現(xiàn)代黃河水下三角洲土體工程性質(zhì)及固結(jié)沉降特性研究＊

劉 杰，馮秀麗，劉 瀟，林 霖

（中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島266100）

現(xiàn)代黃河三角洲位于渤海灣南側(cè)、萊州灣西側(cè)，為1855年黃河北歸注入渤海以后，由黃河攜帶泥沙堆積而成的三角洲。現(xiàn)代黃河水下三角洲附近海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，是勝利油田開(kāi)發(fā)的主要區(qū)塊。近幾十年來(lái)，關(guān)于黃河三角洲的研究開(kāi)展得很多，主要集中在黃河水沙變化，以及由此而產(chǎn)生的海岸蝕退等方面。劉勇等[1]根據(jù)黃河三角洲長(zhǎng)期水深測(cè)量資料的對(duì)比研究，對(duì)黃河廢棄三角洲海底沖淤演變規(guī)律進(jìn)行了研究；馮秀麗等[2]對(duì)黃河三角洲埕島海域的地貌演化及相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析；褚忠信等[3]根據(jù)遙感影像提取一般高潮線和從實(shí)測(cè)水深提取2m等深線，分別研究了陸上三角洲和水下三角洲的沖淤變化；楊偉等[4]通過(guò)1996—2005年的固定斷面水深測(cè)量資料對(duì)黃河三角洲清水溝河口區(qū)近期沖淤變化特征進(jìn)行了研究；劉曉等[5]根據(jù)黃河口附近海域水體懸浮泥沙濃度和光譜信息的同步測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)懸浮泥沙濃度進(jìn)行了定量反演，分析了黃河口附近海域懸浮泥沙分布特征，獲得了2009年夏季黃河入?？趹腋∧嗌碀舛确植紙D。但目前的沖刷研究多以水深測(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，其中三角洲的固結(jié)沉降占了相當(dāng)?shù)谋壤?，這是不容忽視的。

因此，對(duì)黃河水下三角洲地面沉降特別是固結(jié)沉降研究，預(yù)測(cè)其最終沉降量、沉降速率等，可以為防災(zāi)減災(zāi)提供理論數(shù)據(jù)，為水下三角洲地區(qū)海洋工程的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲是1855年黃河北歸注入渤海以后，由黃河攜帶泥沙堆積而成的三角洲，到目前為止只有一百多年的歷史，是世界上最年輕的三角洲之一。從1855年黃河北歸，到1976年黃河基本穩(wěn)定在現(xiàn)今位置，黃河總共經(jīng)歷8次改道，形成了8個(gè)葉瓣[6]。按照形態(tài)，黃河水下三角洲可分為三角洲頂部平原、前緣斜坡以及前緣裾[7]。黃河三角洲近岸海域主要為不規(guī)則半日潮，漲潮平均流速為38（表層）和30cm/s（底層），漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，落潮流速小于漲潮流速[8]。波浪受風(fēng)的控制顯著，本海區(qū)的常浪向?yàn)镹E向，頻率為10.3%[9]。

2 研究資料與研究方法

2.1 資料來(lái)源

本文收集了1999年的ZK－1孔和2002年的ZK－2孔的工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)、鉆孔室內(nèi)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及鉆孔分析報(bào)告，以分析現(xiàn)行黃河口及黃河故道河口海域沉積物的垂向分布規(guī)律和物理力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算2個(gè)鉆孔的固結(jié)沉降量及沉降速率。研究區(qū)及鉆孔的位置如圖1所示。

2.2 研究方法

本文采用Terzaghi[10]提出的一維固結(jié)理論，利用分層總和法研究土層飽和狀態(tài)下的水下三角洲滲透固結(jié)過(guò)程。研究區(qū)土體需滿足以下3個(gè)假設(shè)：土體均質(zhì)飽和，土顆粒和孔隙水均不可壓縮；土體的壓縮符合壓縮定律；土體中的孔隙水滲流發(fā)生在豎直方向上，且符合達(dá)西定律[11－12]。

圖1 研究區(qū)及鉆孔位置圖Fig.1 Location of ZK－1，ZK－2and study area

首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、沉積物粒度分析結(jié)果以及土體物理性質(zhì)將研究對(duì)象分為若干層，第i層土體的固結(jié)壓縮量計(jì)算公式為：

其中：Δsi為第i層土體的壓縮變形量（m）；hi為第i層土體的厚度（m）；e1i為第i層原狀土體的孔隙比；e2i為土體在自重應(yīng)力及附加應(yīng)力作用下，壓縮達(dá)到穩(wěn)定條件下的孔隙比。

式中：ai為第i層土的壓縮系數(shù)（kPa－1）；p1i為第i層土體的自重應(yīng)力（kPa）；p2i為第i層土體的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和（kPa）。

