海水盐度对沉降泥沙固结过程影响研究

单红仙，王伟宏，刘晓磊，张少同，贾永刚，孙永福

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 3.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061 )

海水盐度对沉降泥沙固结过程影响研究

单红仙1,2，王伟宏1，刘晓磊1，张少同1，贾永刚1,2，孙永福3

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 3.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061 )

黄河每年输送上亿吨泥沙入海，其中80%以上沉积在河口附近水下三角洲。受黄河入海径流量、气候及海洋动力条件影响，黄河口海域海水盐度变化显著。目前，不同盐度海水环境下入海泥沙沉降形成的海床土，固结过程有何差异尚不清楚。本文在黄河水下三角洲潮坪配制不同盐度的流态沉积物，模拟不同沉积环境下新沉积土的固结过程，利用轻型贯入测试、十字板剪切测试等现场原位试验，实时观测沉积环境盐度对沉降泥沙固结过程的影响。研究发现：随着海水盐度增加，沉积物固结强度增大，沉积环境盐度每增高1‰，沉积物固结后强度可增加0.15倍；海水盐度对沉积物固结速率的影响，在初始阶段表现不明显，在沉积物固结后期，盐度每增高1‰，固结速率可增长1.23倍；海水盐度的增高，还加剧了沉积物固结强度的空间非均匀性。本研究的发现，促进了对河口区海底工程环境的认识。

入海泥沙；固结过程；盐度场；现场观测；黄河口；沉积物

黄河于山东半岛北部注入渤海，每年为渤海输送大量的淡水、泥沙以及生源物质。黄河口海域盐度变化主要受黄河入海径流量的影响[1-3]，存在时空差异，时间上主要是季节和年际变化，空间上是水平和垂直方向的变化。盐度的季节变化主要体现在：夏季盐度低，冬季盐度高[4]，9月份盐度最低，5月份盐度最高[3]；其中从1950～2002年间，盐度呈现逐年增高的趋势[2, 5]，自1961～1996年近35年来全渤海平均盐度升高近2‰[2]， 2003 年之后莱州湾平均盐度较 2003 年之前明显降低[3, 6]，2000～2010年每年输运到海的水和沉积物仅达到50年代的30%和10%[7]。在莱州湾的大部分区域盐度垂向分布比较均匀, 只是在河口附近盐度具有一定的垂向结构，表底盐度差别比较大，2005 年 9 月有的近河口站点表底盐度差最大达到8‰；盐度在水平方向的分布特征表现为低盐信号自河口向湾顶传播，2005年5月份观测结果显示莱州湾顶盐度达到28.4‰，湾顶与湾底盐度差达到10‰[6]。近年来，关于黄河口海域盐度的时空变化，已经越来越引起学术界的广泛关注。

黄河口区域的盐度变化对泥沙入海后的动力学行为影响显著，目前国内外学者在此方面的研究多集中在泥沙沉降过程方面。泥沙颗粒表面带有负电荷，在河口地区随着盐度的增加颗粒表面负电荷呈线性下降，悬浮物质的絮凝是由于颗粒表面的电荷被河水跟海水的混合物中和引起的[8]。泥沙的絮凝沉降在悬浮物质的沉积和粒子捕获中占关键地位[9]，河口地区是淡水向海水过度的地区，受盐度分布不均的影响，泥沙沉降过程有所不同[10, 11]。黄河口沉积物主要以黏土质粉砂或粉砂质黏土为主[12]，悬沙粒度小于32 μm，细颗粒泥沙能发生絮凝沉降，且沉降速率会随着盐度的增加而增加[13]，当盐度为3‰以下时，絮凝作用有类似加速的过程，盐度达到3‰以后，快速的絮凝作用使絮凝沉降量以近似恒定的值迅速落淤，钱塘江口泥沙的最佳絮凝盐度是15‰[14,15]。

