李 澤，代兆立，王召堂，張傳隆，董常家

中國石油冀東油田南堡油田作業區，河北唐山 063200

冀東油田南堡1-3人工島位于河北省唐山市南堡外淺海-5m等深線附近，距海岸線3.6 km，位于南堡1-1人工島東南6.7 km。島體平面呈近似橢圓形，尺度為495m×298m，面積約13.33萬m2，圍堤總長為1 374 m，島體高度為8.2 m，吹填總量約250萬m3，沿島體長軸方向布置4條長200 m的護島潛堤。引橋和登陸點布置在人工島北側，采用高樁墩臺結構，基樁采用鋼管樁。島體圍堤及吹填區域為軟土地基，尤其是淤泥質土層，強度較低。因此，在擬建的圍堤上埋設必要的土工原位觀測儀器，通過對圍堤實時觀測，動態掌握堤基的強度、沉降、位移等情況，避免在圍堤和陸域吹填施工時加載速度過快或處置不當，造成地基破壞或失穩，為海洋石油開發提供安全可靠的基礎平臺。

1 監測方案

在島體共設置4個圍堤觀測斷面（WT-1～WT-4），見圖1。觀測內容包括灘面沉降、地基分層沉降和水平側向位移[1]，埋設儀器分別為沉降板、分層沉降管和測斜管，觀測斷面儀器布設剖面見圖2，S1～S6代表分層沉降測點，U1～U6代表孔隙水壓力測點。

圖1 觀測斷面平面布置

圖2 觀測斷面儀器布置剖面示意

2 灘面沉降觀測

2.1 基本原理

灘面沉降通過設置沉降標進行監測，沉降標由鋼板上垂直焊接鋼管構成，預埋在砂墊層中接近原地面位置，通過水準儀進行沉降測量，沉降標高程L為：

式中：L為沉降標高程，m；K為基準點高程，m；H1為基準點標尺讀數，m；H2為沉降標尺讀數，m。

2.2 觀測數據及分析

在施工加載期間，每天觀測一次灘面沉降標高程，地基處理結束后每半月或每月觀測一次。根據每次測得的沉降標高程，計算出測點的相應沉降量，匯總繪制沉降-時間過程線，進而推求最終沉降量、沉降速率、固結度等參數。

2.2.1 累計沉降量及沉降過程線

每個觀測斷面布置一個沉降標，4個圍堤觀測斷面的沉降-時間過程線見圖3。經計算，圍堤2號觀測斷面WT-2的平均沉降速率最大，為3.5 mm/（15 d）。

分析表明：施工加載期間沉降過程線曲線斜率較大，沉降較快；2009年2月地基處理完成后，曲線逐漸趨于平緩，圍堤施工期和地基處理階段沉降速率小于預警值10 mm/d[1-2]，最后半個月沉降觀測最大值為3.5 mm，圍堤地基土沉降趨于穩定狀態。

圖3 圍堤斷面沉降-時間過程曲線

2.2.2 推算最終沉降量S∞

用指數曲線對實測的沉降過程線進行擬合，從而推算最終沉降量S∞[3]：

式中：S1、S2、S3分別為停載后的沉降過程線上時間點t1、t2、t3對應的沉降值，其中：t2-t1=t3-t2。

2.2.3 固結度U

式中：Ss為實測沉降量，mm。

2.2.4 觀測結果

根據觀測結果，推算的最終沉降量及固結度見表1。

表1 觀測斷面最終沉降量及固結度

4個觀測斷面的實測沉降量206～290 mm，最終沉降量較小，為248～354 mm，施工結束后經過半年的預壓期，堤下地基的固結度達到設計要求的80%。以上結果表明堤身部位在今后使用過程中將不會產生過大的沉降變形。

