（环境工程专业论文）黄河三角洲海堤堤前土体侵蚀研究.pdf

择抗冲性( 抗冲刷系数) 与崩解性( 崩解试验) 作为土体抗侵蚀性的指标，比较 波浪荷载作用前后海床土体抗侵蚀指标的变化。 通过对研究成果的分析，得到了如下一系列认识： 1 在研究区内泥沙运移以悬移质形式为主，水动力作用是滩面形念塑造的动力 来源。在受到各种水动力包括波浪、潮汐、风暴潮的长期的日积月累的作用后， 侵蚀在整体上表现为削高填低，使滩面变得更为平滑。虽然侵蚀的作用在整体上 表现为削高填低，但是风暴潮引起的强烈紊流蜗旋作用下，滩面更加粗糙更加不 平整。从侵蚀量的数值上看，一次风暴潮的侵蚀量大概帽当于年侵蚀量的1 7 ， 说明侵蚀与淤积是同时进行的，但是侵蚀量大于淤积的量。 z 海港岸段沉积物主要以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，以悬移质运移为主的 情况下，波高与侵蚀强度表现出很高的相关性，且随着侵蚀烈度的增加相关程度 亦有提高。 3 堤前复杂水动力条件下，流速与浊度的相关性较低，说明波浪破碎后产生的 强烈紊流和漩涡是土体颗粒脱离骨架悬浮水中的动力来源。 4 粘粒含量从两个方面影响土体抗侵蚀能力：粘粒含量大的土体颗粒间粘结 力强，抵抗侵蚀力的能力强。在波浪振动荷载作用下，粘粒含量愈大，愈不容 易发生液化破坏，抗侵蚀力强。 5 振幅即波浪荷载越大，液化破坏越容易发生，土体抗侵蚀能力越弱。液化破 坏对土体抗侵蚀性的影响是决定性的，无论是粘粒含量还是振幅都是通过影响液 化进而影响抗侵蚀性的。说明波浪在引起表层下土体液化后，土体在渗流场的作 用下也会被冲刷带走。 6 冲刷试验与崩解试验只是在总体上体显出了一些规律，而且没有相对较严格 对应关系。所以寻求科学的、全面的抗侵蚀性指标是必要的。 关键词：黄河三角洲海堤侵蚀水动力抗侵蚀性 t h es t u d yo ns oi ie r o sio nb e f o r eb r e a k w a t e r i ny e l i o wr i v e rd e i t a a b s t r a c t c o a s t a lz o n ea n dt h er i v e rd e l t aa r em o s td e v e l o p e dr e g i o nh a v i n gt h em o s t c o m p l e xe n v i r o m a n ta c t i o n a l lo ft h ew o r l d i nt h e s er e g i o n sp r o t e c t i o na n d r e p a i r a t i o no ft h eb r e a k w a t e rc o s tv e r yh i g he v e r yy e a ra l t h o u g h te n g i n e e r sh a v eg o t a b u n d a n te x p e r i e n c ei nc o n s t r u c t i o n y e l l o wr i v e rd e l t ai st h ei m p o r t a n tc o a s t a l r e g i o nw h i c hh o l da b u n d a n tp e t r o l e u mi ns t o r e b r e a k w a t e rp l a yai m p o r t a n tp a r ti n p r o t e c t i n gp e t r o l e u me x p l o i t a t i o na n dr e s i d e n t e r sl i f ea n dp o s s e s s i o n t h es i l tm o v e m e n to fy e l l o wr i v e rd e l t ai sv e r yi m p o r t a n tt oy e l l o wr i v e r e s t u a r ye v o l v e m e n ta n dr i v e r w a ys t a b i l i t y , t h ew a yo f m o v e m e n ti si m p a c t e do f f i v e r , t i d ea n dw a v e i tp l a y sa l li m p o r t a n tp a r tt ot h es e d i m e n tr e l i e fo ft h ed e l t a w h e r e a s t h en d e do fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，s t a r t i n gp r o b l e mr e l a t e db ye n e r g ya b s o r b i n g u n d e rt h ee f f e c t i n go fw a v ea n dt i d eb e c o m e sa n di m p o r