油庫(kù)碼頭支航道鐵板砂地質(zhì)測(cè)量與治理

陳敬華 中石化銷售有限公司廣東石油分公司

1.前言

“鐵板砂—黏土”地質(zhì)廣泛分布于在珠江三角洲地區(qū)的河床，大多處于1～3米厚度范圍以內(nèi)。從鐵板砂的密度、粒度和強(qiáng)度分析，其主要成分為介于黏土與砂土之間的粉土，具有壓縮性低、承載力大和強(qiáng)度高的特性。鐵板砂是水流動(dòng)力、分層沉積、河床變遷之間相互動(dòng)態(tài)作用的結(jié)果，可在強(qiáng)水流動(dòng)力作用下迅速固結(jié)形成具有高強(qiáng)度板結(jié)力的鐵板砂地質(zhì)，在航道線路上形成非常難以清淤的地層，直接影響港口碼頭正常通航。因此鐵板砂地層形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特性領(lǐng)域的研究工作，對(duì)于河道碼頭治理和保障航運(yùn)安全具有重要的指導(dǎo)意義。

圖2 淺地層剖面系統(tǒng)

許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者投入了相當(dāng)多的人力和物力針對(duì)鐵板砂地質(zhì)的形成和治理進(jìn)行研究。吳明陽(yáng)依據(jù)濱州港口水文、地質(zhì)和水深等監(jiān)測(cè)資料，對(duì)港區(qū)水流動(dòng)力影響規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果顯示濱州外港口外航道一定范圍內(nèi)出現(xiàn)“鐵板砂”地質(zhì)，且清淤難度較大。陳洋彬采用數(shù)值模擬的方法，研究“鐵板砂”地層中樁靴穿刺中的峰值貫入阻力問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與離心機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。衛(wèi)聰聰根據(jù)淺層土體循環(huán)振動(dòng)方法，測(cè)試黃河水下“鐵板砂”土體強(qiáng)度，根據(jù)其變化規(guī)律認(rèn)為水流波浪的剪切作用大于土體強(qiáng)度，導(dǎo)致其發(fā)生震蕩運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，由于細(xì)粒沙土被波浪帶走，靜置之后的土體強(qiáng)度增加，形成堅(jiān)硬的鐵板砂地質(zhì)。鄢洪青通過(guò)分析湛江港航道中存在夾雜的黏土和鐵板砂，提出平整靶進(jìn)行梳浚的方式，對(duì)于中等密度的夾砂泥和黏土構(gòu)成的鐵板砂地層效果明顯。張民生研究了實(shí)驗(yàn)室水槽內(nèi)土體在波浪作用下的振動(dòng)問(wèn)題，認(rèn)為土層顆粒液化是鐵板砂形成和發(fā)展的重要前置條件。陳君利用水文調(diào)查資料和實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)二分水灘的鐵板砂地層以直線條形狀分布，2000之后向南遷移了4.5km。

通過(guò)鐵板砂研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)目前研究成果不系統(tǒng)不全面，僅有少量文獻(xiàn)集中于鐵板砂形成的機(jī)理方面研究；且都是從砂粒成分組成方面展開的研究，而對(duì)于航道鐵板砂地質(zhì)問(wèn)題的治理未見(jiàn)成熟的處理方法。本文依托石化港口航道中實(shí)際存在的鐵板砂地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)該地層情況進(jìn)行的詳細(xì)勘測(cè)，進(jìn)而提出相應(yīng)的治理方案，形成一套有效的解決鐵板砂航道疏浚的方法。

圖4 淺地層局部聲圖

2.鐵板砂地質(zhì)形成機(jī)理與特征

鐵板砂是內(nèi)河航道和海洋碼頭中普遍存在的一種地質(zhì)形態(tài)，其形成過(guò)程是砂泥土層、水流動(dòng)力和河床內(nèi)部液化滲流的耦合作用的結(jié)果。有研究表明水流作用下地質(zhì)土層的最大切應(yīng)力處于水流波的節(jié)點(diǎn)處。而隨著土層內(nèi)空隙水壓力的增加，其粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)減??；當(dāng)土層內(nèi)空隙水壓力增大到一定程度時(shí)，土體粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)達(dá)到臨界值，這時(shí)土層會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。這時(shí)土層內(nèi)部的微粒會(huì)與波浪形成一致的震蕩運(yùn)動(dòng)，土層中的孔隙水呈現(xiàn)一定的流動(dòng)性，從而產(chǎn)生液化滑動(dòng)現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，由于土層中粒徑差異，細(xì)小顆粒比較容易隨著水流遷移，從土層骨架中分離出來(lái)，懸浮于周圍水體之中。隨著土層內(nèi)部細(xì)粒物資不斷分流透析出來(lái)，其黏粒占比不斷減小，土層呈現(xiàn)出粒徑粗大趨勢(shì)。

