海岸工程地质条件

中国沿海全新世软土的工程地质特征~

随着我国全新世的环境和海岸演变研究的加强，详细的第四纪研究资料不断出现。目前要紧的是将工程地质研究与第四纪研究有机地结合起来，以加深对沿海软土的认识，从而更好地为国家建设服务。
一、软土的概念
软土的概念或判别是新中国成立以后在工程地质界和土力学界逐步形成的，它是以形成的地质过程和存在的物理状态两个方面加以规定的，且后者是主要的。《软土地区工程地质勘察规范》（ 1992）对软土的规定具体化为3条：①外观以灰色为主的细粒土；②天然含水量大于或等于液限；③ 天然孔隙比大于或等于1.0。《岩土工程勘察规范》（1995）将软土规定为“天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数宜大于0.5M Pa-1，不排水抗剪强度值小于30K Pa。”这两本规范对软土在概念和判别上的规定基本一致，但也有微小的差别。从物理力学指标看，前者指出了天然含水量不仅大于液限，也可等于液限；后者指出了力学指标，但说得灵活，只是“宜”，而它的两项物理指标则是必须满足的判定指标。从地质因素来看，前者指出了以灰色为主的细粒土的外观特征来显示沉积环境；后者直接使用了淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等的地质名词。这里需要讨论一下软土与淤泥、泥炭两类名词的概念及其相互关系。软土是土力学、工程地质学上的一个名词，淤泥、泥炭是沉积岩石学上的一个名词，两者既有区别又有联系。两者的区别在于两个学科的研究目的和任务不同，一个主要研究地质体的强度和变形等特征；另一个主要研究地质体的成分和结构等特征：联系在于它们都是研究同一个地质体，在浅层的条件下，两个名词几乎指的是同一东西，大体上可以互相预示。也正是这种预示，才能架起工程地质研究和第四纪研究的桥梁。
二、沿海全新世软土的分布
赵希涛教授在《中国沿海全新世海面变化的基本特征》一文中有关泥炭层的一段：“在我国沿海地区与近岸陆架地区下数米或二三十米，往往发现全新世潟湖相或与海水有某种水力联系的湖沼相（或河漫滩洼地型）泥炭或富含有机质淤泥。它们紧贴第一海相层之下或之上分布，上、下泥炭层向陆逐渐合一。下泥炭层多形成于距今10000～8000a间，上泥炭层多形成于距今5000～2000a间，在海侵影响区之外，全新世泥炭发育时期几乎连续，而以中全新世发育最好”。这里指的泥炭或富有机质淤泥，以及第一海相层都可初步判别为软土，可见沿海全新世的软土分布较广，成因和地层也多样。这些第四纪地质研究成果可作为工程地质研究的基础。
三、沿海全新世软土的工程地质
1.一般物理力学性质指标
淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等一般可初步判别为软土，但最终判定还要靠物理指标。因此，将我们多年来在编制规范过程中所积累起来的工程地质资料，主要是生产实践资料，结合我们能够掌握的第四纪地质资料，经过分析和判断，列出我国沿海全新世软土的一般物理力学指标（表1），供建设中参考。
表1 中国沿海全新世软土一般物理力学指标


