疏浚珊瑚礁巖特性及相互關系分析

張更生

（中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術企業重點實驗室，天津 300457）

0 引言

為了適應和滿足今后大型珊瑚礁疏浚工程建設的要求，從珊瑚礁工程特性角度出發，正確分析評價疏浚困難珊瑚礁巖物理力學性質及其相互關系，是深入、全面地了解珊瑚礁巖對絞吸船挖掘、輸送特性和疏浚物料資源化利用基礎性問題，同時也為珊瑚礁疏浚吹填工程的設計和施工提供技術支撐。

1 珊瑚礁巖分布特征

依據外海海洋水動力環境、沉積環境、地層巖性、礁巖體結構特征及工程地質性質，在地貌相帶劃分基礎上，將珊瑚礁劃分為5個工程地質相帶[1]：a）外礁坪劇烈沖刷帶；b）中礁坪礫塊堆積帶；c）內礁坪珊瑚生長帶；d）瀉湖砂質堆積帶；e）灰砂島堆積帶。如圖1所示。

圖1 珊瑚礁工程地質分布示意圖Fig.1 Geological distribution of coral reef engineering

抗壓強度高和完整性好的珊瑚礁巖主要分布在外礁坪劇烈沖刷帶，即為疏浚中常說的挖掘困難的口門地帶，珊瑚礁巖分布區域通常從礁緣至礁坪凸起帶，寬度一般為30～40 m，礁面向外海傾斜。該帶多被礁脊-槽溝系切割，槽溝大體與礁邊緣垂直。大潮最低潮時外礁坪干出，但潮流和波浪流在該帶往復沖刷。該帶主要由塊狀珊瑚組成，珊瑚藻發育，珊瑚藻包裹于鈣質骨殼上生長或在粒與粒的間隙生長，這種由生物體和鈣質膠結固結成整體形成的原生礁，構成珊瑚礁的骨架。它完整性程度高，也成為巖盆結構的盆沿。外礁坪分布的珊瑚礁巖，礁體結構性好，裂隙發育少，整體性強，礁巖密度高，水動力作用強烈，礁坪沖刷嚴重，距離外海近，具有較高的抗壓強度。

2 珊瑚礁巖物理力學特性

基于難挖珊瑚礁巖疏浚工程的土工試驗測試資料，對影響挖掘的關鍵特性指標孔隙率、密度、飽和抗壓強度、飽和抗拉強度、內摩擦角、凝聚力、完整性指數和軟化系數進行數理統計，得出疏浚珊瑚礁巖特性指標如表1所示。

表1 珊瑚礁巖特性指標統計值Table1 Statistical value of reef rock characteristics

從表1可以看出，珊瑚礁巖孔隙率變化大，在16.2%～54.4%，平均值為33.5%，為其它沉積巖的3～4倍，孔隙分布規律性差。從而導致珊瑚礁巖具有物理力學指標變化范圍大的特點，局部沉積無規律性，軟硬交替、交錯分布，珊瑚礁巖具有獨特的工程性質，各向異性效應明顯。珊瑚礁巖的飽和單軸抗壓強度在3.0～25.0 MPa之間，平均值為11.3 MPa，多為軟巖，疏浚巖土工程分級為11～13級[2]，需要使用絞吸船進行挖掘施工，管道輸送適宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度較高，堅硬程度大，會給疏浚施工帶來挖掘困難問題，從而產生刀齒磨損和效率低下，輸送時對管線的磨損加劇，造成成本上升風險。飽和抗拉強度在0.38～4.44 MPa之間，平均值為1.46 MPa，抗拉強度一般為抗壓強度的0.07～0.27，平均為0.12。珊瑚礁巖體的完整性指數為0.09～0.69，完整程度為極破碎—較完整，完整性指數平均值為0.43，完整程度多為較破碎，巖體基本質量等級多為鷹級[3]。珊瑚礁巖的軟化系數范圍為0.47～0.93，平均值為0.73。依據巖石軟化類別分類規則，珊瑚礁巖的軟化系數KR普遍小于0.75，為軟化巖石。當珊瑚礁在疏浚開挖過程中遇到挖掘困難問題時，建議依據硬質珊瑚礁分布情況分層開挖，經過48 h浸泡后，礁巖孔隙浸水飽和，珊瑚礁的物理力學性質弱化，抗壓強度普遍能下降26.2%，易于珊瑚礁巖的開挖[4-6]。

3 珊瑚礁巖特性指標相互關系分析

以珊瑚礁疏浚工程為依托，對采取的代表性疏浚珊瑚礁巖樣品進行了物理和力學性質測試工作?；诖罅楷F場珊瑚礁勘察資料，應用室內土工試驗、篩選、統計和回歸分析的方法，研究了外海施工珊瑚礁巖物理力學指標特性，以及影響珊瑚礁挖掘和輸送特性指標的相互關系，建立了特性指標之間的經驗關系式，如圖2～圖5所示。

