现代黄河水下三角洲土体工程性质及固结沉降特性研究＊

刘 杰，冯秀丽，刘 潇，林 霖

（中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛266100）

现代黄河三角洲位于渤海湾南侧、莱州湾西侧，为1855年黄河北归注入渤海以后，由黄河携带泥沙堆积而成的三角洲。现代黄河水下三角洲附近海域蕴藏着丰富的油气资源，是胜利油田开发的主要区块。近几十年来，关于黄河三角洲的研究开展得很多，主要集中在黄河水沙变化，以及由此而产生的海岸蚀退等方面。刘勇等[1]根据黄河三角洲长期水深测量资料的对比研究，对黄河废弃三角洲海底冲淤演变规律进行了研究；冯秀丽等[2]对黄河三角洲埕岛海域的地貌演化及相应的地质灾害进行了分析；褚忠信等[3]根据遥感影像提取一般高潮线和从实测水深提取2m等深线，分别研究了陆上三角洲和水下三角洲的冲淤变化；杨伟等[4]通过1996—2005年的固定断面水深测量资料对黄河三角洲清水沟河口区近期冲淤变化特征进行了研究；刘晓等[5]根据黄河口附近海域水体悬浮泥沙浓度和光谱信息的同步测量数据，对研究区悬浮泥沙浓度进行了定量反演，分析了黄河口附近海域悬浮泥沙分布特征，获得了2009年夏季黄河入海口悬浮泥沙浓度分布图。但目前的冲刷研究多以水深测量资料为基础，而水深地形变化不单单是由冲刷产生的，其中三角洲的固结沉降占了相当的比例，这是不容忽视的。

因此，对黄河水下三角洲地面沉降特别是固结沉降研究，预测其最终沉降量、沉降速率等，可以为防灾减灾提供理论数据，为水下三角洲地区海洋工程的经济设计和安全运行提供科学依据。

1 研究区概况

现代黄河三角洲是1855年黄河北归注入渤海以后，由黄河携带泥沙堆积而成的三角洲，到目前为止只有一百多年的历史，是世界上最年轻的三角洲之一。从1855年黄河北归，到1976年黄河基本稳定在现今位置，黄河总共经历8次改道，形成了8个叶瓣[6]。按照形态，黄河水下三角洲可分为三角洲顶部平原、前缘斜坡以及前缘裾[7]。黄河三角洲近岸海域主要为不规则半日潮，涨潮平均流速为38（表层）和30cm/s（底层），涨潮历时小于落潮历时，落潮流速小于涨潮流速[8]。波浪受风的控制显著，本海区的常浪向为NE向，频率为10.3%[9]。

2 研究资料与研究方法

2.1 资料来源

本文收集了1999年的ZK－1孔和2002年的ZK－2孔的工程地质勘察数据、钻孔室内分析试验数据以及钻孔分析报告，以分析现行黄河口及黄河故道河口海域沉积物的垂向分布规律和物理力学性质，计算2个钻孔的固结沉降量及沉降速率。研究区及钻孔的位置如图1所示。

2.2 研究方法

本文采用Terzaghi[10]提出的一维固结理论，利用分层总和法研究土层饱和状态下的水下三角洲渗透固结过程。研究区土体需满足以下3个假设：土体均质饱和，土颗粒和孔隙水均不可压缩；土体的压缩符合压缩定律；土体中的孔隙水渗流发生在竖直方向上，且符合达西定律[11－12]。

图1 研究区及钻孔位置图Fig.1 Location of ZK－1，ZK－2and study area

首先根据现场钻探、沉积物粒度分析结果以及土体物理性质将研究对象分为若干层，第i层土体的固结压缩量计算公式为：

其中：Δsi为第i层土体的压缩变形量（m）；hi为第i层土体的厚度（m）；e1i为第i层原状土体的孔隙比；e2i为土体在自重应力及附加应力作用下，压缩达到稳定条件下的孔隙比。

式中：ai为第i层土的压缩系数（kPa－1）；p1i为第i层土体的自重应力（kPa）；p2i为第i层土体的自重应力与附加应力之和（kPa）。

土体的最终沉降量s为：

根据《土力学地基基础》[13]中固结度的计算方法，按照分层总和法计算土体的最终沉降量s，经过时间t后，固结沉降量st与最终固结沉降量s的比值，即为固结度U：

式中：n为正奇数（1，3，5，……）；TV为时间因子；CV为土体固结系数（cm2/a）；H为土层厚度（cm）；t为固结沉降的时间（a）；k为土的渗透系数（cm/a）；e1为渗流固结前土体的孔隙比；γw为水的重度（kN/m3）；a为土的压缩系数（kPa－1）。

