围海造陆填土技术及其应用研究

尚金瑞， 杨俊杰， 孟庆洲， 孙 涛,5

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100； 2. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 日照港集团岚山港务有限公司，山东 日照 276808；4. 青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032;5. 山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)



围海造陆填土技术及其应用研究

尚金瑞1,2,3， 杨俊杰1,2， 孟庆洲4， 孙 涛4,5

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100； 2. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 日照港集团岚山港务有限公司，山东 日照 276808；4. 青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032;5. 山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

提出了在填土工程中将海底的淤泥和吹填料中的淤泥聚集在一起，最终将新形成的陆域分离成以粗粒土为主的非软土地基和以淤泥质土为主的软土地基两个区域，继而可以针对各分区的地基选用不同的加固处理方法的围海造陆填土技术观点；基于土力学的强度理论和水力吹填的分选性，提出了能够实现填土技术观点的思路与基本条件；将本文提出的围海造陆填土技术观点、陆域形成填土技术成功应用于日照岚山港区围海造陆工程。

围海造陆； 填土技术； 吹填土

进入21世纪，随着经济建设的快速发展，围海造陆成为中国沿海地区解决建设用地的重要手段[1]。

日照岚山港位于黄海海州湾北岸，地处山东省日照市东南部的岚山区，是经国务院批准的国家一类开放口岸，山东省区域重点港口。

为了缓解岚山港铁矿石接卸和堆存能力不足的矛盾，山东省发展和改革委员会批准岚山港在南作业区南一突堤建设2个10万t级通用泊位(见图1)，年货物吞吐量2000万t，项目总投资6.2亿元。

图1 岚山港区南作业区规划图Fig.1 Planning map of the lanshan port south area

南一突堤规划总面积2.27km2，计划经过其围堰隔堤形成Ⅰ号场区(即Ⅰ期工程)，其总面积约333333m2，将作为2个10万t级通用泊位及后方货场建设场地(见图2)。场地为海底标高约-5m的浅海区，需要填海造陆，要求地基承载力不小于120kPa，25年最大沉降量不超过30cm。

图2 南一突堤Ⅰ号场区(南一突堤Ⅰ期工程)Fig.2 The No.1 field area of No. 1 south jetty (First phase of No.1 south jetty project)

以往的港区堆场建设通常采用传统的围海造陆填土技术形成陆域，然后对形成的陆域进行强夯处理，对存在淤泥的部位则进行强夯置换，但使用过程中沉降过大，而且长期不稳定，处理效果不理想。个别堆场甚至进行了四层混凝土面层修补的硬化处理，依旧出现了堆体倾斜、场地积水、地下敷设的水电管网断裂等问题。这些问题导致货物损失、商务纠纷，严重影响了货场的使用效能。图3是由于发生不均匀沉降造成堆场场地积水的情况。

图3 既有堆场沉降情况Fig.3 Settlements of the yard

本文以南一突堤Ⅰ期工程为依托，以Ⅰ号场区为研究区域。因研究区域填方量较大，为了节约成本并解决填料不足的问题，首先考虑利用港池、航道疏浚物进行吹填，不足部分和隔堤部分使用粗粒填料。预计利用疏浚物吹填量200万m3，这部分填料中夹杂有大量的疏浚泥，疏浚泥含水量大、渗透性差；另一方面，场区为浅海区、海底分布有3.0～7.0m的淤泥，如果形成上部为填土、下部为软土地基的特殊地基，那么，软弱下卧层也是引起堆场沉降量过大或不均匀沉降的主要原因之一。因此，如何处理填料中的疏浚泥和海底淤泥是决定工程成本乃至成败的关键问题。

同样，我国大部分围海造陆工程使用清淤疏浚泥作为填料进行吹填，这些填料被高压水流以泥浆形式输送到预定水域，经过流淌、分选、沉积形成陆域，即吹填土地基。因此，如何解决吹填土地基沉降大且不均匀、易液化等工程问题，是全国范围内的类似围海造陆工程共同面临的技术难题。

