广西北海近海工程地质特征及特殊问题分析

杨江平，石要红，曾宁烽，马胜中，陈太浩

(1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075;2.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州510075)

0 引言

广西北部湾经济区开放和开发提升为国家发展战略，沿海地区经济活动日渐加深，海岸保障工程建设、港口建设及海底路由工程等人类活动越来越频繁，导致大量海上构筑物出现。北海位于广西中部，可建大型深水码头和发展水产养殖等，沿岸地区拥有多个港口要塞，发展海洋经济潜力很大，但该区常年易受台风、海面上升等自然灾害影响而造成巨大的经济损失。

利用2007年(石要红等，2007)和2008年(夏真等，2008)在研究区开展综合地质调查获得的大量物探资料及海底表层、钻探地质取样等实测资料，进行广西北海近岸海底沉积物工程地质主要特征分析，全面深入了解该区工程地质环境条件，从而初步评价区域地层稳定性等特殊工程地质问题，为近岸工程建设及防灾减灾提供必需的科学依据，具有极大的经济意义和社会意义。

1 区域地质及水文背景

研究区位于广西北海以南近岸海域，沿岸有南流江、大风江等多条河流入海，有北海港、咸田港、西村港及白龙港等多个港口(图1)。该区断裂构造以NE向南流江断裂带为主，被发生较晚的NW向犀牛脚—北海断裂切割并错动，资料显示前者迄今仍有活动，后者在海底也有活动的踪迹。地震活动与断裂构造紧密相关，北海地区自1078—1969年共记述3级以上地震200多次，最大震级6.8;迄今发生过40余次中强地震，影响烈度高达Ⅴ度以上，因此区域上具有较高的活动水平(史水平等，2007)。北海港最大潮差5.36 m，自海向岸、自西向东呈增大趋势(张桂宏，2009)，潮流为0.6～0.8 m/s，表层流速一般大于底层，余流为0.06～0.1 m/s，潮流和余流的大小与方向均受近岸径流和地形走向影响。研究区夏季最大波高为1.1 m，冬季最大波高为2.0 m，方向均为SW向，其中廉州湾年平均波高为0.2～0.3 m(黎广钊，2013)，相对较低。另外，研究区沿岸易受强热带气旋和台风侵袭，造成近岸和湾内严重增水，形成风暴潮灾害，其中区域近海50年一遇的极限波浪要素为波长110 m、波高4.62 m(夏真等，2008)。

图1 研究区及地质取样站位图Fig.1 Map showing location of the study area and geological sampling stations

2 区域工程地质条件

2.1 海底地形地貌特征

调查区水深在2.6～21.3 m之间，总体由岸向海逐渐加深，等深线整体沿岸呈NW—SE向延伸，但在离岸较近处局部受河流作用或人为建港、人工疏浚等影响，水深变化较大。区域最小水深位于大风江附近海域，其次为咸田港附近海域;最大水深位于咸田正南方的最南端海域。经计算，西北海域平均坡降约0.63‰，东南海域平均坡降约0.56‰，海底地形大部分较为平坦，但在近岸港口水道、深槽等局部地形变化较大，坡降可达28‰。

根据调查资料分析结果，该区主要地貌类型包括潮间浅滩、水下三角洲、水下岸坡、古滨海平原、海底平原，次级地貌类型有槽沟、拦门浅滩、沙波、凸地(图2)。潮间浅滩分布于近岸，主要类型有砾石滩、沙滩、泥滩，其中沙滩分布最为广泛，其次是泥滩，砾石滩主要分布于北海市西侧冠头角半岛近岸。潮间浅滩总体以5°～12°向海倾斜，离岸宽度不一，几十米—几千米，河口及港口处相对较宽，而位于以基岩海岸为主的冠头角半岛附近的海域相对较窄。在南流江入海口以外主要形成三角洲沉积体，整体呈舌状向海突出，中部厚，向前和向两翼变薄。水下岸坡沿岸呈带状分布，宽窄不一，坡降最大至1.0‰，相对较陡。古滨海平原及海底平原地势均非常平坦，坡降不到0.1‰，局部区域存在呈丘状拱起的凸地，坡度较大，与周围海底存在一定高差。槽沟主要位于河口及港口水道处，是径流与潮流流经的主要通道，地形相对低凹。拦门浅滩主要发育于大风江口以外海域，位于槽沟末端，最浅处水深仅0.3～0.9 m，成分以细砂为主。沙波在冠头角以西中部局部海域发育，范围较小。

