波致粉土底床液化泥沙出流形式试验研究❋

许国辉, 王　刚, 吕楚岫, 孙振红

(1.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)



波致粉土底床液化泥沙出流形式试验研究❋

许国辉1,2, 王刚1,3, 吕楚岫1,2, 孙振红1,2

(1.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)

入海河口三角洲浅海环境中的低坡度粉土海底，受到长期波浪荷载或短期风暴浪作用，能够出现浅表层软弱区局部液化，液化后的泥沙继续受波浪作用，发展成更大规模的海底地质灾害，对海洋开发活动及设施构成严重危害。本文采用黄河三角洲粉土铺设试验底床，进行粉土底床液化后泥沙出流形式的波浪水槽试验，发现波浪作用下粉土底床液化后，液化泥沙将从源区出流。根据波浪水槽试验泥沙液化出流的过程与形式，将底床分为液化流动源区、坡面区、边壁区以及原始底床区四部分，前三个区域的循环转化推动液化泥沙以分层堆积推进的形式出流。本试验研究给出了浅海环境中一种可能的粉土底床液化出流形式。

波浪作用；粉土；液化；出流

引用格式：许国辉, 王刚, 吕楚岫， 等. 波致粉土底床液化泥沙出流形式试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(10): 98-105.

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1985—1987年，中、美、加三国科学家对黄河三角洲浅海区域的调查，发现了水下三角洲存在的滑坡、塌陷凹坑、粉砂流等不稳定地质现象[1-5]，其中在波浪作用强烈的水深8～12 m海底，存在凹坑、洼地、冲沟、残留岗丘、复合扰动海底等微地貌发育[3-4,6-7]。自Prior等报道了密西西比三角洲海底的泥流之后[8]，利用旁侧声纳和浅地层剖面测量设备，对黄河水下三角洲现场开展调查，也发现海底存在粉砂流[2]。被认为存在粉砂流的主要原因，是调查中发现有宽度达到100～500 m不等、长度以km计、下部可达4～5 m深度的浅部地层受到扰动破坏的冲沟地形[2-4,7]。在给出了黄河水下三角洲现场调查成果后，关于粉砂流的形成及流动问题一直没有解决。

1990年代到现在，关于海底土体在波浪作用下发生液化的研究在持续开展，研究的关注点主要集中在液化能否发生及液化深度问题上。波浪导致海底液化研究初期主要集中在液化发生的机制、土体孔压变化特征等方面，并开展了波致液化的现场试验[9-12]。在利用波浪水槽试验研究中发现了粉质土的共振液化现象[13]，理论上应用弱非弹性介质模型，对线性加载波下粉土特性及其产生共振发生的力学机制进行了分析[14]，同时也利用水槽试验结果全面分析和总结了波浪引起底床共振液化的条件及孔压响应特征，并给出了在底床发生液化条件下的水体悬沙变化规律[15-20]。离心机试验也是研究波浪导致砂土液化的手段，给出液化自床面向下发展的规律，并发现重新液化现象，同时对试验液化结果利用弹塑性模型进行了有限元计算分析以求得液化深度[21-22]。另外，在海岸带现场开展的工程试验，提供了在波浪作用下海底发生液化的确凿证据[11,23-25]。这些研究表明，在强烈的波浪作用下，海底沉积的砂土或者粉质土能够产生液化。

对于黄河水下三角洲浅表土体在风暴浪的作用下发生液化的问题，基于已有的现场调查和波浪水槽试验研究结果，总结给出了液化后土体运动形式与波浪运动一致，液化土体运动造成的土颗粒分异而使地层重新层化的液化问题[26-27]。根据前述研究可以视粉砂流是由于海底土体液化而形成。本文通过波浪水槽试验的方法，主要研究液化后的粉土从液化源区怎样出流的问题。

