徐元芹，李萍，劉樂軍*，傅命佐，高珊

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室, 山東 青島 266061；2.青島海洋科學技術國家實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

河北南堡-曹妃甸海域工程地質條件及海底穩(wěn)定性評價

徐元芹1,2，李萍1,2，劉樂軍1,2*，傅命佐1,2，高珊1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室, 山東 青島 266061；2.青島海洋科學技術國家實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

本文通過土工實驗分析，發(fā)現(xiàn)河北南堡-曹妃甸海域沉積物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土組成，約占總沉積物的85%，另含有少量的淤泥質黏土、粉質黏土、細砂和中砂。綜合歸納南堡-曹妃甸海域的工程地質條件，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質條件差異性最突出的因素即海底地形地貌、潛在地質災害分布，結合海底土質類型及其物理力學性質等條件,將研究區(qū)劃為4個工程地質區(qū)，分別為近岸水下岸坡混合土工程地質區(qū)(Ⅰ)、侵蝕平原、洼地砂質土工程地質區(qū)(Ⅱ)、侵蝕洼地混合土工程地質區(qū)(Ⅲ)、陸架堆積平原細粒土工程地質區(qū)(Ⅳ)。通過海洋環(huán)境因素、災害地質條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質區(qū)進行海底穩(wěn)定性評價,4個工程地質區(qū)的穩(wěn)定性分別為Ⅰ區(qū)：不穩(wěn)定區(qū)；Ⅱ區(qū)：較穩(wěn)定區(qū)；Ⅲ區(qū)：較不穩(wěn)定區(qū)；Ⅳ區(qū)：穩(wěn)定區(qū)。研究成果對該地區(qū)的海底工程建設和防災減災具有重要的指導意義。

南堡-曹妃甸海域；地質災害；工程地質條件；穩(wěn)定性評價

1 引言

研究區(qū)位于渤海灣灣口北側，曹妃甸外海。曹妃甸是渤海灣內(nèi)正在開發(fā)的深水港口和在建的臨港工業(yè)區(qū)，其臨近海域蘊藏著豐富的石油和天然氣資源。隨著港口建設和海上油氣田開采，海洋工程建設增多，極有必要對曹妃甸附近海域的海底工程地質條件及海底穩(wěn)定性進行系統(tǒng)的調(diào)查與分析，這對該地區(qū)的海底工程建設和防災減災具有十分重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。

自20世紀80年代以來，國內(nèi)不少學者對曹妃甸及附近海域沉積物進行了研究，取得了大批有價值的成果，但這些成果主要集中于晚更新世末期以來古植被與古氣候的演變序列及古環(huán)境恢復[1—2]，沉積物分布特征[3],表層沉積物的物理力學性質特征[4]，工程地質特征及插樁深度和樁基適宜性等方面[5-6]。針對曹妃甸海域海底穩(wěn)定性評價的研究還未有報道，本文在綜合歸納南堡-曹妃甸海域的工程地質條件，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質災害分布，結合海底土質類型及其物理力學性質等條件,進行工程地質分區(qū)，并從海洋環(huán)境因素、災害地質條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質區(qū)進行海底穩(wěn)定性評價。

2 樣品與方法

研究區(qū)面積約為1 955 km2，均勻布設了95個采樣站位，取樣間距約為5 km。研究所用樣品包括2009年5月采集的16根重力柱狀樣和46個表層樣，以及2009年7月采集的33個表層樣。柱狀樣最短的為66 cm，最長的為355 cm，平均長度為194 cm。研究區(qū)域及取樣位置見圖1。

圖1 表層樣與柱狀樣取樣站位Fig.1 Sampling stations of surface and columnar samples

現(xiàn)場對表層沉積物進行了含水率、密度、十字板剪切和微型貫入實驗。室內(nèi)測試依樣品性質而定，對分段樣品(25～35 cm)進行了含水率、密度、粒度、十字板剪切、貫入阻力、液塑限、快速固結及靜三軸剪切實驗(UU)(2009年完成)。含水率測試采用烘干法，密度采用環(huán)刀法，粒度采用激光粒度法，十字板剪切強度采用微型十字板，貫入阻力采用袖珍貫入儀，液塑限采用液限塑限聯(lián)合測定法，快速固結采用三聯(lián)低壓固結儀(壓力等級為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，靜三軸剪切試驗采用不固結不排水法(周圍壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa)，實驗標準參考《土工實驗規(guī)程》SL237-1999。本文參照《海洋調(diào)查規(guī)范第11部分：海洋工程地質調(diào)查》(GB/T 12763.11-2007)對土樣進行分類和定名，其中，粉質黏土、黏土、淤泥質黏土和淤泥屬于黏性土，砂質粉土和黏質粉土屬于粉土，中砂、細砂和粉砂屬于砂土。