t a n tp r o b l e m b a s e do n r e s e a r c ho ff o r m i n ga n dd e s t r o y i n go fs l o p ec r u s tu n d e rw a t e ri nt h ey e l l o wr i v e r e s t u a r y , a tt h ei m b u r s e m e n to fr e s e a r c ho ft h eb i o l o g i c a la n dh y d r o d y n a m i ci n d u c e d s e d i m e n th e t e r o g e n e i t yi nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r y ，t h r e er e s e a r c h e sa r ec a r r i e d t h r o u g h ： t h ef i r s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do ni n - s i t um e a s u r e m e n t f i x e da s u r v e yl i n et h e nm e a s u r et h ep o i n t s h e i g h ta l o n gt h es u r v e yl i n ee m p l o y i n ga h y p s o m e t e r a c c o r d i n gt ot h eh e i g h td a t ac o m p u t et h es o i lq u a n t i t yw h i c hi se r o d e d a w a yb yt h ew a v e & t i d e b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l tt h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w ：t h e s u s p e n d e dl o a di sd i s t u r b e db yw a v e & t i d e t i d e - p l a t ew a sm o d i f i e dm o r es m o o t h b yt h ei o n g - t e r l na f f e c to f w a v e t i d e t h es e c o n dp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u th y d r o d y n a m i cf o r c es u c h a sw a v e 、t i d ea n ds t o r m t i d ew h i c ho n e p l a yt h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nd i s t u r b i n gt h e s u s p e n d e dl o a d w i t ht h ea i do fw a v e - t i d eg a u g e ，c u r r e n tm e t e ra n dt u r b i d i t ym e t e r , i n s i t uv a l u e so fw a v eh e i g h t ，t i d a lh e i g h t ，c u r r e n tv e l o c i t ya n dt u r b i d i t yv a l u ea r e r e c o r d e d ，a n dc o m p a r e dw i t hv a l u e so ft u r b i d i t ya n dc o n t e n to fs u s p e n d e dp a r t i c l e s m e a s u r e di nl a b ，s ot h a tt h ec o r r e l a t i o ni so b t a i n e db e t w e e nt u r b i d i t ya n ds u c hi n - s i t u h y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r s 船w a v eh e i g h t t i d a lh e i g h ta n dc u r r e n tv e l o c i t y , a n dt h e h y d r o d y n a m i cf a c t o rd e t e r m i n i n gs e d i m e n ti n c i p i e n tm o t i o n v e l o c i t y b e f o r e b r e a k w a t e rd i f f e