南黄海中西部海底空间沉积特征及工程地质特性

南黄海海区被认为是我国在海上进行公益性、战略性油气资源评价的有利海区,但目前该海区海底深度方向上沉积特征及工程地质特性的研究仍较少。本文利用2009年6月及2010年6月在南黄海中西部海底获取的287个站位的沉积物柱状样品,通过粒度分析、物理力学性质测试,得到了该海域海底的空间沉积特征及沉积物工程地质特性:研究区海底表层沉积物类型多样,西南海底以粉砂质砂、砂质粉砂为主,力学强度较高,不易压缩,但由于较强的水动力条件,易冲刷粗化;东北海底以粉砂质黏土、黏土质粉砂为主,力学强度低,极易压缩;研究区海底深度方向上沉积物类型并非单一,常由几种类型沉积物互层组成,沉积物基本物理性质和力学性质随埋深变化的情况主要与沉积物类型有关,其次是压实作用。一定程度上,可利用本文给出的拟合函数,通过压缩波速估算研究区海底沉积物的孔隙度。     

黄河三角洲沉积物抗侵蚀性动态变化差异研究

为研究波浪循环荷载作用过程中,细粒土沉积物抗侵蚀性特征的演化及其发生机制,在现代黄河三角洲北部及东北部选择两个典型研究区（遭受严峻侵蚀的车子沟渔村试验区及基本处于侵淤平衡的黄河海港试验区）进行了一系列波浪荷载模拟试验、侵蚀水槽试验及沉积物物理力学性质测试。试验结果发现：原车子沟渔村试验区沉积物抗侵蚀性在无波浪荷载作用或较短的波浪荷载作用条件下,普遍高于黄河海港研究区,但由于其更显著的液化特性,该区沉积物抗侵蚀性更容易被波浪荷载作用降低,这是造成车子沟渔村研究区遭受严峻潮滩侵蚀的重要原因。另外,结合试验结果,对两个研究区沉积年代及沉积物粒度成分特征的分析可知,波浪荷载作用导致海床下部细粒物质向上输运这一次生改造作用加速了海床沉积物的“粗化”进程,从而推进海岸带地区细粒沉积物抗侵蚀性特征的演化     

泰国湾表层沉积物陆源碎屑的粒度特征及其展现的沉积动力环境

海洋碎屑沉积物的粒度特征是海底沉积动力环境的直接体现,是用来研究海洋动力环境变化的重要手段,尤其是陆架海底表层沉积物的粒度分布,对于研究沿岸和水柱底边界层现今海洋动力环境可起到重要作用。该项研究通过调查遍布泰国湾至湄公河口海底表层沉积物陆源碎屑的粒度分布特征,以期获得影响现今特定海域沉积作用的海洋动力环境过程。粒度分析的结果显示,泰国湾表层沉积物的陆源碎屑以细砂-细粉砂为主,分选总体较差,频率分布以正偏为主。其中,细砂-极细砂组分主要分布在曼谷湾和柬埔寨沿岸。湄公河岸外沉积物为细砂,且分选比泰国湾区域的沉积物要好。这些表层沉积物的粒度特征具有良好的环境变化指示作用。湄公河岸外分选较好、近于正态分布的中砂沉积物指示了波浪作用下的沉积环境。曼谷湾和柬埔寨沿岸分选较差的中砂-细砂粗粒沉积物反映了潮汐和波浪的共同作用;泰国湾东西沿岸区域分选中等、呈正偏态的极细砂-中粉砂沉积物体现了潮汐的控制作用;而泰国湾中部分选较差的沉积物则指示了表层洋流作用。研究表明,泰国湾和湄公河岸外表层沉积物陆源碎屑的粒度分布特征可用于区分不同海洋动力因素的控制作用,揭示出泰国湾的沉积动力环境主要受潮汐、波浪和洋流的共同影响,湄公河岸外的沉积动力环境主要受波浪的影响。     