3 海底土物理力學性質特征

3.1 表層土的物理力學性質特征

表層土是指深度0～0.4 m的海底土層?，F(xiàn)場實驗結果表明，本區(qū)表層土分布有淤泥、淤泥質黏土、黏土、粉土、粉砂及少量的中砂和細砂。表層土的含水率介于30.83%～86.74%之間，平均為65.64%；天然密度介于1.57～1.96 g/cm3之間，平均為1.68 g/cm3；十字板剪切強度變化范圍為1.00～4.20 kPa，平均為2.40 kPa，貫入阻力變化范圍為1.45～7.80 N，平均為4.08 N。因表層土屬現(xiàn)代沉積，正遭受著海洋動力作用，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以表層土的物理力學性質只能作為區(qū)域性對比的依據(jù)之一。對具體某一區(qū)域的工程特征來說，應以淺層土的測試結果為依據(jù)。

3.2 淺層土的物理力學性質特征

淺層土是指所取得的柱狀巖心深度范圍的土層。本區(qū)柱狀樣的巖性存在較大的變化，研究區(qū)西南部的NO-2、NO-5、NO-16、NO-18、NO-20、NO-27及東北部的NO-59站位，巖性以淤泥為主，含有少量的淤泥質黏土、黏土、粉質黏土及黏質粉土。研究區(qū)域中部的NO-31、NO-41、NO-43、NO-45、NO-50、NO-55、NO-64、NO-69、NO-75站位(圖1)，巖性以粉砂、黏質粉土、砂質粉土和黏土為主，含有少量的粉質黏土、細砂、中砂和礫砂。圖2為各個站位土類的垂直分布情況。

圖2 各站位土類的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soils at each station

不同深度處的淺層土物理力學性質相差很大。黏性土的含水量最高，介于25.23%～80.14%之間，平均為58.23%，粉土含水量介于22.92%～44.16%之間，平均28.85%，砂土的含水量最低，介于18.22%～31.32%之間，平均為25.80%。含水量的變化規(guī)律是：與黏粒含量呈正比，粒度越細含水量愈高；與樣品深度呈反比，深度愈大，含水量愈低，即從表層向下，含水量變低。黏性土、粉土、砂土的平均密度值分別為1.71 g/cm3、1.99 g/cm3、2.00 g/cm3，可以看出，顆粒組成越細，密度越低。海底土的孔隙性與其結構、顆粒大小、排列及密實程度有關，本區(qū)黏性土孔隙度最高，平均為1.54，粉土平均為0.74，砂土平均為0.69。粒度越細，孔隙度越高，反之孔隙度低。

反映海底土可塑性的指標包括液限(WL)、塑限(WP)、塑性指數(shù)(IP)和液性指數(shù)(IL)。本區(qū)黏性土的液限、塑限和塑性指數(shù)平均值分別為59.75%、29.79%和36.35%；粉土的液限、塑限和塑性指數(shù)分別為49.11%、21.77%、32.09%；不難看出，各類土的可塑性與黏粒含量密切相關。黏粒含量高，可塑性好，反之則差。黏性土可塑性好，粉土的可塑性較差，砂土不具可塑性。

本區(qū)黏性土、粉土、砂土內(nèi)聚力(靜三軸UU)的平均值分別是7.10 kPa、6.97 kPa、3.27 kPa，內(nèi)摩擦角(靜三軸UU)的平均值分別是3.31°、21.58°、25.20°；壓縮系數(shù)的平均值分別是1.75 MPa-1、0.43 MPa-1、0.42 MPa-1，黏性土屬高壓縮性土，粉土和砂土屬中壓縮性土。黏性土的內(nèi)聚力較大、內(nèi)摩擦角很小，這與本區(qū)黏性土的粒度成分和含水量等相吻合。而粉土和砂土的內(nèi)聚力較小，內(nèi)摩擦角較大，這是由于其顆粒較粗，含水量較低的緣故。

4 區(qū)域工程地質條件

工程地質條件評價是一項綜合分析各項因素后進行的系統(tǒng)工程[7—8]，直接影響曹妃甸海域海底工程安全的因素可以歸納為4個方面，分別為海洋環(huán)境因素、地震活動性、災害地質特征及海底土穩(wěn)定性[9]，另外本區(qū)地形地貌類型復雜多樣，其對區(qū)域工程地質條件也存在較大的影響。

4.1 海洋環(huán)境因素評價

曹妃甸海域地處中高緯度，屬東亞季風氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)的懸浮物質主要來源于灤河，其分布范圍和擴散趨勢受渤海環(huán)流、灤河沖淡水(沿岸流)及其他海洋動力因素(波浪、潮汐)的共同控制。

