在一种凹透镜状的曲线底部之上发生的滑动。多个剪切破裂面同时开裂发展到共同的平行于沉积基底的底部剪切面。产生这类滑坡的主要原因是由于沉积速度过快造成的超孔隙压力及沉积体前沿坡度过大。

2．滑塌沉陷型滑坡

这类滑坡在平面上呈碗状凹陷形，其边缘被明显的陡坎所圈定。发生这类滑坡的地区海底坡度很小，一般仅0.1∘—0.2∘，产生这类滑坡的原因是各支河口外沉积物的沉积负荷差异、波浪压力的循环荷载和有机质递解不断产生天然气。

3．瓶颈型滑坡

这类滑坡从沉积物开始移动的发源处的上坡方向和下坡方向均有滑动，向上坡方向传播的滑动使破坏区不断扩大，称扩展破坏区。产生这类滑坡的主要原因可归结为：当沉积物重塑到某一含水量时，较高的天然气和孔隙水压力使沉积物流出，上坡方向的斜坡失去了支撑发生进一步滑动，其剪切面的深度一般在泥面以下10—20m处。

4．延长型滑坡

这类滑坡多出现在旋转型滑坡受到特殊干扰的时候，多数滑坡的上坡方向都有一个滑动发源区具有明显的旋转型滑坡的特征。中部有一个狭长的沟槽将上坡方向的滑坡发源区和下坡方向的组合坡脚扇连接起来。产生这类滑坡的主要原因与瓶颈状滑坡相似。

第三节海港工程地质研究一、概述二、海港的主要工程地质问题

1、区域稳定问题

1）海岸是地壳运动和洋面变迁的共同结果2）地质构造对我国海岸发育的控制作用3）海岸的升降变化对建港的影响

2、码头及防波堤的地基稳定问题

不同类型的建筑物对地基允许承载力的要求是不同的。对于码头和防波堤来说，它们是港口的重型建筑物，而且主要部分甚至全部是建于海滩上的，修建前不可能很好地整平地基，会因地基倾斜导致建筑物静荷载合理的作用点偏离地基中心，使地基承受倾斜力;强大海浪海流的拖曳作用也会在地基承压面上产生一个偏心力。像这样的倾斜负荷和偏心负荷，会使地基在一个比正常作用于基础底面上的力低的荷载下就发生破坏。因此这些建筑物对地基允许承载力的要求更高，最好修在基岩或砂砾石地基上。

3、港池和航道的回淤问题及处理措施

1）阻止淤积物进入海港的措施

根据淤积物的来源和性质的不同，一般有三种处理方法。

(1)石子和粗砂类淤积物的处理方法

粗粒淤积物主要发生在侵蚀强烈、流速很大的山区河流之河口处。由于粗粒物质大多沿河床运动，因此可以在河流上特别是上游支流的入口处，修建低的顺坝将可能进入海港的大小石子予以阻拦，或者将它们引导到别的地方去。

(2)细粒淤积物的处理方法

一些位于流速缓慢的河口港，因为潮水的反复涨落，水中悬移质含量较重，容易造成海港回淤。此时可在下游将河口拓宽，借用涨潮和退潮的河水冲刷港口河道，以防止海港回淤。此外，如果装有特别设计的单向潮闸，在退潮的时候对汐砂加以控制，亦可利用退潮的力量清除港内的淤积物。

(3)大量回淤的处理方法

当建港地区的河口淤塞十分严重时，则应建筑离河港以避免回淤。这就是将海港建筑在离河口一定距离的地方，开挖一条进港河道把海港与河口连接起来。必要时还可在进港河道上建一闸，以便在水浑浊时期，将河口与海港隔离开，达到阻止淤积物进入海港的目的。2．清除港内淤积物的措施

目前清除港内淤积物最有效的措施仍然是浚挖，就是用挖泥船将淤积物挖除。一艘新式挖泥船有一万匹马力，每天可挖泥2万米3以上，所以用此法来维持一个海港的预定水深是不会有困难的。为了选择合理的防淤措施，工程地质勘察中必须查明：淤积物的主要来源地及其进入海港的方向；淤积物的性质及其粗细程度;淤积物的大概数量。三、港址选择和建筑物结构设计的工程地质论证(一)港址选择的工程地质论证

1、港址的基本要求

港址选择是一项重要而复杂的工作。良好的港址能够加快施工速度、缩短建设时间、节省建设投资，内部配置合理、经营管理便利，船舶运转安全，迅速、维修工作少，有利于降低运输费用。因此它应满足以下具体要求：(1)港湾应具有宽阔的水域以便于船舶自由进出和回旋；(2)港池和航道有较大的水深(一般不小于12m)以便较大船舶的进出和靠泊；(3)港口水域最好有天然掩护，如必须建造防波堤时，则应有较好的地基条件，以保证防波堤的安全和经济；

