海水鹽度對(duì)沉降泥沙固結(jié)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(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)沉降泥沙固結(jié)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(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(huán)境下入海泥沙沉降形成的海床土，固結(jié)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(tài)沉積物，模擬不同沉積環(huán)境下新沉積土的固結(jié)過程，利用輕型貫入測(cè)試、十字板剪切測(cè)試等現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，實(shí)時(shí)觀測(cè)沉積環(huán)境鹽度對(duì)沉降泥沙固結(jié)過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著海水鹽度增加，沉積物固結(jié)強(qiáng)度增大，沉積環(huán)境鹽度每增高1‰，沉積物固結(jié)后強(qiáng)度可增加0.15倍；海水鹽度對(duì)沉積物固結(jié)速率的影響，在初始階段表現(xiàn)不明顯，在沉積物固結(jié)后期，鹽度每增高1‰，固結(jié)速率可增長(zhǎng)1.23倍；海水鹽度的增高，還加劇了沉積物固結(jié)強(qiáng)度的空間非均勻性。本研究的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了對(duì)河口區(qū)海底工程環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

入海泥沙；固結(jié)過程；鹽度場(chǎng)；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)；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(zhì)。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(shí)空差異，時(shí)間上主要是季節(jié)和年際變化，空間上是水平和垂直方向的變化。鹽度的季節(jié)變化主要體現(xiàn)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(xiàn)逐年增高的趨勢(shì)[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(yùn)到海的水和沉積物僅達(dá)到50年代的30%和10%[7]。在萊州灣的大部分區(qū)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(jié)構(gòu)，表底鹽度差別比較大，2005 年 9 月有的近河口站點(diǎn)表底鹽度差最大達(dá)到8‰；鹽度在水平方向的分布特征表現(xiàn)為低鹽信號(hào)自河口向?yàn)稠攤鞑ィ?005年5月份觀測(cè)結(jié)果顯示萊州灣頂鹽度達(dá)到28.4‰，灣頂與灣底鹽度差達(dá)到10‰[6]。近年來，關(guān)于黃河口海域鹽度的時(shí)空變化，已經(jīng)越來越引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

黃河口區(qū)域的鹽度變化對(duì)泥沙入海后的動(dòng)力學(xué)行為影響顯著，目前國內(nèi)外學(xué)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(fù)電荷，在河口地區(qū)隨著鹽度的增加顆粒表面負(fù)電荷呈線性下降，懸浮物質(zhì)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(zhì)的沉積和粒子捕獲中占關(guān)鍵地位[9]，河口地區(qū)是淡水向海水過度的地區(qū)，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(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土為主[12]，懸沙粒度小于32 μm，細(xì)顆粒泥沙能發(fā)生絮凝沉降，且沉降速率會(huì)隨著鹽度的增加而增加[13]，當(dāng)鹽度為3‰以下時(shí)，絮凝作用有類似加速的過程，鹽度達(dá)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(jié)過程受鹽度的影響。細(xì)粒土孔隙流體鹽度的增加會(huì)使細(xì)顆粒之間的排斥力減小，這將導(dǎo)致有效應(yīng)力的增加[16]。河口地區(qū)海陸交互作用，泥沙顆粒孔隙中包含Na+、K+、Ca2+、Mg2+、CL-、SO42-等離子[17]。泥沙固結(jié)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(huì)連接成較大的顆粒沉積，此時(shí)顆粒之間以黏粒接觸連接和水膠連接為主，短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)顆?？紫吨虚g存在高鹽度海水，顆粒之間易于形成非水穩(wěn)定鹽晶連接，該連接方式獲得的強(qiáng)度較快，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較大[18]。LIU[19]等研究發(fā)現(xiàn)通過電阻率監(jiān)測(cè)可以測(cè)出土體固結(jié)過程中物理力學(xué)性質(zhì)的變化，但還在研究階段，想準(zhǔn)確測(cè)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取土配置流態(tài)堆積物，得出土體固結(jié)在波浪和潮波作用下呈現(xiàn)非均勻變化，強(qiáng)度硬層的出現(xiàn)也受該作用影響。楊秀娟[21]通過室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)對(duì)黃河三角洲泥沙鹽類膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)化學(xué)膠結(jié)作用對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值為總強(qiáng)度的10%。單紅仙[22]等開展了黃河口細(xì)顆粒粘性泥沙在重力以及波浪荷載作用下的固結(jié)過程研究，研究發(fā)現(xiàn)黃河口快速沉積的海床土固結(jié)速度很快，分析原因主要是受化學(xué)膠結(jié)作用和沉積環(huán)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(jié)過程受自重、波浪和潮波共同作用的影響顯著，但是沉積環(huán)境對(duì)沉積物沉降固結(jié)的影響過程目前只進(jìn)行了室內(nèi)沉降試驗(yàn)，想要確定沉積環(huán)境鹽度對(duì)入海泥沙固結(jié)過程的影響作用，選取平坦潮灘開展了不同沉積環(huán)境下的沉降泥沙固結(jié)過程的現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)試驗(yàn)，通過普氏貫入測(cè)試和十字板剪切測(cè)試等原位觀測(cè)手段，以期定量描述沉積環(huán)境鹽度與沉積物固結(jié)特性之間的關(guān)系。

