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黄河水下三角洲插拔桩对底土的 扰动与恢复研究 摘要 黄河水下三角渊埕岛海区浅部地层自上而下主要有三种结构类型：厚层粉土 软弱粉质粘土层型；薄层粉土软弱粉质粘土层型；厚层软弱粉质粘土层粉土或 粉质粘土层型。具桩靴平台在研究区内进行插拔桩，扰动或破坏表层土，拔桩后 形成桩坑。桩坑的恢复夷平、坑内回淤土层性质直接影响后期海洋工程进行。 本文在分析了黄河三角洲埕岛海域沉积规律、水动力要素、地质地貌的基础 上，根据研究区内四个典型井场区域的浅剖、声纳、水深、钻孔资料及土工实验 资料，对桩坑内外土体的性质进行了分析，研究发现三种类型底土在插拔桩后， 回淤地层结构及其物理力学性质与原地层比较，有较大差异。 表层有较厚粉土的区域，插桩后桩坑内仍为粉土，但是表层厚度减小，桩坑 内粉土力学强度有所提高，下部软弱粉质粘土层强度没有明显变化，其下地层未 受到明显扰动。 表层为薄层粉土的区域，插拔桩后桩坑内底土仍为粉土，表层粉土的厚度明 显大于桩坑外正常此层厚度，土层的物理力学性质相近；下部软弱粉质粘土层粒 度及强度发生明显变化。 表层为软弱粉质粘土的区域，插拔桩后桩坑内地层形成两类粉质粘土类和粉 土、砂质粉土的混合堆积：一种桩坑内主要为粉土、砂质粉土：表层为薄层软弱 粉质粘土，向下变为粉土、砂质粉土，坑内地层的物理力学指标明显提高；另一 种坑内为软弱粉质粘土，但厚度明显交小，此类软弱粉质粘土多呈流塑状态。 通过分析推测，影响桩坑内底土变化的原因有插拔桩因素、海洋动力因素、 土颗粒因素等。 研究结果表明，埕岛海区平台插桩会造成浅部地层扰动破坏，但是，除海底 表层为厚层流塑软粘土的区域外，回淤土层粒度偏粗，桩坑内多数地层强度有所 提高。 关键词：黄河三角洲桩坑扰动恢复 s t u d yo nd is a tr a n g e m e n ta n dr e n e w aio ft h es u b s t r a t u m b yp i t c h i n ga n dp u iii n go u tt h ep ii e s i nt h ey e ii o w r i v e rs u b a q u e o u sd e i t aa r e a a b s t r a c t n 他s t r u c t u r e so f t h es u b s t r a t u mi nt h ey e l l o wr i v e rs u ba q u e o u sd e l t aa r e ac a n b ed i v i d e dt ot h r e ec a t e g o r i e s t h ef i r s to n ei sm a d eo fat h i c kl a y e ro fs l i ta n dal a y e r o fs o f ts i l t yc l a yu n d e rt h el h i c ko n e t h es e c o n do n ei sat h i nl a y e ro fs i l ta n dal a y e r o fs o f ts i l t yc l a yw h i c hi su n d e rt h et h i no n e ，t h et i e do n ei sm a d eo fal a y e ro fs o f t s i l t yc l a ya n dal a y e ro fs i l to rs i l t yc l a yw h i c hi su n d e rt h es o f to n e w h e nt h e p l a t f o r m sw h i c hh a v ep i l es h o e sa r ep i t c h e da n dp l l l l e do u to ft h em s e a r c ha r e a , t h e s u b s t r a t u mw i l lb ed i s t u r b e da n dd a m a g e d , a n dt h e ns h o ep i t sa r ef o r m e d md e g r e e o fs h o ep i t s r e n e w a la n dt h ec h 翻诅c t c r so fn e ws h o a lm a t e r i a l sw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e f o l l o w i n gm ee n g i n e e r i n g o nt h eb a s eo fs y s t e m a t i c a l l yg e n e r a l i z i n gt h er e g u l a rp a t t e r n so fs e d i m e n t a t i o n ， p r i n c i p l e so f d y n a m i cf o