現代黃河水下三角洲土體工程性質及固結沉降特性研究＊

劉 杰，馮秀麗，劉 瀟，林 霖

（中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島266100）

現代黃河三角洲位于渤海灣南側、萊州灣西側，為1855年黃河北歸注入渤海以后，由黃河攜帶泥沙堆積而成的三角洲。現代黃河水下三角洲附近海域蘊藏著豐富的油氣資源，是勝利油田開發的主要區塊。近幾十年來，關于黃河三角洲的研究開展得很多，主要集中在黃河水沙變化，以及由此而產生的海岸蝕退等方面。劉勇等[1]根據黃河三角洲長期水深測量資料的對比研究，對黃河廢棄三角洲海底沖淤演變規律進行了研究；馮秀麗等[2]對黃河三角洲埕島海域的地貌演化及相應的地質災害進行了分析；褚忠信等[3]根據遙感影像提取一般高潮線和從實測水深提取2m等深線，分別研究了陸上三角洲和水下三角洲的沖淤變化；楊偉等[4]通過1996—2005年的固定斷面水深測量資料對黃河三角洲清水溝河口區近期沖淤變化特征進行了研究；劉曉等[5]根據黃河口附近海域水體懸浮泥沙濃度和光譜信息的同步測量數據，對研究區懸浮泥沙濃度進行了定量反演，分析了黃河口附近海域懸浮泥沙分布特征，獲得了2009年夏季黃河入海口懸浮泥沙濃度分布圖。但目前的沖刷研究多以水深測量資料為基礎，而水深地形變化不單單是由沖刷產生的，其中三角洲的固結沉降占了相當的比例，這是不容忽視的。

因此，對黃河水下三角洲地面沉降特別是固結沉降研究，預測其最終沉降量、沉降速率等，可以為防災減災提供理論數據，為水下三角洲地區海洋工程的經濟設計和安全運行提供科學依據。

1 研究區概況

現代黃河三角洲是1855年黃河北歸注入渤海以后，由黃河攜帶泥沙堆積而成的三角洲，到目前為止只有一百多年的歷史，是世界上最年輕的三角洲之一。從1855年黃河北歸，到1976年黃河基本穩定在現今位置，黃河總共經歷8次改道，形成了8個葉瓣[6]。按照形態，黃河水下三角洲可分為三角洲頂部平原、前緣斜坡以及前緣裾[7]。黃河三角洲近岸海域主要為不規則半日潮，漲潮平均流速為38（表層）和30cm/s（底層），漲潮歷時小于落潮歷時，落潮流速小于漲潮流速[8]。波浪受風的控制顯著，本海區的常浪向為NE向，頻率為10.3%[9]。

2 研究資料與研究方法

2.1 資料來源

本文收集了1999年的ZK－1孔和2002年的ZK－2孔的工程地質勘察數據、鉆孔室內分析試驗數據以及鉆孔分析報告，以分析現行黃河口及黃河故道河口海域沉積物的垂向分布規律和物理力學性質，計算2個鉆孔的固結沉降量及沉降速率。研究區及鉆孔的位置如圖1所示。

2.2 研究方法

本文采用Terzaghi[10]提出的一維固結理論，利用分層總和法研究土層飽和狀態下的水下三角洲滲透固結過程。研究區土體需滿足以下3個假設：土體均質飽和，土顆粒和孔隙水均不可壓縮；土體的壓縮符合壓縮定律；土體中的孔隙水滲流發生在豎直方向上，且符合達西定律[11－12]。

圖1 研究區及鉆孔位置圖Fig.1 Location of ZK－1，ZK－2and study area

首先根據現場鉆探、沉積物粒度分析結果以及土體物理性質將研究對象分為若干層，第i層土體的固結壓縮量計算公式為：

其中：Δsi為第i層土體的壓縮變形量（m）；hi為第i層土體的厚度（m）；e1i為第i層原狀土體的孔隙比；e2i為土體在自重應力及附加應力作用下，壓縮達到穩定條件下的孔隙比。