在计算时，由于钻孔中各土层的工程性质以及受到的有效应力不同，在相同时间内的固结沉降量和固结度不同。本文在计算时依然采用分层总和法，通过计算时间t后各层的固结沉降量，获取一定时间内整个钻孔的总沉降量st，计算固结度。

3 结果与讨论

3.1 岩土工程性质特征

根据两钻孔现场钻探记录、室内粒度分析实验、室内土工试验资料等进行分析，2个钻孔的沉积物分布特征在垂向上大致相同，沉积物组成以粉土和粉质黏土层为主，含有少量的淤泥、黏质粉土及粉砂层。10m以浅土层为黄河水下三角洲快速沉积和全新世浅海相沉积的欠固结土，10m以下土体的工程性质波动不大，各参数变化较小，二者在沉积物组成和物理力学性质方面有较大差别。2个钻孔上部土体沉积物类型和工程性质有明显差异：根据2个钻孔深度上沉积物类型及工程力学性质变化曲线，靠近现行河口的ZK－2孔表层以淤泥为主，表现为高孔隙比、高压缩系数及高液性指数，为高压缩性低强度的软弱土层，而ZK－1孔表层沉积物有明显的粗化现象，以相对更粗的粉土为主，相应的物理力学性质也有所差异。这主要是由于黄河尾闾段改道后，使原本在ZK－1孔附近形成的黄河水下三角洲体进入蚀退阶段，在海洋动力的作用下，该处水深逐渐增大，三角洲表层沉积物中的黏土等细颗粒物质被侵蚀搬运掉，相对较粗的粉砂保留下来，工程性质也随之发生变化。

3.2 最终固结沉降量

由于现代水下三角洲沉积物、废弃水下三角洲沉积物和渤海基底沉积物基本未因侵蚀、剥蚀而产生卸荷作用，所以在固结沉降计算过程中均按正常固结状态或欠固结状态进行计算[14]。根据Terzaghi一维固结理论，采用分层总和法对研究区钻孔固结沉降量进行分层计算，计算结果如表1和2所示。

根据计算结果可以看出，ZK－1孔（60.5m）的最终固结沉降量为2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最终固结沉降量为1.70m。根据各层土的沉降量，得到2个钻孔的固结沉降曲线（见图3），从表1、表2以及图3中可以看出：2个钻孔的固结沉降曲线有所不同，ZK－1孔的最大单位深度土体固结沉降量为9.6cm/m，平均单位深度土体固结沉降量为3.44cm/m，ZK－2孔的最大单位深度土体固结沉降量为6.9cm/m，平均单位深度土体固结沉降量为3.38cm/m。总体上，两钻孔的单位深度土体固结沉降量呈由上到下逐渐增加的趋势，2个钻孔的沉降曲线都可以分为3段，第一段单位沉降量最小，仅为1cm/m左右；第二段沉降量较第一层土体稍大，为2～5cm/m；第三段是构成最终沉降量的最主要部分，这一段的最终沉降量占总沉降量的40%左右，平均单位深度的沉降量为6～9cm/m。

图2 钻孔沉积物物理力学性质柱状图Fig.2 Water content，void ratio，liquidity index，compressibility of ZK－1and ZK－2

表1 ZK－1孔各土层沉积物类型及沉降量（深度自上而下）Table 1 Sediment types and subsidence of ZK－1in different layers（from top to bottom）

造成各土层单位深度土体固结沉降量不同的主要原因是土体的物理力学性质差异以及上覆应力的不同。2个钻孔的沉降特性基本一致，第一段为三角洲前缘沉积物在自重应力条件下产生的沉降，这一段虽然有较大的压缩系数，为高压缩性低强度土体，但由于没有上覆压力，因此沉降量并不大；第二段为固结速度快、压缩系数小的粉砂、细砂和粘质粉土交互层，该层虽具有较大的上覆应力，但压缩性较低，因此该段固结沉降量较上段稍大；第三段是构成最终沉降量的主要部分，具有适宜的压缩性以及较大的上覆应力，这一段的厚度占整个钻孔的20%左右，其最终沉降量占总沉降量的40%左右。

表2 ZK－2孔各土层沉积物类型及沉降量（深度自上而下）Table 2 Sediment types and subsidence of ZK－2in different layers（from top to bottom）

图3 两钻孔固结沉降曲线Fig.3 Consolidation settlement curves of ZK－1and ZK－2

3.3 固结度随时间的变化

在三角洲地层固结沉降过程中，土的渗透系数、压缩系数以及孔隙比等都是随时间和有效应力的变化而变化的，为了简化计算过程，本文在进行计算时，取它们在固结过程中的平均值。计算所得的固结度随时间的变化曲线如图4所示。

