（环境工程专业论文）液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究.pdf

液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 摘要 开挖建设在粉质土海岸的开敞航道在大风浪天气下容易出现骤淤现象，淤积 泥沙密实坚硬，难以疏浚，制约了我国港口航道的建设与发展。随着经济的发展、 港口吞吐量的增加，造成航道骤淤的原因分析以及防治工作显得愈发重要。基于 实际工程意义，展开本文的主要研究工作。 本文从粉质土底床在波浪动力作用下易液化破坏的角度，利用黄河三角洲粉 质土作为试验底床进行波浪水槽试验研究，分析指出大风浪作用下航道骤淤出现 的原因，基于骤淤原因的分析结果开展利用潜堤防治骤淤的水槽试验研究，分析 不同防护高度的防淤效果，确定试验条件下合理的潜堤设计高程，进而根据几何 相似原理，提出现场条件下应用水力插板桩设置防淤潜堤的高程设计方案。 论文通过水槽试验，研究了粉质土底床在波浪循环荷载作用下的动力响应。 试验发现粉土底床的局部软弱区域在波浪作用下会发生液化破坏，进而随波浪振 荡滑动。在一定波高波浪作用下随着作用时间的增长滑动深度不断增加最终达到 一极限深度，增大波高后，滑动深度继续增加。当波高增大到某一值时，滑动深 度加深不很明显，但在水平方向上滑动土体突然崩解扩展，造成大范围土体的失 稳滑动。随着不断振荡滑动，液化土体的强度增加、密度增大、含水量降低；同 时在运动过程中孔隙水排出通道变得畅通，逐渐向上排出，并携带部分细粒随渗 流逐渐上移，粘粒从底床析出进入上覆水体，造成土体逐渐粗化；最终浑水体在 底床表面形成厚度约2c m 的高浓度含沙层，其含沙量约为平均含沙量的3 - - 4 倍。 对应现场条件，大风浪导致航道两侧强度较弱的粉质土底床发生液化滑动， 并在近底形成高浓度含沙层，液化土体和高浓度含沙层中的泥沙在重力作用下最 终滑入航道造成骤淤。进入航道后的粉质土处于液化状态，在风浪作用下继续随 波振荡，孔隙水逐渐消散，使土体强度、密度逐渐增大，同时细粒不断析出使土 体逐渐粗化，最终形成密实坚硬的粉砂层，这应是形成航道骤淤的主要原因。 基于粉质底床土体破坏滑动及近底高浓度含沙层中泥沙的运移是导致航道 骤淤主要原因的考虑，开展利用潜堤防治航道骤淤的波浪水槽试验，以检验防淤 效果。应用插板式潜堤插至底床地层液化深度以下，阻挡液化土体滑入航道，高 出床面一定距离阻挡近底高浓度含沙层中泥沙进入航道，从而起到防淤作用。根 据试验测得不同防护高程下模拟航道中淤积泥沙的厚度，确定试验条件下潜堤的 防护高度为6e m 。由于波浪携沙遇到潜堤挡板后形成上升流，使近底粗粒泥沙 跃入航道，容易造成淤积，故建议将潜堤顶部形态设计成反弧形，以使底部水流 返流回去，从而更加有效的阻挡高浓度含沙层。根据几何相似原理，提出现场条 件下应用水力插板桩设置防淤潜堤的高程设计方案，并针对水力插板桩堤实际建 设工程中个别板桩出现的失稳问题进行了分析，提出了相应的防治措施。 论文提出了骤淤的分析方法，首先总结了粉质土液化判别流程，通过判别粉 质底床能否液化得出骤淤发生的可能性，然后计算液化土体深度，进而设计合理 的插板桩堤坝，防治骤淤的发生。 关键词：粉质土；液化；波浪；骤淤；潜堤；水槽试验 e x p e r im e n t ai s t u d yo ns u d d e nsi it a tio no fo p e no h a n n el insiit yc o a s t aia r e a sd u et oliq u e f a c tio n a b s t r a c t d u r i n g s t o r mp e r i o d s ，s u d d e ns i l t a t i o no f t e n h a p p e n e d i n o p e nc h a n n e l s e x c a v a t e da n dc o n s t r u c t e di ns i l t yc o a s t a l 孤e 懿t h es i l t a t i o ns e d i m e n t s ，m o s t l yd e n s e a n dh a r d , w e r ed i f f i c u l tt od r e d g e i tr e s t r i c t e dt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p o r ta n dc h a n n e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s eo fp o r tt h r o u g h p u t , c a u s ea n a l y s i sa n dp r e v e n t i o no fs u d d e ns i l t a t i o nw e r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t r e s e a r c hw o r k sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e ri nv