波浪導致粉質土海床破壞過程試驗研究*

楊忠年， 賈永剛，2， 張 琳， 劉曉磊， 單紅仙,2

(中國海洋大學 1.環境科學與工程學院；2. 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

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波浪導致粉質土海床破壞過程試驗研究*

楊忠年1， 賈永剛1，2， 張 琳1， 劉曉磊1， 單紅仙1,2

(中國海洋大學 1.環境科學與工程學院；2. 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

以黃河三角洲粉質土底床為研究對象，通過水槽模擬試驗，研究了不同波高波浪荷載作用下底床的破壞過程與特點。研究發現，波浪導致粉質土底床在孔壓累積和剪應力耦合作用下由表及里破壞；在波浪作用下粉質土底床破壞過程分為土體擴展過程和土體恢復過程，在擴展過程中，破壞土體與波浪同步振蕩，邊界不斷擴展直至極限深度。在恢復過程中，破壞土體振蕩由深到淺逐漸停止，穩定后出現細粒土夾層；破壞土體的長度﹑深度和體積間呈冪函數關系，破壞土體的范圍主要由深度決定；波浪作用停止后，動力固結不足的原破壞土體在新一輪波浪作用下可能會再次破壞；基于極限平衡理論對波致粉質土底床的破壞深度范圍進行了初步的預測，并與試驗結果進行了對比分析。

波浪作用； 水槽試驗； 粉質土底床； 破壞過程； 破壞深度

當今國際海洋油氣資源的開發利用和海底工程設施的逐漸增多使人們增加了對海底斜坡穩定性的關注，再加上海洋調查設備越來越先進，對海底斜坡穩定性的研究手段越來越多，使這方面研究有了比較大的進展。在中國，黃河水下三角洲為重點開發地區，海床的穩定性對海上油田的生產影響巨大，而此地區海底滑坡普遍存在[1-2]，因此深入研究底床的破壞發生過程和形成機制具有重要的工程實踐意義。

海上常有波浪的作用，風浪主要影響到淺水區海床，Wiegel[3]用圖解說明，壓力幅度隨水深的增大而減小，一般認為水深小于150～300m時波浪壓力才對海床起作用[4]，黃河三角洲的許多滑坡被認為均與風暴期間的波浪作用有關[2，5]。對于波浪作用下海底滑坡滑動過程的模擬，之前已經進行了一些室內水槽試驗，發現粉質海床孔壓累積明顯，波浪為其提供了動力因素[6-7]。波浪會使部分土層產生振蕩，與下部穩定土層間產生較為明顯的分界面[8-9]，底床發生振蕩運動土體處形成凹坑,凹坑內土體表層為落淤黏土,下部為粗化粉土[8]。利用室內土樣振動試驗發現波浪循環荷載作用下,粉質土最先液化的位置為土表面,然后逐漸深化[10]。然而黃河水下三角洲粉質土海床在不同波浪荷載條件下的破壞特征如何，破壞土體的發展與恢復過程如何，都需要進行更加系統的物理模擬試驗來進一步解答。

本文通過室內水槽試驗，以黃河口粉質海床為研究對象，模擬不同波高波浪荷載的作用，通過對孔壓的監測和底床土體形態變化的記錄，研究了黃河水下三角洲粉質土在波浪作用下發生破壞與恢復的過程，探討了破壞過程的特點及破壞機制，對波浪作用下粉質土底床破壞深度范圍進行簡要預測，為深入認識黃河水下三角洲斜坡破壞過程提供了試驗佐證。

1 試驗概況

1.1 試驗設備和土樣

試驗在中國海洋大學環境巖土實驗室波浪水槽中進行，試驗系統包括水槽、底床土槽、造波機，具體結構與尺寸見圖1所示。造波機頻率由變頻控制箱來調節，范圍為0.2～50Hz。電動機帶動造波板推動水體形成周期波浪。在水槽末端為消波段，采用礫石鋪設斜坡以消波，防止產生回波干擾試驗。

