（海洋地质专业论文）黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析与控沉对策研究.pdf

黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析与控沉对策研究 捅要 埕北海域位于黄河水下三角洲东北部，该海域蕴藏着丰富的油气资源，是胜 利油田开发的主力区块。但是地面沉降导致的沿岸地面水准点失效，使水深资料 出现错误，从而使多个平台导管架标高设计与实际水深不符，产生了巨大经济损 失同时也引发了一系列次生灾害。因而对黄河水下三角洲地面沉降研究，预测其 最终沉降量，沉降速率等，预防和减少地面沉降带来灾害地质现象，为防止海洋 工程灾害提供工程设计需要的重要参数，这是海洋地质和海洋工程领域迫切需要 解决的问题。 本文将收集到的埕北地区工程地质勘探报告、井场调查报告以及平台间海底 管线和电缆路由调查报告等资料，对该区的沉降情况进行定量和定性的分析。本 文通过收集的钻孔资料以及前人发裹的黄河水下三角洲海底沉积物物理力学数 据，对研究区的沉积物分布，沉积物工程地质性质进行系统的研究；通过对调查 资料中的土工试验成果表以及压缩曲线分析，采用分层总和法计算最终沉降量， 采用太沙基固结理论计算和p l a x i s 软件模拟沉降随时间的变化关系；通过实测数 据以及其它方法验证定性分析得出的结果，最后分析引起地面沉降的因素，并提 出地面沉降的控制措施和建议。 根据分析结果，对埕北海域的地面沉降情况进行了总结：1 ) 研究区埋深3 0 m 以浅地层为第四纪全新世三角洲沉积和浅海相沉积地层，其结构是粉土、淤泥质 粉质粘土、粉质粘土和粉砂。第一层粉土经后期海洋水动力改造，表层土不断粗 化密实，其强度明显提高，压缩性降低。第二三层是淤泥质粉质粘土和粉质粘土， 分布不均匀，局部地区有缺失。土质均匀性差，属高压缩性软弱土层，其前期固 结压力小于上覆有效自重压力，为黄河水下三角洲快速沉积的欠固结土，沉积物 的自然固结沉降现象存在：2 ) 研究区海域沉降量的变化范围0 3 8 9 - - 0 7 2 9 m ， 这不仅和土体的压缩性相关，也与土层厚度有关。沉降速率在2 1 0 - - 2 9 7 c m a 变 化，与实测结果相吻合，表明该海域的地面沉降现象存在；3 ) 使用p l a x i s 软件 模拟固结分析可以得出，随着埋深的增加，土体沉降量总体上均呈线性减少，而 且递减的趋势快；4 ) 土体的物理力学性质是地面沉降的内因，同时波浪和潮流 的作用是地面沉降的外因。 在此基础上，对黄河水下三角洲发生地面沉降的诱导因子以及地面沉降所产 生的影响进行相应的分析，为黄河三角洲防灾减灾、土地利用、河1 ：3 河道治理以 及三角洲地面沉降的观测与监测等方面的研究提供理论与实践指导，具有一定的 参考价值。 关键词：埕北海域地面沉降定量分析控沉对策 i f 一 ih ea n aiy sis0 tia n os u b sid e n c ea n dc o n t r oim e a s u r e s inc h e n g b eia r e ao ft h es u b a q u a ticd eit ao f t h ey ei | o wriv e t a b s tr a c t c h e n g b e ia r e a ，n o r t h e a s to ft h es u b a q u a t i cd e l t ao ft h ey e l l o wr i v e r , r e s e r v e sa f f l u e n to i l g a sr e s o u r c e sa n di st h em a i ne x p l o i t a t i o no fs h e n g l io i l f i e l d h o w e v e r , t h ef a i l u r eo ft h eg r o u n db e n c hm a r kw a sc a u s e db yt h el a n d s u b s i d e n c e ，t h ew a t e rd e p t hm a t e r i a l sp r e s e n tm i s t a k e t h u st h ea c t u a ld e p t ho f w a t e rd i dn o tc o i n c i d ew i t hd e s i g n e de l e v a t i o n so fm a n yp l a t f o r m s w h i c h p r o d u c e dah u g ee c o n o m i cl o s s e sb u ta l s ot r i g g e r e das e r i e so fs e c o n d a r y d i s a s t e r s s or e s e a r c h i n gt h e l a n ds u b s i d e n c ei nt h ey e l l o wr i v e r ，s u b a q u a t i c d e l t a ，f o r e c a s t i n gt h ef i n a ls e t t l e m e n