i e wo ft h es i g n i f i c a n c et o t h ea c t u a le n g i n e e r i n g b a s e do nt h ef a c tt h a ts i l t yb e di se a s yt ol i q u e f yu n d e rw a v ea c t i o n s ，i n - l a b f l u m ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tw i 也s o i lt a k e nf r o mt h ey e l l o wr i v e rd e l t a a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，i ti sp o i n t e do u ti nt h i sp a p e rt h er e a s o i l sf o rs u d d e ns i l t a t i o n w h i c ho f t e nh a p p e n e di no p e nc h a n n e l sd u r i n gs t o r mp e r i o d s b e a s e do nt h ea n a l y s i s o fs u d d e ns i l t a t i o n , as e r i e so fi n - l a bf l u m ee x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u t t ot e s tt h ee f f e c t so fs u b m e r g e db r e a k w a t e ro np r e v e n t i n gs u d d e ns i l t a t i o n t h e p r e v e n t i o ne f f e c t so fs u b m e r g e db r e a k w a t e r sw i t hd i f f e r e n th e i g h t sw e r ed i s c u s s e d , a n dar e a s o n a b l ed e s i g ne l e v a t i o nw a sr e c o m m e n d e d f o l l o w i n gt h eg e o m e t r i c a l s i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，a l le l e v a t i o nd e s i g ns c h e m ef o rs u b m e r g e db r e a k w a t e ru n d e r f i e l dc o n d i t i o n sw a sr e c o m m e n d e da n dh y d r a u l i cs h e e t i n gp i l e sc a r lb ee m p l o y e di n i t se n g i n e e r i n gp r o c e s s d y n a m i cr e s p o n s eo fs i l t ys e a b e du n d e rw a v ec y c l i cl o a d i n gw a ss t u d i e dt h o u g h f l u m ee x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t s ，l o c a ll o w - s t r e n g t hs i l tt e n d e dt ol i q u e f yu n d e r w a v ea c t i o na n do s c i l l a t ew i t hi t u n d e rd i f f e r e n tw a v ea c t i o n s ，t h es l i d i n gs o i l p e r i m e t e re x p a n d e da n dd e e p e n e dg r a d u a l l yt ot h ed i f f e r e n tm a x i m u md e p t h ，w h i c h i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fw a v eh e i g h t h o w e v e r , w h e nt h ew a v eh e i g h t i n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u e ，t h es l i d i n gs o i lp e r i m e t e rs t o p e dt od e e p e no b v i o u s l y b u t i nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，t