（环境工程专业论文）土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究.pdf

土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成研究 摘要 本论文以国家自然科学基金项目“生物活动导致黄河口潮滩沉积物非均匀性 研究”( 项目号：4 0 1 7 2 0 8 8 ) 为依托，旨在探讨黄河1 3 潮坪沉积物对波浪的动态 响应及在这种动态响应下微层的形成。关于微层的成因，有很多学者提出了自己 的观点，但是目前对这些观点并没有统一起来，但主要是从原生沉积的角度来研 究微型层序的成因，忽略了波浪、潮流等外荷载对沉积物的后期改造作用。黄河 口粉质土对波浪等循环荷载作用的动态响应，关系到海底工程地质环境的动态变 化及海洋地质灾害孕育发生。本文以室内和室外试验为依据，结合高密度电法试 验对黄河1 3 沉积物在循环荷载作用下固结过程中出现的分层情况进行了探索性 分析研究。首先总结了前人现场调查研究结果，发现在黄河三角洲潮滩上微层系 普遍存在；然后在黄河1 9 6 4 - - 1 9 7 6 年由刁口流路入海沉积形成的三角洲潮坪上 采集一个5 0 c m 原状样，在实验室进行粒度成分分析、体视显微镜观测，研究黄 河口潮滩沉积物中微层在粒度及厚度方面的特征，：在进行大量的现场测试工作 的同时，利用现场实验再现了波浪等循环荷载作用对黄河口快速沉积物的改造作 用：最后结合高密度电法试验探讨了循环荷载作用导致黄河口沉积物中微层形成 的机理。 通过对研究成果的分析，得到了如下一系列认识： ( 1 ) 现场调查研究表明了水动力对沉积物具有明显的改造作用：水动力导 致细粒物质上涌：表层淤泥平均粒径及分选性介于上述“细粒物质”和生物活动 产生的物质之间；淤泥的厚度与下伏沉积物强度有较好的对应关系。同时，一定 深度范围内沉积物的层化现象具有明显的几何分形性，带有后期改造的特征。 ( 2 ) 现场试验表明，原本均匀的沉积物在波浪等循环荷载作用下发生了分 化：在3 0 和7 0 厘米左右的深度出现了两个细粒微层，有效粒径、平均粒径较小， 从不均匀系数和曲率系数可以看出，此处土的级配较好，而其他各处的变化情况 与这两处相反。 ( 3 ) 室内的物理模拟过程进一步证明了细粒物质的运移及快速堆积的沉积物 在固结过程中的成层现象，得到了固结过程中土体破坏时形成的裂隙是微层后生 发育的重要条件。裂隙的存在为层理的形成提供了排水通道而细粒物质的迁移使 得渗流速度大的部位的细粒物质含量减少，平均粒径变大，不均匀系数减小，土 的级配变差；而渗流速度小的层位细粒物质聚集，土的平均粒度减小，不均匀系 数增大，土的级配变好。 ( 5 ) 电性监测结果揭示了黄河口潮坪沉积物的分层特性，并指出了细粒物 质的迁移途径，从而从机理上解释了微层的形成。 通过本次研究，论文得出了一些创新性的认识如海床土的空问各向异性 包括深度方向的微细层理，可能是原生沉积作用所致，也可能是后期改造形成， 亦或两者综合作用的结果：在循环荷载作用下沉积物成分和结构随时问发生变 化，不同深度的变化情况不同，主要集中在超孔隙水压力极值区以上部位；分层 变化主要发生在循环荷载作用的初始阶段，对应孔隙水压力上升期。 关键词：黄河三角洲粉质土微层裂隙分化动态响应 h t r a n s p o r to ft h es e d i m e n ta n d f o r mo fm i c r o s e q u e n c ec a u s e db y t h er e s p o n s eo fs i l tt ow a v e 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 d e n c e f o u n d a t i o np r o j e c th e t e r o g e n e i t yc a u s e db yt h eb i o l o g i c a la e d v i t yo nt h es u b a q u o o u s d e l t ao f y e l l o wr i v e r , a n di t sa i mi st os t u d yt h ed y n a m i cr e s l n g eo fs e d i m e n tt ot h e w a v ea n dt h ef o r m a t i o no ft h em i c r o s e q u e n c 圮a b o u tt h ef o r m a t i o no ft h e m i c r o s e q u e n c 2 , al o to fs c h o l a r sh a v ep u tf o r w a r dt h e i ro w nv i e w , b u tt h e yh a v en o t u n i t e dt h e s ev i e w sa tp r e s e n t b u tm a i n l yo f i g ；i i lc a n s eo ff o r m a t i o nt os t u d yt h e m i c r o s c q u e n c ee n m e s i nt e r mo fg r o w i n ga n dd e p o s i t t i n go r i g i n a l l y , b u tn 嘲e c t st h e m o d i f i c a t i o no ft h ew a v ea n dt r e n dt ot h es e d i m e n t