（环境工程专业论文）黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究.pdf

ii 谨以此论文献给所有爱我支持我的人！ -张丽萍 iii iv v 黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究 摘 要 黄河口沉积物在海洋动力作用下出现了严重的侵蚀再悬浮，目前对其发生 机制的研究认为，波浪和海流的共同作用，导致河口表层沉积物侵蚀再悬浮与 运移，即波浪掀沙，海流输沙。然而，已有研究发现，液化作用是影响沉积物 发生侵蚀再悬浮的一个重要因素，海床液化会导致内部细粒物质向海床表面的 渗流上输，改造海床沉积物的性质，影响再悬浮泥沙量的大小。有关波浪作用 下海床沉积物液化度的研究目前的研究较少，而土床液化对侵蚀再悬浮物贡献 的定量描述，目前的研究更是几乎一无所知。本学位论文是在国家自然科学基 金“黄河口沉积物固结后再悬浮及输运过程研究”(no.40876042)与“风暴对黄 河三角洲侵蚀控制与海床液化”(no.41072215)项目的支持下，旨在研究土体液 化对黄河三角洲沉积物再悬浮泥沙量的贡献作用和对土体粒度成分的改造效 应，建立液化度与再悬浮泥沙量的定量关系，研究成果对认识黄河水下三角洲 沉积物侵蚀发生过程及再悬浮运移，及黄河口海岸地质灾害的预测防治具重要 意义。 通过室内水槽模拟试验及黄河三角洲地区不同沉积年代潮滩土体原位模拟 试验，观测分析了海床沉积物在波浪等水动力的作用下，土体孔隙水压力和水 体中再悬浮浓度发生发展的规律，引入液化度这一参数来定义液化发生的程度 并进行液化判别，建立液化度与再悬浮泥沙量的定量关系；对试验前后所取原 状样品和表层散样进行颗分试验，获得了粒度成分在土床液化前后的变化。 研究结果表明： （1）室内水槽模拟试验中，各波浪作用条件下，再悬浮泥沙量由来自表层 物质的悬浮和底床内部细粒物质的上输组成。前期增长来自表层细颗粒沉积物 的快速起动悬浮，且约为总量的 50%80%，而后期增长主要是由液化渗流产生 的底床内部细粒物质的向上输运，约为总量的 20%50%；再悬浮泥沙量后期的 增量占总量的比例随着液化程度的增大而增大，说明液化对于再悬浮泥沙量的 增量有一定的贡献作用；土床液化前后，液化深度范围内的成分发生显著变化。 土床的细粒物质在液化过程中会向上运移，使得土床的级配变差，分选变好， 说明液化对土床结构成分的分异有显著影响。 vi （2）根据黄河三角洲潮滩造波模拟试验发现：循环荷载作用下，黄河三角 洲不同沉积年代的叶瓣潮滩均发生了超孔压的累积，且在超孔压达到最大值不 久后，再悬浮泥沙量由较为稳定状态发展至最大值。水体中后期悬浮泥沙增量 与海床土体的平均最大液化度线性相关，说明液化对再悬浮泥沙量有所贡献与 室内试验的研究结果一致；再悬浮泥沙量的发展滞后于超孔压的发展，说明液 化后土床内部的细粒物质上输需要一定的时间；土床粒度成分和液化之间是相 互影响的关系。土床的粒度成分是影响液化的一个重要因素之一，同时，液化 也改造了土体的粒度成分特征，使得液化后土床的不均匀系数 cu均发生了变 化。 （3）探讨了液化度对再悬浮泥沙量的影响机制，运用两种计算方法定量计 算了液化对再悬浮泥沙量的贡献作用大小，结果发现：两种方法均显示了在土 床发生液化现象后，再悬浮泥沙量都有不同程度的增大，即其在液化土床条件 下的量值比非液化土床条件下的大，说明液化对再悬浮泥沙量有所贡献。 本文的创新点主要在于： （1）本文基于室内模拟试验和现场观测结果，建立海床沉积物液化度的定 量判别方法，揭示液化度与再悬浮泥沙量之间的定量关系，这是国内外学者尚 未开展过的研究工作，学术思想具有显著创新； （2）指出水体中再悬浮泥沙量不仅来自传统观念上的“波浪掀沙，水流输 沙” ，还有来自液化后土床内部细粒物质的向上渗流输运。 （3）探讨了液化度对再悬浮泥沙量的影响机制，并用两种计算方法定量计 算了由液化产生的再悬浮量的大小。 关键词：黄河三角洲；波浪荷载；土床液化；沉积物再悬浮量；粒度成分 vii effects of wave-induced seabed liquefaction degree on sediment re-suspension in the yellow river delta abstract the sediment in the subaqueous yellow river delta is eroded seriously under marine hydrodynamic conditions. the existing studies have shown that the combined action of waves and currents leads to the surface sediment in the estuary erosion and resuspension, i.e. that waves lift sediments and currents transport sediments. however, recent studies have found that liquefaction and seepage force can lead some internal clay grains in some depth to the seabed surface, and seabed liquefaction is the crucial reason resulting in the sediment erosion and resuspension. the research on the liquefaction degree of seabed sediment under the effect of hydrodynamics in the yellow river delta is still unclear，and the quantitative description of the contribution of soil liquefaction to re-suspension quality is almost unknown. the following research is funded by the national