（海洋地质专业论文）洋山港建设中若干环境地质问题的研究.pdf

洋山港建设中若干环境地质问题的研究 王其林 【摘要】运用地质学的原理和方法，论述洋山港建设和地质环境之间 的关系，探寻在开发利用大、小洋山的过程中，合理利用和保护地质环境 的途径，并提出合理的意见和建议，从而促进人类与自然的协调发展。 港口建成后，港池和航道的淤积是港口建设引起的重要的环境地质问 题，它直接关系到港口的正常营运，为此，本文在研究洋山海域泥沙特性 的基础上，对洋山港一期工程港池和进港航道的淤积情况进行了计算，并 提出了计算淤积时应考虑悬沙直接落淤和斜坡泥沙下滑所造成的间接落 淤。 洋山港建设过程中，港池和航道淤泥多用来吹填造陆，但是吹填土地 基软弱，必须对其进行加固处理，本文通过一系列的土工试验，提出了不 同于以往加固软土地基的方法，即不是在吹填完成后再进行加固处理，而 是在吹填过程中通过在吹填土中掺入适量的粉煤灰，利用粉煤灰的透水性 强的特点来对吹填土进行加固，并对粉煤灰加固吹填土地基的机理进行了 分析和探讨。 【关键词】洋山港地质环境港池航道淤积加固 t 胍e n v ir o 砸n tg e o l o g yp r o b l e mr e s e a r c ho f 啪s 础哦h a r b o rc o n s t r u c t w a n gq i l i n a b s t r a c t u s i n gt h et h e o r ya n dm e t h o do ft h eg e o l o g y ，t h ep a p e rd is c u s s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n y a n g s h a nh a r b o rc o n s t r u c ta n dg e o l o g y e n v i r o n m e n t ，s e e kt h ea p p r o a c ho fr e a s o n a b l eu t i l i z i n ga n dp r o t e c t i n g g e o l o g ye n v i r o n m e n t ，a n db r i n gf o r w a r dr a t i o n a lp r o p o s ea n dp r o m o t et h e h a r m o n yd e v e l o p m e n tb e t w e e nt h eh u m a nb e i n ga n dn a t u r e t h ef il lin g u po ft h eh a r b o r p o o la n ds e a 。r o u t eisi m p o r t a n t e n v i r o n m e n tg e o l o g y p r o b l e ma f t e rt h eh a r b o rb u ii t ，i ta f f e c t st h e n a t u r a lr u n ，o nt h eb a s i co fr e s e a r c h i n gc h a r a c t e r i s t i co fm u da n ds a n d o ft h ey a n g s h a ns e aa r e a , t h ep a p e rc o m p u t et h ef il lin gu pq u a n tit yo f t h eh a r b o rp o o la n ds e a r o u t ea b o u tt h ef i r s tp r o j e c t ，a n dc o m eo u tt h a t t h ef i l l i n gu pi n c l u d et h eh a n gs a n da n dt h es a n do nt h es l o p e d u r i n gt h eb u i l do fy a n g s h a nh a r b o r ，t h es i l to fh a r b o rp o o la n d s e a r o u t ew i l lb eu s e df o rb u i l d i n gl a n d ，h o w e v e r ，t h eh y d r a u l i cf i l lo f s i l t ym u di sw e a k ，i tm a s tb ec o n s 0 1 i d a t e d a f t e ras e r i e s o ft e s t ，t h e p a p e rc o m e o u tan e ww a yt oc o n s o li d a t ew e a kf o u n d a t i o n b y m i x i n g p r o p o r t i o no ff l ya s hd u r i n gt h eh y d r a u l i cf i i i i na d d i t i