现代黄河三角洲岸滩沉积物侵蚀过程研究

摘要

现代黄河三角洲日趋严重的海岸侵蚀，已严重地恶化了黄河三角洲的发育功能和三角洲经济开发环境，对胜利油田的滩海工程和海上平台、管缆设施造成了严重威胁。本文在国家自然科学基金项目“黄河口沉积物固结后再悬浮及输运过程研究(N0.40876042)”、国家863计划项目“风暴过程中沉积物再悬浮通量原位监测技术(N0.2008AA092109)”及中石化集团公司重点攻关项目“埕岛海管剩余寿命评价及海缆监测技术研究-海底管线安全防护对策研究(JP05007)”的资助下，开展了下列研究： (1)现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性研究。2008年7月和10月沿海岸选择8个研究点，共计20个试验点，使用自制的循环水槽进行岸滩沉积物侵蚀试验，并测试沉积物的物理力学性质，对试验结果进行分析处理得出： ①现代黄河三角洲岸滩不同试验点沉积物的临界侵蚀切应力不同，其值从0.088Pa到0.254．Pa，表层沉积物抗侵蚀性的非均匀特征可导致滩面凹坑的形成； ②除剪切强度外，沉积物的临界侵蚀切应力和单一的物理力学性质参数之间没有明显的相关关系；剪切强度和临界侵蚀切应力之间存在一定的正相关关系；挖洞螃蟹的活动改变了沉积物的物理力学性质和表面地形，使沉积物变得更加不稳定，抗侵蚀性降低； ③现代黄河三角洲岸滩各试验点表层沉积物的侵蚀速率与底部切应力之间均呈良好的正相关关系，相关函数分对数、乘幂、指数和线性四种； ④灰色关联度分析结果显示，对临界侵蚀切应力的影响程度按大小排列依次是压缩系数、含水量、平均粒径、容重、剪切强度、粘粒含量、砂粒含量、Ip和贯入阻力，其中Ip和贯入阻力的影响程度相同。 (2)黄河入海泥沙沉积固结过程对抗侵蚀性影响研究。通过在室内及现场模拟黄河入海泥沙快速沉积，测试不同固结时间沉积物的物理力学性质和抗侵蚀性变化，并利用已有泥沙起动公式计算不同沉积固结时间黄河入海泥沙临界侵蚀流速，经分析发现： ①随着固结时间的增长，新沉积泥沙的抗侵蚀性迅速增强，现场试验中新沉积泥沙固结8h时，其临界侵蚀切应力就超过了原状岸滩沉积物； ②新固结的沉积物的临界侵蚀切应力大小与其容重、贯入阻力、剪切强度数值间呈良好的正相关关系，与含水量呈良好的负相关关系； ③虽然黄河入海泥沙沉积物临界侵蚀流速的试验值随固结时间的变化趋势与计算值一致，但增长速率更高。 (3)波浪循环荷载作用下现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性变化研究。通过在室内及现场模拟波浪荷载对现代黄河三角洲岸滩沉积物施加振动，在振动后测试沉积物的物理力学性质并进行侵蚀试验，得出： ①沉积物的临界侵蚀切应力随着模拟波浪荷载的大小或作用次数的增加而呈减小趋势，而侵蚀速率与临界侵蚀切应力呈现相反的变化趋势； ②波浪循环荷载导致现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性减弱的原因一是沉积物强度的逐步丧失及破坏，二是表层沉积物中松散细颗粒物质的增多。 现场试验研究区岸滩侵蚀调查结果表明，潮滩结冰一定程度上减轻了侵蚀的进行，但大风引起的增水极有可能越过厚厚的冰层到达侵蚀陡坎，对其造成侵蚀。 (4)现代黄河水下三角洲海底侵蚀地貌成因探讨。以埕岛海域为研究区，利用数值分析方法对不同重现期波浪作用下埕岛海域海床的液化情况进行了计算，结合沉积物性质及水动力条件分析得出： ①土体液化后，剪切强度完全丧失，土颗粒极易被水流携带起来并运输走，在原地造成侵蚀，形成侵蚀负地形，而周围因为土体性质差异没有发生液化的土体保留下来，成为侵蚀残留体； ②埕岛海域海底侵蚀地貌的分布特征与潮流、波浪作用、沉积物性质等有关。 本文的创新点主要在于： (1)经现场实测得出了现代黄河三角洲岸滩沉积物的临界侵蚀切应力，并用灰色关联度分析进一步得出了沉积物各物理力学性质对临界侵蚀切应力的影响程度，总结出了现代黄河三角洲岸滩沉积物侵蚀速率与底部切应力之间的四种相关函数。 (2)研究了黄河入海泥沙沉积固结过程中及现代黄河三角洲岸滩波浪作用下沉积物性质动态变化与其抗侵蚀性之间的关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究意义