r e ，s u r f a c ef e a t u r e so f t h eo c e a nf l o o r , t h et h e s i sa n a l y s e st h e s u b s o i li na n do u to ft h es h o ep i t su s i n gt h ed a t ac o m i n gf r o ms i d es c a ns o n a r ，d u a l f r e q u e n c ye c h o - - s o u n d e r , s u b b o t t o mp r o f i l e r , b o r e h o l es u r v e y i n g ，s o i lm e c h a n i c s w e f i n dt h a tt h es u b s t r a t u mo ft h et h r e ec a t e g o r i e si sc h a n g e di nt h es t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r sn 1 0 r eo rl c s s a f t e rb e i n gp i t c h e da n dp m l e do u tt h ep i l e s ，t h es u r f a c eo ft h ef i r s tc a t e g o r yo f t h es u b s t r a t u mw i l ln o tb ec h a n g e di nt h es t r u c t u r e b u tt h et 1 1 i c k n e s so f t h es l i tw i l lb e s m a l l e ra n dt h eh a r d n e s so f t h es l i tw i i ib el o w e r n l ch a r d n e s so f t h es i l t yc l a yi sn o t c h a n g e do b d o u s l ya n dt h el a y e ro f t h es i l t yc l a yi sn o td i s t u r b e do b v i o u s l y e i t h e r a f t e rb e i n gp i t c h e da n dp l l l l e do u tt h ep i l e s ，t h es u r f a c eo f t h es e c o n dc a t e g o r yo f t h es u b s t r a t u mw i l ln o tb ec h a n g e di nt h es t r u c t u r ea n dt h ep h y s i c a lf e a t u r e sw i l ln o t b ec h a n g e de t h e r , b u tt h et h i c k n e s so f t h es l i tw i l lb el a r g e ra n dt h eu n d e rl a y e ro f s o f l s i l t yc l a yw i l lb ec h a n g e dal o ti nh a r d n e s sa n dm e s hs i z e a f t e rb e i n gp i t c h e da n dp u l l e do u tt h ep i l e s ，t h es u r f a c eo ft h et h i r dc a t e g o r yo f t h es u b s t r a t u mw i l le x p r e s st w of o r m a t s o n ei st h a tt h es h o ep i t sa r cm o s t l yf i l l e d w i t hs l i ta b o v ew h i c hi sal a y e ro fs o f ts l i t yc l a y , t h ei n d e xo fi t sp h y s i c a lm e c h a n i c s a ”o b v i o u s l yi m p r o v e d ；t h eo t h e ro n e i st h a tt h es o f ts i l t yc l a yf i l l e dt h es h o ep i t s ，b u t t h et h i c k n e s sc o m e st ob es m a l l e r , a n dt h et y p eo ft h es o f ts i l t yc l a yi sf l u x i o n a l l y 2 p i a s t i c f r o mt h ea n a l y s i so nt h ec h a n g eo f t h et h r e ec a t e g o r i e so f t h es u b s t r a t u m ，w ef m d t h a tt h ee l e m e n t se f f e c tt h es u b s t r a t u mi na n do u to ft h es h o ep i t sa r ei n s e r t i n ga n d p u l l i n go u tt h ep i l e s ，o o 。