（环境工程专业论文）黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究.pdf

黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 物对水动力响应的体现。 ( 2 ) 较强的水动力作用下，水平剖面上沉积物粒度分维随着向海距离的减小 而降低，碎屑矿物含量降低，粘土矿物含量升高；弱水动力作用变化趋势相反。 竖向剖面上，强水动力区粒度分维无显著规律，弱区逐渐升高；沉积物颗粒表面 细碎物质的量及附存形式在水动力强区呈规律性变化，弱区不显著；矿物组成在 强弱两区的差异不显著。 ( 3 ) 水动力作用持续时间的累积未改变沉积物总体变化趋势，只是引起沉积 物粒度组分的同化。 ( 4 ) 物理模拟结果表明在外界波浪等水动力作用下，沉积物颗粒会发生迁移 及旋转，颗粒定向性优化。波浪等水动力作用可加速沉积物的固结排水过程，使 沉积物趋于密实，强度提高；水动力作用越强，作用时间越长，沉积物强度越高。 通过本次研究，论文得出了两点创新性的认识，认为黄河口潮坪上广泛发育 的表层淤泥、层化土和铁板砂三者间很有可能存在一定的成生联系；水动力的持 续作用对沉积物整体变化规律改造不显著，只引起了沉积物粒度组分的同化，彼 此一致性优化。 关键词：黄河三角洲粉质土水动力成分与结构动态变化 一 夔翌里塑堡塑矍塑型查垫垄堡旦竺堕壁竺窒 s t u d yo fs e d i m e n t s r e s p o n s et ot h eh y d r o d y n a m iga c tio n o r lt h et i d a f f ia to fy e l | o wr i v e tm o u t h a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni s s p o n s o r e db yt h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n p r o j e c tf o r m a t i o na n df a i l u r eo fh a r dc r u s to nt h e s u b a q u e o u s d e l t ao fy e l l o w r i v e r ( c o n t r a c tn o ：1 4 1 7 2 0 8 8 8 ) ，a n di t sa i mi st or e s e a r c ht h ep r o c e s so fs e d i m e n t d e v e l o p m e n tu n d e r t h ee f f e c to f h y d r o d y n a m i ca c t i o n i nt h ep a s t ，s c h o l a r sb e l i e v e dt h a t t h ec o m p o s i t i o no fs e d i m e n tw a sd e c i d e db yh y d r o d y n a m i ca c t i o n ，w h i l et h ee f f e c to f h y d r o d y n a m i ca c t i o na f t e rt h ed e p o s i t i o nw a so f t e ni g n o r e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e v a r i a t i o no fs e d i m e n t sc o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ei sa n a l y z e da n d e x p l a i n e df r o m t h e a n g l e o ft h ed i f f e r e n t h y d r o d y n a m i c a c t i o n t h e r ea r ef i v e c h a p t e r s i nt h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t ，t h es i t u a t i o no v e r s e a si nt h er e s p o n d i n gf i e l di ss u m m a r i z e d ，a n dt h e c l e wi sp u tf o r w a r d ；t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t y p i c a lt i d a ls e d i m e n ti sa n a l y z e d i nt h e t l l i m c h a p t e r , t h e v a r i a t i o no fs e d i m e n td u et od i f f e r e n t h y d r o d y n a m i c a c t i o ni s d i s c u