（海洋地质专业论文）曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究.pdf

曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 摘要 研究区位处渤海湾东北部曹妃甸浅滩，是冀东油田海上油气的主要勘探区块。区 内滩涂广阔，潮沟广布，沟壑纵横，水深变化较大，海洋动力环境复杂。 本文系统总结了曹妃甸浅滩地区的海洋沉积动力环境和工程地质特征，着重讨论 了影响自升插桩式海洋石油钻井平台插桩深度的主要因素，并就插桩式平台的实际插桩 深度与理论计算深度出现偏差的原因进行了分析，得出研究区内平台插桩计算时类似砂 体关于标贯击数与均匀圆粒沙的内摩擦角矽经验关系的地区性经验公式。 研究表明，曹妃甸浅滩包括障蔽内潮坪区、障蔽外浅海区和大型潮道区。障蔽内 潮坪区发育有小型潮汐三角洲及指状沙脊，属于主要受潮流控制的低能环境区；障蔽外 浅海区受波浪、潮流控制，局部发育沙波；大型潮道区由两条南北、东西向潮道组成， 潮道在横剖面上呈不对称“u ”形，在潮道转弯的外侧为陡坡，内侧为缓坡。 研究区内底质沉积物的分布与水动力条件有明显的一致性，其物理力学性质由于 分布区域的不同具有明显的差异性。由于多期三角洲的沉积叠加，区内地层情况复杂多 交，根据各层组分及物理力学性质，研究区内4 0 m 以浅地层在垂向上可分为8 层，其 中，第层重粉质砂土层厚度较大，横向分布稳定，且多出露于海底，在波浪、潮流、 及土体自重等因素作用下呈现粒径单一、粗化，土体密实等状态，整体表现出较高的力 学强度，对海洋工程，特别是海洋钻井平台的适宜性具有较大影响。 插桩式海洋钻井平台桩腿一般无法贯穿第层重粉质砂土，实际插桩深度与理论 计算插桩深度偏差较大。本文着重分析了该层土的沉积环境、砂体自身厚度、插桩过程 对土体强度的影响等因素，就土体物理力学参数的选取以及计算方法的适用性进行了讨 论，得出研究区内类似砂体的关于标贯击数与均匀圆粒沙的内摩擦角夕经验关系的地区 性经验公式。 关键词：曹妃甸浅滩；海洋钻井平台；插桩深度；太沙基极限荷载公式 r e a s e r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a r i n ee n g i n e e r i n gg e o l o g y a n dt h ed e p t ho fp i l ep e n e t r a t i o ni nc a o f e i d i a ns h o a l a b s t r a c t c a o f e i d i a ns h o a li sap a r to ft h ea n c i e n tl u a nr i v e rd e l t aw h i c hw a s f o r m e di nt h em i d h o l o c e n e a f t e rl u a nr i v e re s t u a r ys h i f t i n ge a s t w a r d ，t h e s e d i m e n ts o u r c ew a sc u to f f t h el o o s es u r f a c es e d i m e n t si nt h er e g i o nw a s r e f o r m e db yt h ew a v ea n dt h et i d a lf a c t o r sa n df o r m e dab a r r i e ri s l a n dl a g o o n s y s t e m f r o mw e s tt oe a s ti tz o n a l l yd i s t r i b u t e dc a o f e i d i a n ， y a o t u o ， c a o m u t u o ，h a t u oa n do t h e rb a r s s s t u d ya r e ai st h ej i d o n go i l f i e l d sm a i n o f f s h o r eo i la n dg a se x p l o r a t i o nb l o c k t h et o p o g r a p h ya n do c e a nd y n a m i c e n v i r o n m e n ti sc o m p l e xi nt h i sa r e a t h e r e f o r e ， b ys t u d y i n gt h es h o a l s c h a r a c t e r i s t i c sa n dl a w si tc a nr e d u c et h ei m p a c to nm a r i n ep r o d u c t i o n a c c o r d i n gt oi t sd i f f e r e n td y n a m i cs e d i m e n te n v i r o n m e n t ，t h es t u