o n ，t h ep a p e r a n a l y z ea n dd i s c u s st h et h e o r yt h a tt h ef l ya s hc o n s o li d a t e t h e h y d r a u l i cf i i is i l t ym u d k e yw o r l d s ：y a n g s h a nh a r b o rg e o l o g ye n v i r o n m e n t h a r b o rp o o l s e a - r o u t ef i l lu p c o n s o li d a t e l 绪言 1 1 研究意义 1 绪言 建设上海国际航运中心是党中央国务院的重要战略部署，是实现十四犬以 上海浦东开发为龙头，迸步开放长江沿岸城市，尽快把上海建成为国际经济 金融贸易中心之一，带动长江三角洲和整个长江流域地区经济的新飞跃”伟大 战略决策的客观需要。按照中央的部署和上海发展的需要，上海市要建设成为 世界范围内的一个重要的国际航运中心，要实现这个目标，没有一个优质的深 水港是不行的。国际航运发展的大趋势是集装箱化和集装箱轮的大型化。装载 5 0 0 0 标准箱的第五、第六代集装箱轮吃水深度1 4m 左右，而上海黄浦江水深 只有1 0m 多( 即使1 7 0 0 左右标准箱的第二代集装箱轮，也只有在涨潮时才能 进来) ，有些集装箱运输只能通过日本神户港和韩国釜山港转运。在国际航运界 激烈竞争环境下，这将严重阻碍上海成为航运中心的发展，因此，迫切需要在 上海地区建造深水港。上海建造深水港的选址准备工作好多年前就己开始了， 由于吴凇口水深不够；金山海边选址要疏浚深挖，试验下来也不行( 台风季节 泥沙回淤严重) ，最后确定在南汇县芦潮港东南2 7l ( i i l 的大、小洋山处，它位于 浙江省舟山市嵊泗县崎岖列岛海域，由大洋山岛和小洋山岛及附近若干小岛组 成，总面积9 3 平方公里，规划新建吞吐能力为1 0 0 0 万t e u 的深水港。洋山深 水港工程是和长江三峡、青藏铁路等并驾齐驱的全国特大型项目，总投资超过 5 0 0 亿元，对工程的可行性论证包括许多课题，对建设中遇到的或可能引起的 环境地质问题的研究也是其中重要课题之一，对这个课题进行研究的目的是为 了解决在开发大、小洋山海域建设深水港的同时，怎样才能协调人、资源、环 境这三者之间的关系，合理开发和保护天然资源，评价和预测自然地质作用和 人为地质作用对人类可能造成的危害，采取适当的举措来减少这种危害带来的 损失，增进人类健康，同时可以促进规划方案更加合理化，使港口建成后更好 地发挥其经济效益，也能使人类在开发利用地质环境的同时，达到入与自然的 协调发展。 在人类社会发展的初期，地震、洪水、火山等地质灾害作为自然环境灾害 的主要组成部分，给人类的发展带来制约和种种磨难。随着历史的推进，经验 l 绪言 积累和科学技术的不断进步，人类逐渐认识到这些自然环境灾害虽不可避免， 但经采取一定的措施，可以有效地减少其对人类的危害程度。进入2 0 世纪以来， 随着人口的剧增，人类生产活动领域的不断扩大，城市化、工业化迅速发展， 矿产资源大量开采，大规模工程建设的实施，地球的表面受到了人类活动的强 大冲击，人类的活动强烈地改变着地球的面貌，其规模和速度可以和天然地质 作用相比拟，由人类诱发的地质灾害也与日剧增，环境恶化以指数率增长着， 严重影响了人类的自然环境。洋山深水港建设是一个重大项目，它的建设和运 行将极大地改变洋山海域的现有面貌，探寻此重大工程活动是否会因自然地质 作用和人为地质作用造成危害，将决定工程建设能否成功和建成后能否发挥作 用的重要因素，具有很强的实际意义。 1 2 研究现状 洋山深水港方案的出台引起全国有关方面的重视和关注，目前争论的焦点 主要是洋山港方案不确定因素很多，风险较大。国际远洋大型集装箱深水港的 建设，是一个庞大复杂的系统工程，必须进行长期的观测、资料的积累和认真 的分析研究。从国内外大型深水港建设的经验和教训，以及已经掌握的相关资 料看，目前提交的洋山港建设方案较粗，所有数据累积时间较短，要让洋山港 工程在施工建设和建成后长期运行过程中，经济上是合理的、技术上是可行的、 工程上是可靠的、生产上是安全的，尚需更全面的考虑各方面的影响因素，如 其建设过程中遇到或可能引起的环境地质问题，这些问题主要有： 1 ) 大小洋山正处于舟山群岛西北海域、杭州湾东侧、大戢洋南侧、长江口 下泄泥沙的漂淤区。该海域流急，时速达6 节；浪大、含沙量高，最大浓度4 2 l - - 6 7 6 k g m 3 。由于建港需要，计划把1 0 多个分散在该海域的岛礁，通过填海 造陆，形成一个3 0 平方公里左右的人工岛；同时还要建造约3 0 公里长的连接 南汇芦潮港的陆岛跨海大桥。这些工程的实施，将改变现有海域的流场和流态， 使淤积进一步加重。方案选定的洋山港东侧1 0 7 公里进港航道中，有9 公里航 道水深仅为负9 公尺，不符合大型、超大型集装箱船对航道水深负1 5 公尺的基 本要求。需要开挖和竣深才能使用。但由于航道走向与该海域的主浪方向成9 0 2 1 绪言 度角，将出现严重的泥沙淤积。