综上，研究围海造陆填土工程技术具有一定的工程意义和实际应用价值。

1 陆域形成填土技术国内外研究现状

如上所述，由于受到自然条件的限制，绝大部分陆域形成工程采用以疏浚泥为主要填料的吹填法完成。这种情况下形成的陆域(吹填土地基)有时强度低到无法上人、上设备的程度。而且，当海底分布有较厚淤泥时，如招商局深圳前湾围海造陆工程[2]，通常首先将填料吹填至海相沉积淤泥之上形成厚度不均的吹填淤泥，然后再根据需要采用相应的软基处理方法进行处理，最终形成建设用地。但是，即使经过加固处理的吹填土地基，其最大问题仍然是沉降[3-4]和液化。因此，从岩土工程角度分析，现代围海造陆的主要问题是:①采用什么样的填土技术能够使新形成的陆域在强度方面为后续地基处理施工提供稳定的工作面？②如何加固处理陆域使其沉降和液化能够满足设计要求？

对于采用本文提出的填土技术形成的陆域，传统的软土地基处理方法即可满足设计要求，因此，以下围绕陆域形成填土技术国内外研究现状进行综述。

1.1 陆域形成陆填土技术国内外研究现状

1.1.1 减小陆域自身沉降的填土技术 如果待填区域附近存在可供开挖的土石料，可采用干填法填土施工，粗粒填料可有效减小陆域(填筑体)自身的沉降量。但是，干填法施工要求具有一定的自然地理条件。受砂资源的限制，为了节省建设成本，一些工程使用疏浚物作为填料，这样既可避免疏浚物海洋抛弃带来的回淤和环境问题，又可解决填料不足问题。但是，一般疏浚物淤泥含量较多，导致形成的陆域不能为后续地基处理施工设备和人员提供稳定的工作面，而且增加后续地基处理成本。

为了减少砂的使用量，同时加速疏浚泥吹填土的固结，在1980年代早期，新加坡研究采用了吹填一定厚度的疏浚泥，铺设一层砂的吹填方法，将相对较薄的砂层夹在吹填疏浚泥之间，形成夹砂排水层，由于排水路径减短，与纯泥吹填地基相比大大缩短了固结时间。Lee等用现场试验成功地证明了这种成层的夹砂土层的吹填方法的可行性[5]。

赵建斌等[6]认为，由于砂的黏聚力几乎可以忽略，同时吹填土强度很低，夹在吹填土层之间的排水砂层的形成往往较为困难，可以通过在排水砂层上下表面各铺设一层土工布的方法，解决吹填土填筑过程中排水砂层形成困难的问题。针对这种成层的夹砂吹填软土地基，赵建斌等[6]采用快速拉格朗日三维有限差分软件FLAC3D，对真空预压过程进行了数值模拟，分析了布设两层夹砂层时夹砂层对吹填土地基固结的影响。结果表明，夹砂层可以起到横向排水通道的作用，能有效加快吹填土的固结速度；夹砂层上下面设置的土工布，能够起到一定的限制地基不均匀沉降的作用。

张成良等[5]介绍了国外一些学者试图用很大的土团颗粒进行吹填的研究，土团直径达1.5m，理论和实际工程中很难确切知道土团之间的孔隙变化情况，这种吹填方法在国外有所应用，但是在国内还没有先例。

另一方面，国内外学者在疏浚泥中添加适量的水泥等固化剂，使其变成具有良好工程特性的土工材料。经过处理的疏浚泥可用作围海造陆的填筑材料[7-13]。

1.1.2 减小软弱下卧层沉降的填土技术 为了减小陆域(填筑体)的软弱下卧土层引起的工后沉降量，可采取挖土置换法，将海底淤泥挖去而使用良好填料回填。如，填筑面积约为9.4km2的香港赤腊角机场工程、填筑面积2km2的用于建造迪士尼乐园的香港竹蒿湾填海工程、马来西亚丹戎帕拉帕斯港工程第二阶段均采用了挖去软土层再回填性质良好的填料的方法，上述工程挖去的软土量依次为1.6、0.43及0.4亿m3[14]。