r e n tf r o mt h o s ei nt h es e d i m e n ti n c i p i e n tm o t i o nt h e o r y ：w h e n s u s p e n d e dl o a d sp r e v a i l ，w a v eh e i g h ti st h ed e t e r m i n a n tf a c t o r , s u s p e n d i n gs o i l p a r t i c l e si s c a u s e db yt h es w i r la n dt u r b u l e n c ew h i c ha r e g e n e r a t e db yw a v e b r e a k i n g ；a n di n c i p i e n tm o t i o nq u a n t i t yo fs e d i m e n t si sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hi t ； i nt h ec o m p l i c a t e dc o n d i t i o n sb e f o r eb r e a k w a t e r t h el a s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c ht h er e s i s te r o s i o na b i l i t yo ft h e s o i lb e f o r eb r e a k w a t e r t h es e d i m e n t sc a p a b i l i t yo fr e s i s te r o s i o ni st h em a j o rf a c t o r s h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ec o a s t a le n g i n e e r i n g i nt h i se x p e r i m e n ts o i lw h i c ha l e s a m p l e df r o md i a o k o ua r e aa r em i xw i t hc l a yi n t or e c o n s t r u c t e ds a m p l e sw h o s e r a t i oo f c l a yi s5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 s a m p l e sa r ec o m p r e s s e db yd y n a m i cl o a dw h i c h a r es i m u l a t e dt h ew a v el o a db yt r i a x i a l t h ed i f f e r e n c eo fc o e f f i c i e n to fa n t i e r o s i o n a n dc o l l a p s et e s tb e t w e i md y n a m i cl o a dc o m p r e s s e da n dn o n c o m p r e s s e da r e m e a s u r e d c o n c l u s i o ni st h a ta n t i e r o s i o ni ss i g n i f i c a n t l ye f f e c t e db yt h eo c c u r r e n c eo f l i q u e f a c t i o n i ti si m p o r t a n tt of i n dm o r er e a s o n a b l es c i e n t i f i ci n d e xo f r e s i s te r o s i o n k e yw o r d s ：y e l l o wr i v e rd e l t a ，b r e a k w a t e r ，s o i le r o s i o n ，h y d r o d y n a m i cf o r c e r e s i s te r o s i o na b i l i t y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 洼! 垫超直墓他盈要挂剔直明的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签蒜良签字日期：搬芳年月b r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 一签缘艮 翮箨 签字日期溯年舌月f2 ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 琴易i 乡 l 签字只物矿石月7 明 电话： 邮编 黄l f 二伯洲海堤堤前十件侵蚀研究 0 前言 本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；4 0 1 7 2 0 8 8 ) 研究的基础上，在国家自然科学基金面上项目“生物活动 导致黄河口沉积物固结非均匀化研究”( 项目号：4 0 4 7 2 1 3 7 ) 的资助下完成。