地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (6): 1150-1156
引用本文
李振, 彭华, 马秀敏, 姜景捷, 孙尧, 李龙飞. 琼州海峡西线跨海通道工程地质评价[J]. 地质力学学报, 2019, 25(6): 1150-1156.
LI Zhen, PENG Hua, MA Xiumin, JIANG Jingjie, SUN Yao, LI Longfei. ENGINEERING GEOLOGICAL EVALUATION ON THE WEST LINE OF THE CROSS-SEA CHANNEL IN THE QIONGZHOU STRAIT[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(6): 1150-1156.
琼州海峡西线跨海通道工程地质评价
李振1,2, 彭华1,2, 马秀敏1,2, 姜景捷1,2, 孙尧1,2, 李龙飞1,2    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 活动构造与地壳稳定性评价重点实验室, 北京 100081
摘要:为开展琼州海峡跨海通道地壳稳定性评价,避免潜在的地质灾害对跨海通道工程安全性产生不利影响,利用侧扫声纳、单道地震、多波束等地球物理探测方法对琼州海峡海底展开了地形地貌调查,获得了琼州海峡跨海通道工程区海域活动断层分布、西线规划区地形地貌及地质条件等基础地质资料。工程地质评价认为西线线路断裂、地震、火山活动性弱,海底水深小、地形较为平坦、地貌简单,上新世望楼港组低液限粘土及上新世浅海相砂层作为基础持力层,岩土工程力学性质尚可,利于开展跨海通道桥梁方案施工。规划线路穿越1处侵蚀沟槽,影响长度约5 km,地形高差达60 m,且线路东临1处海釜,分布有陡坎,且部分地段分布有滑塌堆积。建议西线线路北段局部西移约1.5 km,同时关注西口潮流侵蚀沟槽、规划区南部淤泥质软土、古河道砂性土沉积、海峡谷底活动沙坡等不良地质作用影响。
关键词海洋工程地质    地形地貌    工程地质问题    琼州海峡    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.098     文章编号:1006-6616(2019)06-1150-07
ENGINEERING GEOLOGICAL EVALUATION ON THE WEST LINE OF THE CROSS-SEA CHANNEL IN THE QIONGZHOU STRAIT
LI Zhen1,2, PENG Hua1,2, MA Xiumin1,2, JIANG Jingjie1,2, SUN Yao1,2, LI Longfei1,2    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Active Tectonics and Crustal Stability Assessment, Beijing 100081, China
Abstract: For the crustal stability assessment of the cross-sea channel engineering in the Qiongzhou Strait, geophysical survey methods including side-sweep sonar, single channel seism and multi-beam were applied to investigate the topography and geomorphology of the Qiongzhou Strait. The side sweep sonar images, topographic and the distribution of active faults were obtained. The engineering geological evaluation shows that the fault, earthquake, and volcanic activities in the planned area of the line are weak, the seabed water depth is shallow, the terrain is relatively flat, and the landform is simple. The low liquid limit clay of the formation and the Pliocene neritic facies sand layer could be used as the basic supporting layers, and the mechanical properties of geotechnical engineering are acceptable, which are conducive to the construction of bridges across the sea. Research demonstrates that the planned line passes through an erosion trench, affecting a length of about 5 kilometers, with a terrain height difference of 60 meters and a sea kettle to the east of the line, along with steep slopes as well as slump deposits in some parts of the area. It is proposed that the northern section of the line be partially moved about 1.5 kilometers westward. At the same time, attention will be paid to the erosion of trenches in the West mouth, muddy soft soil in the southern part of the planning area, sandy soil deposits in ancient rivers, and active sand waves at the bottom of the strait.
Key words: marine engineering geology    geomorphology    engineering geological issues    Qiongzhou Strait    

“超级工程”琼州海峡跨海通道作为海南与内地连接的纽带,为南海开发提供更为强大的后勤保障,将极大巩固海南海防要塞、政治、军事、经济地位,被寄予社会经济快速发展重任。自20世纪90年代至今,广东、海南、交通运输部等多省、部委对琼州海峡跨海通道开展一系列的专题研究、论证工作。国内学者也针对社会经济、通航安全、地质构造[1-3]、海洋水文、桥梁隧道等方面因素[4-6],对通道建设可行性、线路比选,乃至隧道方案均开展了大量研究[7-8]。然而,琼州海峡地处雷琼坳陷,具有水深、风大、浪高、流急、地质构造复杂、地震烈度较高、通航要求较高、环境影响敏感点较多等特点,琼州海峡跨海通道工程可行性问题至今日仍就争议不断。为此,文章在综合分析区域构造运动、地震活动、海峡地形地貌条件,乃至海峡地区水文地质条件基础上,对预选线路开展详细的工程地质评价,探讨拟选工程线路可行性[9]