泥沙沉降后形成海底沉积物，其固结过程受盐度的影响。细粒土孔隙流体盐度的增加会使细颗粒之间的排斥力减小，这将导致有效应力的增加[16]。河口地区海陆交互作用，泥沙颗粒孔隙中包含Na+、K+、Ca2+、Mg2+、CL-、SO42-等离子[17]。泥沙固结过程中，随着孔隙液体离子浓度的增加，扁平状黏土矿物表面双电位变薄，黏粒絮凝体会连接成较大的颗粒沉积，此时颗粒之间以黏粒接触连接和水胶连接为主，短时间内获得结构强度，同时颗粒孔隙中间存在高盐度海水，颗粒之间易于形成非水稳定盐晶连接，该连接方式获得的强度较快，结构强度也较大[18]。LIU[19]等研究发现通过电阻率监测可以测出土体固结过程中物理力学性质的变化，但还在研究阶段，想准确测定还要大量的工作。张建民[20]等在黄河刁口流路三角洲潮坪上进行现场取土配置流态堆积物，得出土体固结在波浪和潮波作用下呈现非均匀变化，强度硬层的出现也受该作用影响。杨秀娟[21]通过室内沉降柱试验对黄河三角洲泥沙盐类胶结形成的结构强度进行了初步分析，发现化学胶结作用对土体强度的贡献值为总强度的10%。单红仙[22]等开展了黄河口细颗粒粘性泥沙在重力以及波浪荷载作用下的固结过程研究，研究发现黄河口快速沉积的海床土固结速度很快，分析原因主要是受化学胶结作用和沉积环境的影响，但是具体影响过程没有深入研究。

黄河三角洲沉积物沉积固结过程受自重、波浪和潮波共同作用的影响显著，但是沉积环境对沉积物沉降固结的影响过程目前只进行了室内沉降试验，想要确定沉积环境盐度对入海泥沙固结过程的影响作用，选取平坦潮滩开展了不同沉积环境下的沉降泥沙固结过程的现场原位观测试验，通过普氏贯入测试和十字板剪切测试等原位观测手段，以期定量描述沉积环境盐度与沉积物固结特性之间的关系。

1 现场观测试验

1.1 试验区概况

试验区选在现代黄河水下三角洲北部潮坪(坐标37°52′46″N、119°04′31″E)，是黄河1964～1976年由刁口流路沉积入海形成的，如图1所示。研究区为不规则半日潮，平均潮差为0.70～1.70 m，最大潮差为2.17 m，波浪以风浪为主，常见的波浪波高小于0.5 m，最大波高3.3 m[10]。低潮时研究区露出水面，高潮时被海水淹没。黄河三角洲潮坪及水下斜坡坡度极缓，退潮时数千米的潮坪露出水面，为现场工作的开展提供了便利条件。

1.2 试验材料与方法

为了模拟不同海水盐度环境下沉降泥沙的固结过程，首先在黄河建林浮桥处的河道中挖取试验用土，该处沉积环境盐度为0.6‰。对现场采集的土样进行室内常规土工试验分析，土体主要为粉土，土壤含盐量为0.07%，砂粒含量为1.2%，粉粒含量为80.4% ，黏粒含量为18.4%。基本物理力学指标为：含水量为27.6%，密度为1.90 g/cm3，孔隙比为0.86，塑性指数为6.9，液性指数为19.2，压缩系数为0.137，属于中压缩性土。试验用水用现场海水跟淡水按一定体积比例混合得到，试验时测得现场海水盐度为27.57‰，混合体积比例分别为100%海水、25%海水+75%淡水、75%海水+25%淡水以及100%淡水，为了研究现场情况下黄河口新沉积土体在不同盐度沉积环境下的固结过程，首先选择一处平坦的适合现场试验的潮坪，然后在潮坪上开挖四个60 cm×60 cm×60 cm的平行试验坑，然后用不同盐度的水将土样混合成含水率大约35%的均匀流动泥浆，分别填入四个试验坑K1、K2、K3和K4中。试验用水的盐度现场用电导率仪测定，见表1。粉土渗透系数经验值为6.0×10-5～1.0×10-4cm/s，所以粉土渗透距离为0.05～0.08 m/d，且固结排水过程中渗透特性下降，所以到试验第7天渗透距离在0.35～0.56 m处[24]。由于试验过程中每次涨潮海水覆盖试验坑位，势必会影响试验坑内土样沉积环境的盐度，为了确定这种变化的大小，于试验第一天和最后一天分别取每个试验坑30 cm深度处的土样在实验室测定土壤的含盐量，表1数据表明每天的潮水覆盖对试验坑内盐度变化影响不大。