ta n ds e t t l e m e n tr a t e ，p r e v e n t i n ga n d r e d u c i n gd i s a s t e rg e o l o g i c a lp h e n o m e n o nb r o u g h tb ys e t t l e m e n t , a i mt op r o v i d e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rm a r i n ee n g i n e e r i n gd e s i g n ，w h i c ha r eu r g e n tp r o b l e m s f o rt h em a r i n eg e o l o g ya n dm a r i n ee n g i n e e r i n gt ob es o l v e d t h r o u g ht h ec o l l e c t e dr e p o r t so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o s p e c t i n g ，t h ew e l l i n v e s t i g a t i o n ，t h es u b m a r i n e l i n e sa n dc a b l e sr o u t i n gi n v e s t i g a t i o nb e t w e e n p l a t f o r m s ，t h i sp a p e rq u a n t i t a t i v e l y a n dq u a l i t a t i v e l ya n a l y s e ss u b s i d e n c e s i t u a t i o n s b a s e do nc o l l e c t e dd r i l lh o l em a t e r i a l sa n dp r e d e c e s s o r p u b l i c a t i o n 7 s d a t e so ns e a b e ds e d i m e n t sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r si nt h ey e l l o w r i v e rs u b a q u a t i cd e l t a , t h ed i s t r i b u t i o na n de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ln a t u r eo ft h i s a r e as e d i m e n t sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ；t h o u g ht h ea n a l y s i sg e o t e c h n i c a l a c h i e v e m e n tt a b l e sa n dc o m p r e s s i o nc u r v e so ft h o s ed a t a ，t h el a y e r e ds u m m a t i o n w a su s e dt oc a l c u l a t et h ef i n a ls u b s i d e n c eq u a n t i t y ；t e r z a g h ic o n s o l i d a t i o n t h e o r yw a sc a l c u l a t e da n dt h ep l a x i ss o f t w a r ew a ss i m u l a t e ds u b s i d e n c ew i t h t i m ec h a n g e s ；b a s e do nm e a s u r e dd a t e sa n do t h e rm e t h o d ，t h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sr e s u l t sw e r ev e r i f i e d ，f i n a l l yt h i ss t u d ya n a l y z e si n f l u e n c i n gf a c t o r sa n d p r o p o s e sc o n t r o lm e a s u r e sa n dp r o p o s a l s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h ec o n d i t i o no ft h ec h e n g b e is e ag r o u n d s e t t l e m e n tw e r es u m m a r i z e d ：1 ) t h es t r a t u mo ft h es t u d ya r e aa b o v e3 0 mi s q u a t e r n a r yh o l o c