式中：ai為第i層土的壓縮系數（kPa－1）；p1i為第i層土體的自重應力（kPa）；p2i為第i層土體的自重應力與附加應力之和（kPa）。

土體的最終沉降量s為：

根據《土力學地基基礎》[13]中固結度的計算方法，按照分層總和法計算土體的最終沉降量s，經過時間t后，固結沉降量st與最終固結沉降量s的比值，即為固結度U：

式中：n為正奇數（1，3，5，……）；TV為時間因子；CV為土體固結系數（cm2/a）；H為土層厚度（cm）；t為固結沉降的時間（a）；k為土的滲透系數（cm/a）；e1為滲流固結前土體的孔隙比；γw為水的重度（kN/m3）；a為土的壓縮系數（kPa－1）。

在計算時，由于鉆孔中各土層的工程性質以及受到的有效應力不同，在相同時間內的固結沉降量和固結度不同。本文在計算時依然采用分層總和法，通過計算時間t后各層的固結沉降量，獲取一定時間內整個鉆孔的總沉降量st，計算固結度。

3 結果與討論

3.1 巖土工程性質特征

根據兩鉆孔現場鉆探記錄、室內粒度分析實驗、室內土工試驗資料等進行分析，2個鉆孔的沉積物分布特征在垂向上大致相同，沉積物組成以粉土和粉質黏土層為主，含有少量的淤泥、黏質粉土及粉砂層。10m以淺土層為黃河水下三角洲快速沉積和全新世淺海相沉積的欠固結土，10m以下土體的工程性質波動不大，各參數變化較小，二者在沉積物組成和物理力學性質方面有較大差別。2個鉆孔上部土體沉積物類型和工程性質有明顯差異：根據2個鉆孔深度上沉積物類型及工程力學性質變化曲線，靠近現行河口的ZK－2孔表層以淤泥為主，表現為高孔隙比、高壓縮系數及高液性指數，為高壓縮性低強度的軟弱土層，而ZK－1孔表層沉積物有明顯的粗化現象，以相對更粗的粉土為主，相應的物理力學性質也有所差異。這主要是由于黃河尾閭段改道后，使原本在ZK－1孔附近形成的黃河水下三角洲體進入蝕退階段，在海洋動力的作用下，該處水深逐漸增大，三角洲表層沉積物中的黏土等細顆粒物質被侵蝕搬運掉，相對較粗的粉砂保留下來，工程性質也隨之發生變化。

3.2 最終固結沉降量

由于現代水下三角洲沉積物、廢棄水下三角洲沉積物和渤海基底沉積物基本未因侵蝕、剝蝕而產生卸荷作用，所以在固結沉降計算過程中均按正常固結狀態或欠固結狀態進行計算[14]。根據Terzaghi一維固結理論，采用分層總和法對研究區鉆孔固結沉降量進行分層計算，計算結果如表1和2所示。

根據計算結果可以看出，ZK－1孔（60.5m）的最終固結沉降量為2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最終固結沉降量為1.70m。根據各層土的沉降量，得到2個鉆孔的固結沉降曲線（見圖3），從表1、表2以及圖3中可以看出：2個鉆孔的固結沉降曲線有所不同，ZK－1孔的最大單位深度土體固結沉降量為9.6cm/m，平均單位深度土體固結沉降量為3.44cm/m，ZK－2孔的最大單位深度土體固結沉降量為6.9cm/m，平均單位深度土體固結沉降量為3.38cm/m。總體上，兩鉆孔的單位深度土體固結沉降量呈由上到下逐漸增加的趨勢，2個鉆孔的沉降曲線都可以分為3段，第一段單位沉降量最小，僅為1cm/m左右；第二段沉降量較第一層土體稍大，為2～5cm/m；第三段是構成最終沉降量的最主要部分，這一段的最終沉降量占總沉降量的40%左右，平均單位深度的沉降量為6～9cm/m。