1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選在現(xiàn)代黃河水下三角洲北部潮坪(坐標(biāo)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(qū)為不規(guī)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(fēng)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(shí)研究區(qū)露出水面，高潮時(shí)被海水淹沒。黃河三角洲潮坪及水下斜坡坡度極緩，退潮時(shí)數(shù)千米的潮坪露出水面，為現(xiàn)場(chǎng)工作的開展提供了便利條件。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

為了模擬不同海水鹽度環(huán)境下沉降泥沙的固結(jié)過程，首先在黃河建林浮橋處的河道中挖取試驗(yàn)用土，該處沉積環(huán)境鹽度為0.6‰。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的土樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)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(xué)指標(biāo)為：含水量為27.6%，密度為1.90 g/cm3，孔隙比為0.86，塑性指數(shù)為6.9，液性指數(shù)為19.2，壓縮系數(shù)為0.137，屬于中壓縮性土。試驗(yàn)用水用現(xiàn)場(chǎng)海水跟淡水按一定體積比例混合得到，試驗(yàn)時(shí)測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)情況下黃河口新沉積土體在不同鹽度沉積環(huán)境下的固結(jié)過程，首先選擇一處平坦的適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的潮坪，然后在潮坪上開挖四個(gè)60 cm×60 cm×60 cm的平行試驗(yàn)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(dòng)泥漿，分別填入四個(gè)試驗(yàn)坑K1、K2、K3和K4中。試驗(yàn)用水的鹽度現(xiàn)場(chǎng)用電導(dǎo)率儀測(cè)定，見表1。粉土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)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(jié)排水過程中滲透特性下降，所以到試驗(yàn)第7天滲透距離在0.35～0.56 m處[24]。由于試驗(yàn)過程中每次漲潮海水覆蓋試驗(yàn)坑位，勢(shì)必會(huì)影響試驗(yàn)坑內(nèi)土樣沉積環(huán)境的鹽度，為了確定這種變化的大小，于試驗(yàn)第一天和最后一天分別取每個(gè)試驗(yàn)坑30 cm深度處的土樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤的含鹽量，表1數(shù)據(jù)表明每天的潮水覆蓋對(duì)試驗(yàn)坑內(nèi)鹽度變化影響不大。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)概況Fig. 1 The location and arrangements of testing areas

試驗(yàn)坑編號(hào)K1K2K3K4試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)期內(nèi)(2013年8月6～25日)定期進(jìn)行輕型貫入測(cè)試以及十字板剪切測(cè)試。

輕型貫入測(cè)試?yán)肳G-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(xiàn)場(chǎng)采用連續(xù)貫入方式，以2 cm/s勻速貫入，每貫入5 cm記讀一個(gè)貫入阻力值。本試驗(yàn)直接利用貫入阻力值作為土體的強(qiáng)度對(duì)比指標(biāo)，不進(jìn)行相關(guān)的土體強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)值換算。

十字板剪切測(cè)試?yán)玫氖请姕y(cè)十字板剪切儀，扭矩傳感器型號(hào)為RK061，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是DASYLab11.0。從8月7～11日每天退潮后測(cè)試一次，測(cè)試時(shí)以360°/min的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，每10 cm記讀一個(gè)數(shù)，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(qiáng)度，曲線減小到一個(gè)穩(wěn)定值即為該土體重塑土的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)期2013年8月6～25日四個(gè)試驗(yàn)坑土體的輕型貫入測(cè)試與十字板剪切測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)坑內(nèi)土體的貫入阻力和不排水抗剪強(qiáng)度的變化曲線(見圖2和圖3)，其中不排水抗剪強(qiáng)度由十字板剪切測(cè)試得到。

