潮位波动下滨海吹填区复合地基内部水位影响控制研究

曹 雄，吴灿森，张 龙

（1、珠海市规划设计研究院 广东 珠海 519000；2、广东省滨海地区防灾减灾工程技术研究中心 广东 珠海 519000；3、珠海航空城工程建设有限公司 广东 珠海 519000）

0 引言

潮汐是独特的海洋自然景观，潮水位变化会引起近岸工程地下水渗流、孔压变化［1］、地层固结［2］与液化［3］，据分析其对地下水位的影响范围可达到距离海岸线3 km 的内陆［4］。尤其在强风暴潮作用下，滨海地基地下水位可能发生突变，从而诱发地基整体沉降及破坏。滨海吹填区地基土工程性质极差，若复合地基防灾控制不当，可能会严重影响道路安全运营。

关于水位变化对工程的影响，陈从睿［5］通过数值分析和现场监测得出当潮位高差达到4 m 时，围堰结构发生不可逆的塑性变形。张光宗等人［6］通过现场试验测得采用复合地基的高铁路基在基坑工程降水后的沉降变化，得到路基表面沉降随着与降水点距离的增加而减小，且同一断面处，桩身越长，桩身沉降增幅越小。王文良等人［7］通过室内模型试验得出群桩基础桩端阻及侧阻在水位上升过程中快速、明显地下降，导致基础沉降迅速增大。可见，水位变化给近岸工程结构物带来了极大的安全隐患。故而高茂生等人［8］研究了潮汐作用下的滨海湿地浅层地下水周期性动态变化规律。苏乔等人［9］通过去除长期趋势提取出了地下水位中受潮汐影响的频率成分，对处理后的地下水位数据与潮位数据进行了对比分析。此外，还有付丛生等人［10］、陈娟等人［11］、周训等人［12］和冯明伟［13］分别开展了潮汐对地下水位变化影响的统计分析、数值计算、数学模型预测和实地监测研究。但在滨海吹填区中，地基排水固结处理、围堤结构建造以及复合地基桩体阻隔等措施在控制潮位波动对地基内部水位影响方面的效果与规律，目前研究中仍较为少见。

鉴于此，本文通过研究堆载预压排水结合围堤结构的潮位影响控制措施，并对潮位波动引起的滨海吹填区复合地基内部水位升降进行现场监测与分析，得到外部潮位波动影响的控制效果及规律，为滨海吹填区复合地基灾变防控设计提供参考。

1 工程场地概况

某工程位于珠海市金湾区，场地地貌属山前海积平原，场地内土层分布主要为人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、残积层、燕山三期花岗岩风化层和泥盆系砂岩风化层。地表水为海水，深度0.50～3.00 m，东深西浅，平均1.11 m，水面标高-0.25～2.82 m。

吹填前场地内淤泥广泛分布，伏于海水之下或陆域直接出露地表，该层厚度31.50～57.00 m，顶板埋深0.50～3.00 m，底板埋深32.20～66.00 m，典型的工程地质剖面如图1 所示。淤泥层力学性质沿深度变化大，以5 m 分层进行参数指标统计如表1 所示，可见越接近表层，淤泥含水率、天然孔隙比越大，强度指标越低；同时，淤泥各项物理指标之间以及强度指标与物理指标之间均具有较好的线性相关性。

表1 吹填前不同深度淤泥层参数指标Tab.1 Parameters Index of Silt Layers with Different Depths before Blowing and Filling

图1 吹填前典型地质剖面图Fig.1 Typical Geological Profile before Blowing and Filling

据工程场地附近三灶水文站资料，该区域潮汐调和常数为1.50，属不规则半日混合潮型。在一个月内有一半以上的日期一天有两次高潮和两次低潮，且相邻高潮不等现象较显著。大潮出现于溯、望之后1～2 d；小潮出现于上、下弦之后1～2 d。主要潮流方向为NW-SE向，涨潮流为NW 向，落潮流为SE向，转流时作顺时针旋转，沿岸潮流流速较大，外海较小。历年最高潮位3.294 m，历年最低潮位-1.506 m，平均高潮位0.994 m，平均低潮位-0.246 m，最大潮差3.18 m，平均潮差1.24 m，平均涨潮历时6.5 h，平均落潮历时6.0 h。