s s e da n dt h es e d i m e n t se v o l v ei ss t u d i e dt h r o u g ht h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ni nt h e f o u r t hc h a p t e r i nt h el a s t ，t h ec o n c l u s i o na n ds o m e p r o b l e m a r e p u tf o r w a r d a r o u n dy e l l o wr i v e rd e l t a w ec h o s es e v e r a ll i t h o s o m i cb o d i e sf o r m e di nd i f f e r e n t t i m e ，l i k ed a w a n g ，g u a n g l i g a n g ，d i a o k o ua n dx i n t a n a tt h ep o s i t i o n s ，t e s tl i n ea n d t y p i c a ls i t ew e r ea r r a n g e d ，a n dd i s t u r b e da n du n d i s t u r b e ds a m p l e sw e r ec o l l e c t e d ，a n d g a i n e dt h ec h a r a c t e ro f s i l to nt h es u r f a c ea n dh a r dc r u s t , b e s i d e st h i s ，t h ev a r i a t i o no n t h ed e p t ha n ds p a c eo fl a m i n a t es o i lw a sa l s og o t d i a o k o uw a sc h o s e nt oc a r r yo u t m o r ew o r k ，s i n c et h es i l to nt h es u r f a c e d e v e l o p b e t t e ra n di t s h y d r o d y n a m i c d i f f e r e n c ei sm o r et y p i c a lt h a no t h e rp l a c e s i nd i a o k o u ，t e s tl i n e sw e r ea r r a n g e do n b o t hs t r o n ga n dw e a ks i d e s ，d i s t u r b e da n du n d i s t u r b e ds a m p l e sw e r ec o l l e c t e di n1 9 9 9 a n d2 0 0 2r e s p e c t i v e l y , t h ed e p t ho f t h es i l ta n dt h es t r e n g t ho f t h eu n d e r l y i n gs e d i m e n t s w e r et e s t e d a l o n gt h e l i n e s f r o mt h ea b o v ew o r k ，t h es e d i m e n t sc h a r a c t e r i s t i co f c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ea l o n gt h eh o r i z o n t a la n de r e c tp r o f i l e sw e r eg a i n e da t 3 黄河l 】潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 b o t h s t r o n ga n dw e a kh y a r o d y n a m i ca c t i o ns i d e s a f t e ra l l t h o s ei n - s i t u w o r k ，t h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ni n d o o r sw a sc a r r i e do u tt od e e p e nt h ek n o w l e d g eo fs e d i m e n t v a r i a t i o n ，a n dt h eg r a n u l a rc o m p o s i t i o n ，m i c r o s t m c m r e ，p h y s i c a la n ds t r e n g t hi n d e x e s w e r e g o t o nt h eb a s i so f t h ea b o v e w o r k ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ed r