2.1 輕型貫入測(cè)試結(jié)果

從圖2試驗(yàn)坑土體貫入阻力值的變化曲線可以看出，在試驗(yàn)第二天(7日)由于土體尚未固結(jié)完成，受固結(jié)壓力的影響，此時(shí)四個(gè)試驗(yàn)坑的貫入阻力沿深度基本上是線性增長(zhǎng)，至9日土體貫入阻力達(dá)到最大值；此后隨著時(shí)間發(fā)展貫入阻力變化不大，最終都達(dá)到穩(wěn)定，沿深度方向呈現(xiàn)非均勻增長(zhǎng)現(xiàn)象[22]。其中K1試驗(yàn)坑土體的貫入阻力值在5～40 cm深度范圍增長(zhǎng)最快，存在一個(gè)強(qiáng)度硬層，貫入阻力最大值可達(dá)56.7 N，同一時(shí)間的強(qiáng)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(yàn)坑土體在5～30 cm深度范圍存在一個(gè)強(qiáng)度硬層，貫入阻力最大可達(dá)50.8 N，同一時(shí)間隨著深度的增加土體的強(qiáng)度減小，然后慢慢趨于穩(wěn)定；K3試驗(yàn)坑土體在5～25 cm深度范圍存在一個(gè)強(qiáng)度硬層，最大可達(dá)46.6 N，強(qiáng)度隨著深度增加快速減小，減小到一個(gè)最小值區(qū)域，然后又開始增大；K4試驗(yàn)坑土體在5～25 cm深度范圍存在一個(gè)強(qiáng)度硬層，貫入阻力最大可達(dá)39.3 N，強(qiáng)度隨著深度增加先減小后增大。根據(jù)圖2可以看出貫入阻力最大值出現(xiàn)在2013年8月9日固結(jié)第四天和2013年8月11日固結(jié)第六天，10日和24日貫入阻力有突降的現(xiàn)象，其中10日有7級(jí)風(fēng)浪、24日有9級(jí)風(fēng)浪，所以推測(cè)貫入阻力的突降是大風(fēng)浪作用下土體發(fā)生了液化現(xiàn)象。

圖2 不同鹽度沉積環(huán)境下試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果

在圖3中，各個(gè)試驗(yàn)坑土體的不排水抗剪強(qiáng)度展現(xiàn)了與輕型貫入測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果相似的規(guī)律，在試驗(yàn)前兩天強(qiáng)度值沿深度呈線性變化，隨著時(shí)間的增加強(qiáng)度開始呈非均勻變化。由圖2對(duì)比可以看出，各個(gè)試驗(yàn)坑土體不排水抗剪強(qiáng)度變化曲線的趨勢(shì)是一樣的，隨著時(shí)間增加土體的強(qiáng)度增大，至9日基本都達(dá)到最大值，隨后不排水抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定，K1試驗(yàn)坑的不排水抗剪強(qiáng)度最大值為22.2 kPa，K2試驗(yàn)坑的最大值為21.55 kPa，K3試驗(yàn)坑的最大值為19.45 kPa，K4試驗(yàn)坑的最大值為18.7 kPa。

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

3 沉積環(huán)境鹽度對(duì)沉積物固結(jié)過程影響分析及討論

3.1 不同鹽度沉積環(huán)境對(duì)沉積物固結(jié)強(qiáng)度的影響

對(duì)比四個(gè)試驗(yàn)坑的貫入阻力平均值以及不排水抗剪強(qiáng)度平均值隨深度的變化曲線(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，在0～15cm深度范圍四個(gè)試驗(yàn)坑的強(qiáng)度平均值幾乎相等，這是由于試驗(yàn)坑表面未做封閉處理，漲潮時(shí)海水浸泡了試驗(yàn)坑，導(dǎo)致試驗(yàn)坑上部的土體鹽度相等；在15～45cm深度范圍試驗(yàn)坑土體的總體強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，其強(qiáng)度平均值表現(xiàn)為K1>K2>K3>K4，說明隨著鹽度的增高沉積物的強(qiáng)度相應(yīng)的增大；在35 cm深度處K1試驗(yàn)坑的貫入阻力平均值為29.21 N，K2試驗(yàn)坑的貫入阻力平均值為23.87 N，K3試驗(yàn)坑的貫入阻力平均值為17.57 N，K2試驗(yàn)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(qiáng)度增強(qiáng)。