土體的最終沉降量s為：

根據(jù)《土力學(xué)地基基礎(chǔ)》[13]中固結(jié)度的計(jì)算方法，按照分層總和法計(jì)算土體的最終沉降量s，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，固結(jié)沉降量st與最終固結(jié)沉降量s的比值，即為固結(jié)度U：

式中：n為正奇數(shù)（1，3，5，……）；TV為時(shí)間因子；CV為土體固結(jié)系數(shù)（cm2/a）；H為土層厚度（cm）；t為固結(jié)沉降的時(shí)間（a）；k為土的滲透系數(shù)（cm/a）；e1為滲流固結(jié)前土體的孔隙比；γw為水的重度（kN/m3）；a為土的壓縮系數(shù)（kPa－1）。

在計(jì)算時(shí)，由于鉆孔中各土層的工程性質(zhì)以及受到的有效應(yīng)力不同，在相同時(shí)間內(nèi)的固結(jié)沉降量和固結(jié)度不同。本文在計(jì)算時(shí)依然采用分層總和法，通過(guò)計(jì)算時(shí)間t后各層的固結(jié)沉降量，獲取一定時(shí)間內(nèi)整個(gè)鉆孔的總沉降量st，計(jì)算固結(jié)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖土工程性質(zhì)特征

根據(jù)兩鉆孔現(xiàn)場(chǎng)鉆探記錄、室內(nèi)粒度分析實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)資料等進(jìn)行分析，2個(gè)鉆孔的沉積物分布特征在垂向上大致相同，沉積物組成以粉土和粉質(zhì)黏土層為主，含有少量的淤泥、黏質(zhì)粉土及粉砂層。10m以淺土層為黃河水下三角洲快速沉積和全新世淺海相沉積的欠固結(jié)土，10m以下土體的工程性質(zhì)波動(dòng)不大，各參數(shù)變化較小，二者在沉積物組成和物理力學(xué)性質(zhì)方面有較大差別。2個(gè)鉆孔上部土體沉積物類(lèi)型和工程性質(zhì)有明顯差異：根據(jù)2個(gè)鉆孔深度上沉積物類(lèi)型及工程力學(xué)性質(zhì)變化曲線，靠近現(xiàn)行河口的ZK－2孔表層以淤泥為主，表現(xiàn)為高孔隙比、高壓縮系數(shù)及高液性指數(shù)，為高壓縮性低強(qiáng)度的軟弱土層，而ZK－1孔表層沉積物有明顯的粗化現(xiàn)象，以相對(duì)更粗的粉土為主，相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)也有所差異。這主要是由于黃河尾閭段改道后，使原本在ZK－1孔附近形成的黃河水下三角洲體進(jìn)入蝕退階段，在海洋動(dòng)力的作用下，該處水深逐漸增大，三角洲表層沉積物中的黏土等細(xì)顆粒物質(zhì)被侵蝕搬運(yùn)掉，相對(duì)較粗的粉砂保留下來(lái)，工程性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。

3.2 最終固結(jié)沉降量

由于現(xiàn)代水下三角洲沉積物、廢棄水下三角洲沉積物和渤?；壮练e物基本未因侵蝕、剝蝕而產(chǎn)生卸荷作用，所以在固結(jié)沉降計(jì)算過(guò)程中均按正常固結(jié)狀態(tài)或欠固結(jié)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算[14]。根據(jù)Terzaghi一維固結(jié)理論，采用分層總和法對(duì)研究區(qū)鉆孔固結(jié)沉降量進(jìn)行分層計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1和2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，ZK－1孔（60.5m）的最終固結(jié)沉降量為2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最終固結(jié)沉降量為1.70m。根據(jù)各層土的沉降量，得到2個(gè)鉆孔的固結(jié)沉降曲線（見(jiàn)圖3），從表1、表2以及圖3中可以看出：2個(gè)鉆孔的固結(jié)沉降曲線有所不同，ZK－1孔的最大單位深度土體固結(jié)沉降量為9.6cm/m，平均單位深度土體固結(jié)沉降量為3.44cm/m，ZK－2孔的最大單位深度土體固結(jié)沉降量為6.9cm/m，平均單位深度土體固結(jié)沉降量為3.38cm/m?？傮w上，兩鉆孔的單位深度土體固結(jié)沉降量呈由上到下逐漸增加的趨勢(shì)，2個(gè)鉆孔的沉降曲線都可以分為3段，第一段單位沉降量最小，僅為1cm/m左右；第二段沉降量較第一層土體稍大，為2～5cm/m；第三段是構(gòu)成最終沉降量的最主要部分，這一段的最終沉降量占總沉降量的40%左右，平均單位深度的沉降量為6～9cm/m。

圖2 鉆孔沉積物物理力學(xué)性質(zhì)柱狀圖Fig.2 Water content，void ratio，liquidity index，compressibility of ZK－1and ZK－2