natural science foundation of china study on consolidated sediment re-suspension and transportation in the yellow river estuary (contract no. 40876042) and the storm against erosion control and seabed liquefaction to the yellow river subaqueous delta (contract no.41072215). it is aimed to discuss the effects of wave-induced liquefaction on sediment re-suspension and granulometric composition of the seabed in the yellow river delta, and reveal the relationship between liquefaction degree parameters and the quantity of re-suspended sediment. the achievements obtained in this research can give a better understanding on the dynamic process of erosion, re-suspension and transportation of benthic sediments, and play a significant role in the prediction and control of geologic hazardous in the coastal zones of the yellow river delta. the pore pressure accumulation and re-suspended sediment concentrations after the wave action onset was observed in the flume simulation experiments in laboratory and in-situ investigation on different tidal flat with depositional age in the viii yellow river delta; the parameter liquefaction degree s was introduced to describe the liquefaction process and evaluate degree of liquefaction, and reveal the relationship between liquefaction degree and the quantity of re-suspended sediment; the samples from these experiments were tested by grain size analysis to obtain variations in the seabed granulometric composition under wave-induced seabed liquefaction. some conclusions can be drawn as follows: (1) from the laboratory flume experiments, the results indicate that under different wave action, the re-suspended sediments are resulted from the surface sediment erosion and the internal seabed sediment upward transportation, and the initial increments of sediment re-suspension mainly come from the re-suspension of surface sediment erosion, accounting for approximately 50% to 80% of the total. whereas with the sustained action of waves, the later increments of sediment re-suspension are from the internal seabed sediment upward transportation due to the wave-induced liquefaction and seepage, accounting for approximately 20% to 50% of the total; liquefaction degree directly affects the amount of sediment from internal seabed transport into the water accounting for the total suspended sediment, and the proportion of internal re-suspension increases as liquefaction degree increases, revealing that liquefaction contributes to the quantity of re-suspended sediment. the granulometric composition changes significantly within the liquefied depth inside the seabed before and after seabed liquefaction. the internal seabed fine sediment migrates upward in the