e n ed e l t a i cd e p o s i ta n dn e r i t i cf a c i e sd e p o s i t ，a n dt h eg e o l o g i c s t r u c t u r ei ss i l t ys o f t ，m u d d y s i l t yc l a y , s i l t yc l a ya n ds i l t t h ef i r s tl a y e ri ss i l t y s o i l ，w h i c hh a sb e e nr e m o d e l e db ya f t e r - o c e a n i ch y d r o d y n a m i cf o r c e ，t h et o p s o i l i s g r a d u a l l yc o a r s e n i n g a n dc o m p a c t i n g ，a n di t si n t e n s i t y i s i m p r o v e d o b v i o u s l y ，c o m p r e s s i b i l i t yi sr e d u c e d t h es e c o n d 、t h i r dl a y e ri sm u d d y s i l t yc l a y , s i l t yc l a y ，w h i c h i su n e v e nd i s t r i b u t i o na n dp h a n t o m s o i lu n i f o r m i t yi sb a d ，t h e s o f tl a y e ri sh i g h - c o m p r e s s i o na n dt h ee a r l i e rc o n s o l i d a t i o np r e s s u r ei sg r e a t e r t h a no v e r l y i n ge f f e c t i v ed e a d w e i g h tp r e s s u r e ，w h i c hi su n d e rc o n s o l i d a t i o n s o i l ，i nr e s u l tt h a ts e d i m e n tc o n s o l i d a t i o ns t i l le x i s t ；2 ) t h ec h a n g es c o p eo f s e t t l e m e n t q u a n t i t yi s0 3 8 9 0 7 2 9 m ，w h i c hi sn o to n l ya s s o c i a t e dw i t ht h e c o m p r e s s i b i l i t yo fs o i l ，b u ta l s ot h et h i c k n e s so ft h el a y e r s e d i m e n t a t i o nr a t ei s 2 1 0 2 9 7c m a ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s ，i ti n d i c a t e st h a t l a n ds u b s i d e n c ep h e n o m e n o ne x i s t s ；3 ) a n a l y s i sc a nb ed r a w nb yu s i n gt h ep l a x i s s o f t w a r et os i m u l a t ec o n s o l i d a t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s eo fd e p t ho fe m b e d m e n t ，t h e s o i ls e t t l e m e n ts h o w sl i n e a rr e d u c t i o n ，m o r e o v e rt h et r e n do fd e c l i n i n gi sq u i c k ；4 ) i tc a nb es e e nt h a tt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es o i la r ei n t e r n a l c a u s e s ，a n dt h ea c t i o no fw a v ea n dt i d ei st h ee x t e r n a lc a u s e si nt h ep r o c e s s i o no f s u b s i d e n c e o nt h e s eb a s i s ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ep o t e n t i a lh a z a r d sb r o u g h tb y l a n ds u b s i d e n c ew e r ea n a l y z e d ，w h i c