e w ： 1 t h e r ei ss o m ep o s s i b l ec o n n e c t i o nb e t w e e ns i l to nt h es u r f a c e ，s u b t l el a m i n a t i o na n d h a r dc r u s t , w h i c hs h o w st h ee f f e c to f h y d r o d y n a m i ca c t i o n 2 u n d e rt h ee f f e c to f s t r o n gh y d r o d y n a m i ca c t i o n ，t h eg r a i nf r a c t a ld i m e n s i o na n dt h e c o n t e n to ff r a g m e n tm i n e r a lf a l l a l o n gt h et e s tl i n e ；w h i l e o nt h es i d eo fw e a k h y d r o d y n a m i ca c t i o n ，t h e l a wi s c o n t r a r y a t t h e d e p t hp r o f i l e ，g r a i n f r a c t a l d i m e n s i o na p p e a r sd i s p e r s e d l ya tt h es t r o n gs i d e ，o nt h ec o n t l a r y , i ti si n e r e s c e n ta t t h ew e a ks i d e ；t h ec o n t e n to fs u b t l e o b j e c t i o na n dt h ee x i s t i n gm o d ec h a n g e r e g u l a r l y , w h i l ea tt h eo p p o s i t es i d e ，t h i sl a w i sn o tc l e a r t h ev a r i a t i o no fm i n e r a li s n o tr e m a r k a b l ea tb o t hs i d e s 3 t h ev a r i a t i o nl a wd o e sn o tc h a n g ew i t ht h et i m eo fh y d r o d y n a m i ca c t i o n b u ti t s d u r a t i o nc a nl e a dt ot h eu n i f o r m i t yo f g r a i n s 4 p h y s i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a tt h eg r a i nw i l lm o v e a n ds w i v e lu n d e rt h ee f f e c to f h y d r o d y n a m i ca c t i o n ，a n d t h i sw i l lh e l pt h eg r a i na r r a n g ea l o n gs o m ed i r e c t i o n t h e c o n s o l i d a t i o na n dd r a i nw i l lb ea c c e l e r a t e dd u et ot h eh y d r o d y n a m i ca c t i o n ，a n d t h e s ep r o c e s sc a nm a k et h es e d i m e n tt i g h t e ra n ds t r o n g e r ；i na d d i t i o n ，t h es e d i m e n t s s t r e n g t h r i s e sw i t ht h es t r e n g t ha n dd u r a t i o no f h y d r o d y n a m i ca c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t w on e w p o i n t sa r eg o t ：t h e r ei ss o m ep o s s i b l ec o n n e c t i o n b e t w e e n s i l to nt h es u r f a c e ，s u b t l el a m i n a t i o na n dh a r dc r u s t ；t h ev a r i a t i o nl a wd o e sn o tc h a n g e w i t ht h et i m eo fh y d r o d y n a m i ca c t i o n b u ti t sd u r a t i o nc a l ll e a dt ot h eu n i f o r m i t yo f g r a i n s