波致粉土底床液化泥沙出流形式試驗研究?

許國輝, 王　剛, 呂楚岫, 孫振紅

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；3.河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島 066000)

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波致粉土底床液化泥沙出流形式試驗研究?

許國輝1,2, 王剛1,3, 呂楚岫1,2, 孫振紅1,2

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島266100； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100；3.河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島 066000)

入海河口三角洲淺海環(huán)境中的低坡度粉土海底，受到長期波浪荷載或短期風暴浪作用，能夠出現(xiàn)淺表層軟弱區(qū)局部液化，液化后的泥沙繼續(xù)受波浪作用，發(fā)展成更大規(guī)模的海底地質災害，對海洋開發(fā)活動及設施構成嚴重危害。本文采用黃河三角洲粉土鋪設試驗底床，進行粉土底床液化后泥沙出流形式的波浪水槽試驗，發(fā)現(xiàn)波浪作用下粉土底床液化后，液化泥沙將從源區(qū)出流。根據波浪水槽試驗泥沙液化出流的過程與形式，將底床分為液化流動源區(qū)、坡面區(qū)、邊壁區(qū)以及原始底床區(qū)四部分，前三個區(qū)域的循環(huán)轉化推動液化泥沙以分層堆積推進的形式出流。本試驗研究給出了淺海環(huán)境中一種可能的粉土底床液化出流形式。

波浪作用；粉土；液化；出流

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1985—1987年，中、美、加三國科學家對黃河三角洲淺海區(qū)域的調查，發(fā)現(xiàn)了水下三角洲存在的滑坡、塌陷凹坑、粉砂流等不穩(wěn)定地質現(xiàn)象[1-5]，其中在波浪作用強烈的水深8～12 m海底，存在凹坑、洼地、沖溝、殘留崗丘、復合擾動海底等微地貌發(fā)育[3-4,6-7]。自Prior等報道了密西西比三角洲海底的泥流之后[8]，利用旁側聲納和淺地層剖面測量設備，對黃河水下三角洲現(xiàn)場開展調查，也發(fā)現(xiàn)海底存在粉砂流[2]。被認為存在粉砂流的主要原因，是調查中發(fā)現(xiàn)有寬度達到100～500 m不等、長度以km計、下部可達4～5 m深度的淺部地層受到擾動破壞的沖溝地形[2-4,7]。在給出了黃河水下三角洲現(xiàn)場調查成果后，關于粉砂流的形成及流動問題一直沒有解決。

1990年代到現(xiàn)在，關于海底土體在波浪作用下發(fā)生液化的研究在持續(xù)開展，研究的關注點主要集中在液化能否發(fā)生及液化深度問題上。波浪導致海底液化研究初期主要集中在液化發(fā)生的機制、土體孔壓變化特征等方面，并開展了波致液化的現(xiàn)場試驗[9-12]。在利用波浪水槽試驗研究中發(fā)現(xiàn)了粉質土的共振液化現(xiàn)象[13]，理論上應用弱非彈性介質模型，對線性加載波下粉土特性及其產生共振發(fā)生的力學機制進行了分析[14]，同時也利用水槽試驗結果全面分析和總結了波浪引起底床共振液化的條件及孔壓響應特征，并給出了在底床發(fā)生液化條件下的水體懸沙變化規(guī)律[15-20]。離心機試驗也是研究波浪導致砂土液化的手段，給出液化自床面向下發(fā)展的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)重新液化現(xiàn)象，同時對試驗液化結果利用彈塑性模型進行了有限元計算分析以求得液化深度[21-22]。另外，在海岸帶現(xiàn)場開展的工程試驗，提供了在波浪作用下海底發(fā)生液化的確鑿證據[11,23-25]。這些研究表明，在強烈的波浪作用下，海底沉積的砂土或者粉質土能夠產生液化。

對于黃河水下三角洲淺表土體在風暴浪的作用下發(fā)生液化的問題，基于已有的現(xiàn)場調查和波浪水槽試驗研究結果，總結給出了液化后土體運動形式與波浪運動一致，液化土體運動造成的土顆粒分異而使地層重新層化的液化問題[26-27]。根據前述研究可以視粉砂流是由于海底土體液化而形成。本文通過波浪水槽試驗的方法，主要研究液化后的粉土從液化源區(qū)怎樣出流的問題。