目前对港池和航道的淤积估算没有考虑因水下 滑坡所引起的间接淤积，以及抛掷航道开挖和竣深所产生的污泥。也会对周围 海区的环境产生影响，这些方面都需作进一步的研究。 2 ) 港口运输与安全生产条件差。洋山港区孤悬于开阔的海域内，该海区风 大流急，在半径2 5 公里的海域范围内无任何有效的天然屏障，且洋山港区陆域 狭小，经填海造陆后，平均海拔高度仅4 5 公尺左右，掩蔽泊稳条件很差。春 夏秋冬一年四季不管来自东西南北哪一种风向，凡6 级风以上就无法开展正常 的生产和装卸作业。俗话说：“无风三尺浪，有风三丈浪”。自1 8 6 4 年开通宁波 上海大型海上客运和货运航线以来，甬沪两地人民对大戢小戢洋面的恶劣海 况记忆犹新。杭州湾地区和长江口，又是台风直接影响区，每年七、八、九三 个月，总有数次台风直接侵袭该区或受外围影响，港区将无法生产和作业。 3 ) 小洋岛的奇峰异石与沙滩是国家级嵊泗列岛风景名胜区中离上海最近的 一个景区。目前的规划方案要开山填海，将破坏岛上大部分旅游资源，因此， 探寻洋山港建设的同时，怎样不破坏原有的人文及自然景观，也非常重要。 4 ) 规划洋山港区由于陆域面积狭小，建港用地需通过大量的滩涂添筑形成。 利用港池、航道的疏浚土进行港区陆域吹填是洋山港区建设发展的一个重要途 径，它既可以减少外海抛泥量，又合理地利用了资源，但根据疏浚区地质钻孔 资料，进港航道浅段的疏浚土为淤泥质土、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土，直 接吹填成的陆地地基具有强度低的特点，容许承载力一般小于i o o k p a ，例如， 荷载试验表明江阴某船厂、芜湖某港吹填土地基的承载力只有8 0 k p a 。因此需 要对吹填土进行加固后才能在其上营造建筑物，过去许多吹填土地基加固的措 施，如强夯、碎石桩、石灰桩、灌浆、水泥土搅拌桩等都是采用吹填之后进行， 代价较高，在吹填过程中就开始采取加固措施并且降低加固费用成为吹填土加 固的新的研究课题，这方面的前期研究还没有入做过。 5 ) 小洋山的花岗岩体内节理与断裂十分发育，节理和断裂将花岗岩切割成 众多大小不等的石块，这些石块的稳定性如何，是否会在洋山港建设中或者建 成后发生滑坡以及针对此港口建设应该注意些什么问题，这些至今也没有人研 究过。 1 绪言 1 3 研究内容 针对以上问题，本文的主要研究内容是： 1 运用地质学的原理和方法，论述洋山港建设和地质环境之间的关系， 探寻在开发利用大、小洋山的过程中，合理利用和保护地质环境的途径， 并提出合理的意见和建议，从而促进人类与自然的协调发展。 2 港口建设成后，港池和航道的淤积是港口建设引起的重要的环境地 质问题，它直接关系到港口的正常营运，为此，本文通过水槽试验研究洋 山海域泥沙特性，在此基础上，对洋山港一期工程港池和进港航道的淤积 进行分析计算。 3 洋山港建设过程中，必须对吹填土地基进行加固，本文通过一系列 的土工试验，提出了不同于以往加固软土地基的方法，即不是在吹填完成 后进行，而是在吹填过程中通过在吹填土中掺入适量的粉煤灰，利用粉煤 灰透水性强的特点对吹填土进行加固，并对粉煤灰加固吹填土地基的机理 进行了分析和探讨。 4 论文还对洋山港建设中遇到或可能引起的环境地质问题如：处理部 分港池和航道的疏浚土而对周围海域所产生的影响问题、岩体的稳定性问 题以及如何保护地质景观资源的问题进行了分析和探讨。 4 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 2 1 洋山港方案简介 拟建的上海洋山港区位于杭州湾口北部海域的崎岖列岛水域，北经大戢洋 与长江口相接，东经黄泽洋与东海连通，南临岱衡洋，西靠杭州湾。崎岖列岛 由南、北两支岛链组成，形成东窄西宽面向杭州湾开口的喇叭状水域，北支岛 链包括大乌龟、壳子山、小洋山、镬盖塘、大岸礁、西门堂等岛屿，南支岛链 包括唐脑山、双连山、大塘山、大洋山等岛屿，岛屿总面积9 3 平方公里，各 岛屿间还构成大小不等的众多潮流通道。崎岖列岛及周边海域如图2 1 ，大、小 洋山岛链间水深略图如图2 2 。 图2 1 崎岖列岛及周边海域 、1 0 图2 2 大、小洋山岛链间水深略图 5 2 洋m 港方案茼舟厦洋m 港e 概况 洋山港总体规划依托大、小洋山岛链形成南、北港区，北港区( 小洋山一 侧) 在2 0 2 0 年前分四期实蓝，南港区( 大洋山一侧) 为远景发展预留区。其总 体规划图如下： 图23 洋山港总体规划图 从图23 可知由于建港需要，拟建洋山港是要把崎岖列岛中散落的1 0 多个 岛屿通过填海造陆连接起来，形成一个3 0 平方公里左右的人工岛，同时还要 建造约3 0 公里长的连接南汇卢潮港的陆岛跨海太桥。 2 2 洋山港区概况 洋山港区概况主要包括洋山海域的地质条件和自然条件，它们直接关系到 是否适合在此区域建设港口，以及港口建成后能否发挥其正常的功能，以下就 简要地加以介绍。 2 2 1 地质条件 根据区域地震地质研究及场地安全性评价，从场地区地震地质、地球物理场 和地震活动性的情况分析，确定洋山港址区地质构造稳定，地震活动很弱，场 地和附近未发现有五纽以上潜在震源的依据。 洋山港所属的崎岖列岛为天台山脉东北延伸入海部分，向东为广阔的东海大 陆架海域。