图1 试验现场概况Fig. 1 The location and arrangements of testing areas

试验坑编号K1K2K3K4试验用水的盐度/‰27.5722.9716.072.418.7日土壤含盐量/%5.354.101.731.438.25日土壤含盐量/%5.644.572.102.38

在整个试验期内(2013年8月6～25日)定期进行轻型贯入测试以及十字板剪切测试。

轻型贯入测试利用WG-V型电子普氏贯入仪。仪器的最大量程为1 000 N，灵敏度为0.01 N，最大贯入深度为150 cm。从8月7～11日和8月20～25日每天退潮后贯入一次，现场采用连续贯入方式，以2 cm/s匀速贯入，每贯入5 cm记读一个贯入阻力值。本试验直接利用贯入阻力值作为土体的强度对比指标，不进行相关的土体强度指标的数值换算。

十字板剪切测试利用的是电测十字板剪切仪，扭矩传感器型号为RK061，数据记录系统是DASYLab11.0。从8月7～11日每天退潮后测试一次，测试时以360°/min的速度匀速转动手柄，每10 cm记读一个数，得到一条曲线，曲线的最大值即为该土体原状样的不排水抗剪强度，曲线减小到一个稳定值即为该土体重塑土的抗剪强度。

2 试验结果与数据处理

根据试验期2013年8月6～25日四个试验坑土体的轻型贯入测试与十字板剪切测试数据，绘制试验坑内土体的贯入阻力和不排水抗剪强度的变化曲线(见图2和图3)，其中不排水抗剪强度由十字板剪切测试得到。

2.1 轻型贯入测试结果

从图2试验坑土体贯入阻力值的变化曲线可以看出，在试验第二天(7日)由于土体尚未固结完成，受固结压力的影响，此时四个试验坑的贯入阻力沿深度基本上是线性增长，至9日土体贯入阻力达到最大值；此后随着时间发展贯入阻力变化不大，最终都达到稳定，沿深度方向呈现非均匀增长现象[22]。其中K1试验坑土体的贯入阻力值在5～40 cm深度范围增长最快，存在一个强度硬层，贯入阻力最大值可达56.7 N，同一时间的强度随着深度增加缓慢地减小，而且互相之间的差距也在减小；K2试验坑土体在5～30 cm深度范围存在一个强度硬层，贯入阻力最大可达50.8 N，同一时间随着深度的增加土体的强度减小，然后慢慢趋于稳定；K3试验坑土体在5～25 cm深度范围存在一个强度硬层，最大可达46.6 N，强度随着深度增加快速减小，减小到一个最小值区域，然后又开始增大；K4试验坑土体在5～25 cm深度范围存在一个强度硬层，贯入阻力最大可达39.3 N，强度随着深度增加先减小后增大。根据图2可以看出贯入阻力最大值出现在2013年8月9日固结第四天和2013年8月11日固结第六天，10日和24日贯入阻力有突降的现象，其中10日有7级风浪、24日有9级风浪，所以推测贯入阻力的突降是大风浪作用下土体发生了液化现象。

图2 不同盐度沉积环境下试验坑土体贯入阻力变化曲线Fig. 2 Curves of penetration resistance in different salinity

