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     

差异水动力导致黄河口粉质土微结构分形特征变化实例研究

在黄河三角洲北部潮坪上选择典型研究区。区内通向油井的道路的修建使北侧水动力条件明显强于南侧。对两侧原状土样进行粒度成分测试和微观结构观测,并利用分形理论进行分析。结果发现,在水动力作用强区中,粒度分维值随深度的变化曲线大致呈反“S”型,颗粒分布分维值随深度单调递增(表层除外),颗粒定向性分维值随深度的变化曲线呈“S”型;在水动力作用弱区,粒度分维值和颗粒分布分维值随深度单调增大,颗粒定向性分维值随深度的变化曲线呈平缓的反“S”型。这些参数的变化较好地反映了不同深度处沉积物的层化现象。     

基于数字孪生的海底地质灾害监测预警技术研究

本文创新了基于海底实时监测数据驱动的海底工程地质环境数字孪生模型,建立了一套埕岛油田地质灾害监测预警系统,构建了海底工程地质环境数据库,实现了对海底监测数据的远程实时可视化更新及交互控制。该系统应用于埕岛海底地质灾害监测,在持续运行的40天监测周期内,累计警报了2次强海底侵蚀灾害,提示了4次高浊度事件,真实反映了研究区海底侵蚀变化。本文首次尝试将数字孪生技术融合到海底地质灾害的监测预警中,为区域地质灾害防控提供了一种新的技术参考。     

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。     

黄河三角洲地基土透水与隔水夹层对微振液化的影响

由于土体不同透水边界对微振液化的影响不同,选用3种隔水层与透水层的组合情况,进行现场和原位循环荷载试验和室内土样振动试验,结合试验中所观察到的现象和循环荷载作用过程中土样密度、含水率、孔隙比的变化,研究在循环荷载作用下隔水层与透水层的存在以及振动力不同的施加方向对黄河口海床土液化过程的影响。     

探索海床液化对沉积物再悬浮贡献的波浪水槽实验

通常认为沉积物的再悬浮主要来源于过剩剪切应力对海床表面的逐层侵蚀。虽然许多研究已经注意到波致海床液化在其中的重要性,然而,至今鲜有成果对其进行可靠的定量评估。本文即尝试通过一系列大型波浪水槽实验,初步对其进行量化评估。实验结果表明：在相对波高 (波高水深比) 为 4/20 和6/20的情况下, 黄河三角洲粉质沉积物的液化分别可以贡献52.5% 和 66.8%的再悬浮沉积物, 液化贡献与相对水深呈现正相关;进一步综合前人研究结果对比分析, 构建了用于定量描述液化贡献与相对水深关系的参数化方程。液化主要通过两种机制影响再悬浮过程：(1) 液化后黏聚力的减弱与渗流托举力,导致沉积物抗侵蚀性衰减 (2) 有部分细颗粒沉积物通过液化海床内部的渗流 “泵送” 输运到海床表面。     

电阻率法监测黄河口海床沉积物固结过程现场试验研究

为了研究黄河口海床沉积物固结过程中电阻率同工程力学性质指标的对应关系,探索海床土体固结过程的新型原位监测技术,本文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沉积物和观测研究粉质土海床的固结过程。利用静力触探、十字板剪切试验、孔隙水压力监测等原位土工测试手段,实时测定固结过程中海床土强度变化和孔隙水压力消散过程;同时通过埋置自行研制的环形电极探杆,实时测定海床土固结过程中的电阻率变化。通过对比分析海床土电阻率与工程力学性质指标的同步测定数据发现:黄河口饱和粉土的电阻率与微型贯入试验测得的土体贯入强度,静力触探试验测得的比贯入阻力,十字板剪切试验测得的不排水抗剪强度(峰值强度、残余强度)均呈乘幂关系,且相关性良好;海床沉积物在固结过程中的电阻率与孔隙水压力呈负线性相关性。     

黄河三角洲堤前泥沙起动现场观测研究

使用波潮仪、流速计以及浊度计现场测量记录海堤前的波高、潮高、流速和浊度值,与室内测定的浊度和水中悬浮颗粒物含量对应值比较,分析计算浊度与现场测量波高、潮高、流速水动力因素间的相关性,得出堤前泥沙起动的决定性水动力因素。在悬移质运移为主情况下,由于海堤的阻挡,波浪破碎产生的旋涡和紊动是泥沙起动的主要动力因素,泥沙起动量与波高值呈现较高相关性;海堤前复杂水动力条件中,波浪破碎前的流速值与悬移质泥沙起动量相关系数较小,启动流速的主要组成部分是破波产生的旋涡和紊动的流速。     

基于原位观测的黄河水下三角洲悬浮物浓度叠加锯齿模型

利用海底原位三脚架搭载水动力观测仪器,在黄河水下三角洲进行了为期134天的原位观测,获取了该海域波浪、潮汐、海流、海水温度、浊度等相关数据。并利用观测点海域的表层沉积物进行室内测试,发现该海域表层沉积物以粉砂为主,悬浮物浓度与海水浊度存在良好的线性关系,底层(距离海床约50cm处)悬浮物浓度在2~4g/L范围内变化。切应力计算结果与原位观测结果表明,强浪过程中波浪对泥沙起动起控制作用,进而显著提高悬浮物浓度;其余时间段,海流控制泥沙起动,悬浮物浓度随流速动态波动。该海域悬浮物浓度表现为叠加锯齿模型。因波浪作用而形成大锯齿,因海流作用而形成小锯齿。切应力计算结果可以较好地解释该模型。     

基于数字孪生的海底悬浮物时空变化可视化技术实现与应用

数字孪生技术构建的虚拟海洋平台,能够进一步实现海底环境监测数据的三维可视化分析。本文基于深海底长期原位监测数据,使用Unity3D技术构建出多模型融合的虚拟海洋环境,初步建立海洋工程地质环境数字孪生系统;结合MATLAB、ArcGIS数据分析技术实现智能监测、数据分析、人机交互、辅助决策等功能;研究进一步构建虚拟环境粒子系统,对南海北部陆坡神狐海域近底层悬浮物浓度升高事件进行了三维可视化分析,结果表明：在虚拟环境粒子系统中悬浮物浓度、粒子数量与聚集程度具有较大的时空差异。特别是悬浮物浓度维持在较高水平时,发现粒子间相互碰撞、重叠,并在空间中衍生了密集程度更高的微团,当悬浮物浓度进一步升至峰值时,微团数量增加并占据空间大部分体积,形成悬浮颗粒高度聚集,覆盖范围更广的悬浮物聚合体。本文基于图像分析技术,将可视化分析结果与真实海底摄像进行对比,相对误差在0.16%～2.80%范围内,具有较高的可行性。