再向东是深水区，隔东海海槽与日本琉球群岛相望，大、小洋山岛 屿的形成是地壳新构造运动所致。进港航道区域的大地构造隶属我国新华夏系 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 第二隆起带。表层岩石初步推测为晚侏罗系熔结凝灰岩，基底为燕山期花岗岩。 上伏第四纪地层较为发育，上部一般为砂质粉土及粉质粘土层。下部则为淤泥 质粉质粘土夹粉细砂组成。进港航道自西向东分为3 段，上段靠近马鞍山和虎 啸蛇两岛，表层地层一般为基岩层，板底标高在一2 0 一4 0 m 之间。中上段地层 以砂质粉土和粉质粘土层为主，板顶标高在一1 2 5 一2 0 m 左右，层厚小于l o m ； 中下段地层( 位于小衢山北侧) 一般为淤泥质粉质粘土层、顶板标高在一1 2 7 - - 2 5 9 m 之间，平均厚约l o m 。航道浅段的地层为粉质粘土或淤泥质粉质粘土。 港池、码头区一带水域的表层土，- - 6 6 - - - - - 1 5 8 m 为淤泥，层厚1 5 - 一6 o r e ； 一1 2 6 一8 6 m 为淤泥质粘土。 2 2 2 自然条件 2 2 2 1 风 据小洋山岛观音山1 9 9 7 年8 月- - 2 0 0 0 年8 月实测资料统计分析，本海区受 冬、夏季风影响，全年多偏北和偏东南向风，风向的季节变化明显，夏半年( 4 月0 8 月) 多偏东南向风，东半年( 9 月翌年2 月) 多偏北向风，3 月份冷暖 空气交替频繁，以东南和北风向为主。常风向为n n w - - 一n n e ，合计频率为3 6 3 ； 次常风向为e s e s s e 向，合计频率为3 0 7 。本海区西w n w - - - s s e 走向为强风 轴向，其中w n w - - - - n 向风力相对较强，年平均风速均大于6 o m s ，并以n n w 风向 风力最强、平均风速达7 7 m s ；其次为s s e 向，平均风速为6 o m s 。平均风速 由强风轴向两侧呈逐渐减弱的分布趋势。观测期内实测最大风速值为2 9 1 m s ， 风向为n n w 向，次大值为2 3 3 m s 和2 2 4 m s ，风向分别为s s e 向和n w 向，其 中在大风发生频率较高的偏n 方位( w n w 一- - n n e 向) 和偏s 方位( s s e 、s s w 向) 最大风速均在2 0 o m s 以上。小洋山金鸡门站风频风速统计资料如下表2 1 。 风向 nn n en ee n eee s es es s ess s ws ww s ww删w阿n n w 风要素 风频率( ) 1 6 o1 0 74 75 7 3 37 41 4 29 15 62 o1 61 51 4 2 84 39 6 平均风速( m s )6 。l 4 63 23 2 3 o3 74 85 94 83 63 44 14 36 56 6 7 7 最大风速( m s )2 1 6 2 1 81 3 21 5 81 1 21 3 21 7 32 3 31 5 81 9 81 6 41 8 71 7 3 2 0 42 2 42 9 1 表2 1 小洋山金鸡门站风频风速统计资料表 7 2 洋山港方集简介及洋山港区概况 大风资料：据小洋山金鸡门气象站三年实测风过程资料分析，本海区3 级 风出现的频率最高，占总观测次数的3 2 2 ，小于6 级风的出现频率约占总观 测次数的9 5 0 , 4 0 以上，风力达到或超过7 级风的频率相对较低，约占总观测次数 的1 o 。观测时段内共出现风力3 7 级的大风过程共有6 7 个，大风日数年均 为2 5 0 d ，在6 7 个大风资料中，大风延时3 h 以下共出现3 2 次，频率为4 7 8 ： 大风延时4 , - 一8 h 共出现2 3 次，频率为3 4 3 0 0 ，延时1 2 h 以上的大风过程共出现 1 2 次，频率为1 8 0 ，其中延时2 4 h 以上的大风过程有3 次，最长为2 7 h 。 热带气旋：本海区每年5 1 1 月份均可能受到热带气旋的影响，其中7 月 9 月为热带气旋活动最频繁的季节，占全年影响总数的7 8 。根据1 9 6 0 - 1 9 9 5 年资料统计，本海区出现风力7 级以上的热带气旋过程共有1 2 9 次，平均每年 3 6 次，最多年份达7 次。其中8 级以上的热带气旋过程有8 9 次，平均每年2 4 次，大于1 2 级以上的台风过程共出现6 次，平均6 年一次。热带气旋影响而持 续吹n 向( e n e - - n n w ) 的大风过程有9 1 次，占总数的7 0 ；风向持续在偏s 方 位，( e s e - - - 一w s w ) 的大风过程有2 8 次，其余1 0 次大风过程偏n 与偏s 风交替出 现。 2 2 2 2 波浪， 洋山海域以风浪为主，常风向即为常浪向n n w ( 年频率1 0 1 ) ，次常浪向 为n w ( 频率7 5 ) ，强浪向为n i r 向，其中9 月翌年2 月多为n w - - 一n n w 向，3 8 月多为s 一- - s s w 向，年平均波高为0 4 m ，3 1 5 m 波高频率占3 9 ，i 2 4 m 波高 出现3 次，外海波浪受大、小洋山等岛屿遮挡的影响，一般经绕射、折射后通 过n 向喇叭状口门传入洋山港区水域，并具有消浪的特征，但周期较短，港区波 浪方向随季节变化，并与风向季节变化具有较好的对应性。 