埕北海域地处渤海的西南部, 东营市北部的近岸浅海海域^[1], 是胜利油田的主力开发区块, 蕴藏丰富的油气资源。自1976年黄河改道以来, 本区泥沙来源断绝, 沉积环境发生明显改变, 波浪等水动力因素对研究区的影响更加显著, 地貌单元遭受破坏, 使得研究区浅层形成了复杂的工程地质环境^[2]。随着港口建设和海上油气田开采, 研究区海洋工程建设逐渐增多, 故极有必要对研究区的海底工程地质条件及海底稳定性进行系统的调查与分析, 这对该地区的海洋工程建设和防灾减灾具有十分重要的经济意义和战略意义。

该海域的研究起步较早, 资料繁多, 如冯秀丽等^[3]根据10个站位的同步海流和悬浮泥沙的观测资料, 对研究区泥沙输运方式进行了分析; 刘效国等^[4]依据埕岛海域水深地形特征和地质勘查资料将研究区分为了5个区和3个冲淤调整阶段; 张衍涛等^[5]依据地质调查资料, 分析了埕岛海区物理力学性质、地基承载力和土层类型的分布特征; 张卫明等^[6]依据前人研究成果总结了研究区海底地貌形态、沉积物的物理力学性质、海底沉积特征和工程地质性质; 林霖等^[7]根据室内试验和数据分析的结果, 针对不同地震烈度, 对研究区土层液化情况进行了分区, 等等。但前人研究成果多集中于某一方面的研究, 综合考虑该海域土体特性、水深地形、地貌、地质灾害等特征的研究相对较少, 张朋等^[8]通过钻井资料, 综合考虑研究区水深地形、沉积物特征及地质灾害对研究区进行分区并对各区的稳定性进行了评价, 但此研究仅停留在定性分析上, 本文在前人研究成果的基础上, 利用获得的研究区水深、钻孔土体性质等新的资料从土体性质和工程环境两方面对埕北海域进行综合的工程地质分区, 并对研究区工程地质稳定性进行半定量评价, 以期为油气开发和桩基平台的选址与施工提供依据。

1 资料来源及方法 1.1 资料来源

样品为中国海洋大学于1999—2014年在埕北海域采集的CB11D、CB25A等23个钻孔柱状样及100个表层样, 同时又搜集前人采集的11个钻孔柱状样资料。柱状样品长度最长为60 m, 最短为10 m, 10 m的钻孔共有8个, 占总钻孔数量的23.5%; 60 m的钻孔共有3个, 占总钻孔数量的8.8%;其余钻孔长度均在10~40 m, 钻孔分布如图 1所示。

1.2 研究方法

样品处理分为2个阶段:室内试验阶段和数据分析阶段。

室内试验阶段:依据土体性质不同对分段样品分别进行了含水率、湿密度、液塑限、直剪、压缩等基本的土工试验, 针对黏性土, 又进行了静三轴压缩试验(UU), 实验方法与标准依据《土工试验规程》(SL237-1999)。并对分段样品于中国海洋大学采用Mastersizer-2000型激光粒度分析仪进行粒度分析工作。命名规范参照《海洋调查规范第11部分:海洋工程地质调查》(GB/T12763.11-2007)。

数据分析阶段:利用统计分析法分析土工试验所获得的数据, 总结研究区土体特性; 利用surfer软件及中国海洋大学2015年在研究区的实测水深值绘制研究区水深等值线; 通过整理前人研究成果重绘研究区海底微地貌图并对研究区地质灾害进行定性分析; 在以上工作的基础上综合研究区土体特性、水深地形、海底地貌以及地质灾害特征对研究区进行性质分区; 建立模糊评判模型, 利用模糊评判法定量分析各分区的稳定性并进行评价, 以期为海洋工程建设提供一定的参考。

2 分区及评价 2.1 研究区土体工程地质特征 2.1.1 表层沉积物性质

粒度分析和土工试验结果表明:研究区表层沉积物主要由粉土(包括砂质粉土和黏质粉土)、粉质黏土、淤泥和粉砂构成。其中粉质黏土和粉土分布范围比较广泛, 淤泥仅分布在研究区东北部水深较深的部分地区, 粉砂则主要出现在研究区西北部近岸区域, 这可能是由于此区水动力较强所致。分布范围如图 2所示。