2 围堤与吹填工程

本工程场地吹填形成陆域面积292.3 万m2，交工标高为3.8 m。为确保吹填场地稳定，并控制外部潮流对场地内后期修建的基础设施的影响，在回填区新建东侧围堤，并对南侧和西侧旧围堤进行加固。

2.1 围堤地基处理

采用堆载预压+塑料排水板的方式加固软土地基，提高围堤下卧软土层强度及防渗性，并减少围堤沉降。排水板横向插打范围为围堤前沿线向场地内30 m 及向海侧30 m 范围，处理宽度为60 m。排水板设计顶高程为3.0 m，由于软土层深厚，排水板无法全部穿透，根据稳定圆弧理论，确定靠海侧10 m 宽度范围内塑料排水板设计底高程为-20.0 m，其余位置设计底高程为-26.0 m。

处理过程依托原有旧堤以及场地内子围堰进行，首先回填中细砂至+2.0 m，部分区域打设塑料排水板；然后填筑1.0 m中粗砂垫层至+3.0 m并大范围插板，砂垫层之上按厚度控制分级加载（每级厚度1.0 m）至静态标高+6.0 m；最后满载预压105 d，固结度达到90%开挖卸载，并施工围堤结构。

2.2 围堤设计与施工

根据场地水文条件，确定围堤设计高水位1.824 m（高潮累积率10%），设计低水位-0.796 m（低潮累积率90%），极端高水位3.454 m（50 年一遇），极端低水位-1.326 m（50 年一遇），100 年一遇高水位3.734 m。

东段围堤长1 254.0 m，主要受E向浪作用，设计顶高程4.8 m（预留300 mm 工后沉降）。围堤设计断面如图2 所示，采用斜坡堤结构，坡顶设置C30 现浇混凝土挡浪墙。挡浪墙下方铺设300 mm 厚的二片石垫层，前方铺设500 mm（含100 mm 的底趾）厚的栅栏板护面，护面坡比为1∶3。水平段栅栏板与斜坡面上栅栏板之间的间隙用C30 现浇混凝土填充。栅栏板坡底处设置反压平台兼作亲水平台，平台宽4 m，顶高程为2.0 m。亲水平台为浆砌块石结构，顶上铺设200 mm 厚的C30 混凝土面层，沿堤约每200 m设置一处现浇混凝土步梯。

图2 围堤断面示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Cross Section of the Dike （mm）

围堤堤心抛设10～100 kg 块石，堤心外围铺设600 mm 厚的混合倒虑层，堤心石与倒滤层之间铺设500 mm 厚的二片石过渡。坡脚处采用80～120 kg 的块石护底（厚700 mm），下设500 mm 厚的二片石垫层。围堤底部满堂铺设土工格栅，增强围堤整体稳定性，格栅顶层铺设一层土工布倒滤层。挡浪墙后方10 m 范围内铺设500 mm 厚的干砌块石作为临时防越浪冲刷面层结构。

围堤堤身施工工序为：堤身堆载砂卸载开挖➝堤底土工格栅及土工布铺设➝抛理堤脚反压→铺设混合倒滤层➝堤心内侧二片石铺设➝浆砌亲水平台➝堤心石抛理➝安装栅栏板护面或现浇护面及现浇步梯➝挡墙底二片石铺设➝挡浪墙浇筑➝挡浪墙后方回填➝堤顶后方二片石防冲刷层。

2.3 场地吹填

围堤围闭后，场地吹填疏浚土（临时航道疏浚土）至标高约+0.8 m，继续吹填（含泥量≤30%）吹海砂至交工标高+3.8 m。吹填结束后利用开山土或开山土石填筑施工临时道路。为防止填筑的施工道路形成封闭的区域而大量积水，在填筑道路内设置混凝土排水管（内径不小于50 cm），将积水通过围堤亲水平台排出。

