xx港某工程在7m淤泥层抛石挤淤的设计考虑和风险

吴家强

摘要：港口建设工程就是进行引堤和全部防波堤、围堰段需进行软基处理设计，原始设计断面为打设塑料排水板并分层抛石。实际施工中受施工区域海况恶劣、建设单位建设计划和当地政府的压力，将设计断面调整为施工速度快且不受海况限制的抛石挤淤方案。抛石挤淤设计断面通过实施前对工程处实际土层、堤头流和海动力情况科学严谨的技术风险考虑、分析。实施后对堤心沉降、堤头冲刷等实际工况的取样评估，并堤身经过天文低潮位下台风的考验，证实了在7m厚淤泥层采用抛石挤淤这种设计断面的成功。但抛石挤淤这种方案属冒险且不计投资成本的设计，不建议在其它类似工程中继续采用。

关键词：港口建设;塑料排水板;抛石挤淤;海流;技术考虑

引文：

抛石挤淤法是港口工程地基处理方法中最基本的一种，它的机理是对港口水工构筑物下面的淤泥直接拋填块石体，利用块石体自重荷载挤出下面的淤泥，让块石体沉降和占据原来淤泥的空间，达到置换的目的。原《港口工程地基规范（JTJ250-98）》抛石挤淤法适用范围限制在厚度小于3m的淤泥、流泥。随着施工机械的发展及单体块石的增大。2010年9月1日实施的《港口工程地基规范（JTS-147-1-2010）》将抛石挤淤法适用范围增大为厚度小于5m的淤泥、流泥。

之所以对淤泥厚度作出限制，是因为靠块石体自重荷载可对5m厚以内的淤泥产生挤压置换的作用，其作用力正好，沉降得当。超出5m限度，块石体自重对下面的淤泥、流泥的挤出和块石体的沉降的作用减弱、将挤出和沉降过程拉长，在一定时间内可能停滞不动。

一、XX港口一期工程工程概况

XX港口一期工程主要建设内容为2个5000吨级杂货泊位及相应的引堤、防波堤、围堰和配套工程，码头及后方陆域设计顶标高为5.0m，年设计通过能力为107万吨，主要平面布局及特点如下：

该工程由凸出的半岛形状陆域向南侧海中推进建设4996m长引堤。在引堤端头建设长655m防波堤，655m围堰，形成正方合围状。305m码头主体平行于引堤，距引堤350m。从工程平面图可以看出，整个工程处于两湾中间海中，无遮挡无掩护，面对风头浪尖。本海区常风向为SW，强风向SE。工程地质勘探表明，引堤从桩号3+833m处向南，其海底淤泥层厚达到7m左右，其各项物理力学指标（淤泥层固结快剪试验的粘聚力值仅为Cg=10kPa、内摩擦角值仅为φg=7.2°）均较低。根据港口地基规范，必须对桩号3+833m处向南的引堤及防波堤、围堰等进行软基处理。

1、引堤、防波堤和围堰软基处理原始采用的打设塑料排水板并分层抛填10～100kg块石的设计断面

打设塑料排水板并分层抛填10～100kg块石进行软基处理，它的作用机理是在不破坏土层稳定性的前提下，通过堤体分层抛填的块石自重作为上部荷载对下部淤泥施加挤压力，从而减小淤泥内自由水的含量以增加其地基承载力指标。由于上部抛填块石需分级加载预压，因此该种软基处理方式需要数月甚至更长时间完成，但此种处理方式的优点为构筑物沉降速率和时间均可控，较自然沉降时间短。

该项目软基处理段的原始设计断面，为根据地层物理力学指标（附表1）采用先打设塑料排水板并分三级抛石加荷的方式，具体如下：第一级抛石加荷高度约为7m，固结时间要求为2.5个月;第二级抛石加荷高度为3m，固结时间要求为1个月;第三级抛石加荷高度为4m，固结时间要求为25天;要求每级的加荷速率控制为1.0～2.0kpa/天，沉降速率控制标准为Smax<10mm/天，横向位移速率控制为Mmax<4mm/天。

