1. 引言
随着沿海地区社会经济的发展，大量的海岸工程如滩涂围垦、海底管线等开工建设，海岸带的工程地质条件及工程的适宜性评价是其进行前期技术可行性研究的重要内容，也是工程完工后安全稳定运行的重要保证[1]-[3]。前人在各个地区的研究已有大量成果[2]-[7]。如李伯安将浙江沿海地区第四系沉积物分为砂性土和淤泥质土，对海塘和水闸等水利工程建设的工程地质条件进行了研究[2]。杜星等对辽东半岛庄河海域海岸带工程地质特征进行了系统分析，认为研究区适宜开展海洋工程开发活动，但应重点考虑海底软弱土层等不良地质因素[4]。吴振等主要根据钻探资料，将莱州湾海岸带地表下50 m的土层分为9个工程地质层，并对各层工程地质特征、软土、盐渍土的分布范围、地基土液化等级、地下水和土的腐蚀性等进行了综合评价[5]。在南海，杨木壮等利用物探和海底取样资料，探讨了北部湾近岸海域海洋工程地质特征，指出研究区地形地貌复杂，存在浅层气、砂土液化等灾害地质因素，工程建设应当引起注意[7]。很多学者在总结相关研究成果和分析大量地质环境数据的基础上，尝试构建以自然灾害地质因素和人类活动影响等为基础的海岸带工程地质环境稳定性评价体系[3]，对中国海岸带灾害地质特征进行总体评价[8]，综合考虑研究区域工程地质、地形地貌、地质灾害等多种因素，采用专家打分法、模糊数学方法等，进行工程地质分区和稳定性的定量评价[3] [9]。这些研究对海岸带工程建设和安全运行具有重大的指导意义，但在杭州湾南岸海岸带的工程地质评价和工程环境适宜性分析尚比较缺乏。
杭州湾是典型喇叭状现代强潮河口湾，南岸从慈溪北侧向东南扩展至镇海东侧海域，潮流作用和长江入海泥沙的输入在南岸形成以泥质粉砂为主的宽缓的淤涨型潮滩，公元1500年至2020年间不断向海扩张，上部地层为厚层的第四系海相沉积[10] [11]，近年来海岸带区域内滩涂围垦、海底管线、生态修复、海上风电等项目建设日益增多，局部区域工程环境已发生变化，局部区域在某些年份出现侵蚀[11]-[13]，对该区进行工程地质研究和分析十分必要。本文根据工程环境调查、地形测量、路由勘测等实测资料，并结合其他自然环境以及区域和历史资料，对研究区工程地质条件进行了综合分析和评价，为海岸工程设计和维护等提供参考。
2. 资料与方法
研究区从海岸至0 m线(理论最低潮面，下同) (见图1)外侧500 m进行了地形测量，海域地形测量采用Trimble R10 RTK定位，HY1601测深仪测水深。滩涂和陆域地形使用大疆M300型无人机搭载激光雷达测量，RTK和全站仪进行校准，误差均在精度范围之内，制作数字化地形图。
采用路由调查的5个工程地质钻孔资料和3个站位的水文泥沙资料，分别位于研究区北部和南部(见图1)。工程地质钻探使用海上钻探船和XY-1型工程钻机，进行标准贯入试验和静力触探，采用活阀式取土器采取粘性土，砂、粉土采用专用环刀取砂器锤击法采取，土样带回室内进行土工试验，所有测试均使用数据自动采集系统。
在南部3个钻孔点位进行了定点水文泥沙测验，测验项目有大小潮流速、流向、气象、波浪、悬沙含沙量、悬沙颗粒分析、底质颗粒分析(见图1)。
所有现场调查和室内试验都按照有关规范进行，结果准确可靠。
收集使用研究区自然条件、区域地质、地形地貌以及滩涂围垦、海上风电等工程建设的资料。使用Surfer15.0和AutoCAD2014软件制图。
Figure 1. Investigated area and engineering geological drilling position (modified from nautical chart 13310)
图1. 研究区域和工程地质钻孔位置(底图参考海图13310)
3. 结果与讨论
3.1. 地形地貌和岸滩冲淤稳定性
研究区海域面向东北(见图1)，由滨海平原、滩涂逐渐过渡为海域，海面开阔，海岸多为围垦海堤，岸线至0 m线之间滩面平坦宽阔，0~5 m等深线为水下岸坡，5 m等深线以下为平坦的水下平原，平坦开阔的地形地貌条件有利于海岸工程的建设。