d ya r e a c a nb ef u r t h e rd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：t h ei n b a r r i e rt i d a lf l a ta r e a s ，t h e o u t b a r r i e rs h a l l o ww a t e ra r e a sa n dt h el a r g e - s c a l et i d a lc h a n n e l t h es u r f i c i a ls e d i m e n t si ns t u d ya r e ai sd i v i d e di n t of i n es a n da n ds i l ta r e a ， c l a ys i l ta r e a ，s i l t yc l a y ( m u d ) a r e a f i n es a n da n ds i l ti sd e n s e ，s i l ta n d m u d s i l ti sr e l a t i v e l ys o f t a c c o r d i n gt ot h ed r i l l i n ga n ds h a l l o ws t r a t i g r a p h i cs e c t i o ni n f o r m a t i o n ， t h es t r a t ac a nb ei sd i v i d e di n t o8l a y e r sw i t h i n4 0m ，t o p d o w nf o l l o w e db y ： s a n d ym u d d ys i l t ，s a n d ys i l t ，s a n d ym u d d ys i l t ，s i l t ys a n d ，s a n d ym u d d y 4 s i l t ，m u d d ys i l t ，s i l t ys a n d a n dt h e l a y e r st o pi n t e r f a c ec a nd i v i d et h e s t r a t ai n t ot w o p a n sa c c o r d i n g t o1 4 cd a t i n gi n f o r m a t io n ：o v e rt h ei n t e r f a c et h e a g e 1m i l l i o ny e a r s ( 10 8 5 0 士1 0 0 a n d1 1 2 3 0 1 5 0a ) t h e l a y e rs a n d ys i l ti st h i c k ，s t a b l ei nh o r i z o n t a l ，d e n s ea n d t h el a r g e a r e ae x p o s e dt ot h es e ab o t t o ma n dh a v eag r e a ti m p a c to nt h em a r i n ed r i l l i n g p l a t f o r mp e n e t r a t i n gd e p t h b ya n a l y z i n g t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft h es i l t ，w em a k ea na d j u s t m e n to ft h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r si na p p l y i n g t h ef o r m u l ao ft e r z a g h iu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o n t h ec a l c u l a t e d d e p t hw eg o ti si na c c o r d s w i t ht h ep r a c t i c a lp e n e t r a t i o nd e p t hw e l l t h i s m e t h o dc a na l s ob eu s e di ns o l v i n gt h es i m i l a rp r o b l e ml a t e r k e yw o r d s ：c a o f e i d i a ns h o a l ；m a r i n ed r i l l i n gp l a t f o r m ；d e p t ho f t h ep i l e s p e n e t r a t i o n ；t e r z a g h iu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o n s 5 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼；麴递查墓丝重要 挂趔壹贸鳆! