油库码头支航道铁板砂地质测量与治理

陈敬华 中石化销售有限公司广东石油分公司

1.前言

“铁板砂—黏土”地质广泛分布于在珠江三角洲地区的河床，大多处于1～3米厚度范围以内。从铁板砂的密度、粒度和强度分析，其主要成分为介于黏土与砂土之间的粉土，具有压缩性低、承载力大和强度高的特性。铁板砂是水流动力、分层沉积、河床变迁之间相互动态作用的结果，可在强水流动力作用下迅速固结形成具有高强度板结力的铁板砂地质，在航道线路上形成非常难以清淤的地层，直接影响港口码头正常通航。因此铁板砂地层形成机理和结构特性领域的研究工作，对于河道码头治理和保障航运安全具有重要的指导意义。

图2 浅地层剖面系统

许多机构和学者投入了相当多的人力和物力针对铁板砂地质的形成和治理进行研究。吴明阳依据滨州港口水文、地质和水深等监测资料，对港区水流动力影响规律进行研究。结果显示滨州外港口外航道一定范围内出现“铁板砂”地质，且清淤难度较大。陈洋彬采用数值模拟的方法，研究“铁板砂”地层中桩靴穿刺中的峰值贯入阻力问题，数值计算结果与离心机实验结果基本一致。卫聪聪根据浅层土体循环振动方法，测试黄河水下“铁板砂”土体强度，根据其变化规律认为水流波浪的剪切作用大于土体强度，导致其发生震荡运动。在这个过程中，由于细粒沙土被波浪带走，静置之后的土体强度增加，形成坚硬的铁板砂地质。鄢洪青通过分析湛江港航道中存在夹杂的黏土和铁板砂，提出平整靶进行梳浚的方式，对于中等密度的夹砂泥和黏土构成的铁板砂地层效果明显。张民生研究了实验室水槽内土体在波浪作用下的振动问题，认为土层颗粒液化是铁板砂形成和发展的重要前置条件。陈君利用水文调查资料和实测结果，结合卫星遥感数据发现二分水滩的铁板砂地层以直线条形状分布，2000之后向南迁移了4.5km。

通过铁板砂研究领域的文献调研，可以发现目前研究成果不系统不全面，仅有少量文献集中于铁板砂形成的机理方面研究；且都是从砂粒成分组成方面展开的研究，而对于航道铁板砂地质问题的治理未见成熟的处理方法。本文依托石化港口航道中实际存在的铁板砂地质问题，对该地层情况进行的详细勘测，进而提出相应的治理方案，形成一套有效的解决铁板砂航道疏浚的方法。

图4 浅地层局部声图

2.铁板砂地质形成机理与特征

铁板砂是内河航道和海洋码头中普遍存在的一种地质形态，其形成过程是砂泥土层、水流动力和河床内部液化渗流的耦合作用的结果。有研究表明水流作用下地质土层的最大切应力处于水流波的节点处。而随着土层内空隙水压力的增加，其粘结强度会减小；当土层内空隙水压力增大到一定程度时，土体粘结强度会达到临界值，这时土层会发生滑动。这时土层内部的微粒会与波浪形成一致的震荡运动，土层中的孔隙水呈现一定的流动性，从而产生液化滑动现象。在这个过程中，由于土层中粒径差异，细小颗粒比较容易随着水流迁移，从土层骨架中分离出来，悬浮于周围水体之中。随着土层内部细粒物资不断分流透析出来，其黏粒占比不断减小，土层呈现出粒径粗大趋势。

铁板砂主要由沙土和粉黏土构成，其中粒径小于0.075 mm的颗粒超过总质量的一半以上，塑性指标不大于10；0.03～0.10 mm之间的中值粒径分布水平变化较大。铁板砂的天然密度处于1.80～1.95 g/cm范围之内，其数值明显大于淤泥密度。铁板砂整理力学性能参数中，内摩擦角的平均值大于30°，黏聚力处于5～15 kPa范围，其值介与砂土和黏土力学参数之间。

3.油库码头支航道铁板砂地质测量

3.1 工程概况

为对广州市黄埔油库东西码头开展疏浚治理工作，在其航道范围内进行浅地层探测。测区概略位置如图1所示，位于广州市黄埔区，测区中心坐标为东经113°29′34″,北纬23°03′56″。

图1 航道测区位置图

浅地层声波探测使用英国GeoAcoustics公司生产的高分辨率浅地层剖面仪，该设备采用调频脉冲技术，其声能水平可达200 dB，发射频率为2kHz—14kHz调频脉冲波。

仪器换能器安装如图3所示，导航定位GPS天线安装在调查船上。

图3 浅地层换能器与GPS天线安装示意图

在测量船左侧的水面下2m处安装了浅地层换能器，换能器位于船左中部，螺旋浆噪声对地层反射信号影响较小，因而能提高记录图像信噪比。为实时准确地定位GPS换能器的位置，天线固定在地层反射源一侧，并对采集软件中进行坐标修正。