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

本試驗(yàn)中，各個(gè)試驗(yàn)坑是在同一自然條件下的固結(jié)過程，試驗(yàn)坑之間唯一不同的是沉積環(huán)境的鹽度，因此試驗(yàn)坑之間的強(qiáng)度數(shù)據(jù)之差即為不同沉積環(huán)境鹽度在沉積物固結(jié)過程中對(duì)沉積物強(qiáng)度變化的影響。各個(gè)不同鹽度試驗(yàn)坑土體與K4試驗(yàn)坑土體貫入阻力差值與K4試驗(yàn)坑土體貫入阻力值之比，即代表了鹽度在沉積物固結(jié)過程中的表現(xiàn)。根據(jù)圖5中的比值可以知道，鹽度對(duì)于沉積物的固結(jié)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(qiáng)度。圖5(a)中最大值達(dá)到2.57，說明此時(shí)鹽度對(duì)沉積物強(qiáng)度的改變是其它作用的2.57倍；圖5(b)中最大值達(dá)到1.81，說明此時(shí)鹽度對(duì)沉積物強(qiáng)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(shí)鹽度對(duì)沉積物強(qiáng)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(huán)境鹽度對(duì)沉積物固結(jié)強(qiáng)度改變作用貢獻(xiàn)圖(圖5(d))，由圖5(d)可知沉積環(huán)境的鹽度每增加1‰，對(duì)沉積物強(qiáng)度的改變作用最大可以增加0.15倍。在10～45 cm深度范圍內(nèi)比值升高(如圖5中陰影覆蓋)，說明鹽度的影響作用增強(qiáng)，這與硬層的出現(xiàn)范圍相符，且隨著鹽度增加，強(qiáng)度硬層厚度增加。

圖5 不同鹽度的沉積環(huán)境對(duì)沉積物固結(jié)強(qiáng)度變化貢獻(xiàn)Fig. 5 The effect of salinity on sediment consolidation strength

3.2 不同鹽度的沉積環(huán)境對(duì)沉積物固結(jié)速率影響

本試驗(yàn)中，四個(gè)試驗(yàn)坑在同樣的時(shí)間和自然條件下開始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)坑內(nèi)土體的強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在此利用試驗(yàn)坑內(nèi)土體貫入阻力在單位時(shí)間內(nèi)的增加值來表示固結(jié)速率，單位N/d。試驗(yàn)中試驗(yàn)坑之間唯一不同的是沉積環(huán)境的鹽度，因此試驗(yàn)坑之間的固結(jié)速率數(shù)據(jù)之差即為沉積環(huán)境鹽度在沉積物固結(jié)過程中對(duì)沉積物固結(jié)速率變化的影響。各個(gè)不同鹽度試驗(yàn)坑土體與K4試驗(yàn)坑土體固結(jié)速率的差值與K4試驗(yàn)坑土體固結(jié)速率值之比，即代表了鹽度對(duì)沉積物固結(jié)速率的影響情況，從圖6來看分為兩個(gè)階段。在第一個(gè)固結(jié)階段(8.7～8.8和8.8～8.9)，8月9日土體貫入阻力已達(dá)到最大值， 8月8日比值接近0，說明鹽度此時(shí)對(duì)于固結(jié)速率幾乎無影響，8月9日比值小于0，說明鹽度對(duì)固結(jié)速率起到了抑制的作用，所以在固結(jié)初期階段鹽度并沒有促進(jìn)土體的固結(jié)速率增長(zhǎng)；隨后土體進(jìn)入了第二個(gè)固結(jié)階段(8.9～8.10和8.10～8.11)，這個(gè)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(gè)階段沉積環(huán)境鹽度明顯促進(jìn)了沉積物的固結(jié)速率增長(zhǎng)。圖6中的比值剔除異常點(diǎn)后的最大值，即為沉積環(huán)境的鹽度對(duì)沉積物固結(jié)速率的影響，由以上數(shù)據(jù)得到黃河口不同沉積環(huán)境鹽度對(duì)沉積物固結(jié)速率變化影響貢獻(xiàn)，由圖可知沉積環(huán)境的鹽度每增加1‰，促進(jìn)固結(jié)速率增長(zhǎng)最大可達(dá)到1.23倍。在15～50 cm深度范圍內(nèi)比值升高(如圖6中陰影覆蓋)，說明鹽度對(duì)固結(jié)速率的影響作用增強(qiáng)，這與硬層的出現(xiàn)范圍相符，進(jìn)一步說明強(qiáng)度硬層的出現(xiàn)是由于在固結(jié)的第二階段隨著鹽度的增加沉積物的固結(jié)速率加快所致。