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：2签字日期：p 吵年，月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位做作者躲甜节f 签字日期加甚年6 月f 日 导师签字： 签字目期：肿年多月j 日 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 o 前言 o 1 研究现状 渤海地区是我国石油蕴藏最丰富的地区之一，周边分布着胜利、大港、冀 东和辽河等几大油田。近年来，随着各油田勘探开发工作由陆地向海岸带和浅海 地带的拓展，海岸动力变迁、滩海动力环境、海底地形地貌特点、海洋工程地质 的研究工作，逐步成为滩海工程开展前期的主要研究内容。 研究区内滩涂广阔，潮沟广布，沟壑纵横，水深变化较大，海洋动力环境 复杂，对海上石油生产产生不利影响。因此，研究浅滩特点，掌握其变化规律， 克服多种海洋条件对生产组织的影响，以减轻海洋环境对海上生产的影响。 在现代海洋工程环境研究是对研究区的大气、水气界面、水体、海底面到 海底地层进行的立体的全方位的工程环境研究，具体包括： ( 1 ) 气象与水文：主要通过历史资料的统计、实际观测及数值模拟等研究 手段，研究风、波浪、潮汐、海流及含沙量等特性，并研究台风、海冰及风暴潮 等灾害现象。 ( 2 ) 海底面：通过实际观测、数值模拟与物理模拟等手段，研究海底泥沙 的运移，沉积一地台动力环境，斜坡不稳定性等，及其对海洋工程的影响。 ( 3 ) 海底地层：通过钻探、浅地层剖面、现场原位测试，研究各地层的工 程岩土力学性质、灾害地质体的特征及其在水平分布的变化规律。 本文研究区曹妃甸浅滩位于渤海湾东北部河北省唐海县以南的沿岸海域， 该区是冀东油田南堡油田的主要勘探区块。1 9 9 2 年青岛海洋地质研究所和北京 勘查技术工程公司应冀东石油勘探开发公司的委托，对冀东油田南堡凹陷近岸极 浅海区进行l ：5 00 0 0 海洋工程地质调查，首次得到了该区全面系统的海洋工程 地质调查资料，为冀东油田后续的海洋油气勘探开发服务奠定了良好的基础。近 年来，冀东油田因实施南堡油田滩海工程的需要先后组织了遥感地形地貌现状及 变迁研究、海洋环境动力条件调查研究、等数个专门的调查项目。 此外，自上个世纪8 0 年代以来，国内不少学者对曹妃甸及附近海域进行了 研究，取得了可喜的进展。柯贤坤、贾玉连等通过对曹妃甸海域沉积物运移规律 及海岸剖面变化的研究发现，在各种因素的长期作用下，水下岸坡受蚀、浅滩堆 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 积、整个海岸剖面缓慢向陆移动。王艳通过过孢粉和硅藻分析并结合沉积学以及 1 4 c 测年等资料，重建了渤海湾西北岸曹妃甸地区晚更新世末期以来的古植被、 古气候以及古地理等演变过程，将曹妃甸地区自晚更新世末期以来的古沉积环境 划分为冲积平原或滨海平原、河口或近海湖沼环境、三角洲与沙坝一泻湖沉积环 境、废弃三角洲与沙坝泻湖沉积环境等4 个阶段。王文辉、王相玉等有关海冰 监测资料及相邻海域的有关海冰监测资料，给出了该海域海冰的冰期、冰型和海 冰时空分布变化等特征。以上研究主要侧重于区内海洋工程环境的客观存在，而 未针对区内的工程结构特点进行阐述。本文则通过概括阐述研究区内海洋工程地 质特点，针对自升式海洋钻井平台桩基础在作业生产过程中遇到的问题重点解 释。 o 2 研究意义 海洋工程地质做为一门综合的边缘学科，其研究范围相当广泛。多年来， 国内外学者对黄河三角洲、辽河三角洲、南沙群岛海域、南海珠江口盆地、南黄 海海域的海洋工程地质条件从不同的角度，综合各门相关学科进行了大量的研 究，并对各个海区工程地质条件进行了区划、评价。虽然有学者对研究区进行了 工程地质分区，但并没有考虑到在海洋石油钻井平台在不同分区的适应性。本文 通过对曹妃甸浅滩工程地质的研究可以进一步丰富中国近海海域海洋工程地质 资料，并能为海洋油气的勘探开发提供参考，降低海洋钻井平台的作业风险，提 高海洋钻井平台的生产效率。 0 3 研究内容 曹妃甸浅滩原为古滦河扇形三角洲，形成于全新世中期( 距今80 0 0 30 0 0 年) ，滦河1 3 东移后，物源断绝，区内表层松散沉积物在波浪、潮流等因素的作 用下，沙坝上部地层中的细粒物质被侵蚀搬运到水动力较弱的深水和近岸内，而 较粗的细砂、粉砂被保留下来，从而构成了在沙坝蚀退过程中形成的表层沉积体， 形成了现今的障壁岛泻湖体系。研究区内，自西向东分布有曹妃甸、腰坨、草木 坨、蛤坨等若干砂岛和沙坝，距岸1 0 一2 0k m 不等，呈带状分布。这些障壁岛 大潮时淹没，小潮时大片浅滩出露海面。 本文在综合分析了海底地层的分布特征及力学性质，并对研究区内地层在 垂向分布做了划分；论述表层砂体强度特征及其控制因素；对海洋钻井平台在表 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 层沉积体插桩深度的控制因素及计算方法做了初步的探讨，给出了可行的解决方 法，为日后类似的施工提供借鉴。 