范軼曉

（上海石化海堤管理所，上海 200540）

上海石化前沿海域水下地形穩(wěn)定性分析

范軼曉

（上海石化海堤管理所，上海 200540）

文章根據(jù)金山衛(wèi)地區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料、上海石化前沿海域自1972年以來十多次水下地形測(cè)量資料，分析了上海石化前沿海域地形變化規(guī)律，并提出了相關(guān)建議。

上海石化前沿；水下地形；穩(wěn)定性

上海石化股份有限公司位于杭州灣北岸金山衛(wèi)附近，是通過圍海造地在灘涂上建立起來的國有大型煉化企業(yè)。從1972年以來，上海石化建設(shè)者們，憑著得天獨(dú)厚的自然地理優(yōu)勢(shì)，隨著化工化纖不斷發(fā)展，按四個(gè)建設(shè)時(shí)期生產(chǎn)、生活用地的要求，先后在金山衛(wèi)灘涂上進(jìn)行了六次不同規(guī)模的圍海造地建設(shè)，筑成堤線總長為22.91km，其中臨海一線海堤長11.418km，總共圈圍土地1225.3公頃。

石化海堤的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)本地區(qū)潮汐特征、自然災(zāi)害情況和堤內(nèi)保護(hù)范圍及保護(hù)對(duì)象，按Ⅰ級(jí)建筑物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即按百年一遇潮位6.33m加五十年一遇風(fēng)（相當(dāng)于11級(jí)）異頻組合設(shè)計(jì)，又以五百年一遇的潮位6.73m進(jìn)行校核。海堤防浪墻高程為10.5～11.0m，堤頂高程為9.5～10.0m，棱體平臺(tái)高程6.50m左右，堤頂寬10.0m（圖1）。

圖1 杭州灣金山深槽形勢(shì)圖

鑒于岸外存在長14.5km、寬1.0～2.5km、深20～30m（最大水深為51m）的漲潮沖刷槽（俗稱金山深槽），其沖淤消長直接影響到廠區(qū)前沿水下岸坡的穩(wěn)定性。從廠區(qū)長治久安考慮，對(duì)廠區(qū)前沿水下地形穩(wěn)定性分析，掌握其變化規(guī)律至關(guān)重要。

1 金山深槽形成過程

杭州灣北岸是長江三角洲的組成部分，第四紀(jì)時(shí)期海陸交替過程和三角洲擴(kuò)展，沉積了深厚的疏松沉積物。金山地區(qū)沉積物厚度約140～180m，其中與深槽有關(guān)的地層約60m左右。根據(jù)金山衛(wèi)北門—金山深槽南北方向地質(zhì)剖面（圖2），其上部60m厚的沉積層，可劃分為六層：第一層全新統(tǒng)海陸交互相亞粘土、粉細(xì)砂層，厚度1～2m，局部可達(dá)4m以上。此層為6000年以來沉積物，反映金山衛(wèi)成陸年代較早地區(qū)，但這層對(duì)深槽主體關(guān)系不大。第二層全新統(tǒng)淺海相青灰色、灰黑色淤泥質(zhì)亞粘土或粘土，厚度 15～25m，含水量大，軟而可塑“軟土層”，此層未固結(jié)易于受水流沖蝕，目前深槽主體已切穿此層。第三層，上更新統(tǒng)上部陸相暗綠色、黃褐色亞粘土層，厚度2～6m。此層埋于地下約25m左右，因固結(jié)較好，壓縮系數(shù)為0.015～002cm2/kg，所以具有較好抗沖蝕能力。目前深槽主體雖已切穿此層，但對(duì)六次圍堤前沿邊坡的穩(wěn)定性仍起著重要作用。但這層黃綠色硬粘土層在金山緯八路前缺失，例如海運(yùn)碼頭鉆孔剖面上被黃色亞砂土替代（圖3），相應(yīng)抗沖性較差。第四層上更新統(tǒng)中部濱海相黃色、灰色粉細(xì)砂，此層厚度較大，埋深26～33.7m，粉細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散，極易被水流掀動(dòng)而搬運(yùn)，為深槽內(nèi)最易沖刷的地層，它對(duì)深槽邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，并容易沖刷底部，目前深槽幾個(gè)深潭已達(dá)到或接近此層底板。第五層上更新統(tǒng)中部海相灰色亞粘土及粘土層，厚度為7～11m，埋深為55～57m。此層為早期海侵時(shí)沉積物，因沉積時(shí)代久，土層比較致密，同時(shí)組成物質(zhì)顆粒細(xì)，不易被水流沖動(dòng)，故具有較好抗沖性。目前深槽幾個(gè)最深點(diǎn)已達(dá)到或接近此層頂板，從而反映水深50m左右是深槽發(fā)展的極限深度。第六層上更新統(tǒng)中部濱海相灰色粉細(xì)砂，厚度為11～27m，埋深60～66.5m，目前深槽尚未達(dá)到此層。由此可見，金山海域深厚沉積層是深槽發(fā)育地質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 金山衛(wèi)北門-金山深槽地質(zhì)剖面