3.2 平面位置定位

浅地层探测平面定位采用GPS自动导航定位系统，该设备采用实时差分工作方式，接收来自国家海事局设立的沿海信标台差分信号；为保证检测接收机的平面定位精度及稳定性，探测前寻找一个独立地物进行校正。将观测结果与控制点坐标进行比对，比对结果见表1。

由表1数据可知，Trimble-GPS接收机的平面定位精度及稳定性符合规范技术要求。

表1 检校DGPS的平面定位

3.3 探测结果与分析

浅地层声波探测是通过安装在测量船甲板上的主机，控制水下的声学震源垂直向海底发射圆柱形声波；海底地层反馈信息由水听器接收，主机对地层信息信号放大和滤波数据处理后；然后依据地震反射特征进行分析，接着利用已知资料确定该物理反射层面的界面，在剖面图中进行该层位的追踪，最后得到海底物理分层的界面。

根据测量结果分析，测区水深在4m～12m之间，探测穿透厚度约为2m左右，图形中没有明显物理分层线，表层声波反射较强。依据声波反射原理推断测区内泥质含砂量较大，结合多方测量数据可以判定测区内泥质为“铁板沙”。

4.航道铁板砂治理方案

4.1 抓斗船开挖施工

在航道疏浚领域，对铁板砂地质进行的治理最开始采用方法是抓斗船工艺，将长臂挖机安放在平板船上进行开挖。由于铁板砂地层板结力强不易开挖，如果盲目施工，开挖效率较低。为提高开挖效率以确保施工进度，应首先将泥口开挖成型，然后沿泥口边缘向两边拓宽，最后进行深挖。施工工序是先挖泥口，待泥口破开后，再抓斗沿泥口两边逐步拓宽加深。

挖泥操作：抓斗的挖泥为非连续性，具体操作过程：张开空泥斗沉入开挖点→闭斗切合→提升泥斗→转动斗臂，将泥斗移到泥驳船上方→开斗卸泥→反向转动斗臂→再将空斗沉入开挖点。如图5所示。

图5 抓斗船开挖

图7 液压反铲挖泥船开挖

排斗：排斗顺序为从远离泥驳的一边向泥驳一边靠近，逐渐挖到堑口为止。硬质土开挖操作：挖硬粘土和密实沙质土时，硬土质令抓斗冲泥量不足时，应减少抓斗重叠量。

4.2 凿岩开挖施工

如果抓斗船不能凿开铁板砂层，则采用凿岩棒与挖泥船构成凿岩系统，对砂层进行水下碎岩施工。该方案中使用一艘挖泥船配合凿岩棒进行泥口区域碎岩；而另一艘抓斗船配合泥驳清淤。优先安排凿岩船在泥口区域进行凿岩，待泥口区域全部开凿一遍后移船离开；然后安排抓斗船到达泥口区域清淤，泥口破后再进行两边逐步拓宽加深。如图6所以。

图6 凿岩开挖

凿岩布点间距设置：凿岩布点间距要综合考虑凿岩棒的大小、形状和岩盘的层厚及硬度等因素。一般情况下凿岩棒的布点距离控制在斧头形凿岩棒厚度或者多齿形凿岩棒直径的1.5～2倍左右为宜。

4.3 液压反铲挖泥船开挖施工

当铁板砂层厚度1米以上，现场开挖水深不超过极限水深14米时，适宜采用液压反铲挖泥船施工。但此工艺施工进度较慢、施工成本较高等问题，具体施工工艺如下：

①测量定位：水上开挖测量定位采用GPS定位，开挖深度由挖机臂上的刻度控制深度。

②反铲挖泥船移船定位：挖泥船上共有三根定位四方钢桩，施工过程中需要移动船体，轮流下单根桩，摆动船体进行移船；船体摆动由挖机推动。

③挖泥施工：液压反铲挖泥船施工采用分条分层作业的方式，根据反铲的最大有效开挖半径确定条宽，每条确定为12m，开挖厚度取2m。定位桩固定后，反铲进行扇形开挖，底泥直接一侧装船。

5.结语

为了对广州市黄埔油库东西码头配套支航道进行疏浚治理工作，得到如下结论：

（1）水流作用使得水下土层发生液化现象，导致微颗粒发生振荡作用，土层颗粒中微粒不断的上下离析，会使得沉积地层构造十分密实，土体强度非常高，最终形成大片铁板砂地质问题。

（2）采用地震反射特征技术，通过追踪声学界面以得到沉积地层层序，再研究其反射特征确定沉积物的物理分层，形成一种浅地层声波探测方法。

（3）针对不同铁板砂地层特点，提出抓斗船开挖、凿岩开挖和液压反铲挖泥船开挖三种治理工艺。