海水鹽度對沉降泥沙固結過程影響研究

單紅仙，王偉宏，劉曉磊，張少同，賈永剛，孫永福

(1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061 )

海水鹽度對沉降泥沙固結過程影響研究

單紅仙1,2，王偉宏1，劉曉磊1，張少同1，賈永剛1,2，孫永福3

(1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061 )

黃河每年輸送上億噸泥沙入海，其中80%以上沉積在河口附近水下三角洲。受黃河入海徑流量、氣候及海洋動力條件影響，黃河口海域海水鹽度變化顯著。目前，不同鹽度海水環境下入海泥沙沉降形成的海床土，固結過程有何差異尚不清楚。本文在黃河水下三角洲潮坪配制不同鹽度的流態沉積物，模擬不同沉積環境下新沉積土的固結過程，利用輕型貫入測試、十字板剪切測試等現場原位試驗，實時觀測沉積環境鹽度對沉降泥沙固結過程的影響。研究發現：隨著海水鹽度增加，沉積物固結強度增大，沉積環境鹽度每增高1‰，沉積物固結后強度可增加0.15倍；海水鹽度對沉積物固結速率的影響，在初始階段表現不明顯，在沉積物固結后期，鹽度每增高1‰，固結速率可增長1.23倍；海水鹽度的增高，還加劇了沉積物固結強度的空間非均勻性。本研究的發現，促進了對河口區海底工程環境的認識。

入海泥沙；固結過程；鹽度場；現場觀測；黃河口；沉積物

黃河于山東半島北部注入渤海，每年為渤海輸送大量的淡水、泥沙以及生源物質。黃河口海域鹽度變化主要受黃河入海徑流量的影響[1-3]，存在時空差異，時間上主要是季節和年際變化，空間上是水平和垂直方向的變化。鹽度的季節變化主要體現在：夏季鹽度低，冬季鹽度高[4]，9月份鹽度最低，5月份鹽度最高[3]；其中從1950～2002年間，鹽度呈現逐年增高的趨勢[2, 5]，自1961～1996年近35年來全渤海平均鹽度升高近2‰[2]， 2003 年之后萊州灣平均鹽度較 2003 年之前明顯降低[3, 6]，2000～2010年每年輸運到海的水和沉積物僅達到50年代的30%和10%[7]。在萊州灣的大部分區域鹽度垂向分布比較均勻, 只是在河口附近鹽度具有一定的垂向結構，表底鹽度差別比較大，2005 年 9 月有的近河口站點表底鹽度差最大達到8‰；鹽度在水平方向的分布特征表現為低鹽信號自河口向灣頂傳播，2005年5月份觀測結果顯示萊州灣頂鹽度達到28.4‰，灣頂與灣底鹽度差達到10‰[6]。近年來，關于黃河口海域鹽度的時空變化，已經越來越引起學術界的廣泛關注。

黃河口區域的鹽度變化對泥沙入海后的動力學行為影響顯著，目前國內外學者在此方面的研究多集中在泥沙沉降過程方面。泥沙顆粒表面帶有負電荷，在河口地區隨著鹽度的增加顆粒表面負電荷呈線性下降，懸浮物質的絮凝是由于顆粒表面的電荷被河水跟海水的混合物中和引起的[8]。泥沙的絮凝沉降在懸浮物質的沉積和粒子捕獲中占關鍵地位[9]，河口地區是淡水向海水過度的地區，受鹽度分布不均的影響，泥沙沉降過程有所不同[10, 11]。黃河口沉積物主要以黏土質粉砂或粉砂質黏土為主[12]，懸沙粒度小于32 μm，細顆粒泥沙能發生絮凝沉降，且沉降速率會隨著鹽度的增加而增加[13]，當鹽度為3‰以下時，絮凝作用有類似加速的過程，鹽度達到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，錢塘江口泥沙的最佳絮凝鹽度是15‰[14,15]。

泥沙沉降后形成海底沉積物，其固結過程受鹽度的影響。細粒土孔隙流體鹽度的增加會使細顆粒之間的排斥力減小，這將導致有效應力的增加[16]。河口地區海陸交互作用，泥沙顆?？紫吨邪琋a+、K+、Ca2+、Mg2+、CL-、SO42-等離子[17]。泥沙固結過程中，隨著孔隙液體離子濃度的增加，扁平狀黏土礦物表面雙電位變薄，黏粒絮凝體會連接成較大的顆粒沉積，此時顆粒之間以黏粒接觸連接和水膠連接為主，短時間內獲得結構強度，同時顆?？紫吨虚g存在高鹽度海水，顆粒之間易于形成非水穩定鹽晶連接，該連接方式獲得的強度較快，結構強度也較大[18]。LIU[19]等研究發現通過電阻率監測可以測出土體固結過程中物理力學性質的變化，但還在研究階段，想準確測定還要大量的工作。張建民[20]等在黃河刁口流路三角洲潮坪上進行現場取土配置流態堆積物，得出土體固結在波浪和潮波作用下呈現非均勻變化，強度硬層的出現也受該作用影響。楊秀娟[21]通過室內沉降柱試驗對黃河三角洲泥沙鹽類膠結形成的結構強度進行了初步分析，發現化學膠結作用對土體強度的貢獻值為總強度的10%。單紅仙[22]等開展了黃河口細顆粒粘性泥沙在重力以及波浪荷載作用下的固結過程研究，研究發現黃河口快速沉積的海床土固結速度很快，分析原因主要是受化學膠結作用和沉積環境的影響，但是具體影響過程沒有深入研究。