2.2 主要灾害性地质因素

1980年，Carpent将对海上构筑物的建设及安全产生直接或潜在危险的各种地质因素统称为灾害地质因素，海上工程的选址、设计和施工作业等均要考虑该方面的影响。冯志强等(1996)将地质灾害因素分为活动性地质灾害和限制性地质条件。根据调查分析结果(图2)，研究区活动性地质灾害主要包括浅部断层、地震、沙波及浅层气;限制性条件主要为不规则浅埋基岩、埋藏古河道、槽沟、水下浅滩(潮间浅滩、拦门浅滩等)、凸地。其次，海岸侵蚀、软弱土层等也是影响地质灾害发生的因素。

该区埋深较浅的不规则基岩主要分布于冠头角和三娘湾近岸海域。基岩本是较好的持力层，但若基岩面起伏不平，高低差异较大，就会产生承载力的不均一，不利于工程基础的构筑，加大施工难度，因此必须考虑整个构筑的平衡度，否则将引起差异沉降。区内埋藏古河道也较发育，整个东北海域和西南海域均可见，分布广泛，同样会造成地层强度的不均匀性分布。其次，槽沟、凸地及水下浅滩等作为地貌因素，对海洋工程建设同样会起限制阻碍或破坏作用。在此工程地质环境条件下必须做好前期地基等处理工作，避免由于未考虑此类限制性地质灾害因素而引起后期地质灾害，因此，在海域进行工程设施建设绝不能忽视该类地质灾害因素的影响。

由图2可知，研究区主要受NE、NW向分布的断裂影响，其分布控制了整个海区，其中以NE向大断裂带的影响为主。据《广西地震烈度区划图》，该海区地震基本烈度可达Ⅵ度，地震活动水平较高，近年来更是小震不断(夏真等，2008)。唐昌韩等(1995)通过对区内未来10、30、50年地震危险性分析，认为该区未来50年内不排除发生6级以上地震的可能性。

图2 研究区海底地貌及地质灾害类型分布Fig.2 Map showing distribution of submarine topography and geological hazard types

沙波是一种能引发地质灾害的小型地貌，当底流突变时，沙波会产生快速移动，尤其在风暴流作用下。同时，在地震活动期间，地层振动会引起砂土液化，砂流动更快，直接造成海底砂掏蚀或堆积，使建筑物失去支撑力或被掩埋，严重危及工程安全。此外，在该区发现的浅层气位于咸田以南的中部海域，直径约300 m范围大小，埋深不明，附近工程施工时需特别注意，应做进一步详细调查。因为含气地层的力学性质较差，地层极度不稳定，易发生蠕变、下陷及滑动等灾害现象。

2.3 沉积物特征及物理力学性质

按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)对样品进行室内试验分析，并根据《港口工程地质勘察规范》(JTJ 240—1997)进行表层土的分类定名。

2.3.1 海底表层土及物理力学性质 研究区海底表层土主要有9类：淤泥、淤泥质土、淤泥混砂、粉砂混淤泥、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂，其中淤泥、粉砂混淤泥、中砂、粗砂4类土分布较为广泛(图3)。淤泥主要分布在三娘湾以南海域、冠头角西南局部海域及调查区东南角海域;粉砂混淤泥主要分布在廉州湾—冠头角西南大部分海域;中砂主要分布于大风江和南流江近岸海域，外海域均呈零星分布;粗砂主要分布在大风江以南的外海域以及北海以南的广阔海域。