表层沉积物的物理力学性质方面, 粉土含水率23.5%~28.6%, 平均值为25.7%, 压缩系数0.04~ 0.278 MPa^–1, 平均值为0.17 MPa^–1, 属中低压缩性土; 粉质黏土含水率27.5%~33.9%, 平均值为30.6%, 压缩系数0.21~0.63 MPa^–1, 平均值为0.40 MPa^–1, 属中高压缩性土,; 淤泥含水率39.4%~84.3%, 平均值为61.9%, 压缩系数0.59~1.32 MPa^–1, 平均值为0.95 MPa^–1, 属高压缩性土。

2.1.2 研究区垂向土体性质

(1) 垂向土体物理力学特征

根据34个钻孔土体的物理力学性质测试结果, 运用统计分析法给出不同类型土体的物理力学性质指标(表 1、表 2), 为工程分区奠定基础。

研究区柱状样的岩性以粉土和黏土为主, 部分层位发育粉砂和淤泥质土。一般来说淤泥质土的含水率最高, 平均为45.8%;黏土次之, 平均为38.9%;其次为粉质黏土, 平均值为29.9%;含水率最少的为粉砂, 平均为21.7%。由此, 可看出黏粒含量越高, 一般来说含水率越大, 孔隙比也越大。

土的可塑性方面, 本区淤泥质土的液限、塑限和塑性指数的平均值分别为43.6%、25.1%和18.4%;黏土的液限、塑限和塑性指数的平均值分别为40.8%、23.7%和17.1%;黏质粉土的液限、塑限和塑性指数的平均值分别为28.0%、19.5%和8.2%。由此可看出, 各类土的可塑性与黏粒含量密切相关, 一般来说黏粒含量越大, 可塑性越好。

土的抗剪强度和压缩性方面, 本区淤泥质土、黏土和黏质粉土的凝聚力(快剪)的平均值分别为11.9、29.6和12.6 kPa; 摩擦角(快剪)的平均值分别为7.9°、18.9°和26.7°; 本区淤泥质土、黏土、黏质粉土和粉砂的压缩系数的平均值分别为0.84、0.55、0.16和0.08 MPa^–1。由此可看出, 淤泥质土的压缩性最高, 属高压缩性土; 粉砂的压缩性最低, 属低压缩性土。这是由于粉砂的颗粒较粗, 含水率较低的缘故。这一特点也使得黏性土较粉砂类土的凝聚力较大但摩擦角较小。

(2) 垂向土体的结构特征

依据所获得的钻孔土体结构, 通过典型钻孔对比(如图 3所示), 发现研究区土体可大致分为3层。

第一层为三角洲相和海相沉积物, 以黄褐色淤泥质土、粉质黏土和粉土为主。此层土体含水率21.5%~ 27.6%, 孔隙比0.58~1.34, 压缩系数0.06~1.03 MPa^–1, 土体物理力学性质差异较大, 近岸地区以低含水率、低孔隙比和低压缩系数的粉土和粉砂为主, 远岸则以高含水率、高孔隙比和高压缩系数的淤泥质土和粉质黏土为主。

第二层为河湖相等陆相层, 以灰黄色粉砂为主。此层土体含水率18.0%~24.7%, 孔隙比0.48~0.66, 压缩系数0.07~0.13 MPa^–1, 研究区内此层土体也较为稳定(部分区域缺失此层), 以低含水率、较低孔隙比和低压缩系数的粉砂为主。可作为本区工程建设的有利持力层来考虑。

第三层为多次海侵海退作用形成的海陆交互层, 以黄褐色粉土、粉砂和灰褐色粉土、粉砂及粉质黏土相间组成。此层土体因埋深较深, 受到上覆土体的压力作用, 通常具有较低的含水率、较小的孔隙比和较低的压缩系数, 工程性质较为稳定, 在第二层土体工程性质一般的情况下, 可考虑代替第二层作为本区工程建设的持力层。

这一研究成果与杨作升等^[9]的研究成果类似。杨作升等根据详细的钻孔资料将埕北地区的地层结构分为4层:第一层为现代黄河三角洲沉积; 第二层为渤海浅海陆架沉积; 第三层为河流相、滨浅海相沉积; 第四层为海陆相交替存在的沉积。