图4 两钻孔固结度随时间变化曲线Fig.4 Consolidation degree of solum versus time in ZK－1and ZK－2

通过计算可知，固结度随着时间的增加而逐渐增大，2个钻孔土体固结度达到90%的时间大概需要15～20a。随着时间的增加，固结度的变化速率逐渐减小，固结度变化最快的部分出现在开始的5a中，固结度可以达到60%～70%；而固结度由80%达到90%需要10a左右的时间。根据各钻孔达到稳定状态时的最终沉降量和固结度随时间的变化关系，在20a左右的固结沉降时间里，两钻孔厚度50m以内土体的平均沉降速率为6.5～8.5cm/a。

根据固结度随时间的变化关系研究可知，在海底表层不再堆积新的沉积体的情况下，随着时间的推移，三角洲土体的固结沉降速率逐渐变小，这是由于研究区地层主要由粉土层和粉质黏土层相互交替，粉土层的渗透系数较高、土体固结沉降速率较快，一般在1年以后固结度就可以达到90%，因此，最快的固结速率出现在开始阶段。随着时间的增加，粉质黏土层的渗透系数、压缩系数、孔隙比等逐渐变小，固结度的变化也逐渐变小。

4 结论

（1）2个钻孔的沉积物组成以粉土和粉质黏土为主，含有少量的淤泥、黏质粉土及粉砂层。由于1855年以后黄河河口位置的变化，2个钻孔10m以上的沉积物粒度和工程性质有明显差异，黄河故道河口附近的沉积物有明显的粗化现象，相应的工程性质也有明显区别。

（2）根据 Terzaghi一维固结理论，ZK－1孔（60.5m）的最终固结沉降量为2.08m，ZK－2孔（50.3m）的最终固结沉降量为1.70m；两钻孔的单位深度土体固结沉降量呈由上到下逐渐增加的趋势，ZK－1和ZK－2孔的最大单位深度土体固结沉降量分别为9.6和6.9cm/m，平均单位深度土体固结沉降量分别为3.38和3.44 cm/m。

（3）2个钻孔的固结度均随着时间的增加而逐渐增大，但固结度的变化速率逐渐减小，固结度变化最快的部分出现在开始的5a，固结度达到90%大约需要15～20a，在20a左右的固结沉降时间里，两钻孔厚度50m以内土体的平均沉降速率为6.5～8.5cm/a。

[1]刘勇，李广雪，邓声贵，等.黄河废弃三角洲冲淤演变规律研究[J].海洋地质与第四纪地质，2002，22（3）：27－34.

[2]冯秀丽，戚洪帅，王腾，等.黄河三角洲埕岛海域地貌演化及其地质灾害分析[J].岩土力学，2004，25（增）：17－20.

[3]储忠信，马向辉，张建启，等.一般高潮线与2m等深线反映黄河三角洲冲淤变化的对比[J].海洋地质与第四纪地质，2005，25（4）：23－27.

[4]杨伟，陈沈良，谷国传，等.黄河三角洲清水沟河口区近期冲淤演变特征[J].海洋通报，2010，29（1）：44－47.

[5]刘晓，黄海军，刘艳霞，等.黄河三角洲附近海域悬浮泥沙浓度估算[J].人民黄河，2013，35（2）：10－12.

[6]薛春汀.现代黄河三角洲叶瓣的划分和识别[J].地理研究，1994，13（2）：59－66.

[7]杨作升，G H Keller，陆念祖，等.现行黄河口水下三角洲海底形貌及不稳定性[J].青岛海洋大学学报，1990，20（1）：7－21.

[8]崔承琦，施建堂，张庆德.古代黄河三角洲海岸的现代特征－黄河三角洲潮滩时空谱系研究[J].海洋通报，2001，20（1）：46－52.

[9]任韧希子，陈沈良.黄河三角洲的沉积动力分区[J].上海国土资源，2012，33（2）：62－68.

[10]Terzaghi K.Theoretical Soil Mechanics[M].New York：John Wiley and Son，1943.

[11]Swartzendruber D.Modification of Darcy’s law for the flow of water in soils[J].Soil Science，1962，93：22－29.

[12]Hansbo S.Deviation from Darcy’s law observed in one dimensional consolidation[J].Geotechnique，2003，53（6）：601－605.

[13]陈希哲.土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，2004.

[14]杜廷芹.现代黄河三角洲地区地面沉降特征研究[D].青岛：中国科学院研究生院，2009.