利用数理统计分析方法得出该区淤泥的含水率、孔隙比及压缩系数最大，而粉砂混淤泥相对最小。相反，天然密度和压缩模量以粉砂混淤泥最大，而淤泥相对最小。各类细粒土的相对密度所有原状土相差不大，总体平均值为2.73;液性指数平均值均大于1，均呈流塑状态;压缩系数平均值均大于0.5，且压缩模量均小于5，均为高压缩性土;黏聚力1 ～6 kPa，平均值3 kPa;内摩擦角 0.3°～17.9°，平均值5.4°。因此，海底浅表层细粒土工程地质性质总体一般，而淤泥的工程地质性质相对最差。另外，研究区大部分砂性土不均匀系数＞5，但曲率系数大部分均小于1，说明总体上该区砂性土的级配较差，一般属于不良型，而其中有局部区域粉砂的级配相对较好，属于良好型。另外，水上摩擦角区域整体变化不大，在33°～41°之间变化，平均值为36°。

图3 研究区海底底质类型分布Fig.3 Map showing distribution of seabed sediment types

2.3.2 工程地质层及物理力学性质 依据土质类型及其物理力学性质等特征，在各钻孔工程地质分层的基础上，将研究区划分为5大工程地质层(图4)。

第①层：以淤泥为主，其次为淤泥质黏土、粉砂混黏性土、砾砂混淤泥，厚度范围1.4～13.4 m。天然含水率24.2% ～71.6%，天然密度1.58～2.00 g/cm3，天然孔隙比0.778～1.907;塑性指数9.6～23.1，液性指数1.24 ～2.23;流塑;压缩系数0.26 ～1.45 MPa－1，压缩模量2.35～6.84 MPa，中高压缩性土;黏聚力1.0～21.0 kPa，内摩擦角0.0°～2.6°。

第②层：以粉砂－中砂－粗砂－砾砂为主，以东局部区域夹粉质黏土等细粒土层，厚度范围8.7 m至大于32.1 m，ZK5处该层最厚。细粒土的天然含水率15.6% ～33.2%，天然密度 1.92～2.12 g/cm3，天然孔隙比0.469～0.801;塑性指数6.7～10.8，液性指数0.46～1.31，可塑—流塑;压缩系数0.22 ～0.28 MPa－1，压缩模量6.14 ～8.19 MPa，中压缩性土;黏聚力40.0 ～61.0 kPa，内摩擦角13.1°～16.9°。粗粒土天然含水率21.9% ～31.0%，天然密度2.06～2.38 g/cm3，土粒相对密度2.67～2.75;黏聚力7.8～14.7 kPa，内摩擦角16.3°～36.4°。

图4 研究区垂向工程地质层划分Fig.4 Division of vertical engineering geological layers in the study area

第③层：粉质黏土、黏质粉土，厚度范围4.2～8.7 m，ZK5处该层未被揭示。天然含水率21.1%～32.6%，天然密度为1.91～2.10 g/cm3，天然孔隙比为0.781～0.896;塑性指数8.8～16.2，液性指数0.53～1.31;压缩系数 0.21 ～0.45 MPa－1，压缩模量3.93～16.15 MPa，中压缩性土;黏聚力25.0～80.0 kPa，内摩擦角12.8°～15.1°。

第④层：以粉砂－中砂－砾砂为主，其次见粉砂混淤泥、淤泥质黏土、黏质粉土薄层，厚度范围0.0 m至大于16.64 m，仅ZK6、ZK7钻孔揭露了该工程地质层。细粒土天然含水率23.7% ～38.2%，天然密度1.79 g/cm3，天然孔隙比1.123;塑性指数7.1 ～17.6，液性指数0.66 ～1.31;压缩系数0.21 ～0.53 MPa－1，压缩模量4.01 MPa，为中高压缩性土;黏聚力0.0～57.0 kPa，内摩擦角0.0°～15.1°。粗粒土天然含水率12.5% ～27.6%，土粒相对密度2.67～2.73。