c a na y n a m i cf o r c e ，s u b s o i lg r a n u l a t i o ne t c t h er e s e a r c ht e l l su st h a tt h es u b s t r a t u mw i l lb ed i s t u r b e db yi n s e r t i n ga n d p u l l i n go u tt h ep i l e s a n dt h es o i lf i l l e du pw i l lb eb i g g e ri ns i z ea n d t h el a y e ri nt h e s h o ep i t sw i l lb eh a r d e r , e x c e p t i n gi nt h ea r e aw h o s es u r f a c ei st h i c kf l u x i o n a u y p l a s t i cs i l t yc l a y k e y w o r d s ：t h ey e l l o wr i v e rd e l t a , s h o e sp i t , d i s t u r b i n g , r e n e w a l 3 独创声明 本人声明所里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! 垫潼直墓丝噩噩缝剔直堕煎：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：赫、鸯签字日期：函p 7 年g 月名日 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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字； 毅放 签字日期：力哆年月日 电话； 邮编 、彳 小钿倦朋 名 年 签 矿 者 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 0 前言 0 1 研究意义 蟊前，陆地油气资源的开采量己里逐年下降的趋势，但人类对于能源的需求 却在急剧的增长，正是在这一大背景下，世界各国为获得发展所需能源而纷纷将 目光投向蓝色国土，进行了大规模的海上油气田的勘探、开发。海洋油气勘探与 开发较陆地有着施工难度大、成本高的特点，石油钻井平台、作业平台作为油气 资源开发的重要手段，其作用越来越明显。 适合浅海石油钻井的移动式平台分为两类：插桩式平台和座底式平台。插桩 式钻井平台、作业平台作为浅海油气工程中经常使用的平台类型，在黄河水下三 角洲地区得到了广泛应用。平台就位后，除受正常的使用荷载之外，还要经受波 浪、潮、流等海洋环境荷载作用。因此。海洋钻井平台、作业平台的就位较之陆 地构筑物对地基条件的要求更加严格。我们对插桩海域地区底土状况须了解更为 全面和详细。 经过钻井平台插拔桩后，海底表层底土受到明显扰动和破坏，并在表层形成 大小不一的凹坑；经过一段时间的恢复和回淤，表层底土的性质、结构都发生了 不同程度的变化，这将直接影响后期修井平台的就位。因此，了解插拔桩后表层 底土的扰动与恢复状况为后续平台工程施工提供了理论依据，对保障海上安全生 产、保证海洋设施的完整及国家财产免受损失有重要的现实意义。同时，本文的 研究为海上工程设施的地基设计提供了良好的理论指导性建议。 0 2 调查研究的历史及现状 随着海洋石油资源在黄河水下三角洲地区的勘探和开发，人们对黄河水下三 角洲( 包括埋岛海区) 的研究也越来越深入。 黄河水下三角洲的研究划分成三个阶段：1 9 5 8 年以前的第一研究阶段， 1 9 5 8 1 9 8 3 年国家计划为主的第二研究阶段，1 9 8 4 至现在以国际合作和市场经济 主导为显著特色的第三研究阶段。 第一研究阶段：主要是针对黄河的治理开展工作。1 9 3 4 年，前黄河水利委员 会在利津始设河口水文站，定期测量黄河河口段的流速、流量、含沙量、输沙量 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 及水质特征等参数，积累了大量的基础资料。 第二研究阶段：河口水文测量范围扩大，并开始初步的地质和海洋调查。河 口水文测量先后建立了罗家屋子水位站、前左水文站、四号桩断面站、钓口水文 站、十八公里水位站和河口水文实验站等。黄河水利委员会水利科学研究所对黄 河尾间摆动、流路变迁、海洋动力等也进行过专门研究。