实测资料表明，近岸海域潮流性质以往复流为特征，涨潮流向西北，落潮流向东南，总体平行等深线和岸线方向，流向集中，说明处于动态平衡状态。潮流流速较大，大、小潮垂线平均最大流速分别在130~200 m/s和60~110 m/s，海水含沙量相对较大，颗粒较细，多为细粉砂或极细粉砂，在较强的潮流作用下往复运动，不易落淤。根据计算，涨潮流和落潮流挟沙能力大致相当，总体上涨潮单宽输沙量略大于落潮单宽输沙量，表层沉积物为粘土质粉砂等细颗粒沉积类型，这些现代沉积类型在长江口至杭州湾以至浙江近海都是最常见的，这些都反映了杭州湾南岸近岸海域处于基本平衡或微淤状态。
文献也指出，长江入海泥沙在杭州湾地形约束和潮流作用下在南岸形成泥质砂为主的淤涨型岸滩，但随着近几十年来的围垦，岸线已外推至水深较大潮流较强的区域，海岸该区处于泥沙冲淤平衡或微淤状态[11]-[14]。
历史资料对比分析表明，杭州湾南岸边滩在历史时期虽有涨、坍交替变化，但总趋势是滩面淤涨，岸线向外推出。14世纪后，滩涂淤涨加快，筑塘围涂工作基本未间断。近年来边滩高程相对稳定。从大的区域来看，全新世中期以来，海面长期相对稳定，泥沙逐渐淤积，岸线外推，海湾发育成海岸平原，第四系松散沉积物主要为海相沉积，浅部地层连续，没有地层错断、缺失以及沉积相沉积厚度的大变化，表明近代以来并未发生严重、突然的冲淤变化[10] [15]。
可以看出，研究区地形地貌、泥沙运动和岸滩稳定性适宜工程的建设，但应注意大潮时潮流速度较大，工程的设计施工和安全运行应加以考虑。
3.2. 工程地质条件及不良地质因素
本区早、中更新世上升剥蚀，晚更新世海陆交替频繁，全新世大规模海侵。下部地层为上更新统河湖相与海相交互沉积，与下伏基岩直接接触，上部为全新统海相沉积，厚度20~45 m [10] [15]。
研究区北部慈溪近岸，表层为厚度1~2 m左右的不稳定松软浮泥层，之下由钻孔揭露的50 m深度内地基土可以划分为4个工程地质层(见图2)，场地土层主要受流水作用形成，主要为海相成因，水平空间上连续性较好，垂向上表现为成层状变化，上部两层厚约15 m，为砂质粉土或粉土夹粉砂，粉土含量较大，中压缩性，强度较高，性质较好。下部两层为淤泥质粉质粘土或淤泥质粘土，高压缩性，强度低，性质较差，钻孔底部为晚更新世老粘土层，强度较高。
在研究区南部的镇海近岸，勘探揭露的地基土可以划分为5个工程地质层(见图2)，勘察资料表明：场地土层主要受流水作用形成，主要为冲海相和冲湖相成因，结构总体上呈“上软下硬”的格局，水平空间上连续性较好，垂向上表现为成层状变化，局部地段受古地貌变迁影响，地层沉积为过度性质呈交互状变化。上部1层为近期形成淤泥质土，性质差；2层为全新世形成的巨厚层粘性土，该层土体总体性质差，以高或中偏高压缩性土为主，是本场地浅部主要的软弱层，其下3层、4层为全新世早期冲海积形成，前者为粉砂，物理力学性质好，具中等压缩性，后者为高压缩性的淤泥质土，物理力学性质差，5层为晚更新世形成的冲湖积粘性土和粉砂层，该工程地质层具中等压缩性，总体上性质较好。
研究区浅表层一般为厚度0.5~1.5 m淤泥或者淤泥质土层，其下部一般为粉土层(见图2)，与北侧杭州湾主流通道内的表层沉积一致。在杭州湾主流通道和长江口等粉细砂沉积区，有沙波活动性的报道[14] [16]。但本区粉土沉积之上有约1 m厚的泥质沉积，因此，可以认为该区这种沉积不具活动性。
依据工程地质层分布和室内土工实验土体物理力学性质指标统计结果(见表1)，结合有关规范和本地区的建筑经验，综合确定地基土承载力特征值和海岸工程的持力层，研究区进行海岸工程的建设是可行的。涉海工程的桩基持力层可选择埋深较浅，强度较高的粉土层，按端承摩擦桩考虑，由于粉砂土埋深较浅，设计时应予以考虑抗拔作用；如果桩基埋深较深，选择厚度较大的淤泥质土层，按纯摩擦桩考虑，采用预制桩或钢管桩形式。海底管道可以选择埋深较浅的粘质粉土层作为持力层。
研究区岸滩浅部地层含水介质为粉质粘土、粘质粉土、砂质粉土，主要接受大气降水及地表水入渗补给，由于入渗微弱，浅层地下水水量相对较贫乏，滩涂部分则明显受到潮汐活动的影响。海域部分地下水主要为潜水，受大气降水及地表径流补给，赋存于浅部粉土粉砂层中，透水性较好。根据水样分析报告，研究区域地下水对钢筋混凝土有弱侵蚀性，涉海工程需要采取一定的防护措施。