(1)波浪：曹妃甸海區(qū)以風浪為主，波高多在0.7～1.1 m之間，常浪向為S，次常浪向為SE。強浪向為ENE，H1/10≥1.8 m的出現(xiàn)頻率為0.81%；次強浪向為NW和NE，H1/10≥1.8 m的出現(xiàn)頻率分別為0.68%和0.53%[10]。H1/10<0.6 m的波浪占波浪總數(shù)的60%。曹妃甸海域對岸灘沖淤演變起控制作用的主要為輕浪、中浪和大浪，波浪對泥沙的作用主要反映在橫向輸沙的沙壩塑造作用和對潮灘灘面的掀沙侵蝕作用[11]。

(2)渤海環(huán)流、灤河沖淡水：渤海環(huán)流逆時針方向流動，這一環(huán)流將大量灤河沖淡水輸送的懸移物質帶向曹妃甸海域，在研究區(qū)東側，形成與岸線平行的潮流沙脊，沙脊與海岸之間是大型潮汐通道，3條沙脊呈雁形排列，沙脊高3～5 m，寬300～1 000 m，長達17 km[12]。

(3)潮流：區(qū)內(nèi)潮流基本屬往復流，在甸頭東側與老龍溝潮灘明顯存在逆時針旋轉流特性，流速具有甸頭附近、岬角深槽和潮溝處較大，岸灘附近與外海流速稍弱的分布規(guī)律[11]。

風浪對區(qū)內(nèi)含沙量影響明顯，潮流影響較弱，隨著灤河的改道東移與入海泥沙的急劇減少，區(qū)內(nèi)泥沙明顯供給不足，導致東坑坨、曹妃甸等沙島外側的近岸區(qū)域整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)[10]。其外側的侵蝕平原、洼地區(qū)域主要是在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的相互作用下形成的，是現(xiàn)代海洋動力條件下的活動底形形態(tài)，隨著大潮，特別是風暴潮作用下易改變形態(tài)和位置。曹妃甸深槽區(qū)以往復流運動為主，雖然潮差較小，但獨特的甸頭岬角效應，形成的甸頭深槽為水流最強區(qū)，是維持深槽水深的主要動力[13]。研究區(qū)南部地勢平坦，海洋動力作用相對較弱，侵蝕沖刷也較弱。

4.2 地形地貌

近岸區(qū)等深線平行于岸線，地形坡度較大，水深變化劇烈，海底沖蝕溝槽與潮流沙壩相間分布，20 m等深線逼近海岸。曹妃甸外的海底深槽區(qū)，水深最深39 m，是研究區(qū)最大水深，深槽兩側向槽中傾斜，槽底呈平緩的波狀起伏。深槽的北坡較南坡陡，北坡坡角為0.16°，南坡坡角為0.05°。深槽南側為平原區(qū)，由南向北緩傾，坡角為0.03°，地勢略有起伏。深槽東北側，地形相對平坦，由陸向海緩傾，局部區(qū)域發(fā)育有波狀起伏帶(圖3)。

近岸區(qū)地貌單元主要為緩斜的水下侵蝕堆積岸坡、侵蝕的水下階地、陡斜的水下堆積岸坡。曹妃甸深槽區(qū)地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘。深槽南側地貌單元主要為平坦的陸架堆積平原、起伏的陸架侵蝕洼地。深槽東北側地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕平原、起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。

4.3 地震活動性

本區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，38°30′～40°00′N，117°30′～120°00′E范圍內(nèi)，在1927-1991年內(nèi)，發(fā)生3.0～4.6級地震625次，頻率為135次/百年，4.7～5.9級地震60次，頻率為12.9次/百年，6.0～6.9級地震6次，頻率為1.29次/百年，7.0～7.9級地震4次，頻率為0.86次/百年。說明該海域活動性較強，對研究區(qū)影響較大。地震震源深度一般在20 km左右，最淺的小于5 km，最深的33 km，均為淺震[6]。本區(qū)屬地震Ⅶ度烈度區(qū)，潛在震源區(qū)上限劃為6.0級，屬地殼不穩(wěn)定區(qū)[14]。開發(fā)建設項目在規(guī)劃和設計時，要充分考慮地殼不穩(wěn)定性的影響。

4.4 災害地質條件

研究區(qū)主要的災害地質類型為沙波沙丘、陡坡和陡坎、侵蝕溝槽、埋藏斜層、低洼地、斷裂、淺層氣(圖5)。

(1)沙波沙丘：主要分布在起伏的陸架侵蝕平原西南部的淺灘上，洼地中也有活動沙波分布，沙波沙丘在風暴潮作用下的移動和伴隨的侵蝕與淤積會對跨海管線、海纜和海底建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅[15]。