2.2 研究区工程环境特征 2.2.1 研究区水深地形特征

总体来说, 现代黄河三角洲地势极为平缓, 自西南向东北倾斜, 地面坡降1/10000左右^[10]。根据中国海洋大学2015年的实测水深绘制的研究区水深等值线(图 4)可看出, 研究区等深线呈NW-SE向延展, 其趋势基本与岸线形态保持一致, 水深由岸向海呈台阶式加深^[11]。大致可以分为三段。第一段水深2~4 m, 水深等值线较为稀疏; 第二段水深4~16 m, 水深等值线比较密集, 地形变化较大; 第三段水深大于16 m, 给施工增加了难度, 但水深等值线比较稀疏, 地形平缓。

2.2.2 研究区海底微地貌特征

埕北海域水动力条件强烈而复杂, 加之黄河的改道, 此区域的沉积物性质差异极大, 分布不均, 微地貌形态也千差万别, 严重影响着海洋工程的稳定性。冯秀丽等^[12]根据1999年的水深测量及旁扫声呐的反射图, 将研究区海底微地貌划为5种类型, 分别为冲蚀地貌区、滑动挤压脊和塌陷凹坑地貌区、侵蚀残留岗丘或台地、斑状海底地貌区、粗糙和平滑海底。分布如图 5所示。

2.2.3 研究区灾害性地质特征

冯秀丽等^[13]根据多次调查总结了埕北海域主要的几种地质灾害。分别是厚度不等的铁板砂及下卧软土层、较强的差异性侵蚀、埋藏台地冲沟和古河道、海底管线和平台地基冲刷、沉积物块体运动、表层扰动体。这些不良地质灾害如果不仔细勘察均会对海上构筑物的安全产生巨大的隐患^[8]。总结前人研究成果发现, 本区地质灾害主要集中在8~16 m水深等值线较为密集的区域^{[8, 12, 14-15]}。其中海底滑坡主要集中在研究区15 m水深等值线处; 表层扰动体在研究区分布较为广泛; 冲刷掏空则主要集中于8~10 m水深带; 埋藏沟谷和古河道则主要分布于研究区的西部、中部和东南部。

2.3 埕北海域工程地质分区及特征

工程地质分区是在综合归纳各种工程地质特征的基础上, 根据差异性和相似性原则进行的单元划分^[16]。本文选择研究区土体特性、水深地形、地貌和地质灾害等因素将研究区划分为4个工程地质区: Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区。分区结果如图 6所示。

Ⅰ区:分布在研究区西南近岸区域, 该区土体以粉土和粉砂为主; 本区土体含水率21.50%~39.90%, 平均值为29.04%;液性指数0.40~1.05, 平均为0.70;塑性指数7.40~20.90, 平均为13.66;压缩模量0.46~ 56.52 MPa, 平均值为10.43 MPa; 凝聚力3.20~30.40 kPa, 平均为15.71 kPa; 摩擦角15.10°~38.40°, 平均为25.82°。此区水深较浅, 小于12 m, 地形变化较小, 较平坦, 以平滑海底为主, 约占区域总面积的62.50%, 偶见残留台地和粗糙海底, 地质灾害较少, 主要为冲刷掏空。

Ⅱ区:分布在研究区东南近岸区域, 表层沉积物以粉土和粉质黏土为主; 垂向上以粉土和粉质黏土为主, 局部层位发育粉砂和淤泥质土。该区土体含水率19.10%~67.80%, 平均为29.85%;液性指数0.02~ 1.33, 平均为0.49;塑性指数4.10~31.50, 平均为14.01;压缩模量2.35~23.61 MPa, 平均为11.12 MPa; 凝聚力8.00~72.30 kPa, 平均为29.38 kPa; 内摩擦角1.70°~40.90°, 平均为20.97°。此区水深较浅, 4~12 m, 地形变化较大, 较陡峭; 以冲刷海底和平滑海底为主, 平滑海底约占区域总面积的33.33%;地质灾害发育, 区内8~10 m水深带是冲刷掏空地质灾害的多发地带且此区的东南部发育埋藏沟谷且此区局部地区还发育海底滑坡、表层扰动体和刺穿破坏等地质灾害。