hi si m p o r t a n tt op r o v i d ei n s t r u c t i o n so f t h e o r ya n dp r a c t i c ei nt h er e s e a r c ho fd i s a s t e r sp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o n ，l a n d u s e ，r i v e rm o u t ha n dc h a n n e lr e g u l a t i o na n do b s e r v a t i o na n dm o n i t o r i n gi nl a n d s u b s i d e n c e k e y w o r d s ：c h e n g b e ia r e a ；l a n ds u b s i d e n c e ；q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ；c o n t r o l s e t t l e m e n tm e a s u r e s 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 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：0f 蜀忍签字日期：如铲年否月f e t 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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 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： z 凰袁 导师签字： 签字日期： 萨6 月l e l 签字日期眈，解占月，日 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 o 前言 地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性 地面标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。 地面沉降具有形成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大 等特点，是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威 胁的地质灾害。近几十年来，随着社会经济的发展和人口的增加，过度开采地下 水、石油、天然气、固体矿产等资源的现象屡见不鲜，使得地面沉降问题越来越 严重，城市化进程加快，大面积建筑载荷骤增，使沉降面积不断扩大，形成了今 天地面沉降遍及全球的地面沉降现状。 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 1 研究意义、现状与内容 1 1 研究意义 从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代起，黄河水下三角洲对中国第二大油田一胜利 油田经济稳定发展起到重要作用，黄河水下三角洲环境稳定成为国内外地球科学 家、工程师和环境规划设计者们共同关注的问题。随着海底和海岸经济地位的日 益提高，海洋灾害地质的研究对海底工程、护岸工程都有重要意义。本文研究区 是1 9 6 4 年到1 9 7 6 年间黄河携带泥沙快速堆积形成的水下三角洲( 见图1 1 ) ，位 于黄河三角洲东北部渤海浅海中，这里是世界上海洋工程环境最复杂的区域之 一。现代黄河三角洲形成于1 8 5 5 年之后，1 9 7 6 年黄河改道由清水沟流路入莱州 湾，本区黄河泥沙来源断绝，埕岛地区的废弃黄河亚三角洲发生了严重的侵蚀后 退，形成了复杂多样的水下地貌。 研究区位于的黄河水下三角洲埕北海域，是中国第二大油田一胜利油田开发 的主力区块，也是灾害地质多发的地区，石油开采带动三角洲地区经济蓬勃发展， 黄河水下三角洲环境稳定对经济稳定发展起到重要作用。随着黄河三角洲社会经 济建设的高速发展，沿岸和近岸浅水工程建设日益增多，如海岸带开发、港口建 设、防波堤的修筑、钻井平台及井场建设、等越来越多的遇到结构物地面稳定性 问题。但是经济建设需要对这些灾害的发展趋势以及如何有效的抵御与防治这些 灾害进行研究，这其中一个基本问题是未来海面相对变化有多大。任美锷( 1 9 9 4 ) 在分析了前人对全球海平面变化的估计和1 9 5 5 1 9 8 8 年期间地壳形变观测数据 后，提出未来5 0 年现代黄河三角洲地区相对海面下降速率为6 3 1 0m _ r l l a 。不过 对于新成陆的黄河三角洲地区，全球海面变化和地壳形变只是导致海面相对变化 的部分原因【1 1 。钱意颍( 1 9 9 3 ) 曾对比1 9 5 5 年和1 9 6 7 年地形图，发现这期间黄 河三角洲局部地区发生了平均4 2 - 8 3c m a 的地面沉降，并将此部分归因于沉积 物的压实固结作用【2 1 。 