通 过一系列的室内外试验，分析了黄河三角洲的侵蚀过程和机理，探讨了引起侵蚀 的最主要的水动力和在水动力作用下的土体的抗侵蚀性变化，并以此为依据探讨 了海堤防护对策。感谢我的导师提供了这一论文选题和在研究工作过程中的全面 指导与帮助。 侵蚀是土体颗粒被水流带走的过程，参与这一过程的两种物质为水和土，本 亨以东营港附近区域作为研究区，在较小的空间尺度上更加精确地研究了海堤前 区域内的冲淤状态，并分别从以下两方面：带走土颗粒的水动力，被水带走 的土体的抗侵蚀性，为切入点探讨了现代黄河三角洲海堤堤前土体侵蚀的过程特 点和机理以及对海堤稳定性的影响。 本文以东营港附近海堤为研究在研究区内选定一条测线，测线垂直来浪方 向，通过测量波浪、潮汐或风暴潮等不同水动力作用下海堤前土体粒度成分的变 化及滩面高程变化，得到容易被侵蚀搬运走的粒度成分以及推算总的侵蚀量。通 过现场观测已录堤前波浪、潮汐、流速、浊度值，与室内测定的浊度和水中悬浮 颗粒物含量对应值比较，分析计算浊度与现场测量潮高、波高、流速水动力因素 匈的相关性，得出引起堤前侵蚀的主要的水动力因素。选黄河三角洲海港区域原 状样品，实验室配置成不同粘粒含量的重塑样，利用振动三轴仪模拟波浪荷载的 作用。选择抗冲性( 抗冲刷系数) 与崩解性( 崩解试验) 作为土体抗侵蚀性的指 标，比较波浪荷载作用前后海床土体抗侵蚀指标的变化。 本文的部分研究工作已被中国海洋大学学报、中国水运收录发表。由 于黄河三角洲沉积物特殊的性质，在典型研究区得到的结论是否适用于整个三角 洲地区，还有待于验证。再加上作者水平有限，文中的纰漏与错误在所难免，恳 请各位同行专家提出宝贵的意见。 黄i , , l - - 伯洲海堤堤前十体侵蚀研究 1 绪论 1 1 研究意义 海岸带、三角洲地区是全球经济最发达的地区，也是地球环境动力系统最复 杂的地带。河口海岸带以及造成其变化的人类活动和海平面变化成为人们关心的 重点，“海岸带陆地一海洋相互作用”( l o i c z ) 成为当今全球变化研究的重点领 域，也是国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 的核心计划之一。海岸系统动力模型与 海岸行为，三角洲动力机制与三角洲过程；海岸和三角洲及海平面变化预测性模 拟研究，模拟与预测一系列时空尺度上全球变化对陆地一海洋交接地带的影响； 不同时空尺度海平面变化，以及全球变化对海岸及三角洲系统的自然、经济和社 会影响已成为当今地学理论和应用研究的热点。本文探讨的内容就是其中的- - d , 部分。 我国海岸线北起辽宁鸭绿江口，南至广西北仑河1 ：3 ，包括海南省，大陆海岸 线长1 8 8 7 6 公里( 未含台湾省) 。据统计，耳日p 我国沿海现已建成海堤总长约1 3 7 1 8 公里，累计建成达标海堤约6 9 0 6 公里，保护人口5 8 3 1 万人，保护耕地5 4 9 2 万 亩，保护区内国内生产总值1 3 2 力亿元，其中全国重点海堤8 3 6 7 公里。海洋和 陆地的交界带，尽管人们已经储备了丰富的建设经验，由于海洋环境的复杂，其 作用荷载既包括永久荷载，如风浪、潮汐、水流、风力、沿岸流，也包括台风、 海啸等短时性荷载。正是由于这些不确定因素，每年耗费在工程保护、修建上的 费用仍是十分惊人的。 黄河三角洲是我国东部沿海重要的石油富集区，1 9 7 0 年在黄河三角洲建设 了我国第二大油田胜利油田。含油区主要分布在三角洲自订缘的部分，所以胜 利油田的石油开采处在一个海陆相交的区域中，海堤在海洋石油开发和沿海岸线 区域居民的生命和财产保护中起到了至关重要的作用。由于此区域是海陆相交、 由黄河带来的巨量泥沙迅速沉积形成的区域，处在海洋陆地河流三者共同作用 下，整个区域的环境具有较强的复杂性。 现有黄河三角洲海堤设计标准不一致，挡潮能力较低，历经多次风暴潮袭击， 堤脚破坏严重，决口多处，随着东营市经济的高速发展，特别是沿海地区将成为黄 河三角洲高效生念经济发展的重点区域，如果遇到大的风暴潮，将产生巨大的经 虽；| i 三角洲海上堤前t f t 侵蚀研究 济损失，所以，增强海堤稳定性，建立完善的沿海防潮体系是十分必要的。 黄河三角洲海岸属于粉沙淤泥质海岸，对此种海岸的研究在理论上具有重要 的意义。对其深入研究，将揭示粉沙淤泥质海岸的形成演化规律，有助于粉沙淤 泥质海岸快速侵蚀机理的研究，为海岸管理海岸防护提供理论依据，并有助于寻 找切实可行的海堤防护措施和方法。本文通过对黄河三角洲海堤堤前土体的一系 列的现场试验和室内模拟试验，研究了黄河三角洲的冲淤变化及其对海堤稳定性 的影响，以引起侵蚀的水动力因素和海堤堤前地基土性质变化为切入点，探讨了 侵蚀机理大致计算了侵蚀量，并探讨了防护措施，对海岸防护有一定的参考价值。 1 2 侵蚀研究现状 1 2 1黄河三角洲沉积物特征研究 黄河三角洲表现出一种独特和复杂的沉积环境。在一个非常短的时自j 内，非 常大量的沉积物沉积在一个比较小的一次又一次被风和海洋状况猛烈冲击的区 域内。