圖2 鉆孔沉積物物理力學性質柱狀圖Fig.2 Water content，void ratio，liquidity index，compressibility of ZK－1and ZK－2

表1 ZK－1孔各土層沉積物類型及沉降量（深度自上而下）Table 1 Sediment types and subsidence of ZK－1in different layers（from top to bottom）

造成各土層單位深度土體固結沉降量不同的主要原因是土體的物理力學性質差異以及上覆應力的不同。2個鉆孔的沉降特性基本一致，第一段為三角洲前緣沉積物在自重應力條件下產生的沉降，這一段雖然有較大的壓縮系數，為高壓縮性低強度土體，但由于沒有上覆壓力，因此沉降量并不大；第二段為固結速度快、壓縮系數小的粉砂、細砂和粘質粉土交互層，該層雖具有較大的上覆應力，但壓縮性較低，因此該段固結沉降量較上段稍大；第三段是構成最終沉降量的主要部分，具有適宜的壓縮性以及較大的上覆應力，這一段的厚度占整個鉆孔的20%左右，其最終沉降量占總沉降量的40%左右。

表2 ZK－2孔各土層沉積物類型及沉降量（深度自上而下）Table 2 Sediment types and subsidence of ZK－2in different layers（from top to bottom）

圖3 兩鉆孔固結沉降曲線Fig.3 Consolidation settlement curves of ZK－1and ZK－2

3.3 固結度隨時間的變化

在三角洲地層固結沉降過程中，土的滲透系數、壓縮系數以及孔隙比等都是隨時間和有效應力的變化而變化的，為了簡化計算過程，本文在進行計算時，取它們在固結過程中的平均值。計算所得的固結度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 兩鉆孔固結度隨時間變化曲線Fig.4 Consolidation degree of solum versus time in ZK－1and ZK－2

通過計算可知，固結度隨著時間的增加而逐漸增大，2個鉆孔土體固結度達到90%的時間大概需要15～20a。隨著時間的增加，固結度的變化速率逐漸減小，固結度變化最快的部分出現在開始的5a中，固結度可以達到60%～70%；而固結度由80%達到90%需要10a左右的時間。根據各鉆孔達到穩定狀態時的最終沉降量和固結度隨時間的變化關系，在20a左右的固結沉降時間里，兩鉆孔厚度50m以內土體的平均沉降速率為6.5～8.5cm/a。

根據固結度隨時間的變化關系研究可知，在海底表層不再堆積新的沉積體的情況下，隨著時間的推移，三角洲土體的固結沉降速率逐漸變小，這是由于研究區地層主要由粉土層和粉質黏土層相互交替，粉土層的滲透系數較高、土體固結沉降速率較快，一般在1年以后固結度就可以達到90%，因此，最快的固結速率出現在開始階段。隨著時間的增加，粉質黏土層的滲透系數、壓縮系數、孔隙比等逐漸變小，固結度的變化也逐漸變小。

4 結論

（1）2個鉆孔的沉積物組成以粉土和粉質黏土為主，含有少量的淤泥、黏質粉土及粉砂層。由于1855年以后黃河河口位置的變化，2個鉆孔10m以上的沉積物粒度和工程性質有明顯差異，黃河故道河口附近的沉積物有明顯的粗化現象，相應的工程性質也有明顯區別。

（2）根據 Terzaghi一維固結理論，ZK－1孔（60.5m）的最終固結沉降量為2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最終固結沉降量為1.70m；兩鉆孔的單位深度土體固結沉降量呈由上到下逐漸增加的趨勢，ZK－1和ZK－2孔的最大單位深度土體固結沉降量分別為9.6和6.9cm/m，平均單位深度土體固結沉降量分別為3.38和3.44 cm/m。

（3）2個鉆孔的固結度均隨著時間的增加而逐漸增大，但固結度的變化速率逐漸減小，固結度變化最快的部分出現在開始的5a，固結度達到90%大約需要15～20a，在20a左右的固結沉降時間里，兩鉆孔厚度50m以內土體的平均沉降速率為6.5～8.5cm/a。

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