圖3 金山海運(yùn)碼頭鉆孔剖面圖

從金山深槽附近海域底質(zhì)分布圖來看（圖 4），可以將海底表層沉積物分成三種類型：（1）粉砂質(zhì)砂，粉砂，分布在深槽及其西部范圍內(nèi)，沉積物質(zhì)較粗，中值粒徑D50為4～5Φ，在強(qiáng)勁水流作用下，將砂粒掀動(dòng)，隨潮流向西搬運(yùn)，在海床上形成潮流脊、沙波等水下地貌。（2）泥質(zhì)粉砂，沉積在深槽東部和南部海床上，中值粒徑D50為6Φ，在東部灘滸島附近有粉砂質(zhì)泥的沉積，其細(xì)物質(zhì)來自長江口泥沙擴(kuò)散。（3）粉砂質(zhì)和粉砂質(zhì)泥，主要分布在灘坡上，中值粒徑 D50為5～6Φ，其顆粒大小偏粗，也反映灘坡沉積物除潮流外還受到風(fēng)浪作用，一般砂粒分選較好。總之，表層沉積物分布反映水動(dòng)力的強(qiáng)弱和泥沙來源，深槽內(nèi)粗物質(zhì)主要來自本區(qū)地層的沉積物。

圖4 杭州灣金山深槽海域底質(zhì)圖

金山深槽的歷史過程。根據(jù)（海鹽）澉水志記載：“舊傳沿海有三十六條岸，九涂十八灘，至王盤山上……”，又提及東晉時(shí)王盤山為屯兵處，可見當(dāng)時(shí)岸線在王盤山附近，大、小金山與陸地相連。隨著東部南匯沙嘴不斷向東延伸，改變了杭州灣北岸形影。元代加禾志記載：宋末元初海岸已退至現(xiàn)代海岸線附近，明代成化八年（1472年）筑塘御海，控制海岸侵蝕后退。因此，王盤山早已淪落海中，繼之大、小金山與陸地分離成為岸外島嶼（圖5）。當(dāng)時(shí)大、小金山之間還有一塊陸地—鸚鵡洲。在強(qiáng)勁潮流沖刷下，鸚鵡洲逐漸被沖開，形成二島之間海峽—金山門。潮流通過金山門，指向金山衛(wèi)灘地。束水集能，沖刷海底，形成深槽。同時(shí)小金山北一股沿岸潮流頂沖金山嘴，使得金山嘴灘嘴狀節(jié)點(diǎn)西移，小金山與海岸距離擴(kuò)大了3～4km（圖6），加大了進(jìn)潮量，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)西移戚家墩。在節(jié)點(diǎn)西移過程中，小金山北股流也向西南方向偏轉(zhuǎn)，與通過金山門的南股流匯合，補(bǔ)充南股流能量，加強(qiáng)水流渦動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)海底沖刷作用。因此，金山深槽底部是由一個(gè)個(gè)深潭串連起來，沿著深槽軸線方向向西擴(kuò)展。從地貌成因類型上分析，金山深槽具有漲潮沖刷槽性質(zhì)。