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 1 研究区概况 1 1 研究区地理位置 曹妃甸是位于河北省唐山地区唐海县南部海域中的一个障蔽岛州e s w 向) ，高潮时淹没，低潮时露出水面，曹妃甸以北大片沙质浅滩东西长达2 1k m ， 南北宽达1 5 - - 2 0 k m ( 图1 1 ) ，在曹妃甸西南及南面水域宽阔，水深条件为渤海 湾内最佳区域，- - 3 0m 以上水深的水域面积长1 3k m ，宽4k m ，其余的水域， 水深一般都在一2 0 m 以下。水路南距天津新港6 9k m ，北距秦皇岛港1 6 6k m 。 曹妃甸浅滩包括障蔽内潮坪区及障蔽外浅海区。障蔽内潮坪区为低能环境， 主要受潮流控制，发育有小型潮汐三角洲及指状沙脊；障蔽外浅海区受波浪、潮 流控制，局部发育沙波。 1 】8 。3 0 ，11 8 。4 0 ， 图1 一l 研究区位置图 4 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 1 2 研究区气象条件 1 2 1 气温 该地区多年年平均气温为1 2 6 ，而多年月平均最高气温为2 6 1 ( 8 月) ， 月平均最低气温值为一2 5 ( 1 月) 。渤海湾多年来记录到的极端最高温度是4 3 7 ，极端最低温度在- - 2 0 以下( 曾记录到一2 8 5 ) 。 该区的年温差在3 0 。以上，月温差为7 9 ，气候属大陆型。 1 2 2 降水 该区的多年平均降水量为6 4 6 9m m 年，最大年降水量为8 2 1 6 m m 年，最 小的年降水量4 7 2 2 舢州年，年降水量变化率在1 1 2 7 。 本区年降水量分布不均，主要集中在夏季( 7 、8 月份) ，约占全年降水量的 6 4 3 ，冬季( 1 、2 月份) 降水量最少，仅占全年降水量的1 1 。 1 2 3 风 ( 1 ) 季风：渤海处于东亚季风气候区，冬寒夏暖，四季分明，风向的季节 变化显著。图1 2 给出了累年的风向、风速玫瑰图。可以看出，全年以s 、n w 、 s w 、e 风为主j 风频率分别为1 0 、9 、9 、9 ，s e 、s s e 、w s w 、w 次 之，为7 ，静风最少，为l 。 冬季( 1 2 至翌年2 月) ，n w 风占主导地位，静风较少，e s e - - s s e 各向风 也很少出现。代表月为1 月份，以n w 向风出现频率最高，为1 7 ，其次为w 和e ，出现频率分别都为1 0 ，静风、e s e - - s s e 各向风也很少，频率均为2 。 春季( 3 5 月) 为冬季向夏季过度的季节。与冬季相比，春季的风向比较 分散，且偏北风明显减少，偏南风明显增多。代表月为4 月份，以s 风出现频率 最高，1 4 ，其次为偏e 风，出现频率为1 0 ，n n e 、w n w 各向风也很少， 频率均为2 ，静风最少，频率接近零。 夏季( 6 8 月) 各月与冬季相反。风向多集中在s s e 各向。w n n w 各向风很少出现，代表月为7 月份，以e 、e s e 、s e 、s s e 、s 风出现频率最高， 分别为1 0 、1 0 、1 5 、1 1 、1 1 ，w n w - - n n e 各向风也很少，静风最少， 频率接近零。 秋季( 9 一1 1 月) 和夏季相比，偏北风和偏西风出现频率明显增多，e s e 向风相对偏少，9 、1 0 月份风向相对分散一些，1 1 月份已接近冬季风特征。代表 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 月为1 0 月份，以s w 、n 风出现频率最高，为1 1 ，静风最少，频率接近l 。 研究区平均风速较小，为4 1 m s 。各月平均风速以4 月份最大，为4 7 m s ： 1 月份为最小，为3 - 3m s 。全年以e s e - - s s e 风速较大，平均为5 2m s ：n w 向 风速最小，平均为2 9m s 。 各月最大风速以6 月份最大，风速为i 9 4r n s ，出现在2 0 0 4 年6 月1 6 日， 受热带气旋影响产生。极大风速也出现在6 月份，出现在2 0 0 4 年6 月1 2 2 日。 ? 厂 ：一 n 肜 一 l r 、r 、i ；f 、，r 、r 、n 图1 2 累年各风向频率玫瑰图 ( 2 ) 大风：风速大于8 级( 1 7 2m s ) 的风为大风，大风对该区海上作业会造 成很大的影响，如与天文大潮相遇，常造成风暴潮，使海水倒灌，造成严重的危 害。 据塘洁站统计资料，多年平均大风日数为4 8 9 天，其中主要集中在春季( 约 占3 6 ) 和冬季( 约占2 5 ) ，夏秋频率较低，分别为2 0 左右。 大风的风向与季风类似，冬季以北和西北风为主，夏季以南风为主，偏西 南风与偏东南风次之。 表l 一1 给出了1 9 9 6 - - 2 0 0 4 年风观测资料各月不低于8 级大风的天数。可 以看出春季及秋季出现不低于8 级大风的天数较多，夏季和冬季较少。春秋季出 现大风偏多的主要原因是由于气旋的影响。 