第⑤层：强风化岩层，见泥岩层，厚度为0.0 m至大于3.10 m，仅在ZK4钻孔30.8 m处揭示该工程地质层，研究区其他钻孔均为揭示岩层。

3 特殊工程地质问题分析

3.1 黏性土体稳定性

海底土体的稳定性主要取决于海底坡度、沉积物的特征以及外动力条件。研究区大部分海底地形总体较为平坦，坡度虽然不大，但在极端波浪荷载作用下，需考虑其表层黏性土可能发生的局部滑移或层间蠕滑，引起海底不稳定现象发生，从而破坏构筑物基础平衡稳定，甚至进一步导致滑坡等地质灾害发生。依据弹性理论和线性波动理论分析，当水平海底受谐振波荷载作用时，海底土层内因波浪荷载产生的剪应力值τ应为(冯秀丽等，2000;石要红等，2005;Nataraja et al，1983)：

式(1)中，γw为海水重度，kN/m3，本次研究海水密度均取1.03 g/cm3;λ为波数，m－1;L为波长，m;H为波高，m;d为水深，m;Z为土层深度，m。

根据土体的极限平衡理论，表层土体稳定条件为土的不排水抗剪强度须大于或等于外力在土体中产生的剪切应力(图5)。通过计算比较土层深度0.5 m和1.0 m 2处的抗剪强度与剪应力可知，调查区在50年一遇的波浪条件下大部分站位1.0 m以浅土层处于稳定状态，仅个别站位有可能发生滑移或层间蠕滑变形等不稳定现象，其主要位于三娘湾以外海域。因此，研究区浅表层黏性土总体处于稳定状态，在极限波浪条件下不会发生大面积的滑移或层间蠕滑现象。

图5 50年一遇波浪条件下浅表层土体稳定性评价Fig.5 Stability evaluation of shallow surface soil affected by biggest waves in 50 years

3.2 砂性土体液化

海底浅表层砂性土一般较为松散且透水性好，在地震或极限波浪等作用下，容易发生液化不稳定现象而发生地质灾害，将对人类近海的工程建设造成一定的威胁。从上述可知，整个研究区砂性土分布较为广泛，以下分别从地震作用和波浪作用对砂性土的液化问题进行分析。

3.2.1 地震作用 主要根据中华人民共和国国家标准《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)进行初判，颗分试验过程均用六偏磷酸钠作为分散剂，符合初判必要条件。初判结果(图6)可知，地震烈度7、8度时大部分液化站位分布在北海以南海域，尤其咸田北海银滩以外海域，液化区域较为广泛，向外海延伸距离大，因此，当地近海工程建设时须考虑相应的抗震设计要求。其次，在大风江河口外海域也有少部分站位液化的可能性较高，但涉及的区域范围较为局部。

图6 地震作用下研究区海底表层土可能液化站位Fig.6 Map showing possible stations of marine surface soil liquefaction under seismic impact

3.2.2 波浪作用 在循环波浪荷载作用下往往在土层中形成超孔隙水压力，并伴有积累－消散效应，其作用强度与波浪的波高、频率和土层渗透率等有关。当土层中超孔隙水压力与相应土层的上覆有效自重应力相等时(砂性土有效黏聚力几乎为0)，土层处于极限平衡状态，如继续增大则发生液化。依据冯秀丽等(2006)总结的相关评价方法，前提假设条件为土的骨架为弹性、层内孔隙水不可压缩和水在孔隙水中呈层流状态(Yamamoto et al，1987)，超孔隙水压力幅值随深度衰减的简单表达式为：

计算结果表明，在调查区所有砂性土站位处土层1.0 m以浅的最大孔隙水压力均大于相应土层的上覆有效应力(图7)，因此在极限波浪条件下浅表层砂土易发生液化现象。随土层深度增加，最大超孔隙水压力变小，而有效自重应力增大，当两者相等时其深度应为该处的最大液化深度，因此，进一步分析区域浅表层砂土分别在水深 1、2、4、8、12、16、20 m 时的最大可能液化深度(表1)。其中，由于砂性土取样一般容易扰动，很难获得天然密度，所以结合钻孔资料选取相对分布广泛且具有代表性的粉砂、中—粗砂及砾砂3类砂性土，并分别取15 m以浅的平均密度进行计算。结果表明，在极限波浪作用条件下，研究区各类砂土的最大可能液化深度在1～5 m之间，但一般情况下区域砂土均混有细颗粒土，黏聚力≠0，因此实际液化深度会比计算结果偏小。

