滩海人工岛工程安全监测预警模式

焦志斌，冯京海，史贤志，李贤旭，刘海龙

（1.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.冀东油田分公司，河北 唐山 063200）

0 引言

随着近海石油工业的勘探开采及经济发展需要，在环渤海地区和其他近海区域相继修建（拟建）了多个大型滩海人工岛工程。滩海人工岛工程处在海洋环境中，由于受到风浪、潮流、海冰及风暴潮等多种海洋环境因素的共同影响，和陆上建筑物相比，被破坏的可能性更大。历史上人工岛损毁事件屡见不鲜，破坏形式也多种多样[1-2]。渤海6号曾在一场强风浪作用下产生了2 m水平位移和80 cm的沉降；绥中油田的某沉箱在安装过程中遭遇较大风浪作用，平台产生沉降达1.7 m；国内最典型案例为长江口二期工程北导堤段，2002年12月5—8日，施工现场遭遇了强寒潮的大风浪袭击，风力6～7级，阵风8～9级，有效波高和有效波周期接近设计值。在连续两天大风浪的作用下，已安放好的16个沉箱在风浪作用下最大沉降超过1.6 m，发生非正常沉降，属于地基失稳，造成巨大的经济损失[3-4]。

可见，围护结构的破坏都伴随着结构异常变形，可以通过安全监测及时获取，对判断灾害体的发展和预警有着重要的技术支持。中国石油天然气集团公司经过多年的人工岛建设和系统研究，在国内率先制定了人工岛施工期安全监测规范[5]，并提出了监测预警指标，为滩海人工岛工程施工期阶段的安全建设和管理提供了技术依据和保障。

对于滩海人工岛工程运行期安全监测，目前还没有专门的监测规范，运行期安全监测预警指标研究更是空白。人工岛围堤地基土经过施工期的地基处理和预压，1～2 a后围堤地基土固结度一般可达80%以上[6]，后期水平位移和沉降变化速率明显减小，施工期的安全监测预警指标明显不适合运行期，需要根据工程的实际情况建立适宜的预警指标和预警值，发挥运行期安全监测的预警作用。本文结合冀东南堡油田1-3号人工岛工程运行期安全监测，首次探讨了滩海人工岛工程运行期安全监测的预警指标和预警模式，可为类似工程参考。

1 工程概况

冀东南堡油田1-3号人工岛位于河北省唐山市滦南县北堡村南侧、南堡村西南侧，南堡浅滩-5 m等深线附近，地理位置见图1。整体呈近似椭圆形布置，边长尺寸为495 m×298 m，造地面积13.33万m2，围堤总长1 374 m。人工岛围堤采用袋装砂斜坡堤结构，岛心采用吹填砂形成，引桥及登陆点布置在人工岛北侧，采用高桩墩台结构型式，桩基采用钢管桩。

冀东南堡油田1-3号人工岛具有以下5个特点[7]：1）人工岛建在北高南低的海沟边缘，人工岛和周边构筑物建设严重影响局部的水动力环境，可能造成局部冲刷；2）人工岛周边水深大，原泥面高程约-5.3 m，高潮时水深超过9 m；3） 岛体吹填高度大，最大吹填高度14.2 m；4）人工岛距离陆域较远，距陆域最近的1-1号人工岛约6.7 km，受气候及海洋等环境因素较大；5）曹妃甸区域的整体规划修改对人工岛周边的水动力影响较大。

2 施工期预警指标

滩海人工岛工程施工期的预警指标是人工岛安全建设的关键技术难题，与工程地质、施工特点、结构型式、安全等级等相关。通过大量的工程实践和系统研究，中国石油天然气集团公司于2010年5月发布了我国第一个关于滩海人工岛建设安全监测的技术规范：Q/SY 1354—2010《滩海人工岛工程监测技术规范》。该规范为滩海人工岛的安全监测提供了技术支持与保障，并把水平位移、沉降变化速率和超静孔隙水压力增量作为预警指标。

预警指标原则上根据设计要求确定，对于冀东南堡油田1-3号人工岛，施工期的预警指标为：地面沉降速率10 mm/d；侧向水平位移速率5 mm/d。

施工期安全监测的预警模式可参见文献[5]。监测过程中，当发生下列情况之一，必须立即报告委托方，并应及时增加观测次数或调整监测方案：1） 水平位移、沉降变化速率或超静孔隙水压力增量接近或超过预警值；2）周边出现塌陷和滑坡征兆；3）由于风暴潮、冻融、地震等自然灾害引起的异常情况。

在依据监测变量进行预警的同时，预警模式应首先考虑设计海洋环境因素的影响，这是规范的不足，或者说没有进行重点强调。在滩海工程中，施工期的风险主要来自海洋环境荷载[1]。

3 运行期预警模式研究

运行期滩海人工岛的安全预警也应包括两个方面的内容：设计环境因素预警和岛体安全监测预警。本文重点讨论人工岛运行期安全监测预警。

设计环境因素预警指的是工程设计时所允许出现的恶劣的环境条件，如地震、强风暴潮、海啸、特大冰灾等。这些自然灾害不一定对岛体产生破坏，但会影响人工岛上的安全生产和作业，也应该纳入安全预警系统中，常见的环境因素预警见表1。