1 区域地质概况

琼州海峡属于中国的南海,位于广东省雷州半岛和海南岛之间,东连南海北部,西接北部湾,呈东西向延伸,长度大于80 km,宽度19.2~37.5 km,平均宽度29.5 km,面积约0.24×104 km2,平均水深44 m,最大深度约160 m(图 1)。

图 1 琼州海峡地理位置及琼州海峡活动断裂与地震分布图(据文献[10-12]有修改) Fig. 1 The geographical location, active faults and seismic distribution map of the Qiongzhou Strait (modified after references [10-12])

琼州海峡在往复潮汐作用下,形成在东西两端为潮流三角洲、中部为槽谷、两岸为强烈侵蚀台地及海陆交互相滨海平原的地貌格架。海底地形较复杂,差异较大。东、西部峡口水深较浅,冲刷槽与浅滩相间分布,东部峡口呈“朵状”分布、西部峡口呈“指状”分布;中部槽谷水深大于50 m,长约70 km、宽约10 km,中轴线水深80~120 m。南北两侧分布有陡坎,最大高差达70 m。

琼州海峡位于海南岛和雷州半岛断陷中部,新近纪地块差异性运动导致雷琼之间地块下沉,形成地堑式凹陷[13-15]。构造运动强烈,第四纪基性岩浆岩活动频繁,活动断裂发育。主要受近东西向光村-铺前断裂和北西向长流-仙沟断裂、海口-云龙断裂、铺前-清澜断裂所控制,这两组断裂为长期继承性活动断裂,新构造运动时期活动明显,是影响跨海通道建设的主要活动构造。地震活动强度大,自1400年以来,共记载了在区内发生的Ms4级地震48次(包括前余震),最大为1605年琼山7.5级地震;1970年以来共记录了大于ML2级的地震1324次,其中5.0~5.9级8次,6.4级地震2次。

2 调查方法与设备

自2014年以来,中国地质科学院地质力学研究所在琼州海峡开展了海洋地质调查工作。包括多波束海底测深、侧扫声纳海底扫描、2~13.5 kHz浅地层剖面探测及单道地震探测在内的地球物理勘探[16-17]。完成近海及陆域工程钻探,开展了综合地应力测量及监测,并钻取柱状样及实验室土工测试。

水深测量:采用SeaDep-300型多波束测深系统,发射中心频率300 kHz,量程200 m, 测量精度为量程的±10 cm±0.5%水深。

侧扫声纳测量:采用Sonar Beam S-150D完整的数字双频侧扫声纳系统,单边扫描宽度150 m,分辨率为单侧扫描宽度的1/400。

单道地震探测:采用Mini-Trace Ⅱ,地震采集模块系统、GEO-SPARK 2000X型电火花源及Geo-Sense小型水听器电缆组成,震源能1000 J,激发间隔1000 ms,模拟记录扫描宽度500 ms,工作频率100~1000 Hz,可穿透海底以下100 m以浅地层。

导航定位:采用姿态、航向、位置一体化惯性导航测量系统GCA6300作为本产品的辅助测量设备。航向精度0.1°(基线长度≥2 m),姿态精度:≤0.05°,升沉精度:5 cm或5%,定位精度:单点定位≤2 m(1σ);RTK 2 cm+1 ppm。

3 拟选西线线路工程地质条件 3.1 西线线路地形地貌

琼州海峡海底工程地质条件复杂,前后共形成7条规划线路的初选方案及中线和西线的优选方案(图 1, 表 1)。琼州海峡跨海通道西线拟选线路自海南临高县红牌咀至广东省徐闻县灯楼角,全长约31.80 km。自南向北线路大约沿北北东2°方向11.52 km,折向北东22°方向12.48 km,再折向北东35°方向7.80 km展布。线路位于琼州海峡西峡口,东临琼州海峡深水槽,向西连接西端“指状”潮汐三角洲。

表 1 琼州海峡跨海通道前期规划路线方案统计表 Table 1 Statistics of the preliminary route plans for the cross-sea channel in the Qiongzhou Strait