2.全新世沉积物的工程地质特点
早全新世甚至晚更新世已有软土存在。但中全新世是暖期，有利于软土的发育，是形成软土的主要时期，且其距今较近，地层埋藏甚浅，是工程建筑经常作用的不良地层。至晚全新世时，气候变成干凉，在软土之上逐渐形成了一层较密实的地层。这在气候带的变迁下，在东北、华北、华中的沿海一带更为明显，工程界称之为“硬壳层”。此层在地表分布甚广，是沿海地区一层较好的持力层，“轻基浅埋”就是针对这种地层的特点总结出来的经验。所谓轻基就是基础及其上部结构物采用轻型结构，浅埋即基础埋置深度应尽量放浅。有时硬壳层很薄，但也不宜全部挖除，可以作为保护层而保留，以防止施工时其下的软土扰动。
四、结语和讨论
1）软土是一种特殊土，在一定的自然条件下形成，具有一定的物理力学性质。如果单以判别指标判定，饱和黄土和饱和红土都可以达到判别指标，但不能成为软土，因为它们形成的地质过程不同，呈现的工程地质特点也不同。用以灰色为主的外部特征来表征软土，会很容易将具有同样物理指标的以黄色为主的饱和黄土和以红色为主的饱和红土迅速区别开，这对软土的判别无疑是有意义的。
2）中全新世软土，因其埋藏甚浅，是工程建筑普遍作用到的不良地层。由于其压缩性高，透水性低，具有触变性、流变性和不均匀性，除应正确判别沉积物、评价其具体特点外，更重要的是如何将其改良加固，以满足工程建设的需求。晚全新世的沉积物，覆盖在地表，与工程建筑的活动更加密切。由于它是一层中压缩性或低压缩性的黏质砂土等较密实的地层，它不仅能够作为一层较好的持力层，而且可以作为保护层，以免其下的软土扰动、丧失软土的结构强度和出现稀释状态。
3）沿海的第四纪研究，对软土的工程地质意义重大。随着测年资料的增多、古环境的重建，第四纪研究成果会有效地应用于工程建设中。以往沿海软土的工程地质研究，因生产要求的时间紧迫，常习惯于用工程措施，深入考虑第四纪地质较少，常造成不必要的损失和遗憾。两者的相互结合和渗透定会产生好的效果。
参考文献
［1］建设部.1992.软土地区工程地质勘察规范.北京：中国建筑工业出版社.
[2］建设部.1995.岩土工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社.
[3］赵希涛.1984.中国沿海全新世海面变化的基本特征.中国海岸演变研究.福州：福建科学技术出版社.
[4］孙更生，郑大同.1984.软土地基与地下工程.北京：中国建筑工业出版社.
（本文原载：《中国应用第四纪研究——全国第二届应用第四纪学术会议论文集》，成都：成都科技大学出版社，2000年5月，94～97页）

环胶州湾海岸区域工程地质条件受地形地貌、地层岩性、地质构造、水动力条件等因素的控制，不同地区上述诸因素存在着差异。详细研究近海不同地区的工程地质条件，对海岸带规划、工程地质环境适宜性、沿海工程建设和地质环境保护等方面均具有重要意义。

7.1.1 地形地貌

根据旁测声呐扫描、水深测量以及浅地层剖面资料，对青岛近海地貌体系特征进行了研究，按地貌成因将其划分为潮流地貌、潮汐河流复合地貌、海滩浪成地貌和人工地貌4个大单元。

(1)潮流地貌

潮流是半封闭海湾和开阔岸浪击面(一般水深20m)以下塑造海底地貌的主要营力，该现象在胶州湾表现明显。

胶州湾是一个半封闭的港湾，潮差大，波浪作用较弱，往复流成为控制湾内沉积作用的主要动力。湾口受基岩岬角地形的限制，口门狭窄，涨、落潮流在通过口门时，由于胶州湾口门的“狭管”效应，潮流加强了对底部的冲刷，使得湾口被侵蚀成沟槽。底部侵蚀的物质，在涨、落潮流的带动下，涨潮在湾内沉积，落潮在湾外堆积，形成涨、落潮流三角洲。在地貌形态上，湾口处为主潮道，向湾内呈分支状散开成为分支潮道，形成涨潮三角洲上的沟－脊相间地形，潮流沙脊为涨潮三角洲上的次级地貌形态。

(2)潮汐河流复合地貌

入湾河流多从西侧进入，且为源近流短的小河。主要河流为大沽河，每年输入湾内的泥沙达到959200t;其次为洋河，每年输沙量为258100t。海湾波浪作用很弱，浪高多小于0.5m;沉积物受到潮流的作用，大部分在河口发生沉积。大沽河入海的流量为27.74m³/s，洋河入海平均流量在1.78m³/s，总体约为30m³/s，与潮流作用相比河流的作用相对较小。胶州湾西部潮流平均流速小于20cm/s，湾顶平均潮差比湾口增大约30cm，计算该区平均潮差在300cm，最大潮差500cm，所以该区主要动力为潮汐作用。当落潮至平均低潮面位置时(图7.1)，大沽河河道突入到三角洲前缘;当高潮时，大沽河及洋河下部曲流河道在潮流的顶托作用下实际上成为一条潮道，具有双向潮流的特征。罗家营剖面可见明显的点坝和泥质潮上带，主要由粉砂与泥互层组成，含有丰富的植物碎屑，在烟台顶附近潮坪可见贝壳堤。根据以中沙为主的潮道内贝壳的¹⁴C年龄测定，大沽河河口湾形成于约8.24±0.12kaB.P.，大沽河口7.40～7.65m贝壳¹⁴C年龄为5.93±0.18kaB.P.，李家庄2.30m淤泥¹⁴C年龄为6.01±0.08kaB.P.，确定该相属于全新世中期高水位以来的沉积相。