1　試驗裝置與底床

本文試驗的主要設備是波浪水槽，水槽中底床布置示意圖見圖1。右側為造波區(qū)，采用推板式，可以調節(jié)試驗中波浪要素；左側為消浪區(qū)，采用卵石消浪，坡度約為1∶10；中間部分為底床試驗區(qū)，其中活動擋板將試驗底床分成兩部分(平整底床區(qū)和斜坡底床區(qū))，由兩根沿壁傳力桿控制，上邊界與底床上表面平齊。平整底床發(fā)生原地液化，提供初始液化粉質土，斜坡底床提供流動所需坡度(約1°)，靠近波源且坡面朝向來波方向，使試驗與海岸現(xiàn)場具有一定的對應性。試驗底床使用取自黃河口岸灘原土。試驗前測得其基本物理性質為：粒徑在0.075～0.005 mm的顆粒含量占83.36%，小于0.005 mm的占8.21%(見圖2)；本文中0.075～0.005 mm的顆粒在溫德華分類中屬于極細砂——粉砂粒級，塑性指數(shù)為9，確定本試驗用土為粉土。

圖1　底床布置示意圖Fig.1　The structure and size of the water flume

圖2　初始底床粉土粒度分布曲線Fig.2　Grain-size analysis of the initial seabed soil

為使試驗底床鋪設性質均勻，首先在小水箱中將土重塑制成均勻的高濃度漿體后，用順板滑塌方法分批移入水槽試驗區(qū)，制成試驗底床，其中平整底床長L=2.6 m，高H=0.6 m，寬D=0.5 m，斜坡底床長L=1.3 m，最厚處H=0.1 m，寬D=0.5 m。水槽中加水至平整底床區(qū)的水深為0.4 m。固結7天后，開始試驗。

2　試驗過程與現(xiàn)象

試驗在加波前，對經過固結好的初始底床取樣測定初始底床密度、含水量、粘粒含量等物理參數(shù)(見表1)。施加預定波浪(見表2)后，由于試驗水槽波浪不能滿足初始液化的動力條件，在平整底床表層進行人為擾動液化(擾動區(qū)域20 cm×20 cm)，液化后停止擾動，表層擾動液化區(qū)在波浪持續(xù)荷載作用下迅速擴展，液化深度到達最大值(約40 cm，此深度低于斜坡底床下邊界，保證提供液化粉土的出流條件)后，通過傳力桿迅速垂直向上抽掉活動擋板，平整底床區(qū)(后面稱為源區(qū))的液化粉土將向斜坡底床區(qū)(后面稱為坡面區(qū))運動(見圖3)。

由于設置的活動擋板產生的固壁效應，源區(qū)在擋板附近存在未液化的土體。抽掉擋板后，源區(qū)靠近擋板處未液化的粉土變成無支擋的陡壁，快速潰塌到斜坡上，形成新的陡坎(見圖3a)，陡坎以下坡度緩和；隨著試驗進行，新形成的陡坎受到源區(qū)液化土體的側向振動作用與坡面區(qū)水動力沖刷(在邊壁基部被掏空)影響(見圖3b和3c)，最終陡坎坍塌，進而消失，坡度變緩(見圖3d)。整個過程中，源區(qū)流動粉土在波浪作用下不斷從陡坎上緣溢流出，在斜坡上做周期性推移前進，前進過程中顆粒分選更充分，部分細粒懸浮進入水體中，此時斜坡區(qū)整體的坡度緩慢降低，坡面在成層向前堆積推進，不斷推移運動沉積于坡面的土體出現(xiàn)粗細相間的沉積紋理，基本與當時的坡面平行，平整底床區(qū)表面高度在不斷降低(見圖3e和圖3f)。持續(xù)施加波浪作用，原來源區(qū)靠近擋板未液化的土體不斷發(fā)生液化，液化深度和寬度都在增大，底床不斷粗化，坡面持續(xù)成層推進。液化到達最大深度后，液化界面逐漸上移，坡面區(qū)不斷變厚。最后沒有液化粉土從陡坎上緣流出，坡面不再堆積推進，液化流動區(qū)開始轉變成原地液化沉積模式，此時的整體床面如圖3/g所示。斜坡較緩處開始出現(xiàn)沙紋，當整個底床停止運動后，底床表面比較平緩，約為1°。此后進行了第二輪試驗(為第一輪的驗證試驗)，底床制備與試驗過程和第一輪一樣，流動狀態(tài)和斜坡上的行進方式與第一輪相同。

表2　波要素和作用時間Table 2　Wave parameters and time in the experiment

圖3　斜坡區(qū)出流泥沙沉積推進圖Fig.3　The deposition development of sediment flow in the slope area