东太平洋海盆CC区沉积物因子分析揭示的沉积环境地球化学演化信息

对中国大洋矿产资源开发研究协会DY851和DY853航次获得的东太平洋晚新生代沉积物(包括61个表层沉积物样品和16个沉积物柱状岩芯)进行了系统的地球化学和数理统计分析，揭示了东太平洋海盆CC区晚新生代沉积环境地球化学演化的一些特征。认为洋底扩张、沉积区离东太平洋洋脊的距离、海底的地热强度及地热活动频率影响了研究区CCD的深度和CCD波动的频率及幅度，从而在一定程度上制约了研究区的沉积环境。     

考虑波浪与地震动力效应的曹妃甸海底斜坡稳定性探讨

波浪和地震等动力荷载容易引起斜坡海床失稳,进而引发海底滑坡,危及港口码头安全和海洋工程建设。本文以曹妃甸港南部深槽处海底斜坡为研究对象,考虑真实波浪荷载和地震荷载,采用有限元法和极限平衡法相结合的研究手段对海底斜坡的动态稳定性进行了定量化计算,探讨了动力效应对特殊环境下海底斜坡稳定性的影响机制。结果表明: (1)极端波浪荷载和地震动力荷载对海底斜坡稳定性影响很大,重现期为50a的波浪荷载和峰值加速度为0.15 g的地震动力荷载将引发海底斜坡失稳,且地震荷载将诱发海底斜坡产生较大位移; (2)动力效应会引发海床侵蚀和岩土体强度弱化,进而降低斜坡安全系数,这是稳定性分析中不可忽略的重要因素。     

波浪作用下黄河口粉土液化与“铁板砂”形成机制的模拟试验研究

通过室内水槽试验,观测波浪作用下土体产生的振荡现象,分析土体内孔隙水压力的变化及波浪作用后土体强度变化特征,研究了波浪荷载作用下黄河口粉土粒径粗化和“铁板砂”的形成过程。试验及讨论结果表明：在波浪作用下上层粉土体大部分时间处于液化状态;由液化土形成的振荡土层与下部土层之间形成“W”型的滑动面,振荡土层的厚度随着波浪作用时间的增加而变小;细粒物质从振荡土层中的骨架中脱离进入水体中,并在土体表层形成一层以黏粒为主的絮凝状沉积物,其厚度随波浪作用时间的增加而增加,在土体停止振荡前达到最大值;土体液化是“铁板砂”形成的必要条件,而波浪引起的液化土体振荡则使“铁板砂”的形成成为可能。     

南海珠江口盆地西部海域海马冷泉区表层沉积物的生物标志物特征

2015年3月,我国用自主研制的“海马”号4500 m级非载人遥控潜水器,首次发现了海底巨型活动性“冷泉”——“海马冷泉”。为揭示冷泉区地表沉积物中地质微生物的发育和演化特征,本研究选择海马冷泉区3个站位表层沉积物样品(活动冷泉区ROV1、ROV2和背景区QDN22),对其中的地质微生物标志物进行对比研究,探讨海底表层沉积物甲烷缺氧氧化作用(AOM)的发育状况。研究表明,冷泉区表层沉积物中存在强烈地与甲烷相关的微生物活动,主要表现在:(1)相对增高的总有机碳(TOC)含量和明显偏负的?~(13)C_(org)值;(2)发育大量与AOM有关的生物标志物,如带1?3个环戊烷结构的类异戊二烯类甘油二烷基甘油四醚脂(iso-GDGTs)、一些特殊的类异戊二烯烷烃(如2,6,11,15-四甲基十六烷(Crocetane)、2,6,10,15,19-五甲基二十烷(PMI)和2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷(Squalane))以及C_(15:0)和C_(17:0)异构/反异构脂肪酸等,表明海底存在一定的甲烷渗漏;(3)冷泉区ROV2站位的生物标志物含量和碳同位素组成表明,此站位表层沉积物AOM作用更强,指示其下部可能存在更大甲烷通量。     