h es l i d i n gs o i lp e r i m e t e rd i s i n t e g r a t e da n de x p a n d e do na i i i l a r g es c a l es u d d e n l y w i t hc o n s t a n t l yo s c i l l a t i n gs l i d i n g ，i n t e n s i t ya n dd e n s i t yo ft h e l i q u e f i e ds o i li n c r e a s e da n dt h ew a t e rc o n t e n tr e d u c e d m e a n w h i l e ，t h ee s c a p ec h a n n e l o fp o r ew a t e rb e c a m eu n i m p e d e d p o r ew a t e rw i t hs o m ec l a yp a r t i c l em o v e du p g r a d u a l l ya n de n t e r e di n t ot h ew a t e ra b o v e a sar e s u l t , t h el i q u e f i e ds o i lc o a r s e n e d g r a d u a l l y f i n a l y , ah y p e r c o n c e n t r a t i o ns e d i m e n tl a y e ra b o u t2 0c mi nt h i c k n e s sw a s o b s e r v e dn e a rt h eb o t t o m t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni nt h i sl a y e rw a s3 - - 4t i m e s h i g h e rt h a nt h ea v e r a g e u n d e rf i e l dc o n d i t i o n s ，l o c a ll o w - s t r e n g t hs i l ta tb 0 也s i d e so ft h ec h a n n e lt e n d e d t ol i q u e f ya n do s c i l l a t eu n d e ri n t e n s ew a v ea c t i o n , l e a d i n gt ot h ea p p e a r a n c eo ft h e 。h y p e r c o n c e n t r a t i o ns e d i m e n tl a y e rn e a rt h eb o t t o m t h el i q u e f i e ds o i la n ds i l ti n h y p e r c o n c e n t r a t i o ns e d i m e n tl a y e rf i n a l l yf l e wi n t ot h ec h a n n e lb yg r a v i t ya n dc a u s e d s u d d e ns i l t a t i o n t h el i q u e f i e ds o i l i nc h a n n e ld e n s i f i e da n dc o a r s e n e dg r a d u a l l y d u r i n gc o n t i n u o u so s c i l l a t o r ym o t i o nu n d e rw a v ea c t i o n , a n dh a r ds i l tl a y e rw h i c hw a s d i f f i c u l tt od r e d g ew a sf o r m e df i n a l l y t h i sc a nb et h em a i nr e a s o nf o rs u d d e ns i l t a t i o n i nc h a n n e l b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o nt h a ts u d d e ns i l t a t i o nw a sc a u s e db o t hb y h y p e r c o n c e n t r a t i o ns e d i m e n tl a y e rn e a rt h es e a b e ds u r f a c ea n ds l i d i n go ft h el i q u e f i e d s o i l ，as e t0 fi l l - l a bf l u m ee x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt ot e s tt h ee f f e c t s o fs h e e ts u b m e r