但是，目前在地面沉降方面注重于陆地地面沉降、沉降机理的研究，认为 主要是由于开采地下水和地下流体导致地面沉降，缺少现代黄河水下三角洲沉降 规律、沉降模式、沉降量及废弃河1 2 1 - - 角洲、现行河口三角洲等不同区域的沉降 2 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 变化的研究。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外地面沉降现状 图1 1 研究区域位置图 现有文献资料表明，1 8 9 1 年墨西哥城最早记录地面沉降现象，目前平均沉 降量达到o 3c m a ，最大累计沉降量超过7 5m ，有的地区甚至超过1 5m 【3 j ；日 本1 8 9 8 年在新泻最早发生地面沉降，至1 9 5 8 年地面沉降速率达5 3 0m m a ， 1 9 5 2 1 9 5 6 年新泻是日本地面沉降最严重的地r 4 ；上个世纪意大利的r a v e n n a 地区发生了大面积的地面沉降【孓6 】。起初沉降不大，每年数毫米；第二次世界大 战后，由于过度抽取地下水，以每年1 1 0 m m 的沉降量剧增；美国至2 0 世纪7 0 年代初期，美国已有3 7 个州因开采地下流体而产生的不同程度的地面沉降现象， 至1 9 9 5 年美国5 0 个州均有地面沉降发生f 7 j 。据统计【8 1 ，目前世界上已有6 0 多个 国家和地区发生地面沉降，包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英 国、俄罗斯、委内瑞拉、荷兰、越南、匈牙利、德国、印度尼西亚、新西兰、比 利时、南非等。 2 0 世纪2 0 年代初，中国最早在上海和天津市区发现地面沉降灾害，至2 0 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 世纪6 0 年代两地地面沉降灾害已十分严重1 9 。2 0 世纪7 0 年代，长江三角洲主要 城市及平原区、天津市平原区、华北平原东部地区相继产生地面沉降；8 0 年代 以来，中小城市和农村地区地下水开采利用量大幅度增加，地面沉降范围也由此 从城市向农村扩展，在城市上连片发展。同时地面沉降地区伴生的地裂缝加剧了 地面沉降灾害【1 m 1 2 1 。自1 9 2 1 年上海市区最早发现地面沉降以来，至今中国已有 9 0 多个城市和地区发生不同程度的地面沉降，到2 0 0 3 年沉降面积达9 3 8 8 5 k m 2 【1 3 】。其中最为突出的是以上海为代表的长江三角洲、以天津为代表的环渤海区 和西安等地。 1 2 2 国内外地面沉降研究现状 各国学者围绕地面沉降问题深入开展了多方面研究，如引起地面沉降的原 因、地面沉降的内在机理和发展过程以及地面沉降的综合防治措施等，最值得一 提的是成立了进行地面沉降工作的国际组织机构联合国教科文组织地面沉 降工作组( u n e s c o ，w o r k i n gg r o u po nl a n ds u b s i d e n c e ) ，该工作组通过组织 讨论会的形式，将世界各国从事地面沉降研究工作的科学家们组织到一起进行广 泛的学术交流，并已分别于1 9 6 9 、1 9 7 6 、1 9 8 4 、1 9 9 1 、1 9 9 5 、2 0 0 0 、2 0 0 5 年召 开了七届地面沉降国际研讨会，对许多国家或地区的地面沉降监测、研究和防治 产生了深远的影响( 陈枢，2 0 0 5 ) 。其中，第七届国际地面沉降学术研讨会己于 2 0 0 5 年1 0 月2 4 日2 8 日在我国上海市圆满举办。 在各国学者的共同努力下，国际地面沉降研究无论从广度和深度上都有了较 大的发展。如研究领域从地面自然沉降到地面人为沉降，从陆地地面沉降到海底 地面沉降，从开采地下流体地面沉降到开采地下固体矿物地面沉降，从现代地面 沉降到古代地面沉降，研究方法从人工水准地面沉降测量到g p s 和星载合成孔 径雷达干涉监测，从分层标水准监测到放射性探测，从地面沉降防治到社会决策 综合制定，从地面沉降分析预测到地面沉降信息系统和三维可视化等等。 1 2 3 黄河三角洲地面沉降研究现状 黄河三角洲地处渤海之滨的黄河入海口，为全国最大的三角洲，也是我国温 带最广阔、最完整、最年轻的湿地。开发黄河三角洲地区是全国经济战略布局的 4 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 重要内容，如今已被国家计委列入2 1 世纪优先发展项目。 近几十年来，关于黄河三角洲的研究开展得很多，但大多集中在黄河水沙变 化，以及由此而产生的海岸蚀退、海水入侵等环境问题，对地面沉降的研究相对 较少。而相关的调查研究结果表明，现代黄河三角洲也是一个地面沉降现象较为 突出的地区。 1 9 7 7 年国家地震局地震测量队【14 】在调查海城7 3 级地震所引起的邻近地区 地形形变时，给出渤海沿岸垂直形变图，该图显示1 9 5 3 1 9 7 2 年间黄河口地区 总的地面沉降量在2 0 m m 以上，即每年l m m 以上。 钱意颍【2 】等曾对比1 9 5 5 年和1 9 6 7 年地形图，发现这期间黄河三角洲局部地 区发生了平均4 2 8 3c r n a 的地面沉降。 黄立人等利用五十至八十年代的复测精密水准资料和渤海西、南岸几个 验潮站观测结果对渤海西、南岸近代地壳垂直运动及海面变化进行了研究，指出 黄河两侧有两个下沉速率为5 m m a 的沉降漏斗，但由于缺少精密水准测量复测 资料，没有能够了解三角洲地区沉降的细节。 