2 2 2 3 潮汐 洋山港海区所在崎岖列岛海域潮汐主要受东海前进波控制，其m ：分潮起主 要支配作用，k l 和0 1 分潮亦较显著。潮型判别系数( 。+ h o 。) h 舷 o 5 ，浅水判 别系数h i l 2 = 0 0 4 ，故判定该海域潮汐类型属于不正规半日潮，据小洋山观测站 1 9 9 7 0 8 - 1 9 9 9 0 7 的潮位观测资料统计，潮位特征值为( 理论基准面) ：最高高 8 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 潮位：5 5 7 m ；最低低潮位：一0 1 2 m ；平均高潮位：3 8 9 m ；平均低潮位1 1 2 m ； 平均海平面：2 5 6 m ；最大潮差：4 7 0 m ；平均潮差2 7 0 m ；平均涨潮历时：5 h 4 8 m i n ； 平均落潮历时：6 h 3 6 m i n 。 2 2 2 4 潮流 本海区的潮波振动主要是由太平洋潮波引起的协振动形成。外海潮波传人 浙江近岸后，三门以北的一股潮波呈n w - - - - s e 向向黄海传播，当到达舟山群岛东 部外海，因受众多岛屿的制约，部分潮波在向杭州湾传播中只能沿个岛屿间水 道前进。其中一支进入嵊泗岛和大衢山之间的通道后，经黄泽洋、岱衢洋、大 戢洋，途径崎岖列岛水域进入杭州湾，另一支经由嵊泅以北的潮波传入长江口 海区。 传入杭州湾的这股潮波至崎岖列岛附近海区，受局部地形影响，潮波具有 明显的地域特征。涨潮流由外海经黄泽洋进入崎岖列岛附近海区后，受崎岖列 岛阻挡而分成三股，一股经由大、小洋山之间的潮流主通道通过，另两股经由 崎岖列岛南北两侧进入杭州湾。经由主通道传入的涨潮流受中门堂、西门堂及 小岩礁的阻挡，再加上北侧岛链各通道涨潮水流的侧压，是主通道涨潮水流略 偏向南侧，水流动力主通道南侧大于北侧。落潮时，受西口喇叭形地形的约束 以及落潮流的惯性作用，进入南、北岛链间主通道的落潮水流主要经东部的窄 口泄出，主通道内落潮流较强劲，落潮流动力在平面分布上相对较为均匀，表 现为中北部略大于南侧，强劲的落潮流维持着南北岛链间主槽及东部中门堂 外后门深槽的水深。 潮流性质：崎岖列岛附近海域潮流属于不规则半日浅海潮流性质，潮流作 用强劲，潮流运动呈明显的往复流形态。 潮流特征：崎岖列岛东侧航道水域，张潮流平均流向2 6 7 。2 8 l 。，落潮 流平均流向为8 9 。 一i 0 3 。，涨落潮流流向基本呈w 一- e 向；进入岛链后涨潮平 均流向为2 7 3 。 - 一2 9 5 。，落潮流平均流向为9 6 。1 1 6 。，涨落潮流基本呈w n w e s e 向。 流速特征：落潮流速大于涨潮流速。大、中、小潮涨潮平均流速分别为 1 0 3 m s ，0 8 7 m s 和0 6 8 m s ，落潮平均流速分别为1 1 0 m s ，0 9 6 m s ，0 7 1 m s 。 9 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 从潮流速平面分布来看，西部潮流最强，东部次之，中部相对较弱。涨潮垂线 上测点最大流速在2 0 2 - 2 9 1 m s ，垂线平均最大流速在1 6 9 - - - 2 4 5 m s ；落潮 垂线上测点最大流速在2 3 6 , - - 3 2 2 m s ，垂线平均最大流速在1 7 0 - - - 2 6 7 m s ； 垂线分布上涨潮最大流速主要出现在表层及- - 0 4 m 层，落潮最大流速主要出现 在表层。 涨落潮流历时：外航道水域张潮流历时略大于落潮流历时，平均分别为 6 2 8 h 和6 0 8 h ：在大、小洋山列岛之间及其以西海域，落潮流历时大于涨潮历 时，平均分别为6 5 4 h 和5 8 1 h 。 2 2 2 5 盐度分布特征 工程海域处于长江口外泄径流为主的淡水流与外海高盐度水流的混合带区 域，海域大部分属于冲淡水范畴。盐度冬季高于夏季，夏秋季测盐度在1 0 8 8 0 2 8 8 0 4 0 之间，盐度平均为1 8 5 。冬季测盐度在1 9 3 2 5 - - 3 0 3 4 2 ， 盐度平均为2 4 8 0 。盐度平面分布由西向东逐渐增高，并以东北部为最高，西 南部相对较低。盐度垂线分布由表层到底层逐渐增大，表底层差别不大，混合 系数均达o 7 5 以上，属强混合型海区。盐度日变化主要取决于潮流变化，涨潮 时盐度增加，落潮时盐度减小，不同潮次一般小潮时盐度最大，中潮次之，大 潮最小。盐度与潮位两高两低趋势明显，盐度与潮位极值出现时间基本接近， 盐度极值一般出现在涨落憩时刻。 2 2 2 6 泥沙来源及季节性变化 杭州湾湾口北部水域虽为钱塘江口外海滨底组成部分，然因钱塘江年平均 径流总量为3 8 0 万m 3 ，年平均输砂仅为6 6 8 万吨，而且这些输出的沙量一般只 影响到瞰浦以上的河口段，只有部分细颗粒悬浮质随落潮水流向杭州湾南岸扩 散，对湾口北部水域的影响可忽略不计。