现代黄河三角洲固结沉降及其对三角洲地形变化的贡献研究

【摘要】黄河三角洲位于莱州湾和渤海湾交接地带、渤海西侧黄河入海口处，为我国面积最大的三角洲，也是我国温带地区最广阔、最完整、最年轻的湿地。由于黄河水下三角洲是由黄河携带泥沙快速堆积而成的高含水率、高压缩性、工程性质复杂的沉积体，研究区地面沉降作用明显，导致越来越多黄河三角洲附近的海洋工程面临地面稳定性问题。近年来黄河三角洲地面沉降观测主要集中在水上三角洲的地形变化研究上，而对于水下三角洲土体固结沉降的观测和研究较少。近年来，黄河改道、水沙变化，以及由此产生的黄河三角洲海岸蚀退、水下三角洲冲刷等成果累累。目前的冲刷研究均以实际水深测量资料为基础，而水深地形变化不单单是由冲刷产生的，其中水下三角洲海床土体固结沉降占了相当的比例。本文主要通过大量钻孔资料、室内固结压缩试验、太沙基一维固结理论以及Plaxis模型，综合考虑三角洲沉积格架及不同层位土体物理力学性质等因素，计算黄河水下三角洲土体在自然状态下的固结沉降特征，建立黄河水下三角洲的固结沉降模式，最后根据研究区历史实测水深地形变化资料，定量计算土体固结沉降对水下三角洲地形变化的贡献。研究区表层沉积物粒度相对较粗，主要由粘土质粉砂、砂质粉砂和粉砂质砂三种类型组成，沉积物粒度呈由岸向海逐渐变细的趋势。受黄河尾闾段改道影响，埕北海域黄河水下三角洲表层沉积物较孤东海域有明显的粗化现象，工程性质也有所不同。埋深10~15米以浅地层为全新世沉积形成的地层，以10m为界，上部和下部地层在沉积物组成和物理力学性质方面有较大差别，埋深60米以浅地层包含3套地层及6套亚地层。根据太沙基一维固结理论，各钻孔的最终沉降量在0.6~3.0m之间，单位深度土体固结沉降量在1.5~3.5cm/m之间。大部分钻孔均表现为由上到下单位深度土体固结沉降量逐渐增加的趋势。细粒沉积体产生的固结沉降量对最终固结沉降量的贡献明显大于粗粒沉积体。固结度随着时间的增加而逐渐增大，但固结度的变化速率逐渐减小。在现有应力条件下，固结度达到90%所需的时间大概在15~20年。在20年左右的固结沉降时间里，各钻孔50m深度范围内土体的平均固结沉降速率为5~12cm/a。基于黄河水下三角洲土体重塑样品在不同试验条件下的固结沉降试验，在400kPa上覆应力作用下，20mm高度土体的固结沉降量在0.524~0.668mm之间，800kPa上覆应力作用下土体的固结沉降量在0.782~0.819mm之间。对于特定试验条件，各级荷载下的固结沉降量呈先降低、后增加的趋势，孔隙比随着上覆固结压力的增大而逐渐变小。根据固结试验所得结果及太沙基一维固结理论计算结果，当上覆压力小于100kPa时，通过a1-2计算得到的固结沉降量与试验结果相差较大，随着压力的增加，两种方法所得结果的差距逐渐减小。而通过各级荷载与初始条件之间的压缩系数a0-i计算得到的固结沉降量与固结试验的结果基本一致。根据Plaxis模型，研究区各钻孔最终固结沉降量在0.54~2.16m之间，平均单位深度土体固结沉降量在1.35~3.58cm/m之间。利用Plaxis模型得到的土体固结沉降量是太沙基一维固结理论所得结果的60.1~96.6%，Plaxis模型所得固结沉降量要比太沙基一维固结理论的计算值偏小。1976~1996年，埕岛海域整体以冲刷为主，飞雁滩北侧有一范围较大的冲刷中心，最大冲刷强度在8m以上；2000~2004年，孤东附近海域4～7m等深线之间形成了一条由西北向东南延伸的冲刷沟槽，侵蚀深度在0.5m-2.4m之间。根据数值模拟结果，埕北附近海域存在两个冲刷中心，年最大冲刷强度在5cm以上，较1976~1992年的实测结果大幅减少，但冲淤趋势特征基本与不同时期的实测水深地形变化特征一致。位于埕北飞雁滩北侧冲刷中心及冲刷中心北侧的冲刷区域，由于固结沉降作用的贡献，实际水动力作用下的冲刷强度低于实测水深的变化值，冲刷中心处固结沉降作用对三角洲地形变化的贡献率为20~43.8%，冲刷中心北侧冲刷区固结沉降作用对三角洲地形变化的贡献率为30.1~86.5%。对于实测水深冲淤平衡区和淤积区，水动力作用下的实际淤积量远大于实测水深的变化值，实测水深冲淤平衡海域的固结沉降作用对三角洲地形变化的贡献率为46.5~50%，淤积区的固结沉降作用对三角洲地形变化的贡献率为30.7~41.5%。孤东海域KD34孔的固结沉降作用对三角洲地形变化的贡献率在68.9%~89.5%之间。
【作者】刘杰；
【导师】冯秀丽；
【作者基本信息】中国海洋大学，海洋地质，2014，博士
【关键词】现代黄河水下三角洲；工程地质；固结理论；固结沉降；地形变化；

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