师长兴【1 6 1 根据$ 2 7 钻孔沉积物粒度组成和物理力学性质资料，计算出前三 角洲粘土层叠置于海底粘性土层上的总沉降量约为1 3 5c m ；海湾或烂泥湾沉积 及前三角洲粘土层叠置于海底粘性土层上的总沉降量约为1 4 8c m 。 刘桂仪等【17 】收集到的有关部门在青州一东营进行的地面沉陷观测资料显 示，1 9 5 3 - - 2 0 0 0 年间，黄河三角洲地区的地面沉降现象普遍，年沉降量一般为4 8 m m ，东营市区及附近石油开采区更为突出，年平均沉降量在l o m m 左右。 山东省鲁北地质工程勘察院【1 8 于2 0 0 2 年对东营地面沉降进行了一次水准测 量，其测量结果显示，东营市周围“全区年平均沉降量为6 3 m m 。 虽然这几次调查与分析的研究时段不同，考查范围不同，所用数据的来源也 不同，致使结果从l m m a 变化到6 3 m m a 各不相等。然而，不容置疑的是，黄河 三角洲存在不可忽视的地面沉降现象，并在一定程度上阻碍着黄河三角洲的快速 发展。因此，对于黄河三角洲地面沉降的更全面更具体的研究工作有待展开。 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 1 3 问题的提出以及研究主要内容与目标 1 3 1 问题的提出 相关的调查研究结果表明，现代黄河三角洲也是一个地面沉降现象较为突出 的地区。然而黄河水下三角洲的沉降问题，至今没有查到文字报道。但是因为地 面沉降导致的沿岸地面水准点失效，使水深资料出现错误，从而使多个平台导管 架标高设计与实际水深不符，产生了巨大经济损失，如胜利油田的c b l 5 1 平台、 c b 2 6 平台、c b g 3 平台等。同时三角洲地面沉降导致相对海平面上升，也引发 了一系列次生灾害，如使沿岸侵蚀加剧、使海岸线后退、风暴潮成灾几率增加、 海水入侵、潮滩损失、围困沿海油田。据粗略计算黄河三角洲岸边的几个临时水 准点自八十年代以来沉降了4 0 7 0 c m ，因而研究黄河水下三角洲地面沉降问题己 迫在眉际。 尽管近几十年来，关于黄河三角洲的研究开展得很多，但大多集中在黄河水 沙变化，以及由此而产生的海岸蚀退、海水入侵等环境问题，对地面沉降的研究 相对较少。本文就现有的黄河水下三角洲埕北海域的一些工程地质资料，来研究 和分析水下三角洲的地面沉降情况，并就地面沉降原因以及控沉措施的分析作这 方面的初步尝试。 1 3 2 研究的主要内容和目标 本文主要研究黄河水下三角洲埕北海域地面沉降问题。一是海底沉积物的自 然压实固结作用引起的地面沉降，在黄河水下三角洲地区，欠固结的新近沉积的 土均有分布，具有高含水量和较高压缩性，普遍存在着自然的压实渗流固结，特 别是海相软土，渗流固结是改善其工程性质的主要因素；二是波浪荷载产生的地 面沉降，对海底沉积物同样存在固结作用。 本文将主要利用9 0 年代在埕北海域进行的工程地质勘探报告、井场调查报 告以及平台间海底管线和电缆路由调查报告等资料，收集前人发表的黄河三角洲 及周围海底沉积物物理力学数据，来弄清现代黄河水下三角洲沉积土的分布规 律、物理力学性质，分析不同类型土体的沉积速率，来研究水下三角洲埕北海域 地面沉降情况，预测其最终沉降量，沉降速率等，预防和减少地面沉降带来灾害 6 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 地质现象，为防止海洋工程灾害提供工程设计需要的重要参数，这是海洋地质和 海洋工程领域迫切需要解决的问题。并在此基础上，对黄河水下三角洲发生地面 沉降的、诱导因子以及地面沉降所产生的影响进行相应的分析，以期为黄河三角 洲防灾减灾、土地利用、河口河道治理以及三角洲地面沉降的观测与监测等方面 的研究提供理论与实践指导并提出控沉对策。为海洋土动力学理论研究增添内 容，为黄河水下三角洲地区工程的经济设计和安全运行提供科学依据，为合理开 发和科学管理现代黄河三角洲提供科学依据。 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 2 研究区域概况 2 1 研究区地理位置 研究区所在位置如图2 1 中a b c d 区域所示，是1 9 6 4 年到1 9 7 6 年间黄河 携带泥沙快速堆积形成的现代黄河水下三角洲东北部的埕北浅海区，起于现行黄 河向北向西延展，止于1 9 7 6 年废弃老黄河口西侧，是胜利油田海上采油的主力 区块。研究区水深在0 1 7 米之间，是黄河1 8 5 5 年改道入渤海以来形成的水下 三角洲，从河口三角洲顶部平原，三角洲前缘斜坡和三角洲前缘隆起裕到前三角 洲一带，巨量泥沙的快速堆积使海底地形和地貌变化迅速。 图2 1 研究区域位置图 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 2 2 研究区地质构造背景 黄河三角洲是自1 8 5 5 年由苏北北归，重新注入渤海以来，黄河泥沙堆积所 形成的三角洲，其间经过七次改道，1 9 7 6 年改道清水沟至今。本文的研究区位 于现代黄河三角洲北部，由于黄河的人工改道，沉积物来源断绝，黄河水下三角 洲由堆积环境迅速转换为蚀退环境，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。 