圖5 杭州灣海岸演變圖

圖6 金山衛(wèi)灘嘴西移和沿岸潮流關(guān)系示意圖

2 金山深槽沖淤變化規(guī)律

金山深槽從大、小金山島起至白沙灣，主槽線大致呈E-W方向，與漲落潮流方向一致。深槽主體部分由幾個(gè)深潭串連而成，從而反映深槽內(nèi)渦流十分強(qiáng)勁、沖淤變化復(fù)雜。根據(jù)1972～2000年十多次水深測(cè)量圖對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)金山深槽有局部深潭增深和縱向延伸，也顯示水動(dòng)力和邊界條件相互作用的反映。

從金山深槽沖淤平面圖來看，1972～2000年間深槽主體部分，相當(dāng)水深-20m范圍內(nèi)，大致從大、小金山至緯六路。按沖淤變化特征，以戚家墩為界分為東段和西段：東段水深大于-30m的深潭有三、四個(gè)，其外形呈長條狀，與潮流方向一致，在30年間橫向擺動(dòng)甚微，縱向有所遷移，1998～2000年測(cè)圖，見-30m深潭統(tǒng)一成槽，說明水流趨向歸槽。該深槽東段受大、小金山間漲潮流控制，水流強(qiáng)度及沖淤變化較小，屬深槽穩(wěn)定段。深槽西段（從戚家墩—緯六路），大體上位于第六次圍堤前緣。大堤轉(zhuǎn)角前深槽離海堤距離較短，-15m等深線距離堤腳僅520m，-10m等深線為640m，-30m等深線為820m。轉(zhuǎn)角前沿深潭最大水深達(dá)-48m，底部面積較大，其范圍自1972年以來一直擴(kuò)大，擴(kuò)展方向開始向南，然后向西南方向延伸。第六次圍堤前沿橫斷面顯示，近10年來，該深潭底部增深3m左右，北邊坡自水深-18m以下向岸沖刷近300～350m左右，其岸外有南北排列的3個(gè)小深潭，水深達(dá)-40m左右，但有縮小、變淺的趨勢(shì)。深槽尾部-20m等深線一直穩(wěn)定在緯六路附近，-30m等深線有明顯退縮，自1972年至今已后退約 1km，從而反映近期在第六次圍堤前南、北兩股水流交匯和移動(dòng)導(dǎo)致前沿深潭擴(kuò)大，而圍堤工程的挑流作用，使得遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角西端的深槽的萎縮現(xiàn)象。深槽尾部位于緯六路至白沙灣，該段海底地形比較平坦，一般水深-13～-14m，灘坡坡度較緩。1972～1976年上海石化第一次圍堤建成后，緯六路前，深槽尾部曾出現(xiàn)北、中和南三個(gè)平行排列的支槽，隨著第六次圍堤的建成，圍堤轉(zhuǎn)角挑流作用促使水流偏向南支槽，深槽南邊坡不斷向外推移，南支槽向西延伸，北支槽有所萎縮。自 1972～2000年南支槽-15m 深槽槽子向西延伸5.3km（表1）。根據(jù)煤碼頭前8502測(cè)站水文測(cè)驗(yàn)資料，最大漲潮流速為 2.48m/s，最大落潮流速為 2.22m/s，顯示了潮流仍然很強(qiáng)勁，并以漲潮流占優(yōu)勢(shì)。本區(qū)上游全公亭深槽沿著灘坡伸展至白沙灣前，1983年在該深槽的尾端8312測(cè)站進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)，落潮最大流速為 1.99m/s，漲潮最大流速為 1.88m/s，為落潮占優(yōu)勢(shì)的落潮沖刷槽，由于緯八路沿岸碼頭建設(shè)，灘坡前流速減弱，使得全公亭深槽尾端往西退縮，自1972～2000年共退縮近 3km。因此，碼頭前漲潮流占優(yōu)勢(shì)，可確保金山南支深槽-15米水深、有利碼頭運(yùn)行。