波浪和潮波作用下黄河口快速沉积海床土非均匀固结试验研究

黄河高含沙量水体在弱潮陆相河口入海,80 %的泥沙在河口附近快速堆积。过去研究发现,黄河三角洲潮滩表层沉积物呈现非均匀固结状态。为了揭示该现象产生的机制,在黄河刁口流路三角洲叶瓣潮坪上,现场取土配置黄河口快速沉积形成的流体状堆积物,研究快速沉积的粉质海床土在波浪和潮波作用下的孔压响应及非均匀固结过程。利用静力触探、十字板剪切试验、孔隙水压力监测等原位测试手段,实时测定快速沉积的海床土强度和孔压变化过程。研究发现,快速沉积的粉质土在自重作用下的固结速度很快,正常固结完成后,强度随时间的发展依然不断增加,沿深度方向出现类似原状土体的固结非均匀现象和似超固结状态;在波浪和潮波作用下快速沉积粉质土孔压沿深度出现非均匀变化,在波浪作用下出现了超静孔压的积累。分析发现,该固结状态和强度沿深度方向非均匀变化是由于土体在潮波及潮波和波浪的联合作用下形成的;潮滩表层土体在波浪荷载长期作用下形成硬壳层。     

波浪导致黄河口海床沉积物超孔压响应现场试验研究

黄河口海床特殊的工程地质性质与复杂的工程动力稳定性问题,均与海床沉积物在波浪荷载作用下的孔压动力响应密切相关。在现代黄河水下三角洲潮间带岸滩选择4个典型研究点,现场模拟波浪作用对原状海床沉积物实施循环加载,利用孔隙水压力观测、沉积物强度测试、样品采集与实验室土工测试等方法手段,测定黄河口原状海床沉积物在循环荷载作用不同阶段的孔压响应与强度变化。研究发现,黄河口原状海床沉积物在经历循环加载过程中,典型的超孔压响应可分为逐渐累积、部分消散、快速累积、累积液化和完全消散5个阶段,分别对应沉积物强度的衰减、增大、衰减、丧失和恢复过程,沉积物的粒度组成与结构性强弱决定了超孔压的具体响应模式。波浪导致原状海床液化深度受沉积物的干密度、孔隙比、饱和度等初始物理性质影响显著,细颗粒组分的相对含量高低也在很大程度上控制着沉积物的液化特性。     

广西钦州湾外湾海域表层沉积物粒度特征及沉积环境

沉积物粒度特征是反映沉积作用、沉积环境和沉积动力条件的明显标志,为了解广西钦州湾外湾海域沉积环境,对研究区167组表层沉积物样品进行粒度测定,分析粒度参数特征并划分沉积物类型,运用Pejrup三角投图对研究区进行沉积动力环境分区,采用Gao-Collins粒径趋势分析法总结研究区表层沉积物的运移趋势。结果表明：研究区表层沉积物以粉砂和砂为主,分选系数差。Folk-Ward分类法的结果显示研究区表层沉积物类型共12种,以砂质粉砂、砂质泥和粉砂分布最广,分别占样品总数的22.16%、17.37%和14.97%。沉积动力分析显示研究区的沉积环境复杂,水动力整体表现出由湾口向外逐渐减弱的特征。粒径趋势分析表明研究区表层沉积物整体向湾口及潮流深槽(航道)方向运移。综合分析表明研究区的沉积环境主要受潮流、波浪及人类活动等的影响。研究成果可为港口建设、深水航道改扩建以及海洋牧场建设等提供科学参考。     

振动导致黄河口海床渗透性变化研究

黄河水下三角洲为细粒粉质土沉积。土体渗透性是海工设计与海床稳定性评价的重要参数之一。在波浪等循环荷载作用下,黄河口海床土渗透系数如何变化尚不清楚。本文利用现场原位振动试验和室内土样振动实验,研究土体渗透系数随所受振动能量的变化,发现循环荷载作用使海床土渗透系数先变小然后持续变大,变化幅值可达4倍多。通过同步测量循环荷载导致的土体容重等的变化,结合试验现象的观测,进一步分析了渗透系数随循环荷载变化的机理。     

Beach and nearshore morphodynamic changes of the Tabarka coast,Northwest of Tunisia

