浙江滨海流泥的探测及其沉积特性分析

江晓益,陈式华,陈 星,李红文

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

滨海潮滩表部一般普遍沉积一层超软淤泥性土,港工规范根据其含水率的不同将其分为浮泥 (ω＞150%)和流泥(85%＜ω≤150%)。《水运技术词典》中对浮泥的描述为重度10.5～12.0 kN/m3的絮凝状沉积物,受水域波浪及潮汐作用呈悬移态,浮泥无结构强度,无附着力;流泥为重度不大于15.0 kN/m3的沉积物,似粥状或糊状,呈流动性,也称为流动性淤泥,流泥稍具结构强度,有附着力[1-2]。

近年来,水利工程施工中越来越关注海涂表层新近沉积的流泥层的厚度及其性状。由于流泥强度极低,一般常规的地质勘察手段无法探测与采集,因此忽略流泥的存在或将流泥视同淤泥必然影响到海堤施工实际的抛填块石方量,使计算的海堤沉降系数大大增加;同时设计人员在海堤稳定计算时必须充分考虑海涂流泥层的影响。在港口工程中,港池及航道的疏浚要求查明海底底质分层情况,流泥的采集及其性状研究同样至关重要。

2 滨海流泥的探测

2.1 流泥的目力鉴别

土分类系统受产业分工的影响很大,各个产业系统都有自己的分类标准,种类繁多,特点各异。目前国标及水利行业规范都没有流泥的分类标准,流泥的分类主要参考港工规范。JTS 133—1—2010《港口岩土工程勘察规范》规定:流泥为孔隙比 e≥2.4,含水率ω≥85%的淤泥性土[1]。JTJ/T 320—96《疏浚岩土分类标准》 规定:流泥为85%＜ω≤150%的淤泥类土;浮泥及流泥的现场鉴别特征为:似粥状或糊状,呈流动性,手感黏糊[2]。可见流泥的目力鉴别内容较为简单,鉴别方法较为单一。野外工作时的目力鉴别是一种重要的工作方法,制定目力鉴别标准有利于岩土工程师的野外鉴别,为最终判断土类提供依据。

浙东沿海杭州湾及三门湾海域采集表部新近沉积的滨海相流泥,在试验室内配制不同含水率梯度(50%～300%按5%～20%含水率递增)的泥质样品,按刀切反映、手感、摇震反映、黏附性、流塑状态、泌水、形变、搅拌阻力等方面进行目力鉴别。

根据室内配制的2组泥质样品系列的室内描述及鉴别,发现存在以下特点:

①手感:ω≥100%时,手捏黏糊感明显减弱。

②刀切反映:ω≤90%时,刀切痕迹明显,且短时不闭合;90%＜ω＜150%时,刀切有痕迹,但很快闭合;ω≥150%时,刀切有少量痕迹或不明显。

③流动性:ω≥85%时,泥面垂直临空开始有少量变形,随着含水率的增加,流动性明显,ω≥120%时,无法垂直临空。

④状态:ω≤60%时,黏附性强,呈固体塑性状态;ω≥200%时,无黏滞感,呈泥浆状态;60%＜ω＜200%时,有黏附性,呈固体流塑状态。

⑤搅拌性:ω≥130%时,搅拌基本无阻力。

JTS 133—1—2010《港口岩土工程勘察规范》在修订时针对淤泥性土取消了浮泥亚类,认为浮泥是一种泥水的混合物,属液体状态或泥浆状态,而岩土工程中的“土”和土力学的“土”是固态的土,流泥是固体状态能够成型的土,因此该规范对流泥仅给出了含水率的下限值,即ω≥85%[1]。从室内试验结果看,当 ω≥200%时,呈明显泥浆状态,故以ω=150%作为流泥的上限确实有待商榷。

综合室内配制样品及潮滩表部的原状流泥样品的特征,流泥(ω≥85%)的目力鉴别可以参考以下方法:颜色为灰黄色、局部可能含少量黑色有机质;形态似粥状或糊状,手感黏糊;刀切有痕迹,短时闭合,搅拌阻力较小;泥面垂直临空或轻微摇震时有变形;易泌水显油脂光泽。

2.2 滨海流泥的柱状采集

根据海底底质沉积特征,浅部自上而下一般分为浮泥、流泥和淤泥。由于浮泥属悬移质,极其不稳定,无附着力和流动特征,采集难度较大,浮泥实际可视为 “水”,港工一般将浮泥视为适航水深。流泥属固体状态能够成型的土,具有一定附着力,一般在极强水动力条件下才具有流动特性,且稍具结构强度,因此流泥具有探测可行性。海洋调查一般采用锥式采样器采取海底底质沉积物,但不能获得沉积物的一定厚度及分层情况。柱状透明采泥器为一套非破坏性沉积物采样设备,采样过程通过安装在采样管底部切割头切割土层,活塞推动形成顶部真空(见图1)。样品被收集到一个透明的采样管中,可以看到样品的原始位置和剖面沉积分层情况 (见图2)。采样管内含活塞连杆,可将样品推出,取不同深度试样进行室内天然含水率试验,确定土层分类及其性质。柱状透明采泥器最大采样水深为6 m,最大采样厚度为1 m,采样管采用透明的高强度有机玻璃材质。

图1 柱状透明采泥器套件图

图2 土层柱状剖面图

现场采样利用RTK定位并测量潮滩涂面高程,探测时尽量选择低平潮期,天气晴好且风浪较小。利用船只作为采样平台,采集后的柱状样品首先进行现场目测初判,初判的依据主要参考流泥的目力鉴别方法,即颜色、手感、刀切反映及其流态。根据初判结果分层量测,做好记录,拍照留存。根据样品初判的状态进行分层切取样品,并做好标识。样品的封存须防止失水,并尽快送至试验室进行天然含水率试验。