6 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 表】一1 历年各月不低于8 级大风日数( 1 9 9 6 - - 2 0 0 4 ) 月份 年份年合计 l23 4 56789l ol l1 2 1 9 9 62243312l32623 1 1 9 9 7224l 7 2o223lo2 6 ， 1 9 9 8313o341l037l2 7 1 9 9 9l226542o22ol2 7 2 0 0 0424742ll14l1 3 2 2 0 0 l236533521 2323 8 2 0 0 23 o55l0 o1 l 3lo 2 0 2 0 0 3lo o4ll 0ol6442 2 2 0 0 4l3 4ll31l 2oo11 8 合计1 91 5 3 2 3 22 82 01 291 42 52 31 22 4 l 平均2 11 73 63 63 12 21 3l1 62 82 61 32 6 8 ( 3 ) 风不同重现期推算 多年一遇大风风速是滩海工程设计必需的重要参数。多年一遇大风风速的 推算需要当地2 0 年以上大风风速极值序列，研究区仅有短时问的风资料序列， 由于两地位置较近，具有一定的相关性，因此选择塘沽观测站的大风年极值序列 资料，利用其相关公式将塘沽站的大风年极值推算到本海区大风极值序列。 a 相关分析 对塘沽与本海区逐时风速数据进行统计，经分析比较，风速的大小变化基 本一致，如果不分方向，所有的数据集中一起计算，向关程度不是很高，但如果 分方向进行相关计算，n w 、n 、n e 、e 、s e 向风速相关较好，其他方向的风相 关性仍然不高，这可能与地形及陆上建筑物的影响有关。 经过统计分析，塘沽站1 9 8 0 - - 2 0 0 4 年2 5 年间，年风速极值多出现在n w e 向( 顺时针方向) ，其中1 0 m i n 平均最大的年风速极值出现在1 9 8 5 年的强冷 空气影响期间，风向是n n w 向，次年风速极值出现在n n e 向，因此，可以认 为塘沽的大风速将出现在n w e 向范围内，在这几个方向塘沽站的风速与本海 区的相关性也较好。 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 根据相关关系，将塘沽站2 5 年的n w 、n 、n e 、e 、s e 向( 左右各2 2 5 。 的范围内选取) 的年极值风速相关到本海区，建立年极值序列，进行多年一遇极 值风速推算。经计算相关系数分别为0 7 5 、o 9 1 、0 8 4 、o 8 5 、0 7 2 ，建立相关公 式为： y = 0 9 6 x 十1 3 2 ( n w 向) y = 1 0 5 x + 0 7 0 ( n 向) y = 1 0 8 x + o 8 4 ( n e 向) y = 0 9 1 x + o 7 9 ( e 向) y = o 8 5 x + 1 1 9 ( s e 向) 其中：x ，y 分别代表塘沽、曹妃甸海域多年一遇极值风速。 b 多年一遇大风风速年极值推算 为保证既有足够长的风速极值序列，又可尽量使用准确资料，选取1 9 8 0 2 0 0 4 年塘沽站8 个方位的年大风极值( 1 0 m i n 平均风速) 序列作为基本资料，利 用上述公式换算成本海区n w 、n 、n e 、e 、s e 五个方位的年大风极值序列，分 别推算这五个方位的多年一遇极值。同时，为便于参考，计算出了塘沽站8 个方 位n 、n e 、e 、s e 、s 、s w 、w 、n w 多年一遇值，如表l 一2 。 表l 一2 塘沽站各方位不同重现期极值风速 重现期，c a ) 风向 25 1 0 2 5 5 01 0 0 n18 o 2 2 92 6 23 0 93 3 83 6 8 n e1 9 2 2 3 42 6 02 9 93 2 13 4 5 e1 6 3 1 9 22 0 82 3 62 5 02 6 3 s e1 3 1 15 81 7 31 9 82 1 22 2 5 s 1 3 51 6 5 l8 92 1 8 2 3 92 6 5 s w1 3 3 18 o2 0 52 4 32 6 92 9 o w1 2 3 16 51 9 12 2 92 5 02 6 9 n w1 7 1 2 1 42 4 32 8 3 3 1 0 3 3 5 由于本海区s 、s w 、w 三方位的风速与塘沽站的同方位风速逐时相关性较 差，不能直接把塘沽站的年极值序列引申到本海区，但根据1 9 9 9 年4 月至1 9 9 9 8 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 年1 1 月的风实测资料比较分析得知，在相同天气系统中，本海区1 0 m i n 平均风 速除s 向风，s w 、w 向风速约大于塘沽站。根据实测资料对比统计，得出本海 区较塘沽站s 、s w 、w 三方位风速的订正值。根据此订正值可以得到本海区s 、 s w 、w 三方位的风速多年一遇极值。 ( 4 ) 热带风暴：台风是强烈的气旋性风暴，是我国沿海地区重大的灾害性 天气之一，每年夏秋季，我国海岸带均可能受到台风的袭击，但台风中心大都不 经过本区，辽宁、河北和天津沿岸是台风影响最小的地方。