(2)陡坡、陡坎：基本與海岸線平行分布，貫穿整個研究區(qū)，坡度較大，陡坡坡角0.8°～1.2°，陡坎坡角2°～4°，最大坡角4.68°，陡坎、陡坡在海洋動力和地震等作用下是潛在滑坡風險的地形因素，也是海底管線鋪設施工中必須避讓或處理的災害地質因素[15]。

(3)侵蝕溝槽：研究區(qū)內(nèi)侵蝕溝槽分為兩部分，一是位于老龍溝口的兩條溝槽，二是由曹妃甸頭向東南延伸的規(guī)模較大的溝槽。侵蝕溝槽由海底表層沉積物遭受侵蝕沖刷而成，溝槽首先是地形起伏，成為工程地質障礙性因素﹔其次有的溝槽標志著海底的侵蝕作用仍在進行，侵蝕作用改變海底地形結構，可能使海底管線造成位移、架空甚至斷裂[15]。

圖3 研究區(qū)地形圖Fig.3 Topographic map of study area

圖4 研究區(qū)地貌圖Fig.4 Geomorphologic map of study area

圖5 災害地質類型分布圖Fig.5 Distributions of geological hazards

(4)埋藏斜層：研究區(qū)內(nèi)分布有3處埋藏斜層區(qū)，一處位于曹妃甸南頭的侵蝕洼地中，面積約為50 km2，另外兩處位于研究區(qū)中部，面積分別為22.6 km2和16.2 km2。埋藏斜層的深度數(shù)十米不等，分布無規(guī)律性，傾斜角度為SW向，下伏地層力學性質不一，為潛在地質災害，對海灣工程建設有一定影響，如樁基穩(wěn)定性[15]。

(5)低洼地：分布于研究區(qū)中部的潮流沙脊群內(nèi)，地形起伏變化較大，并且水動力作用較強，對海底電纜和輸油氣管線鋪設等海洋工程有潛在的危害性[9]。

(6)活動斷層：區(qū)內(nèi)斷裂有4條，均勻分布于研究區(qū)內(nèi)，大體為NW-SE走向。活動斷裂，特別是切割第四紀的活動斷裂的緩慢移動會引發(fā)地震等災害。

(7)淺層氣：研究區(qū)西部的陡斜的水下岸坡坡麓堆積體和坡麓低洼槽內(nèi)充填層中分布有淺層氣，呈長條狀分布，長度約為21 km，寬度1～2.6 km，面積約為31 km2。本區(qū)海底表面沒有發(fā)現(xiàn)成群的麻坑狀地貌特征，說明淺層氣壓力不大，災害性較小[15]。

4.5 海底土體穩(wěn)定性

4.5.1 波浪荷載作用下的土體穩(wěn)定性分析

海底土的滑移是造成海底管線及構筑物損壞的主要因素，海底斜坡土體的失穩(wěn)，多數(shù)是在風暴潮期間發(fā)生的。風暴潮引起的巨浪一方面會增加土體的剪切應力；另一方面誘發(fā)土體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓，使其有效應力減小，從而降低其抗剪強度[16—18]。

南堡-曹妃甸海域水深介于5.0～32.7 m之間，水深變化劇烈，海底地形復雜多樣，海底侵蝕溝槽、沙波沙丘、陡坡陡坎均有分布，海底坡角介于0.8°～4.0°之間，最大坡角4.68°。研究區(qū)主要分布有松散的粉砂、細砂、粉土、黏土、淤泥質黏土和淤泥。表層黏性土(包括黏土、淤泥質黏土和淤泥)的不排水剪切強度在2.00～11.50 kPa之間。

根據(jù)艾里波理論，假定海底為剛性，海底以下一定深度處，波致剪切應力的幅值τz為[19]

τz=P0λZe-λZ,

(1)

(2)

根據(jù)土體的極限平衡理論，表層黏性土穩(wěn)定的條件是土的不排水剪切強度大于或者等于外力在土體中產(chǎn)生的剪應力。本文計算了研究區(qū)表層黏性土在5 a、50 a一遇特大波浪荷載作用下的剪應力，結果見表1和表2?？梢钥闯霰韺羽ば酝恋牟慌潘羟袕姸染笥诓ɡ俗饔盟a(chǎn)生的剪應力。因此，在5 a、50 a一遇波浪作用下，大部分表層黏性土處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生局部滑移或層間蠕滑現(xiàn)象。而近岸區(qū)和曹妃甸深槽區(qū)與周圍環(huán)境相比，地形陡且坡降大，表層黏性土在極限波浪條件作用下有可能存在滑移或層間蠕滑的現(xiàn)象。