湾口北部水域与丰水、丰沙的长江口 水域相毗连，长江年均径流量为9 2 4 0 亿m 3 ，年均输沙量高达4 8 6 亿吨，为钱 塘江年输出泥沙总量的数十倍，其外泄泥沙扩散遍及杭州湾口水域。所以，崎 岖列岛海域的泥沙来源主要为长江口间接扩散泥沙和潮流携来的海域泥沙，后 者的最初来源亦为长江口。 1 0 2 洋山港方案简介及洋山港区概况 由于近岸流系尤其是沿岸流及台湾暖流强度的季节性变化，长江口冲淡水 的入海路径呈季节性摆动，一般夏季呈偏东向，冬季呈偏东南向，因而就进入 崎岖列岛海域的扩散泥沙而言，夏季较冬季为少，呈现明显的季节性变化。一 期工程港池内水体含沙观测数据如表2 2 月份 891 01 11 2l23456 7 全年 平均 0 4 8 00 8 0 2 0 8 1 51 0 8 31 2 6 5 1 2 1 21 2 0 61 2 6 61 1 9 20 8 3 2 0 6 5 6 0 3 9 20 9 3 1 最大 2 1 7 0 2 3 2 31 7 0 74 0 0 5 2 2 6 5 2 4 2 5 2 9 4 5 3 3 6 8 2 4 9 31 7 4 01 5 3 41 3 3 74 0 0 5 最小0 0 4 90 0 5 8 0 1 3 7 0 2 2 6 0 2 4 8 0 3 9 8 0 2 0 9 0 2 1 l 0 1 6 50 1 8 0 0 2 9 3 0 1 0 7 0 0 4 9 表2 2 观音山南侧水域表层水体含沙量( 1 9 9 7 0 8 1 9 9 8 0 7 ) 从表中可以看出：该水域月均含沙量呈双峰态分布，两个峰值分别为 1 2 6 5 k g m 3 ( 1 2 月) 和1 2 6 6 k g m 3 ( 3 月) 。冬半年( 1 1 月竖年4 月) 明显高于 夏半年( 5 月1 0 月) 。表层水体平均含沙量全年为0 9 3 1 k g m 3 ，各月平均含沙 量在0 3 9 2 - - - - , 1 2 6 6 k g m 3 之间，最低为0 3 9 2 k g m 3 ，出现在7 月份。各月日平均 最大含沙量在1 3 3 7 4 0 0 5 k g m 3 i 最大值为4 0 0 5 k g m 3 ，出现在1 1 月，各月 实测最低含沙量变化幅度不大，最低为0 0 4 9 k g m 3 ，出现在8 月份。 3 洋山港建设与地质环境的关系 3 洋山港建设与地质环境的关系 环境是自然客体与人类客体相互联系的系统，环境这个系统可分为自然环 境与人类环境两大部分，自然环境是由生物、大气、水和岩石四个圈所组成。 岩石圈的所有组成部分，即岩石、土壤、地下水、地质过程和现象，都与大气、 水、生物等自然环境的成分紧密联系着。地质环境是一个特殊的自然环境系统， 它是指与人类活动有密切关系，又与气圈、生物圈、水圈相互作用的岩石圈部 分( 表部) 。亦今为止，人类的所有工程活动都是在地质环境中进行的，但是由 于地质环境和人类工程活动是按照不同的规律发展( 地质环境是按自然规律发 展的，而人类的工程技术活动则是按技术经济规律进行的) ，这就使得人类进行 的技术一经济活动将和地质环境相互作用而形成一个复杂的自然一技术系统， 因此，在进行工程活动时，就要充分考虑自然一技术系统的空间范围界限，也 就是要考虑人类的各种经济活动的短期、长期效应，以及影响或改变地质环境 变化的方向，探寻地质环境潜在的变化趋势、能力和效果，对于质量好的地质 环境提出保护，对于由于人类的工程活动可能引发的对人类有危害的地质问题 提出预防、治理措施，防患于未然。 人类在发展过程中，由于生产、工程活动没有考虑到地质环境的适宜性而 失败或受损失的教训比比皆是，例如意大利瓦依昂特山谷水库滑坡事件，在建 坝前，只粗略了解了坝址地基地质情况，没有对建坝可能引发的后果进行详细 研究和分析，就在山谷建成2 6 7 m 长的拱形大坝，蓄水后，1 9 6 3 年秋暴雨期间， 部分库岸坡体滑动，1 0 月9 日，约2 6 亿的滑坡岩体以2 5 - - - 3 0 m s 的速度，在 1 5 秒内灾难性地倾入水库，激起超过大坝顶1 0 0 余米的巨浪，库水越坝而下， 在大坝下游约l k m 的山谷里，浪头仍有7 0 m 高，尽管大坝未受损害( 水库成了 石库，不能再发挥水库蓄水功能了) ，但居住在山谷和下游的一座城镇约3 0 0 0 人丧生，城镇被毁，成为世界上最惨重的水库滑坡事件。人类在经历了许多惨 痛的教训后认识到，在工程建设前，探寻工程建设是否适宜于某一特定的地质 环境是十分重要的。上海洋山港建设是_ 个特大型项目，仅北港区就要建设2 0 年，在建设前，必须对洋山海域这一特定区域，地质环境因素对港口建设的适 宜性，港口功能对地质环境的要求加以详细的分析研究。 1 2 3 洋山港建设与地质环境的关系 3 1 地质环境因素对港口建设的适宜性分析 影响上海洋山港建设的地质环境因素分原生环境地质因素和次生环境地质 因素，这其中有适宜港口建设的，也有对港口建设不利的，现分述之。 1 原生环境地质因素 1 ) 基岩和松散堆积层港址区基底起伏甚大，除岛屿附近基岩埋深浅外， 其它地方埋深均大于8 0 m ，最深坳陷标高超过一1 4 0 m ，从岛屿陆域向海域基岩 顶板部的趋势是逐渐降低，且在大、小洋山之间海域中部亦有一处较明显的陡 坎，以上陡坎易被解释为区域性断裂。