liquefaction process, so that the seabed gradation becomes poorer and sorting becomes better, revealing that liquefaction effects the composition and structure properties of the soil bed significantly. (2) from the in-situ wave generation experiments on intertidal seabed in the yellow river delta, it is found that excess pore pressure accumulates under cyclic loading on each tidal flat with different depositional age in the yellow river delta. the quantity of re-suspended sediment develops from a stable state to the maximum shortly after the excess pore pressure reaches maximum. there is a strong linear correlation between the average value of maximum liquefaction degree and the later re-suspension increment, showing that liquefaction is contribution to the quantity of ix re-suspended sediment, and it is consistent with the flume experiments in laboratory. the internal fine-grained material will take more time to transport to the seabed surface, so that the variety of the quantity of re-suspended sediment lags behind the excess pore pressure. there is an interaction relationship between the seabed granulometric composition and liquefaction. the seabed granulometric composition is an important factor to liquefaction, and seabed liquefaction transformed the granulometric composition inversely, that the coefficient of uniformity cu is changed after seabed liquefaction at each site. (3) the effect of liquefaction degree on the quantity of re-suspended sediment can be explored using two methods to calculate the contribution degree of seabed liquefaction quantitatively to the quantity of re-suspended sediment. the two computational results show that all the quantity of re-suspended sediment increases to a certain extent after seabed liquefaction, i.e., the quantity of re-suspended sediment is larger under the seabed liquefying conditions than that under non-liquefying conditions, showing the effect of liquefaction to the quantity of re-suspended sediment. the innovations of this thesis are as follows: (1) based on the wave flume experiments and in-situ wave generation experiments, the paper establishes the evaluation method of liquefaction degree and reveals the relationship between liquefaction degree and the quantity of re-suspended sediment. this has not yet been carried out by other researchers. (2) the results reveal that the quantity of re-suspended sediment not only from waves lift sand and currents transport sediment of the surface sea-bed, but also come from the seepage upward transport within the soil fine-grained materials. (3) the impact mechanism of liquefaction degree on the quantity of re-suspended sediment is explored, and quantitative calculation of the contribution degree has been first realized using two methods. key words: yellow river delta; wave loading; seabed liquefaction; sediment re-suspension; granulometric composition. x 目 录 0 前言前言 . 