g e db r e a k w a t e r s t h es h e e t i n gs u b m e r g e db r e a k w a t e rw a si n s e r t e d i n t ob e dt op r e v e n tt h el i q u e f i e ds o i lf r o ms l i d i n gi n t ot h ec h a n n e l ，w h i l et h eu p p e r s i d e sw e r es e ts o m ed i s t a n c e sa b o v et h es e d i m e n tb e dt os t o ps e d i m e n t si nt h eh i 曲 c o n c e n t r a t i o nl a y e nt h ep r e v e n t i o ne f f e c t so fs u b m e r g e db r e a k w a t e r s 、) i ，i t l id i f f e r e n t h e i g h t sw e r ed i s c u s s e d ar e a s o n a b l ed e s i g ne l e v a t i o nw a sd e t e r m i n e dt ob e6c m u n d e r e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n t h ew a v ec o u l d c a n ys a n du p w e l l e dw h e n e n c o u n t e r i n gt h eb a f f l e s ，a n dl e a v et h ec o a r s eg r a i n sn e a rt h eb o t t o ml e a pi n t ot h e s i m u l a t e dc h a n n e l ，s ot h ea n t i - a r ct o pi sd e s i g n e dt oi n c r e a s et h ep r e v e n t i o ne f f e c t a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i c a ls i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，a ne l e v a t i o nd e s i g ns c h e m eo f h y d r a u l i cs h e e t i n gp i l e ss u b m e r g e d b r e a k w a t e ru n d e rf i e l dc o n d i t i o nw a s r e c o m m e n d e d i na l l u s i o nt ot h ei n s t a b i l i t yo fi n d i v i d u a lp i l ed i k e s ，m a i nr e a s o n sw e r e i v a n a l y z e da n ds o m ep r e v e n t i o ns u g g e s t i o n sw e r ep r o p o s e da g a i n s tf a i l u r e so fp i l e d i k e s a n a n a l y t i c a lm e t h o do fs u d d e ns i l t a t i o nw a sr e c o m m e n d e d f i r s t l y , a d i s c r i m i n a t i o np r o c e s so fs i l t yl i q u e f i e a t i o nw a ss u m m a r i z e d t h ep o s s i b i l i t yt h a t s u d d e ns i l t a t i o nm i g h th a p p e nw a se s t i m a t e db yd i s t i n g u i s h i n gi fs i l t ys o i lc a n l i q u e f y a f t e rt h a t ，l i q u e f a c t i o nd e p t ho fs i l t ys o i lw a sc a i c u l a t e d ，a n dr e a s o n a b l eh y d r a u l i c s h e e t i n gp i l e ss u b m e r g e db r e a k w a t e rw a sd e s i g n e dt op r e v e n ts u d d e ns i l t a t i o n k e y w o r d s ：s i l t ys o i l ；i i q u e f i c a t i o n ；w a v e ；s u d d e n s i l t a t i o n ；s u b m e r g e d b r e a k w a t e r ；f l u m ee x p e r i m e n t v 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 1 绪论 1 1 研究意义 随着经济的快速发展，交通运输行业的作用愈发显得重要，特别是港口作为 多种交通运输方式的交汇点以及现代物流链的枢纽，发挥了辐射国际和国内两大 市场、促进全球范围内货物流动的重要作用。