黄河水下三角洲位于三角洲的北部、渤海湾的西南端，是陆海相互作用的交 汇地带，也是河海相互作用的敏感地区。喜玛拉雅造山运动以来，受大洋板块俯 冲的影响，形成了华北大陆构造区东缘的渤海湾大陆边缘谷盆地。根据前第三纪 基岩断裂格局和下第三系的分布，将整个渤海湾盆地进一步划分为坳陷和隆起共 十个次级构造单元。黄河水下三角洲海域属于其中的济阳坳陷范围。 在第三纪裂谷盆地整体下降的同时伴随发生了较为显著的差异构造运动。 晚更新世以来，渤海湾盆地发生了三次海侵，沉积了近1 0 0 m 的地层。 晚更新世至末次冰期间，水下三角洲海域沉积层受海侵、海退等地质过程的 影响，地层呈现出海陆相间、沉积相变的层序特点。 受全球气候变化和海平面波动的影响，大约在距今1 0 k a 以前，现在渤海的大 部分地区为陆相，发育一套含大量钙质结核的河流相和湖泊相沉积地层，在三角 洲地区的埋深为1 0 - - 3 0m 不等。末次冰期后全球气候变暖，海平面上升，至1 8 5 5 年黄河改道入渤海这段时间内，本区沉积了一套以灰褐色软塑到流塑状态的淤泥 质粉质粘土为主的浅海沼泽相沉积体系。1 8 5 5 年，黄河在河南铜瓦厢决口，夺大 清河从山东入海。黄河携带巨量泥沙在渤海湾迅速堆积，形成一套以黄褐色软塑 到流塑状态的淤泥质粉土为主的潮坪三角洲相沉积体系。由于黄河尾闾的频繁摆 动，造成工程性质较差的土层在空间上分布极不均匀，与下卧浅海沼泽相沉积体 系一起构成了对本区海底建筑物影响最大的地层。 2 3 研究区地形地貌特征 黄河1 9 6 4 1 9 7 6 年行水期河道为刁口河流路，其中1 9 6 8 1 9 7 4 年河口大角度 向东偏移，走右路n n e 向入海，1 9 7 2 年8 月至1 9 7 4 年l o 月河流再度向东分汊 9 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 自神仙沟( 现在的黄河海港位置) 入海，1 9 7 6 年黄河改道清水沟入海，2 1a 后的 1 9 9 7 年8 月，黄河经人工改道自清八段向n e 方向入海。1 9 7 6 年前黄河己使三 角洲向海淤进行了1 5 8 5 k m ，造陆面积达4 1 2k m 2 。埕岛油田海区海底地形地貌 则是黄河刁口流路背景下发育而成的。 图2 22 0 0 0 年研究区的海底地形与地貌形态【4 3 1 由图2 2 可以看出，研究区内地势南高北低，1 9 6 4 - - 1 9 7 6 年间形成的黄河水 下三角洲叶瓣依然清晰可见，从东北方向向海突出。区内等深线走向大约1 2 0 。， 基本与岸线平行，但在4 0 m 和1 0 0 m 等深线附近出现明显的坡折地带。西区 - 4 0 m 以上海底平均坡度o 4 8 ，- 4 0 m - - 1 0 0 m 间1 7 5 ，1 0 0 m 以下为0 7 3 。； 在研究区中区一4 0 m 以上海底平均坡度地0 5 7 ，一4 0 m 9 0 m 间1 9 4 ，9 0 m 1 3 0 m 间出现高差达4 5 m 的复杂地形区，局部斜坡近乎直立，1 3 0 m 以下为0 5 6 ；而在东南区海底地形较为复杂，- 4 0 m 以上海底平均坡度较为平缓，一4 0 以 下海底平均坡度1 7 0 ，但海底地形复杂，局部斜坡近乎直立。 l o 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 图2 3 黄河三角洲地貌 1 淤积区2 冲蚀区3 动态平衡区4 河口沙坝5 淤积潮滩6 水下三角洲前缘7 水下淤积岸坡8 前三角洲水下平原9 水下冲蚀岸坡1 0 水下三角洲淤积平原1 1 水下三角洲冲蚀平原1 2 弱冲 弱淤潮滩1 3 稳定的水下岸坡1 4 古三角洲平原1 6 潮间带1 7 过度带1 8 三角洲平原1 9 烂泥湾 2 0 浅海平原2 1 河口牡蛎礁2 2 小型河流水下三角洲2 3 潮流沟2 4 人工堤坝 由图2 3 能看到，研究区位于i i 类区，是冲蚀区，且位于水下三角洲平原。 这是由于它位于废弃黄河水下三角洲埕北区块，该区海底物质主要来源与1 9 7 6 年前黄河带来的泥沙在河口扩散沉积所形成。黄河改道后，泥沙物质来源减少， 在海洋动力环境下，以整体冲刷为主代替原来河口堆积、淤积的格局，重新塑造 现代的海底。由于黄河流路的摆动，泥沙运移数量的变化使原有的河口沙咀受到 强烈侵蚀，岸线急剧向陆后退，浅海形态也发生了显著变化，海水深度不断增加， 原来的河口沙咀逐渐被改造为沿岸延伸的沙咀型沙坝。同时，海底发育了的大量 形态各异的凹坑、泥流及海底滑坡等不稳定的地貌形态。在潮汐波浪周期应力作 用下，原来黄河口快速沉积而饱含水份的沉积物内部结构也发生变化，从而使沉 积物的工程地质强度减弱，加剧了海底不稳定地貌发育，形成水下三角洲上地形 最复杂，沉积层最不稳定的地区。调查表明，在研究区水下三角洲斜坡上存在着 冲蚀沟槽、蚀余高地、塌陷洼地和凹坑、蚀余斑块和粗糙海底等几种微地貌形态 ( 图2 3 ) 。对比8 0 年代以来的调查资料发现，研究区海底工程地貌正经历着由 堆积海底一冲蚀地貌一蚀余高地一斑状海底一粗糙海底之间的变化。 