黃河三角洲沉積物沉積固結過程受自重、波浪和潮波共同作用的影響顯著，但是沉積環境對沉積物沉降固結的影響過程目前只進行了室內沉降試驗，想要確定沉積環境鹽度對入海泥沙固結過程的影響作用，選取平坦潮灘開展了不同沉積環境下的沉降泥沙固結過程的現場原位觀測試驗，通過普氏貫入測試和十字板剪切測試等原位觀測手段，以期定量描述沉積環境鹽度與沉積物固結特性之間的關系。

1 現場觀測試驗

1.1 試驗區概況

試驗區選在現代黃河水下三角洲北部潮坪(坐標37°52′46″N、119°04′31″E)，是黃河1964～1976年由刁口流路沉積入海形成的，如圖1所示。研究區為不規則半日潮，平均潮差為0.70～1.70 m，最大潮差為2.17 m，波浪以風浪為主，常見的波浪波高小于0.5 m，最大波高3.3 m[10]。低潮時研究區露出水面，高潮時被海水淹沒。黃河三角洲潮坪及水下斜坡坡度極緩，退潮時數千米的潮坪露出水面，為現場工作的開展提供了便利條件。

1.2 試驗材料與方法

為了模擬不同海水鹽度環境下沉降泥沙的固結過程，首先在黃河建林浮橋處的河道中挖取試驗用土，該處沉積環境鹽度為0.6‰。對現場采集的土樣進行室內常規土工試驗分析，土體主要為粉土，土壤含鹽量為0.07%，砂粒含量為1.2%，粉粒含量為80.4% ，黏粒含量為18.4%。基本物理力學指標為：含水量為27.6%，密度為1.90 g/cm3，孔隙比為0.86，塑性指數為6.9，液性指數為19.2，壓縮系數為0.137，屬于中壓縮性土。試驗用水用現場海水跟淡水按一定體積比例混合得到，試驗時測得現場海水鹽度為27.57‰，混合體積比例分別為100%海水、25%海水+75%淡水、75%海水+25%淡水以及100%淡水，為了研究現場情況下黃河口新沉積土體在不同鹽度沉積環境下的固結過程，首先選擇一處平坦的適合現場試驗的潮坪，然后在潮坪上開挖四個60 cm×60 cm×60 cm的平行試驗坑，然后用不同鹽度的水將土樣混合成含水率大約35%的均勻流動泥漿，分別填入四個試驗坑K1、K2、K3和K4中。試驗用水的鹽度現場用電導率儀測定，見表1。粉土滲透系數經驗值為6.0×10-5～1.0×10-4cm/s，所以粉土滲透距離為0.05～0.08 m/d，且固結排水過程中滲透特性下降，所以到試驗第7天滲透距離在0.35～0.56 m處[24]。由于試驗過程中每次漲潮海水覆蓋試驗坑位，勢必會影響試驗坑內土樣沉積環境的鹽度，為了確定這種變化的大小，于試驗第一天和最后一天分別取每個試驗坑30 cm深度處的土樣在實驗室測定土壤的含鹽量，表1數據表明每天的潮水覆蓋對試驗坑內鹽度變化影響不大。

圖1 試驗現場概況Fig. 1 The location and arrangements of testing areas

試驗坑編號K1K2K3K4試驗用水的鹽度/‰27.5722.9716.072.418.7日土壤含鹽量/%5.354.101.731.438.25日土壤含鹽量/%5.644.572.102.38

在整個試驗期內(2013年8月6～25日)定期進行輕型貫入測試以及十字板剪切測試。

輕型貫入測試利用WG-V型電子普氏貫入儀。儀器的最大量程為1 000 N，靈敏度為0.01 N，最大貫入深度為150 cm。從8月7～11日和8月20～25日每天退潮后貫入一次，現場采用連續貫入方式，以2 cm/s勻速貫入，每貫入5 cm記讀一個貫入阻力值。本試驗直接利用貫入阻力值作為土體的強度對比指標，不進行相關的土體強度指標的數值換算。