线路调查区地形受海峡峡谷地形影响,地势整体具有两岸浅、中部深特点,自两岸至中部依次为浅水区、中水区和深水区。等值线走向主要呈北西—东西向,两岸岸坡、谷坡南宽北窄、南缓北陡。受调查水深影响较大,多波束调查未能获得两岸水下岸坡水深资料(图 2a)。沿线地形较为平坦,平均水深约40 m,水深范围16.0~64.1 m。调查区东北部水深最大,位于灯楼角外海域,比邻拟选线路,水深80.1 m;受灯楼角外水道影响,地形地貌相对复杂,台地、冲刷槽分布,落差60.0 m(图 3)。

图 2 琼州海峡西线规划区图 Fig. 2 The planning area of the West Line in the Qiongzhou Strait

琼州海峡跨海通道西线地处琼州海峡峡谷地貌单元和西峡口潮汐三角洲地貌单元之间。Ⅰ级地貌单元继承了两种地貌特征。Ⅱ级地貌单元有水下岸坡、谷坡、谷底、冲刷槽和潮汐;Ⅲ级地貌单元有冲刷槽、洼地、海丘、陡坎和沙波(图 2b)。

调查区北岸为一玄武岩台地,灯楼角向海峡延伸3 km左右,水下岸坡处于浅水区。受琼州海峡潮流作用,谷坡海丘、洼地相间分布,地形复杂,陡坎发育;海丘玄武岩质,珊瑚礁生长。谷底浅滩与冲刷槽相间分布,具有一定的起伏。南部水下岸坡平缓、开阔,处于中水区。谷底受侵蚀影响较小,海底地形平坦,浅滩发育。谷底中广泛发育沙波, 以大、中型沙波为主。在勘探深度范围内,未发现较完整、稳定的岩层(图 2c)。

3.2 线路岩土工程特征

结合单道地震、钻孔及以往地层层序特征资料[18],确定线路剖面及调查地层上自上而下可划分为4个层序,层Ⅰ—Ⅳ为上新世至全新世地层(图 3)。

图 3 琼州海峡西线地层剖面 Fig. 3 The stratigraphic section of the West Line in the Qiongzhou Strait

层Ⅰ为一套强振幅、中频、中—高连续性,水平层理的地层,为一套全新世北尖组浅海相碎屑沉积。上部为深灰色有机土,下部为灰色粘土质砂或砂,流—软塑。浅海相在海峡侵蚀作用下,海峡中部无分布,主要分布于海峡南部水下岸坡,由水下岸坡向谷坡方向逐渐变薄以至消失尖灭,部分地区谷坡上部亦有分布。侧扫声纳调查中,超声波大部分被软土层吸收,仅少量被反射、接收,影像图像表现为均一灰黑色,岩性为淤泥质软土沉积。天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0。具有松软、孔隙比大、天然含水量大、压缩性高、力学强度低、渗透性小等特点。另外在水道侵蚀作用下,在灯楼角外海发育一处滑塌沉积(图 4)。表现为北侧灯楼角水下岸坡玄武岩台地及新近沉积滑塌和西侧上新世粘土沉积滑塌,滑塌堆积物松散堆积,孔隙比大、力学强度低、压缩性高。

图 4 灯楼角外海滑塌堆积 Fig. 4 The slump deposits in Dengjiaolou open sea

层Ⅱ1为一套中—强振幅、中频、高连续平行或亚平行结构的地层,为一套全新世形成的古河道砂层沉积。现今海槽南北两侧分布,古河道内部新近沉积松散砂层,孔隙度较大,具有较强的渗透性,与围岩的岩性较大差异,固结压实效应差异显著,上、下界面及边坡均为不整合接触,是天然的物性界面。在外力作用下, 容易引起层间滑动。在振动效应下, 容易引起砂土液化。地震反射剖面显示,部分古河道底部存在明显滑塌堆积现象(图 5),说明在河道在未被填充时,既已发生边坡失稳现象。