3 复合地基设计及水位影响监测

场地内为避免真空联合堆载预压处理对围堤产生不利影响，沿东侧围堤而建的白龙路采用素混凝土桩复合地基进行软基处理。素混凝土桩设计桩径为400 mm，桩长为25 m，桩间距为1.6 m，呈正三角形布置，桩身材料为C15 混凝土，于场地吹填4 年后施工。该道路范围内典型工程地质剖如图3 所示，可见一定深度以下的软土层由淤泥成为淤泥质土，即经过吹填工程中的地基处理及工后排水固结，地基强度得到了一定提高。根据室内试验，此时软土层的渗透系数在2.3×10-8～3.4×10-8cm∕s范围。

图3 吹填4年后场地内白龙路地层剖面图Fig.3 Stratigraphic Section of Bailong Road in the Site after 4 Years of Blowing and Filling （m）

由于复合地基临海，长期受周期性波浪和潮汐作用引起的地下水位变化及渗流，经吹填含砂土层进入复合地基内部，导致地基应力状态和侵蚀性离子含量变化，影响复合地基工作性能。故开展复合地基下潮水位影响监测，监测区域为白龙路BL5 断面，其平面位置如图4所示，位于星云一路与白龙路的丁字路口。监测项目为复合地基内部地下水位变化，监测孔与东侧围堤挡浪墙垂直距离为15 m。

图4 监测点平面位置图Fig.4 Plane Location Map of Monitoring Points

4 水位监测结果与分析

先后分两次对监测点地下水位变化进行了监测，与地下水位相对应的潮位数据来源于场地附近的三灶水文站。2021年4月19日，水文站观测到的全日潮水位变化曲线以及连续7 h监测得到的钻孔内水位变化曲线如图5⒜所示。可见，海潮全天最高水位为13 时的212 cm，钻孔内最高水位为17时的174.8 cm。对比海潮水位和孔内水位可知，钻孔内水位相比外侧潮水位变化波形明显延迟，孔内水位变化幅度很小，仅为4 cm左右，而海潮变化幅度能达到近150 cm左右。孔内地下水位振幅远小于高茂生等人［8］研究得到的接近海洋潮汐波动的1∕3，证明本研究所采用的堆载预压排水固结与建造围堤结构的措施，有效地控制了潮位波动对地基内部水位的影响。

为探究内外水位联动规律，4 月26 日～4 月27 日进行了24 h 连续监测，26 日～27 日潮水位变化曲线以及钻孔内实测水位变化曲线如图5⒝所示。对比两条水位变化曲线可知，孔内水位和外部潮水位波形有一定相似性，均呈现类似简谐波动形态，两者之间有相位延迟，外部潮水位峰值在220 cm 左右，出现在27 日上午9 时，变化幅度约为160 cm，周期约12 h；孔内水位峰值在168.4 cm 左右，出现在26 日上午11 时，变化幅度约为5 cm，周期约12 h。内外水位波峰出现时间差约2 h，但波峰幅值大小比例并不完全对应，即内外水位相位差为λ个周期+2 h（λ=1，2···，n）。

图5 潮水位与孔内实测水位变化曲线Fig.5 Variation Curve of Tide Level and Measured Water Level in the Hole

5 结论

通过滨海吹填区复合地基潮位影响控制研究及复合地基内部水位升降现场监测分析，得出主要结论如下：

⑴通过堆载预压排水固结，并设计建造围堤结构，一定程度上阻隔了地下水的流动，滨海吹填区内复合地基受外部潮位波动的影响得到了有效地控制，复合地基内部水位波动量仅为外部潮水位的1∕30～1∕40。

⑵现场实测复合地基内部水位周期变化规律与外部潮水位变化规律相似，两者之间存在λ个周期+2 h的相位差。