伴随着国民经济的快速增长和对外 贸易的蓬勃发展，我国港口的建设力度不断增大，基础设施规模明显扩大，运输 能力也显著增强【1 1 。 在粉砂质海岸建设港口目前主要采取两种方式：一是修筑引堤或栈桥到深海 中去建设码头，另一种是在近岸开挖建设航道。后者是较为常见可行的方案，美 国密西西比河口与我国长江口都采取这种方式。然而航道作为港口的重要组成部 分，是船舶进出港口的要道，却往往因淤积问题，严重影响港口的正常运作，特 别是开挖建设在粉质土海岸的开敞航道在大风浪天气下易出现骤淤现象，淤积量 大，且淤积泥沙密实坚硬，难以疏浚。骤淤是港航工程中的一个专用术语，其含 义是指一场大风天气过程引起港航工程中严重淤浅而影响船舶正常航行和作业 的淤积，下面以位于渤海湾的黄骅港、东营港以及浙东沿海的试验槽为例进行说 明： 2 0 0 1 年l o 月- - - 2 0 0 2 年1 2 月，黄骅港外航道共淤积了8 8 7 万r n 3 ，期间共出 现了3 次大风强淤，淤积量合计7 6 8 万1 1 1 3 ，占外航道全年淤积量的8 6 6 ，淤 积物为密实的粉砂；2 0 0 3 年4 5 月又连续出现了2 次特殊大风，分别造成强淤 2 8 2 万m 3 、1 3 6 万m 3 ，淤积物为密实的粉砂，全年回淤量达1 5 0 0 万m 3 ，维护 航道的疏浚费用达3 1 亿元【2 - 4 1 。2 0 0 6 年9 月在黄河三角洲东营港开挖试验航道， 三个月后试验段航道基本淤平，试验区域风况正常时，槽内淤积缓慢，约为o o l 0 0 2m d ，而在发生7 级以上大风时，槽内淤积严重，其中两次大风天气过程后 分别淤积1 2m 和1 3m 。在浙东温州以南1 0 0k m 的平阳咀附近开挖的试验槽在 桑美台风过后基本淤满，淤积物密实，不具有流动性，且槽内基本不存在浮泥层 【5 】 o 对于大风浪条件下，开敞航道发生强淤、骤淤的原因，已有学者做了相关研 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 究工作，但研究意见未达到一致，而对于淤积物密实坚硬的原因至今难以解释。 因此，进一步开展引起航道骤淤原因的研究工作对解释骤淤现象具有十分重要的 意义，同时可为骤淤的防治工作起到一定的指导作用。 近年来，为防治航道淤积尝试了多种办法，通常是采用在航道两侧设置拦沙 堤坝的方法。然而传统的抛石堤坝稳定性较差，在大风浪作用下易失稳【6 】；且项 部一般高出平均水面，阻挡了沿岸流运动，对环境造成影响；还有高出水面的堤 坝向海延伸很远，阻碍了小型船舶的沿岸航行。依据航道骤淤的原因分析，开展 应用新型水力插板桩设置潜堤防治航道骤淤的研究，设计较为合理的堤顶高程与 入地深度可有效地防止骤淤的发生，具有一定的实际应用价值。 1 2 研究对象 针对粉质土海岸开敞航道在大风天出现的骤淤现象，本文用取自黄河三角洲 浅海海域的粉质土铺设底床开展波浪水槽试验，研究骤淤发生的原因以及防治措 施。粉质土既不同于粘性土，又有别于砂土，是具有独特的性质的低塑性土，一 般7 0 以上的粒组是粉粒和细、极细砂粒 7 1 。建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 对其定义为：塑性指数i ps l o 且粒径大于0 0 7 5m m 的颗粒 含量不超过全重的5 0 的土【8 】。粉土的工程性质非常特殊，在波浪、地震等动荷 载作用下的动力响应比较复杂，常导致海底滑坡、构筑物失稳等地质灾害现象。 我国黄河三角洲堆积有大量的粉质土，是航道骤淤的多发区。其底床土体多 为粘土质粉砂或粉砂质粘土，总体趋势是近岸粘土含量低，远离岸边粘土含量高， 其中，在潮间带及浅海部分主要是粗粉砂，粉砂组份含量在7 0 - - - 8 0 ，分选好； 在水深1 5m 外的浅海区域，主要是粘土质粉砂，粘粒含量约。3 0 ，分选中到差 9 - 1 3 】。根据调查资料，黄河三角洲沉积物从河口拦门沙向海延伸具体分布依次为： 细砂、粉砂质砂、砂质细砂、粗粉砂、粘土质粉砂，如图1 1 所示【9 】。将取自黄 河三角洲浅表广泛沉积的粉质土作为试验对象，开展本文研究粉质土海岸航道骤 淤问题的试验工作具有一定的代表性和合理性。 2 液化导致粉质j j ：海岸丌敝航道骤淤的试验研究 图1 - 1 黄河三角洲沉积物分布图( 据b o m h o l da n dy a n g ，1 9 8 6 ) 1 ：粘土( d 0 0 0 5m m ) 含量 3 0 ，粘土质粉砂 1 3 国内外研究现状 建设在粉质土海岸的开敝航道在大风天发生骤淤的案例屡见不鲜，严重影响 了港口运营，同时对航道进行维护需要投入大量的资金，制约了经济的发展。