t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h e s e d i m e n tt ot h ew a v ei sr e l a t e dn e a r l yt ot h es e a b e d sg e o l o g ye n v i r o n m e n ta n dt h e g e s t a t i o no f t h eg e o l o g yd i s a s t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es p e c i f i c i t yo f d e l a m i n a t i o ni s a n a l y z e d0 1 1t h eb a s eo ff i e l da n di n d o o rt e s ta n dt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yt e s t f i r s to f a 1 1 t h ef o r m a lf i e l ds u r v e yd a t ai sg e n e r a l i z e da n dw ef i n do u tt h a tt h eg e n e r a l l ye x i s t o nt h eb e a c ho f y e l l o wr i v e rd e l t a w et o o kt h eu n d i s t u r b e dc o l u m n i a t i o ns a m p l eo f 0 5m e t e ro nt h eb e a c ha n dt h em i c r o s t r u c t u r eh a sb e e no b s e r v e dw i t hs e ma n dt h e t r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a n u l a r i t yh a v eb e e nc o n t r a s t e dc o n t i n u o u s l y ；, w h i l eg o i n go nal a r g en u m b e ro fo n t h e - s p o tt e s tj o b s 。t h es e d i m e n t se v o l v ei s s 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 nl a b o r a t o r y a tl a s t , t h ed e 虻c ( r i c a lr e s i s t i v i t y w a sc o m b i n e di no r d e rt oo p e no u tt h em e c h a n i s mo f t h em i c r o s c q u e n c e s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h es t u d yr e s u l t s ，as e r i e so f c o n c l u s i o nc a nb e e d u c e d ： ( 1 ) f i e l ds u r v e yr e s u l t si n d i c a t et h a th y d r o d y n a m i c sh a v ea l le f f e c t i v er e b u i l d i n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e ro fs e d i m e n t , s m a l lg r a n u l a rs u r g eu pf o rt h es a k eo f h y d r o d y n a m i c s ；1 1 艟a v e r a g eg r a i no ft h es u l l a g eo ft h es u r f a c el a y e ri sa m o n gt h e s m a l lg r a i no ft h ef r o n tm e n t i o na n dt h em a t t e rd u et ob i o l o g ya c t i v e ；t h i c k n e s so f s u l l a g ei sr e l a t e dn e a r l yt ot h es t r e n g t ho ft h em u d ；a tt h es a m et i m e ，t h el a y e r p h e n o m e n o nh a sad i s t i n c t i v ec h a r a c t e rw i t ha l a t e rf o r m a t i o nc h a r a c t e r i ( 2 ) t h eo n - t h e - s p o tt e s ts h o w e dt h a t , a t t e rt h ep e r i o d i cl o a dt h es o i lt u r n e d0 1 1 p o l a r i z a t i o ni nt h ed e p t ho fa b o u t3 0a n d7 0c e n t i m e t e r s i e r et h ee f f e c t i v ea n dt h e a