研究区平坦宽阔，无滑坡、潮流冲刷槽、埋藏古河道等不良地质现象，对工程建设影响较大的主要不良地质因素是广泛分布的巨厚软土层，具有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低等特点，若采用天然地基，会产生较大的不均匀沉降和过量沉降，使建筑物产生开裂等不良现象，但经过对软土地基的处理或采用桩基础，对于海岸工程而言是适宜建筑的。另一个不良地质因素是砂土的液化性，在下一节讨论。
Table 1. Physical and mechanic indices statistics of main foundation soils in the study area
表1. 研究海区主要地基土物理力学指标统计表
地层名称 |
统计指标 |
含水率 |
孔隙比 |
饱和度 |
塑性指数 |
压缩系数 |
粘聚力 |
内摩擦角 |
标准贯入 |
(%) |
|
(%) |
(%) |
(MPa−1) |
(kPa) |
(˚) |
(击/30 cm) |
淤泥质粉质粘土 |
最大值 |
33.7 |
0.946 |
100.0 |
|
0.30 |
12.0 |
25.8 |
17.0 |
最小值 |
23.0 |
0.744 |
82.3 |
|
0.11 |
8.5 |
20.0 |
5.5 |
平均值 |
28.0 |
0.834 |
92.6 |
|
0.20 |
10.5 |
22.3 |
13.5 |
标准差 |
2.3 |
0.054 |
4.7 |
|
0.05 |
|
|
3.1 |
变异系数 |
0.084 |
0.065 |
0.051 |
|
0.237 |
|
|
|
砂质粉土 |
最大值 |
32.7 |
0.887 |
98.0 |
9.4 |
0.29 |
13.4 |
21.3 |
37.0 |
最小值 |
22.2 |
0.686 |
82.7 |
7.8 |
0.12 |
7.9 |
18.5 |
12.0 |
平均值 |
26.6 |
0.773 |
91.3 |
8.6 |
0.21 |
10.6 |
19.9 |
21.3 |
标准差 |
2.6 |
0.067 |
5.0 |
|
0.06 |
|
|
7.2 |
变异系数 |
0.097 |
0.087 |
0.055 |
|
0.290 |
|
|
|
淤泥质粘土 |
最大值 |
48.1 |
1.416 |
99.7 |
21.9 |
1.12 |
16.9 |
11.6 |
|
最小值 |
39.4 |
1.135 |
89.8 |
15.3 |
0.65 |
15.3 |
8.2 |
|
平均值 |
42.8 |
1.239 |
94.8 |
18.2 |
0.89 |
16.1 |
9.9 |
|
标准差 |
2.6 |
0.075 |
3.0 |
1.7 |
0.13 |
|
|
|
变异系数 |
0.060 |
0.061 |
0.031 |
0.095 |
0.145 |
|
|
|
粉质粘土 |
最大值 |
39.0 |
1.128 |
98.9 |
16.2 |
0.92 |
13.7 |
10.9 |
|
最小值 |
27.3 |
0.865 |
85.6 |
7.0 |
0.41 |
13.7 |
10.9 |
|
平均值 |
34.6 |
1.027 |
91.7 |
12.8 |
0.66 |
13.7 |
10.9 |
|
标准差 |
3.0 |
0.078 |
2.7 |
2.6 |
0.14 |
|
|
|
变异系数 |
0.088 |
0.076 |
0.029 |
0.200 |
0.217 |
|
|
|
Figure 2. Engineering geological profile of the study area (core position see Figure 1)
图2. 研究区工程地质剖面图(钻孔位置见图1)
3.3. 区域稳定性和砂土的液化判别
研究区位于北北东向的闽浙–岭南隆起带的中部、华南低烈度区东北部，燕山运动形成的一系列X共轭断裂构成了本区的主要构造骨架(见图3)，在陆地主要呈NE走向，其次为NNE、NNW和近E-W向，具断块性质，在海域及岛屿仍以NE向为主，其它产状欠发育。研究区位于华南低烈度区之东北部，新生代以来，研究区断裂及相应的地震活动非常弱小。研究区200 km范围内，1800年以来无6级以上地震，对研究区没有明显影响[10] [17]。