表1 ZK－1孔各土層沉積物類(lèi)型及沉降量（深度自上而下）Table 1 Sediment types and subsidence of ZK－1in different layers（from top to bottom）

造成各土層單位深度土體固結(jié)沉降量不同的主要原因是土體的物理力學(xué)性質(zhì)差異以及上覆應(yīng)力的不同。2個(gè)鉆孔的沉降特性基本一致，第一段為三角洲前緣沉積物在自重應(yīng)力條件下產(chǎn)生的沉降，這一段雖然有較大的壓縮系數(shù)，為高壓縮性低強(qiáng)度土體，但由于沒(méi)有上覆壓力，因此沉降量并不大；第二段為固結(jié)速度快、壓縮系數(shù)小的粉砂、細(xì)砂和粘質(zhì)粉土交互層，該層雖具有較大的上覆應(yīng)力，但壓縮性較低，因此該段固結(jié)沉降量較上段稍大；第三段是構(gòu)成最終沉降量的主要部分，具有適宜的壓縮性以及較大的上覆應(yīng)力，這一段的厚度占整個(gè)鉆孔的20%左右，其最終沉降量占總沉降量的40%左右。

表2 ZK－2孔各土層沉積物類(lèi)型及沉降量（深度自上而下）Table 2 Sediment types and subsidence of ZK－2in different layers（from top to bottom）

圖3 兩鉆孔固結(jié)沉降曲線Fig.3 Consolidation settlement curves of ZK－1and ZK－2

3.3 固結(jié)度隨時(shí)間的變化

在三角洲地層固結(jié)沉降過(guò)程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)以及孔隙比等都是隨時(shí)間和有效應(yīng)力的變化而變化的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本文在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，取它們?cè)诠探Y(jié)過(guò)程中的平均值。計(jì)算所得的固結(jié)度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖4 兩鉆孔固結(jié)度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Consolidation degree of solum versus time in ZK－1and ZK－2

通過(guò)計(jì)算可知，固結(jié)度隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，2個(gè)鉆孔土體固結(jié)度達(dá)到90%的時(shí)間大概需要15～20a。隨著時(shí)間的增加，固結(jié)度的變化速率逐漸減小，固結(jié)度變化最快的部分出現(xiàn)在開(kāi)始的5a中，固結(jié)度可以達(dá)到60%～70%；而固結(jié)度由80%達(dá)到90%需要10a左右的時(shí)間。根據(jù)各鉆孔達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的最終沉降量和固結(jié)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，在20a左右的固結(jié)沉降時(shí)間里，兩鉆孔厚度50m以內(nèi)土體的平均沉降速率為6.5～8.5cm/a。

根據(jù)固結(jié)度隨時(shí)間的變化關(guān)系研究可知，在海底表層不再堆積新的沉積體的情況下，隨著時(shí)間的推移，三角洲土體的固結(jié)沉降速率逐漸變小，這是由于研究區(qū)地層主要由粉土層和粉質(zhì)黏土層相互交替，粉土層的滲透系數(shù)較高、土體固結(jié)沉降速率較快，一般在1年以后固結(jié)度就可以達(dá)到90%，因此，最快的固結(jié)速率出現(xiàn)在開(kāi)始階段。隨著時(shí)間的增加，粉質(zhì)黏土層的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、孔隙比等逐漸變小，固結(jié)度的變化也逐漸變小。

4 結(jié)論

（1）2個(gè)鉆孔的沉積物組成以粉土和粉質(zhì)黏土為主，含有少量的淤泥、黏質(zhì)粉土及粉砂層。由于1855年以后黃河河口位置的變化，2個(gè)鉆孔10m以上的沉積物粒度和工程性質(zhì)有明顯差異，黃河故道河口附近的沉積物有明顯的粗化現(xiàn)象，相應(yīng)的工程性質(zhì)也有明顯區(qū)別。

（2）根據(jù) Terzaghi一維固結(jié)理論，ZK－1孔（60.5m）的最終固結(jié)沉降量為2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最終固結(jié)沉降量為1.70m；兩鉆孔的單位深度土體固結(jié)沉降量呈由上到下逐漸增加的趨勢(shì)，ZK－1和ZK－2孔的最大單位深度土體固結(jié)沉降量分別為9.6和6.9cm/m，平均單位深度土體固結(jié)沉降量分別為3.38和3.44 cm/m。

（3）2個(gè)鉆孔的固結(jié)度均隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，但固結(jié)度的變化速率逐漸減小，固結(jié)度變化最快的部分出現(xiàn)在開(kāi)始的5a，固結(jié)度達(dá)到90%大約需要15～20a，在20a左右的固結(jié)沉降時(shí)間里，兩鉆孔厚度50m以內(nèi)土體的平均沉降速率為6.5～8.5cm/a。

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