圖6 不同鹽度沉積環(huán)境對(duì)沉積物固結(jié)速率變化貢獻(xiàn)Fig. 6 The effect of salinity on consolidation speed

4 結(jié) 語

通過在黃河三角洲北部黃河潮坪上的樁292地區(qū)選擇一研究區(qū)，從建林浮橋地區(qū)取黃河低鹽土，利用輕型貫入測(cè)試、十字板剪切測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合，研究黃河口入海沉積物在鹽度作用下固結(jié)過程差異，得出以下結(jié)論：

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

2)不同鹽度沉積環(huán)境下的黃河口新沉積土固結(jié)速率變化明顯不同。在第一個(gè)固結(jié)階段鹽度對(duì)固結(jié)速率幾乎無影響，甚至有抑制速率增長(zhǎng)的作用，在第二個(gè)固結(jié)階段鹽度的增加促進(jìn)了固結(jié)速率的增長(zhǎng)，沉積環(huán)境的鹽度每增加1‰，促進(jìn)固結(jié)速率增長(zhǎng)最大可達(dá)到1.23倍。

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

[1] WANG Y, LIU Z, GAO H, et al. Response of salinity distribution around the Yellow River mouth to abrupt changes in river discharge[J]. Continental Shelf Research, 2011, 31(6): 685-694.

[2] 吳德星, 牟林, 李強(qiáng), 等. 渤海鹽度長(zhǎng)期變化特征及可能的主導(dǎo)因素[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展, 2004, 14(2): 191-195.(WU Dexing, MU Lin, LI Qiang, et al. The variation characteristics and the dominant factors of the salinity in Bohai sea[J].Progress in Natural Science, 2004, 14(2): 191-195. (in Chinese))

[3] MAO Xinyan, JIANG Wensheng, ZHAO Peng, et al. A 3-D numerical study of salinity variations in the Bohai Sea during the recent years[J]. Continental Shelf Research, 2008, 28: 2689-2699.

[4] 侍茂崇, 趙進(jìn)平, 孫月彥. 黃河口附近水文特征分析[J]. 山東海洋學(xué)院學(xué)報(bào), 1985, 15(2): 81-95.(SHI Maochong, ZHAO Jinping, SUN Yueyan. The analyses of hydrographical characteristic in estuary of Huanghe River[J].Periodical of Shandong Ocean College,1985,15(2):81-95. (in Chinese))

[5] 丁艷峰, 潘少明, 許祝華. 近 50 年來黃河入海徑流量變化的初步分析[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2009, 26(5): 67-73.(DING Yanfeng, PAN Shaoming, XUN Zhuhua. The analysis of the change of the Yellow River runoff nearly 50 years[J]. Ocean Development and Management, 2009, 26(5): 67-73. (in Chinese))

[6] 趙鵬, 江文勝, 毛新燕, 等. 2000—2005 年萊州灣鹽度的變化及其主要影響因素[J]. 海洋與湖沼, 2010, 41(1): 12-23.(ZHAO Peng, JIANG Wensheng, MAO Xinyan, et al. Salinity change and influencing factor in the Laizhou Bay from 2000 to 2005[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,2010,41(1):12-23. (in Chinese))

[7] YU Yonggui, WANG Houjie, SHI Xuefa, et al. New discharge regime of the Huanghe (Yellow River):Causes and inplications[J]. Continental Shelf Research, 2013, 69(2013): 62-72.

[8] HUNTER K A, LISS P S. The surface charge of suspended particles in estuarine and coastal waters[J]. Nature, 1979, 282: 823-825.

[9] XU F, WANG D P, RIEMER N. An idealized model study of flocculation on sediment trapping in an estuarine turbidity maximum[J]. Continental Shelf Research, 2010, 30(12): 1314-1323.

[10] 臧運(yùn)啟. 黃河三角洲近岸泥沙[M]. 北京: 海洋出版社, 1996. (ZANG Yunqi. The sediments of Yellow River Dalta[M].Beijing: Ocean Press,1996.(in Chinese))

[11] DAVID K RALSON W, ROCKWELL GEYER, PETER A TRAYKOVSKI, et al. Effects of estuarine and fluvial processes on sediment transport over deltaic tidal flats[J]. Continental Shelf Research, 2013, 60S(2013): S40-S57.