圖1 水槽試驗裝置圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of wave flume

試驗土樣取自現代黃河三角洲沉積于1964—1976年的刁口流路葉瓣潮灘，取底床土樣進行粒度分析，結果見表1所示。土樣的中值粒徑為0.036mm，其中粒徑小于0.01mm的部分所占的比例達28.2%，泥沙粒徑的分選性一般。

表1 波浪水槽底床土樣粒度分析結果Table 1 Grain size analysis results of wave flume seabed

1.2 試驗方案

之前中國海洋大學和中科院海洋研究所根據調查得到的實測資料推算出在刁口海域4m水深情況下，5年一遇的有效波高為2.3m[11]，根據相似比理論確定本次試驗采用40cm水深，并施加5、10、15cm 3種波高波浪。由于目前水槽試驗條件的限制，還無法做到將土樣按相似比理論進行等比例縮小，參照國內外已發表的波浪水槽試驗方法，直接采用現場取得的土樣進行試驗。

本次試驗的詳細步驟如下：

(1)配置海水。將人工海水鹽按照一定比例與水混合，配制成鹽度為35左右的標準海水。

(2)鋪設底床并標注尺寸。將取來的樣品風干放入攪拌箱中，向桶中加標準海水淹沒土體，然后用攪拌機將土體充分攪拌，使土體分散均勻形成泥漿。將制備好的泥漿沿試驗用水槽(見圖1)側壁倒入底床土槽，并靜止固結10d，固結后底床土體的基本物理力學性質指標為含水量為30%，土粒比重2.72，土的密度為1.9g/cm3，底床土體的孔隙率為46.2%，飽和度為94.9%，內摩擦角為4.8°，內聚力為9kPa。為了確定位置，坐標的選擇如圖1所示，橫坐標以底床最左側為坐標零點，每隔10cm貼標簽，縱坐標(深度)以土槽上邊緣為零點，邊緣固定米尺確定數值。

(3)埋置孔隙水壓力探頭。在底床靜止固結10d之后，在橫坐標為230cm，縱坐標分別為20、30和40cm的位置處埋置3個孔壓探頭(見圖1)。

(4)注入海水。加入配制的標準海水至水深40cm，之后再靜置固結24h。

(5)施加不同波高波浪作用。在靜置后逐一施加5、10、15cm 3種波高波浪，對應的周期分別為3、1.7、1s，波長分別為6、3.6、1.6m。每個波高波浪施加2次，每次波浪作用結束后將水槽靜置一段時間再進行下輪試驗，同一波高波浪作用靜置12h，不同波高時靜置24h。5和10cm波高波浪作用時長都為10h，15cm波高波浪作用時長分別為8和6h。

(6)底床的破壞過程觀測。隨時觀察底床，在底床開始破壞后，每隔0.5～2.5h用記號筆在有機玻璃上描繪出其破壞的邊界，并記錄邊界各點的橫縱坐標值。

2 波浪作用下粉質土底床破壞

2.1 土體液化分析

在波浪作用下，底床土體孔隙水壓力累積，當累積的孔隙水壓力與上覆土體及波浪附加的法向應力相當時，土體完全液化。此處所用的孔隙水壓力比(孔壓比)為波浪作用下產生的超孔隙水壓力與上覆土體有效應力和波浪附加應力之和的比值，用于表示在波浪作用下土體是否完全液化。當孔壓比為0.5時為半液化狀態，孔壓比為1時為全液化狀態。

試驗中6次波浪作用過程中孔壓比變化如圖2所示，可以看出只有10cm波高波浪第二次作用后期20cm深度處土體達到半液化狀態，30和40cm 深度處土體接近完全液化狀態。其它5次波浪作用過程中各深度處土體都未達到半液化狀態。從6次波浪作用過程中，3個深度處的孔壓比可知，30cm深度處土體孔壓比變幅最大，說明這一深度左右土層與波浪出現了共振現象，波浪對這一深度以下的土層影響逐漸減小，而且這一深度處孔壓比最大，最趨于完全液化，這一深度以下孔壓比減小。說明雖然累積孔隙水壓力隨深度增加而增大，但波浪作用下孔壓比并不隨深度增加而增大，有一個臨界深度，此深度處土體最易液化。