3 地基分層沉降觀測

3.1 基本原理

地基分層沉降通過水準儀、電磁式沉降儀、沉降管、沉降環進行監測。電磁式沉降儀的工作原理是在沉降探測器內安裝一個電磁振蕩線圈，當沉降探測器內的振蕩線圈靠近埋設于土體內的沉降環時，沉降探測器便發出聲信號，根據聲信號剛發出的一瞬間測尺上的讀數，即可確定沉降環的具體深度位置。分層沉降觀測系統的工作結構見圖4。

圖4 分層沉降觀測系統結構示意

沉降環到沉降管管口距離計算公式為：

式中：L為沉降環到沉降管口的距離，mm；R為測尺讀數，mm；K為常數（測尺的零點至探測器感應點的距離）。

每次觀測時用水準儀測出孔口高程[2]，測得測點到孔口的距離，即可換算出測點的高程。觀測點的沉降量St（mm）等于測點初設時的高程H0（m）減去t時測點的高程Ht（m），即：

3.2 觀測數據及分析

每個觀測斷面布置1根分層沉降觀測管，每根分層沉降觀測管共設置6個沉降環[4]。在堤身施工過程中每天測量一次，地基處理結束后每半月或每月測量一次各沉降環的垂直變化。圖5為不同深度沉降環的沉降量，即該沉降環以下土層的累計壓縮量。

圖5 各深度土層的沉降量

從圖5可以看出不同深度土層沉降量有一定差異。隨著沉降環的埋深增加，各土層沉降量逐漸減小，反映了上部土層壓縮量完成較快。根據圖5計算，-16m左右土體平均壓縮率最大為15.12mm/m，沉降主要發生在該深度土層中，-25 m以下土體的平均壓縮率小于5 mm/m[5]。

4 地基深層水平側向位移

4.1 基本原理

地基土體不同深度處的水平側向位移測試采用活動式測斜儀，其基本原理如圖6所示。

在地基中預埋一根特制的有導向槽的管道，稱之為測斜管，它能隨地基變形，測斜管相鄰兩個測點之間產生一個傾斜度ɑi，相應的兩個測點之間的位移差δi為：

圖6 測斜儀工作原理示意

式中：Li為相鄰兩測點之間測斜管長度，取500mm。

整根測斜管兩端的土體水平位移差Δn（mm）可表示為：

當測斜管埋置足夠深時，測斜管底端可認為是固定的，所求的Δn即為管頂的水平位移值。

4.2 觀測數據及分析

把測量結果整理成水平位移沿深度分布曲線，可反映地基各土層的水平位移變化情況。截止2009年7月，最大水平位移發生在0+514斷面-17m處，為117mm，位移速率為0.6mm/（15d），各觀測斷面水平側向位移-深度曲線如圖7所示。

圖7 各斷面水平側向位移-深度曲線

通過位移-深度曲線分析表明：

（1）監測期間深層土體水平位移的偏移方向均向島外，最大水平位移量為117 mm，各斷面的總位移量不大，說明圍堤地基在施工期間始終處于安全狀態。

（2）各觀測斷面水平位移最大值發生在高程-15～-20 m的范圍內，反映出該深度的土層較為軟弱。

（3）在荷載作用下，在高程-25m以上的土層有不同程度的水平位移，-25m以下土層側向位移很小，可見地基加載的影響深度為-25m左右。

5 結束語

圍堤觀測結果表明：隨著南堡1-3人工島主體施工的結束，水平位移變化量明顯減小，目前平均位移速率控制在1 mm/（15 d） 以內，遠遠小于警戒速率5 mm/d，說明地基土已趨于穩定，處于安全穩定狀態。但由于水深大、吹填高度大的特點，其最大吹填高度達12 m，已超出現有規范標準，且海洋極端氣候的破壞性日趨嚴重，為進一步了解和掌握人工島自身穩定及抵御外界自然災害的能力，有必要在人工島上建立較為長期的工后沉降安全監測工作，以獲得相對完整的監測數據，同時便于進一步分析研究，為其他類似工程起到相應的指導和借鑒作用。