从1 9 4 9 1 9 8 0 年3 2 年中仅有一次台风经本区在塘沽附近登陆。 虽然台风中心路径很少进入渤海，但北上的台风其强大的气压能引起渤海 湾的大风，如遇上天文大潮则可能引起风暴潮，这是渤海湾风暴潮产生的原因之 一，应引起足够的重视。 1 2 4 雾 大气中水汽凝结物使能见度距离小于lk m 时：称此天气现象为雾。它是危 害海上航行、港口作业、海上石油勘探与开发、渔业生产等的灾害性天气。 渤海周边平均雾日为5 1 5 天，海峡地区可达3 0 天。雾一年四季都可能发 生，但研究区附近以秋冬季( 1 l 一3 月) 最多，且大都出现在早晨。 1 2 5 海浪 表l 一3 为本海区各向风浪频率，可以看出各向风浪频率的季节变化计较明 显。春季( 4 5 月) 风浪以e n e 、e 和s 向频率相对较大，其中e n e 和s 向频 率最大，各占1 3 ；e 向风浪出现的也较多，频率均在1 0 。w n n w 向风浪 频率最小，都不超过3 。夏季( 6 8 月) e 、s 向风浪频率最大，l l ，s e 、 n e 向频率次之，为6 和7 。w n 方向出现频率都不超过1 。秋季( 9 一 l o 月) s w 向风浪最多，频率分别为9 ，w n w - - n w 向次之，分别为8 和7 。 表l 一3 各向各季风风浪频率( ) 季 浪向 节 nn n en ee n e ee s es e s s e ss s ws ww s 臀w脯肼n 唧 春 ll4 1 31 06l51 3l4l2 l 3o 季 夏l17 51 13651 1l523o1o 9 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 季 秋 45675 3 3 l6 397 4 874 季 表1 4 为本海区各向涌浪频率，可以看出全年中4 5 月份涌浪出现频率 最高，在3 0 - - 3 8 之间。春季( 4 5 月) s 向涌浪占明显优势，频率为2 3 ； s w 向次之，5 ；其他各向极少出现涌浪，频率均不足2 。夏季( 6 8 月) 涌浪集中在s e 向，频率高达1 1 。其他方向极少出现涌浪。秋季( 9 1 1 月) 涌浪仍然集中出现在s e 向，频率为7 ，其他各向很少出现涌浪。将各向的风 浪频率和涌浪频率进行分析得出，风浪频率远远多于涌浪频率，主浪向为e s e 向。将4 1 1 月各向的风浪频率和涌浪频率之和进行分析，可以得出全年的波浪 频率以s 向最突出，e 和s e 次之，e n e 和s w 再次之，如图1 4 。 表1 4 各向各季涌浪频率( ) 季 浪向 节 nn n en ee n eee s es es s ess s ws ww s 聊哪阿n w 春 o0l01 l l 2 2 32 5 000o0 季 夏 o0o ol11 ll20l00 00 0 季 秋 ooo0l27l1ol00o00 季 f 一 一 n w f | 一 v ，- 、r 、t i f 、，r 、r 、t 、 l o 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 图1 3 各向风浪频率玫瑰图 表1 5 研究区1 9 9 9 年4 1 1 月波高统计 月份 45 6 789l o1 1 月平均波高0 4 o 3 o 3o 1 o 1o 1o 2o 2 1 月最大波高 3 o 2 2 3 o1 91 8 1 72 93 3 月平均周期 5 34 34 82 13 53 43 33 5 月最大周期 1 3 98 81 4 28 67 97 55 48 2 从表1 5 中可以看出，4 6 月的月平均波高、月最大波高、月平均周期和 月最大周期，4 月最大。7 9 月的月平均波高最小，9 月的月最大波高最小，7 月的月平均周期最小，1 0 月的月最大周期最小。 各向平均波高( h ) 、十分之一波高最大值( h l ，l o ) 和百分之一波高最大值 ( h 1 1 0 0 ) 的分布图1 4 所示。可以看出n e 各向平均波高稍大，为o 6 0 7 m ； n n w 向平均波高最小，为o 1 m 。n e 各向h l l o 和h m o o 均较大，其中e n e 向h l ，l o 和h l 门最大，分别为2 5 m 和3 0 m 。w 向h m o 和h m o o 较小。 由表2 6 可以看出s 向最突出，频率最大，而且大波高的频率s w 、e n e 较大。本海区附近的常浪向为偏s 向，强浪向是偏e e n e 向。 各向平均周期和最大周期的分布如图卜一5 所示。平均周期n 向最大，为 4 4 s ，n n w 向平均周期最小，为3 2 s 。 最大周期的个向差别较大。n e s 各向较大，均大于9 o s ，其中e s e s 各向大于1 3 ，o s ，s 向最大，为1 4 2 s ，w n w - - n n w 各向较小，均小于5 0 s ，向 最小，为4 2 s 。 