2.2 土體破壞過程

底床土體隨加波時間的破壞過程如圖3所示，5cm波高波浪作用時土體未破壞，10和15cm波高波浪作用時底床的土體破壞。由土體液化分析可知，土體都未達到完全液化狀態，甚至在加波的過程中大部分都未達到半液化狀態，所以土體破壞并不是完全由液化引起的，在有效應力降低的過程中也同時有波浪的剪應力作用，當剪應力大于土體抗剪強度時，土體就會發生剪切破壞，土體的破壞深度取決于波浪剪應力作用下土體的極限平衡深度。

而粉土質底床的破壞分為土體擴展和土體恢復兩個過程。土體擴展過程即為破壞土體邊界由淺層向兩邊及深部發展，并隨波振蕩，破壞土體的長度(邊界兩點間水平距離的最大值)﹑深度(邊界點與其豎向對應表層點的縱坐標差值的最大值)和體積(邊界和表層所圍土體面積與底床寬度的乘積)逐漸增大的過程。土體恢復過程為隨波振蕩土體邊界逐漸回縮，其長度﹑深度和體積逐漸變小直至穩定的過程。

圖2 波浪作用下孔壓比變化Fig.2 Curves of pore pressure ratio change under wave action

由圖2可知波浪作用初始便有孔壓的快速累積，且孔壓的累積隨深度的增加而增大，這樣孔隙水在不同深度處就會存在壓差而發生滲流，孔隙水流出過程中，由于水與固體間的粘滯性，會對土骨架有個拖拽作用，即為滲透力，而粉土中粉粒和黏粒占主要成分，粉粒為骨架，黏粒填充其中，在滲透力的作用下黏粒會沿滲流方向運動。在5cm波高波浪作用過程中，表層土體中細顆粒懸浮，粗顆粒在表層運移，在底床中形成了多條垂向細小的裂隙(見圖4(a))，這些裂隙即為滲透力作用下細顆粒向上運移形成的，而這一過程就是所謂的滲透固結過程。而在10和15cm波高波浪作用下，底床淺層土體開始破壞后，破壞土體隨波開始振蕩，使破壞土體的粗細顆粒重新分配，同時破壞土體的邊界也形成了新的易于孔隙水排出的通道，使破壞體邊界附近的細顆粒更易向上運輸，并帶動其邊界的土體繼續破壞振蕩，直至波浪剪切作用所達到的極限平衡深度，此時由于波浪能量的衰減，破壞土體邊界附近土體已基本不再振蕩。以上整個過程即為土體擴展破壞過程。而上部破壞的土體由于不斷的振蕩粗細顆粒分離，粗顆粒下沉，相當于對破壞的那部分底床進行了二次改造，下部分基本為粗顆粒下沉后動力固結形成的，土體更加密實，抗剪強度增大，如果此時波浪剪應力的持續作用不能使其形成破壞剪切面，土體就會開始由深層向淺層恢復穩定，這就是土體破壞的恢復過程，如圖4(b)所示，破壞土體恢復后與周圍穩定底床間存在顏色的差異，并且恢復的土體中有細粒土夾層。