k e yw o r d s ：y e ii o wr i v e rd e i t a ：s ii t ： m i c r o s t r u c t u r e ：d y n a m i c 4 h y d r o d y n a m i ca c t i o n ：c o m p o s i t i o ra n d v a r ；a t ；o n 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 u 日u 舌 本论文是在国家自然科学基金面上项目“黄河口水下斜坡硬壳的形成与破坏” ( 项目号：1 4 1 7 2 0 8 8 8 ) 的资助下完成的，感谢我的导师贾永刚教授为我提供这一 论文选题和对研究工作的全面指导。 在过去的研究中，人们主要从沉积学角度探讨水动力对沉积物成分的决定作 用，对沉积体形成后水动力的改造引起的沉积物变化重视不足。对于黄河三角洲 潮坪上广泛发育的表层淤泥、微细层理及铁板砂的认识，多数学者也是基于沉积 理论进行分析，认为表层淤泥和微细层理主要是沉积作用形成的，铁板砂形成机 理的探讨也多集中于原生成因模式，沉积体形成后，水动力的后期改造作用重视 不够。 为了探讨沉积物特征变化对于水动力作用强度和作用时间的响应，了解三者 间可能存在的联系，我们进行了大量的现场测试及取样工作，并进行了室内物理 模拟，定性的分析了沉积物在水动力作用下变化趋势。 回顾已开展的工作，我们进行了开拓性的尝试，并取得得了一些初步的认识， 部分研究成果已被海洋科学进展和岩土工程学报接收发表。近期我们又 在刁口典型研究区开展了更为细致和深入的工作，相信随着研究的不断进行，更 加有意义的认识和成果一定会涌现。 通过分析本论文得出了一些认识，并进行了一些讨论，但由于本人水平所限， 论文中纰漏和错误在所难免，恳请各位同行专家不吝赐教，提出宝贵意见。 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 1 研究现状与意义 1 1 研究现状 1 i 1 河口沉积物层化现象 河口区沉积物层化现象较为普遍，根据传统的分类方法，河口地层可划分为 纹层( 1 a m i n a ) 、纹层组( 1 a m i n a s e t ) ，层，层组及沉积层序等几种类型“1 。李从先 等在研究长江口地层层序时，为了深入揭示河口地层特点，还在纹层组中划分出 了微型层序，在层组中划分出t d , 型层序。1 ，这使得后期的研究更加详尽与深入。 纹层是地层中肉眼可见的最小单元，其厚度常以毫米计，也有达厘米的。为 了分析的方便，以明显区别粗细层，根据粒度可将纹层分为两类，砂质纹层和泥 质纹层。砂质纹层一般比泥质纹层细砂和粉砂含量高，且随着水动力的增强，砂 含量逐渐增高；泥质纹层相对较细，分选差。 微型层序由粗粒纹层和细粒纹层构成，其厚度一般以毫米计，也可达厘米级。 粗粒纹层主要由砂和粉砂组成，细粒纹层则以粉砂和粘土为主，粗粒纹层与下伏 层呈突变接触，常见冲刷面，纹层本身成为粒序层，或者不显粒序，与上覆细粒 纹层呈渐变关系，粗粒和细粒纹层构成了一个微型层序。 单层是某段时间动力平均状况的记录，是在基本不变的物理条件下沉积的， 可包含众多的纹层。 小型层序主要由粗粒和细粒单层构成，单层内含众多的纹层，粗、细粒单层 的区分主要依据所含粗、细粒纹层的相对厚度和数量，以及砂、泥质沉积物的含 量。以中潮坪为例，粗粒单层一般主要由细砂和粗粉砂构成，细粒单层则由粘土 和粉砂构成。细粒单层中细粒纹层厚而密集，粗粒单层中细粒纹层薄而稀疏。 1 12 目前对沉积物层化现象成因的认识 对于潮滩沉积物中的砂泥互层现象，研究者们一直给予了很大的关注。经过 几十年的发展，目前对砂泥互层的形成的认识主要是认为它们与潮汐循环( 大、 小潮，涨落潮) 、风暴作用、波浪作用有关，但这些认识不统一，归纳起来有以下 几种观点。 ( 1 ) 砂泥互层是一次涨落潮作用形成的。 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 范代读等”3 通过在在中潮坪上放置沉降板的观测，发现在潮汐周期内沉积物的 层偶现象，并认为这种层偶记录了潮汐的信息；r e i n e c k “1 通过对北海沿岸沉积物 的分析研究发现，砂泥互层是由一个潮周期的水动力变化形成的，即在涨、落潮 阶段沉积“砂层”，而在高、低潮的憩流阶段沉积“泥层”；黄西和等5 3 发现，涨潮 流带来一定量的碎屑物质，在潮坪表面沉积一层砂层或者粉砂层。高平潮时潮水 携带的细粒悬浮物质得以逐渐沉积，在砂层之上形成一层薄的粘土层；李炎“1 对浙 江象山大目涂淤泥质潮潍沉积物的研究中发现，与薄互层理的形成相对应的潮滩 循环的时间尺度因沉积地貌相带而异，在活跃的低潮滩，薄互层理是半日周期的 产物；陈昌明、汪寿松”1 通过研究发现相邻的两个潮汐束状体呈现的一厚一薄的分 布是由于潮汐活动日不等量造成的；n i o 和y a n g ”1 认为潮滩沉积中的砂泥互层的形 成与涨落潮有关，砂泥互层垂向上厚度的变化与大一小潮中砂的输运与泥的浓度 有关；d a l r y m p l e 。