冀東油田南堡1-3人工島島體圍堤監(jiān)測與分析

李 澤，代兆立，王召堂，張傳隆，董常家

中國石油冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)，河北唐山 063200

冀東油田南堡1-3人工島位于河北省唐山市南堡外淺海-5m等深線附近，距海岸線3.6 km，位于南堡1-1人工島東南6.7 km。島體平面呈近似橢圓形，尺度為495m×298m，面積約13.33萬m2，圍堤總長為1 374 m，島體高度為8.2 m，吹填總量約250萬m3，沿島體長軸方向布置4條長200 m的護島潛堤。引橋和登陸點布置在人工島北側(cè)，采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，基樁采用鋼管樁。島體圍堤及吹填區(qū)域為軟土地基，尤其是淤泥質(zhì)土層，強度較低。因此，在擬建的圍堤上埋設必要的土工原位觀測儀器，通過對圍堤實時觀測，動態(tài)掌握堤基的強度、沉降、位移等情況，避免在圍堤和陸域吹填施工時加載速度過快或處置不當，造成地基破壞或失穩(wěn)，為海洋石油開發(fā)提供安全可靠的基礎平臺。

1 監(jiān)測方案

在島體共設置4個圍堤觀測斷面（WT-1～WT-4），見圖1。觀測內(nèi)容包括灘面沉降、地基分層沉降和水平側(cè)向位移[1]，埋設儀器分別為沉降板、分層沉降管和測斜管，觀測斷面儀器布設剖面見圖2，S1～S6代表分層沉降測點，U1～U6代表孔隙水壓力測點。

圖1 觀測斷面平面布置

圖2 觀測斷面儀器布置剖面示意

2 灘面沉降觀測

2.1 基本原理

灘面沉降通過設置沉降標進行監(jiān)測，沉降標由鋼板上垂直焊接鋼管構(gòu)成，預埋在砂墊層中接近原地面位置，通過水準儀進行沉降測量，沉降標高程L為：

式中：L為沉降標高程，m；K為基準點高程，m；H1為基準點標尺讀數(shù)，m；H2為沉降標尺讀數(shù)，m。

2.2 觀測數(shù)據(jù)及分析

在施工加載期間，每天觀測一次灘面沉降標高程，地基處理結(jié)束后每半月或每月觀測一次。根據(jù)每次測得的沉降標高程，計算出測點的相應沉降量，匯總繪制沉降-時間過程線，進而推求最終沉降量、沉降速率、固結(jié)度等參數(shù)。

2.2.1 累計沉降量及沉降過程線

每個觀測斷面布置一個沉降標，4個圍堤觀測斷面的沉降-時間過程線見圖3。經(jīng)計算，圍堤2號觀測斷面WT-2的平均沉降速率最大，為3.5 mm/（15 d）。

分析表明：施工加載期間沉降過程線曲線斜率較大，沉降較快；2009年2月地基處理完成后，曲線逐漸趨于平緩，圍堤施工期和地基處理階段沉降速率小于預警值10 mm/d[1-2]，最后半個月沉降觀測最大值為3.5 mm，圍堤地基土沉降趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 圍堤斷面沉降-時間過程曲線

2.2.2 推算最終沉降量S∞

用指數(shù)曲線對實測的沉降過程線進行擬合，從而推算最終沉降量S∞[3]：

式中：S1、S2、S3分別為停載后的沉降過程線上時間點t1、t2、t3對應的沉降值，其中：t2-t1=t3-t2。

2.2.3 固結(jié)度U

式中：Ss為實測沉降量，mm。

2.2.4 觀測結(jié)果

根據(jù)觀測結(jié)果，推算的最終沉降量及固結(jié)度見表1。

表1 觀測斷面最終沉降量及固結(jié)度

4個觀測斷面的實測沉降量206～290 mm，最終沉降量較小，為248～354 mm，施工結(jié)束后經(jīng)過半年的預壓期，堤下地基的固結(jié)度達到設計要求的80%。以上結(jié)果表明堤身部位在今后使用過程中將不會產(chǎn)生過大的沉降變形。