图7.1 大沽河－洋河潮控三角洲低潮时遥感影像

在大沽河及洋河河口附近发育了大沽河－洋河复合三角洲，发育有三角洲平原潮滩、三角洲前缘河口沙坝、分流间湾、远沙坝及前三角洲等沉积亚相(图7.2)。由于河流来沙量较少以及物质经海水动力作用后扩散再分配比较充分，该三角洲形态并不明显。由于胶州湾落潮流速小，大沽河来沙不易向湾内输移，在河口附近的浅水区，按颗粒大小和比重大小依次沉积下来，并不会作大规模的沿岸运动。从浅剖结果来看，三角洲前缘线北起36°10'37.865″，120°11'10.363″，向东南方向延伸至36°08'06.198″，120°12'39.602″，向南到36°05'24.202″，120°10'19.789″为界。

图7.2 大沽河－洋河潮控三角洲沉积相

受到潮汐作用的分流河道具有低的弯曲度和高的宽深比，三角洲发育成似漏斗状的形态，滨线为潮坪，其上分布小潮沟;河流携带物质在河口堆积并受潮流的冲刷形成以分岔的河口沙坝为主的沙体，沙体的长轴方向与潮流的方向基本平行;沙脊间的潮道内有小片的沙质沉积体，其上发育涨、落潮流形成的底形特征。三角洲沉积相序见图7.3。

图7.3 大沽河－洋河三角洲沉积相序

(3)海滩浪成地貌

胶州湾海滩海浪侵蚀地貌也较发育，海蚀平台、海蚀洞、海蚀崖是常见的海蚀地貌形态。海蚀崖底部多处于波浪作用之下，因组成物质不同，其形态也各异。湾内的断层海蚀崖分布在阴岛东北的东洋嘴—邵哥庄一带，该段海崖为NE－SW走向，岸线平直，断层面向东南倾，倾角60°左右，断层面除有浪蚀痕迹外，还有断层镜面和擦痕;海岸的东南侧，尚有从东北向西南分布的海蚀平台和海蚀柱等海蚀地貌形态。

(4)人工地貌

随着经济建设的蓬勃发展，胶州湾近海沿岸的开发日新月异。湾北部和西北部平原海岸区开辟了大规模的盐田，东部沿岸建设了许多工厂、海港。近几年来，黄岛也先后建筑了几座码头，并在近岸处建筑了各种防潮墙、防浪堤。胶州湾的许多岸段早已不再是自然海岸，而是人工海岸。

7.1.2 地层岩性

(1)地层及基岩类型

胶州湾内的地层有古生界胶南群邱官庄组，白垩系的青山组和莱阳组，此外还有燕山期的花岗岩。其中，古生界胶南群邱官庄组主要为中厚层的白云变粒岩和黑云变粒岩及浅粒岩，青山组和莱阳组主要以青山组中酸性火山岩和中基性火山岩为主。

岩石力学差异性主要受岩性本身、断裂构造及断层附近相应岩脉侵入的影响，造成各种岩性的岩石力学指标不同; 同时，岩性变化及构造的影响，导致岩石风化界面的差异性甚为明显，不同岩性的岩石风化层厚度相差巨大。上述差异性是工程建设中应重点考虑的主要工程地质问题之一。针对胶州湾的工程地质条件，以下几点应予考虑:

1) 岩石界线: 两种岩石的差异性可能导致承载力的不同，从而引起不均匀沉降。即使在力学性质较好的花岗岩区，如被无数条岩脉及断层切割成非完整的块体，其力学性质则会大大降低。

2) 脉岩带 ( 群) 的发育: 脉岩发育本身就代表着处于伸展构造带，在地下水的作用下，容易发生附近岩石的破碎和弱 ( 软) 化; 其次，岩脉自身岩性存在差异，特别是煌斑岩容易发生风化。故工程建设应尽量避开脉岩带。

3) 节理裂隙的发育: 易造成岩石软 ( 弱) 风化程度的差异。缓平的节理在水做润滑剂及建筑物重压下，如具有临空面，则可能发生滑裂。因此，工程建设时应考虑节理裂隙的发育情况。

4) 基底起伏: 在湾口存在海底地表的强烈切割、小型冲沟发育以及不同地段基岩埋深的差异性，因此当建筑物置于不同性质与厚度 ( 或埋深) 的地层上时，岩石地基存在较大的差异，将给工程带来不良的影响。