1 等通过对加拿大f u n d y 湾的c o b e q u i d 湾沉积物的研究发现， s a l m o n 河口大潮差混合潍与泥潍上，砂泥互层形成于一次潮汐的涨、落潮； w i l l i a m s “通过研究发现澳大利亚南部大约6 5 0 m a b p 的潮滩沉积中存在连续6 0 年的潮滩沉积，潮汐层理发育很好，日不等现象很明显：e r i k 等1 通过对美国伊 利诺斯盆地中的二叠纪潮汐层理的研究，发现了明显的潮汐日不等现象；r o n a l d 等“”对美国肯塔基州东部的河口区潮汐沉积2 1 0 0 多层砂层厚度所作的傅立叶分析 及自相关分析表明，存在2 层的周期旋回，对应于涨落潮不等或日不等潮差变化。 ( 2 ) 砂泥互层是大小潮旋回形成的 任美锷“3 等在研究江苏王港地区淤泥质潮滩的沉积作用时，发现在观察期间 的一个大小潮周期内，沉积物厚度也不过5 1 c m ，大潮期间的沉积物为“砂”，而 小潮期间的沉积物为“泥”，从大潮到小潮期间，高水位向海退却，泥质沉积物堆 积范围向海扩大，使滩面在一段距离内被细粒物质覆盖，等到由小潮向大潮转变 时，细粒物质已在滩面脱水7 1 0 天，不会被大潮较强的潮流所悬浮，结果形成了 砂泥互层层理。 ( 3 ) 砂泥互层的形成与风暴潮有关 邵虚生等“”对上海潮坪沉积的研究发现，在沉积构造中存在明显的韵律层理， 即厚粉砂层覆盖在粉砂一粉砂质泥的水平纹理层之上，两者之间常有侵蚀面，认 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 为这种韵律性层理可能是上海潮坪区常年低能期和大潮台风高能期交替作用的产 物；许世远、邵虚生“对杭州湾北岸风暴沉积特征的研究进一步证实了这种韵律 性组合的形成机理；张国栋“”通过对苏北琼港现代潮坪沉积特征各相带的标志研 究认为，厚互层是风暴沉积的结果；李铁松，李从先“9 “在长江口南汇县东海农场 潮坪的高潮坪和中潮坪上放置沉降板，观察到了潮汐作用下形成层数和厚度不等 的泥质纹层及微型层序，通过测桩和滩面观察，发现台风对潮滩沉积物的粗化作 用，并导致了粗粒沉积物对泥质沉积的“置换”，从而使得潮滩沉积中出现了小型 砂泥互层的层序，并认为泥质单层是正常天气下的潮坪沉积，而砂质单层是风暴 沉积层，与大潮或小潮没有必然的联系。1 9 9 9 年李从先”等又通过对浙北奥陶系 文昌组和长江三角洲开敞型淤泥质海岸非潮道潮汐纹层的研究，进一步指出泥质 单层系平静天气的产物，潮坪砂质单层是波浪作用的产物，系波浪成因，二者是 平静天气和风暴天气交替形成的，究其成因，小型层序是风暴层序，而不是大、 小潮周期变化的结果。小型层序内的潮汐纹层，说明了潮汐与波浪的叠置作用， 其在地层中保留的数量不到应生成数的1 0 ，9 0 将被改造掉。2 0 0 0 年，范代读， 李从先。”又通过在长江三角洲南翼开敞性很强，较易受到季风性暴风浪作用影响 的潮滩上进行沉降板观测和纹层保存率及风暴和涌浪作用的分析，进一步证实泥 质潮坪保存的粗细粒交替的韵律层是平静天气和风浪天气季节性气候变化的产 物，纹层的保存率和潮坪沉积率随时间尺度增大呈指数降低。 1 1 3 海床沉积物粒度组成与水动力的关系 对于海床沉积物的粒度组成及与水动力作用的关系，大量研究集中在沉积物 类型的描述界定、沉积物形成时水动力环境对粒度成分的决定作用及物质来源分 析上。如研究表明，北海沿岸及其河口地区潮间带沉积物以砂质沉积物为主”， 亚马逊河三角洲潮间带沉积物主要为粉土和粘土。“，大西洋海岸d e l m a r v a 半岛一 侧的湿地表层沉积物主要处于粉粒和粘粒范围。“，中国江苏省沿岸潮坪沉积物以 粉土为主：沉积物的沉积与运移主要取决于紊流的能量、水平流速以及颗粒沉降 速度；潮流控制的地区，涨潮过程中，大量悬浮沉积物和细粒物质可被潮水顶 托携带至低能量区域而沉积，如果潮流流速较慢而沉积较为迅速，那么沉积物在 初始沉积后将不会再次悬浮”“。有关水动力作用对已有沉积物的成分改造研究较 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 少，主要集中在波浪作用对滩面沉积物的粗化现象。“2 ，如薛允传等通过对黄河三 角洲北部潮间带两研究断面沉积物粒度成分的分析发现，波浪作用下，由高潮位 到低潮位，沉积物粒径变细，分选变差。 1 2 本文的研究意义与研究思路 综观前人研究，关于层理现象的认识及成因的探讨均建立在沉积学理论上， 认为层理是外来物质在不断变化的水动力条件下，由于运移能量的改变而沉积形 成的。对于原始的沉积物在经历了长期的水动力作用下，固结过程中所发生的变 化却很少提及。基于现场工作中沉积物在振动及波浪作用下一系列特殊现象的观 察与认识，作者认为水动力对于沉积物长期的后期改造作用中，沉积物所发生的 变化对于纹层的形成所起的作用也不可忽视。此外，波浪等水动力长期作用下， 已有的海床沉积物粒度组成将发生怎样的变化及这种变化与水动力作用强度、沉 积物类型、作用时间等的关系，目前也尚不清楚。这一问题关系到海底工程地质 环境的动态变化，与海洋地质灾害也密切相关1 。 为了认识原始沉积物粒度组成变化对于水动力作用的响应，我们在现代黄河 三角洲北部刁口地区选取水动力明显差异的典型研究区，在水动力作用强区与弱 区进行现场测试及采样，进行对比分析：为了探讨沉积物在水动力作用下的发育 演化过程，我们在形成于不同时期三角洲沉积叶瓣上的新滩、刁e l 、大王及广利 港进行相关的现场测试，采集典型原状样及扰动样，分析表层及不同深度沉积物 粒度、微结构及物理力学性质，以加深对沉积物特征在水动力作用下变化趋势的 认识。