1 1 绪绪 论论 . 2 1.1 相关研究现状与存在问题评述 . 2 1.1.1 海床沉积物波致液化研究现状与问题 . 2 1.1.2 沉积物液化度的定量表达研究现状与问题 . 3 1.1.3 海床沉积物对波浪动力响应与侵蚀再悬浮研究现状与问题 . 5 1.1.4 黄河口沉积物波浪动力响应与侵蚀再悬浮研究现状与问题 . 8 1.2 本文研究内容与目标 . 10 1.2.1 研究目标 . 10 1.2.2 研究内容 . 10 1.3 研究方法与技术路线及预期成果 . 11 1.3.1 研究方法 . 11 1.3.2 技术路线 . 12 1.3.3 预期成果 . 12 2 海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的波浪水槽试验海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的波浪水槽试验 . 13 2.1 概述 . 13 2.2 试验方法 . 13 2.2.1 试验装置 . 13 2.2.2 试验样品制备 . 14 2.3 试验设计与实施过程 . 15 2.4 试验结果 . 16 2.4.1 水体悬浮泥沙浓度 ssc 变化过程 . 16 2.4.2 波浪循环荷载引起土体孔压的响应过程 . 17 2.4.3 液化破坏界面发展演化规律 . 20 2.5 试验结果分析 . 21 2.5.1 水体再悬浮泥沙量计算及变化过程 . 21 2.5.2 土体液化度的计算及变化过程分析 . 23 2.5.3 土体液化度对水体再悬浮泥沙浓度的贡献 . 26 2.5.4 土体液化度对水体悬浮泥沙浓度的贡献来源深度 . 30 2.5.5 土体液化对土床粒度成分的改造 . 31 2.6 本章小结 . 33 3 海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的现场模拟试验海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的现场模拟试验 . 35 3.1 概述 . 35 3.2 试验区基本概况 . 35 3.2.1 研究点布置及概况 . 35 3.2.2 试验区的水动力特征 . 37 3.2.3 试验区的沉积物特征 . 37 3.3 现场试验方法与过程 . 39 xi 3.3.1 现场试验的设计与布置 . 39 3.3.2 试验数据处理方法 . 40 3.4 试验结果 . 41 3.4.1 海床土体再悬浮特征 . 41 3.4.2 海床土体的孔压响应 . 44 3.5 试验结果分析 . 48 3.5.1 各研究点再悬浮泥沙量变化 . 48 3.5.2 各研究点液化度变化过程 . 49 3.5.3 土体液化度对再悬浮泥沙量影响分析 . 51 3.5.4 现场测量结果与室内水槽结果对比分析 . 53 3.6 本章小结 . 53 4 海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的机制分析及定量计算海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的机制分析及定量计算 . 55 4.1 概述 . 55 4.2 海床沉积物液化度对再悬浮特征影响的机制分析 . 55 4.2.1 概念模型 . 55 4.2.2 机理分析 . 56 4.3 定量计算方法的建立 . 57 4.3.1 相关的假设条件 . 57 4.3.2 相关计算方法的建立 . 57 4.4 定量计算验证以水槽试验为例 . 58 4.4.1 再悬浮通量法计算液化对再悬浮泥沙量的影响 . 58 4.4.2 颗分法计算由液化产生的再悬浮泥沙量 . 59 4.4.3 液化对再悬浮浓度贡献之两种计算方法对比 . 62 4.5 本章小结 . 62 5 结论、创新点及下一步工作结论、创新点及下一步工作 . 63 5.1 本文结论和成果 . 63 5.2 创新点 . 64 5.3 下一步工作 . 64 参考文献参考文献. 65 致致 谢谢 . 72 个人主要经历个人主要经历 . 73 在学期间发表的学术论文与研究成果在学期间发表的学术论文与研究成果 . 73 黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究 1 0 前言 一般认为黄河口海区发生的大规模沉积物侵蚀再悬浮是来自于目前已被认 识的波浪“掀起”的海床表面沉积物，然而，已有研究发现，液化作用是影响沉 积物发生侵蚀再悬浮的一个重要因素， 海床液化会导致内部细粒物质向海床表面 的渗流上输，进而影响再悬浮量。而上输过程与波浪作用及沉积物孔隙水压力累 积与液化的对应关系、 再悬浮物上输量的定量描述及持续液化作用对海床沉积物 的改造作用，目前的研究几乎一无所知。 因此， 本文拟研究波浪等水动力条件作用下黄河水下三角洲沉积物发生大规 模液化过程和机理分析，及对海床沉积物再悬浮的影响，揭示液化和沉积物再悬 浮的关系。在室内利用水槽模拟试验，得到不同波高作用下孔隙水压力、悬沙浓 度、液化破坏界面及粒度成分的变化；采用现场模拟试验，观测记录海床沉积物 孔隙水压力累积与相应水体悬浮物浓度的变化过程及粒度成分的变化情况； 结合 以上室内外试验和定量分析方法， 分析沉积物的液化过程与海床再悬浮间的关系 及对粒度成分的改造作用， 量化土床不同的液化度对沉积物再悬浮泥沙量的影响 大小。 黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究 2 1 绪 论 1.1 相关研究现状与存在问题评述 1.1.1 海床沉积物波致液化研究现状与问题 波浪荷载作用下，波浪动剪应力作用导致砂质或粉质土海床内部孔隙水压 力不断上升，海床土的渗透性不良会使有效正应力下降直到零，颗粒悬浮在水 中，土体发生完全液化，丧失强度和能量。