十字板剪切測試利用的是電測十字板剪切儀，扭矩傳感器型號為RK061，數據記錄系統是DASYLab11.0。從8月7～11日每天退潮后測試一次，測試時以360°/min的速度勻速轉動手柄，每10 cm記讀一個數，得到一條曲線，曲線的最大值即為該土體原狀樣的不排水抗剪強度，曲線減小到一個穩定值即為該土體重塑土的抗剪強度。

2 試驗結果與數據處理

根據試驗期2013年8月6～25日四個試驗坑土體的輕型貫入測試與十字板剪切測試數據，繪制試驗坑內土體的貫入阻力和不排水抗剪強度的變化曲線(見圖2和圖3)，其中不排水抗剪強度由十字板剪切測試得到。

2.1 輕型貫入測試結果

從圖2試驗坑土體貫入阻力值的變化曲線可以看出，在試驗第二天(7日)由于土體尚未固結完成，受固結壓力的影響，此時四個試驗坑的貫入阻力沿深度基本上是線性增長，至9日土體貫入阻力達到最大值；此后隨著時間發展貫入阻力變化不大，最終都達到穩定，沿深度方向呈現非均勻增長現象[22]。其中K1試驗坑土體的貫入阻力值在5～40 cm深度范圍增長最快，存在一個強度硬層，貫入阻力最大值可達56.7 N，同一時間的強度隨著深度增加緩慢地減小，而且互相之間的差距也在減??；K2試驗坑土體在5～30 cm深度范圍存在一個強度硬層，貫入阻力最大可達50.8 N，同一時間隨著深度的增加土體的強度減小，然后慢慢趨于穩定；K3試驗坑土體在5～25 cm深度范圍存在一個強度硬層，最大可達46.6 N，強度隨著深度增加快速減小，減小到一個最小值區域，然后又開始增大；K4試驗坑土體在5～25 cm深度范圍存在一個強度硬層，貫入阻力最大可達39.3 N，強度隨著深度增加先減小后增大。根據圖2可以看出貫入阻力最大值出現在2013年8月9日固結第四天和2013年8月11日固結第六天，10日和24日貫入阻力有突降的現象，其中10日有7級風浪、24日有9級風浪，所以推測貫入阻力的突降是大風浪作用下土體發生了液化現象。

圖2 不同鹽度沉積環境下試驗坑土體貫入阻力變化曲線Fig. 2 Curves of penetration resistance in different salinity

2.2 十字板剪切測試結果

在圖3中，各個試驗坑土體的不排水抗剪強度展現了與輕型貫入測試試驗結果相似的規律，在試驗前兩天強度值沿深度呈線性變化，隨著時間的增加強度開始呈非均勻變化。由圖2對比可以看出，各個試驗坑土體不排水抗剪強度變化曲線的趨勢是一樣的，隨著時間增加土體的強度增大，至9日基本都達到最大值，隨后不排水抗剪強度達到穩定，K1試驗坑的不排水抗剪強度最大值為22.2 kPa，K2試驗坑的最大值為21.55 kPa，K3試驗坑的最大值為19.45 kPa，K4試驗坑的最大值為18.7 kPa。

圖3 不同鹽度沉積環境下試驗坑土體不排水抗剪強度變化曲線Fig. 3 Curves of undrained shear strength in different salinity

3 沉積環境鹽度對沉積物固結過程影響分析及討論

3.1 不同鹽度沉積環境對沉積物固結強度的影響

對比四個試驗坑的貫入阻力平均值以及不排水抗剪強度平均值隨深度的變化曲線(圖4)可以發現，在0～15cm深度范圍四個試驗坑的強度平均值幾乎相等，這是由于試驗坑表面未做封閉處理，漲潮時海水浸泡了試驗坑，導致試驗坑上部的土體鹽度相等；在15～45cm深度范圍試驗坑土體的總體強度變化趨勢一致，其強度平均值表現為K1>K2>K3>K4，說明隨著鹽度的增高沉積物的強度相應的增大；在35 cm深度處K1試驗坑的貫入阻力平均值為29.21 N，K2試驗坑的貫入阻力平均值為23.87 N，K3試驗坑的貫入阻力平均值為17.57 N，K2試驗坑的貫入阻力平均值為13.49 N，所以隨著鹽度的增加沉積物的強度增強。

圖4 不同鹽度沉積環境下試驗坑土體貫入阻力平均值以及不排水抗剪強度平均值隨深度的變化Fig. 4 The average of Ps and Cu in different salinity