在以上工作的基础上，在室内进行物理模拟实验，模拟波浪荷载对土体的 改造作用，研究波浪作用导致的土体物理力学性质变化，以加深波浪对沉积物改 造作用的认识。 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 2 黄河口潮坪典型沉积物特征 2 1 概述 黄河是举世闻名的多泥沙河流，其每年输送到河口的泥沙有1 1 1 0 9 吨左右 。“1 ，巨量的泥沙入海为黄河三角洲的形成和发育提供了丰富的物质基础。黄河尾闾 善迁，多次改道形成的三角洲相互叠置形成了现代黄河三角洲体系。在黄河三角 洲地区，发育了三类典型的潮坪沉积物：浮泥、铁板砂和微细层理现象。 据研究，浮泥的发育需要有适当的条件：丰富的沉积物物源、合适的水下地 貌条件，以及相对较弱的水动力环境。在黄河三角洲近岸海域均有浮泥存在，其 呈平行岸线条带状分布。现行河口南北两侧条带明显变宽，浮泥分布范围加大。 黄河入海口射流段及水深浅于5 m 的浅海底浮泥不发育，以外出现浮泥。“。浮泥的 发育会引起一系列诸如堵塞航道等不良后果o ，因此引起了广大学者的关注。关 于河口区淤泥层的形成，一般认为与细颗粒泥沙来源及特性，径流与海潮流相互 作用下水动力环境、细颗粒泥沙絮凝，以及风浪和人类活动有关。“。其形成机理 大多数学者认为河水入海后咸淡水的混合絮凝作用促使了细颗粒物质之间的粘 聚，导致颗粒增大，入海后流速减慢，流i g ( 尤其是底流速) 的减小导致了水流挟沙 能力降低，部分泥沙下沉，或者是波浪的扰动导致底床沉积物的再次悬浮，经过 潮流的搬运后细粒物质再次发生沉降所致。4 “，对于沉积物在水动力作用下演化过 程中物质分化所做出的贡献重视不足。 大量的工程调查表明，黄河三角洲粉土体海床普遍发育了一显著的沉积物硬 层，俗称“铁板砂”。其厚度不等，大致2 米左右。般认为其沉积物颗粒较粗， 以砂质粉土、粘质粉土为主，具有中一低压缩性，低含水量，相对较高的抗剪强 度，标贯击数7 一g 击，处于超固结状态。铁板砂常直接作为海底平台、海底管 线等的持力层，具有及其重要的地位。但在波浪等水动力作用下，硬壳层常易破 坏，导致建筑物失稳，造成重大的经济损失，从而吸引了越来越多的研究者来探 讨其成因及破坏的机制。关于“铁板砂”的成因，m o r g a n 和c o l e m a n 在对密西西 比河水下斜坡研究的基础上，提出了原生沉积成因模式，即快速沉积的、密度大 的河口沙坝形成了三角洲顶部的硬壳层，前三角洲提的细粒沉积形成了下卧软弱 6 黄河i = 】湖坪沉积物对水动力作用的响应研究 层，软弱层在其上部不均匀荷载作用下，发生应力均衡调整，软弱的粘土质沉积 物被挤压向上，作为底辟侵入到上覆该层物质中，导致硬壳的破坏。“。李广雪等 利用类似成因对黄河口刺穿体进行了描述和研究“。前人研究，多是着眼于沉积 过程中导致的沉积物粒级差别，对于沉积体形成后在经历长期水动力改造后的变 化少有提及。 此外，黄河口潮坪上微细层理现象也广泛发育，如l _ l _ 2 所述这种现象的成 因，多数学者认为潮流沉积作用所致。 在现场调查过程中，我们发现浅水环境下及现场振动中发现了大量上涌的细 粒物质和生物活动及其他不名原因形成的细粒物质与表层淤泥共生，见照片2 1 、 2 2 ，此外还发现了广泛发育的细微层理现象。为了探讨水动力作用下沉积物所发 生的演化，认识表层淤泥、微细层理以及铁板砂三者间的联系，我们在淤泥发育 显著的刁口区采集淤泥样品，测试其厚度及相应下伏沉积物强度，并选择不同时 期形成的沉积叶瓣，于其上典型位置( 大王、广利港、刁口和新滩) 采集近l 米 深度原状样品，此外在新滩采取了铁板砂原状样，进行一系列实验，以加深对于 黄河口三类典型潮坪沉积物特征的认识。 2 2 表层淤泥特征 2 2 1 现场工作与取得的成果 为了探讨淤泥的特征、空间发育状况及与下伏沉积物关系，选择淤泥发育比 较显著的刁口典型研究区，具体情况如图2 1 所示。在道路两侧分别布置一条与 道路大角度相交长为2 0 0 米的测线，以2 0 米为间隔采集扰动样品约1 0 0 克，以1 0 米为间隔测试淤泥发育厚度，并用微型贯入仪相应测试其下伏沉积物强度。为更 加详细了解淤泥发育与下伏沉积物联系，在路南侧布置一5 m 4 5 m 的方形研究区， 以1 米为间隔分别测试淤泥厚度和下伏沉积物强度；并在道路南北两侧分别选取 典型位置进行现场振动试验，观察分析振动过程产生的细粒物质( 见照片2 1 ) 与 淤泥的差异。此外，我们还采集了生物活动以及其他不明成因产生的物质( 见照 片2 2 ) ，进行室内分析，以获知淤泥与下伏沉积物的成生联系。具体的现场工作 布置如图2 1 所示。所得沿着测线淤泥厚度与下伏沉积物强度如图2 , 2 、2 _ 3 所示。 道路南侧方形区内淤泥厚度及下伏沉积物强度沿着深度的变化如图2 4 所示。 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 振动产生的檐形堆积浅水环境下发育的锥形堆积 照片2 1振动及水下发育的物质喷发 p sp 6 照片22 各种成因的表层细粒物质 2 2 2 室内开展的工作与所得成果 对采集的扰动样品，进行粒度测试，所用仪器为英国m a l v e r h 公司生产的 u a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度仪。