另一方面，抛石挤淤法不仅可用于围堰隔堤施工，还常常用于处理软弱下卧层。

抛石挤淤对原状地基有扰动作用，使地基强度急剧降低，这为填筑体挤开淤泥形成人工置换地基提供了有利条件[15]。日本学者认为水中抛石对海底地基的扰动影响深度为4～5m[16]。蒋亚和张文渊[17]认为，抛石挤淤法一般适用于处理厚度不超过4m，且表层硬壳被挖除的具有触变性流塑状的饱和淤泥或淤泥质土，对于5m以上的深厚淤泥或淤泥质土则还需辅以爆破或强夯措施。余海忠等[18]认为，抛石挤淤主要适用于厚度在10m以内，流动性大，基本无硬壳层的大面积流塑状淤泥的处理，当淤泥厚度大于10m时，可在抛石挤淤的基础上，进行振动挤淤、强夯挤淤和爆破挤淤。深厚或淤泥质土则还需辅以爆破或强夯措施。单颖涛等[19]认为，抛石挤淤处理厚度与淤泥的状态有直接联系，一般来说，淤泥为流塑状时，抛石挤淤的处理厚度不大于15m。港口工程地基规范则明文规定，抛石挤淤法适用于厚度小于5m的淤泥或流泥[20]。而在实际工程中，有的地区，如威海文登港工程的有效挤淤深度已经超过10m，烟台海阳港防波堤工程的抛填挤淤置换深度可以到6m[21]。董志良等[22]认为，当水下淤泥厚度大于5m时，可以结合水下强夯挤淤法、爆破挤淤法，利用外力的作用加强块石置换的深度。

赵宏和孙涛针对深厚的吹填土地基，尝试利用填方的方法挤压淤泥。变形和孔压监测及动力触探测试等现场试验结果表明，填方挤淤法可以处理淤泥深度5～6m[23]。

爆破挤淤法是20世纪80年代在连云港港口研究发明的国家专利技术，其作用机理是在淤泥质软土地基上抛填石料，在抛石体前方一定位置的淤泥中埋设群药包，起爆后，在爆炸振动和空腔作用下，抛石体连同水和淤泥形成泥石流，向爆坑内坍塌，形成一定落地深度和宽度的泥下石体。在其上继续抛填，形成完整的抛石堤。这种方法处理淤泥深度接近38m[24]。

另外，郭佑雄等[25]介绍了在湛江滨海围海造陆工程中，以吹填砂为堆载，采用塑料排水带对深厚淤泥进行处理的工程实例。塑料排水带堆载法将吹填进度和加荷速度一并考虑，围海造陆过程即为软基处理过程，节约了工程投资，也缩短了工期。

1.2 问题与分析

1.2.1 减小陆域自身沉降的填土技术 对于采用水力吹填技术形成陆域，目前的研究主要着眼于改善填料性质和填土地基的排水条件方面。Lee等提出的夹砂土层的吹填方法，既可以节省砂土，也可缩短排水时间[5]。赵建斌等通过在排水砂层上下表面各铺设一层土工布的方法，解决排水砂层形成困难的问题[6]。但实际上，吹填工程中巨大的水力冲击，使得铺设的土工布与砂层很难保证平整度(见图4)，因此，用于其理论计算的模型假定与实际情况不一定相符合。