针 对航道骤淤问题，国内外研究者从粉质土海岸的泥沙运动特点等方面进行了分 析，提出了导致航道骤淤的种种原因，并得到了骤淤量的计算公式，但相关研究 意见并未达到一致。近年来，国内外学者对波浪作用下粉质海床稳定性和液化研 究不断深入，现场勘测资料亦渐丰富，为进一步分析航道骤淤的原因提供了条件。 同时针对航道淤积问题，已有研究者提出了防治对策，采用在航道两侧设置防沙 堤的方法，并应用于实际工程，但仍存在坝体稳定性差，工程造价高等弊端。 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 1 3 1 粉质土海岸开敞航道骤淤原因研究 粉质土海岸海床以粉砂和粘土含量为优势的细粒土为主，在海岸工程泥沙研 究上根据曹祖德的分类，底质泥沙粒径d 5 0 在0 0 3 1 衄d 5 0 0 1 2 51 1 1 1 1 1 范围内 定义为粉砂质海岸，山东黄河三角洲与河北黄骅海岸均为粉砂质海岸【1 4 j 。其中 现代黄河水下三角洲底床主要有细粉砂组成，表层面沉积物中粉质土占9 0 以上 o s , 1 6 。粉砂质海岸的泥沙运动主要受波浪与潮流的影响，波浪可以使底床面的泥 沙启动而悬浮在水中，悬浮泥沙在潮流作用下被运输，即通常所说的“波浪掀沙， 潮流输沙 1 7 1 。钱宁根据泥沙颗粒的运动状态将其运动形式归结为悬移质、推 移质和层移质【l 引，研究者一般认为，在常浪状况下，航道的淤积主要是泥沙以 前述三种运动形式进入航道引起的。 对于大风浪条件下，开敞航道发生强淤、骤淤以及淤积物密实坚硬的原因， 至今难以解释，相关研究意见也不一致。侯志强，杨华认为航道淤积机理为波浪 掀沙、潮流输沙，在大风浪条件下，临底会出现悬移质和推移质的混合高浓度含 沙水体，对航道骤淤影响很大【z 】。赵群，韩鸿胜通过对遥感卫片、现场实测和室 内实验的综合分析认为骤淤是由于外航道两侧破波带附近滩面泥沙大量悬扬、落 淤造成的【1 9 1 。高进通过卫星图片和数学模拟研究认为大风形成的堤头漩涡输沙 是造成航道骤淤的重要原斟3 1 。刘家驹【2 0 1 认为引起近岸浅水海域的航道及港池泥 沙淤积的原因，主要有水动力因素( 包括波浪和潮流等) 、泥沙因素( 包括泥沙 组成、含沙量大小等) 和工程环境因素，即建造工程后是否破坏了原来海岸的泥 沙运动平衡。这3 个因素是相互关联的，实际工程中泥沙淤积的强弱是这3 个因 素的综合体现。曹祖德【2 1 】在分析洋口港航道骤淤可能性时，提出了港口航道骤 淤必须同时具备的三个条件：( 1 ) 动力方面一应有一定持续时间的强浪，足以将 底床泥沙搅起，形成水体中的高含沙量；( 2 ) 沙源方面一航道两侧应有广阔浅滩， 足以生成产生淤积的丰富泥沙；( 3 ) 淤积环境一有良好的淤积条件，促使泥沙淤 积。徐福敏、张长宽瞄】研究了关于台风浪对长江口深水航道骤淤的影响。杨辉 等田j 分析了港湾深槽产生骤淤的必须具备的基本条件。许国辉等提出了常浪状 况下主要为“悬移质+ 推移质+ 层移质”的淤积组合模式：风暴浪状况下主要为 “悬移质+ 推移质+ 层移质+ 泥沙流滑+ 航道侧面土体滑坡”的淤积组合模式， 如图1 2 所示 2 4 , 2 5 1 。以上研究对航道骤淤的解释存在着不一致，并且尚未对淤积 液化导致粉质上海岸丌敞航道骤淤的试验研究 泥沙密实坚硬做出合理的解释。 j 图1 2 开敞航道淤积模式示意图( 上鄙波形仅表达波的振荡，不代表波的方向) 悬移质；推移质：层移质；航道边坡土体滑动淤积 1 3 2 航道骤淤量计算研究 为预报计算航道骤淤量，通常采用物理模型、数值模拟和分析计算等方法 2 6 2 9 1 。分析计算因方法简单，费用经济而广为应用，白玉川等1 3 0 提出了两种情况 下的骤淤厚度计算公式，并与黄骅港外航道淤积实测值进行比较，结果能较好的 贴合实际情况。丛锦松1 3 l j 分别介绍了以能量传递为基础和以变化过程为基础的 航道淤积量计算公式，并根据沧州港区1 9 7 9 年2 0 0 3 年的每年最大风况资料， 计算了该航道可能出现的最大风况下的回淤量，计算结果显示航道淤积量的年际 差别很大，利用经验公式预报开敝式航道年最大风况产生的粉砂淤积量存在明显 的不确定性。丁坚等1 32 j 针对黄茅海海域风浪、水流、地形及泥沙特点，从悬移 质不平衡输沙方程出发，导出估算崖门试挖槽回淤的计算公式，并按照工程需要 分别计算了大风浪、台风加大潮、台风大潮大汛3 种工况引起的骤淤。罗肇森【3 3 】 根据黄骅港实测淤积数据，考虑风、浪、流的共同作用导致航道骤淤的异常增量， 提出了大风期航道骤淤量的估算公式。张玮等 3 4 禾1 j 用实测的航道淤积、近岸含 沙量等资料，根据刘家驹的航道回淤计算公式，近岸率定淤积系数，反推外海泥 沙含量，据此进行航道回淤预测。经过连云港7 万吨级进港航道验证，计算的航 道回淤与实测值吻合较好。 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 1 3 3 粉质土底床失稳破坏研究 几十年来，在细粒土大量堆积的河口三角洲地区，由于海床土体失稳而引起 各种海底地质灾害和浅海工程设施损毁的案例屡见不鲜，使得细粒土组成的海底 底床液化不稳定性问题引起国内外很多学者广泛关注与研究。 