3 地基分層沉降觀測

3.1 基本原理

地基分層沉降通過水準儀、電磁式沉降儀、沉降管、沉降環(huán)進行監(jiān)測。電磁式沉降儀的工作原理是在沉降探測器內(nèi)安裝一個電磁振蕩線圈，當沉降探測器內(nèi)的振蕩線圈靠近埋設于土體內(nèi)的沉降環(huán)時，沉降探測器便發(fā)出聲信號，根據(jù)聲信號剛發(fā)出的一瞬間測尺上的讀數(shù)，即可確定沉降環(huán)的具體深度位置。分層沉降觀測系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 分層沉降觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

沉降環(huán)到沉降管管口距離計算公式為：

式中：L為沉降環(huán)到沉降管口的距離，mm；R為測尺讀數(shù)，mm；K為常數(shù)（測尺的零點至探測器感應點的距離）。

每次觀測時用水準儀測出孔口高程[2]，測得測點到孔口的距離，即可換算出測點的高程。觀測點的沉降量St（mm）等于測點初設時的高程H0（m）減去t時測點的高程Ht（m），即：

3.2 觀測數(shù)據(jù)及分析

每個觀測斷面布置1根分層沉降觀測管，每根分層沉降觀測管共設置6個沉降環(huán)[4]。在堤身施工過程中每天測量一次，地基處理結(jié)束后每半月或每月測量一次各沉降環(huán)的垂直變化。圖5為不同深度沉降環(huán)的沉降量，即該沉降環(huán)以下土層的累計壓縮量。

圖5 各深度土層的沉降量

從圖5可以看出不同深度土層沉降量有一定差異。隨著沉降環(huán)的埋深增加，各土層沉降量逐漸減小，反映了上部土層壓縮量完成較快。根據(jù)圖5計算，-16m左右土體平均壓縮率最大為15.12mm/m，沉降主要發(fā)生在該深度土層中，-25 m以下土體的平均壓縮率小于5 mm/m[5]。

4 地基深層水平側(cè)向位移

4.1 基本原理

地基土體不同深度處的水平側(cè)向位移測試采用活動式測斜儀，其基本原理如圖6所示。

在地基中預埋一根特制的有導向槽的管道，稱之為測斜管，它能隨地基變形，測斜管相鄰兩個測點之間產(chǎn)生一個傾斜度ɑi，相應的兩個測點之間的位移差δi為：

圖6 測斜儀工作原理示意

式中：Li為相鄰兩測點之間測斜管長度，取500mm。

整根測斜管兩端的土體水平位移差Δn（mm）可表示為：

當測斜管埋置足夠深時，測斜管底端可認為是固定的，所求的Δn即為管頂?shù)乃轿灰浦怠?/p>

4.2 觀測數(shù)據(jù)及分析

把測量結(jié)果整理成水平位移沿深度分布曲線，可反映地基各土層的水平位移變化情況。截止2009年7月，最大水平位移發(fā)生在0+514斷面-17m處，為117mm，位移速率為0.6mm/（15d），各觀測斷面水平側(cè)向位移-深度曲線如圖7所示。

圖7 各斷面水平側(cè)向位移-深度曲線

通過位移-深度曲線分析表明：

（1）監(jiān)測期間深層土體水平位移的偏移方向均向島外，最大水平位移量為117 mm，各斷面的總位移量不大，說明圍堤地基在施工期間始終處于安全狀態(tài)。

（2）各觀測斷面水平位移最大值發(fā)生在高程-15～-20 m的范圍內(nèi)，反映出該深度的土層較為軟弱。

（3）在荷載作用下，在高程-25m以上的土層有不同程度的水平位移，-25m以下土層側(cè)向位移很小，可見地基加載的影響深度為-25m左右。

5 結(jié)束語

圍堤觀測結(jié)果表明：隨著南堡1-3人工島主體施工的結(jié)束，水平位移變化量明顯減小，目前平均位移速率控制在1 mm/（15 d） 以內(nèi)，遠遠小于警戒速率5 mm/d，說明地基土已趨于穩(wěn)定，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。但由于水深大、吹填高度大的特點，其最大吹填高度達12 m，已超出現(xiàn)有規(guī)范標準，且海洋極端氣候的破壞性日趨嚴重，為進一步了解和掌握人工島自身穩(wěn)定及抵御外界自然災害的能力，有必要在人工島上建立較為長期的工后沉降安全監(jiān)測工作，以獲得相對完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時便于進一步分析研究，為其他類似工程起到相應的指導和借鑒作用。