图4 在吹填口形成的凹坑

1.2.2 减小软弱下卧层沉降的填土技术 待填海域海底分布有较厚淤泥质软土时，国内外大部分围海造陆工程采用先吹填、后处理的方法，这就无形中增加了地基处理难度和成本。一部分围海造陆工程采用挖去软土层的挖土置换法，无疑这种方法存在工程量大、成本高、施工难度大等问题。利用抛石挤淤法处理海底淤泥质软土不失为简便有效的方法。抛石挤淤法处理深度因淤泥质土的工程地质情况而异。综合目前国内外研究结果，一般而言，当淤泥深度不超过7m时，采用抛石挤淤法可以将淤泥挤出。

2 围海造陆填土技术

2.1 本文提出的围海造陆填土技术观点

综上所述，造成新近形成的陆域的沉降的主要原因，一个是承受陆域荷载的海底淤泥，处理这部分软弱下卧层技术难度大、成本高，如果不处理则容易产生沉降。另一个是夹杂在填料中的淤泥，使陆域自身产生的压缩沉降。本文提出将这两部分淤泥聚集在一起，然后进行集中处理的围海造陆填土新技术(见图5)。即，在填土工程中利用土力学的强度理论和水力吹填的分选性，将海底的淤泥和夹杂在吹填土中的淤泥聚集在一起，最终将新形成的陆域分离成以粗粒土为主的非软土地基和以淤泥质土为主的软土地基(淤泥腔)两个区域，继而可以针对各分区的地基选用不同的加固处理方法。针对淤泥腔周边陆域，由于地基土工程性质良好，可以采用传统的强夯法进行地基处理；对于淤泥腔中的淤泥，有两种处理思路，一种是原位就地处理，原则上软土地基处理方法均可供选用；另一种是将淤泥抽排转场，使用粗粒填料进行回填，然后进行强夯处理。待处理后陆域沉降稳定后，对其表层进行硬化，以供建设场地使用。对于淤泥腔中的淤泥，选择原位就地处理还是抽排转场，需要考虑淤泥腔周边环境、其中的淤泥性质、处理成本及工期要求等因素。经过综合判断，本文研究区域采用抽排转场回填粗粒土的方法。

图5 围海造陆填土技术流程图

采用本文提出的聚集淤泥并进行集中处理的填土技术，可以对各分区陆域同时进行地基处理施工，达到了缩短工期的目的，这就回答了第1节中提出的第一个问题，即采用本文的填土技术能够使新形成的陆域在强度方面为后续地基处理施工提供稳定的工作面。同时，对各分区陆域采用常规地基处理技术足以满足设计要求，这就回答了第二个问题，即如何加固处理陆域使其沉降和液化能够满足设计要求的问题。

2.2 淤泥腔形成的填土技术

对于海底分布的淤泥，本文通过抛石挤淤及填土堆载的方式挤压聚集；对于吹填料中的淤泥，则利用水力吹填的分选性，将其从吹填料中分离并集中。

本文提出的淤泥腔形成的填土技术如图6所示。

(1)围堰隔堤工程：在待填区抛石挤淤设置围堰将待填区分割成若干封闭的小待填区，隔堤则成为施工道路。

(2)陆域形成工程：针对每一个封闭待填区从周边开始实施陆域形成工程，最终形成中央为淤泥腔(图6中的平面图)，淤泥腔周边是较好土质的陆域。具体步骤及原理如下：

如图6中的剖面图所示，首先在封闭待填区周边顺着隔堤抛填块石对海底淤泥进行扰动，然后填土或吹填堆载。由于颗粒因大小不同而具有分选作用，填料中的粗颗粒随着时间自动下沉，而淤泥及受扰动的海底浮泥和部分淤泥自动上浮并侧向漂离，因此，在海底淤泥层上部形成堆载，堆载的下部是块石、其上部是粗颗粒，越往上颗粒越细、最上方是淤泥和浮泥。当堆载的荷载大于海底淤泥层抗剪强度时，淤泥层发生剪切破坏而滑动，由于受到隔堤阻碍，淤泥只能向待填区中央方向水平滑动。在海底淤泥地基发生剪切破坏的同时，填土发生沉降，如果继续填土，海底淤泥继续被侧向挤压而发生水平移动，填料中的淤泥也继续向待填区中央方向水平漂离移动。