地质调查方面，1 9 5 8 年北京地质学院进行了1 ：2 0 0 0 0 0 区域地质测量。1 9 6 0 1 9 6 4 年地质部海洋地质研 究所等单位在这个区域进行了地质调查，绘制了分流河道图和沉积物分布图。 1 9 6 8 年黄河水利委员会及河口水文实验队又对该图作了补充，并标出1 8 5 5 年的 古海岸线位置。1 9 6 1 年原地质部第一石油普查大队在这个区域发现石油，1 9 6 4 年开始了胜利油田大会战。山东省地质局水文队对地下水进行了调查，黄河水利 委员会水科所对黄河尾摆动、黄河水沙进行了研究。在海洋调查方面，1 9 5 8 年 开始的全国海洋调查，包括了渤海海域；1 9 5 9 年我国自己的黄河三角洲附近海 域的海图出版；1 9 6 2 年中国科学院海洋研究所在渤海进行了较为全面的调查： 6 0 年代末至7 0 年代初的海岸带调查也曾包括三角洲局部岸段。 第三研究阶段：1 9 8 4 年，黄河三角溯调查研究进入一个新的时期。由山东省 海岸带调查办公室领导，组织多部门参加的黄河三角洲综合性调查研究于1 9 8 4 年开始，调查研究包括气象、水文、地质、地貌以及人文经济等方面，其研究成 果黄河口调查区综合调查报告于1 9 9 1 年出版。对黄河三角洲的国际合作调 研工作相继开展，其中较大的专题研究项目有1 9 8 5 1 9 8 7 年青岛海洋大学与美国 合作开展了“渤海中南部及黄河口沉积动力学研究”，对黄河水下三角洲地貌形 态及底坡不稳定性作了调查和研究；1 9 8 6 - 1 9 8 9 年地质矿产部海洋研究所与荷兰 合作进行了“黄河三角洲现代沉积作用及其模式”的调研项目，1 9 9 1 - 1 9 9 4 年继 续合作开展“黄河三角洲全新世演化及环境地质”的调查研究，项目获取了黄河 三角洲的高沙水体的沉积动力学、三角洲的三维格架以及全新世以来黄河三角洲 演化较系统的实测资料。此外，中国科学院海洋研究所、国家海洋局第一海洋研 究所、青岛海洋大学等单位为胜利油田油气勘探开发，在黄河三角洲沿岸及附近 海域进行过多次调查研究，诸如黄河三角洲建港区海洋动力调查、三角洲北岸海 域海洋环境调查、埕岛油田附近海域冲淤变化和泥沙运移监测、以及海上石油平 台周围工程条件的调查等。这些调查提供了详细的小范围内的海洋动力和底质资 料。黄河水下三角洲地质环境研究方面较为综合性的著作有高善明、李元芳等的 2 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 黄河三角洲形成和沉积环境( 科学出版社，1 9 8 9 ) ，林振宏、杨作升的海洋 河口区重力再沉积和底坡的不稳定性( 海洋出版社，1 9 9 0 ) ，成国栋等的黄河 三角洲沉积学( 地质出版社，1 9 9 7 ) ，中国科学院海洋研究所海洋地质研究室的 渤海地质( 科学出版社，1 9 8 0 ) 等。 近年来，随着埕岛海区浅海石油工程的进行，研究埕岛海区的著作越来越多， 其中杨作升、王涛的埕岛油田勘探开发海洋环境( 青岛海洋大学出版社，1 9 9 3 ) 资料较为全面，刘效国等探讨了埕岛海域水深地形特征及冲淤规律，阎通等根据 埕北海域水下三角洲的工程地质条件和水动力条件，分析了海底管线的冲刷稳定 性。陈晖等研究了埕岛海域浅水区人工构筑物周边海底地形演化与海洋灾害地质 现象的关系，鹿洪友等对埕岛地区近年海底冲淤规律及水深进行了预测，冯秀丽 等对埕岛近岸海域悬浮泥沙输运趋势进行了分析，并对该区工程地质从平面和垂 向上做了综合性的评价。 关于具桩靴平台在海底插桩方面的研究主要有：吴建政等对黄河三角洲浅海 插桩工程地基稳定性进行了分析，周俊昌对南黄海铁板砂海床插桩问题进行了研 究，郑喜耀，段忠毅，王家样等对带桩靴平台在海底的插桩深度的计算方法进行 了研究。但对于插拔桩后海底底土的变化研究则较少。 0 3 研究方法 本文利用埕岛海域八组插、拔桩调查资料中具有代表性的四组资料，研究插 拔桩在不同底土中对土体的扰动及恢复情况。其中，地形地貌通过声纳及水深测 量获得，地层分布及结构利用浅地层剖面探测及桩坑内外钻探取样确定，土的物 理力学性质利用土工实验和现场标准贯入试验测定。 调查采用美国t r i m b l e 公司生产的d s m p r o 型d g p s 系统进行现场各类调查 检测的导航和定位。这种仪器通过信息屏幕图形进行显示，通过数据微机自动采 集，其静态精度s5 ：1 0 m ，动态精度蛇5 m 。本次调查采用5 4 北京坐标系，以 高斯克吕格6 。带投影作为投影方式，本区分带号为2 0 ，中央予午线西经1 1 7 。 海底地貌调查采用的是k l e i n 2 0 0 0 双频侧扫声纳，其频率为1 0 0 k h z , 5 0 0 k h z ，可测范围1 2 5 m 1 0 0 0 m ，其分辨率为1 0 c m 。该仪器以热敏打印方式进 行记录。 调查采用海鹰加科电子有限责任公司( 中国无锡) 生产的s d h 一1 3 d 单频测 3 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 深仪进行水深地形探测，其测深范围：0 3 5 1 2 3 m ，测量精度水深0 5 + 5 c m ， 我们在记录时采用模拟和数字两种方式进行记录。 