1　试验装置与底床

本文试验的主要设备是波浪水槽，水槽中底床布置示意图见图1。右侧为造波区，采用推板式，可以调节试验中波浪要素；左侧为消浪区，采用卵石消浪，坡度约为1∶10；中间部分为底床试验区，其中活动挡板将试验底床分成两部分(平整底床区和斜坡底床区)，由两根沿壁传力杆控制，上边界与底床上表面平齐。平整底床发生原地液化，提供初始液化粉质土，斜坡底床提供流动所需坡度(约1°)，靠近波源且坡面朝向来波方向，使试验与海岸现场具有一定的对应性。试验底床使用取自黄河口岸滩原土。试验前测得其基本物理性质为：粒径在0.075～0.005 mm的颗粒含量占83.36%，小于0.005 mm的占8.21%(见图2)；本文中0.075～0.005 mm的颗粒在温德华分类中属于极细砂——粉砂粒级，塑性指数为9，确定本试验用土为粉土。

图1　底床布置示意图Fig.1　The structure and size of the water flume

图2　初始底床粉土粒度分布曲线Fig.2　Grain-size analysis of the initial seabed soil

为使试验底床铺设性质均匀，首先在小水箱中将土重塑制成均匀的高浓度浆体后，用顺板滑塌方法分批移入水槽试验区，制成试验底床，其中平整底床长L=2.6 m，高H=0.6 m，宽D=0.5 m，斜坡底床长L=1.3 m，最厚处H=0.1 m，宽D=0.5 m。水槽中加水至平整底床区的水深为0.4 m。固结7天后，开始试验。

2　试验过程与现象

试验在加波前，对经过固结好的初始底床取样测定初始底床密度、含水量、粘粒含量等物理参数(见表1)。施加预定波浪(见表2)后，由于试验水槽波浪不能满足初始液化的动力条件，在平整底床表层进行人为扰动液化(扰动区域20 cm×20 cm)，液化后停止扰动，表层扰动液化区在波浪持续荷载作用下迅速扩展，液化深度到达最大值(约40 cm，此深度低于斜坡底床下边界，保证提供液化粉土的出流条件)后，通过传力杆迅速垂直向上抽掉活动挡板，平整底床区(后面称为源区)的液化粉土将向斜坡底床区(后面称为坡面区)运动(见图3)。

由于设置的活动挡板产生的固壁效应，源区在挡板附近存在未液化的土体。抽掉挡板后，源区靠近挡板处未液化的粉土变成无支挡的陡壁，快速溃塌到斜坡上，形成新的陡坎(见图3a)，陡坎以下坡度缓和；随着试验进行，新形成的陡坎受到源区液化土体的侧向振动作用与坡面区水动力冲刷(在边壁基部被掏空)影响(见图3b和3c)，最终陡坎坍塌，进而消失，坡度变缓(见图3d)。整个过程中，源区流动粉土在波浪作用下不断从陡坎上缘溢流出，在斜坡上做周期性推移前进，前进过程中颗粒分选更充分，部分细粒悬浮进入水体中，此时斜坡区整体的坡度缓慢降低，坡面在成层向前堆积推进，不断推移运动沉积于坡面的土体出现粗细相间的沉积纹理，基本与当时的坡面平行，平整底床区表面高度在不断降低(见图3e和图3f)。持续施加波浪作用，原来源区靠近挡板未液化的土体不断发生液化，液化深度和宽度都在增大，底床不断粗化，坡面持续成层推进。液化到达最大深度后，液化界面逐渐上移，坡面区不断变厚。最后没有液化粉土从陡坎上缘流出，坡面不再堆积推进，液化流动区开始转变成原地液化沉积模式，此时的整体床面如图3/g所示。斜坡较缓处开始出现沙纹，当整个底床停止运动后，底床表面比较平缓，约为1°。此后进行了第二轮试验(为第一轮的验证试验)，底床制备与试验过程和第一轮一样，流动状态和斜坡上的行进方式与第一轮相同。