圖3 粉質底床破壞過程Fig.3 Failure process of silty bottom bed

圖4 加波過程中底床土體特性Fig.4 The feature of the soil in the bottom bed under wave action

2.3 土體破壞過程

在波浪作用下底床破壞過程中還發現，在同一波高波浪作用下，第二次加波時初始破壞體的邊界與第一次加波時最后穩定破壞體的邊界大致相同。圖5為在底床破壞過程示意圖中提取的10cm波高及15cm波高波浪作用下典型的破壞體邊界曲線圖，圖中第二次加波時初始破壞土體的范圍與第一次破壞最后穩定那部分土體的范圍基本相同，說明在波浪的再次作用下底床中原最淺層的破壞恢復區域又發生破壞，也稱之為復活[12]，而且同一波高波浪作用時，破壞體復活的時間與加波開始的時間基本相對應。由上面分析的破壞過程分析可解釋這一現象，原破壞的底床土體已經過二次改造形成新的底床，最淺層的破壞恢復區土體為經過改造后的細粒土，在動力固結時間不夠長的情況下，同一波高波浪再次作用會使底床沿最淺層較軟弱區再次破壞。由圖3的同一波高波浪兩次作用破壞過程可以看出，10cm波高波浪第一次作用時并未有明顯的恢復過程，這就是動力作用時間所影響的，在所作用的10h內土體并未達到破壞極限深度，所以在第二次作用時原破壞土體復活并進一步加深直至極限深度，并且有明顯的恢復過程。在15cm波高波浪第一次作用時土體破壞便已達到極限深度，第二次作用時土體復活的深度不會超過極限深度，并且之后就會恢復。

圖5 破壞土體邊界曲線圖Fig.5 Curves of the boundary of failure soil

由此看出，Prior D B等[12]現場觀測到的滑坡的復活可能為經歷波致破壞改造過的土體在動力固結時間不足的情況下遇到波浪的作用而再次破壞的現象，但底床破壞的深度是一定的。

通過對4次波浪作用過程中破壞土體的長度﹑深度和體積的統計，獲得如圖6所示的相關關系圖，破壞土體規模要素間呈冪函數關系，長度與深度間相關性不大，長度的增長率比深度的增長率低，深度與體積間相關性最大，破壞土體的體積基本由破壞的深度決定。

3 土體破壞深度范圍預測

3.1 預測方法

根據以上分析，土體破壞深度決定著土體破壞規模，破壞的極限深度即為波浪所產生的剪應力與抗剪強度間關系決定的，假設波浪要素及土體力學參數是恒定不變的，由于孔壓測量的非連續性，這里就基于極限平衡理論對波浪作用下底床破壞的深度范圍進行簡要預測。

圖6 破壞土體規模要素擬合曲線Fig.6 Fitted Curve of the size of failure soil

因在海洋中，波高通常要比波長小得多，基于這個假設，由著名的小振幅波理論得海底波壓力的峰值為：

(1)

式中：ρw為海水密度；g為重力加速度；H為波高；d為水深；L為波長。

并且將海床看作均質無限彈性體，根據Boussinesq解，波浪在海床內引起的最大剪應力，其值等于水平向最大剪應力:

(2)

式中：P0為波壓力峰值；z為海床深度；L為波長。

再由有效應力原理得：

σ′=σ-μ=γ′z+P0-Δμ

(3)

式中：σ為平面上法向總應力；σ′為平面上有效法向應力；μ為孔隙水壓力；γ′為浮容重；z為底床深度；Δμ為超孔隙水壓力。

由摩爾—庫侖理論得：

τ=c+σ′tanφ

(4)

式中：τ為抗剪強度；c為內聚力；σ′為有效應力；φ為內摩擦角。

此處定義安全系數f=抗剪強度/最大剪應力，在一定波高波浪作用下，由(1)(2)(3)(4)式得：

(5)

從微觀角度來說，飽和粉土主要由粉粒作為骨架顆粒，部分粘粒以及孔隙水充填其中，在外力作用下顆粒間會很容易產生位移，其尺度如果大于了粒間分子或膠體尺寸范圍，內聚力就會喪失。所以累積孔壓最大的時候可以認為土體內聚力為0 ，安全系數可簡化成如下形式：

(6)