圖2 含水率與單軸飽和抗壓強度關系曲線Fig.2 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation compressive strength

圖3 含水率與單軸飽和抗拉強度關系曲線Fig.3 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation tensile strength

圖4 飽和塊體密度與孔隙率關系曲線Fig.4 Relationship curve between saturation massdensity and porosity

圖5 飽和抗壓強度與抗拉強度關系曲線Fig.5 Relationship curve between saturation compressive strength and tensilestrength

從圖2～圖5擬合曲線可以看出，珊瑚礁巖含水率w與單軸飽和抗壓強度、單軸飽和抗拉強度指標存在指數相關關系，飽和塊體密度ρ2與孔隙率e指標之間為簡單線性相關關系，飽和抗壓強度與抗拉強度指標之間為冪函數關系，回歸系數均在0.699以上，相關性較高。

從珊瑚礁巖含水率w與單軸飽和抗壓強度、單軸飽和抗拉強度指標關系可知，隨含水率的增加，珊瑚礁的單軸抗壓和抗拉強度逐漸降低，但降低的速率不同，主要受珊瑚礁的組分、結構和風化程度的影響。水對珊瑚礁的力學性質有重要的影響，歸結起來其原因主要是珊瑚礁的水化作用，即物理弱化作用和力學作用。1）物理弱化作用：珊瑚礁塊浸水后，水順著裂隙、孔隙進入珊瑚礁中，潤濕每塊全部自由面上的每個顆粒，性質由好向壞轉變。2）力學作用：珊瑚礁塊浸水后，進入到珊瑚礁體孔隙、裂隙中的水會產生壓力，使珊瑚礁體彈性屈服極限降低，易于產生塑性變形而發生剪切破壞導致強度降低?；谏鲜鲈恚檬杩Ｉ汉鹘笌r遇水軟化的特性，疏浚施工時可分層浸泡開挖，提高挖掘效率，節約成本。

飽和塊體密度ρ2與孔隙率e指標之間存在線性反比關系，珊瑚礁飽和塊體密度約為1.38～2.56 g/cm3，孔隙率在16.2%～54.4%之間，隨著孔隙率的增大珊瑚礁巖逐漸疏松，強度降低，飽和塊體密度下降，疏浚船舶挖掘逐漸變得容易。

珊瑚礁巖飽和抗壓強度與抗拉強度指標存在正比關系，抗拉強度隨著抗壓強度的增大而增大?？估瓘姸冗h小于抗壓強度，之所以出現這種現象，是因為在壓縮條件下，裂縫擴展受阻止的機會比在拉伸條件下要多得多，決定抗拉強度的因素不只是礁體顆粒間的黏聚力，還有摩擦力。而在拉伸條件下，珊瑚礁中裂隙擴展速率比壓縮時快，因為在拉應力場中，儲存能釋放速率隨裂隙尺寸微量增加而迅速增大，決定抗拉強度的因素主要是巖石顆粒的黏聚力，從數據的分析可得出這樣一個結論，抗拉強度一般為抗壓強度的 0.07～0.27，平均為 0.12。

基于以上疏浚珊瑚礁巖特性指標經驗公式，由易測試的含水率和孔隙率等指標快速計算得到疏浚珊瑚礁巖的力學指標，可為珊瑚礁巖疏浚工程投標決策、工藝管理和施工管理等提供基礎資料。

4 結語

1）基于遠海海洋水動力環境、沉積環境、地層巖性、礁巖體結構特征及工程地質性質，提出抗壓強度高和完整性好的珊瑚礁巖主要分布在外礁坪劇烈沖刷帶，即挖掘困難的口門地帶。

2）依據難挖珊瑚礁巖疏浚工程的土工試驗測試資料，分析可知：疏浚珊瑚礁巖具有物理力學指標變化范圍大的特點。疏浚巖土工程分級為11～13級，完整程度為極破碎—較完整，為軟化珊瑚礁巖，需要使用絞吸船進行挖掘施工，管道輸送適宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度較高，堅硬程度大，會給疏浚施工帶來挖掘困難問題，從而產生刀齒磨損和效率低下，輸送時對管線的磨損加劇，造成成本上升風險。

3）基于數理統計和回歸分析方法，建立了疏浚珊瑚礁巖特性指標之間的經驗公式。經驗公式的回歸系數均在0.699以上，具有較高相關關系。

4）利用擬合的經驗公式，由易測試的含水率和孔隙率等指標快速計算得到疏浚珊瑚礁巖的力學指標，為珊瑚礁巖疏浚工程投標決策等提供資料，為類似工程及建立地區經驗公式提供重要參考。

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