v e r a g ed i a m e t e ro ft h eg r a i n sw e f es m a l l e r , a n dt h ec h a n g ei no t h e rp l a c e sw a s c o n t r a r yt ot h e s et w op l a c 璐 ( 3 ) l a b o r a t o r yp h y s i c ss i m u l a t i o nt e s tp r o v et h ep h e n o m e n o no fs m a l lg r a n u l a r i nt l a es e a b e dt r a n s p o r t a t i o na n dt h ef o r m a t i o no fl a y e rd u r i n gt h ec o n c r e t i o no f s e d i m e n tf o r m e df l e e t l ya n dc u m u l a t e d t h ee x i s t e n c eo ft h ec r a c kh a so f f e r e dt h e c h a n n e l sf o rf o r m i n go fb e d ( 1 i n ga n dd r a i n e do f fw a t e rb u tt h ec o n t e n to f p a r t i e u l a t e m a t e r i a lo fp o s i t i o nt h a tt h em i g r a t i o no ft h ep a r t i c u l a t em a t e r i a lm a k e st h ei n f l u e n t b i gi ns p e e , lr e d u c e , a v e r a g eo n eb l o m c l sg r i td i r e c t l y ，e v 舶c o c f l i e i e n ti sr e d u c e d , 霉a 妣o ft h es o i li sw o r t h yo tb e e o m i n gb a d ；t h el a y e r so fp a r t i c u l a t em a t e r i a l si n l o c a t i o no fa n dt h ei n f l u e n tw i t hl i t t l et e m p o 黜g a t h e r e d ，t h ea v e r a g eg r a i ns i z eo f t h es o i li sr e d u c e d , e 嘲e o e f l i e i e n ti n e r e n s e s a n dg r 猢l co ft h es o i li s w o r t h yo f b e c o m i n g w e l l ( 4 ) 1 h ce l e c t r i c i t ym o n i t o r i n gr e s u l th a sa n n o u n c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e d i m e n to ft h ey e l l o wr i v e re s t u a r y , a n dt h em i g r a t i o nr o u t eo ft h ep a r t i c u l a t e m a t e r i a l , t h u se x p l a i n e dt h em i e r o s e q u e n e ef o r m i n gf r o mm e c h a n i s m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o l n en c wp o i n t s 躺g o t f o re x a m p l c , t h es p a c ea n i s o t r o p y o fs o i li ns e a b e di n c l u d i n gm i n u t e n e s sl a y e r , 蛳c a u s e de i t h e rb yo r i g i n a ls e d i m e n t p r o c e s so l rb yl a t e ra l t e r n a t i o n , o rb o t l io f t h e m 1 1 坞m p o n c n ta n dm i e r o s t t u e t u r co f s e d i m e n t a l o n gd e p t h w i l l c h a n g eu n d e rc y c l i cl o a d , w i t hm o s t l yv a r i a t i o n c o n c e n t r a t e da b o v et h ee x t l c , m l t l mz o n eo fc x c e 8 5p o r ew a t e r p r e 爱q u r e t h es t r a t i f i e d c h a n g e sm a i n l yh a p p e ni nt h ei n i t i a ls t a g eo fv i b r a t i o n , e o r r e 翻o o n d i n gt