Ⅲ区:分布在研究区中部12~16 m等深线的区域, 该区表层沉积物差异较大, 以粉土和粉质黏土为主, 部分区域出露粉砂层。垂向上以粉土、粉质黏土、粉砂和淤泥质土为主。该区土体含水率21.40%~ 47.60%, 平均为28.55%;塑性指数7.60~ 20.70, 平均为13.35;液性指数0.37~1.36, 平均为0.79;压缩模量2.04~50.49 MPa, 平均为11.14 MPa; 凝聚力3.46~ 59.10 kPa, 平均为15.20 kPa; 摩擦角4.10°~37.70°, 平均为24.75°。此区水深较深, 12~16 m, 地形变化较大, 起伏较明显; 以平滑海底为主, 并有较多的斑状海底和残留台地, 平滑海底约占区域总面积的54.17%;地质灾害发育, 研究区15 m水深等值线处是海底滑坡的多发地带, 此区中部还发育埋藏沟谷和古河道且此区还发育表层扰动体和刺穿破坏。

Ⅳ区:分布在研究区北部远岸区域。表层沉积物差异较大, 以粉土、黏土为主, 部分区域分布有淤泥质土。垂向上以淤泥质土、粉土和黏土为主。该区土体含水率18.20%~80.00%, 平均为29.92%;塑性指数4.40~28.90, 平均为10.88;液性指数0.15~ 2.16, 平均为0.85;压缩模量1.90~33.20 MPa, 平均为11.10 MPa; 凝聚力3.00~80.00 kPa, 平均为25.83 kPa; 内摩擦角0.40°~32.30°, 平均为17.28°。此区水深较深, 多大于16 m, 地形变化小, 较平坦; 以平滑海底为主, 偶见粗糙海底和斑状海底, 平滑海底约占区域总面积的82.14%;地质灾害较少, 以海底滑坡和表层扰动体为主。

2.4 分区稳定性模糊数学评价

为定量评价上述4个工程地质区的稳定性, 本文采用模糊数学的方法。其优点是能兼顾影响海域工程地质稳定性的诸多因素, 且能够较为清晰地反映各因素对研究区稳定性的影响关系。

2.4.1 评价因子选取与隶属度确定

选取表层沉积物类型、主要持力层埋深、主要持力层承载力、平滑海底比例和地质灾害种类数量5个比较重要的指标对研究区进行综合评价。其中, 对于地质灾害, 因为本区无大范围不良地质灾害出露, 地质灾害多呈零星状分布, 故此处选择地质灾害类型作为参评因子。因子的选择和分级标准是依据《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011)及专家经验确定的, 如表 3所示。

隶属度反映评价因子隶属于评语集的程度, 一般由专家的经验以及概率分布函数来确定^[17]。

对于持力层埋深、持力层承载力、地形地貌和地质灾害这4个连续型评价指标, 其隶属度用隶属函数给出。本文依据前人经验^[18-19]采用正态分布函数计算各指标的隶属度, 其函数的一般形式为:

$ \mu (X) = {{\rm{e}}^{\frac{{{{(X - S)}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}}} $

(1)

对于沉积物类型这1个非连续型的评价因子, 本文采用经验法给出赋值。见表 4所示。

2.4.2 评价因子权值确定

确定权值的方法有很多种, 常见的有专家评分法和公式法, 本文采用层次分析法来确定权值。首先利用层次分析构建权值判别表, 见表 5。其中1表示两指标相比同等重要; 3表示行指标与列指标相比稍重要; 5表示行指标与列指标相比较重要, 以此类推, 数字越大, 表示行指标与列指标相比重要性越强。

依据上表构造判断矩阵, 计算上述矩阵的最大特征值及其所对应的特征向量, 就可得出各评价指标的加权值, 所得的各项指标加权值为沉积物类型0.04、持力层埋深0.13、持力层承载力0.30、平滑海底比例0.15、地质灾害种数0.38。