表1 5 a一遇波浪作用下土層的剪應力

表2 50 a一遇波浪作用下土層的剪應力

4.5.2 飽和砂土液化勢分析

根據(jù)海底土的土質條件，可以評價砂土液化的可能性。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50191-2012)：6度時一般不計液化的影響；粉土中粒徑小于0.005 mm的黏粒含量百分率，7度、8度和9度分別不小于10%、13%和16%時，可不計液化的影響。研究區(qū)內(nèi)粉土一般不易液化，粉砂(黏粒含量介于3.79%～16.12%，平均值為12.20%)在8度地震時有液化的可能性，細砂(黏粒含量介于1.43%～2.67%，平均值為1.91%)和中砂(黏粒含量介于0.00～4.86%，平均值為1.21%)7度地震就有液化風險。本區(qū)屬地震Ⅶ度烈度區(qū)，近岸區(qū)域由大面積細砂分布，存在液化風險。其他區(qū)域主要由粉砂和粉土、淤泥、淤泥質黏土及黏土組成，地震液化風險不大。

5 工程地質分區(qū)

工程地質分區(qū)是在綜合歸納各種工程地質特征的基礎上，根據(jù)差異性和相似性原則進行的單元劃分[20]。綜合歸納上述南堡-曹妃甸海域的工程地質條件特征，根據(jù)影響研究區(qū)工程地質條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質災害分布，結合海底土質類型及其物理力學性質等條件，可將該區(qū)域劃分為4個工程地質區(qū)(圖6)，各工程地質區(qū)的土體的物理力學性質特征見表3。

圖6 工程地質分區(qū)圖 Fig.6 Engineering geological zoning map

近岸水下岸坡混合土工程地質區(qū)(Ⅰ)：分布在研究區(qū)北部的南堡-曹妃甸近岸水下岸坡區(qū)域，占總面積的28.4%。沉積物類型主要為細砂、黏土、淤泥質黏土，含有少量的粉砂和淤泥。等深線平行于岸線，地形坡度較大，水深變化劇烈(圖3)。地貌單元主要為緩斜的水下侵蝕堆積岸坡、侵蝕的水下階地、陡斜的水下堆積岸坡(圖4)。主要的災害地質類型有陡坡、淺層氣、侵蝕溝槽、斷裂，陡坡、侵蝕溝槽在水動力作用下，均具有較大活動性，淺層氣、斷裂危害性相對不大。

侵蝕平原、洼地砂質土工程地質區(qū)(Ⅱ)：分布在研究區(qū)東北部的陸架侵蝕平原、陸架侵蝕洼地區(qū)域，占總面積的34.8%。主要由粉砂、粉土組成，含有少量的中砂。地形相對平坦，由陸向海緩傾，局部區(qū)域發(fā)育有波狀起伏帶(圖3)。地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕平原、起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。主要的災害地質類型有沙波沙丘、淺灘、埋藏斜層、低洼帶、斷裂，沙波沙丘具有活動性，低洼帶、埋藏斜層在沒用工程建設時不具危險性，淺灘、斷裂的危害性較小。

侵蝕洼地混合土工程地質區(qū)(Ⅲ)：位于曹妃甸東南的深槽區(qū)，近東西走向，面積約占研究區(qū)域的17.3%。由粉砂、粉土、淤泥質黏土和淤泥組成。深槽兩側向槽中傾斜，槽底呈平緩的波狀起伏。深槽的北坡較南坡陡，北坡坡角為0.16°，南坡坡角為0.05°(圖3)。地貌單元主要為起伏的陸架侵蝕洼地、淺灘(圖4)。主要的災害地質類型有侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘、埋藏斜層、斷裂，侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘在較強的水動力條件下，活動性大，具有一定的危害性。埋藏斜層、斷裂的危害性相對不大。

陸架堆積平原細粒土工程地質區(qū)(Ⅳ)：分布在曹妃甸碼頭東南的陸架堆積平原區(qū)，占總面積的19.5%。主要由淤泥組成，含有少量的淤泥質黏土和黏土。位于曹妃甸深槽南側，由南向北緩傾，坡角為0.03°，地勢略有起伏(圖3)。地貌單元主要為平坦的陸架堆積平原、起伏的陸架侵蝕洼地(圖4)。幾乎不存在地質災害，危害性極小。

表3 各工程地質區(qū)沉積物的物理力學性質指標

注：斜線前數(shù)值為范圍值，斜線后數(shù)值為平均值。

圖7 海底穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of seabed stability

6 海底穩(wěn)定性評價

根據(jù)上述分析，從海洋環(huán)境因素、災害地質條件、地震活動性、海底土體穩(wěn)定性等方面對各工程地質區(qū)進行海底穩(wěn)定性評價，南堡-曹妃甸海域的4個工程地質區(qū)的海底穩(wěn)定性分別為不穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、較不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)(圖7)。

