現代黃河水下三角洲固結沉降及其對三角洲地形變化的貢獻研究.pdf

1、黃河三角洲位于萊州灣和渤海灣交接地帶、渤海西側黃河入?？谔?為我國面積最大的三角洲,也是我國溫帶地區(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、工程性質復雜的沉積體,研究區(qū)地面沉降作用明顯,導致越來越多黃河三角洲附近的海洋工程面臨地面穩(wěn)定性問題。近年來黃河三角洲地面沉降觀測主要集中在水上三角洲的地形變化研究上,而對于水下三角洲土體固結沉降的觀測和研究較少。
　　近年來,黃河改道

2、、水沙變化,以及由此產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際水深測量資料為基礎,而水深地形變化不單單是由沖刷產生的,其中水下三角洲海床土體固結沉降占了相當的比例。本文主要通過大量鉆孔資料、室內固結壓縮試驗、太沙基一維固結理論以及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性質等因素,計算黃河水下三角洲土體在自然狀態(tài)下的固結沉降特征,建立黃河水下三角洲的固結沉降模式,最后根據研究區(qū)歷史實

3、測水深地形變化資料,定量計算土體固結沉降對水下三角洲地形變化的貢獻。
　　研究區(qū)表層沉積物粒度相對較粗,主要由粘土質粉砂、砂質粉砂和粉砂質砂三種類型組成,沉積物粒度呈由岸向海逐漸變細的趨勢。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象,工程性質也有所不同。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性質方面有較大差別,埋深60米以淺地層包含3

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

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

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

7、固結理論所得結果的60.1~96.6%,Plaxis模型所得固結沉降量要比太沙基一維固結理論的計算值偏小。
　　1976~1996年,埕島海域整體以沖刷為主,飛雁灘北側有一范圍較大的沖刷中心,最大沖刷強度在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。根據數值模擬結果,埕北附近海域存在兩個沖刷中心,年最大沖刷強度在5cm以上,較1976~199

8、2年的實測結果大幅減少,但沖淤趨勢特征基本與不同時期的實測水深地形變化特征一致。
　　位于埕北飛雁灘北側沖刷中心及沖刷中心北側的沖刷區(qū)域,由于固結沉降作用的貢獻,實際水動力作用下的沖刷強度低于實測水深的變化值,沖刷中心處固結沉降作用對三角洲地形變化的貢獻率為20~43.8%,沖刷中心北側沖刷區(qū)固結沉降作用對三角洲地形變化的貢獻率為30.1~86.5%。對于實測水深沖淤平衡區(qū)和淤積區(qū),水動力作用下的實際淤積量遠大于實測水深的變化值,