[12] 賈永剛, 單紅仙, 楊秀娟, 等. 黃河口沉積物動(dòng)力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害[M]. 北京: 科學(xué)出版社. 2011.(JIA Yonggang, SHAN Hongxian, YANG Xiujuan, et al. Sediment dynamics and geologic hazards in the Estuary of Yellow River, China[M]. Beijing: Science Press.2011. (in Chinese))

[13] LE N, HOWES T. Aggregation and breakage rates in the flocculation of estuarine cohesive sediments[J]. Proceedings in Marine Science, 2007, 8: 35-53.

[14] 蔣國俊, 姚炎明, 唐子文. 長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降影響因素分析[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2002,24(4): 51-57.(JIANG Guojun, YAO Yanming, TANG Ziwen. The analysis for influencing factors of fine sediment flocculation in the Changjiang Estuary[J]. ACTA Oceanologica SINICA,2002,24(4):51-57. (in Chinese))

[15] 吳榮榮, 李九發(fā), 劉啟貞,等. 錢塘江河口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降特性研究[J]. 海洋湖沼通報(bào), 2007: 29-34.(WU Rongrong, LI Jiufa, LIU Qizhen, et al. Study on flocculation and setting characteristics of cohesive fine grain sediment in the Qiantang Estuary[J].Trasactions of Oceanology and Limnology, 2007: 29-34. (in Chinese))

[16] VAN Paassen L A, GAREAU L F. Effect of pore fluid salinity on compressibility and shear strength development of clayey soils[M]. Engineering Geology for Infrastructure Planning in Europe. Springer Berlin Heidelberg, 2004: 327-340.

[17] 馮士筰， 李鳳岐， 李少莆. 海洋科學(xué)導(dǎo)論[M]. 高等教育出版社, 1999. (FENG Shizuo, LI Fengqi, LI Shaopu. Introduction to ocean science[M]. Higher Education Press,1999.(in Chinese))

[18] 李作勤. 有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密土的力學(xué)特性[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1982, 4(1): 34-45.(LI Zuoqin. Mechanical characteristics of under-consolidated clay soils with structural strength[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1982, 4(1): 34-45. (in Chinese))

[19] LIU X, JIA Y, ZHENG J, et al. Field and laboratory resistivity monitoring of sediment consolidation in China's Yellow River estuary[J]. Engineering Geology, 2013, 164: 77-85.

[20] 張建民, 單紅仙, 賈永剛, 等. 波浪和潮波作用下黃河口快速沉積海床土非均勻固結(jié)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(7): 1369-1375.(ZHANG Jianmin, SHAN Hongxian, JIA Yonggang, et al. An experimental study of nonuniform consolidation of rapid sediment seabed soils at Yellow River mouth subjected to wave and tide wave loading[J].Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(7): 1369-1375. (in Chinese))[21] 楊秀娟, 賈永剛, 單紅仙, 等. 水動(dòng)力作用對(duì)黃河口沉積物強(qiáng)度影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 630-638.(YANG Xiujuan, JIA Yonggang, SHAN Hongxian, et al. Experimental study on impact of marine hydrodynamics on strength of seabed sediments in the Yellow River estuary[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(4): 630-638. (in Chinese))

[22] 單紅仙, 張建民, 賈永剛, 等. 黃河口快速沉積海床土固結(jié)過程研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(8): 1676-1682．(SHAN Hongxian, ZHANG Jianmin, JIA Yonggang, et al. Study on consolidation process of rapidly deposited seabed soils in Yellow River estuary[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(8): 1676-1682. (in Chinese))

[23] 陳慶強(qiáng), 孟翊, 周菊珍, 等. 長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝作用及其制約因素研究[J]. 海洋工程, 2005, 23(1): 74-82.(CHEN Qingqiang, MENG Yi, ZHOU Juzhen, et al. A review on flocculation of fine suspended sediments and its controlling factors in the Yangtze River estuary[J].The Ocean Engineering, 2005, 23(1): 74-82. (in Chinese))

[24] 陳能遠(yuǎn), 孟慶山, 馬 麗, 等. 荷載與水位波動(dòng)耦合作用下粉土的固結(jié)性狀研究[J]. 工程勘察，2014，(9):11-16.(CHEN Nengyuan，MENG Qingshan，MA Li, et al. Study on consolidation behavior of silty soil under coupling action of load and water level fluctuation[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2014，(9):11-16.

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(xué)基金資助項(xiàng)目(41272316)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372287)

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