1.2国内外岸滩沉积物侵蚀研究评述

1.2.1侵蚀测定方法

1.2.2侵蚀参数

1.2.3侵蚀影响因素

1.3现代黄河三角洲岸滩侵蚀研究评述

1.3.1现代黄河三角洲侵蚀状况研究

1.3.2现代黄河三角洲侵蚀原因研究

1.3.3现代黄河三角洲侵蚀研究中存在的问题

1.4本文研究目标与内容

1.5本文研究方法与技术路线

1.6小结

第二章现代黄河三角洲地质环境特征

2.1现代黄河三角洲形成演化

2.2地形地貌特征

2.3表层沉积物类型与分布

2.4沉积物物理力学性质

2.4.1物理性质

2.4.2力学性质

2.5沉积物矿物组成

2.6水文动力条件

2.6.1波浪和风暴潮

2.6.2潮流和余流

2.7现代黄河三角洲岸滩侵蚀状况

2.8小结

第三章 现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性研究

3.1概述

3.2各研究点侵蚀现状

3.3试验方法及过程

3.3.1物理力学性质测试

3.3.2侵蚀试验

3.4试验结果

3.4.1物理力学性质

3.4.2侵蚀试验现象及结果

3.5现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性影响因素分析

3.5.1沉积物抗侵蚀性的空间差异

3.5.2沉积物物理力学性质对其抗侵蚀性的影响

3.5.3蟹洞对沉积物抗侵蚀性的影响

3.6临界侵蚀切应力影响因素灰色关联度分析

3.6.1关联度计算

3.6.2关联度计算结果分析

3.7侵蚀速率与切应力的关系

3.8小结

第四章 黄河入海泥沙沉积固结过程对抗侵蚀性影响研究

4.1概述

4.2室内试验研究

4.2.1试验方法及过程

4.2.2试验结果

4.3现场试验研究

4.3.1研究区概况

4.3.2试验方法及过程

4.3.3试验结果

4.4分析与讨论

4.4.1沉积物物理力学性质与临界侵蚀切应力关系

4.4.2临界侵蚀流速试验结果与计算值对比

4.5小结

第五章 波浪循环荷载导致现代黄河三角洲岸滩沉积物抗侵蚀性变化研究

5.1概述

5.2室内试验研究

5.2.1试验方法及过程

5.2.2试验结果

5.3现场试验研究

5.3.1试验方法及过程

5.3.2试验现象及结果

5.4研究区岸滩侵蚀调查

5.5分析与讨论

5.5.1波浪循环荷载导致沉积物抗侵蚀性动态变化分析

5.5.2波浪循环荷载导致沉积物抗侵蚀性变化原因探讨

5.5.3室内及现场试验结果差异原因探讨

5.6小结

第六章 现代黄河水下三角洲海底侵蚀地貌成因探讨

6.1概述

6.2埕岛海域海底沉积物类型及分布

6.3埕岛海域水动力条件

6.3.1波浪特征

6.3.2潮流特征

6.4波浪作用下埕岛海域海床液化分析

6.4.1理论公式

6.4.2有限元公式

6.4.3模型验证

6.4.4液化判别准则及计算结果

6.5埕岛海域海底侵蚀地貌类型及分布

6.6埕岛海域海底侵蚀地貌成因探讨

6.7小结

第七章结论及待解决的问题

7.1结论

7.2待解决的问题

参考文献

附录

致谢

个人简历、发表的学术论文

计算机软件著作权、在学期间参加的研究项目