按大地构造划分，洋山以南属华夏准地 台的新华夏褶皱带，而北侧属扬子地台，局部岛之南北分属二个区域构造单元， 所以北部卢潮港等上海地区基底以古生代沉积为主，而南侧基底及分布基岩均 为侏罗纪火山岩，由洋山诸岛调查可知，大洋山、中门堂一带为上侏罗茶湾组 火山岩系，以安山质凝灰岩和安山岩为主，地层倾向n n w ，倾角2 0 。 - - 3 0 。， 凝灰溶岩的饱和极限抗压强度为1l o ，一- - 1 5 0 m p a ，软化系数为0 7 - - 0 8 ；而西北 侧的小洋山一带则为大片的燕山早期花岗岩，以中粒钾长花岗岩为主，饱和极 限抗压强度为1 5 0 - - - 1 8 0 m p a ，软化系数为0 8 左右，微风化岩带的饱和极限抗 压强度为1 0 0 - - - 1 2 0 m p a ，局部见花岗闪长岩、花岗斑岩及细晶花岗岩。二类岩 体风化特征亦有差异，花岗岩地区多基岩裸露，植被稀少，风化带不甚发育； 火山岩地区有一定厚度风化残积土，植被较发育。从岩性分布特征及构造特征 来看，洋山诸岛分布以及水下地形特征以n e e 向和e w 向为特征，即在和嵊泗列 岛一致受东西向构造体系控制分布基础上，有不少n e - w e e 向山体分布及深槽发 育，目前港址区水流尚不同程度地受这些系列的深槽控制而流向多变，所以可 认为该带在较古老的东西向构造基础上发育了华夏一新华夏构造。自大洋山的 外云鹅头一满头山一钥匙岱向东北经小岩礁西侧到大岩礁西线二侧的岩性出入 较大，但该断裂的存在似与洋山诸岛的分布比较相应，即基底发育与区域地质、 地形地貌是一致的。 根据钻孔资料和浅层地震资料，洋山周围，包括芦洋跨海大桥小乌龟山南 段，基底埋藏深浅起伏较大，且受东海潮流频繁冲淤变化制约，该地段的松散 堆积物沉积规律十分复杂，具体表现为：a 在主流线剧烈冲刷、基岩浅埋地 段，松散堆积层受强烈切割后仅残留小部分，甚至荡然无存，致使基岩直接在 1 3 3 洋山港建设与地质环境的关系 水下裸露；b 在潮流冲刷相对较弱，基岩埋深较深地段，原松散堆积层厚度较 大，现残留部分原有松散层，上覆潮流改道后的晚期淤积物( 淤泥或粉土、粉 砂) ，残留部分厚度出入很大。从以上的分析可知，港址区第四纪覆盖层相变频 繁，且厚度变化大，下伏基岩起伏较大，其位置和发育方向与陆域各岛屿角伸 入海底趋势一致，受北东东向构造控制，基岩等高线呈往复曲折变化，并与区 域地质、地形地貌一致，所以应根据不同区段或同一区段不同的工程地质条件 采用不同的基础型式。 2 ) 滑坡洋山港一期工程依托小洋山，小洋岛上遍布中生代燕山期中、粗 粒花岗岩，岩体内节理与断裂系统十分发育，节理和断裂将花岗岩切割成众多 大小不等的石块，在坡度比较陡的地方，很多石块处于不稳定状态，加之石块 下面的碎石和泥土经常被雨水冲走，使得这些地方经常有滑坡现象产生。有关 岩体的稳定性分析将在第六章论述。 2 次生环境地质因素 1 ) 港池航道的淤积港池航道的淤积从地质学的角度可以认为是洋山海 域这一特定的地质环境对人类工程活动所作出的反馈作用。以系统论的观点看， 地质环境是一个动态平衡系统，其能量的收入与支出保持平衡关系，在天然状 态下，依靠其物质组成、结构和地球内部与外部能量的作用条件，不断地进行 着平衡到不平衡再到平衡的反复过程，维持其相对的稳定性。当人类活动作为 地球外部一种新的能量作用于地质环境时，将改变其天然的平衡关系，使地质 环境的态势发生变化，当人类作用力不大时，通过地质环境内部的调节能力， 对外界的冲击进行补偿和缓冲，就可以完成这种调整过程，维持地质环境系统 的稳定性，当人类的作用力过大时，超过其自身的调节能力时，地质环境就不 能建立起平衡关系，也就会反过来影响到人类的工程活动。据华东师范大学河 口海岸研究所等单位对本世纪初至8 0 年代的多年海图进行对比分析，证实洋山 海域海床经历了淤积和冲刷的交替变化，近百年来，基本稳定，5 0 年代前平均 淤高3 6 c m ，5 0 年代至8 0 年代平均年刷深1 6 c m 。据对拟建港区水域近十年的 海图对比分析，反映出近期港区海域的海床处于微冲时期，1 5 m 等深线的舌状 前端向西平均推进2 7 0 m ，l o m 等深线向西推进7 0 0 m 。进港航道段海域处于淤积 状态，年淤高2 5 c m ，在大小洋山南北岛链窄口处水深一直保持8 2 8 7 m 。这说 1 4 3 洋山港建设与地质环境的关系 明洋山海域目前就处于一种动态平衡状态，在天然条件下，此海域基本能维持 不冲不淤的状态。而洋山一旦建港，人类的工程活动就作为了一种新的力量作 用于此海域，这种作用力具体表现为：随着工程的实施，将改变本海域现有的 流场和流态。而港池和航道就将以淤积的形式反馈回来，如果淤积量较小，就 不会影响到港池和航道功能的发挥，如果淤积量超出了可以接受的限度，那么 就会花费大量的人力和财力到维持其水深上，那将是得不偿失的，也是违背建 港初衷的，因此，探寻淤积的影响因素以及淤积量的大小尤为必要。制约淤积 的环境因素主要为水动力条件，底质特征和局部微地貌等，大致有以下几方面： f l , 潮流的影响；b 风浪作用：c 泥沙特性；d 港池和航道的竣深；e 海水含盐度 和海水温度。