現(xiàn)代黃河水下三角洲固結(jié)沉降及其對(duì)三角洲地形變化的貢獻(xiàn)研究.pdf

1、黃河三角洲位于萊州灣和渤海灣交接地帶、渤海西側(cè)黃河入海口處,為我國(guó)面積最大的三角洲,也是我國(guó)溫帶地區(qū)最廣闊、最完整、最年輕的濕地。由于黃河水下三角洲是由黃河攜帶泥沙快速堆積而成的高含水率、高壓縮性、工程性質(zhì)復(fù)雜的沉積體,研究區(qū)地面沉降作用明顯,導(dǎo)致越來(lái)越多黃河三角洲附近的海洋工程面臨地面穩(wěn)定性問(wèn)題。近年來(lái)黃河三角洲地面沉降觀測(cè)主要集中在水上三角洲的地形變化研究上,而對(duì)于水下三角洲土體固結(jié)沉降的觀測(cè)和研究較少。
　　近年來(lái),黃河改道

2、、水沙變化,以及由此產(chǎn)生的黃河三角洲海岸蝕退、水下三角洲沖刷等成果累累。目前的沖刷研究均以實(shí)際水深測(cè)量資料為基礎(chǔ),而水深地形變化不單單是由沖刷產(chǎn)生的,其中水下三角洲海床土體固結(jié)沉降占了相當(dāng)?shù)谋壤?。本文主要通過(guò)大量鉆孔資料、室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗(yàn)、太沙基一維固結(jié)理論以及Plaxis模型,綜合考慮三角洲沉積格架及不同層位土體物理力學(xué)性質(zhì)等因素,計(jì)算黃河水下三角洲土體在自然狀態(tài)下的固結(jié)沉降特征,建立黃河水下三角洲的固結(jié)沉降模式,最后根據(jù)研究區(qū)歷史實(shí)

3、測(cè)水深地形變化資料,定量計(jì)算土體固結(jié)沉降對(duì)水下三角洲地形變化的貢獻(xiàn)。
　　研究區(qū)表層沉積物粒度相對(duì)較粗,主要由粘土質(zhì)粉砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂三種類型組成,沉積物粒度呈由岸向海逐漸變細(xì)的趨勢(shì)。受黃河尾閭段改道影響,埕北海域黃河水下三角洲表層沉積物較孤東海域有明顯的粗化現(xiàn)象,工程性質(zhì)也有所不同。埋深10~15米以淺地層為全新世沉積形成的地層,以10m為界,上部和下部地層在沉積物組成和物理力學(xué)性質(zhì)方面有較大差別,埋深60米以淺地層包含3

4、套地層及6套亞地層。
　　根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論,各鉆孔的最終沉降量在0.6~3.0m之間,單位深度土體固結(jié)沉降量在1.5~3.5cm/m之間。大部分鉆孔均表現(xiàn)為由上到下單位深度土體固結(jié)沉降量逐漸增加的趨勢(shì)。細(xì)粒沉積體產(chǎn)生的固結(jié)沉降量對(duì)最終固結(jié)沉降量的貢獻(xiàn)明顯大于粗粒沉積體。固結(jié)度隨著時(shí)間的增加而逐漸增大,但固結(jié)度的變化速率逐漸減小。在現(xiàn)有應(yīng)力條件下,固結(jié)度達(dá)到90％所需的時(shí)間大概在15~20年。在20年左右的固結(jié)沉降時(shí)間里,各鉆

5、孔50m深度范圍內(nèi)土體的平均固結(jié)沉降速率為5~12cm/a。
　　基于黃河水下三角洲土體重塑樣品在不同試驗(yàn)條件下的固結(jié)沉降試驗(yàn),在400kPa上覆應(yīng)力作用下,20mm高度土體的固結(jié)沉降量在0.524~0.668mm之間,800kPa上覆應(yīng)力作用下土體的固結(jié)沉降量在0.782~0.819mm之間。對(duì)于特定試驗(yàn)條件,各級(jí)荷載下的固結(jié)沉降量呈先降低、后增加的趨勢(shì),孔隙比隨著上覆固結(jié)壓力的增大而逐漸變小。根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)所得結(jié)果及太沙基一維固

6、結(jié)理論計(jì)算結(jié)果,當(dāng)上覆壓力小于100kPa時(shí),通過(guò) a1-2計(jì)算得到的固結(jié)沉降量與試驗(yàn)結(jié)果相差較大,隨著壓力的增加,兩種方法所得結(jié)果的差距逐漸減小。而通過(guò)各級(jí)荷載與初始條件之間的壓縮系數(shù)a0-i計(jì)算得到的固結(jié)沉降量與固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。
　　根據(jù)Plaxis模型,研究區(qū)各鉆孔最終固結(jié)沉降量在0.54~2.16m之間,平均單位深度土體固結(jié)沉降量在1.35~3.58cm/m之間。利用Plaxis模型得到的土體固結(jié)沉降量是太沙基一維

7、固結(jié)理論所得結(jié)果的60.1~96.6%,Plaxis模型所得固結(jié)沉降量要比太沙基一維固結(jié)理論的計(jì)算值偏小。
　　1976~1996年,埕島海域整體以沖刷為主,飛雁灘北側(cè)有一范圍較大的沖刷中心,最大沖刷強(qiáng)度在8m以上;2000~2004年,孤東附近海域4~7m等深線之間形成了一條由西北向東南延伸的沖刷溝槽,侵蝕深度在0.5m-2.4m之間。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,埕北附近海域存在兩個(gè)沖刷中心,年最大沖刷強(qiáng)度在5cm以上,較1976~199

8、2年的實(shí)測(cè)結(jié)果大幅減少,但沖淤趨勢(shì)特征基本與不同時(shí)期的實(shí)測(cè)水深地形變化特征一致。
　　位于埕北飛雁灘北側(cè)沖刷中心及沖刷中心北側(cè)的沖刷區(qū)域,由于固結(jié)沉降作用的貢獻(xiàn),實(shí)際水動(dòng)力作用下的沖刷強(qiáng)度低于實(shí)測(cè)水深的變化值,沖刷中心處固結(jié)沉降作用對(duì)三角洲地形變化的貢獻(xiàn)率為20~43.8%,沖刷中心北側(cè)沖刷區(qū)固結(jié)沉降作用對(duì)三角洲地形變化的貢獻(xiàn)率為30.1~86.5%。對(duì)于實(shí)測(cè)水深沖淤平衡區(qū)和淤積區(qū),水動(dòng)力作用下的實(shí)際淤積量遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)水深的變化值,