Aerial photographs taken in the 1963 and 2001 and bathymetric charts, in conjunction with coastal processes are analyzed to assess changes in rate of shoreline position, seabed level, and seabed grain sizes along the Tabarka–Berkoukech beach at the north-western Tunisian coastline. The littoral cell of this beach, 12-km-long, is bounded by pronounced embayments and rocky headlands separated by sandy stretches. Although not yet very much undeveloped, this littoral is still experienced degradation and modification, especially along its shoreline, with significant coastal erosion at some places. Results obtained from analysis of shoreline position indicate that El Morjene Beach is experienced a landward retreat of more than −62 m, at a maximum rate of −1.64 m/year, whereas the El corniche beach is advanced about 16–144 m, at an average rate of 0.42 m–3.78 m/year. This beach accretion has been formed on the updrift side of the Tabarka port constructed between 1966 and 1970. Comparison of bottom contours deduced from bathymetric charts surveyed in 1881 and 1996 off the coastline between Tabarka Port and El Morjene Beach identifies erosional areas (sediment source) and accretionary zones (sediment sink). Erosion (0.87–4.35 cm/year) occurs between El kebir River Mouth and El Morjene beach, whereas accretion exists in the zone down wind of the port ranges between 0.87 and 5.21 cm/year. Morphological analyses of the shoreline and the seabed of the study nearshore area indicate that shoreline retreat corresponds to areas of seabed scour (sediment source) while shoreline accretion is associated with areas of seabed deposition (sediment sink). Furthermore, simulation of wave propagation using STWAVE model combined with grain size distributions of the seabed shows that fine sands are much dominated in depositional areas with low wave energy, whereas coarser sands in erosive zones with high wave energy. The results obtained suggest that the change of seabed morphology, wave height pattern and grain size sediment have a great influence on the modification of shoreline morphology and dynamics.     

随机波浪作用下海床动力响应及液化的理论分析

运用随机波浪理论,基于广义Biot动力固结理论,建立了能够考虑波浪荷载随机特性影响的计算海床动力响应及液化深度的解析数值模型,并从时域上进行求解分析.通过与传统线性规则波浪荷载作用下海床动力响应及液化深度的数值结果的对比分析,详细讨论了考虑波浪荷载的随机特性对于求解海床动力响应及液化深度的影响程度.结果表明,根据随机波浪理论计算得到的海床中的超孔隙水压力、水平有效应力、竖向有效应力、剪应力表现出较强的不规则性,其幅值沿着海床深度方向的变化趋势与根据线性规则波浪理论计算得到结果的变化趋势基本相同,但在同数量级上更大,同时计算得到的海床最大液化深度明显大于根据线性规则波浪理论计算得到的结果.因此,在海洋地基设计和自由场地安全评估时应该合理地考虑波浪荷载的随机特性.     

黄河口潮滩粉土体固结非均匀性研究

通过分析直立堤前海床地貌和深度剖面方向贯入强度特性及相邻自由海床剖面方向贯入强度特性,研究了黄河口潮滩粉土体动力响应的非均匀性。研究发现：沿海床剖面不仅存在水平硬层,同时也存在竖直硬层,且竖直硬层与水动力条件有关。结合现场循环冲击荷载试验和直立堤前多孔介质海床数值模型,解释粉土海床非均匀性形成的机制：由于粉土体中细小无黏性颗粒在波浪作用下逐渐脱离土骨架,在土体中缓慢流动汇聚,在后期波浪改造累积作用下固结排水强度增大,形成强度不同的地带,导致土体动力响应的非均匀性。     

破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验

波浪在斜坡沙质海床上破碎会加剧泥沙输移导致海床形态变化,研究破碎波作用下沙质海床形态变化机制对于岸滩演变分析极为重要。在波浪水槽中采用中值粒径0.47 mm原型沙铺设1∶20坡度的底床模型进行试验研究,测量不同波浪条件下床面形态和沙坝顶端悬浮泥沙浓度变化。通过测量和计算破碎带输沙率、沙坝尺度和沙坝移动速度,分析破碎波作用下沙质斜坡海床上床面形态变化规律。试验结果表明,破碎带沙坝顶端的悬浮泥沙浓度与水深和底部床面密切相关,在形成沙坝和沙坝水平方向移动时,悬浮泥沙浓度较大;斜坡上沙坝前后来回运动的周期大小具有随机性,沙坝既有向岸又有离岸移动;在多组波长时间作用后沙坝尺度趋于稳定,底床净输沙量趋于0。     

考虑渗流效应的冲流带泥沙起动机理研究

为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。