本試驗中，各個試驗坑是在同一自然條件下的固結過程，試驗坑之間唯一不同的是沉積環境的鹽度，因此試驗坑之間的強度數據之差即為不同沉積環境鹽度在沉積物固結過程中對沉積物強度變化的影響。各個不同鹽度試驗坑土體與K4試驗坑土體貫入阻力差值與K4試驗坑土體貫入阻力值之比，即代表了鹽度在沉積物固結過程中的表現。根據圖5中的比值可以知道，鹽度對于沉積物的固結過程影響不容忽視，圖中比值基本大于0，說明鹽度的作用提高了沉積物的強度。圖5(a)中最大值達到2.57，說明此時鹽度對沉積物強度的改變是其它作用的2.57倍；圖5(b)中最大值達到1.81，說明此時鹽度對沉積物強度的改變是其它作用的1.81倍；圖5(c)中最大值為0.89，說明此時鹽度對沉積物強度的改變是其它作用的0.89倍； 綜上所述得到黃河口沉積環境鹽度對沉積物固結強度改變作用貢獻圖(圖5(d))，由圖5(d)可知沉積環境的鹽度每增加1‰，對沉積物強度的改變作用最大可以增加0.15倍。在10～45 cm深度范圍內比值升高(如圖5中陰影覆蓋)，說明鹽度的影響作用增強，這與硬層的出現范圍相符，且隨著鹽度增加，強度硬層厚度增加。

圖5 不同鹽度的沉積環境對沉積物固結強度變化貢獻Fig. 5 The effect of salinity on sediment consolidation strength

3.2 不同鹽度的沉積環境對沉積物固結速率影響

本試驗中，四個試驗坑在同樣的時間和自然條件下開始進行試驗，試驗過程中試驗坑內土體的強度隨著時間的增長而增長，在此利用試驗坑內土體貫入阻力在單位時間內的增加值來表示固結速率，單位N/d。試驗中試驗坑之間唯一不同的是沉積環境的鹽度，因此試驗坑之間的固結速率數據之差即為沉積環境鹽度在沉積物固結過程中對沉積物固結速率變化的影響。各個不同鹽度試驗坑土體與K4試驗坑土體固結速率的差值與K4試驗坑土體固結速率值之比，即代表了鹽度對沉積物固結速率的影響情況，從圖6來看分為兩個階段。在第一個固結階段(8.7～8.8和8.8～8.9)，8月9日土體貫入阻力已達到最大值， 8月8日比值接近0，說明鹽度此時對于固結速率幾乎無影響，8月9日比值小于0，說明鹽度對固結速率起到了抑制的作用，所以在固結初期階段鹽度并沒有促進土體的固結速率增長；隨后土體進入了第二個固結階段(8.9～8.10和8.10～8.11)，這個過程中比值大于0且逐漸增大，直到8月11日逐漸趨于平緩，說明在第二個階段沉積環境鹽度明顯促進了沉積物的固結速率增長。圖6中的比值剔除異常點后的最大值，即為沉積環境的鹽度對沉積物固結速率的影響，由以上數據得到黃河口不同沉積環境鹽度對沉積物固結速率變化影響貢獻，由圖可知沉積環境的鹽度每增加1‰，促進固結速率增長最大可達到1.23倍。在15～50 cm深度范圍內比值升高(如圖6中陰影覆蓋)，說明鹽度對固結速率的影響作用增強，這與硬層的出現范圍相符，進一步說明強度硬層的出現是由于在固結的第二階段隨著鹽度的增加沉積物的固結速率加快所致。

圖6 不同鹽度沉積環境對沉積物固結速率變化貢獻Fig. 6 The effect of salinity on consolidation speed

4 結 語

通過在黃河三角洲北部黃河潮坪上的樁292地區選擇一研究區，從建林浮橋地區取黃河低鹽土，利用輕型貫入測試、十字板剪切測試和室內試驗結合，研究黃河口入海沉積物在鹽度作用下固結過程差異，得出以下結論：

1)黃河口新沉積土在不同鹽度沉積環境下的固結過程明顯不同，隨著鹽度的增加沉積物固結后的強度增大，值超過20‰，沉積環境的鹽度每增加1‰，對沉積物強度的改變作用最大可以增加0.15倍。

2)不同鹽度沉積環境下的黃河口新沉積土固結速率變化明顯不同。在第一個固結階段鹽度對固結速率幾乎無影響，甚至有抑制速率增長的作用，在第二個固結階段鹽度的增加促進了固結速率的增長，沉積環境的鹽度每增加1‰，促進固結速率增長最大可達到1.23倍。

3)沉積環境鹽度越大新沉積土強度硬層的厚度越大，這與沉積物在該范圍的固結速率增加較快有關。

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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

國家自然科學基金資助項目(41272316)；國家自然科學基金資助項目(41372287)

單紅仙(1965-)，女，山西晉城人，教授，主要從事海洋土力學與土質學研究。E-mail：hongxian@ouc.edu.cn