表2　波要素和作用时间Table 2　Wave parameters and time in the experiment

图3　斜坡区出流泥沙沉积推进图Fig.3　The deposition development of sediment flow in the slope area

3　试验结果与分析

为清晰地给出波浪导致粉土底床液化泥沙出流形式，结合试验现象与过程，根据土体的运动特点，以下总结给出整个试验中底床土体的区域划分、区域之间的演变与泥沙运动、泥沙流动的方式和沉积特点等几个方面的试验结果。

3.1 底床的区域划分

平整底床区土体充分液化后，抽出活动挡板，液化粉土继续受到波浪作用，开始从源区溢出，并在斜坡上流动，根据流动粉土颗粒运动特点，可将底床分为4个区域，即液化流动区、边壁区、坡面区和固定底床区(见图4)。划分出的4个区域将共同影响着液化粉土在斜坡上的运动形式，同时通过对粉土流动过程中的区域划分，能够更好研究流动的整体形式与机理。

(Ⅰ区：液化流动区 Ⅱ区：边壁区 Ⅲ区：坡面区 Ⅳ区：固定底床区。 AreaⅠ：Zone of liquid flow　Area Ⅱ：Side wall region　Area Ⅲ：Slope　Area Ⅳ：Fixed bed.) 图4　流动区域划分示意图Fig.4　The distribution of flow region

其中液化流动区(Ⅰ区)由原来平整底床液化区演变而成，是粉土液化泥沙流动的源头，该区土颗粒随波浪做椭圆运动，运动特点与原地液化模式相同，其椭圆运动的长轴和短轴随深度增加而呈指数减小[27]。坡面区(Ⅲ区)是液化粉土溢流出边壁在缓坡上流动前进的区域，此区域都是由每个波周期溢流出Ⅰ区的推移运动的泥沙构成。该区厚度较薄，流动土颗粒在此区域上受波浪力与重力作用不断顺坡往复前进，并逐渐分选，最终物理性质发生改变，不断在缓坡上成层沉积，坡面区虽然比较薄，但却是源区液化土出流的泥沙向前运动的重要区域。边壁区(Ⅱ区)是原来未液化的源区部分，区隔Ⅰ区和Ⅲ区，在抽掉挡板时有土体的坍塌堆积。边壁有阻碍Ⅰ区液化土体沿缓坡向下流动的作用，流动初期该区宽度较窄，但随着溢流泥沙的堆积推进，宽度有所增加；随着源区液化向坡面区的发展，最终该区完全变为液化区，液化土体不再出流。Ⅳ区为固定底床区，此区域的底床土体未发生液化或流动，与液化流动区(Ⅰ区)、边壁区(Ⅱ区)和坡面区(Ⅲ区)的交界面附近有泥沙运动形成的纹理存在。

3.2 各区域间的演变

试验中，在粉土底床形成充分液化后抽掉挡板，泥沙发生出流后，在向坡面的推进中，液化流动区、边壁区和坡面区土体发生循环转化(见图5)，这种转化推动整个液化粉土向前堆积。循环转化具体为：在波浪作用下，每个波周期内，液化流动区粉土通过边壁区上缘溢流而出，转变成坡面区沉积物，坡面区泥沙继续在波浪作用下沿着坡面运动，不断成层堆积，最终在坡面上成层沉积形成较稳定的边壁区；同时边壁区粉土会受到液化流动区侵蚀，再次液化流动，至此3个区域形成单向的转化循环，使流动粉土不断向前推进。

图5　液化流动区、边壁区和坡面区循环转化图Fig.5　Transformation of liquefied source area, slope area and side wall