op o r ew a t e r p r e s s u r e sr i s i n gs t a g e t h ee l e c t r i e i t ym o n i t o r i n gr e s u l th a sr e f l e c t e dt h a tar e l a t i v e l y s t a b l es o i ll a y e re x i s t si nt h ep o w d e rs o i ll a y 玎i nv i b r a t i o nm e c h a n i s m ；t h ef o r mo f t h ew a sb a s e do i lt h em i g r a t i o no f t h ep a r t i c u l a t em a t e r i a l k e y w o r d s ：y e l l o wr i v e rd e l t a , s i l t ys o i l , m i c r o s e q u c n e , c r a c k , d i v i s i o n , d y n a m i c r e s l ) 0 n s e 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f 洼；翅退直甚他 盖垩挂星壹明曲：奎拦亘窒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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：、踟拓签字日期：7 川年6 , q o 日 | 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( 如中国科学技术信息研究所等) 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) 学位论文作者签名：7 零盈象 导师签字： 签字r 期2 。年月铂 辩嗍婶月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址：邮编 吵 岛 土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 0 前言 本论文是在国家自然科学基金项目“生物活动导致黄河口沉积物固结非均匀 化研究”( 基金号4 0 4 7 2 1 3 7 ) 和“黄河口水下斜坡硬壳形成与破坏”( 基金号 4 0 1 7 2 0 8 8 ) 的资助下完成的。首先感谢我的导师提供了这一论文选题和对研究工 作的全面指导。 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、纹层组，层，层组及沉积层序等几种类型。对于潮滩沉积物中的砂泥互层 现象，近些年来研究者们给予了很大的关注，并取得了一系列的研究成果。在这 些研究成果中，对砂泥互层的形成的认识主要是认为它们与潮汐循环、风暴作用、 j 发浪作用有关。但是对于砂泥互层的成因，没有形成一种统一的认识，但主要是 从原生沉积的角度来研究微型层序的成因，忽略了波浪、潮流等外荷载对沉积物 的后期改造作用。本课题将黄河口作为天然的实验室，在一个较小的尺度空间 上，通过现场实测和室内试验，通过黄河口快速沉积物固结过程、在波浪和潮波 作用下固结非均匀过程研究，揭示了现代黄河三角洲沉积物层理构造特征及其成 因，并讨论了黄河三角洲沉积物动力响应所遵循的机理。 本文的部分研究工作已被岩石力学与工程学报收录发表。由于黄河三角 洲沉积物特殊的土工性质，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。 土体对波浪响应导致的沉积物运移与徽层形成实验研究 i 研究意义 i i 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 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，微型层序，在层组中划分出了小型层序【2 】，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 短纹层。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，租、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，糨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 2 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。 2 士体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 ( 1 ) 砂泥互层是一次涨落潮作用形成的。 