6.1 不穩(wěn)定區(qū)

近岸水下岸坡混合土工程地質區(qū)(Ⅰ)：本區(qū)位于陡斜的水下堆積岸坡和水下階地區(qū)域，海底地形變化急劇，大量陡坡、陡坎分布且坡度變化較大。本區(qū)有大面積細砂分布，存在地震液化風險，黏性土在極限波浪作用下有滑移或層間蠕滑的可能性。隨著灤河的改道東移，泥沙明顯供給不足，導致本區(qū)整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)?？傮w而言，本區(qū)地質災害危險性高，海底穩(wěn)定較差。

6.2 較穩(wěn)定區(qū)

侵蝕平原、洼地砂質土工程地質區(qū)(Ⅱ)：本區(qū)位于陸架侵蝕平原，海底較平坦，局部海區(qū)發(fā)育有波狀起伏帶。新構造運動不明顯，有一條斷裂分布，并伴有淺斷層。本區(qū)是在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的相互作用下形成的，在大潮，特別是風暴潮作用下，沙波沙丘活動性較強，但未見滑坡和塌陷。區(qū)內(nèi)主要分布粉砂、粉土，地震液化風險不大。總體而言，本區(qū)地質災害危險性不高，海底較穩(wěn)定。

6.3 較不穩(wěn)定區(qū)

侵蝕洼地混合土工程地質區(qū)(Ⅲ)：本區(qū)位于內(nèi)陸架侵蝕洼地，地質構造比較復雜，有斷層分布。區(qū)內(nèi)有侵蝕溝槽、淺灘、沙波沙丘、埋藏高角度斜層。本區(qū)水深、浪高、流大、潮流作用明顯，對海底土體具有破壞作用。幾乎不存在地震液化風險?？傮w而言，地質災害危險性較高，海底較不穩(wěn)定。

6.4 穩(wěn)定區(qū)

陸架堆積平原細粒土工程地質區(qū)(Ⅳ)：本區(qū)位于平坦的陸架堆積平原，主要由細粒土組成，地質構造簡單，未發(fā)現(xiàn)斷裂，歷史上地震記錄較少，近期更少，處于相對“寧靜”時期。通過多個站位計算，在波浪、地震共同作用下土體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)滑坡和塌陷。地質災害危險性低，海底穩(wěn)定性較高。

7 結論

(1)根據(jù)表層土和淺層土的土工測試結果，河北南堡-曹妃甸海域沉積物主要由淤泥、粉砂、黏土和粉土組成，約占總沉積物的85%，另含有少量的淤泥質黏土、粉質黏土、細砂和中砂。

(2)根據(jù)影響研究區(qū)工程地質條件差異性最突出的因素：海底地形地貌、潛在地質災害分布，結合海底土質類型及其物理力學性質等條件，可將研究區(qū)劃分為4個工程地質區(qū)，分別為近岸水下岸坡混合土工程地質區(qū)(Ⅰ)、侵蝕平原、洼地砂質土工程地質區(qū)(Ⅱ)、侵蝕洼地混合土工程地質區(qū)(Ⅲ)、陸架堆積平原細粒土工程地質區(qū)(Ⅳ)。

(3)Ⅰ區(qū)位于陡斜的水下岸坡和階地區(qū)，細砂存在地震液化風險，黏性土在極限波浪作用下有滑移或蠕滑可能性；隨著灤河改道，整體上處于輕微侵蝕后退狀態(tài)，地質災害危險性高，海底穩(wěn)定較差。Ⅱ區(qū)位于陸架侵蝕平原，海底較平坦；在渤海環(huán)流和灤河沖淡水的作用下，沙波活動性較強；土體地震液化風險低。地質災害危險性不高，海底較穩(wěn)定。Ⅲ區(qū)位于內(nèi)陸架侵蝕洼地，有侵蝕溝槽、沙波沙丘、埋藏斜層等分布；區(qū)內(nèi)水深、潮流作用明顯，海底處于侵蝕狀態(tài)。地質災害危險性較高，海底較不穩(wěn)定。Ⅳ區(qū)位于平坦的陸架堆積平原，主要由細粒土組成，未發(fā)現(xiàn)地質災害，土體在波浪、地震作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，地質災害危險性低，海底穩(wěn)定性較高。

[1]王艷. 渤海灣曹妃甸晚更新世末期以來古植被與古氣候演變序列[J]. 海洋地質與第四紀地質, 2000, 20(2): 87-92.

Wang Yan. Evolution sequences of palaeovegetation&palaeoclimate in the Caofeidian area since the last stage of the late pleistocene epoch[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2000, 20(2): 87-92.