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 2 4 研究区海洋水文 根据1 9 8 9 年4 月1 9 9 0 年5 月在埕北海域及黄河海港的观测资料，并结合普 查的历史资料，研究分析得出该海域的基本水文特征。 2 4 1 风 大气环流受西风带和贝加尔湖低压系统控制，受海洋的调节。全年平均以南 风出现频率最大为1 0 8 1 ，次常风向为东北偏东风，频率为7 3 。最少风向为 正北风，频率为3 9 4 。全年平均风速为5 2 8m s 。该海域1 1 月份平均风速最大， 为6 1 m s ，其中东北偏北风向的平均风速最大，为9 2m s ，7 月平均风速最小， 为4 4 m s ，平均风速最大的风向为东南风，风速5 4m s 。从全年来看，该海域 年平均风速为5 3m s 。本海区所有月份均可能出现6 级以上大风，4 月。1 1 月 份大风日数最多，分别为1 4 2 天和1 4 5 天。3 月、7 月、9 月大于6 级的大风目 数较少，分别为8 6 天、8 o 天和9 3 天，其它各月均在1 0 天以上。全年平均为 1 3 7 5 天。全年8 级以上大风日数平均为1 5 7 天，出现频率为0 3 6 。强风向为 北西、北北西、北北东、北东及东北东五个方位，大风以秋、冬季多见，其中 1 0 月、1 1 月、1 月和2 月份大于8 级以上大风日数分别为2 3 、2 0 、2 1 和1 8 天。春季的4 月份大风日数也较多，平均1 6 天。夏季6 、7 月份大风日数最少， 平均为o 7 天。 2 4 2 海浪 本海区位于半封闭的渤海内部，在渤海口门长山列岛的阻隔，外海大浪不易 侵入，所以该海区灾害性大浪均为渤海内的风生浪，具有生成快消失快，波周期 1 0 秒以上的大浪很少出现等特点。另外受渤海上风场变化规律所制约，波浪具 有明显的季节变化和年际变化。强浪向为北北东东北东。其次为北西向。常浪 向为偏南向，但波浪较小。大浪多出现在1 0 月至翌年4 月份。 2 4 3 海流 该海区的海流性质属不正规半日潮流，潮流的运动形式为往复流。该区实测 1 2 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 最大表层流速为l1 4 e r n s ，最大可能表层流速为18 2c m s ，最大实测底层流速为 8 1e m s ，最大可能底层流速为1 2 9c r n s 。涨潮流方向为东东南，落潮流方向为西 西北。主流方向基本与岸平行。强流区发生在1 0 1 5 米等深线的区域。本海区 的余流受风影响很大，随风的改变而变化5 月表层最大余流流速是7 1 c m s 底层 最大余流流速为6 2 c m s ；8 月表层最大余流流速是6 9 c m s ，底层最大余流流速 是6 4 c m s 研究区的工程地质特征 3 1 研究区地层地史 受全球气候变化和海平面波动的影响，大约在距今1 0k a 以前，现在渤海的 大部分地区为陆相，发育一套含大量钙质结核的河流相和湖泊相沉积地层，在三 角洲地区的埋深为1 0 - 3 0m 不等( 见图3 1 ) 。末次冰期后全球气候变暖，海平 面上升，至1 8 5 5 年黄河改道入渤海这段时间内，本区沉积了一套以灰褐色软塑到 流塑状态的淤泥质粉质粘土为主的浅海沼泽相沉积体系。18 5 5 年，黄河在河南铜 瓦厢决口，夺大清河从山东入海。黄河携带巨量泥沙在渤海湾迅速堆积，形成一 套以黄褐色软塑到流塑状态的淤泥质粉土为主的三角洲相沉积体系。由于黄河尾 闾的频繁摆动，造成工程性质较差的土层在空间上分布极不均匀，与下卧浅海相 沉积体系一起构成了对本区海底建筑物影响最大的地层。 黄河水下三角洲埕北海域地面沉降分析和控沉对策研究 18 5 5 年以来现代 黄河三角洲沉积 沉积物以粉砬为主有细砂及淤泥夹层地层 不连续有大童塌陷、滑塌、冲沟、切剥充 基结构，蚀余浅裹滑坡，葛密度沉积物重力 流等丕稳定性现象存在承载力中等偏下， 分布不均匀 磐璺案孽鎏厘翳骞嘉1 8 5 5 年_ = = = = = = 以泥质沉积物为主，地屡 的渤海浅海陆架沉积物三三三三；二-囊霾；嘉疆羿畲罘叠誉? i 河流相滨海相及浅海 相沉积 海陆相地摩交警存在的 组台 、 l “ t 0 l i 由细砂，粉砂及泥质屡 组成有断裂及断层存 在，断距一般2 - s m 断距 由上至下增大其活动还 可麓与基底构遣运动有 关。 图3 1 埕北地区工程地质特点及浅地层部稳定分析示意图【5 2 】 第四纪沉积在埕岛地区为3 5 0 m 左右。在早更新世至中更新世，本区为滨海 陆地，湖泊河道星罗棋布，主要地层为粘土和粉砂互层，其中有4 5 期海侵层， 沉积的时间都比较短暂。该区埋深3 0 m 以浅地层为第四纪全新世三角洲沉积和 浅海相沉积地层。 3 2 研究区沉积物平面分布特征 本研究区是黄河18 5 5 年改道入渤海以来形成的水下三角洲。黄河流域的水土 流失，特别是黄土高坡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滨海区，在海洋水动力和河川径流的作用下迅速堆积形成突 出海中的沙嘴，受沙嘴的屏蔽作用，两侧的水动力条件减弱，细粒物质沉积下来 而形成两片烂泥滩。而黄河改道以后，在波浪与海流的作用下，不断把细粒物质 带向远海，只剩下颗粒比较粗的物质。其中粉土分布面积最大，占全区9 0 ，粘 土的分面积最小，不到1 ，其余的为粉质粘- t - - _ ( 图3 2 ) 。但本区粘粒含量变化规 1 4