范代读等【3 】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 c c , k 4 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”；黄西和等嘲发现，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；李判6 1 对浙江象山大目涂淤泥质潮滩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 7 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v a n g t s i a h o e 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 t y m p l e l 9 1 等通过对加拿大f u n d y 湾的c o b c q u i d 湾沉积物的研 究发现，s a l m o n 河口大潮差混合滩与泥潍上，砂泥互层形成于一次潮汐的涨、 落潮；w i l l i a m s 【1 0 1 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【l i 】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【1 2 】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 的傅立时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r 不等潮差变化。 ( 2 ) 砂泥互层是大小潮旋回形成的 任美锷【1 3 4 】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 邪虚生等【嘲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 十体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 理，即厚粉砂层覆盖在粉砂一粉砂质泥的水平纹理层之上，两者之问常有侵蚀面， 认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【1 6 l 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【1 7 - 1 8 1 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【1 9 - 2 0 l 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1 2 i 】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 0 , 6 ，9 0 将被改造 掉。2 0 0 0 年，范代读，李从先1 2 2 l 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 3 本文的研究思路和内容 1 3 1 研究思路 综观前人关于纹层的认识及成因的探讨均是基于传统的沉积学理论，纹层的 出现是由于外来物质在不断变化的水动力条件下，由于物质运移能量的改变而沉 积的。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荷载及波浪作用下，一系列特殊现 象的观察与认识，作者认为水动力对沉积物长期的后期改造作用中，沉积物所发 4 土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 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。已有的海床沉积物中细粒物质是如何迁移的，这种迁移与微层的形成有着什 么样的关系，目前的研究尚不清楚。 1 3 2 研究内容 本文以室内和室外试验为依据，分析了黄河口潮滩沉积物层理构造的特征，并 用高密度电阻率法从海床动力响应的角度机理上分析了其成因。首先选择典型研 究区域进行现场调查研究，发现水动力对沉积物特征后期改造的普遍性，提出淤 泥和微细层理后生成因的可能性；在现场将均匀的沉积物回填到试验坑中，经历 一定的时间后，来观测其在强度和粒度方面所出现的分层现象；利用现场振动模 拟循环荷载，研究了l 米深度范围内海床沉积物土体中电阻率值和孔压值的变化 规律，通过分析动态监测的电阻率和孔压变化规律揭示了黄河口原状粉土层状态 演化、破坏过程，为确定土体的动力响应特征和土体破坏失稳机理提供了实测依 据；在黄河口潮潍上开挖了四个试验坑，将其边界条件设为不同，研究边界条件 不同的情况下水动力对沉积物的改造。 研究了循环荷载作用下海床土工程地质环境的动态变化，结合不同深度微结 构的变异情况探讨了三角洲地区广泛发育的硬壳层特征和成因机理；在进行大量 的现场测试工作的同时，利用室内实验再现了循环荷载作用对黄河口原始的快速 沉积物粒度成分和物理力学性质的改造；最后探讨了循环荷载作用导致黄河口沉 积物粒度成分和微结构变化的机理。 土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 2 黄河口工程地质概况及水动力特征 2 1 黄河口工程地质特性的一般概况 2 1 1 黄河三角洲沉积概况 黄河三角洲是我国乃至世界上大河三角洲中海陆变迁最活跃的地区，特别是 黄河口区造陆速率之快，尾间河道迁徙之频繁更为世所少有。其原因在于黄河是 世界上含沙量最高的河流，而黄河口又是典型的弱潮河口，极高含沙径流和弱潮 的共同作用，使黄河口成为一个独特的河口，也使黄河三角洲具备了许多不同于 其它三角洲的特性i 瑚。 全新世以来，黄河下游河道几经变迁，形成了不同时期的三角溯体，随着时 间的推移，这些地质体又经历了长期改造，从而形成了一套相互交替、多层次结 构和有特殊沉积规律的黄河三角洲复合体【2 4 】 黄河每年由黄土高原携带约1 0 5 亿吨泥沙输入河口地区，大约2 3 运送到三 角洲的滨海地带，1 3 运到内海，巨量的泥沙致使尾闾遵循“淤积延伸抬高 摆动一改道”的演变规律，流路的演化呈现周期性的小循环。