调查采用c h i r pu 浅地层剖面调查仪器进行浅地层探测，确定海底地层的分 布状况和异常地质体的发育特征等。其频率为3 0 k h z 1 0 0 k h z ，发射角3 5 。， 测量精度1 0 c m 。该仪器以热敏打印方式进行记录。 黄河水下三角i i f i 插拔桩对底土的扰动与恢复研究 1 研究区概况 1 1 研究区地理位置 黄河三角洲埕岛海域位于莱州湾西北侧、渤海湾南部的浅海海域。研究区域 的具体位置及研究区域示意图见图l l - 1 。 注：图中的a 、b 、c 、d 分别表示典型井场a 、典型井场b 、典型井场c 、典型井场d 。 图1 1 1 研究区域示意图 1 2 气象条件 1 2 1 风 该海域全年平均以南风出现频率最高，为1 8 8 1 ，以正北风出现最少，频 率为3 9 4 ，冬季多偏北风、西北风和东北风，夏季以南风和东南风出现频率最 高。秋季风由夏季型转变为冬季型，各风向出现频率相差不大，秋季风则是由冬 季型向夏季型过渡，风向渐以南风、东南风居多。该海域平均风速较大时段有三 个：一个是秋季1 1 月份( 6 1 0 m s ) ，一个是春季4 月份( 5 8 0 m s ) ，一个是冬季 2 月份( 5 7 0 m s ) ，1 1 月份主要大风方向为n n e ( 平均风速9 2 4 m s ) ，n n w ( 平 均风速8 8 9 m s ) 和n e ( 平均风速8 8 3 m s ) 。其次在e n e 和n w 方向上也有较 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 大风速( 平均风速分别为7 8 3 m s 和7 3 2 m s ) 。4 月份平均风速虽然较大，但其 某一方向上的风速并不很大，而是各方向上的风速为6 6 5 m s ；s s e 向次之，平 均风速6 1 2 m s ，2 月份主要是n e 向，平均风速最大为7 g m s ，n w 和n n - w 向 次之，分别为7 8 m s 和7 6 2 m s 。该海域全年平均风速为5 2 8 m s 。 年平均风向风速玫瑰图( 见图i - 2 1 ) 。 各月大风天数和大风频率见表1 2 1 平均风速年变化见图1 2 2 。 l n i n w 邋 n e z | | 、 馁厂 帮念e s e c c 、 图1 - 2 1 年平均风向风速图 6 风向 风速 黄河水下三角i i f l 插拔桩对底土的扰动与恢复研究 表l - 2 1 各月大风天数和大风频率 月份l23 4 5 6789 1 0 1 1 1 2全年 大于6 级天数 1 0 51 0 66 89 28 83 24 26 06 68 21 3 o8 09 5 1 大于8 级天数 2 01 0o 40 40 40 40 o0 40 31 00 60 57 9 大于6 级频率 “41 2 o4 27 06 02 60 53 95 79 91 4 67 47 1 大于8 级频率 0 90 40 10 20 1o 10 oo 20 20 40 6o 3o 3 v ( m s ) 月份 图i - 2 2 平均风速年变化图 1 2 2 气温 埕岛海区冬季气温较低，1 月份平均温度最低，为3 5 0 ，平均最低温度为 6 3 。春季气温回升很快，自3 月份至5 月份，三个月时间平均气温由3 2 0 曾 至1 8 9 。夏季三个月气温交幅不大，6 、7 、8 三个月的平均温度分别为2 2 1 、 2 4 9 c 和2 5 9 0 ，平均最高温度7 月份最大，为2 8 6 0 ，8 月份次之，为2 8 7 0 。 秋季气温下降迅速，从9 月到1 1 月，平均气温从2 0 8 0 降至5 3 0 全年该海域 平均气温为1 1 7 0 。表1 - 2 2 给列出了埕岛海域各月及全年平均气温，图l - 2 3 给出了气温年变化曲线。 7 8 7 6 5 4 3 2 1 ( 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 表l - 2 2 各月及全年平均气温 月份 l2 3 4 5 67 8 9 1 0 1 1 1 2全年 最高温度 2 4 2 3 8 41 8 0 2 3 3 2 7 。2 2 8 82 8 72 4 91 9 5 1 0 5 3 31 6 4 平均温度 - 3 5- 2 23 21 1 81 8 9 2 2 1 2 4 92 5 92 0 81 4 35 3一1 71 1 7 最低温度 6 3- 4 10 17 81 3 71 9 22 2 52 2 51 7 61 0 82 0- 4 88 4 温度( ) 图l - 2 3 气温年变化曲线 1 2 3 降水与降雪 表1 2 _ 3 给出了埕岛海区各月及全年平均降水量、降水日数和暴雨目数，这 里降水量大于5 0 m m 成为暴雨日。 