大规模的侵蚀和海底沉积物的再悬浮每年都要发生；因此，海底地形和沉 积物的特征经常要改变，但在相同的时问内这罩的沉积物可能取得比它们在别的 地方可能具有的更大的均质性。三角洲沉积物受到来源于黄河流出的大量悬浮沉 积物和水形成的水下重力流( 潜流) ，以及归因于快速的沉积加载引起的超孔隙 水压力和液化作用不断的影响。 沉积物结构：发现砂粒的物质集中在研究区的两个地方。在紧靠河口处采集 的表层样品中含有7 4 以上的细砂。这些砂是快速沉积的，并且没有发现离开 三角洲前缘进入渤海的趋势。这种三角洲沉积物一般含有小于1 的砂。不仅到 达三角洲前缘的砂极少，而且还发现极少砂的通道也被在那里相当大量集中的粉 砂和粘土物质覆盖。移动到三角洲以外，向渤海中央部分砂粒级的含量丌始稍有 增加，在那里通过渤海海峡的较强的海流使较细的物质分选出来，留下较粗颗粒 的剩余物。这些剩余物被认为是出现在渤海这一部分还在不断的被强大的潮流改 造的残余沉积。 在三角洲前缘上，发现粉砂含量稍微大于粘土的含量，在三角洲以外地区， 发现粘土粒级的物质稍微较高的富集。在渤海中粉砂和粘土物质的比例，除局部 贯f 1 f 三角洲海堤堤前十体侵蚀研究 受海流情况影响的地区外，在大部分地区到处都比较均。在河口东北大约3 0 k i n 的地方，粉砂含量较高的地带和粘土大小的物质含量较低的地带的出现被认为是 反映了这个地区海流的特点。黄河入海口的北侧有一个向西流动的海流，到黄河 入海口的南侧却有一个向东移动的海流。在这个沉积区附近，无潮点与其伴生的 潮流分支的存在可能是造成在这个特殊地区中，所见到的这种沉积模式的原因。 沿着研究区的东北边界粉砂和粘土大小的物质全部减少反映了这个地区经常达 到1 5 0 c m s 速度的潮流的影响。 表层沉积物中值粒径的分布规律清楚的反映了这个地区海流状况影响的结 果。非常细到中等颗粒大小的粉砂构成了三角洲前缘和大部分地区的表层沉积。 比较细的沉积物，例如，粗粘土和中粘土到三角洲的北部才发现，反映了那罩总 的环流模式。 当沉积物羽状流从河口向东南移动时，细小的微粒被带到渤海中去，在那罩 它们遇到西北方向的潮流，最终沉积到三角洲的北部，这些细粒物质被赶到一个 宽阔的类似漩涡的流场中，这个地区也接受了相当数量的老三角洲沉积北部边缘 侵蚀和再改造提供的粘土粒级的物质。 三角洲本部东南比较粗的沉积物( 粗粉砂) 被认为是反映了从河口湾向南和 向东南最初的沉积物搬运。当较细的物质留在悬浮液中并被带往西北的同时，大 量的粉砂粒级在那里沉积下来。在研究区的北部中央部分看到的极细砂被认 为是通过渤海海峡进入渤海的强大海流以及从远处到达渤海的细粒物质整个缺 少造成的。黄河对渤海沉积的状况有较大的影响这是很明显的，但考虑到它带到 渤海中的物质的体积，这种影响比可能预料到的情况小的多。由于很高的粉砂含 量和快速沉积速率与向南和向西南方向的强风和强浪的优势一起使黄河的巨量 沉积物输出几乎都被局限到渤海的南部边缘，尤其是局限在最靠近这条河流的附 近地区。 含水量：在整个研究区内2 0 0 c m 以上沉积物柱状样中，含水量变化非常小， 一般由干土重的5 0 变化到7 0 。在这个地区中含水量和结构性质之问的对应关 系是特别好的。粘粒含量比较高者含水量也比较高，砂和粉砂粒级含量比较高者， 含水量比较低。 湿容重：整个渤海南部各个柱状样的平均湿容重分布比较均一。并且象含水 4 虽 i l f 二角洲t 竹埕堤前十体侵蚀研究 量一样，与沉积物的结构之间有很好的对应关系。在粉砂粒级特别商的地区，沉 积物的湿容重大约为1 7 0 m g m 3 。这个数值为三角洲前缘上部地区所共有在三 角洲前缘的外部地区，由于粉砂的含量比粘土粒级含量低，其湿容重经常出现 1 6 0 1 6 5 m g m 3 在研究区的东北部极细砂占优势，湿容重很高。 抗剪强度：就区域性的意义来说，沉积物抗剪强度向海增大，三角洲沉积的 粉砂和粘土质粉砂的特点在予其抗剪强度值比较低( 小于4 k p a ) 。颗粒大小或结 构在这晕可能不是仅有的确定因素。快速的沉积作用，与较高的孔隙含水量和超 孔隙压力一道在三角洲沉积物中的结合确实证明这些沉积物的抗剪强度低。在三 角洲的最上部这种情况更明显，在那罩大部分地区覆盖着没有抗剪强度的浮泥。 三角洲往外抗剪强度较高反映出沉积速率较低，物质比较细，孔隙压力比较正常。 塑性特征：虽然黄河三角洲前缘有机物含量比较低，并且主要只是在粘土和 粉砂粒级的数量中显示其变化。但这些沉积物的塑性有差别。用卡萨格兰德分类， 三角洲前缘以粘土质粉砂为主，其塑性较高。这可能被认为是反常的现象。但是 如果注意到渤海沉积物砂的含量稍为偏高的趋势就能够说明为什么塑性会比较 低。象通常在海洋沉积物中所见到的那样，这个研究区沉积物也出现含水量高于 它们各自的液限的情况。 物理性质的垂向变化：由于受过去沉积斜坡不稳定性和海底块体运动的影 响，在三角洲前缘沉积中，沉积物性质的局部变化是相当明显的。p r i o r 等人 已经指出滑塌、滑动、沉积物塌陷、粉砂流以及水下重力流及其伴生的冲刷是三 角洲前缘最常发生的作用。从三角洲前缘的上部到三角洲的下部地区这些作用发 生的次数有增加的趋势。这可能反映扰动前沉积物已经达到的稳定程度。