每次小循环后， 在原流路经过之处，堆积起一条河道高地和河口沙坝，下条流路就在其两侧的 洼地内发展，当尾间横扫整个三角洲一遍时，就完成了一次大循环。自1 8 5 5 年 黄河在河南铜瓦厢决口，夺大清河道从利津铁门关以北注入渤海以来，尾阊决口， 改道达5 0 余次，其中最大的变迁l o 次，已经过了两次大循环。第一次大循环造 就了近代三角洲，第二次大循环始于1 9 3 4 年，造就了现代三角洲【2 研。 海岸三角洲是河海相互作用黄河泥沙沉积的结果，是以陆源碎屑沉积物为主 形成的堆积体，平面上看它包括陆上三角洲平原和水下三角洲平原，陆上平原主 要是河道经常改道或迁移的顶点岛海岸之间出于河道迁移、决口泛滥等所沉积的 三角洲平坦地区，根据河海动力作用的程度，它又可分成上三角洲平原和下三角 溯平原、水上平原分布在近岸和内陆架浅海区，可分为三角洲前缘和前三角洲两 大沉积环境。前三角洲的前缘难以确定，但是它具备以下两个特点：( a ) 仍然是 以陆源为主的细粒级沉积物( 一般为粘土) ；( b ) 从河口到远海、沉积速率由快变 慢的外缘。三角洲呈剖面状，它一般都会形成一个堆积中心，其厚度向周围变薄。 6 土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 三角洲地层组合有很大的相似性，基本上符合g i l b e r t 模式早在1 8 8 4 年，g i l b e r t 研究湖泊三角洲地层的基础上，提出了三角洲三单元沉积地层结构。由下向上沉 积物由细变粗，下部是前三角洲细粒沉积层( 前三角洲相) ，上部是较粗的三角 洲前缘沉积，顶部是陆上三角洲平原沉积层。同期三角洲沉积层的厚度与盆地地 形有关，变化很大，主要特征是三角洲前缘沉积层呈透镜状。渤海水浅，环渤海 三角洲沉积地层一般较薄，如现代黄河三角洲不超过2 0 m 1 2 6 在黄河泥沙的淤伸和海水的蚀退的交互作用下，整个近代三角洲海岸线平均 同海推进0 1 6 公里，现代三角洲达0 2 3 公里。现行水流路河口岸线平均每年向 海推进1 8 k m ，河口已经形成一个鸟嘴状的亚三角洲，明显地突出于莱州湾中， 并在继续发展着嘲 现代黄河三角洲是以宁海为顶点，徒骇河口为西界，淄麦沟口为南界，与海 岸出成的扇形区域，面积约5 5 0 0 k i n 2 ，其中1 8 5 5 年后新淤出的面积约2 6 1 0 k m 2 。 顶点海拔8 m 左右，向海岸逐渐降低。三角洲由l o 个先后围绕不同时期的河口 河道发育的亚三角洲叠置而成，每个亚三角洲的形成时期延续约l o 年。由于河 口河道治理和来沙的现象明显减少，目前的河口清水沟已使用了有2 6 年。三角 洲所在的渤海是一个被陆地三面包围的陆架海，通过渤海海峡与黄海相通，平均 深度约1 8 m 。渤海构造上属于新生代沉降盆地，随着全新世冰后期海面不断上升， 于8 5 0 0 年前被海水淹没，之后在海洋环境下，接纳周围河流泥沙沉积【2 7 1 。 现代黄河水下三角洲是黄河1 8 5 5 年改道入渤海以来形成的三角洲堆积体。 黄河流域的水土流失，特别是黄土高原富含粉砂颗粒的物质构成了本区丰富的物 源。丰富的物源物质在入海口及附近海区海洋动力与河流径流的共同作用下，形 成突出的砂嘴及生长迅速的水下三角洲堆积体。水下三角洲是指陆上三角洲向水 下延伸部分，它从高潮线开始，外缘延伸至水深1 0 - 2 2 m 处，呈半环状围绕陆上 三角洲。现行河口拦门沙前沿较陡，向海逐渐变缓。总体坡降平均为1 1 5 0 0 。黄 河径流的巨大含沙量使行水河口的水下堆积体不断进积成陆，加之侧向决口，尾 阎摆动，使河口堆积体侧向成长成陆。黄河行水河口的频繁变换，在海岸线上形 成了一系列不同时期的水下三角洲堆积体，这也引起三角洲水下堆积体的主控水 动力因素频繁改变。在远离现行河口的老河口水下三角洲地区，水下三角洲的发 展几乎完全受控于海洋水动力条件，形成了对原三角洲的改造过程。 士体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 本文主要涉及研究区域刁口流路三角洲堆积体，形成于1 9 6 4 - 1 9 7 6 年1 9 6 4 年以前，本区东南角为陆地，西侧为向陆凹进的海湾形海区，基本处于冲淤平 衡状态。黄河行水神仙沟时，本区发生过一定程度的淤积。当1 9 6 4 年黄河改道 刁口流路入海后，随着黄河巨大的挟沙造陆作用。不断进积，短短1 2 年间形成 了厚度十几米、岸线外移1 5 k m 的黄河三角洲堆积体。由于陆地的迅速向海推进， 水下岸坡迅速变陡，海区潮流场发生弯折改变，并开始在水下底坡的较深区域形 成强潮流区，潮流速增大，对海底的侵蚀作用逐渐加强。在三角洲推进后期，由 于河口的不断向海推进，河流长度增加，水流坡降减小，造成局部河段淤积堵塞， 河道弯曲出汉，在河口横向上发育形成了一系列三角洲进积体，使三角洲进积体 侧向加宽【2 s 】。1 9 7 6 年以后，黄河行水清水沟，本流路由于缺失了大量泥沙的物 源支持，进积停止原有的沉积动力平衡条件被打破，开始了仅有海洋动力作用 的冲刷改造，再沉积过程。海洋动力对刁口流路水下三角洲底坡的改造，根据强 度大致分为以下三个阶段：1 9 7 6 - 1 9 8 0 年快速冲刷阶段；1 9 8 1 1 9 9 2 年缓慢冲刷 阶段；1 9 9 2 年至今基本达到冲淤平衡状态。 2 1 2 黄河口泥沙的沉积特点 黄河河口系弱潮多沙、演变激烈的堆积性河口，与其他入海河流一样，包括 河流近口段、三角洲和滨海区3 大部分。黄河河口区别于其他河口的突出特点有 二：其一是水少沙多、沙粗、洪枯悬殊、洪峰陡涨陡落。同时，各年际间的来水 来沙量差别也比较悬殊。黄河是世界上含砂量最多的一条河流，根据利津站所测 得的黄河的平均含砂量为2 4 5 k g m 3 ，密西西比河河口为lk g m 3 ，亚马孙河河口 为o 0 7k g m 3 。