3　試驗結果與分析

為清晰地給出波浪導致粉土底床液化泥沙出流形式，結合試驗現(xiàn)象與過程，根據土體的運動特點，以下總結給出整個試驗中底床土體的區(qū)域劃分、區(qū)域之間的演變與泥沙運動、泥沙流動的方式和沉積特點等幾個方面的試驗結果。

3.1 底床的區(qū)域劃分

平整底床區(qū)土體充分液化后，抽出活動擋板，液化粉土繼續(xù)受到波浪作用，開始從源區(qū)溢出，并在斜坡上流動，根據流動粉土顆粒運動特點，可將底床分為4個區(qū)域，即液化流動區(qū)、邊壁區(qū)、坡面區(qū)和固定底床區(qū)(見圖4)。劃分出的4個區(qū)域將共同影響著液化粉土在斜坡上的運動形式，同時通過對粉土流動過程中的區(qū)域劃分，能夠更好研究流動的整體形式與機理。

(Ⅰ區(qū)：液化流動區(qū) Ⅱ區(qū)：邊壁區(qū) Ⅲ區(qū)：坡面區(qū) Ⅳ區(qū)：固定底床區(qū)。 AreaⅠ：Zone of liquid flow　Area Ⅱ：Side wall region　Area Ⅲ：Slope　Area Ⅳ：Fixed bed.) 圖4　流動區(qū)域劃分示意圖Fig.4　The distribution of flow region

其中液化流動區(qū)(Ⅰ區(qū))由原來平整底床液化區(qū)演變而成，是粉土液化泥沙流動的源頭，該區(qū)土顆粒隨波浪做橢圓運動，運動特點與原地液化模式相同，其橢圓運動的長軸和短軸隨深度增加而呈指數(shù)減小[27]。坡面區(qū)(Ⅲ區(qū))是液化粉土溢流出邊壁在緩坡上流動前進的區(qū)域，此區(qū)域都是由每個波周期溢流出Ⅰ區(qū)的推移運動的泥沙構成。該區(qū)厚度較薄，流動土顆粒在此區(qū)域上受波浪力與重力作用不斷順坡往復前進，并逐漸分選，最終物理性質發(fā)生改變，不斷在緩坡上成層沉積，坡面區(qū)雖然比較薄，但卻是源區(qū)液化土出流的泥沙向前運動的重要區(qū)域。邊壁區(qū)(Ⅱ區(qū))是原來未液化的源區(qū)部分，區(qū)隔Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)，在抽掉擋板時有土體的坍塌堆積。邊壁有阻礙Ⅰ區(qū)液化土體沿緩坡向下流動的作用，流動初期該區(qū)寬度較窄，但隨著溢流泥沙的堆積推進，寬度有所增加；隨著源區(qū)液化向坡面區(qū)的發(fā)展，最終該區(qū)完全變?yōu)橐夯瘏^(qū)，液化土體不再出流。Ⅳ區(qū)為固定底床區(qū)，此區(qū)域的底床土體未發(fā)生液化或流動，與液化流動區(qū)(Ⅰ區(qū))、邊壁區(qū)(Ⅱ區(qū))和坡面區(qū)(Ⅲ區(qū))的交界面附近有泥沙運動形成的紋理存在。

3.2 各區(qū)域間的演變

試驗中，在粉土底床形成充分液化后抽掉擋板，泥沙發(fā)生出流后，在向坡面的推進中，液化流動區(qū)、邊壁區(qū)和坡面區(qū)土體發(fā)生循環(huán)轉化(見圖5)，這種轉化推動整個液化粉土向前堆積。循環(huán)轉化具體為：在波浪作用下，每個波周期內，液化流動區(qū)粉土通過邊壁區(qū)上緣溢流而出，轉變成坡面區(qū)沉積物，坡面區(qū)泥沙繼續(xù)在波浪作用下沿著坡面運動，不斷成層堆積，最終在坡面上成層沉積形成較穩(wěn)定的邊壁區(qū)；同時邊壁區(qū)粉土會受到液化流動區(qū)侵蝕，再次液化流動，至此3個區(qū)域形成單向的轉化循環(huán)，使流動粉土不斷向前推進。

圖5　液化流動區(qū)、邊壁區(qū)和坡面區(qū)循環(huán)轉化圖Fig.5　Transformation of liquefied source area, slope area and side wall