曹妃甸浅滩海洋丁程地质特征及插桩深度研究 j 厂 ：“ 盼三，入，ne- n e 一 一 ( 、f 、而卜 l f 、f 、n l l 啁磋股高一一l l 嘘衬潞一l 1 吣民匙波高 图1 4 各向波高分布 厂 ：一 n w j ! n e 一 ，、r 、1 t f 、 一一1 1 0 最大波高 一1 1 0 0 最大波高 图1 5 各向周期分布 1 2 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 表1 - - 61 9 9 9 年4 1 1 月各级别波高频率表 波高级别 方位 o o 40 5 一o 91 o 1 41 5 一1 92 o 一2 4 2 5 2 93 o n1 1 3o 3 1o 3 lo 1 0 0 o oo 0 0o o o n n e1 3 3o 8 2o 1 0o 1 0 o 0 0o o o0 0 0 n e2 0 52 4 6o 9 2o 6 lo o o o 0 0o o o e n e1 9 52 3 62 1 51 1 3 o 2 0o 1 0o o o e4 1 02 1 52 0 50 4 lo o o o 0 00 o o e s e2 7 71 2 3o 6 10 3 1o 0 00 o oo 0 0 s e7 4 82 3 6o 8 2o o oo o oo o oo o o s s e1 4 32 0 5o 7 20 3 1o 0 0o 0 0o 0 0 s6 9 76 8 61 9 5o 1 0o 1 0o 0 0o 0 0 s s w1 3 3o 2 00 4 10 o oo o o0 0 0o 0 0 s w 5 6 41 6 4o 4 10 1 0o 2 0o 1 0o 0 0 w s w1 9 51 0 2o 3 1o 2 0o 1 00 0 0o 0 0 w1 9 50 8 2o 0 0o 0 0o 0 0o 0 0o o o w 哪2 8 7o 3 lo o o 0 0 0o o oo 0 0o o o 唧2 0 5o 9 2 o 2 0o 1 00 o o0 0 0o 0 0 n 唧1 4 3o o o 0 o oo 0 0o 0 0o 0 0o 0 0 1 2 6 潮汐与潮流 a 潮汐特征 研究区潮汐主要受黄河口外半日潮旋转潮波、秦皇岛以北外海半日潮波及 渤海海峡日潮旋转潮波三个潮波系统的影响，如图1 6 、l 一7 所示。 1 3 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 图l 一6 半日潮波系统( m 2 分潮) 图1 7 半日潮波系统( k 1 分潮) 研究区内潮波属北渤海潮波系统，潮波性质为不正规半日潮，但向东从滦 河口至七里海是不正规半日潮向不正规全日潮转化，至秦皇岛则变为不正规全日 潮。潮流方向近东西，涨潮流向西，落潮流向东，在曹妃甸一带，由于受沙坨和 潮沟的影响，潮流方向稍有变化。 渤海北岸的潮差由于m 2 无潮点的影响由东向西潮差逐渐增大，秦皇岛为 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 2 0m ，而塘沽可达5 1 m 。本区在3 0 5 o m 之间。 考。 根据调和常数计算出区内主要潮汐特征值，如表1 7 ，供在生产活动中参 表1 7 研究区潮汐特征值单位：c m 要素名称特征值 主要日分潮与主要半日潮振幅之比 0 8 4 0 4 6 3 主要半日分潮振幅之比 0 2 6 5 5 2 6 主要日分潮振幅之比 0 8 2 9 9 4 1 半日潮龄 6 5 h 5 7 m i n 日潮龄 4 7 h 2 l m i n 平均潮差 1 3 3 6 5 0 4 平均半潮面 1 7 7 9 9 7 1 平均高潮位 2 4 4 8 2 2 3 平均低潮位 1 1 1 1 7 1 8 平均大潮差 1 6 3 1 0 7 6 大潮平均半潮面 1 7 7 9 9 7 1 大潮平均高湔位 2 5 9 1 0 8 5 大潮平均低潮位 9 6 0 0 0 8 8 平均小潮差 1 0 4 6 0 3 8 小潮平均半潮面 1 7 9 3 6 8 4 小潮平均高潮位 2 3 1 6 7 0 3 小潮平均低潮位 1 2 7 0 6 6 4 平均高高潮位 2 4 2 3 6 2 2 平均低低潮位 2 3 9 7 6 0 5 平均高低潮位 7 6 5 0 5 6 9 平均高高潮间隙 1 5 h 1 8 m i n 平均低高潮间隙 2 h 5 2 m i n 平均低低潮间隙 2 1 h l m i n 平均高低潮间隙 8 h 3 8 m i n 平均大的潮差 1 6 5 8 5 6 5 平均小的潮差9 4 3 1 0 5 6 注：表内各值起算面均为当地验潮零点 1 5 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 b 潮流特征 在曹妃甸一带涨潮流流速为o 5 一o 8 节，落潮流为0 8 1 o 节。通过计算 扣除周期性潮流之外所剩余流构成渤海环流系统，流速一般为o 2 一o 4 节，方向 为环渤海湾逆时针方向流动，这一环流将大量滦河输送的悬移质带向本区和渤海 湾项。 1 2 7 风暴潮 由大风和大气压力剧变使海面产生短时间的异常升高现象称为“风暴潮”， 也称“风增水”或“气象海啸”，它对渤海沿岸的海上运输、渔业、海产养殖以及海 上石油勘探与开发都会造成很大的危害。 