适量选取代表性样品，测试含水量、比重和容重， 以获得其基本的物理性质。所得粒度指标结果见表2 1 ，物理性质如2 2 3 1 所述。 2 2 3 成果的分析与认识 2 2 3 1 淤泥物理性质特征 黄河l j 潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 粒度成分测试表明，沉积物粘粒、粉粒以及砂粒的平均含量分别为：l o 5 、 7 4 3 9 、1 5 1 ，根据海洋地质调查规范，表层淤泥可定名为粉砂。含水量介于 3 8 卜4 3 2 ，平均4 1 8 ；比重介于2 7 0 2 7 3 ，平均2 7 2 。 图2 1研究区位置及现场工作布置图 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 2 2 3 2 淤泥与其它形式产生的细粒物质差异 从表2 一l 可以看出，从粒径上，生物及其它不明原因导致的沉积物中值较大， 平均值为5 8 5 ，振动导致的上涌物质平均粒径巾值较小，平均值仅为4 8 7 ，表层 淤泥平均粒径介于两者之间。从分选性上，振动导致的上涌物质分选较好，分选 系数平均1 4 l ，生物及其它不明原因导致的沉积物分选相对较差，分选系数平均 值为1 7 5 ，表层淤泥位于两者之间，平均1 7 l ；从粘粒含量上，振动导致的上涌 物质所含粘粒较少，平均占4 8 6 ，生物及其它不明原因导致的沉积物粘粒含量较 高，平均值为1 3 6 7 ，表层淤泥平均1 0 2 7 。峰态和偏态对对比发现，三种物质 差别不大，但从平均值来看，振动喷出物质相对较小。 表2 1表层细粒物质参数统计 样品类型样品名称平均粒径分选系数偏态 峰志( 8 中物质古量 p 157 817 8 1 7 824 11 31 2 生物及其 p 25 7 917 51 7 8241 2 9 7 它不明原 p 359l7 31 7 4 23 51 3 5 3 p 4 58 9 1 7 4 1 7 42 3 61 3 6 2 因导致 p 5 6 2 81 8 21 62 3 31 8 5 7 p 6 5 4 61 71 8 4 24 31 0 2 5 最) i 值 62 81 8 2i8 42 4 3 1 8 5 7 最小值 54 61 716 2 3 31 02 5 平均值 58 51 7 51 7 523 8 1 36 7 p e n c h a s5 0 61 4 21 72 2 8 5 4 6 振动导致 p e n c h u n4 6 813 91 7 3 23 242 5 平均值 48 71 4 1l7 2 2348 6 a l5 0 81 718 52 4 8 7 7 4 a 254 51 7 81 ，8 1 2 4 61 0 4 7 a 35 4 51 7 1 1 7 82 4 29 6 4 a 45 2 9 l 。7 l1 8 12 4 5 8 ，6 8 a 5 5 3 817 11 7 7 2 4 19 4 8 a 65 4 31 7 i1 7 9 2 4 29 6 3 a 75 4 51 7 z 1 7 72 41 0 1 5 a 8 5 4 31 7 31 7 82 4 i l o 1 9 表层淤泥a 9 55 9l7 3l _ 7 6 2 41 0 7 4 a l o5 6 8l7 61 7 3 2 41 1 5 4 a 1 15 5 21 8 1 1 824 71 1 1 2 b 5 55 216 51 7 6 23 89 5 6 b 7 59 117 61 6 7 2 3 51 3 4 b 85 7 61 6 9l _ 7 1 2 3 41 1 3 7 b 95 7 21 6 2 l72 31 0 ，4 l b 1 05 6 5 16 41 7 22 3 3 l o 2 1 b l l5 6 5 1 6 41 7 42 3 3 1 0 3 5 最大值 59 11 8 1l8 5 2 4 81 34 最小值 5 0 81 6 2 1 6 72 377 4 平均值 5 5 3l l7 11 7 6 2 4l o ，2 7 1 0 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 2 2 3 3 淤泥厚度与下伏沉积物强度关系 图2 2 为路北区测线测试结果，可以看出，沿测线向海淤泥厚度及下伏沉积 物贯入阻力差异较大，随着远离海岸，淤泥厚度逐渐减小，沉积物贯入阻力在测 线方向上呈现强弱区的不规则交替：进一步分析可以看出，淤泥发育厚度与沉积 物强度有较好的对应关系，沉积物贯入阻力较大的位置表层淤泥厚度较小，沉积 物贯入阻力较小的位置表层淤泥厚度明显较大。 图2 3 为路南区沿着测线的测试结果，分析发现，道路南侧淤泥厚度总体较 路北侧增厚，其沿着测线厚度变化规律性不明显。测试范围内，下伏沉积物强度 呈现显著不均匀化。与北区相似，其强度强区与弱区不规则变化，且向海强度有 整体降低趋势，淤泥厚度在强区上表层较小，在弱区上表层较大。 在道路南侧5 5 m 方区测试结果如图2 4 所示，从图上可以看出，在小的局部 区域内，沉积物强度存在明显的差异。整体而言，沉积物表层2 5 c m 强度普遍较弱， 以下到测试深度( 6 0 c m ) 范围内，沉积物强度较高，且存在相对较弱的区域。