鐵板砂主要由沙土和粉黏土構(gòu)成，其中粒徑小于0.075 mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量的一半以上，塑性指標(biāo)不大于10；0.03～0.10 mm之間的中值粒徑分布水平變化較大。鐵板砂的天然密度處于1.80～1.95 g/cm范圍之內(nèi)，其數(shù)值明顯大于淤泥密度。鐵板砂整理力學(xué)性能參數(shù)中，內(nèi)摩擦角的平均值大于30°，黏聚力處于5～15 kPa范圍，其值介與砂土和黏土力學(xué)參數(shù)之間。

3.油庫(kù)碼頭支航道鐵板砂地質(zhì)測(cè)量

3.1 工程概況

為對(duì)廣州市黃埔油庫(kù)東西碼頭開展疏浚治理工作，在其航道范圍內(nèi)進(jìn)行淺地層探測(cè)。測(cè)區(qū)概略位置如圖1所示，位于廣州市黃埔區(qū)，測(cè)區(qū)中心坐標(biāo)為東經(jīng)113°29′34″,北緯23°03′56″。

圖1 航道測(cè)區(qū)位置圖

淺地層聲波探測(cè)使用英國(guó)GeoAcoustics公司生產(chǎn)的高分辨率淺地層剖面儀，該設(shè)備采用調(diào)頻脈沖技術(shù)，其聲能水平可達(dá)200 dB，發(fā)射頻率為2kHz—14kHz調(diào)頻脈沖波。

儀器換能器安裝如圖3所示，導(dǎo)航定位GPS天線安裝在調(diào)查船上。

圖3 淺地層換能器與GPS天線安裝示意圖

在測(cè)量船左側(cè)的水面下2m處安裝了淺地層換能器，換能器位于船左中部，螺旋漿噪聲對(duì)地層反射信號(hào)影響較小，因而能提高記錄圖像信噪比。為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地定位GPS換能器的位置，天線固定在地層反射源一側(cè)，并對(duì)采集軟件中進(jìn)行坐標(biāo)修正。

3.2 平面位置定位

淺地層探測(cè)平面定位采用GPS自動(dòng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該設(shè)備采用實(shí)時(shí)差分工作方式，接收來(lái)自國(guó)家海事局設(shè)立的沿海信標(biāo)臺(tái)差分信號(hào)；為保證檢測(cè)接收機(jī)的平面定位精度及穩(wěn)定性，探測(cè)前尋找一個(gè)獨(dú)立地物進(jìn)行校正。將觀測(cè)結(jié)果與控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，Trimble-GPS接收機(jī)的平面定位精度及穩(wěn)定性符合規(guī)范技術(shù)要求。

表1 檢校DGPS的平面定位

3.3 探測(cè)結(jié)果與分析

淺地層聲波探測(cè)是通過(guò)安裝在測(cè)量船甲板上的主機(jī)，控制水下的聲學(xué)震源垂直向海底發(fā)射圓柱形聲波；海底地層反饋信息由水聽器接收，主機(jī)對(duì)地層信息信號(hào)放大和濾波數(shù)據(jù)處理后；然后依據(jù)地震反射特征進(jìn)行分析，接著利用已知資料確定該物理反射層面的界面，在剖面圖中進(jìn)行該層位的追蹤，最后得到海底物理分層的界面。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析，測(cè)區(qū)水深在4m～12m之間，探測(cè)穿透厚度約為2m左右，圖形中沒(méi)有明顯物理分層線，表層聲波反射較強(qiáng)。依據(jù)聲波反射原理推斷測(cè)區(qū)內(nèi)泥質(zhì)含砂量較大，結(jié)合多方測(cè)量數(shù)據(jù)可以判定測(cè)區(qū)內(nèi)泥質(zhì)為“鐵板沙”。