对于波致孔压累积升高导致海底土 床液化，已有很多研究成果。 rahman（1991, 1997）发现饱和非粘性土床的液化发生与孔压的逐步建立有 关系，zen et al.（1990, 1991）结合室内外试验结果分析指出，阻尼和相位滞 后引起的超孔隙水压力重新分布是导致海床发生液化的主要原因。nago et al. （1993）将松散沉积砂床在波浪作用下的动力响应进行了试验研究，并将液化状 态分为两种类型。一种是出现在初始阶段的由于超孔压的累积而导致的持续液 化。另一种是继前一阶段之后，伴随着孔隙水压力振幅阻尼和相位滞后而出现的 循环瞬态液化。sassa et al.（1998）用离心机对砂质模型试验发现，当波浪荷载 小于临界应力比时，海床不会发生液化。而波浪荷载大于临界应力比时，海床发 生液化且液化区域首先出现在海床表面，然后向内部扩展；波浪荷载停止后液化 区域排水固结，密实度显著增加。finn et al.（1983）确定了波致孔压，计算了瞬 时和残余土床响应，并评价了液化可能性，随后，tsotsos et al.（1989）用数值 模拟的方法评价了包括瞬时和残余孔压的产生及土床液化的可能性。而suzuki et al.（1998）通过水槽实验发现砂质海床中由超孔压产生的液化喷砂现象，并提出 波浪的压实作用会减小液化的可能性。 已有研究证实，粉质土等细粒黏性土与砂土一样具有液化特性（wang, 1979） 。在循环振动荷载作用下，粉土的超孔隙水压力会产生累积，而累积的孔 压沿深度分布却不均匀， 存在极值区 （刘涛等， 2006） ， 还会出现流态化效应和泥 火山等现象（clukey et al.，1985；单红仙等，2006），即发生液化现象，这与 砂质底床表现完全不同。lindenberg et al.（1989）用中国粘土进行水槽试验并 指出， 粘性土会在一定条件下发生液化现象， 在土床表面形成一高密度的浮泥 层，并且液化的可能性很大程度上取决于土体的密度，密度越小，越容易发生 液化现象。feng（1992）通过室内试验发现，粘性土体的液化速率与波高及海 黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究 3 床土的固结时间有关，波高越小、海床土体固结时间越长，越不易发生液化； 波高越大，液化深度越大。刘红军等（2005）利用室内循环三轴试验，分析了 黄河三角洲地区粉土在动荷载作用下的液化特性， 发现液化发生的难易程度以粉 砂最低，粉土次之，粉质粘土最高，即粉质粘土最不易发生液化现象。liu et al. （2011）在黄河三角洲潮间带上开展的现场工作中发现，潮汐波浪作用过程中， 底床沉积物内的孔隙水压力处于显著的动态变化过程， 并在不同深度位置呈现出 不同程度的滞后累积特征，在超静孔隙水压力超过上覆压力时，沉积物的强度却 并非完全丧失，在长江口等世界细粒沉积物河口海区，对于沉积物孔隙水压力对 海洋动力作用的独特响应过程， 目前受到科学家的热切关注 （slaa et al., 2011; hsu et al., 2012） 。 对于海床沉积物对于波浪的响应特征及液化特性研究方面， 不少学者对砂质 海床和粉质土海床进行了对比。tzang（1992）和 foda et al.（1994, 1995）通过 水槽试验对比粉质海床和砂质海床的孔压响应发现， 粉土海床不同深度处的孔压 会在波浪作用一段时间后产生积累并突然上升，而砂质海床则不会这种现象。王 立忠等（2007）也发现了同样的现象，并将粉质海床在波浪荷载作用下的超静孔 压增长模式划分为 3 种类型。tzang（1998）发现砂质土的孔压在波浪作用下是 线性增长的，且土床表面只会形成很小的波纹，没有明显的悬浮物。而粉土则会 出现一个共振阶段，且会在表面形成一层很薄的悬浮层。tzang et al.（2006）进 一步指出，砂土中细粒物质的增多会使土床更易发生液化。 由此可以看出，同砂土相比，粉土在循环荷载作用下的孔压变化模式和液化 机理具有明显的差异性，孔压累积表现出沿深度非均匀性，并伴随细粒物质向上 传输。波浪作用下黄河口海床沉积物沿深度孔压累积变化规律，及伴随的沉积物 内细粒物质的向上输运，目前的研究知之甚少。 1.1.2 沉积物液化度的定量表达研究现状与问题 传统认识认为，当海床沉积物的孔压累积超过上覆有效应力时，土床会发生 液化。而越来越多的试验结果发现，海床沉积物的孔压累积尚未达到上覆有效应 力时，土床就可以发生液化现象。目前，对于海床孔隙水压力发展到何程度就会 发生液化的研究成果较少。rahman et al.（2002）利用模糊神经网络的方法，结 合大量史上液化事件数据来评价液化发生的可能性；定义了液化度，分别用很大 黄河口沉积物液化度与再悬浮关系研究 4 可能性、可能、不可能研究了液化发生的程度和可能性，并与实际观测数据进行 了对比，发现此模型有很好的预测能力，对于没有定义很好的输入参数场区的液 化可能性的初步评价很有帮助。然而，数据转化较为粗糙。 林霖等（2003）对饱和粉土的研究发现，当土体中产生的平均剪应力大于土 层自身的抗剪强度时，会引起颗粒结构变密，孔隙水由于压力增大而挤出，当孔 隙水压力达到土体所受侧向压力 3 时，会产生初始液化，此时尚未发生喷水、冒 沙现象。此时的孔压会继续累积直至超过上覆有效压力时，初始液化转为完全液 化。也就是说，跟传统的液化不太相同，当孔压达到一定值时液化现象就已经发 生。 张超等（2006）结合抗液化安全系数的概念，比较动剪应力和抗液化强度， 判别尾矿材料的液化程度。当液化安全系数在0.61.0之间时，可以判定为尾矿材 料部分液化，这里的部分液化就涉及到液化程度的问题。陈静等（2006）等通过 对土床中的超孔压进行分析， 提出了一种通过超静孔隙水压力对土体的稳定性进 行判断的方法，即土体内的超静孔隙水压力等于k倍(k h18cm h7cm，而由图 2-6 可见，7cm 和 10cm 波高作用前的土床在固结 及波浪作用下，土床表面均下降了约 5cm 左右，而 18cm 波高作用后，土床表面 下降了约 10cm 左右。说明 18cm 波高作用后的，液化作用使土床发生振密的程 度更大，使得液化发生的深度有所减小。 2.5 试验结果分析 2.5.1 水体再悬浮泥沙量计算及变化过程 2.5.1.1再悬浮泥沙量计算方法 沉积物再悬浮，系指已发生沉积的泥沙物质在波、流等水动力作用下被再次 悬