上 表层淤泥状物质厚度也与下伏沉积物强度有较好的对应关系，总体上沉积物强度 较高的上表部位淤泥厚度较小，强度低的部位厚度较大。 图2 , 2路北侧测线上表层淤泥状物质厚度及其下伏沉积物强度图 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 图2 3路南侧测线上表层淤泥状物质厚度及其下伏沉积物强度图 图2 4路南侧方区表层淤泥状物质厚度及其下伏沉积物强度图 1 2 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 2 3 铁板砂特征 2 3 1 现场开展的工作及成果 为了了解硬壳层在黄河三角洲的地区的空间分布特征，分别在埕口、刁口、 广利港、新滩、东营港和桩西进行了静力触探试验，研究区位置示意如图2 1 所 示，所得地层的锥尖阻力和侧摩阻力随深度的变化见图2 6 ，统计数据见表2 2 。 为细致了解铁板砂性质，在新滩研究区取1 米的原状样品，进行室内实验。 2 3 2 室内工作及所取得的成果 对现场采集的原状样，以2 c m 为间隔，采集样品进行粒度组成测试，方法同 2 2 2 。所得沉积物粒度指标沿着深度的变化具体可见2 4 3 层化土分析过程，其 统计数据见2 3 4 2 。在原状样尽量靠近中心部位选取上、中、下三段进行微观结 构观测。观测在中国海洋大学测试中心进行，所用仪器为英国产s 2 5 0 m k 型扫描 电镜。考虑到自然干燥方法不易保持样品的原始状态，本次实验过程中采用液态 n 2 冷冻干燥的方法对所采部分土样进行干燥。从原状样尽量靠近中心部位切取长 约1 0 c m ，宽约l c m 的样品长条置于装样器中使之侵入液态n 2 ，快速冷冻约1 5 分 钟，迅速放入已经抽成真空的真空抽气仪中，继续抽气约6 个小时，待接近真空 后停止抽气，取出样品，将所取观测样小心的修整成o 5 0 4 0 3 c m 左右，用导电 胶粘于样品台上，表层喷金。在观察屏幕上选取典型位置，颗粒比较稳定的情况 下，选择合适的放大倍数进行，本次实验中统一采取放大倍数为1 0 0 0 倍。所得沉 积物微观结构如照片2 | 3 所示。此外，以大约1 4 c m 为- 4 , 的单元，、进行常规物理 力学性质的测试。所得结果见表2 3 。 2 3 3 资料的处理 图2 5电镜照片方位及定量处理示意图 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 颗粒定向角“”：颗粒长轴方向与水平x 轴方向的夹角。在竖向样品照片中， x 轴方向为真实水平方向，y 轴方向为土体竖直方向，照片中的颗粒的定向角反映 颗粒真实排列情况。水平样品x 轴方向可能为水平3 6 0 度的方向的任意方向，不 同照片中的x 轴方向可能不一致，但不影响说明同一样品照片中所含颗粒的定向 性，具体如图2 5 所示。在本节中沉积物微观结构全部为竖向样品。 2 3 4 结果的分析与认识 2 3 4 1 铁板砂的发育情况 从图2 6 可以看出，在不同时期形成的沉积叶瓣上，表层硬壳均有分布，但 不同地点硬壳层的所在深度、厚度差异较大；第一硬壳层存在明显的不连续性。 硬壳层与下伏软层发生突变，且其中间有的存在较软但很薄的夹层，有的没有。 具体情况见表2 2 。 圜 匪，| 霞 辫筐圣三三引j 睦| ，i 匿窭型j 邕塑 匿萄；匿霹| 器ii 羼雾i 孽蔓：二： ：泌二：j ： 一：二二：二：j ：f ：二：j 匡至銎i 型；匡量至型韭兰三型i 畦至三童 o5 051 0 05 o 备注：上横轴为倒摩阻力( i q q 下檀轴为锥尖阻力( 嘲纵轴为浑度( 哪 图2 6不同时期叶瓣硬层发育状况静探曲线 2 3 4 2 铁板砂的成分与结构 1 4 詈i。螽i寺曼譬_錾= 萎亲立撼曩蔓一 一蘸陲兰i篓一f蔓i筝璧! 一l | ：营 一 l | 二嘲 一 呈士聋；育墨i兰翟兰蓬一匿 兰叠#f曼i赃王 一l_ll港： ?：，鞋一芑ii等兰登j口量釜曩量蓬一霞1|_!j_|i；墨三霎 墨i嘉莹了薹要冀一 一餍一篱 黄河口潮坪沉积物对水动力作用的响应研究 ( i ) 铁板砂的成分 现场采集近1 米深度硬层原状样品，室内粒度测试结果表明，硬壳层沉积物 中细砂粒、粉粒和粘粒都有一定数量的分布，但各粒级的沉积物含量变化范围较 大：砂粒含量相对较少，平均1 6 7 2 ，粉粒占主要地位，含量介于4 4 4 3 8 6 9 9 ， 平均7 2 5 9 ，粘粒平均9 9 。可以看出，硬壳层中沉积物各级粒度成分含量不均 匀，局部的粘粒含量可占总量的1 4 以上，有时细砂含量超过5 0 ，根据海洋调查 规范硬壳层在不同情况下可定名为砂质粉砂、粉砂或粘土质粉砂。 表2 2 不同时期叶瓣硬层发育状况静探数据统计 第一硬壳层下伏软层 孔号 硬层与软硬层与较 深度 硬壳厚度锥尖阻力侧摩阻力 深度 软层厚度锥尖阻力侧摩阻力 层侧摩阻层锥尖胆 范围( m ) a v e ( m p a ) a v e ( k p a ) 范围 a v c ( m p a ) a w ( k p a ) 力之比力之比 埋口l l ，l - 362 645 97 1 3 237 & 24 60 ，5 51 60 28 ，3 54 4 5 埋口268 - 720 547 94 45 07 3 78060