促使海底土床失稳的机理是比较复杂的【3 5 阗，p r i o r 和c o l e m a n 3 7 】总结了引起 斜坡失稳的各种主要因素，这些触发因素主要是重力作用、削峭作用、地震和火 山作用、风暴潮、沉积物固结状态、孔隙气作用、天然水合物分解作用、潮位变 化和渗透作用等，而风暴潮和欠固结的沉积物通常被认为是引起河口三角洲海底 失稳的主要因素【3 引。本文主要关注风暴潮引起的河de 角洲底床失稳的问题。 风暴潮导致河口三角洲底床失稳破坏主要分为两种模式：剪切破坏和液化破 坏【3 9 】。剪切破坏是由风暴潮增加对土体的剪切应力导致的，h e n k e l ( 4 0 根据极限 平衡原理提出风暴浪引起的沿斜坡向下的应力可以使底床发生破坏。w r i g h ta n d d u n h a m 4 l 】在h e n k e l 研究基础上得出波浪导致的应力和位移几乎能够使接近水 平的斜坡发生失稳。b i s c o n t i ne ta 1 4 2 】发现动荷载能使许多海底粘性土强度软化， s u l t a n 等1 4 3 】认为动荷载造成沉积物硬度降低、抗剪强度衰变，土体强度降低后在 波浪剪力作用下发生失稳破坏。m i t c h e l le ta 1 m j 指出波浪可以使土体的强度减 小，从而底床在重力的作用下失稳破坏。许国辉f 4 5 舶】通过对水槽试验过程中孔压 变化与土体破坏的观测，得出海底土体的滑动破坏不仅是由孔压在循环荷载作用 下升高造成的，而且也起因于剪切破坏；同时黄河水下三角洲粉质土存在临界循 环应力比，当循环应力比超过临界值后，粉质土强度将发生弱化，进而在波浪波 峰与波谷的剪切作用下，底床软弱部位土体将随波滑动。利用波致土体滑动计算 方案1 4 6 ，对黄骅港水深5 0m 处和东营港水深1 2 5m 处土体进行稳定性验算， 得到较强波浪的循环荷载作用，极有可能导致两海域航道两侧局部强度较弱土体 在波浪剪切作用下发生滑动1 4 。刀。 另外，循环荷载作用可引起底床土体孔隙水压力的快速增长进而发生液化最 终导致底床失稳。r r h m a n 和j 如一4 8 4 9 】的研究结果显示粘性土海床可能产生剪切 破坏，使海床失稳，而非粘性土海床则不可能产生剪切破坏。砂质底床在外部循 环荷载作用下液化的研究已比较成熟 5 0 - 5 4 ) 。粉质土由于含有大量的颗粒细小的粉 砂，含水量较高，在波浪循环动力作用下容易产生液化破坏1 4 6 , 5 s l 。利用动力三轴 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 试验对粉质土在外部循环荷载作用下强度的变化研究表明，施加于土体的循环应 力比l i d o f 超过临界循环应力比后土体开始出现累积变形，有效应力逐渐下降， 强度弱化，最终可导致土体破坏【4 6 , 5 6 】。吴梦喜、楼志刚提出在波浪动力作用下， 粉土海床中孔隙水压力随波浪作用产生动态累积，引起海床有效应力的不断下 降，立波作用下粉土海床表面浅层波腹点下最容易发生液化【5 7 , 5 8 】。冯秀丽等5 9 】 根据实际勘探资料及室内土工试验结果，分析了现代黄河水下三角洲砂土在地震 与波浪下液化的可能性。根据黄河水下三角洲现场工程地质调查资料判断，由于 大的风暴浪作用可以导致水深8 0m 的海底液化破坏深度达到4 0m 以上唧l 。杨 少丽等【6 i j 通过计算得出5 0 a 一遇的强风浪连续作用1h 可使4m 以上的粉质土体 液化。f o d aa n dt z a n g 利用室内试验记录了粉土中孔隙水压力、残余孔隙水压力 的累积和土体发生液化破坏的整个过程【6 2 】。在波浪循环荷载作用下，无论是发 生液化破坏，还是剪切破坏，破坏后的粉质土在波浪继续作用下以液状化状态发 生波动1 6 3 , 6 4 。 1 3 4 现场粉质海床稳定性探测研究 近年来，随着探测技术的发展，对现场海床稳定性探测研究逐渐深入，证实 了海底滑坡等不稳定现象的存在。l o c a t 6 5 】根据运动机理把海底斜坡不稳定性分 为5 种基本类型：滑动、倾倒、扩张、坠落和流动，其中坠落和流动可以细分为 崩流、碎屑流和泥流，进一步演变为浊流。c a n a le ta 1 6 6 】对前述海底失稳类型的 分类方案进行了总结，根据海底斜坡破坏变形方式的不同将其分为5 类：蠕变、 岩崩碎屑崩落、平移滑坡滑动、碎屑流和泥流。p r i o re ta 1 【明及陈卫民等【6 8 】利 用3 5h z 海底浅地层剖面测量和1 0 0k h z 侧扫声纳资料，识别出黄河水下三角洲 两种近表层的沉积扰动：中等扰动区和严重扰动区，并在三角洲前缘发现大量的 塌陷凹坑、粉沙流冲沟的地貌。杨作升1 6 9 1 利用高分辨率的水声仪器进行海上同 步走航调查，确定黄河水下滑坡体系的存在，并将滑坡分为瓶颈状滑坡、浅层平 移板状滑坡、浅层旋转滑坡( 图l 3 ) 。在冯秀丽等对黄河三角洲埕岛海域地貌 的研究勘测中，在海床上发现一系列的滑动挤压脊和塌陷凹坑区( 图1 4 ) 【7 0 】。 7 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 李安龙等人揭示了波浪作用下海底的差异侵蚀现象，利用调查资料和理论计算对 新黄河口的海底稳定性进行了分区【7 1 , 7 2 。以上研究成果为进一步探讨航道骤淤的 原因提供了丰富资料及研究基础。 三一- _ t t 丘 堂请簟簟蚪壤体 型堵，。 