( 2) 底质类型

胶州湾区内表层沉积物底质类型可分为以下几大类型: 泥质砾、沙、粉沙质沙、泥质沙、沙质粉沙、砾质泥、含碎石结核砾质泥、沙质泥、粉沙、泥和黏土。其中，砂质粗粒沉积主要分布在大沽河、洋河河口附近，主潮道及分支潮道，涨、落潮流三角洲潮流沙脊以及大福岛南部残留沉积区; 粉沙及泥质细粒沉积主要分布在潮下带水动力条件较弱的区域。研究区沉积体系划分为大沽河 － 洋河潮汐河流复合三角洲、湾口两侧涨落潮流三角洲以及波浪作用下的海滩沉积体系。

( 3) 第四系厚度

调查发现，胶州湾内的沉积物大致与海岸平行分布。在 “V”形的底部是沉积中心，沉积物较为集中，湾内厚度变化很大，自 0m 至 52m 变化，平均厚度 21m。湾口附近缺失松散沉积物，向两侧逐渐增厚。在胶州湾西侧，岸边附近沉积物厚度一般小于 10m，向湾中心沉积物厚度逐渐缓慢增厚，中心厚度稳定，均在 25m 左右。在湾东岸，根据已有的资料显示，沉积物厚度变化剧烈，自基岩海岸处 0m 厚迅速增加至 25m，且在马蹄礁以北有两个较厚的沉积中心，最厚处为 40 ～ 45m。在湾口以北 36°05'纬线附近，沉积厚度呈EW 向迅速变化，从湾口的 5m 左右迅速变为 25 ～ 40m。全新世以来的海相沉积层的厚度在胶州湾内最大约 10m，位置处于 36°05' ～36°08'和 120°09' ～120°17'之间，总体近 EW向展布。其余地方的沉积物厚度约为 5m。自 36°05'以南至 120°19'之间的湾口位置，沉积物厚度基本为 0m。湾外主潮流通道处沉积厚度也较薄，根据钻孔资料分析沉积厚度小于2m。向落潮流三角洲方向，沉积厚度逐渐增厚，在 36°及 120°30'位置厚度达到 10m。

7.1.3 地质构造

海岸带主要以基岩断裂构造为主，褶皱构造不发育。断裂构造以 NE、NNE 向和 NW向3组断裂为主要构造线，它们控制了区域地貌特征和地层空间分布。其中，对工程地质环境有一定影响的断裂主要是通过陆上露头或海上浅地层剖面探测或调查推断的断裂。区内有重要影响的沧口断裂宽度为50～100m，走向40°，倾向310°，倾角70°，控制莱阳群、青山群沉积及崂山超单元的分布;带内发育碎裂岩、粉碎岩及糜棱岩。第四系覆盖严重，胶州湾内下降盘第四系厚度大。

7.1.4 水深及水动力条件

湾内地形总趋势是西北浅、东南深，海底地势自北向南倾斜，湾内平均水深约7m，湾口附近水深较深，最大水深为64m;湾口以外地势较为平坦，平均水深约为20m。

该区潮流属于正规半日潮流，涨潮历时1～2h，运动方式为往复流，潮流流速从湾口至湾顶逐渐递减，湾口的团岛断面流速为150～160cm/s，湾中部为70～80cm/s，湾顶部小于50cm/s。胶州湾的波浪主要有两种:一是外海产生的涌浪，涌浪为E—SW向，以SE向的涌浪最多，年频率为26%;二是湾内本身产生的风浪，NW向的风浪最多，年频率为10%。波浪自湾口向湾内传播时波高逐渐减小，湾内年平均波高一般不超过0.5m;胶州湾口中心50年一遇波要素H_1/10大波平均波高为318cm。

7.1.5 潜在地质灾害

从空间分布上将地质灾害划分为推断断层、不规则基岩面、地震、埋藏古河道、埋藏谷、潮沟、陡坎及沙波。构造、深层控制引起的地质灾害有断层、不规则基岩面和地震;处于海底浅层范围的灾害现象有埋藏古河道、埋藏谷及冲沟;海底表层因水动力条件的不同引起的微地貌现象有潮沟、陡坎和沙波;水动力条件强烈引起的滨岸及海岸变迁有海岸侵蚀及海水入侵。

7.1.6 岩土物理力学参数

岩土物理力学参数参考海湾大桥工程地质勘察相关资料，工程地质特征主要表现为岩土力学性质的差异以及淤泥质软土的土体物理力学性质。

---

海岸工程地质条件视频