表1 - 2 3 各月降水量分布表 全 月份 l234567891 0 1 1 1 2 定 降水量m m4 06 19 8 2 8 1 3 3 1 6 6 51 7 3 41 3 0 24 6 62 6 41 7 68 15 4 9 降水天数 2 72 33 85 45 69 61 3 29 76 9 5 13 6 3 1 7 l 暴雨天数 o 00 21 oo 61 8 由表1 2 3 可以看出，该地区平均降水量为5 4 9 m m ，降水主要集中在6 、7 、 8 三个月中，这三个月降水量共计3 6 8 m m ，占全年降水量的6 7 ；最少降水量 月份为1 2 、1 、2 月份，三月合计降水量为1 8 8 m m ，仅占全年降水量的3 4 。 8 黄河水下三角洲插拔桩对底士的扰动与恢复研究 降雪是降水的一种特殊形式，本区降雪日一般在1 2 月3 日前后，最早降雪 初日曾出现在1 0 月2 5 日：最迟降雪初日曾出现在2 月8 曰；降雪终日一般在3 月2 7 日前后，最早降雪终日曾出现在2 月5 日，最迟降雪终日曾晚至4 月1 0 日平均年降雪日数9 5 天，最多为2 2 天，最少4 天，最大积雪深度1 5 c m 。 1 2 4 寒潮 冷空气影响本区，且使本地气温在2 4 小时内下降i o c 以上，最低气温达5 以下的天气过程称为寒潮。寒潮往往伴随着剧烈降温、霜冻、大风等灾害性天 气。 影响埕岛海域的寒潮天气主要发生在9 , - , 5 月份，平均全年发生6 3 次，其中 以1 1 月份发生最多，平均1 0 4 次；1 2 月份次之，平均0 9 2 次。 1 2 5 台风 台风是形成于热带洋面上的激素旋转的气旋性大漩涡。我国沿海各省均有可 能受到台风影响。直接到达埕岛海域的台风极少，但台风进入山东省及其沿海后， 台风外围会对埕岛海域造成影响，形成大风、暴雨天气和大浪海况。山东省沿海 平均每年有2 9 个台风影响，其中以8 月份受影响可能性最大，平均1 2 5 次，7 、 9 月次之。1 2 月 4 月份无台风影响。 1 2 6 气旋 气旋是指地面封闭的低压天气系统，气旋中常有锋面气旋。气旋天气主要有 大风，降水甚至雷暴，尤其是气旋入海后常常加深，造成海上大风。 影响本区的气旋系统主要有黄河气旋、江淮气旋，蒙古气旋也会对本区造成 影响。 1 3 海洋水文条件 1 3 1 水温 该海域1 月份水温最低，平均水温为1 1 ，8 月份水温最高，平均水温可 达2 7 1 。水温实测结果见表1 - 3 1 。 9 黄河水下三角洲插拔桩对底士的扰动与恢复研究 表i - 3 1 水温实测结果 1月份 l234567891 0 l l1 2 l 平均值 1 12 2 4 41 1 81 9 32 2 42 5 02 7 12 3 i1 6 3l o 74 9 1 3 2 海流 本海域的海流由潮流和余流组成。本海域的潮流基本上呈现正规半日潮流性 质，运动形式为往复流，主流的方向大致与等深线平行，涨潮流的方向约为东南 向，落潮流约为西北向，强流区发生在1 0 1 5 m 等深线之间的区域。在埕岛海域 实测的表层最大流速为1 0 2 c m s ，至五号桩海域达1 3 0 c m s 。实测最大流速多发 生在落潮流方向。涨、落潮的历时受风影响较大，在顺风方向上有历时延长，流 速增大现象。 本区域的余流主要是沿着岸线向西北方向流动。在五号桩海域1 0 m 等深线 以外，余流转向东北方向流动。引堤主轴延线1 0 1 5 m 等深线附近为强流区，最 大流速可达3 1 c m s = 埕岛海域流速减小，最大值不超过1 0 c m s ，流向多为偏西 方向。 1 3 3 潮汐 中科院海洋所和青岛海洋大学在埕岛海区设立了两个较长期的水位观测站， 根据1 4 个月的潮位实测资料进行调和分析，并结合附近台站历史资料进行综合 分析，得知该海域为不正规半日潮类型。依据渤海塘沽、羊角沟和龙口三个长期 验潮站的资料推算，得出本海区各潮位如下： v + 3 0 2 m 校核高水位 v + 1 4 1 m 设计高水位 v + o 0 0 m 黄海平均海平面 1 r o 6 0 m设计低水位 v - 2 2 5 m 校核低水位 1 3 4 海浪 本区的海浪，主要是风浪，海浪的大小随风速的改变而变化。强浪向为n e 向，次强浪向为n n w ，常浪向为s 向。该海区寒流波浪最大，台风波浪次之， 1 0 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 一般天气过程，波浪不超过1 5n l ，极端海况下波高可达到5 8 m 。台风多发生在 夏秋季，到达渤海的次数很少，寒流则每年1 0 月份以后，经常发生。该海区一 年四季均有3 m 以上的大浪出现，但绝大多数集中在冬半年，尤以1 1 月及3 月 前后最为频繁，5 - - 9 月期间大浪很少。7 、8 、9 月大浪最少。波浪侵入浅水区， 当水深为波高的1 2 8 倍时，波浪便发生破碎，破碎瞬时流速很大，对海岸冲刷， 产生回流将泥沙带到破波带，形成沿岸流输沙，因此，波浪是本区沿岸输沙的主 要动力因素之一。 1 3 5 风暴潮 埕岛海区靠近m 2 分潮的无潮区，潮差较小，涨落现象不甚明显。但该海区 受气象扰动的影响相当频繁，既遭受温带气旋和强冷空气的作用，又遭受台风的 侵袭。在区域大风的影响下，水位异象变化十分显著，加之该海区水浅，容易形 成风暴潮灾害。