安全系數小于1的深度處的土體會破壞，根據⑹式可初步預測粉質底床土體破壞的深度范圍，為了安全考慮，安全系數小于1及1～1.1間的深度都在這一范圍內。

3.2 與試驗結果的對比分析

根據上述方法對試驗中底床土體破壞深度范圍進行計算，所得結果見表2，由所得的安全系數可知，5cm波高波浪作用下底床土體的安全系數都在2以上，波浪作用不會引起土體破壞。而在10cm波高波浪第二次作用時，各深度處安全系數都小于1，說明土體破壞的最大深度可達到或超過40cm，而第一次作用時安全系數在1～1.5之間。15cm波高波浪作用時20cm深度的安全系數都小于1，說明土體破壞最大深度在20～30cm之間。

表2 波浪作用下底床各深度安全系數Table 2 Security coefficient of different depth in the seabed under wave action /cm

在試驗中觀測得到5cm波高波浪作用底床未破壞，10cm波高波浪第二次作用時破壞深度最大為38.9cm，其次為15cm波高波浪第一次作用時深度27.3cm，再次為10cm波高波浪第一次作用時深度23.1cm，最小破壞深度出現在15cm波高波浪第二次作用時為20cm。這與所計算的深度范圍基本相符，也由此看出安全系數在1～1.1之間的土體也有可能破壞。

4 結論

本文通過室內水槽模擬試驗對黃河三角洲刁口地區粉土海床的破壞機理及其破壞過程和特點進行了研究。得出以下結論：

(1)波浪作用下粉質土底床中存在一臨界深度，在此深度處土體最易液化。

(2)波致粉質土底床破壞是孔壓累積和剪應力耦合作用的結果，土體的破壞深度取決于波浪剪應力作用下土體的極限平衡深度。

(3)粉質土底床的破壞分為土體擴展和土體恢復兩個過程。土體擴展過程中，破壞土體隨波振蕩，邊界不斷擴展，細顆粒在滲透力作用下向上輸運。土體恢復過程中，振蕩土體中粗細顆粒重新分配，粗顆粒下沉，破壞土體振蕩由深層向淺層逐漸停止，土體恢復穩定。

(4)破壞土體規模要素間呈冪函數關系，長度的增長率比深度的增長率低，破壞土體的體積基本由破壞土體的深度決定。現場觀測到的滑坡復活可能為經歷波致破壞改造過的土體在動力固結時間不足的情況下遇到波浪的作用而再次破壞的現象。

(5)基于極限平衡理論建立的表示抗剪強度和剪應力間關系的安全系數式可初步預測底床土體破壞的深度范圍。

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責任編輯 徐 環

An Experimental Study on Wave-Induced Failure Process in Silty Bottom Bed

YANG Zhong-Nian1， JIA Yong-Gang1,2， ZHANG Lin1， LIU Xiao-Lei1， SHAN Hong-Xian1,2

(Ocean University of China, 1. College of Environmental Science & Engineering；2. Key Laboratory of Marine Environment & Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

Silty bottom bed in estuary of the Yellow River is studied in this paper. The differences of wave he-ight were applied in a laboratory flume to study failure process of silty bottom bed under wave action, and the characteristic of the process. Results show that coupled accumulative pore pressure and shear stress make silty bottom bed fail from the surface to the inner under wave action. Failure processes of wave-induced silty bottom bed include expansion process and restore process. Failure soil mass is in perfect synch with wave surges, and the boundary extends to the maximum of failure depth in the expanding. Failure soil mass stops oscillating fr-om deep to shallow, and fine grained soil interlay occurs in the failure area after it stabilizes. The relationships among the length,depth and volume of failure soil are found to follow a power function, and the depth beco-mes the chief factor in deciding the scale of failure. After wave action stops, original failure soil mass of lacki-ng dynamic consolidation may reactive under another wave action. Based on the theory of limit equilibrium, th-ere is a preliminary forecasting for the depth range of destructive silty bottom bed under wave action, then to compare with test results.

wave action; flume test; silty bottom bed; failure process; failure depth

國家自然科學基金項目(41072215；40876042)；國家高技術研究發展計劃項目(2008AA09Z109)資助

2013-12-27;

2014-03-20

楊忠年(1985-)，男，博士。E-mail:zhnyang110@163.com

TU431

A

1672-5174(2015)05-075-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20130381