表1 金山深槽尾部1972～2000年向西延伸距離 單位：km

3 人工圍堤和碼頭建筑物對(duì)灘坡沖淤變化影響

上海石化股份有限公司先后進(jìn)行了六次圍堤以及碼頭工程建設(shè)，必然引起堤外水下岸坡的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化及海床沖淤調(diào)整?，F(xiàn)根據(jù)金山深槽橫斷面灘坡形態(tài)歸納為三類：

第一，1號(hào)戚家墩剖面，灘坡曲線上緩下陡的混合型，水深-10m處為坡折點(diǎn)，上部坡度5‰，下部坡度25‰，由于灘面寬，離深槽距離遠(yuǎn)，因此灘坡多年沖淤變化少，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

第二，2、3號(hào)第六次圍堤前剖面、灘坡曲線為陡坡型。其中2號(hào)剖面位于轉(zhuǎn)角附近，坡度24‰，處于沖刷深潭邊坡上，但從表2來看，近30年來通過13次測(cè)量，-1、-5、-10m等深線在時(shí)間過程線圖上都較為平直，其中-1m等深線有二次周期性內(nèi)外擺動(dòng)，反映海岸工程后，灘坡上水深增大，先沖刷，接著動(dòng)態(tài)平衡，慢慢恢復(fù)原來動(dòng)力機(jī)制，出現(xiàn)沖淤調(diào)整。水下斜坡相應(yīng)沖淤幅度及平面擺幅較小。3號(hào)剖面位于緯六路前，這里深槽主軸線偏向南支槽，而北支槽萎縮，雖灘坡曲線較陡，但遠(yuǎn)離深泓，-1m等深線在1972年離大堤100m，至2000年為220m，可見在堤腳外側(cè)有淤積現(xiàn)象。

第三，4、5號(hào)緯八路和白沙灣剖面，灘坡呈緩坡型，坡度8‰左右，緯八路岸灘進(jìn)行第五次圍堤和4座碼頭建設(shè)，導(dǎo)致近岸水流流速減緩。在海運(yùn)小碼頭兩側(cè)和碼頭前沿都發(fā)生淤積，從4號(hào)緯八路剖面來看，-1m等深線與堤腳距離1972年為90m，至2000年為370m，向外推移了280m，-5m線變化較小，-10m線受近年南支槽延伸略的后退，5號(hào)白沙灣剖面-1m、-5m、-10m等深線與堤腳距離變化較小，岸灘比較穩(wěn)定。總之，上海石化股份有限公司所在地金山衛(wèi)灘地，經(jīng)過六次圍堤和碼頭建設(shè)，大多數(shù)灘坡沖淤變化小，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但上海石化第六次圍堤前金山深槽的增深和橫向擺動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)引起上海石化股份有限公司及有關(guān)單位對(duì)該岸段采取必要的工程措施加以重點(diǎn)保護(hù)。

表2 金山深槽2號(hào)剖面-1、-5、-10m等深線與海堤距離多年變化統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與建議

（1）上海石化前沿金山深槽屬漲潮沖刷槽，形成原因?yàn)楹贾轂吵辈ㄗ冃?、漲潮流輻聚，在大、小金山狹道水流渦動(dòng)作用下下切海床所致。該深槽東起大、小金山，西至白沙灣，全長約14.5km，寬度1.0～2.5km，平均水深20～30m，最大水深50m，-20m等深線離大堤最近距離僅700m，0～20m灘坡坡度1∶35，-20～-45m最大坡度1∶8.4，深槽臨岸，岸坡陡峻，岸灘和深槽穩(wěn)定性是共同關(guān)注的問題。