(4)冲、淤不强烈，以保证港池和航道的稳定和预计的水深；(5)要有方便的船舶靠泊锚地，所以海底不能有太多岩石，也不能有太多砂成全是泥；(6)有足够的陆域面积，以便于港口作业区和各种建筑物合理而有规律地布道。还要有码头等重型建筑物的良好地基；(7)海港地处国防前哨，是国家的门户、水陆交通的枢纽，必须满足国防和战备要求；(8)有足够的电源和水源，有良好的施工场地，建筑材料供应方便并尽可能就地取材以减少运输费用；(9)与城市有良好的联系和配合；(10)岸线长度和水、陆域，均应有港口进一步发展的余地。

2．不同地区港址的特点

(1)海岸地区港址的特点

根据组成物质的不同，我国海岸可分为岩岸、砂岸和淤泥质海岸。岩岸岸线曲折，岸坡一般较陡，近岸水深条件好，有掩护较好的海湾，而且泥砂来源少，地基条件好，容易形成天然良港。

沙岸岸线平直，岸坡较缓，一般是水浅浪小，泥砂来源多，因此主要问题是如何保证减少港内回淤以维持适当的水深。淤泥质海岸岸线平直，岸坡极缓，深水区离岸极远，沿岸泥砂运动强烈，地基条件差。在这种地区建港，回淤和地基稳定问题是主要的工程地质问题。

(2)河口地区港址的特点

入海河口有良好的掩护和深水岸线，且地势开阔平坦，在这里建港有条件发展为海陆联运的枢纽。但由于河口外往往有拦门砂存在，航道必须在拦门砂上开挖，因此河口地区航道的回淤问题就成为必须解决好的首要问题了。对于有河叉分布的三角洲，则应选择河床较为稳定的叉河作为航道。此外，在河，口地区建港，还应选择水深合适的顺直段或弯曲河段的凹岸，潮流界附近是淤积最严重的河段，一般不宜建港，为避免潮流附近的航道经常大量挖泥，故应在潮流界以下建港为宜。

3．港址的选择

选择港址时必须根据对港址的要求，全面研究各比较港址的工程地质条件，特别其中的地质构造、地形地貌和岩土工程地质性质等，抓住区域稳定性、建筑物配置和地基稳定性、港池回淤等主要工程地质问题进行具体地分析对比，才能选出比较优良的港址来。(二)防波堤的布置和结构选择的论证

防波堤的平面布置型式可分为四种基本类型(图12-13）1．单突堤式：自海岸适当的地点起构筑一道伸入海中的防波堤，以形成一片宁静的海域作为港口。2．双突堤式：这种港口是由两道防波堤围合而成。这种布置形式较单突堤式优越，可以阻挡几个不同方向的风浪和漂砂，也可适应不同的自然地质环境。3．岛堤式：将防波堤全筑于海中如岛一样，阻挡迎面袭来的风浪和漂砂。防波堤的形式可直可曲，数量可多可少，视地形地质条件与需要而定。4．混合堤式：是把突堤和岛堤联合起来运用以形成港口。它可适用于各种不同的自然地质环境，同时具有多个进出口，非常方便，故常为大型港口所采用。防波堤的结构型式也比较多，根据它们对地质条件的要求不同，可分为斜坡堤式，直立堤式，混成堤式三大类。

第四节离岸建筑的工程地质研究一、离岸建筑的类型及其所处的环境特征

离岸建筑(OffshoreStructure)是指那些建筑在距离海岸相当远的海中建筑物，也称为岸外建绒，除防被堤辨，按共用途述有海洋钻探平台，梅上灯塔，人工岛(ArtfficiaIsland)，海上飞机场、海上油池和梅洋资料收集塔台等。二、海洋钻探平台稳定性问题

海洋钻探和陆上钻探的主要区别在于海洋钻探必需设置钻探平台(plateform)。海上钻探平台的地基是否稳定，特别是在风浪等因素作用下是否会因地基的变形失稳而导致钻探平台的滑移倾倒，是必须予以高度重视的问题。1969年8月17日卡米尔飓风袭击了墨西哥的路易斯安那沿海地区，致使该处当时世界上工作水深最大的一座固定式海上钻探平台倒塌，造成了巨大的损失，仅被破坏的设备就价值1亿多美元。究其原因是由于暴风波浪对沉积物的扰动，强度降低，进而向海底下坡方向滑塌，对平台的基础构件造成巨大的水平作用力使其发生弯曲破坏，导致了平台的倒塌。

第五节海洋建筑工程地质勘察要点

一、港口工程地质勘察要点

大中型港口的工程地质勘察一般与设计阶段相适应地划分为选址勘察、初步设计工程地质勘察和施工图设计工程地质勘察三个阶段。

(一)选址工程地质勘察(选址勘察)选址勘察的目的是概略地了解拟建港址的工程地质条件，为综合评价港址的建设适宜性提供工程地质资料。采用的勘察方法主要是收集已有的资料和现场踏勘。若需要布置勘探工作时，河港勘探点距顺岸向一般为300—500m，垂岸向100—200m；海港勘探点距一般为500一l000m，当基岩埋藏较浅时可适当加密。勘探深度一般均不超过40m。勘探宜采标贯试验等简单方法。

(二)初步设计阶段工程地质勘察(初勘)

初勘的目的是为在已选定的港址上合理地确定建筑的总体布置、结构型式、基础类型，和施工方法等提供工程地质资料。