除了上述3個區(qū)域間的轉化外，各區(qū)域在運動過程中，也有各自的演變特征。其中液化流動區(qū)在初期會侵蝕邊壁區(qū)和下部的原始底床，逐漸擴張，后期由于液化土體物理性質的改變，液化界面將上移，液化土體不再溢流后，該區(qū)將轉化為原地液化沉積模式，液化界面繼續(xù)上移，直至液化區(qū)域消失。邊壁區(qū)會隨著坡面區(qū)(Ⅲ區(qū))沉積與液化流動區(qū)(Ⅰ區(qū))侵蝕而逐漸前移。后期土體流動性變差，液化流動區(qū)停止向前侵蝕，液化邊界上移，邊壁區(qū)將逐漸增厚，Ⅰ區(qū)后期將轉化為原地液化沉積模式。坡面區(qū)的存在是流體保持行進的充分條件，當Ⅰ區(qū)流動粉土不能從邊壁區(qū)流出，坡面區(qū)消失，液化區(qū)土體停止向斜坡區(qū)的推進。

3.3 液化土體和出流泥沙運動方式與沉積特點

在前述底床的4個區(qū)域，除固定底床區(qū)土體未發(fā)生明顯位移的運動外，液化流動區(qū)、邊壁區(qū)和坡面區(qū)的液化土體和出流泥沙，均表現(xiàn)出明顯的運動。液化粉土自源區(qū)至斜坡區(qū)的演進模式如圖6所示。

圖6a階段為平整底床上部土體處于液化狀態(tài)，形成液化流動區(qū)。其中的液化土體在上部水體波浪作用的脅迫下，發(fā)生與波浪一致的波動，僅是因為液化土體的高密度和粘滯性，其波動比水體的波動振幅明顯減小。此階段底床粉土液化失穩(wěn)源已經形成。

圖6b階段，在剛抽掉活動擋板時，有源區(qū)靠近擋板處未液化的粉土潰塌到斜坡上，形成陡坎。其后較明顯的現(xiàn)象是從源區(qū)出來的液化粉土在斜坡上推移運動并沉積，形成很薄的坡面沉積層。在波浪的作用下，每個波循環(huán)內有少量液化粉土從邊壁上緣流出，并沿著斜坡面往復上下運動前進，至此4個區(qū)域全部出現(xiàn)。此時液化流動區(qū)的粉土從邊壁上緣較多流出，坡面有所減緩，土床的高度隨著流動的向坡面區(qū)的推進緩慢下降。

圖6c階段，坡面已經比前一階段變緩，但在邊壁迎波面上部相對較陡的部位基部會被水體首先掏蝕，液化流動區(qū)繼續(xù)向前侵蝕擴張。

圖6d階段，在邊壁上部因水體掏蝕將要發(fā)生坍塌，坍塌高度比前一次小。坡面繼續(xù)變緩，床面持續(xù)降低，坡面上流動粉土持續(xù)向前分層堆積推進。原來層狀沉積的邊壁很大部分再次轉化為液化粉土，邊壁高度持續(xù)下降，但始終保持一定厚度。

圖6e階段，坡面已經停止前進，此時坡面變得很緩，床面也出現(xiàn)很緩的坡度，兩者坡向相同。液化流動區(qū)完全成為原地液化模式，液化底界面開始緩慢上升，出現(xiàn)了粗細相間的沉積紋理。

圖6　液化粉土自源區(qū)至斜坡區(qū)的演進模式圖(縱軸單位為cm)Fig.6　The evolution of liquefied soil from liquefied source area to slope area

波浪作用下粉土液化形成的出流泥沙，在斜坡上的運動，不是以整體流動形式向前推進，而是隨波浪周期性的從邊壁上緣以推移質形式溢出，在斜坡上呈薄層的推移運動后，再以停積的形式向斜坡下推進。

4　討論

在黃河水下三角洲進行調查發(fā)現(xiàn)有塌陷凹坑、洼地、粉砂流等不穩(wěn)定地質現(xiàn)象后，受監(jiān)測環(huán)境與技術條件限制，以及海底地質災害本身具有突發(fā)性、區(qū)域性特點，無法在現(xiàn)場獲得其生成機制和演變過程。本文設計的試驗，即是在已有波浪導致粉質土液化的基礎上，來觀察粉砂流的形成及運動。在試驗條件下獲得的觀測結果是：底床在波浪作用下充分液化后，泥沙在波浪近底流動的周期推動下，能夠沿斜坡以推移堆積的形式向斜坡下推進；最終由于波浪力與重力分選作用，出流泥沙的粘粒含量減小，沉積物粗化，密實度增大，土體整體流動性減弱，出流泥沙最終一層一層停積在坡面上。