（2）從1972～2000年10多個(gè)不同年份實(shí)測(cè)的1∶10000水下地形圖數(shù)字化成果計(jì)算分析，近30年來，-30m以上深槽面積基本穩(wěn)定，-20m深槽面積有所擴(kuò)大，-15m等深線沖刷槽有明顯擴(kuò)展，并在向西延伸中曾經(jīng)出現(xiàn)南擺趨勢(shì)，但深槽北側(cè)岸線相對(duì)穩(wěn)定，這與深槽水流的長期穩(wěn)定及沉積地層上存在著上更新統(tǒng)陸相硬粘土層的保護(hù)作用有關(guān)，但東段-30m以上深潭仍在發(fā)展，說明漲潮流勢(shì)尚未減弱。

（3）從沖淤平面分布圖分析，可以將上海石化前沿分為三個(gè)區(qū)段，東段為金山嘴至第六次圍堤轉(zhuǎn)角，近岸淺水區(qū)岸灘沖淤基本穩(wěn)定；中段第六次圍堤前沿屬?zèng)_刷區(qū)，-15m以淺海域水下岸坡每年沖刷后退2～3m，這與演變預(yù)測(cè)結(jié)果一致，是護(hù)堤防汛工程注意的重點(diǎn)岸段，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，-2m至-15m水下岸坡沖刷強(qiáng)度較大；西段自第三次圍堤至白沙灣，由于人工圍堤及碼頭建筑影響，水流減弱，深槽離岸，海床及岸坡趨于平緩，近岸地區(qū)出現(xiàn)微淤現(xiàn)象。

（4）實(shí)踐證明，定期進(jìn)行大比例尺水下地形測(cè)量，是監(jiān)測(cè)深槽和岸灘穩(wěn)定的有效手段，今后應(yīng)繼續(xù)安排計(jì)劃施測(cè)，有可能的話可對(duì)第六次圍堤前沿重點(diǎn)岸段加測(cè)更大比尺的地形，以有利于工程規(guī)劃和布置。

（5）上海石化“金山深槽”及岸灘的穩(wěn)定性，除本區(qū)域的影響因素外，整個(gè)杭州灣的大環(huán)境變化對(duì)石化廠址安全的影響不可忽視，如長江三峽工程、南水北調(diào)工程引起長江入海泥沙量減少和導(dǎo)致的海岸侵蝕問題；南匯人工半島圍灘造陸及蘆洋跨海大橋建設(shè)對(duì)杭州灣北部海床變化的影響等，均需進(jìn)一步作調(diào)查研究和分析。

（6）石化海堤是確保石化地區(qū)生產(chǎn)生活安全的第一道防線，因此，當(dāng)前對(duì)石化海堤的地質(zhì)環(huán)境、風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)、暴雨、地震等對(duì)海堤影響的程度應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并提出防治措施，為今后海堤的正常維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

（7）對(duì)第六次圍堤前沿海域繼續(xù)加強(qiáng)水下地形、水文測(cè)驗(yàn)等動(dòng)態(tài)觀測(cè)，對(duì)第六次圍堤前沿深槽逼岸問題，需著手采用平順拋石護(hù)底工程方式進(jìn)行保灘，以形成-15m以淺海域的穩(wěn)定岸坡，確保上海石化海堤乃至石化廠址的安全。

Stability analysis of underwater topography in the front of Shanghai petrochemical

The article according to the Jinshanwei area geological data， Shanghai petrochemical frontier waters since 1972 10 times water topographic survey data， analyzes the variation of Shanghai petrochemical frontier area terrain， and puts forward related suggestions.

Shanghai petrochemical frontier； underwater terrain； stability

P73

Α

1008-1151（2016）06-0019-04

2016-05-10

范軼曉（1964-），男，上海奉賢人，上海石化海堤管理所助理工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笏摹?/p>