当粗颗粒达到设计标高时，在新形成的陆域周边重复抛石挤淤、填土或吹填堆载等工序。随着陆域面积逐渐增大，海水不断溢出，最终形成位于海底黏土或粉土等性质稳定的土质之上、底部大开口小、下方是淤泥上方是浮泥的淤泥腔。

2.3 淤泥腔形成的基本条件

形成淤泥腔除了采用上述填土技术外，还应该满足基本条件。基本条件包括待填区的海底工程地质情况和填料的性质。

海底工程地质情况主要指的是海底淤泥质土的分布厚度和强度。如果淤泥质土太厚，则利用抛石挤淤法及填土堆载无法使海底淤泥质土发生剪切破坏并被完全挤压出来，这部分未被置换的淤泥质土成为新形成的陆域的软弱下卧层，将产生较大的工后沉降。根据上述的综述总结，当淤泥深度不超过7m时，一般而言，采用抛石挤淤法可以将淤泥挤出。如果因海底淤泥过厚或强度过高处理不完全，可结合爆破的方式挤淤，如文献综述，中国的爆破挤淤技术基本成熟。

图6 能够形成淤泥腔的填土工艺示意图

填料的性质是决定能否形成淤泥腔的另一个基本条件。首先应该具有充足的块石用于抛填挤压海底淤泥。其次，疏浚物中应该有一定比例的粗粒土，颗粒粒径分布越不均匀，其分选性越好；如果疏浚物只含有黏粒，那么就无所谓淤泥腔了。有关颗粒粒径分布与分选性的定量关系有待进一步研究。

3 围海造陆填土技术的应用

3.1 研究区域淤泥腔形成的基本条件

3.1.1 海底工程地质概况 研究区域的工程地质概况如图7所示，主要岩土层自上而下分别为：浮泥和淤泥、淤泥混粗砂、粉质黏土及强风化片麻岩。

研究区域为海底标高约-5.0m的浅海区，由于海底浮泥和淤泥厚度3.0～7.0m，小于7m，而且其力学性质差，因此，采用抛石挤淤法可以将海底淤泥挤压排出。

图7 研究区域工程地质剖面示意图

3.1.2 填料性质 岚山港地处丘陵地带，周围开山石料较多，包括块石、碎石、风化砂等。其中，块石直径200～2000mm不等，其含量约占10%，能够满足抛填挤淤的需要；碎石粒径20～200mm，主要原岩成分为花岗片麻岩，含量约占50%；风化砂主要为花岗片麻岩风化形成的粗砾砂，含量约占30%。港口所在地的海底砂层较厚，也可根据需要作为填料的来源。

另一部分填料是吹填料，来源于港池及航道的疏浚物，其主要成分包括中泥块、中粗砂和少量粉质黏土，其中泥块直径50～200mm，主要成分为淤泥或粉质粘土，干强度较高，含量约占50%，中粗砂主要成分为石英和长石。

综上所述，研究区域的海底工程地质情况和填料性质满足形成淤泥腔的基本条件。因此，采用本文提出的填土技术可以形成淤泥腔并使形成的陆域位于工程性质较好的土质之上。

3.2 研究区域淤泥腔形成的填土施工

根据本文提出的填土技术并结合工程特点，制定填土技术方案，进行围堰隔堤和陆域形成填土施工。图8是围堰隔堤施工情况；陆域形成工程工序主要包括抛石挤淤、吹填和填土，图9为吹填施工情况，图10为吹填工序后进行表层填土施工的情况。