图 5 测线Z6古河道顺层滑塌堆积现象 Fig. 5 The slippage in the ancient channel of line Z6

层Ⅱ2为一套反射模糊、杂乱反射层组,为一套中更新世萝岗岭期玄武岩,黑褐色,块状,节理裂隙发育,呈碎石状,坚硬。主要分布规划区北部,力学强度强、压缩性低。

层Ⅲ为一套中—强振幅、中频、高连续平行或亚平行结构的反射层组。该层序为上新世望楼港组浅海相碎屑沉积,岩性以低液限粘土为主,夹粘土质砂、粉砂质砂,含贝壳碎片,具层状构造。灰黑色低液限粘土夹粉土质砂,硬塑—坚硬。分布于调查区大部分地区;在潮流侵蚀作用下,在海峡局部被剥蚀、出露。力学强度较强、压缩性低。

层Ⅳ弱振幅、低连续的反射层组,其特征难以识别。据钻孔资料,层序上部为上新世浅海相砂层,灰色,中密,含粉土团。广泛分布于调查区范围内。

4 讨论

区域地质构造上,琼州海峡跨海通道西线调查区内无晚更新世以来的活动断裂分布,地震、火山活动性弱。然而,长流-仙沟断裂在海域延伸段,指向灯楼角方向。长流-仙沟断裂为一条集全新世火山活动、地震活动于一体的区域性活动断裂,其在海域段断裂活动性尚不明确。需继续开展断裂活动性调查,以确定线路避让或加固措施。

琼州海峡跨海通道西线海底水深小、地形较为平坦、地貌简单,利于开展跨海通道桥梁方案施工。然而,线路穿越1处侵蚀沟槽,影响长度约5 km,地形高差达60 m,且线路东临1处海釜。分布有陡坎,且部分地段分布有滑塌堆积。建议线路北段局部西移约1.5 km,规避海峡峡谷内侵蚀沟槽及海釜影响,同时关注西口潮流侵蚀沟槽影响。另外,沙波主要分布于遍布于峡谷两端的谷坡和谷底上。各种活动的水下沙丘、沙波、强烈的侵蚀与堆积地貌等海底地表地质因素,严重影响了海洋工程的施工和结构安全,易成为影响海底工程稳定的不良因素。

西线调查区海峡水下岸坡表层分布有淤泥质软土层,具有松软、孔隙比大、天然含水量大、压缩性高、力学强度低、渗透性小和灵敏结构性的特点。其厚度随地形变化,厚0~40 m。该淤泥质软土层为线路规划、建设施工过程必须处理的地质问题之一。

在琼州海峡现今海槽南北两侧、地震反射层Ⅰ和层Ⅲ之间埋藏着分布广泛且跨度较大的古河道。在地震、海浪和潮流及重大工程建设施工等外部动力、荷载联合作用下,尤其是现已存在临空面的琼州海峡北侧古河道极易触发顺层滑塌;古河道内新近沉积砂土液化和软土震陷作为潜在地质灾害,不仅会在跨海通道隧道开挖或桩基施工中,给对通道工程带来直接威胁,也将会长期影响跨海通道的安全运行。该古河道砂质沉积地层工程地质条件及稳定性成为贯穿跨海通道线路规划设计、施工及运行全过程的无法规避且必须解决的地质问题之一。

总之,琼州海峡跨海通道西线工程施工深度范围内无较完整、稳定的岩层,桥梁方案基础无良好的持力层。然而,层Ⅲ上新世望楼港组低液限粘土,硬塑—坚硬,力学强度较强、压缩性低。层Ⅳ上新世浅海相砂层,中密,力学强度较强、压缩性低。此两岩土层尚可作为桥梁方案的基础持力层。另外,海峡两岸表层出露晚更新世玄武岩,力学强度强、压缩性低,可作为跨海通道工程附属构筑物浅层天然地基持力层使用。

5 结论

(1) 琼州海峡跨海通道西线调查区内无晚更新世以来的活动断裂分布,规划区范围内地震、火山活动性弱。海底水深小、地形较为平坦、地貌简单,利于开展跨海通道桥梁方案施工。

(2) 琼州海峡跨海通道西线桥梁方案可选择上新世望楼港组低液限粘土及上新世浅海相砂层作为基础持力层。更新世玄武岩可作为跨海通道工程附属构筑物浅层天然地基持力层使用。

(3) 线路穿越1处侵蚀沟槽,影响长度约5 km, 地形高差达60 m,且线路东临1处海釜。分布有陡坎,且部分地段分布有滑塌堆积。建议线路北段局部西移约1.5 km,同时关注西口潮流侵蚀沟槽、规划区南部淤泥质软土、古河道砂性土沉积、海峡谷底活动沙坡等不良地质作用影响。

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