采用国内外应用最广泛的平稳泊松模型对研究区未来4级以上地震发生的概率进行描述[18]。在t时间内发生n次地震的概率为：
，
表示地震年平均发生率。
采用此模型对研究区未来10年、20年和30年的地震强度进行预测，未来30年研究区区200 km范围发生一次Ms > 4地震的概率为0.33 (见表2)。
可见，研究区地震活动具有震级小，强度弱，频率低的特征，且有一个比较稳定的趋势，近代地震均以弱震、微震为主。只要采取合理的抗震设防措施，是适宜于工程建设的。
研究区20 m以内地基土主要为淤泥质土、粉土、粉砂、粉质粘土，属于软弱场地土[16]。根据区域地质资料，研究区覆盖层厚度大于80 m [10] [16]，根据规范，涉海工程场地类别为IV类，设计地震分组为第一组，设计特征周期值为0.65 S [19]。
根据工程地质钻探资料，研究区地层普遍存在饱和砂土或粉土，标准贯入试验结果表明，浅部地基土层在地震烈度为Ⅶ度设防时，将会发生轻微–中等液化。在研究区海底管道工程实践中，对管道地基土进行了抗液化处理后其下部砂性土进行了液化势判别。结果表明，在管道基础采用50 cm黄砂垫层处理后，管道下部6 m内每间隔1 m土层中，即使在地震烈度为Ⅶ度的地震作用下，地震剪应力均小于其相应土层的抗液化剪应力，砂性土不发生液化而失稳破坏，海岸工程可以安全运行(见表3) [16]。
Figure 3. Faults and earthquakes Ms > 4 since 1800 A.D. within 200 km of the study area
图3. 研究区200 km范围断裂及1800年以来Ms > 4地震分布
Table 2. Probability of earthquakes Ms > 4 within 200 km in the study area
表2. 研究海区200 km范围发生Ms > 4地震的概率
概率 |
0次 |
1次 |
2次 |
3次 |
p(n|10) |
0.82 |
0.16 |
0.02 |
0 |
p(n|20) |
0.67 |
0.27 |
0.05 |
0.01 |
p(n|30) |
0.55 |
0.33 |
0.1 |
0.02 |
Table 3. Equivalent average shear stresses and liquefaction-resistant shear stresses at different core depths of foundation soils under seismic action
表3. 地震作用下地基土不同深度处等效平均剪应力和砂土抗液化剪应力
深度 |
天然容重 |
峰值加速度 |
等效平均剪应力 |
砂土抗液化剪应力 |
m |
KN/m3 |
g |
Kpa |
Kpa |
1 |
18.95 |
0.075 |
0.91 |
1.59 |
2 |
18.95 |
0.075 |
1.81 |
3.18 |
3 |
18.95 |
0.075 |
2.7 |
4.77 |
4 |
18.95 |
0.075 |
3.58 |
6.36 |
5 |
19.16 |
0.075 |
4.51 |
7.95 |
6 |
19.16 |
0.075 |
5.38 |
9.54 |
4. 结论
1) 杭州湾南岸近年来海岸带区域内工程项目建设日益增多。根据实测地形、工程地质钻探以及水文泥沙测验等资料对研究区海岸带工程地质条件进行分析评价。平坦开阔的地形地貌条件有利于海岸工程的建设，悬沙在较强的潮流作用下往复运动，近岸海域处于基本平衡或微淤状态，岸滩稳定。
2) 研究区勘探揭露的地基土层主要为全新统至晚更新统冲海相和冲湖相成因，水平空间上连续性较好，垂向上表现为成层状变化，粉砂和粉土层具中等压缩性，总体上性质较好，而淤泥质土体物理力学性质差，中–高压缩性，是工程建设的主要不良地质因素。海岸工程的建设需要对软土地基进行处理。
3) 研究区处于区域稳定型号，处于地震低烈度区，适宜于工程建设。根据区内工程地基砂性土液化势判别结果表明，经过地基处理后，砂性土不发生液化而失稳破坏，海岸工程可以安全运行。
NOTES
*通讯作者。