[2] 王艷. 渤海西北岸曹妃甸地區(qū)晚更新世末期以來古環(huán)境恢復[J]. 黃渤海海洋, 2000, 18(3): 47-53.

Wang Yan. Restorations of paleoenvironments in Caofeidian area since the last stage of the late pleistocene epoch[J]. Journal of Oceanography of Huanghai & Bohai Seas, 2000, 18(3): 47-53.

[3] 閆新興，霍吉亮. 河北曹妃甸近海區(qū)地貌與沉積特征分析[J]. 水道港口, 2007, 28(3): 164-168.

Yan Xinxing, Huo Jiliang. Analysis forcharacteristics ofphysiognomy and sediment in offshore area of Hebei Caofeidian[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2007, 28(3): 164-168.

[4] 王凱，吳建政，安永寧，等. 渤海灣北部表層沉積物的物理力學性質[J]. 海洋地質前沿, 2011, 27(1): 14-18.

Wang Kai, Wu Jianzheng, An Yongning, et al. Physico-mechanic properties of surface sediments in the north of Bohai Bay[J]. Marine Geology Frontiers, 2011, 27(1): 14-18.

[5] 陶常飛. 曹妃甸淺灘海洋工程地質特征及插樁深度研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2008.

Tao Changfei. Research on the characteristic of marine engineering geology and the depth of pile penetration in Caofeidian Shoal[D]. Qingdao:Ocean University of China, 2008.

[6] 王凱. 南堡—曹妃甸海域工程地質特征及樁基適宜性研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2010.

Wang Kai. Research on marine engineering geology characteristic and feasibility of pile foundation at the Nanpu-Caofeidian sea area[D]. Qingdao:Ocean University of China, 2010.

[7] 孫宗勛，黃鼎成，詹文歡，等．南沙群島工程地質環(huán)境分區(qū)與質量評價[J]．工程地質學報, 2003, 11(1):36-43.

Sun Zongxun, Huang Dingcheng, Shan Wenhuan, et al. Division and qualitative evaluation of engineering geoenvironment on Nansha Islands[J]．Journal of Engineering Geology, 2003, 11(1):36-43.

[8] 賈永剛，孫永福，單紅仙．膠州灣工程地質環(huán)境質量綜合評價區(qū)劃[J]．海洋地質與第四紀地質, 1999, 19(3)：121-126.

Jia Yonggang, Sun Yongfei, Shan Hongxian. The evaluation and subdivision of engineering geological environment in Jiaozhou Bay[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1999, 19(3): 121-126.

[9] 石要紅，曾寧烽，陳太浩，等．珠江口內(nèi)伶仃島以北水域海底工程地質條件評價[J]．地質通報, 2005, 24(10/11):1052-1059.

Shi Yaohong, Zeng Ningfeng, Chen Taihao, et al. Evaluation of submarine engineering-geological conditions in the sea area north of Neilingding Island at the Pearl River Mouth, Guangdong, China[J]. Geological Bulletin of China, 2005, 24(10/11): 1052-1059.

[10]季榮耀, 陸永軍, 左利欽. 渤海灣曹妃甸深槽形成機制及穩(wěn)定性分析[J]. 地理學報, 2011, 66(3):348-355.

Ji Rongyao, Lu Yongjun, Zuo Liqin. Formation mechanism and stability of Caofeidian Channel in the Bohai Bay[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(3):348-355.

[11] 張寧, 殷勇, 潘少明,等. 渤海灣曹妃甸潮汐汊道系統(tǒng)的現(xiàn)代沉積作用[J]. 海洋地質與第四紀地質, 2009, 29(6): 25-34.

Zhang Ning, Yin Yong, Pan Shaoming, et al. Modern sedimentation of tidal inlet-tidal basin sysytem in Caofeidian coastal area, Bohai Bay, northeastern China[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2009, 29(6): 25-34.

[12] 楊子賡, 張志詢, 王學言. 渤海灣北部淺海海洋地質環(huán)境演變與災害地質問題[C]//寸丹集——慶賀劉光鼎院士工作50周年學術論文集. 北京: 科學出版社, 1998.

Yang Zigeng, Zhang Zhixun, Wang Xueyan. Marine geologic environmental evolution and hazardous geology of the shallow sea area in the north of the Bohai Bay[C]//Cun Dan set-Academic papers of celebrate the 50 anniversary of academician Liu Guangding.Beijing: Science Press, 1998.

[13] 陸永軍，左利欽，季榮耀，等. 渤海灣曹妃甸港區(qū)開發(fā)對水動力泥沙環(huán)境的影響[J]. 水科學進展, 2007, 18(6): 793-800.