该海域一年四季均有风暴潮发生，但绝大部分集中于冬半年，尤 以冬春、秋冬两个过度季节潮灾较为严重。夏季有时还会受到台风潮的袭扰。区 域性大风是造成该地区风暴潮的主要原因，引起增水的主要天气形势是高低压配 合的“北高南低”系统和台风，其次是冷锋或独立气旋。造成增水的主要方向是 东北大风，造成减水的主风向是西北风。在东南转东北大风的影响之下，极易形 成该区的强大的风暴潮。在发生风暴潮的过程中，该区的增水一般比临近的羊角 沟等地小，从该区向西或向南，增水逐渐加大，这主要是由于该区的岬角地形所 决定的。在风暴期间海面波动非常巨大，暴风巨浪强烈地作用于海底，使具有潜 在不稳定性的土层特征发生破坏。 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 2 研究区地形地貌特征及形成演化 2 1 水深及地形地貌特征 埕岛海域海底地形总体上由s w 向n e 方向倾斜。从图1 1 - 1 可以看出研究 区的水深地形主要可以分为三个区域：4 m 以浅平缓区域；4 m 1 5 m 水深区域； 1 5 m 以深平缓区域。4 m 以浅区域水深变化较小，海底坡度较小，一般在o 0 2 。 一o 0 4 。；4 m 一1 5 m 水深变化较大，海底坡度o 0 5 。 0 2 。；1 5 m 水深以深地区海 底水深变化较小。 由于黄河流路的摆动，泥沙运移数量的变化使原来的河口砂咀受到强烈侵 蚀，岸线急剧向路后退，浅海地貌形态也发生了显著变化，海水深度不断增加， 原来的河口砂咀逐渐被改造成沿海岸延伸的砂咀型沙坝。同时，海底发育了大量 的形态各异的凹坑、侵蚀洼地、蚀余突起及海底滑坡等地貌特征。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分的沉积物内部结构也发生变化 从而使沉积物的工程性质强度减弱，加剧了海底不稳定地貌和发育，形成了水下 三角洲上地形最复杂，沉积层最不稳定的区域。 2 2 研究区沉积规律 埕岛海区的沉积作用是复杂而多变的。这里曾是黄河两期走河流路的入海河 口( 1 9 5 3 1 9 6 4 ，1 9 6 4 1 9 7 6 ) ，每期走河时河口还不断发生小摆动，形成了若干 个突出海中的砂咀及其两侧的烂泥区。这些砂咀相互叠加，形成了巨大而复杂的 陆上和水下三角洲砂咀体系。 在1 9 7 6 年黄河改走清水沟流路以后，由于泥沙来源断绝，走河原来形成的 亚三角洲体系遭到侵蚀，在渤海风浪和近无潮区强海流作用之下；侵蚀速度很高， 海岸蚀退很快。水下砂咀部分受到的侵蚀最为剧烈。 砂咀突出在海底之上。在风浪和潮流的作用下，砂咀沉积物中较细的部分逐 渐被搬运到水力较弱的深水和近岸带内，而砂咀的主要成分即粗粉砂则较均匀地 被分散到整个海区。由于这是一个表层沉积物分选粗化、均匀化和分散再搬运一 沉积的过程，导致了本区沉积物粒度比较单一，在大部分地区海底分布着“铁板 砂”，这是一种以粗粉砂为主要成分的沉积物，9 0 0 4 左右的粒度在4 - 4 5 0 之间， 分选性良好。 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 由于颗粒大小比较均匀相近，所以颗粒间容易排列紧密，趋向形成“等大球 体紧密排列”的结构，给人以坚硬板结的感觉。这一层粗粉砂沉积物形成一层“硬 盖”，厚度0 3 1 0 o m 不等，在水深4 - 1 0 m 的区域内占据了大部分海底，是表层 沉积物的主要部分，其承载力较好，对钻井平台坐底是有利的。但这一粗粉砂为 主的海底沉积物易于液化，也可以给平台或工程设施造成重大问题。 在水动力较小的刁口近岸湾区内分布着较细的沉积物，如刁口大湾内就有大 片较细的粘土质粉砂质沉积物，在黄河海港区水深2 5 m 以远主要是粘土质粉砂。 此外，在港区南北两侧各有一片粉砂质粘土区，形成圈闭，可能与残留的烂泥区 有关。 在表层沉积物以下直到距海面以下1 5 m 左右的地层，都是现代黄河三角洲 的沉积物，即由1 8 5 5 年以来黄河入海泥沙组成的。这一层沉积物具有典型的三 角洲沉积相的特点，粉砂为主的地层，其中夹有多层较细的粉砂质粘土层，各层 厚度多为数十厘米到一米左右。较厚的粉砂层与较薄的细粒层的交错是黄河河口 多次摆动，使沉积环境不断改交的结果，这一地层中岩性不均匀，含有粘土。声 学无序的地层，表现为不连续同生小断层。在这套沉积地层之下为渤海浅海相地 层，由厚约4 - - 8 m ，褐黄色或暗色( 灰黑色) 粉砂质粘土组成，有相当数量的浅 海微体古生物，地层平行连续，是软弱饱含水的地层，承载力极低。自此以下约 有l - 2 m 厚的暗色或黄褐色粘土质粉砂粉砂质粘土的整合地层，根据沉积相分 析应为潮间带相沉积，以上地层沉积物都属于海相沉积。 在这一海相层之下，自泥面以下2 0 , - , 2 7 m 到7 1 m 左右的这一套地层为晚更新 世以来的沉积，属于滨海海陆交互相，其上层为陆相( 滨海河流湖泊相) 地层， 与上伏地层呈不整合关系，界面起伏不平，相差可达7 m 左右，经常可见古河道 和古湖泊埋藏其中。这一地层主要由褐黄色或黄褐色粉砂组成，其中夹有相当多 的较厚的粘土质粉砂层。