图7 50年一遇波浪条件下表层砂性土液化判别Fig.7 Discrimination of surface sandy soil liquefaction affected by biggest waves in 50 years

表1 50年一遇波浪作用下该区浅表砂性土层的可能液化深度Table 1 Possible liquefaction depth of shallow surface sandy soil affected by biggest waves in 50 years

3.3 桩基地层承载力评估

结合目前广泛应用于近海工程建设的插桩情况计算分析北海近岸海域地层极限承载力，对在研究区进行相关的工程建设有重要指导意义，可避免工程设施塌陷、沉降等地基不稳的现象发生。利用API规范及朱克强等(2008)对近海桩基轴向极限承载力的计算方法，桩侧极限单位摩阻力f和桩端部极限单位承载力q分别表示为：

黏性土：

砂性土：

因此，桩的极限承载力的总算式表示为：

以上公式中，cu为黏性土的不排水抗剪强度;γs为土的有效重度，kN/m3;y为深度变量;Nc为不排水黏性土的承载力系数，无量纲;Nq为排水粒状土的承载力系数，无量纲;K为侧向土压力系数，无量纲;δ为土与桩的表面摩擦角，(°);As为桩周侧面积，m2;Ap为桩横截面积，m2;L为桩插入的总深度，m;n为安全系数。

假设所用插桩半径为0.7 m，依据上述对区域垂向地层的总体划分，同时选择工程地质层具代表性的土体强度参数，进行每层极限承载力的评估(图8)。在排除遇岩层的情况下，区域40 m内土层的极限承载力计算最大值为26 822 kN，考虑1.5的安全系数，其单桩允许承载力最大值为17 881 kN，其中第二、四层工程地质条件较好，承载力相对较大，可作为持力层。另外，由于第三层相对上下土层承载力较小，如果插桩至第二层底部附近，可能存在刺穿的潜在危险，因此实际工程设计施工时须加以考虑。

图8 北海近海区域简化地层的承载力评估Fig.8 Bearing capacity assessment of simplified formation in the offshore area of Beihai

4 结论

(1)由于广西北海沿岸有多条河流入海及多个大型人造港口，加上面对开放海域，导致研究区海洋工程地质环境复杂多样。该区近岸海底地形起伏较大，而外海域整体较为平坦，坡降之间比值可达30倍以上。地貌主要类型包括潮间浅滩、水下三角洲、水下岸坡、古滨海平原及海底平原。地质灾害因素包括断层、地震、沙波、浅层气、浅埋基岩、埋藏古河道、槽沟、水下浅滩及凸地等。海底底质类型有9类，其中淤泥、粉砂混淤泥、中砂、粗砂分布较为广泛。

(2)海底浅表层细粒土相对密度总体变化不大，平均值为2.73;液性指数平均值均大于1，普遍呈流塑状态;压缩系数平均值均大于0.5，且压缩模量均小于5，均为高压缩性土;黏聚力在1～6 kPa之间，平均3 kPa;内摩擦角在0.3°～17.9°之间，平均值5.4°。因此，研究区表层细粒土工程地质性质总体一般。砂性土大部分不均匀系数＞5，曲率系数＜1，总体级配较差，属不良型较多。

(3)除去底部岩层，区域钻孔资料所揭示的土层可总体划分为四大工程地质层。在排除遇岩层的情况下，半径为0.7 m的插桩在该区所揭示土层的单桩极限承载力最大值为26 822 kN。另外，如插桩至第二层底部附近，将可能存在桩刺穿的潜在危险。

(4)依据土体极限平衡理论，在50年一遇的极限波浪作用下，研究区浅表层黏性土稳定性较好，而砂性土则可能广泛发生液化现象，并且在7、8度地震作用下也同样可能发生大面积的液化现象，说明研究区砂性土易发生液化。其次，在极限条件下，假定各类砂性土有效内黏聚力极小而忽略不计，那么在20 m以浅的水深区域砂性土层的最大可能液化深度在1～5 m之间，但实际情况应小于该值。

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