在一些 最上部的沉积物甚至可以划归流动的软泥，而不会显示出在三角洲前缘远端所发 现的扰动特点。2m 以上的渤海沉积物的扰动和再改造是比较普遍的，并不局限 在三角洲的前缘。渤海的强风暴和水深较浅的自然条件，导致了渤海沉积物显著 的再悬浮和再改造。其结果是导致细粒沉积物的向外簸选和沉积物柱状样的均质 化广泛的进行过程。 1 2 2 黄河三角洲侵蚀研究现状 近年来，出于黄河长期小流和断流，沉积物供应不足，使整个黄河三角洲侵 竹j l i 三旭洲海埕堤前。卜休侵蚀研究 蚀加剧，在现行的河口区，水下底坡经常受到冲刷，根据卫星遥感资料分析，现 代河口2 0 0 4 年比1 9 9 8 年后退3 - s k m 。保障胜利油暖正常原油生产的海岸防护工 程海堤更是受到严重影响，在暴风浪作用下，多次发生失稳毁堤事故，影响 正常安全生产。 黄世光1 2 】在比较和分析历史海图的基础上，定量研究了近代黄河三角渊海域 泥沙的冲淤变化，1 8 5 5 1 9 8 4 年黄河入海泥沙淤积量是4 0 3x1 0 i n n ，淤积在1 9 8 4 年岸线以内陆地部分泥沙量是2 9 3 x1 0 “m ，占7 2 7 ，淤积在5 m 等深线以内的 泥沙量是8 5 xl o w ，占2 1 1 ，淤积在1 9 8 4 年5 m 等深线以内的泥沙量是3 7 8 l o m ，占9 3 8 ，即黄河入海泥沙基本上淤积在1 9 8 4 年5 m 等深线以内的区 域中。 黄河三角洲废弃后，近代黄河三角洲陆上和海域不同水深范围内，入海泥沙 存在着剧烈的冲淤变化，其特点是，受不同时期流路变迁的影响，淤积区和冲刷 区相互转化，淤中有冲，冲中有淤。刁口流路海域尤为明显，行水时的海域，以 淤积为主，其规律是近岸海域快速淤积，运岸海域则是明显冲刷。停水初期以冲 刷为主，突出的沙嘴和海域淤积最厚的区域尤为剧烈。其规律是近岸海域冲刷， 远岸海域则是淤积。随着时问的推移，冲刷强度明显减缓，一定时问后，呈缓慢 淤进的特点，主要是上冲下淤。其它有些海区停水后。仅局部是冲刷，主要是淤 。积，上冲下淤和此冲彼淤兼而有之。黄河入海泥沙受改道的控制，在三角洲整个 扇面上淤积造陆，不断向海推进，主要淤进方向是北东向。李广雪【6 1 研究了埕岛 地区近年海底冲淤规律。埕岛海域按冲刷速率、剖面坡度及其与季节变化的关系 可分为快速冲刷阶段( 1 9 7 6 1 9 8 0 ) 、缓慢冲刷阶段( 1 9 8 1 1 9 9 2 ) 、以冲刷为主的冲 淤调整阶段( 1 9 9 2 年至今) 。海岸带的后期冲刷改造受季节性影响也比较明显， 魔洪友、李广雪7 】做了水深预测。孙效功1 8 9 1 对清水沟河口海域泥沙进行了定量计 算并探讨了规律。黄河口海域的泥沙冲淤主要是围绕着新老黄河口进行的。清水 沟流路口门外是该海域最强烈的淤积区，而老黄河1 2 1 钓东大嘴口门外则是该海域 最强烈的冲刷区。李福林l j l 1 2 1 研究了黄河三角洲海岸线整体变化，认为行河岸段， 海岸线迅速向前淤进，非行河岸段岸线后退。刘勇和李广雪等【1 3 】对黄河废弃三 角洲海底冲淤演变规律进行了研究，认为废弃三角洲海底由浅水区向深水区冲淤 组合呈带状分布。 6 鲍 i f 二三f j 洲j 吩堤堤前十休侵蚀研究 周永青1 1 4 j 研究了黄河三角洲北部海岸水下岸坡蚀退过程及主要特征，把现 代黄河三角洲海岸分为淤进型海岸、蚀退型海岸和相对稳定型海岸。又把蚀退型 海岸分为强蚀退型海岸和弱蚀退型海岸。强蚀退型海岸，一般自河道废弃开始， 河口附近海岸开始进入侵蚀状态( 此阶段一般持续3 0 年左右) ，如1 9 7 6 年停止行 水的刁口河流路的河口附近海岸，经过强侵蚀期后，海岸在地形地貌结构上均发 生重大调整，蚀退速率明显降低，进入侵蚀作用减弱的阶段，水下岸坡在强侵蚀 阶段存在着准平衡带。任于灿等 1 5 1 研究了废弃黄河三角洲的地貌特征及演化， 认为废弃的黄河河口沙嘴，废弃5 0 年后仍处于侵蚀状态，河口附近海域3 0 一4 0 年后己无明显侵蚀。李广雪等1 1 6 瞧出现代黄河三角洲海岸动态演化规律为：进积 型一强进蚀型一强进蚀后期型一弱进蚀型一稳定型。成国栋f 1 7 1 也提出蚀退作用 初期强，后期弱，逐渐趋于稳定。研究表明：蚀退主要发生在废弃后5 年之内， 然后就转入弱蚀退期。 图卜i 强冲蚀滩面的数条冲蚀带及前缘陡坎 刘曙光、李从先等m i 和李希宁、刘曙光等1 9 1 对黄河三角洲整体冲淤平衡及其 地质意义进行了研究，认为当来沙量为2 4 5 亿t a 时，三角洲面积整体趋于不 冲不淤的平衡状态。孙效功、杨作升【9 1 利用输沙量预测现代黄河三角洲的面积 黄m 三角洲街埕堤前十体侵蚀研究 图i - 2 中冲蚀滩面的滩斑 图卜2 弱冲蚀滩面的贝壳滩 增长。陈界仁等对黄河河口三角洲的演变进行了模拟。李谊纯和孙效功等【”】 对黄河三角洲洪、枯季泥沙冲淤进行了数值模拟，探讨了冲淤变化规律。师长兴 等【2 i 】在黄河口泥沙淤积估算中，得到沉积物干容重的计算模型，计算了黄河口 钓口河流路时期亚三角洲不同时期的沉积量。李福林和姜明星【”】对黄河清水沟 流路河口三角洲增长面积进行了预测。吴世迎【2 2 】对黄河三角洲五号桩海区泥沙 冲淤变化进行了初步研究。