在中层和下层不同的深度上，各有一套海相层，其沉积 物粒度相对较细，是沧州海侵和献县海侵产生的浅海一滨海沉积。沉积相和地层 埋藏深度的不同，对工程地质性质有很大影响。例如，三角洲相地层承载力中等 偏下，近期的浅海相沉积物承载力几乎没有，而陆相地层则可作为地基持力层。 在潮间带至水深5 m 的范围内，粉砂粒级占绝对优势，并且主要是粗粉砂粒级。 沉积物呈带状分布，主要表现在中值粒径等值线变化上。高潮线附近较细，低潮 线附近变粗。在残余水下砂咀区则有一些含细砂的粗的沉积物，但都属于粉砂类 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 型。在黄河海港区的低潮线以下，粒度渐变细，最后过渡到粘土质粉砂。局部地 区有粉砂质粘土存在。 2 3 区域冲淤变化 埕岛海域位于老黄河口三角洲之上，由于水深较浅，北风风区长，海浪对该 区作用较强。另外受黄河口( 五号桩) 无潮点的影响，潮流流速较大，加大了水 动力对海底沉积物的冲刷作用。根据冲刷速率、地形坡度及年内季节变化的关系， 该区冲淤经历了以下3 个阶段。 2 3 1 快速冲淤阶段( 1 9 7 6 。1 9 8 0 年) 1 9 7 6 年河道改造后，由于陆源沉积物供应断绝，原先的沉积遭到破坏。以 1 5 m 等深线为界，浅水区发生i 串刷，其中2 8 m 等深线侵蚀最大。海底地形8 9 坡 度由1 3 8 0 - - 1 5 6 0 减至1 7 5 0 - 1 8 8 0 ，年冲刷速率最大达1 2 m 。深水区基本上保 持冲淤平衡或略淤。 2 3 2 缓慢冲淤阶段( 1 9 8 1 “1 9 9 1 年) 以继续冲刷为主，但冲刷量已明显减少。平面上冲淤基本与海岸平行呈带状 分布，浅水区冲刷，深水区淤积，最大的侵蚀带在6 m 等深线附近。c b 2 0 井区 年冲刷速率最大的为0 4 9 6 m ，但冲刷强度较前期明显减弱，年内季节性变化规 律得以显现。 2 3 3 以冲为主的冲淤调整阶段( 1 9 9 2 至今) 地形的变化继续向着坡度减小的方向发展，但净冲刷量已明显小于由于季节 变化造成的水下岸坡冲淤调整幅度。比较1 9 9 6 年与1 9 9 2 年水深资料发现，水下 冲淤的沿岸带状分布规律基本无存。年冲淤速率最大仅为0 2 m 。说明长期冲刷 规律对本海区地形演变的控制作用减弱，季节变化已成为海底冲淤调整的主要因 素。年内季节变化又可分为冬半年和夏半年。冬半年风浪强，本区的n e 方向深 水区以小冲刷为主，而浅水区发生淤积；夏半年风浪较弱，浅水区冲刷，而深水 区发生淤积，这种调整作用的结果表现为海底存在一活动层，这一活动层一般不 超过2 0 m 。在冬半年，浅水区活动层较厚；而夏半年，浅水区活动层较薄。在 1 4 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 井场冲刷区内，水砂活动层厚度较大。 2 4 研究区形成演化 2 4 1 黄河三角洲形成演化 公元1 1 2 8 年至1 8 5 5 年黄河注入黄海。1 8 5 5 年6 月黄河在河南兰阳铜瓦厢 决口，从此黄河再次注入渤海，在山东北部形成了现代黄河三角洲，通常称其为 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，至1 9 8 4 年形成面积约5 2 1 2 k m 2 的三角洲平原。黄河自1 8 5 5 年改由山东 入海以来，由于缺乏人为的控制常呈漫流的态势，在此过程中逐渐形成稳定的河 道即通常所说的流路。一条流路稳定几年后，河道淤积抬高，排流不畅导致决口， 在逐渐形成稳定的流路。 一般来讲，黄河的每一期流路的发展过程可大致分为以下三个阶段。第一阶 段为漫流，短命的不稳定的分流河道发育。不管是自然决口还是人为决口，由于 没有现成的河道，即便有现成的河道也是规模过小，无法容纳汛期的黄河水，因 而改道后最初河水漫流入海，之后形成游移不定的短命的一个或数个游荡性分流 河道。第二阶段为形成单一顺直的分流河道。数条分流河道中一条最有生命力的 河道随着输送越来越多的河水，河道加深，形成单一顺直的河道，并稳定数年。 第三阶段为在分流河道两侧决口，形成新的短命的分流河道。由于第二阶段形成 的分流河道向海延伸较快，比降减小，河口和分流河道下段逐渐淤积严重，在汛 期导致决口。首先决口点以下部分河道废弃。第三阶段形成的分流河道由于同样 的原因在原决口点之上形成新的决口和新的分流河道。之后决口点逐渐上移，最 终在三角洲顶点附近决口，形成新的流路，原流路废弃。 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 成突出的砂嘴以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堆积成陆，加之侧向决口、 黄河水下三角洲插拔桩对底土的扰动与恢复研究 尾闾摆动，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。 2 4 2 埕岛水下三角洲演化特点 根据现有海图资料，在1 8 5 5 年黄河由苏北改道北流之前，黄河水下三角洲