除了上述3个区域间的转化外，各区域在运动过程中，也有各自的演变特征。其中液化流动区在初期会侵蚀边壁区和下部的原始底床，逐渐扩张，后期由于液化土体物理性质的改变，液化界面将上移，液化土体不再溢流后，该区将转化为原地液化沉积模式，液化界面继续上移，直至液化区域消失。边壁区会随着坡面区(Ⅲ区)沉积与液化流动区(Ⅰ区)侵蚀而逐渐前移。后期土体流动性变差，液化流动区停止向前侵蚀，液化边界上移，边壁区将逐渐增厚，Ⅰ区后期将转化为原地液化沉积模式。坡面区的存在是流体保持行进的充分条件，当Ⅰ区流动粉土不能从边壁区流出，坡面区消失，液化区土体停止向斜坡区的推进。

3.3 液化土体和出流泥沙运动方式与沉积特点

在前述底床的4个区域，除固定底床区土体未发生明显位移的运动外，液化流动区、边壁区和坡面区的液化土体和出流泥沙，均表现出明显的运动。液化粉土自源区至斜坡区的演进模式如图6所示。

图6a阶段为平整底床上部土体处于液化状态，形成液化流动区。其中的液化土体在上部水体波浪作用的胁迫下，发生与波浪一致的波动，仅是因为液化土体的高密度和粘滞性，其波动比水体的波动振幅明显减小。此阶段底床粉土液化失稳源已经形成。

图6b阶段，在刚抽掉活动挡板时，有源区靠近挡板处未液化的粉土溃塌到斜坡上，形成陡坎。其后较明显的现象是从源区出来的液化粉土在斜坡上推移运动并沉积，形成很薄的坡面沉积层。在波浪的作用下，每个波循环内有少量液化粉土从边壁上缘流出，并沿着斜坡面往复上下运动前进，至此4个区域全部出现。此时液化流动区的粉土从边壁上缘较多流出，坡面有所减缓，土床的高度随着流动的向坡面区的推进缓慢下降。

图6c阶段，坡面已经比前一阶段变缓，但在边壁迎波面上部相对较陡的部位基部会被水体首先掏蚀，液化流动区继续向前侵蚀扩张。

图6d阶段，在边壁上部因水体掏蚀将要发生坍塌，坍塌高度比前一次小。坡面继续变缓，床面持续降低，坡面上流动粉土持续向前分层堆积推进。原来层状沉积的边壁很大部分再次转化为液化粉土，边壁高度持续下降，但始终保持一定厚度。

图6e阶段，坡面已经停止前进，此时坡面变得很缓，床面也出现很缓的坡度，两者坡向相同。液化流动区完全成为原地液化模式，液化底界面开始缓慢上升，出现了粗细相间的沉积纹理。

图6　液化粉土自源区至斜坡区的演进模式图(纵轴单位为cm)Fig.6　The evolution of liquefied soil from liquefied source area to slope area

波浪作用下粉土液化形成的出流泥沙，在斜坡上的运动，不是以整体流动形式向前推进，而是随波浪周期性的从边壁上缘以推移质形式溢出，在斜坡上呈薄层的推移运动后，再以停积的形式向斜坡下推进。

4　讨论

在黄河水下三角洲进行调查发现有塌陷凹坑、洼地、粉砂流等不稳定地质现象后，受监测环境与技术条件限制，以及海底地质灾害本身具有突发性、区域性特点，无法在现场获得其生成机制和演变过程。本文设计的试验，即是在已有波浪导致粉质土液化的基础上，来观察粉砂流的形成及运动。在试验条件下获得的观测结果是：底床在波浪作用下充分液化后，泥沙在波浪近底流动的周期推动下，能够沿斜坡以推移堆积的形式向斜坡下推进；最终由于波浪力与重力分选作用，出流泥沙的粘粒含量减小，沉积物粗化，密实度增大，土体整体流动性减弱，出流泥沙最终一层一层停积在坡面上。