試驗前預想的是源區(qū)液化土體以整體流動形式向斜坡出流，而試驗結果與預想不一致，出現(xiàn)的是在斜坡區(qū)泥沙在波浪底流推動下的推移運動和停積。黃河水下三角洲現(xiàn)場，一般底坡坡度小，形成的塌陷凹坑規(guī)模不大(塌陷凹坑由于波浪作用下土體振蕩運動而形成[28-29]，從最近的試驗來看，其機理應為土體的液化運動而形成)，如果粉砂流源區(qū)為塌陷凹坑處的液化土體的話，則凹坑未液化的邊壁與試驗中設置斜坡一側的未液化邊壁一致，那么其出流形式可能與本文試驗結果一致。當然，由于現(xiàn)場波浪強度較大，也可能導致大范圍的土體液化，從而形成土體的整體性流動。

5　結論

本文所做的室內波浪水槽試驗，對底床粉土液化在波浪作用下泥沙沿斜坡流動進行了研究。通過實時觀察和錄像記錄，對液化粉土從開始出流到流動停止整個過程進行分析，總結出試驗條件下的波浪導致粉土液化泥沙出流的模式。

(1)波浪作用下，液化粉土斜坡流動過程中，根據土顆粒的運動特點，底床分為運動狀態(tài)不同的四個區(qū)域，即液化流動區(qū)、邊壁區(qū)、坡面區(qū)和固定底床區(qū)，在土體液化從源區(qū)出流到斜坡的過程中，液化流動區(qū)、邊壁區(qū)和坡面區(qū)流體可以循環(huán)轉化，推動泥沙底床向斜坡下方推進沉積。

(2)波浪作用下，從源區(qū)出流泥沙沿斜坡的行進方式為推移質運動和停積。每個波周期，液化粉土都從邊壁區(qū)上緣溢流而出，然后再沿著坡面往復運動，最后分層沉積，沿坡面緩慢推進。

(3)邊壁區(qū)是原地液化運動與斜坡坡面泥沙運動的結合點，是它們轉化的“橋梁”。前期自源區(qū)出流沉積于坡面的泥沙將受到液化流動區(qū)擴大的侵蝕，向斜坡下方推進，并不斷的將流動泥沙“釋放”到坡面上，提供堆積前進的泥沙，后期液化流動區(qū)將完全轉化為原地液化沉積模式。

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責任編輯徐環(huán)

Experimental Study on the Motion Forms of Outflowed Sediments from Wave-Induced Liquefied Seabed

XU Guo-Hui1,2， WANG Gang1,3， LV Chu-Xiu1,2， SUN Zhen-Hong1,2

(1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology， Ministry of Education， Qingdao 266100， China； 2.College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 3.Production Brigade of Geology and Hydrogeology， Bureau of Geology and Mineral Resources of Hebei Province， Qinhuangdao 066000， China)

The low slope silt seabed of estuary delta can be local liquefied under the action of long-time wave load or short-time storm wave in shallow water environments. Liquefied sediment develop into a larger seabed geological disasters under the wave action, constituting a serious damage to the marine development activities and facilities. In this paper, the test bed with the Yellow River delta silty was carried out in wave flume experiment. According to the wave flume experiment of liquefied soil’s flow mode, the process and mode of liquefied bed sediment had been obtained flowing from the source area under wave. At the same time, based on the movement characteristics of sediment in the process of flow, the test bed was divided into four parts (liquefied source area, slope area, side wall and original bed). Loop transformation of the first three areas promoted liquefaction sediment to flow, causing the seabed slope instability, in the form of a stratified accumulation. The regional conditions and morphological characteristics of liquefaction were good correspondence with silt flow, which provided a probable flow mode of liquefied silty bed in shallow water environments.

wave action； silty soil； liquefaction； flow mode

國家自然科學基金項目“粉質土海底波致粉砂流及其運動特性研究”(41076021)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項“近海海底地質災害預測評價及防控關鍵技術研究”(201005005-6)資助

2015-06-30；

2015-09-18

許國輝(1972-)，男，教授，主要從事海洋工程地質、海岸工程環(huán)境方面研究。E-mail：xuguohui@ouc.edu.cn

P642

A

1672-5174(2016)10-098-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150232

Supported by National Natural Science Foundation of China“The study of Wave-induced silt Flows and Movement Characteristics on Silty Seabed”(41076021); Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean“The Study of Prediction and Evaluation of Submarine Geological Hazards and the Technologies of Prevention”(201005005-6)