具体淤积量的计算将在下一章作详细论述。 2 ) 浪蚀作用浪蚀作用对拟建洋山港的影响包括两方面：远期影响和近期 影响。由于基岩多处裸露，海浪的剥蚀和冲刷作用使得业已陡峻的海湾岬角地 带的海蚀崖、海蚀凹槽等产生崩塌而形成崩积岩堆，进而演化成海蚀平台，海 岸线也随之向后推进，这种海蚀作用对于海湾来说属于远期行为，对港口近期 的运营影响不大，但在风浪冲击强烈地段设置破浪挡墙及破浪岩堆也是很有必 要的；浪蚀作用的近期影响主要体现在风浪对水工结构物的冲击上，通常对此 采用修筑防波堤的方式加以保护。对于无遮挡码头只能在码头结构上考虑，以 增强其抗风浪的结构强度。 3 人为地质环境因素 1 ) 海岸再造拟建洋山港将通过吹填沙和填海造陆的形式将l o 多个分散 在该海域的岛礁，链接起来形成一个3 0 平方公里左右的人工岛，在这种人为地 质环境中，促淤地基具有强度低、高含水率、低承载力的性质，加之促淤地基 下面有较厚的松散堆积层，在此地基上建设码头将引起地面沉降，必须将地基 加以处理，具体处理方法将在第五章论述。 2 ) 港池航道的疏浚在洋山港的建设与运营中，港池与航道的疏浚是必不 可少的。洋山港北港区一期工程港池建设时水下挖泥将达到1 0 0 0 万m 3 ，进港航 道有9 公里需要竣深，这将改变港池和航道的地形和水深条件，其所带来的影 响有三方面：水下地形坡降增大，构成水下边坡。在软土区易产生向槽内的 水平塑流和回淤，甚至形成水下滑坡：由于水下地面滩槽水深比的改变，港 3 洋山港建设与地质环境的关系 区自然淤积在局部地段增大。由于港池水深加大，使原地基土的应力释放， 长期强度降低，将使某些重力式码头发生开裂和不均匀沉降。 3 2 港口功能对地质环境的要求 联合国贸发会议根据港口的发展，将港口分为三代：作为运输中心的传统 式港口为第一代港口；五、六十年代在此基础上发展成为商业和工业服务中心 的港口，称为第二代港口；第三代港口是以物流中心为载体，集国际商品、资 本、信息、技术等集散于一身的资源配置型港口。拟建洋山港的目标定位于第 三代港口，要成为上海国际航运中心，成为国际集装箱枢纽港，首先条件是要 具有1 5 米水深的航道和泊位，使满载吃水1 4 米、箱位量超过4 8 0 0 t e u 的第五、 第六代大型集装箱船能够全天候的进出港口，而洋山港北港区一期工程港池平 均水深为1 2 6 米，进港航道有1 0 7 公里的水深不足1 5 米，最浅点水深9 米， 长9 公里，水深不足成为制约洋山港建设的重要因素，要靠疏浚才能达到1 5 米深的条件。 港口的一个基本功能是能为过往的船只提供避风浪的场所，洋山港规划区 域处于较开阔的海域，港区总体走向与长年风向基本一致，加之规划区域内陆 域面积较小，仅有的可以用来挡风的岛屿又要被开山填海造陆，港区建成以后 抵抗风浪的能力较小，船舶泊稳条件差，将影响未来洋山港的正常营运。 1 6 4 港池及航道淤积计算 4 港池及航道淤积计算 4 1 泥沙特性 4 1 1 物理特性 工程海区悬沙平均粒径一般在0 0 0 6 4 0 0 1 2 2 m m 之间变化，平均中值粒径 d 翮为0 0 0 8 m m 。属粉沙质粘土和细粉沙类型，一般被称为粘性泥沙。悬沙含主要 矿物成分为：长石、石英、角闪石、绿帘石和磁铁矿及微量的云母、金红石、 白钛矿、电气石、锆石等。 4 1 2 水力特性 泥沙的水力特性是分析港口泥沙问题的重要依据，在泥沙回淤强度、淤积 量的计算中是必不可少的参数，本次研究利用环形水槽，对洋山港泥沙的水力 特性进行了测定。泥沙的水力特性主要包括泥沙的起动流速和沉降速度。 当水流在床面上流动，水流流速达到一定数值时，床面上将出现小的波动， 随着流速进一步增大，床面波纹产生失稳，泥沙成缕状烟雾悬扬进入水体，这 时的水流速度即泥沙的起动流速，它可以作为判定床面冲刷的指标。 密尼奥( m i g n i o t ) 根据长期从事海岸泥沙研究工作的经验，把粒径小于 0 0 3 m m 的泥沙统称为淤泥质，指出这种泥沙有明显的絮凝现象。默塔 ( m e h t a ) 1 9 9 2 年认为，划分粘性泥沙和非粘性的临界粒径可取为2 0i jm 。张志忠 1 9 9 6 年总结我国长江口细颗粒泥沙多年来的研究结果指出，絮凝临界粒径可取 为3 2um 。我国黄河水利委员会水利科学研究所的试验结果指出，粒径小于 0 o l m m 的泥沙将会出现絮凝现象。而洋山港工程海区悬沙平均粒径在0 0 0 6 4 0 0 1 2 2 m m 之间，结合以上研究成果和环形水槽观测，可以确定洋山港域泥沙在 水体中存在的结构形式有两种：1 ) 少量细颗粒泥沙以单颗粒形式悬浮在水体中。 2 ) 大量的由若干细颗粒泥沙絮凝成一个个的絮团或絮团结合体。 当以絮团或絮团结合体形式存在的粘性泥沙在海水中沉降时，影响沉速的 因素主要有含沙量、含盐度、水温、沉降距离和泥沙粒径，已有的实验资料表 明，粘性泥沙在盐水中静止或较低流速水体中下沉时，含沙量的影响是最主要 的，随含沙量的不同，细颗粒泥沙在静水或较低流速水体中下沉时，沉降可分 4 港池及航道淤积计算 为四个阶段： ( 1 ) 絮凝沉降当含沙量较低时，由于絮凝作用