试验前预想的是源区液化土体以整体流动形式向斜坡出流，而试验结果与预想不一致，出现的是在斜坡区泥沙在波浪底流推动下的推移运动和停积。黄河水下三角洲现场，一般底坡坡度小，形成的塌陷凹坑规模不大(塌陷凹坑由于波浪作用下土体振荡运动而形成[28-29]，从最近的试验来看，其机理应为土体的液化运动而形成)，如果粉砂流源区为塌陷凹坑处的液化土体的话，则凹坑未液化的边壁与试验中设置斜坡一侧的未液化边壁一致，那么其出流形式可能与本文试验结果一致。当然，由于现场波浪强度较大，也可能导致大范围的土体液化，从而形成土体的整体性流动。

5　结论

本文所做的室内波浪水槽试验，对底床粉土液化在波浪作用下泥沙沿斜坡流动进行了研究。通过实时观察和录像记录，对液化粉土从开始出流到流动停止整个过程进行分析，总结出试验条件下的波浪导致粉土液化泥沙出流的模式。

(1)波浪作用下，液化粉土斜坡流动过程中，根据土颗粒的运动特点，底床分为运动状态不同的四个区域，即液化流动区、边壁区、坡面区和固定底床区，在土体液化从源区出流到斜坡的过程中，液化流动区、边壁区和坡面区流体可以循环转化，推动泥沙底床向斜坡下方推进沉积。

(2)波浪作用下，从源区出流泥沙沿斜坡的行进方式为推移质运动和停积。每个波周期，液化粉土都从边壁区上缘溢流而出，然后再沿着坡面往复运动，最后分层沉积，沿坡面缓慢推进。

(3)边壁区是原地液化运动与斜坡坡面泥沙运动的结合点，是它们转化的“桥梁”。前期自源区出流沉积于坡面的泥沙将受到液化流动区扩大的侵蚀，向斜坡下方推进，并不断的将流动泥沙“释放”到坡面上，提供堆积前进的泥沙，后期液化流动区将完全转化为原地液化沉积模式。

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责任编辑徐环

Experimental Study on the Motion Forms of Outflowed Sediments from Wave-Induced Liquefied Seabed

XU Guo-Hui1,2， WANG Gang1,3， LV Chu-Xiu1,2， SUN Zhen-Hong1,2

(1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology， Ministry of Education， Qingdao 266100， China； 2.College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 3.Production Brigade of Geology and Hydrogeology， Bureau of Geology and Mineral Resources of Hebei Province， Qinhuangdao 066000， China)

The low slope silt seabed of estuary delta can be local liquefied under the action of long-time wave load or short-time storm wave in shallow water environments. Liquefied sediment develop into a larger seabed geological disasters under the wave action, constituting a serious damage to the marine development activities and facilities. In this paper, the test bed with the Yellow River delta silty was carried out in wave flume experiment. According to the wave flume experiment of liquefied soil’s flow mode, the process and mode of liquefied bed sediment had been obtained flowing from the source area under wave. At the same time, based on the movement characteristics of sediment in the process of flow, the test bed was divided into four parts (liquefied source area, slope area, side wall and original bed). Loop transformation of the first three areas promoted liquefaction sediment to flow, causing the seabed slope instability, in the form of a stratified accumulation. The regional conditions and morphological characteristics of liquefaction were good correspondence with silt flow, which provided a probable flow mode of liquefied silty bed in shallow water environments.

wave action； silty soil； liquefaction； flow mode

国家自然科学基金项目“粉质土海底波致粉砂流及其运动特性研究”(41076021)；国家海洋局海洋公益性行业科研专项“近海海底地质灾害预测评价及防控关键技术研究”(201005005-6)资助

2015-06-30；

2015-09-18

许国辉(1972-)，男，教授，主要从事海洋工程地质、海岸工程环境方面研究。E-mail：xuguohui@ouc.edu.cn

P642

A

1672-5174(2016)10-098-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150232

Supported by National Natural Science Foundation of China“The study of Wave-induced silt Flows and Movement Characteristics on Silty Seabed”(41076021); Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean“The Study of Prediction and Evaluation of Submarine Geological Hazards and the Technologies of Prevention”(201005005-6)