前人从各个角度对黄河三角洲冲淤演变规律进行了研 黄i , , i - - - 角洲海堤堤前十体侵蚀研究 究，并对未来的变化进行了预测。 1 3 海堤稳定性研究 有许多学者对海堤、防波堤等防潮体系工程的稳定性做了大量的研究海堤的 整稳定按照失稳的不同原因可以分为：渗流失稳、动力失稳和滑动失稳，。 南京水利科学研究院的毛昶熙2 8 1 等采用有限单元法，按照非稳定渗流过程结 合滑坡计算寻找最危险滑弧的安全系数。除单一圆弧滑动外，还计算比较了复合 圆弧滑动。通过分析，他认为：波峰与波谷对海堤内部渗流分布影响较大，尤其 在护坡和过渡层内，堤身淤泥质粘土内的渗流分布也有变化，但其渗流自由面位 胃变化不大。波谷时护坡中水体尚未散尽，浮托力较大。 动力稳定性探讨的就是在地震荷载、波浪荷载等动力荷载作用下的稳定问 题。何广讷i l 认为，基于地基中振动孔隙水压力增长程度的能量法分析，可较 方便的探讨海洋建筑物地基整体动力稳定性问题。 实际上地基的动力稳定性，不仅与振动荷载强度有关，而且还与荷载历程有 关。即使是相同的振动荷载水平，随着荷载历时的增长则将导致地基稳定性的降 低。 王卫标1 等在研究软土地基上海堤稳定性分析方法的基础上，对强潮河口海 堤引入堤前滩地高程作为基本随机变量，并进行整体稳定性研究。得到了可靠指 标和失效概率，对影响海堤整体稳定的因素进行了敏感性分析，指出堤自口滩地商 程在海堤整体稳定可靠度分析中的重要作用；陈善民等通过对软基士工布加筋海 堤的抗滑稳定作了分析，提出利用土工布加固堤坝的弹性薄膜理论进行有限差分 计算，认为土工布与土界面摩阻力比土工布的拉力对海堤抗滑稳定安全系数的提 高作用更大：张f 1 向p ”等对加筋软土海堤的整体稳定分析后认为，软土海堤加 竹筋土工和确实起到了加筋加固的作用。同时他还提出了旋转式复合滑动和相应 的稳定计算方法。 现在很多海堤修建都采用了现浇或预制混凝土板护坡，高六增、王尊研究认 为，此种方式应用于海堤防护工程中，具有施工速度快、节省投资、防护效果好 等优点，这己经成为一种新的修建趋势。因此对海堤稳定性研究将逐渐向内部土 体的稳定性问题转变。由于黄河口粉土沉积环境、组成成分及天然固结状态等条 黄j i 二三角洲海堤堤前十体侵蚀研究 件的不同，使其工程特性、物理状态呈现出较强的特殊性。海床土经受巨大自重、 小幅度波浪的长期作用和暴风巨浪或地震等荷载的瞬间作用，同时与上部结构相 互作用，所有这些都使得海床或海洋建筑物地基处于复杂的应力状态，不同于陆 地上建筑物地基或场地条件。主要有以下几个方面： 1 波浪的周期性运动在海床表面产生了往复的振动荷载，在这种循环荷载 作用下，海洋地基或海床土体内的有效应力场和超静孔压场都随着时间和空问位 置而变化。因此在波浪荷载的一个循环过程中，海床中土体的主应力轴发生了连 续不断的旋转。主应力轴旋转使得海床的累积变形。孔隙水压力增长特性及抗液 化强度发生了显著变化。 2 波浪作用下，海床中超静孔隙水压力一方面在交替循环变化，另一方面 将随着波浪的循环作用而逐渐上升与积累，海床中超静孔压的变化与累积上升、 乃至液化破坏是由循环的表面波压力所致，海床土体的循环压密与液化可能交替 进行 3 波浪荷载对海岸建筑物的地基的作用可分为两种：一是波浪引起的循环 波压力直接作用于海床上所引起的自由场响应：另一种是波浪力通过海岸建筑物 传递到海床地基土体中，从而构成了复杂的“波浪一结构地基”多相介质藕合体 系的相互作用。此时波浪不仅直接产生海床表面的波浪压力，而且通过作用在构 筑物承受的波浪力间接的影响下覆地基的稳定性。因此波浪作用下的海堤稳定性 问题应该合理考虑“结构一地基”与波浪的相互作用效应。 1 4 海堤稳定性研究现状 侵蚀作用导致海堤坡脚土体被带走，引起海堤的倾覆。尤其是在黄河三角洲 区域，由于沉积量大，泥沙运动活跃，泥质岸滩冲淤变化快而不稳定，导致岸滩蚀 退非常严重，堤外岸滩不断地被冲蚀形成水下岸坡并在大堤根部形成与大堤平行 的侵蚀沟槽。强烈的侵蚀常使海堤基部被淘空，当风暴潮袭击时，会造成堤坝的失 稳。 不同波态作用下堤前海床可能发生不同类型的冲刷，对于规则立波情况下堤 莳海床冲刷，研究工作丌展得比较早，研究成果包括冲淤形态、冲淤机理、冲淤 形态的判别标准，堤前冲刷坑的预报、防护措施及冲淤模型律等。规则破碎波作 0 黄河三角洲海堤堤前十体侵蚀研究 用下堤前海床冲刷较之规则立波引起的堤前海床冲刷更为严重，其研究工作开展 相对较晚，但仍取得了较为系统的研究成果，包括冲淤形态、冲淤机理、冲淤形 态的判别标准、堤前冲刷坑的预报及防护措施等。因实际海浪是随机的，故研 究不规则波作用下堤前海床冲淤将更具实际意义。不规则立波情况下堤前海床冲 淤的研究开始于1 9 8 1 年，x i e 3 9 1 基于二组不规则立波作用下堤前海床冲淤试验 结，与规则立波堤前冲淤相比较，并从波浪谱分析入手，提出了等效波高的概念； o u m e r a c i 在x i e ”】的试验数据基础上，从波能量观点从分析了不规则立波和规 则立波作用下堤前海床冲淤的差别；薛晓春对不规则立波作用下堤前海床冲淤进 行了试验，从能普及反射系数的角度研究了冲刷坑的位置；i s a oi r i e 等对不规 则立波与规则立波作用下堤前海床冲淤进行了比较研究；高学平 3 s l 通过水槽试 验，研究了不规则破碎波作用下不同水深、不同波谱、不同粒径和不同海床坡度 情况下堤前沙质海床的冲淤形态，按照波作用和泥沙粒径的相对关系，将其分为 5 种类型，分析了各种冲淤形态的形成过程总结和比较了不同波浪作用引起的 堤前海床冲淤形态之间的异同，从入射波组成的角度，揭示了不规则破碎波作用 下堤前海床冲淤形态与立波及规则破碎波作用下冲淤形态的关系。 