滩海人工岛运行期安全监测预警指的是监测指标超过允许值，滩海工程出现安全风险，文中主要指的是围护结构（围堤）的稳定。滩海人工岛围护结构的破坏一般分为滑动破坏和冲刷破坏。滑动破坏是基于人工岛地基失稳引起的局部或整体破坏；水流冲刷会导致护底护坡失稳而最终导致围堤塌陷和破坏，风暴潮、巨浪、强海流、寒潮是导致人工岛冲刷破坏的主要因素。无论是滑动破坏和冲刷破坏，都伴随着围堤结构的沉降、水平位移和地基土超静孔隙水压力的持续异常变化。因此滩海人工岛运行期安全监测的预警内容主要包含：水平位移、沉降异常预警，以及围堤地基土超静孔隙水压力异常预警。

由于滩海人工岛围堤地下水位受潮位的影响会出现动态变化，相对潮位有明显的滞后现象，高潮位和低潮位时段出现峰值，其他时段稳定在一个区间[8]，超静孔隙水压力监测预警有待于深入研究。着重研究潮差与超静孔隙水压力分布的关系，尤其是风暴潮作用下围堤地基土超静孔隙水压力分布与消散规律。

冀东油田1-3号人工岛围堤地基土经过施工期的预压，1 a后地基土固结度一般已达80%以上[6]，后期水平位移和沉降变化速率明显减小，1-3号人工岛建成后第3年，围堤年总沉降11 mm（见图2），侧向最大水平位移仅8 mm。可见，施工期的安全监测预警指标已明显不适应运行期，需要根据工程的实际情况建立适宜的预警指标和预警值，发挥运行期安全监测的预警作用。

冀东油田1-3号人工岛运行期安全监测自动化系统详见文献[7]，针对运行期滩海人工岛水平位移和沉降的变化特点，选择运行期的围堤水平位移、围堤沉降作为人工岛运行期安全监测的预警指标[7]。

水平位移、沉降异常预警采用分级控制，预警参数分为预警值和允许值，预警指标建议值及对应的工程应对措施见表2。

当水平位移速率D＜2 mm/d且沉降速率H＜5 mm/d时，滩海人工岛处于安全运行状态，系统采用定时观测，且每月进行岛体围堤巡视检查，检查观测断面及其他区域有无异常现象。当出现地震、风暴潮、海啸、特大冰灾等恶劣环境时，应转入实时监测。

当水平位移速率2 mm/d≤D≤5 mm/d或沉降速率5 mm/d≤H≤10 mm/d时，系统会发出异常警报，进入Ⅱ级预警处理流程。此时应连续观测，并进行特别巡视检查，

结合周边海况，分析异常原因，判断护坡结构完整及稳定性，直至风险解除。风险解除后，应及时提交人工岛异常预警调查报告。

当水平位移速率D＞5 mm/d或沉降速率H＞10 mm/d时，监测变量超过允许值，系统会发出异常警报，进入Ⅰ级预警处理流程。此时应该连续观测，并进行特别巡视检查，观察围堤整体有无不均匀沉降、异常变形、滑动迹象等，结合周边海况变化，分析异常原因，判断护坡稳定性。有条件时应结合岛体周边水域冲淤监测，判断护底完整性，必要时进行围堤断面浅剖，分析护坡结构完整性。

当监测变量超过允许值持续3 d时，要考虑暂停生产和人员撤离。相关部门要针对风险进行评估并采取抛石护坡等综合工程措施，加强护坡和围堤的稳定，风险解除后，应及时提交人工岛异常预警调查报告。

由于护底和护坡的损坏而引起的围堤局部塌陷和滑移应给予足够的重视，一方面需定时进行观测，同时及时进行工程修复。

表2 运行期滩海人工岛工程安全监测预警指标建议值及应对措施

4 结语

结合冀东南堡油田1-3号人工岛运行期安全监测自动化系统，分析并提出了滩海人工岛运行期监测的预警指标和预警模式。预警指标为围堤水平位移和围堤沉降；预警模式为根据监测数据变化，结合海域冲淤、断面浅剖，分级提出预警，并给出了工程应对措施。同时安全监测预警要和环境因素预警有机结合。

滩海人工岛运行期安全监测预警指标的选取与监测技术相关，围堤地基土超静孔隙水压力预警是亟待研究的难题。预警模式应结合具体工程进行完善和改进，更好地适应不同海况条件下构筑物的安全监测需要，并使之标准化。

随着全球灾害性气候的加剧及海洋环境的复杂性，人工岛及相关构筑物损毁事件时有发生，应尽快推动人工岛运行期安全监测预警指标和预警模式相关规范标准的编制，为管理部门提供技术依据。

[1] 李炎保，蒋学炼，刘任.防波堤损坏特点与其成因的关系[J].海洋工程，2006，24（2）：130-138.

[2] S Y Tzang，S S Hsiao.A Case Study on Typhoon Induced Consecutive Damages on Coastal Structures at Keelung Coast[C]//Coastal Structures'99.Rotterdam：Balkema，2000：1 017-1 025.

[3]范期锦.长江口南导堤局部堤身下沉的原因及对策[J].中国港湾建设，2003（3）：1-4.

[4]范期锦，李乃扬.长江口二期工程北导堤局部破坏的原因及对策[J].中国港湾建设，2004（2）：1-8.

[5]Q/SY 1354—2010，滩海人工岛工程监测技术规范[S].

[6] 苏冬林，焦志斌.南堡1-3人工岛工程施工期观测与检测分析报告[R].南京：南京水利科学研究院，2009.

[7] 焦志斌，郑澄锋，米占宽.离岸深水人工岛安全自动监测及预警系统研究[R].南京：南京水利科学研究院，2011.

[8] 焦志斌，蔡正银，徐光明.分离卸荷式地连墙码头原型观测与现场试验研究[M]//董文才.唐山港地连墙板桩码头.南京：河海大学出版社，2009：109-114.