2、将打设塑料排水板并分层抛填块石设计断面变更为抛石挤淤设计断面的原由

由于此工程为无遮挡的海上施工条件且海况恶劣，年平均海上作业天数不足120天。到了2010年8月份试验段完成，海上打设塑料排水板极为不顺、停滞不前，建设单位邀请国内著名港口设计、建设专家及上述四方共同研讨咨询，根据试验段的施工经验及各种因素综合分析，一致同意放弃打设塑料排水板设计断面变更为抛石挤淤设计断面进行施工。

二、采用抛填挤淤法的技术考虑及风险预估

1、在等待海上打设塑料排水板施工期间，为保证陆上抛填的连续性，将引堤桩号3+833m～4+200m作为抛填挤淤试验段。最初几天内端头塌陷沉降强烈，最大2m之多，这些都在预料之中和可控范围内。此期间最重要的是生产安全，制定相应防范措施。

2、分析新老港口工程地基规范将适用于抛填挤淤法的淤泥厚度由小于3m加大为5m的缘由和意义

3、堤头流分析

身处正在推进的引堤端头，可以强烈感受和看到旋转翻腾的堤头流运动，据种种现象分析，在堤头流的作用下，堤头淤泥被冲刷出一个流沟，相对减少了淤泥的厚度，有利于堤身的沉降。

4、海动力的作用

引堤到了桩号3+000m以南就无挡无掩，受WS和ES双风向的夹击。不仅受风浪碰撞，无风时外海传来的涌浪也很强烈。每月有大半时间都受到风浪、涌浪的撞击。这种撞击作为一种外力传递在堤身上，增加了对淤泥的挤压力，加速了堤身的沉降速率。

5、风险预估

由打设塑料板并分层抛石设计断面改为直接抛填挤淤设计断面，通过以上分析可以基本排除堤身出现大的滑移的风险，工程安全可以保证。最主要的隐患是后期沉降速率较慢，因路面的缓慢沉降会对工程的后期使用产生一定影响，道路维修较困难。

三、工后检测及评估

1、钻孔取芯分析

桩号4+996m引堤已于2010年底完成。2011年1年在引堤桩号4+000m以南布置了钻孔14个，勘探点深度：鉴别孔穿过堤心石进入原始地质层1-2m，取样孔进入风化岩层。

2、堤头海流观测及堤头水深测量

2007年7月在现引堤以近区域进行的大小潮海流观测资料与2011年1月在已建设中的引堤堤头海流观测资料进行了对比。

通过两个资料对比可以看出：

由于引堤的出现改变了原有水域的海流流速和流向。将原沿海湾陆岸流汇集于引堤端部，大大提高了流速，这是冲刷堤头下的淤泥层的强烈动力。根据堤头水深测量报告，证实堤头水深较原自然水深加深1m。换言之，淤泥层的厚度相对减少1m。

3、通过实际统计出的抛填块石数量与地质钻探单位测量出的实际工程断面进行对比计算，数据基本一致。从另一个侧面验证了引堤堤身沉降结果。

4、波浪观测

前已分析波浪对堤身撞击是增加对淤泥挤压和加速堤身沉降的外力。特别本区域面对外海，有风就有浪，无风也有外海来的涌浪。这种用之不竭的海动力对抛石挤淤和堤身沉降起到多大效果，可以量化计量吗？为此，从2011年初，在引堤南端设立了波浪观测站，以便积累资料，为今后的研究奠定基础。

5、台风“米雷”的考验

2011年6月26日下午，台风“米雷”到达本工程海域。时值天文低潮位，东北向8级大风挟着大雨来势凶猛，海面上波浪翻滚惊涛拍岸。据波浪观测，巨浪高达4～5m，间隔时间为19s。此次台风，给威海地区造成很大损失，特别是海上船舶及构筑物。经检查一期工程已施工完成的4996m长引堤、300m长防波堤和300m长围堰未有任何损坏、安然无恙，而且根据后期检测，经过台风巨浪的拍打后堤心石的挤压近一步密实。由此证明在超过5m厚淤泥层上采用抛石挤淤设计断面是完全成功的。

四、结语

一期工程引堤、防波堤、围堰在多种因素共同影响下，使得在厚淤泥地质条件下采用冒险的抛石挤淤设计断面取得了成功，这是与事前分析与工后检测结果是相符的。该工程在厚软土层采用抛石挤淤设计断面，属于冒险且不计投资成本的设计方式，因此不可在其它类似工程中继续采用。