海堤地基土体液化破坏的发生同样会引起海堤的失稳。对于海床土液化，国 内外许多学者进行了大量的系统地研究。从以前学者关于波浪作用下海床液化的 研究来看“】，根据超孔隙水压力产生的方式可将波浪导致海床液化的机理分成 两类：一类是类似于地震作用下的液化即是由于循环剪应力所产生的超孔隙水 压力的残余性和渐进性所导致的液化：c l a u s e n ，l e e 测量了这类的超孔隙水压 力；u m c h a r a 等做了模型实验来调查一个分层地基上破坏的防波堤海床液化问 题；z e n 5 0 - 5 2 1 等通过分析破坏的防波堤，指出了防波堤海床发生液化的可能性； 另一类是由于海床中孔隙水压力的空间差异所产生的超孔隙水压力的变动性和 瞬时性所导致的液化；i n o u e 、n a g o 、z e n 等的模型实验以及o k u r l s a 等，m a e n o 和h a s e g a w a 的现场观测，均表明波浪应力向海床中传播时有阻尼和相位滞后； z e n 详细研究了这类渡化的机理，认为波浪力在向海床传播的过程中，阻尼和相 位滞后所引起的孔隙水压力的分布正是波浪作用下海床发生液化的原因，并通过 模型实验和现场现观测验证了其理沦的正确性。 黄j i l i 三角洲海堤堤前十体侵蚀研究 1 5 本文思路及研究工作 侵蚀是土体颗粒被水流带走的过程，参与这一过程的两种物质为水和土，本 文以东营港附近海堤为研究对象，在较小的空问尺度上更加精确地研究了海堤前 区域内的冲淤状念，并分别从以下两方面：1 带走土颗粒的水体2 被水带走 的土体，为切入点探讨了现代黄河三角洲海堤堤前土体侵蚀的过程特点和机理以 及对海堤稳定性的影响。侵蚀和液化均是海床土的对波浪作用的响应，以往的学 者往往把它们分割开来单独研究，在研究海堤地基土侵蚀时忽略液化的影晌。实 际上，在自然状态下侵蚀和液化是同时发生的，土体液化后，有效应力为零，土 颗粒处于悬浮状态，颗粒问作用力大为减小，不但表现为强度的降低还使得土体 更容易地被水流所带走，使侵蚀更为严重，这即是本文创新之处。 黄河二角洲海堤堤前十体侵蚀研究 2 研究区域概况 2 1 黄河三角洲演化历史及范围 据建国前两千余年间的史料记载，黄河水北到天津，南达江苏、安徽( 有时 波及淮河以南地区) 。因此，广义的三角洲以郑州为顶点，北白海河，南抵淮河， 包括分布于渤海与黄海沿岸众多冲积扇和大、小三角溯，总面约2 5 1 0 4 k m 2 ，是 一个复杂庞大的三角洲体系。该体系有河北、山东和苏北三个复式三角洲所组成， 其中河北和苏北两个复式三角洲由于形成历史久远，且经长期改造，其三角洲特 征不甚明显。 山东三角洲又是由古代、近代和现代的3 个三角洲组成的联合体。古代三角 洲以浦城为顶点，北起套尔河口，南达小清河口，陆上面积约7 2 0 0 k 群：近代三角 洲以宁海为顶点，西起套尔河，南界支脉沟口，陆上面积约5 4 0 0 k m 2 ：现代三角洲 以渔洼为顶点，西起挑河，南抵宋春荣沟口，陆上面积约3 0 0 0 k m z 。本文所论述 的黄河三角洲系指狭义黄河三角洲，特指1 8 5 5 年以来形成的以宁海为顶点的近 代三角洲。 本文所研究的对象是现代黄河三角洲，1 8 5 5 年6 月黄河在河南兰考县铜瓦 乡决口，注入渤海，在山东北部形成了现代黄河三角洲。现代黄河三角洲陆上部 分以垦利县宁海为顶点，南至淄脉沟，西至徒骇河( 图2 1 ) ，到目前已经行河1 4 9 年，除去1 9 3 8 1 9 4 6 年黄河改道注入黄海外，尚有1 4 0 余年在现代黄河三角洲行 河。至1 9 8 4 年，黄河形成的三角洲面积约5 2 1 2 k m 2 ，据2 0 0 1 年遥感图像计算得 现代三角! l i f 面积为5 6 8 2k m 2 。自1 8 5 5 年以来分流河道多次改道，每次在三角洲 顶点附近发生改道的分流河道系统称为该时期的流路，在流路活动期内，分流河 道每年都发生决口、摆动【4 1 ，但都是在三角洲顶点以下的或口门附近发生。在顶 点附近两次改道之间形成的堆积体，包括陆上三角洲和水下三角洲，称作三角洲 叶瓣，现代黄河三角洲是由多个这样的叶瓣体组成。1 8 5 5 年以来，现代黄河三 角洲共形成8 个叶瓣体( 图2 一1 ) ，1 9 7 6 年以前形成的7 个叶瓣，总计注入渤海 1 1 2 年，平均每个叶瓣活动期为1 6 年，与密西西比河三角洲叶瓣1 1 5 一1 7 5 年周 期【5 】比较其活动期是相当短的。 黄河三角洲海堤堤前十体侵蚀研究 图2 - 1 现代黄河三角洲流路的划分 3 8 o 矿 成国栋p j 依据分流河道演化活动期的三个阶段，划分出对应的三角洲叶瓣河 流沉积活动的三个阶段及其以后的改造阶段：第一阶段为分流改道初期，河水通 过决口漫流入海，随后形成频繁波动的短命分流河道，大量泥沙堆积在陆上三角 洲，是各个阶段中陆上泥沙堆积最多的阶段。