4.航道鐵板砂治理方案

4.1 抓斗船開挖施工

在航道疏浚領(lǐng)域，對(duì)鐵板砂地質(zhì)進(jìn)行的治理最開始采用方法是抓斗船工藝，將長(zhǎng)臂挖機(jī)安放在平板船上進(jìn)行開挖。由于鐵板砂地層板結(jié)力強(qiáng)不易開挖，如果盲目施工，開挖效率較低。為提高開挖效率以確保施工進(jìn)度，應(yīng)首先將泥口開挖成型，然后沿泥口邊緣向兩邊拓寬，最后進(jìn)行深挖。施工工序是先挖泥口，待泥口破開后，再抓斗沿泥口兩邊逐步拓寬加深。

挖泥操作：抓斗的挖泥為非連續(xù)性，具體操作過(guò)程：張開空泥斗沉入開挖點(diǎn)→閉斗切合→提升泥斗→轉(zhuǎn)動(dòng)斗臂，將泥斗移到泥駁船上方→開斗卸泥→反向轉(zhuǎn)動(dòng)斗臂→再將空斗沉入開挖點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 抓斗船開挖

圖7 液壓反鏟挖泥船開挖

排斗：排斗順序?yàn)閺倪h(yuǎn)離泥駁的一邊向泥駁一邊靠近，逐漸挖到塹口為止。硬質(zhì)土開挖操作：挖硬粘土和密實(shí)沙質(zhì)土?xí)r，硬土質(zhì)令抓斗沖泥量不足時(shí)，應(yīng)減少抓斗重疊量。

4.2 鑿巖開挖施工

如果抓斗船不能鑿開鐵板砂層，則采用鑿巖棒與挖泥船構(gòu)成鑿巖系統(tǒng)，對(duì)砂層進(jìn)行水下碎巖施工。該方案中使用一艘挖泥船配合鑿巖棒進(jìn)行泥口區(qū)域碎巖；而另一艘抓斗船配合泥駁清淤。優(yōu)先安排鑿巖船在泥口區(qū)域進(jìn)行鑿巖，待泥口區(qū)域全部開鑿一遍后移船離開；然后安排抓斗船到達(dá)泥口區(qū)域清淤，泥口破后再進(jìn)行兩邊逐步拓寬加深。如圖6所以。

圖6 鑿巖開挖

鑿巖布點(diǎn)間距設(shè)置：鑿巖布點(diǎn)間距要綜合考慮鑿巖棒的大小、形狀和巖盤的層厚及硬度等因素。一般情況下鑿巖棒的布點(diǎn)距離控制在斧頭形鑿巖棒厚度或者多齒形鑿巖棒直徑的1.5～2倍左右為宜。

4.3 液壓反鏟挖泥船開挖施工

當(dāng)鐵板砂層厚度1米以上，現(xiàn)場(chǎng)開挖水深不超過(guò)極限水深14米時(shí)，適宜采用液壓反鏟挖泥船施工。但此工藝施工進(jìn)度較慢、施工成本較高等問(wèn)題，具體施工工藝如下：

①測(cè)量定位：水上開挖測(cè)量定位采用GPS定位，開挖深度由挖機(jī)臂上的刻度控制深度。

②反鏟挖泥船移船定位：挖泥船上共有三根定位四方鋼樁，施工過(guò)程中需要移動(dòng)船體，輪流下單根樁，擺動(dòng)船體進(jìn)行移船；船體擺動(dòng)由挖機(jī)推動(dòng)。

③挖泥施工：液壓反鏟挖泥船施工采用分條分層作業(yè)的方式，根據(jù)反鏟的最大有效開挖半徑確定條寬，每條確定為12m，開挖厚度取2m。定位樁固定后，反鏟進(jìn)行扇形開挖，底泥直接一側(cè)裝船。

5.結(jié)語(yǔ)

為了對(duì)廣州市黃埔油庫(kù)東西碼頭配套支航道進(jìn)行疏浚治理工作，得到如下結(jié)論：

（1）水流作用使得水下土層發(fā)生液化現(xiàn)象，導(dǎo)致微顆粒發(fā)生振蕩作用，土層顆粒中微粒不斷的上下離析，會(huì)使得沉積地層構(gòu)造十分密實(shí)，土體強(qiáng)度非常高，最終形成大片鐵板砂地質(zhì)問(wèn)題。

（2）采用地震反射特征技術(shù)，通過(guò)追蹤聲學(xué)界面以得到沉積地層層序，再研究其反射特征確定沉積物的物理分層，形成一種淺地層聲波探測(cè)方法。

（3）針對(duì)不同鐵板砂地層特點(diǎn)，提出抓斗船開挖、鑿巖開挖和液壓反鏟挖泥船開挖三種治理工藝。