潮滩流泥的厚度最终由采集的柱状泥样现场目力鉴别及室内试验成果互相佐证综合判定。

3 流泥的沉积特性分析

3.1 物理指标分析

在浙东沿海沿舟山至温州一带共采集了9组泥质样品(见表1),采集地点位于正在施工或接近完工的堤塘外海侧潮滩,采样点高程为-1.0～0.5 m,样品为新近沉积的滨海相欠固结的淤泥性土。从表1可以看出浙江滨海的流泥具有以下特点:①液限高。土样液限大多数大于50%,多属于高液限黏土[3];②颗粒细。中值粒径一般为0.005～0.009 mm,土样中的黏粒和胶粒含量一般占40%左右,当含水率超过150%时,黏粒和胶粒含量几乎占总颗粒质量的1/2。黏粒和胶粒很细,使得土具有巨大的比表面积和活性,能够把大量的水分和矿物质吸附在土颗粒周围,使其结合水厚,含水率高,孔隙比大,土质松软,强度低[4-5]。

3.2 天然含水率与深度的关系

利用柱状采泥器在乐清湾某围涂工程外海潮滩表部采集了6个柱状超软土样,其中T1～T3距堤轴线约50 m,采样点涂面高程0.5m左右,T4～T6距堤轴线约650 m,采样点涂面高程约-0.5 m左右。根据超软土层天然含水率与深度关系(见图3),潮滩表部沉积的超软土天然含水率随深度增加具有明显减小的规律,近堤段由于受筑堤影响,水动力强度明显减弱,大多数为新近淤积,含水率明显比远堤段高,沉积的流泥层厚度相对较大。

表1 流泥的物性指标表

图3 超软土天然含水率与深度关系图

3.3 含水率与重度的关系

土的含水率和重度是软黏土非常重要的物性指标。港工规范建议饱和状态的淤泥性土可根据天然含水率按γ=32.4-9.07 lgω估算其重度[1]。为了解浙江滨海饱和状态下淤泥性土含水率和重度之间的关系,采集了杭州湾及三门湾潮滩软土进行了室内配比试验,并进行了半对数拟合(见图4)。从图4可看出:饱和淤泥性土的重度随着含水率的升高而减小;含水率和重度之间存在着良好的对应关系,与规范的经验公式基本一致。图4中的点均在规范公式曲线上方,随着含水率的增大,偏差增大,说明实际重度稍大于规范公式计算的重度。规范采用的是日本港湾地区的含水率与重度关系[1],由于地区土质的差异,本次拟合经验公式针对浙江滨海流泥具有一定实用价值。

图4 浙江滨海软土ω与γ关系图

3.4 流泥的粒径分析

流泥的粒径分析是研究淤泥质海岸泥沙运动的重要方法。根据图5、6中流泥的颗粒分析成果,浙江滨海流泥的粒径均小于0.1 mm,当流泥的含水率超过150%时,流泥的中值粒径一般为0.005 mm左右,地区差异较小;在天然含水率相当的条件下,下洋涂所在的三门湾潮滩颗粒最粗,为0.009 mm左右,胜利塘所在的乐清湾潮滩颗粒最细,为0.006 mm左右,龙湾二期所在的温州湾、三山涂所在的台州湾及新泓口所在的杭州湾潮滩颗粒相对中等,平均为0.007 mm左右。

图5 浙江滨海流泥的颗粒级配曲线图

图6 浙江滨海流泥的中值粒径分布图

4 结 语

流泥是滨海潮滩表部沉积的性质极差的超软淤泥性土,其孔隙比大于2.4,含水率大于85%,颜色为灰黄色,形态似粥状或糊状,手感黏糊,刀切有少量痕迹,搅拌阻力较小,泥面垂直临空或轻微摇震时有变形,易泌水显油脂光泽。由于流泥强度极低,采用柱状透明采泥器可获取流泥样品并判断其沉积厚度。通过对流泥的沉积特性分析,可以得出以下几点结论:

(1)流泥多属于高液限黏土;流泥的黏粒和胶粒含量一般占40%～50%左右,中值粒径一般为 0.005～0.010mm;流泥含水率高,孔隙比大,土质松软,强度低。

(2)潮滩表部沉积的流泥含水率随深度增加具有明显减小的规律;流泥的含水率和重度之间存在着良好的半对数关系,对于实际工程来说,通过饱和状态淤泥性土的含水率,可以估算出其重度大小,以便于了解土的物理性质。

(3)浙江滨海流泥的粒径均小于0.1 mm;在天然含水率相当的条件下,三门湾潮滩颗粒最粗,温州湾及杭州湾次之,乐清湾潮滩颗粒最细。

[1]中交第二航务工程勘察设计院有限公司.JTS 133—l—2010港口工程地基规范 [S].北京:人民交通出版社,2010.

[2]交通部上海航道局.JTJ/T 320—96疏浚岩土分类标准 [S].北京:人民交通出版社,1997.

[3]南京水利科学研究院.GB/T 50145—2007土的工程分类标准[S].北京:中国计划出版社,2008.

[4]梁爱华,孙万禾,刘爱民,等.流泥的工程特性分析研究[J].中国港湾建设,2010(3):1-4.

[5]叶国良,郭述军,朱耀庭.超软土的工程性质分析 [J].中国港湾建设,2010(5):1-9.