2.2 十字板剪切测试结果

在图3中，各个试验坑土体的不排水抗剪强度展现了与轻型贯入测试试验结果相似的规律，在试验前两天强度值沿深度呈线性变化，随着时间的增加强度开始呈非均匀变化。由图2对比可以看出，各个试验坑土体不排水抗剪强度变化曲线的趋势是一样的，随着时间增加土体的强度增大，至9日基本都达到最大值，随后不排水抗剪强度达到稳定，K1试验坑的不排水抗剪强度最大值为22.2 kPa，K2试验坑的最大值为21.55 kPa，K3试验坑的最大值为19.45 kPa，K4试验坑的最大值为18.7 kPa。

图3 不同盐度沉积环境下试验坑土体不排水抗剪强度变化曲线Fig. 3 Curves of undrained shear strength in different salinity

3 沉积环境盐度对沉积物固结过程影响分析及讨论

3.1 不同盐度沉积环境对沉积物固结强度的影响

对比四个试验坑的贯入阻力平均值以及不排水抗剪强度平均值随深度的变化曲线(图4)可以发现，在0～15cm深度范围四个试验坑的强度平均值几乎相等，这是由于试验坑表面未做封闭处理，涨潮时海水浸泡了试验坑，导致试验坑上部的土体盐度相等；在15～45cm深度范围试验坑土体的总体强度变化趋势一致，其强度平均值表现为K1>K2>K3>K4，说明随着盐度的增高沉积物的强度相应的增大；在35 cm深度处K1试验坑的贯入阻力平均值为29.21 N，K2试验坑的贯入阻力平均值为23.87 N，K3试验坑的贯入阻力平均值为17.57 N，K2试验坑的贯入阻力平均值为13.49 N，所以随着盐度的增加沉积物的强度增强。

图4 不同盐度沉积环境下试验坑土体贯入阻力平均值以及不排水抗剪强度平均值随深度的变化Fig. 4 The average of Ps and Cu in different salinity

本试验中，各个试验坑是在同一自然条件下的固结过程，试验坑之间唯一不同的是沉积环境的盐度，因此试验坑之间的强度数据之差即为不同沉积环境盐度在沉积物固结过程中对沉积物强度变化的影响。各个不同盐度试验坑土体与K4试验坑土体贯入阻力差值与K4试验坑土体贯入阻力值之比，即代表了盐度在沉积物固结过程中的表现。根据图5中的比值可以知道，盐度对于沉积物的固结过程影响不容忽视，图中比值基本大于0，说明盐度的作用提高了沉积物的强度。图5(a)中最大值达到2.57，说明此时盐度对沉积物强度的改变是其它作用的2.57倍；图5(b)中最大值达到1.81，说明此时盐度对沉积物强度的改变是其它作用的1.81倍；图5(c)中最大值为0.89，说明此时盐度对沉积物强度的改变是其它作用的0.89倍； 综上所述得到黄河口沉积环境盐度对沉积物固结强度改变作用贡献图(图5(d))，由图5(d)可知沉积环境的盐度每增加1‰，对沉积物强度的改变作用最大可以增加0.15倍。在10～45 cm深度范围内比值升高(如图5中阴影覆盖)，说明盐度的影响作用增强，这与硬层的出现范围相符，且随着盐度增加，强度硬层厚度增加。

图5 不同盐度的沉积环境对沉积物固结强度变化贡献Fig. 5 The effect of salinity on sediment consolidation strength