Lu Yongjun, Zuo Liqin, Ji Rongyao, et al. Effect of development of Caofeidian harbor area in Bohai bay on hydrodynamic sediment environment[J]. Advances in Waterscience, 2007, 18(6):793-800.

[14] 李琳, 李昌存. 唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)區(qū)域地質環(huán)境分析[J]. 資源與產(chǎn)業(yè), 2008, 10(1): 25-27.

Li Lin, Li Changcun. Analysis on regional geological environment in Caofeidian industrial area of Tangshan[J]. Resources & Industries, 2008, 10(1): 25-27.

[15] 劉曉東, 傅命佐, 李萍,等. 河北南堡-曹妃甸海域潛在的淺表災害地質類型及特征[J]. 海洋學報, 2014, 36(7):90-98.

Liu Xiaodong, Fu Mingzuo, Li Ping, et al. Tpes and characteristics of potential geohazards in the sea area near Nanpu-Caofeidian, Hebei Province[J]. Haiyang Xuebao, 2014, 36(7):90-98.

[16] Rahman M S. Wave-induced instability of seabed: Mechanism and conditions[J]. Marine Geotechnology, 1991, 10(3):277-299.

[17] Coleman J M, Prior D B, Garrison L E. Submarine landslides in the Mississippi River delta[C]//Offshore Technology Conference. Houston: Offshore Technology Conference, 1978.

[18] Chien L K, Oh Y N. Discontinuous deformation analysis on seafloor sliding simulation[C]//The Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference. Hawaii: International Society of Offshore and Polar Engineers, 1997: 868-874.

[19] Finn W D L, Martin G R, Siddharthan R. Response of seafloor to ocean waves[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1983, 109(4):556-572.

[20] 李京森．編制中國環(huán)境地質圖的基本構思[C]//第四屆全國工程地質大會論文選集(一)．北京: 海洋出版社, 1992: 178-181.

Li Jingsen. The basic idea of preparation of environmental geological map of China[C]//Selected Papers of the Fourth National Conference of Engineering Geology(Ⅰ)．Beijing: China Ocean Press, 1992: 178-181.

Engineering geological conditions and seabed stability assessment of Nanpu-Caofeidian, Hebei Province

Xu Yuanqin1,2, Li Ping1,2, Liu Lejun1,2, Fu Mingzuo1,2, Gao Shan1,2

(1.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China;2.LaboratoryforMarineGeology,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266061,China)

In this paper, through the analysis of geotechnical test, sediment of the sea around Nanpu-Caofeidian is mainly composed of mud, silty sand, clay, silty soil, which account for 85% of the total number of analyzed samples. Muddy clay, silty clay, fine sand and medium sand are relatively less. According to the most prominent factor which influence the geotechnical conditions of Nanpu-Caofeidian area: submarine landform unit, potential geological hazards, combined with submarine soil type and its physical and mechanical properties, the research area can divide into four engineering geological zone, they are subaqueous slope mixed engineering geological zone(Ⅰ), erosion plain and depression sandy soil engineering geological zone(Ⅱ), erosion depression mixed engineering geological zone(Ⅲ), shelf accumulation plain fine grained soil engineering geological zone (Ⅳ) respectively. Through comprehensive analysis of the factors which influence the geotechnical conditions of sea floor by marine environment factors, seismic activity, disaster geology and soil stability, the seabed stability of the four engineering geological zones are unstable area(Ⅰ), relatively stable area (Ⅱ), relatively unstable area(Ⅲ), stable area (Ⅳ). The research results have important guiding significance for the construction and disaster prevention and reduction of the sea floor in this area.

Nanpu-Caofeidian sea area; disaster geology; geotechnical condition; seabed stability assessment

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.010

2016-07-29；

2016-11-29。

山東省自然科學基金項目(BS2015HZ009)；國家自然科學基金委員會-山東省人民政府海洋科學研究中心聯(lián)合資助項目(U1606401)；國家自然科學基金項目(41506071)。

徐元芹(1982—)，女，山東省臨朐縣人，助理研究員，主要從事海洋災害地質研究。E-mail:xuyuanqin03@126.com

*通信作者：劉樂軍(1972—)男，遼寧省大連市人，博士，研究員，主要從事海洋災害地質與工程地質研究。E-mail:liulj@fio.org.cn

P737.17

A

0253-4193(2017)05-0103-12

徐元芹，李萍，劉樂軍, 等. 河北南堡-曹妃甸海域工程地質條件及海底穩(wěn)定性評價[J]. 海洋學報, 2017, 39(5):103-114,

Xu Yuanqin, Li Ping, Liu Lejun, et al. Engineering geological conditions and seabed stability assessment of Nanpu-Caofeidian, Hebei Province[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5):103-114, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.010