2.4.3 模型验证及结果

(1) 模型验证

以Ⅲ区为例。首先从土体方面, CB11D为Ⅲ区的典型钻孔, 依据CB11D孔的钻探资料, 浅部地基土层属于全新世以来的海相饱和疏松沉积物。沉积物的类型为中软沉积物, 建筑场地类型为Ⅲ类。由于沉积时间短、固结作用差, 结构疏松, 工程地质条件较差, 较不稳定。其次, 从工程环境方面, 依据实测资料, 此区15 m水深等值线处广泛发育滑坡, 且区域的西部和中部还发育埋藏沟谷等地质灾害, 严重影响着工程的稳定性。由此可见实测资料与通过模糊数学模型计算所得的结果有一定的相似性, 故运用此模型对埕北海域分区稳定性进行评价是可行的。

(2) 模糊运算结果

依据上述方法, 对4个区域进行评价, 4个工程区的具体参数取值见表 6, 评价结果见表 7。

2.4.4 分区评价结果

综合考虑研究区土体特性、水深地形、地貌和地质灾害以及模糊评判结果, 得出埕北海域4个工程区的稳定性分别为: Ⅰ区(稳定区)、Ⅱ区(较不稳定区)、Ⅲ区(不稳定区)和Ⅳ区(较稳定区)。分区结果如图 7所示。

Ⅰ区:表层沉积物以粉质黏土为主, 局部有粉砂分布; 水深较浅, 小于12 m, 地形变化较小, 较平坦, 以平滑海底为主, 偶见残留台地和粗糙海底, 地质灾害较少。一方面此区土体工程性质良好, 这可能与此区土体长期受到冲刷作用使得此区土体压缩性、孔隙比都较低, 且此区土体可作为桩基持力层的土层埋深较浅, 多在10 m以浅; 另一方面此区水深较浅, 地形平坦并且地质灾害较少, 这些条件都为平台的施工提供了天然有利的环境, 为研究区稳定的区域, 较适合施工选址与建设, 但此区冲刷较为严重, 施工选址与建设需注意。

Ⅱ区:表层沉积物以粉土和粉质黏土为主; 水深较浅, 4~12 m, 地形变化较大, 较陡峭; 以冲刷海底和平滑海底为主, 偶见斑状海底; 区内还存在严重的滑坡、断陷、冲蚀等地质灾害。从土性方面来说, 土体性质差异较大, 这可能与此区较强的水动力有关, 工程性质一般; 从工程环境方面来说, 此区地形变化大, 并且存在大量的冲刷海底地貌, 地质灾害广泛发育, 严重威胁着海洋工程的安全。故此区为不稳定区域, 施工选址与建设需谨慎。

Ⅲ区:该区表层沉积物差异较大, 以粉土和粉质黏土为主, 部分区域出露粉砂层; 水深较深, 12~ 16 m, 地形变化较大, 起伏较明显; 以平滑海底为主, 并有较多的斑状海底和残留台地; 地质灾害发育, 偶见滑坡、断陷等地质灾害; 从土性方面来说, 土体工程性质较差; 从工程环境方面来说, 此区地形起伏较大, 有较多的斑状海底和残留台地, 并且存在滑坡、断陷等地质灾害, 因此此区为较不稳定区域。

Ⅳ区:表层沉积物差异较大, 以粉土、黏土为主, 部分区域分布有淤泥质土; 依据模糊评判土体以2级土为主; 水深较深, 多大于16 m, 地形变化小, 较平坦; 以平滑海底为主; 地质灾害较少。从土性和工程环境方面均为较稳定区域。但此区水深较大, 一定程度上来说加大了海洋工程施工的难度。

最后, 综合分区结果及各区性质如表 8所示。

3 结论

1) 通过粒度分析和土工试验结果, 研究区表层沉积物以粉土和粉质黏土为主, 局部地区分布有粉砂和淤泥质土。

2) 研究区水深2~22 m; 海底地貌以平滑海底为主, 局部地区发育较为广泛的冲刷海底、残留台地、斑状海底等地貌。

3) 综合考虑研究区沉积物特征、水深地形特征、海底地貌特征、地质灾害特征对研究区进行分区并利用模糊评判对各区稳定性进行评价, 发现研究区可分为Ⅰ区(稳定区)、Ⅱ区(不稳定区)、Ⅲ区(较不稳定区)和Ⅳ区(较稳定区)。