包括研究区在内的渤海湾沿岸是风暴潮严重的地区之一，据不完全统计， 解放前的4 0 0 年间曾发生较大的风暴潮3 0 余次，其中以1 8 9 5 年4 月2 8 日_ 2 9 日的潮灾最甚，激烈的风暴伴随着二十英尺高的海溢，使渤海湾沿岸变为泽国。 产生风暴潮的天气主要有三种类型：第一类为变型场强冷锋型，多发生在 春秋，这种风暴潮的最大增水率可达5 0c m h ，最大增水3 3m ，最高水位可达 6 2m ，形成强烈的风暴潮；第二类是冷高压前部冷锋型，多发生在冬季，也见 于春秋，造成渤海湾和莱州湾增水；第三类为台风型，台风进入渤海时形成巨浪， 使迎风岸水体堆积，引起水位急剧上升，造成严重的灾害。由于台风很少进入渤 海，所以研究区内发生台风型风暴潮的几率很低，引起渤海湾风暴潮的主要是前 二种天气类型，但对北上的台风造成风暴潮的危害却不可忽视，因为台风型风暴 潮强度大，往往造成更大的危害。如1 9 9 2 年8 月3 1 日一9 月1 日台风北上，加 上正遇天文大潮，使渤海发生了很大的风暴潮，造成很大的经济损失，塘沽验潮 站水位达到5 8r n ，比正常潮位高1 5m 。 应当指出的是向岸风增水，而背岸风减水，增减水交替出现，即大增之后 必然是大减，反之大减之后伴随着大增。另外在天气急剧变化时则往往出现短时 期的此增彼减。应当注意，减水也会给海上运输及海上施工带来危害。 根据多年的统计资料，渤海特大风暴潮发生的几率大约是每十年1 次。 1 2 8 海冰 渤海湾1 、2 月份年平均气温在一3 o 左右，所以每年都有海冰出现。测 区初冰平均气温为一3 2 。据1 9 6 3 1 9 9 0 年2 8 年的观测资料，海域初冰日最 1 6 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 早为l o 月2 8f i ( 19 8 6 年) ，最晚为1 2 月3 1 日，终冰日最早为1 月1 6 日，最晚为 4 月4 日。冰期最长1 3 9 天，最短3 4 天。冰期内最多无冰日5l 天，最少1 5 天， 平均3 l 天。盛冰期在1 月上旬至2 月中旬。测区固定冰的宽度一般为3 o 一4 o k m ， 冰厚2 0 - - 3 0 c m ，最大可达4 0t i l l ，但在冰情严重期，最大厚度可达5 0c m ，冰的 堆积高度可达2 4m 。 本区海域流冰大致沿1 0 1 5m 等深线分布，流冰厚度为1 0 3 0c m ，流冰 漂流方向比较分散，基本上各方向上都有，但主要集中在偏东南和西北方向上( 即 渤海湾主轴方向) ，流速0 4 一o 6m s ，最大为1 1m s 。 1 2 9 地震 包括本区在内的唐山地区是地震多发区。东径1 1 7 。3 07 1 2 0 。0 07 ，北纬 3 8 。3 0 - - 4 0 。0 07 范围内，从1 5 2 7 年至1 9 9 1 年5 月3 0 日共4 6 4 5 年内，共 发生3 o 一4 6 级地震6 2 5 次，频率为13 5 次百年，4 7 5 9 级地震6 0 次，频率 为1 2 9 次百年，6 o _ _ 6 9 级地震6 次，频率为1 2 9 次百年，7 o 一7 9 级地震4 次，频率为0 8 6 次百年。 地震震源深度一般在2 0k m 左右，最浅的 1 7 粘土 1 0 l p 1 7 粉质粘土 i p 1 0 粉土 3 2 2 海底沉积物分布规律 据海洋工程地质调查规范( z b 一9 0 ) 把研究区底质沉积物共分为1 6 种类型， 据建筑地基基础设计规范( g b j 7 - - 8 9 ) 共分为4 种类型( 如表3 4 ) 。 曹妃甸浅滩海洋工程地质特征及插桩深度研究 表3 4 分类命名对比表 海洋工程地质调查规范 建筑地基基础设计规范 z b 一9 0 g b j 7 - - 8 9 1 重粘质粉土 v c l - - s i 粉质粘土( 淤泥) 2 粘质粉土 c 1 一s i 3 轻砂重粘质粉土s s a v c i - - s i 4 轻砂粘质粉土s s a c i - - s i 5 轻砂轻粘质粉土s s a s c i - - s i 粘质粉土 6 砂质粘质粉土 s a c i - - s i ( 淤泥质粉土) 7 砂质轻粘质粉土s a s c i - - s i 8 重砂粘质粉土v s a c l - - s i 9重砂轻粘质粉土v s a s c l - - s i 1 0 重粉质轻粘质砂土v s i s c i s a 1 1 重粉质砂土 v s i s a 粉砂 1 2粉质轻粘质砂土s i s c i s a 1 3 粉质砂土 s i s a 1 4轻粉质砂土 s s i s a 1 5轻粘质砂土 s c l s a 细砂 1 6砂土 s a 现将海底沉积物分布规律由粗到细描述如下： 1 、轻粉质砂土( s s i - - s a ) 、轻粘质砂土( s c i - - s a ) 及砂- - _ ( s a ) - - 细砂主要分布 于东坑坨、西坑坨、蛤坨、草木坨、腰坨、曹妃甸等区域，粒径组成为大于0 0 6 m m 的颗粒重量百分含量高于8