冀东油田南堡1-3人工岛岛体围堤监测与分析

李 泽，代兆立，王召堂，张传隆，董常家

中国石油冀东油田南堡油田作业区，河北唐山 063200

冀东油田南堡1-3人工岛位于河北省唐山市南堡外浅海-5m等深线附近，距海岸线3.6 km，位于南堡1-1人工岛东南6.7 km。岛体平面呈近似椭圆形，尺度为495m×298m，面积约13.33万m2，围堤总长为1 374 m，岛体高度为8.2 m，吹填总量约250万m3，沿岛体长轴方向布置4条长200 m的护岛潜堤。引桥和登陆点布置在人工岛北侧，采用高桩墩台结构，基桩采用钢管桩。岛体围堤及吹填区域为软土地基，尤其是淤泥质土层，强度较低。因此，在拟建的围堤上埋设必要的土工原位观测仪器，通过对围堤实时观测，动态掌握堤基的强度、沉降、位移等情况，避免在围堤和陆域吹填施工时加载速度过快或处置不当，造成地基破坏或失稳，为海洋石油开发提供安全可靠的基础平台。

1 监测方案

在岛体共设置4个围堤观测断面（WT-1～WT-4），见图1。观测内容包括滩面沉降、地基分层沉降和水平侧向位移[1]，埋设仪器分别为沉降板、分层沉降管和测斜管，观测断面仪器布设剖面见图2，S1～S6代表分层沉降测点，U1～U6代表孔隙水压力测点。

图1 观测断面平面布置

图2 观测断面仪器布置剖面示意

2 滩面沉降观测

2.1 基本原理

滩面沉降通过设置沉降标进行监测，沉降标由钢板上垂直焊接钢管构成，预埋在砂垫层中接近原地面位置，通过水准仪进行沉降测量，沉降标高程L为：

式中：L为沉降标高程，m；K为基准点高程，m；H1为基准点标尺读数，m；H2为沉降标尺读数，m。

2.2 观测数据及分析

在施工加载期间，每天观测一次滩面沉降标高程，地基处理结束后每半月或每月观测一次。根据每次测得的沉降标高程，计算出测点的相应沉降量，汇总绘制沉降-时间过程线，进而推求最终沉降量、沉降速率、固结度等参数。

2.2.1 累计沉降量及沉降过程线

每个观测断面布置一个沉降标，4个围堤观测断面的沉降-时间过程线见图3。经计算，围堤2号观测断面WT-2的平均沉降速率最大，为3.5 mm/（15 d）。

分析表明：施工加载期间沉降过程线曲线斜率较大，沉降较快；2009年2月地基处理完成后，曲线逐渐趋于平缓，围堤施工期和地基处理阶段沉降速率小于预警值10 mm/d[1-2]，最后半个月沉降观测最大值为3.5 mm，围堤地基土沉降趋于稳定状态。

图3 围堤断面沉降-时间过程曲线

2.2.2 推算最终沉降量S∞

用指数曲线对实测的沉降过程线进行拟合，从而推算最终沉降量S∞[3]：

式中：S1、S2、S3分别为停载后的沉降过程线上时间点t1、t2、t3对应的沉降值，其中：t2-t1=t3-t2。

2.2.3 固结度U

式中：Ss为实测沉降量，mm。

2.2.4 观测结果

根据观测结果，推算的最终沉降量及固结度见表1。

表1 观测断面最终沉降量及固结度

4个观测断面的实测沉降量206～290 mm，最终沉降量较小，为248～354 mm，施工结束后经过半年的预压期，堤下地基的固结度达到设计要求的80%。以上结果表明堤身部位在今后使用过程中将不会产生过大的沉降变形。

3 地基分层沉降观测

3.1 基本原理

地基分层沉降通过水准仪、电磁式沉降仪、沉降管、沉降环进行监测。电磁式沉降仪的工作原理是在沉降探测器内安装一个电磁振荡线圈，当沉降探测器内的振荡线圈靠近埋设于土体内的沉降环时，沉降探测器便发出声信号，根据声信号刚发出的一瞬间测尺上的读数，即可确定沉降环的具体深度位置。分层沉降观测系统的工作结构见图4。

图4 分层沉降观测系统结构示意

沉降环到沉降管管口距离计算公式为：

式中：L为沉降环到沉降管口的距离，mm；R为测尺读数，mm；K为常数（测尺的零点至探测器感应点的距离）。

每次观测时用水准仪测出孔口高程[2]，测得测点到孔口的距离，即可换算出测点的高程。观测点的沉降量St（mm）等于测点初设时的高程H0（m）减去t时测点的高程Ht（m），即：

3.2 观测数据及分析

每个观测断面布置1根分层沉降观测管，每根分层沉降观测管共设置6个沉降环[4]。在堤身施工过程中每天测量一次，地基处理结束后每半月或每月测量一次各沉降环的垂直变化。图5为不同深度沉降环的沉降量，即该沉降环以下土层的累计压缩量。

图5 各深度土层的沉降量

从图5可以看出不同深度土层沉降量有一定差异。随着沉降环的埋深增加，各土层沉降量逐渐减小，反映了上部土层压缩量完成较快。根据图5计算，-16m左右土体平均压缩率最大为15.12mm/m，沉降主要发生在该深度土层中，-25 m以下土体的平均压缩率小于5 mm/m[5]。

4 地基深层水平侧向位移

4.1 基本原理

地基土体不同深度处的水平侧向位移测试采用活动式测斜仪，其基本原理如图6所示。

在地基中预埋一根特制的有导向槽的管道，称之为测斜管，它能随地基变形，测斜管相邻两个测点之间产生一个倾斜度ɑi，相应的两个测点之间的位移差δi为：

图6 测斜仪工作原理示意

式中：Li为相邻两测点之间测斜管长度，取500mm。

整根测斜管两端的土体水平位移差Δn（mm）可表示为：

当测斜管埋置足够深时，测斜管底端可认为是固定的，所求的Δn即为管顶的水平位移值。

4.2 观测数据及分析

把测量结果整理成水平位移沿深度分布曲线，可反映地基各土层的水平位移变化情况。截止2009年7月，最大水平位移发生在0+514断面-17m处，为117mm，位移速率为0.6mm/（15d），各观测断面水平侧向位移-深度曲线如图7所示。

图7 各断面水平侧向位移-深度曲线

通过位移-深度曲线分析表明：

（1）监测期间深层土体水平位移的偏移方向均向岛外，最大水平位移量为117 mm，各断面的总位移量不大，说明围堤地基在施工期间始终处于安全状态。

（2）各观测断面水平位移最大值发生在高程-15～-20 m的范围内，反映出该深度的土层较为软弱。

（3）在荷载作用下，在高程-25m以上的土层有不同程度的水平位移，-25m以下土层侧向位移很小，可见地基加载的影响深度为-25m左右。

5 结束语

围堤观测结果表明：随着南堡1-3人工岛主体施工的结束，水平位移变化量明显减小，目前平均位移速率控制在1 mm/（15 d） 以内，远远小于警戒速率5 mm/d，说明地基土已趋于稳定，处于安全稳定状态。但由于水深大、吹填高度大的特点，其最大吹填高度达12 m，已超出现有规范标准，且海洋极端气候的破坏性日趋严重，为进一步了解和掌握人工岛自身稳定及抵御外界自然灾害的能力，有必要在人工岛上建立较为长期的工后沉降安全监测工作，以获得相对完整的监测数据，同时便于进一步分析研究，为其他类似工程起到相应的指导和借鉴作用。