图8 围堰隔堤施工情况

图9 吹填形成陆域施工

图10 在吹填土表层填土施工的情况

如图11所示，研究区域内成功形成了淤泥腔，淤泥腔周边是工程性质良好的填土地基。

为了验证淤泥腔形成效果及为进一步处理淤泥腔提供基础数据，对淤泥腔在空间分布情况及淤泥腔内淤泥的基本工程性质进行了勘察。

图11 南一突堤Ⅰ期工程(研究区域)形成的淤泥腔

通过踏勘查明了淤泥腔在地表上的分布情况，淤泥腔长度方向最长275m，宽度方向最宽103m，较窄地方约30m，淤泥腔区域面积约15500m2。

通过在淤泥腔周边实施的标准贯入试验、静力触探、波速测试等勘探结果，查明了淤泥腔在深度方向的分布及淤泥腔内淤泥的基本工程性质。

图12是淤泥腔在某一剖面(5～5’剖面)的分布情况。淤泥腔基本呈上小下大状，其最大深度约12.5m，体积约为150000m3。淤泥腔下卧层为粉质黏土。

有关淤泥腔内各土层的基本工程性质在此不再赘述。

图12 淤泥腔在深度方向的分布情况

经过综合判断，决定采用将淤泥腔内淤泥抽排转场并回填粗粒土的方法处理淤泥腔。为了尽可能将淤泥清理干净，首先选择淤泥腔标高最低点进行抽排，最后使用挖掘机进行清理。

经过淤泥转场回填后，整个场地形成了一个可供强夯的工作面。

图13为经过强夯、混凝土面层施工后作为堆场使用的情况，硬化后的堆场使用过程良好，没有出现塌陷、裂缝等现象。而且，一年后的沉降量最大值仅约为17mm，且趋于稳定。表明该填土技术兼备了经济性和效果。

图13 混凝土面层堆场使用情况Fig.13 Usage of concrete layer stack

4 结论

本文以日照岚山港区南一突堤Ⅰ期围海造陆工程为依托，研究了陆域形成填土技术。结果如下：

(1)提出了在填土工程中将海底的淤泥和吹填料中的淤泥聚集在一起，最终将新形成的陆域分离成以粗粒土为主的非软土地基和以淤泥质土为主的软土地基(淤泥腔)两个区域，继而可以针对各分区的地基选用不同的加固处理方法的围海造陆填土技术观点；

(2)基于土力学的强度理论和水力吹填的分选性，提出了能够形成淤泥腔的填土技术思路与基本条件；

(3)将本文提出的围海造陆填土技术观点、陆域形成填土技术及地基处理技术，成功应用于日照岚山港区围海造陆工程。

实践证明，在陆域形成过程中将陆域人为分割成非软土地基和软土地基后，可对不同地基同时进行处理施工，不仅大大缩短了工期，而且可选用简单成熟的地基处理方法，节省地基处理费用，传统的围海造陆技术存在的陆域表层强度低、陆域自身沉降和软弱下卧层沉降导致的陆域工后沉降大和易液化问题迎刃而解。

有关吹填料中粗粒含量与淤泥腔形成的定量关系，有待进一步研究。

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责任编辑 庞 旻

Filling Technology and Application of Reclamation Project

SHANG Jin-Rui1,2,3, YANG Jun-Jie1,2, MENG Qing-Zhou4, SUN Tao4,5

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 3. Rizhao Port Group Lanshan Harbour Co., Ltd., Rizhao 276808, China; 4. Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute, Qingdao 266032, China; 5. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

A new filling technology in reclamation project is proposed: Seabed silt and dredged silt are gathered to separate the newly formed land into non-soft foundation dominated by coarse-grained soils and soft foundation dominated by silt, then different reinforcement methods are chosen in the two parts; Based on the principles of soil mechanics and sorting property of hydraulic fill, approaches and basic conditions are proposed to achieve the technology; The land forming filling technology proposed in this paper has been successfully applied in a reclamation project in Rizhao Lanshan Port..

reclamation； filling technology； dredger fill

2014-10-22;

2014-12-02

尚金瑞(1964-)，男，博士生。E-mail:shangjr@rzport.com

P732.6

A

1672-5174(2015)06-100-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140337