艇根a 一# 膏簟蚀主墟丘 一聃 妙漱聃 图】3 黄河口水下滑坡体系示意图( 杨作升等，】9 9 4 ) 薹萝= 一 鹱 删7 o 图l - 4 海底滑坡、滑塌体声纳图( 冯秀丽等，2 0 0 4 ) 1 3 5 航道淤积防治研究 为防治航道淤积一般采取在航道两侧设置拦沙堤坝的方案，如我国在黄骅港 外航道采用抛石构筑的拦沙堤坝，长江口航道工程采用抛石与摆放砼预制件相结 合构筑的拦沙堤坝 7 3 7 4 】，防淤效果较好。然而传统堤坝顶部一般高出平均水面， 阻挡了沿岸流运动，对环境造成影响；还有高出水面的堤坝向海延伸很远，阻碍 了小型船舶的沿岸航行。由于高浓度含沙层仅分布在距底床表面0 5m 范围内， 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 且上部水体悬沙浓度相对较低【巧】，对淤积影响较小，故可考虑在航道两侧设置 潜堤防护航道，从经济和环境角度也较为合理。日本k u m a m o t e 港开展潜堤防淤 现场试验，该港位于日本岛西海岸的a r i a k e 湾，底质粒径为0 0 1 5r a m , 4 ) 1 5m m ， 试验开挖两个试验槽，槽底尺寸为3 0r e x 5 0m ，挖深2 0m ，一个设有1 0m 高的 潜堤，一个不设，结果显示有潜堤的挖槽淤积甚少，而无潜堤的挖槽几乎淤满， 经计算潜堤减淤量可达5 3 一8 0 【7 6 1 。建设在粉砂淤泥质海岸的印尼爪哇岛s e m e n t u b a n 港在港池和调头地用水下挡板式潜堤防治航道淤积，该港使用预应力钢筋 混凝土倒t 形板作为潜堤，t 形肋板高相当于潜堤高为2 0m ，用竹桩入土8 0m 来 支撑t 形板所受外力，实测资料显示潜堤防淤效果明显，减淤量可达6 0 以上【7 7 1 。 罗肇森建议设置低矮潜堤防治航道淤积【3 3 】。 传统的抛石海岸堤坝或者是沉箱堤坝建设主要面临地基或基础易冲刷掏空， 坝体安全稳定性差等问题，工程造价高，且由于堤坝下的粉质土地基在波浪循环 荷载作用下的强度弱化乃至液化问题难以有效解决，也会带来堤坝的失稳问题 6 3 。水力插板是近年来出现的一种新型工程建设技术，经过不断的研究与试验， 已逐步形成了一套完整独特的施工方法，且具有施工速度快，安全稳定性好，工 程造价低等优点【7 8 7 9 】，可基于此技术建设安全稳定的海岸堤坝。基于以上研究开 展板状潜堤防淤效果水槽试验研究，并建议实际工程采用水力插板桩设置潜堤防 治航道骤淤。 1 4 本文的研究工作 本文主要针对粉砂质海岸开敝航道在大风天出现的骤淤现象开展试验研究 工作，试验实施步骤如图1 5 。研究探讨骤淤产生以及淤积物密实坚硬的原因： 开展应用板式潜堤防治骤淤的试验研究，确定合理的潜堤设计方案；总结出一套 从底床土体液化判别到防治措施选择的系统的航道骤淤分析方法。具体研究内容 分为以下几个方面： ( 1 ) 利用取自黄河三角洲的粉质土制备试验底床，施加不同波高的波浪作 用，观察土体在循环荷载作用下的动力响应，记录土体液化破坏后的滑动范围及 扩展情况，并测量水体中悬沙浓度变化，基于试验结果分析航道骤淤产生的原因。 9 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 ( 2 ) 试验过程中取土样测量土体密度、含水量、强度、粒径等物理性质在 破坏运动前后的变化，分析解释航道骤淤泥沙密实坚硬的原因。 ( 3 ) 在试验底床中设置模拟航道，用板状潜堤防护，测量不同防护高度下 航道内淤积泥沙的厚度及粒度，同时测量上部水体悬沙浓度粒度，分析选择合理 的潜堤堤顶高程。 ( 4 ) 利用几何相似原理，推算现场条件下航道防护潜堤的高程，提出应用 水力插板设置潜堤的方案，并根据水槽试验现象分析个别水力插板桩失稳的原 因，提出防治措施。 ( 5 ) 总结航道骤淤的分析方法，提出粉质底床液化的判别流程，分析发生 骤淤的可能性，对骤淤可能性大的地区计算土体的液化深度，进而设计合理的潜 堤防治骤淤的发生。 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 图1 5 试验实施方案 液化导致粉质土海岸开敞航道骤淤的试验研究 2 粉质土底床液化导致的航道骤淤及其淤积特性试验研究 2 1 概述 建设在粉质土海岸的开敞航道在大风天气下易出现骤淤现象，淤积量大，且 淤积物密实坚硬，难以疏浚。针对这一问题，众多学者做了相关研究工作，但研 究意见未达到一致，且对淤积物的工程性质特性未作出合理解释。 近年来，随着对粉质土在外部循环荷载作用下动力响应的研究不断开展，粉 土在波浪作用下会发生液化已逐渐被人们认识，这为航道骤淤原因的分析提供了 新的角度和资料。 。 本文从粉土液化是导致航道骤淤主要原因的角度，开展波浪水槽试验研究。 试验在中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室进行，试验材料为取自黄 河三角洲的原状粉土。试验施加三种不同的波高作用粉质底床，观察在波浪作用 下土体液化破坏运动情况，记录土体滑动界面的扩展过程。试验中取运动土样， 测其密度、含水量、粒度等物理性质随作用时间的变化，测量土床强度变化，同 时取上部水体悬沙样，测其浓度的分布。基于试验结果分析讨论造成航道骤淤的 主要原因。 2 2