3.2 不同盐度的沉积环境对沉积物固结速率影响

本试验中，四个试验坑在同样的时间和自然条件下开始进行试验，试验过程中试验坑内土体的强度随着时间的增长而增长，在此利用试验坑内土体贯入阻力在单位时间内的增加值来表示固结速率，单位N/d。试验中试验坑之间唯一不同的是沉积环境的盐度，因此试验坑之间的固结速率数据之差即为沉积环境盐度在沉积物固结过程中对沉积物固结速率变化的影响。各个不同盐度试验坑土体与K4试验坑土体固结速率的差值与K4试验坑土体固结速率值之比，即代表了盐度对沉积物固结速率的影响情况，从图6来看分为两个阶段。在第一个固结阶段(8.7～8.8和8.8～8.9)，8月9日土体贯入阻力已达到最大值， 8月8日比值接近0，说明盐度此时对于固结速率几乎无影响，8月9日比值小于0，说明盐度对固结速率起到了抑制的作用，所以在固结初期阶段盐度并没有促进土体的固结速率增长；随后土体进入了第二个固结阶段(8.9～8.10和8.10～8.11)，这个过程中比值大于0且逐渐增大，直到8月11日逐渐趋于平缓，说明在第二个阶段沉积环境盐度明显促进了沉积物的固结速率增长。图6中的比值剔除异常点后的最大值，即为沉积环境的盐度对沉积物固结速率的影响，由以上数据得到黄河口不同沉积环境盐度对沉积物固结速率变化影响贡献，由图可知沉积环境的盐度每增加1‰，促进固结速率增长最大可达到1.23倍。在15～50 cm深度范围内比值升高(如图6中阴影覆盖)，说明盐度对固结速率的影响作用增强，这与硬层的出现范围相符，进一步说明强度硬层的出现是由于在固结的第二阶段随着盐度的增加沉积物的固结速率加快所致。

图6 不同盐度沉积环境对沉积物固结速率变化贡献Fig. 6 The effect of salinity on consolidation speed

4 结 语

通过在黄河三角洲北部黄河潮坪上的桩292地区选择一研究区，从建林浮桥地区取黄河低盐土，利用轻型贯入测试、十字板剪切测试和室内试验结合，研究黄河口入海沉积物在盐度作用下固结过程差异，得出以下结论：

1)黄河口新沉积土在不同盐度沉积环境下的固结过程明显不同，随着盐度的增加沉积物固结后的强度增大，值超过20‰，沉积环境的盐度每增加1‰，对沉积物强度的改变作用最大可以增加0.15倍。

2)不同盐度沉积环境下的黄河口新沉积土固结速率变化明显不同。在第一个固结阶段盐度对固结速率几乎无影响，甚至有抑制速率增长的作用，在第二个固结阶段盐度的增加促进了固结速率的增长，沉积环境的盐度每增加1‰，促进固结速率增长最大可达到1.23倍。

3)沉积环境盐度越大新沉积土强度硬层的厚度越大，这与沉积物在该范围的固结速率增加较快有关。

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Effects of sea water salinity on the consolidation process of sediments settlement

SHAN Hongxian1,2, WANG Weihong1, LIU Xiaolei1, ZHANG Shaotong1, JIA Yonggang1,2, SUN Yongfu3

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

Every year, approximately hundreds of millions of tons of sediments discharge into the Bohai Sea from the Yellow River, of which more than 80% sediments deposit around the estuarine delta. The Yellow River runoff, climate and the ocean dynamic have remarkably affected the salinity of the Yellow River delta. At present, the difference of consolidation process of seabed soil in different salinity of sea water is still unknown. In order to reveal the consolidation process of new deposited silts, the fluid sediments in different salinity at the Yellow River delta have been made in the field; and the fluid sediments are promptly filled into a sixteen-centimeter deep testing pit excavated at the tide flat. By field testing methods, such as static cone penetration test , and field vane shear test, the effect of salinity on consolidation process can been measured at real time. It is shown from the testing data that the consolidation strength is increased along with the increase of salinity in sea water, and the strength after consolidation could increase by 0.15 times, in case that the salinity increases by 1‰; the effect of salinity on consolidation speed is not obvious in the initial stage of consolidation: while salinity rises by 1 ‰; the consolidation rate rises by 1.23 times with the continuation of the consolidation process; and the consolidation process shows non-uniformity with the increase of salinity. The results provide a reference for studying the engineering geological conditions of estuary.

sediments discharge into the sea；consolidation process；salinity field；in-situ inspection；Yellow River estuary；sediments

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.006

1005-9865(2015)02-0050-08

2014-07-07

国家自然科学基金资助项目(41272316)；国家自然科学基金资助项目(41372287)

单红仙(1965-)，女，山西晋城人，教授，主要从事海洋土力学与土质学研究。E-mail：hongxian@ouc.edu.cn