黄河三角溯是世界上最大和最新形成的三角洲之一。黄河每年输 沙约8 7 亿吨( 1 9 5 0 - 1 9 9 9 年) 填海造陆，不断地在扩大着三角洲的面积。据黄 河河务部门调查，自1 8 5 5 年黄河改由东营市境入海至1 9 8 5 年，黄河平均每年造 陆2 0 余平方公里。就最近的黄河改道而言，1 9 6 4 年黄河改道由钓口入海，至 1 9 7 6 年河口向海延伸出2 6 k m ；1 9 7 6 年5 月黄河人工改道清水沟流路入海至2 0 0 0 年，黄河口地区共造陆约3 3 0 平方公里，年均造陆1 3 8 平方公里。另根据河南 陕县站3 5 年各月平均输沙量统计，1 2 4 月的输沙量仅为全年的5 2 9 ，而7 1 0 月份占全年的7 9 7 由此可以看出，黄河口泥沙最显著的沉积特点就是速度快， 十体对波浪响应导致的沉积物遥移与微层形成实验研究 巨量的泥沙在几个月内狂卸入渤海 2 9 l 。 2 1 3 黄河口粉土沉积物矿物组成的特殊性 黄河泥沙9 0 以上来自黄河中游的黄土高原，其矿物组成具有鲜明的黄土的 特点。富含碳酸盐类矿物是黄河泥沙的一个显著特点，仅方解石含量约占轻矿物 的8 0 o , - - 1 0 ；片状矿物含量多是又一重要特征，云母含量约占重矿物的一半以上； 不稳定矿物含量较多也是黄河泥沙的重要特征，如重矿物中不稳定稳定矿物占重 矿物总量的3 0 以上，而稳定矿物含量占不到1 5 ，轻矿物中长石含量也明显 高于石英含量，分别占6 0 和3 0 左右【2 9 1 。 2 1 , 4 沉积物物理指标值与空间变化 刁口流路三角洲在1 9 7 6 年黄河改道以来，河口径流作用消失，区域水动力条 件发生了显著变化。海洋水动力作用由附属性的作用成为主导控制因素，水下三 角洲沉积物物理力学特征也随之发生了变化。与现行河口水下三角洲沉积物分布 对比，有以下几方面特征0 0 - 3 卸 a 沉积物展布由河控型转化为海控型 主要表现为烂泥区在平面上的消失及沉积物特征的分布形态变化。随着波浪 作用的持续，粗化硬层的面积与厚度逐渐扩大，烂泥区消失或被不同程度地埋藏 保留在粗化层下面在废弃黄河水下三角洲底坡海区，近岸带沉积物特征表层的 分布形态逐渐显现沿岸呈带状分布格局，与现行河口区域的分布特征形成明显区 别。 b 沉积物的含水量变化 在整个刁口流路水下三角洲底坡区域内，表层2 m 以内沉积物柱状样含水量 变化非常小，变化范围5 0 7 0 。在该区域含水量与沉积物成分组成之间的对 应关系非常明显，粘粒含量比较高者含水量也比较高：砂与粉砂粒级含量高者， 含水量较低。 c 沉积物的湿容重 整个黄河三角洲水下底坡区域湿容重分布比较均一。在现行黄河三角洲水下 底坡区沉积物的湿容重变化范围为1 6 0 1 7 2 9 c m 3 ，其中河口粉砂粒级含量特别 9 七体对波浪响庶导致的沉积物运移与微层形成实验研究 高的区域为相对高值；而废弃黄河三角洲水下底坡容重变化范围为 1 5 7 1 6 3 9 c m 3 ，较现行三角洲区( 1 6 0 1 8 2 9 c l m 3 ) 变动幅度明显减小。 d 沉积物抗剪强度 就区域性的分布特征看，三角洲水下底坡表层沉积物的抗剪强度向海逐渐增 大，三角洲沉积的粉砂和粘土质粉砂抗剪强度都比较低，一般小于4 k p a ；更细 沉积物的抗剪强度相对较高，一般为4 - 6 k p 籼快速沉积作用、较高的孔隙含水量 以及超孔隙水压力导致了较低的抗剪强度分布。 2 2 黄河口潮坪典型沉积物特征 t 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 吨左 右，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 闯善迁，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。在黄河口 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。 黄河口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【2 9 】。浮 泥的发育会引起一系列诸如堵塞航道等不良后果，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 互下水动力环境、细颗粒泥沙絮凝，以及风浪和人类活动有关【卅。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，流速( 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1 3 4 - 3 7 1 。根据已有的研究成果，沉积物在后期水动力 作用下，由于生物活动及水动力的改造作用，表层以下一定深度沉积物某些粒级 物质上升到表层对于淤泥层的形成也起到了重要作用【3 吼。 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 m 左右一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 l o 土体对波浪响应导致的沉积物运移与微层形成实验研究 度，标贯击数7 - 9 击，处于超固结状态 3 9 1 。铁板砂常直接作为海底平台、海底管 线等的持力层，具有极其重要的地位。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 c a n 和c o l e m a n 在对密西 西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