波浪导致粉质土海床破坏过程试验研究*

杨忠年， 贾永刚，2， 张 琳， 刘晓磊， 单红仙,2

(中国海洋大学 1.环境科学与工程学院；2. 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)



波浪导致粉质土海床破坏过程试验研究*

杨忠年1， 贾永刚1，2， 张 琳1， 刘晓磊1， 单红仙1,2

(中国海洋大学 1.环境科学与工程学院；2. 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

以黄河三角洲粉质土底床为研究对象，通过水槽模拟试验，研究了不同波高波浪荷载作用下底床的破坏过程与特点。研究发现，波浪导致粉质土底床在孔压累积和剪应力耦合作用下由表及里破坏；在波浪作用下粉质土底床破坏过程分为土体扩展过程和土体恢复过程，在扩展过程中，破坏土体与波浪同步振荡，边界不断扩展直至极限深度。在恢复过程中，破坏土体振荡由深到浅逐渐停止，稳定后出现细粒土夹层；破坏土体的长度﹑深度和体积间呈幂函数关系，破坏土体的范围主要由深度决定；波浪作用停止后，动力固结不足的原破坏土体在新一轮波浪作用下可能会再次破坏；基于极限平衡理论对波致粉质土底床的破坏深度范围进行了初步的预测，并与试验结果进行了对比分析。

波浪作用； 水槽试验； 粉质土底床； 破坏过程； 破坏深度

当今国际海洋油气资源的开发利用和海底工程设施的逐渐增多使人们增加了对海底斜坡稳定性的关注，再加上海洋调查设备越来越先进，对海底斜坡稳定性的研究手段越来越多，使这方面研究有了比较大的进展。在中国，黄河水下三角洲为重点开发地区，海床的稳定性对海上油田的生产影响巨大，而此地区海底滑坡普遍存在[1-2]，因此深入研究底床的破坏发生过程和形成机制具有重要的工程实践意义。

海上常有波浪的作用，风浪主要影响到浅水区海床，Wiegel[3]用图解说明，压力幅度随水深的增大而减小，一般认为水深小于150～300m时波浪压力才对海床起作用[4]，黄河三角洲的许多滑坡被认为均与风暴期间的波浪作用有关[2，5]。对于波浪作用下海底滑坡滑动过程的模拟，之前已经进行了一些室内水槽试验，发现粉质海床孔压累积明显，波浪为其提供了动力因素[6-7]。波浪会使部分土层产生振荡，与下部稳定土层间产生较为明显的分界面[8-9]，底床发生振荡运动土体处形成凹坑,凹坑内土体表层为落淤黏土,下部为粗化粉土[8]。利用室内土样振动试验发现波浪循环荷载作用下,粉质土最先液化的位置为土表面,然后逐渐深化[10]。然而黄河水下三角洲粉质土海床在不同波浪荷载条件下的破坏特征如何，破坏土体的发展与恢复过程如何，都需要进行更加系统的物理模拟试验来进一步解答。

本文通过室内水槽试验，以黄河口粉质海床为研究对象，模拟不同波高波浪荷载的作用，通过对孔压的监测和底床土体形态变化的记录，研究了黄河水下三角洲粉质土在波浪作用下发生破坏与恢复的过程，探讨了破坏过程的特点及破坏机制，对波浪作用下粉质土底床破坏深度范围进行简要预测，为深入认识黄河水下三角洲斜坡破坏过程提供了试验佐证。

1 试验概况

1.1 试验设备和土样

试验在中国海洋大学环境岩土实验室波浪水槽中进行，试验系统包括水槽、底床土槽、造波机，具体结构与尺寸见图1所示。造波机频率由变频控制箱来调节，范围为0.2～50Hz。电动机带动造波板推动水体形成周期波浪。在水槽末端为消波段，采用砾石铺设斜坡以消波，防止产生回波干扰试验。

图1 水槽试验装置图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of wave flume

试验土样取自现代黄河三角洲沉积于1964—1976年的刁口流路叶瓣潮滩，取底床土样进行粒度分析，结果见表1所示。土样的中值粒径为0.036mm，其中粒径小于0.01mm的部分所占的比例达28.2%，泥沙粒径的分选性一般。

表1 波浪水槽底床土样粒度分析结果Table 1 Grain size analysis results of wave flume seabed

1.2 试验方案

之前中国海洋大学和中科院海洋研究所根据调查得到的实测资料推算出在刁口海域4m水深情况下，5年一遇的有效波高为2.3m[11]，根据相似比理论确定本次试验采用40cm水深，并施加5、10、15cm 3种波高波浪。由于目前水槽试验条件的限制，还无法做到将土样按相似比理论进行等比例缩小，参照国内外已发表的波浪水槽试验方法，直接采用现场取得的土样进行试验。

本次试验的详细步骤如下：

(1)配置海水。将人工海水盐按照一定比例与水混合，配制成盐度为35左右的标准海水。

(2)铺设底床并标注尺寸。将取来的样品风干放入搅拌箱中，向桶中加标准海水淹没土体，然后用搅拌机将土体充分搅拌，使土体分散均匀形成泥浆。将制备好的泥浆沿试验用水槽(见图1)侧壁倒入底床土槽，并静止固结10d，固结后底床土体的基本物理力学性质指标为含水量为30%，土粒比重2.72，土的密度为1.9g/cm3，底床土体的孔隙率为46.2%，饱和度为94.9%，内摩擦角为4.8°，内聚力为9kPa。为了确定位置，坐标的选择如图1所示，横坐标以底床最左侧为坐标零点，每隔10cm贴标签，纵坐标(深度)以土槽上边缘为零点，边缘固定米尺确定数值。

(3)埋置孔隙水压力探头。在底床静止固结10d之后，在横坐标为230cm，纵坐标分别为20、30和40cm的位置处埋置3个孔压探头(见图1)。

(4)注入海水。加入配制的标准海水至水深40cm，之后再静置固结24h。

(5)施加不同波高波浪作用。在静置后逐一施加5、10、15cm 3种波高波浪，对应的周期分别为3、1.7、1s，波长分别为6、3.6、1.6m。每个波高波浪施加2次，每次波浪作用结束后将水槽静置一段时间再进行下轮试验，同一波高波浪作用静置12h，不同波高时静置24h。5和10cm波高波浪作用时长都为10h，15cm波高波浪作用时长分别为8和6h。

(6)底床的破坏过程观测。随时观察底床，在底床开始破坏后，每隔0.5～2.5h用记号笔在有机玻璃上描绘出其破坏的边界，并记录边界各点的横纵坐标值。

2 波浪作用下粉质土底床破坏

2.1 土体液化分析

在波浪作用下，底床土体孔隙水压力累积，当累积的孔隙水压力与上覆土体及波浪附加的法向应力相当时，土体完全液化。此处所用的孔隙水压力比(孔压比)为波浪作用下产生的超孔隙水压力与上覆土体有效应力和波浪附加应力之和的比值，用于表示在波浪作用下土体是否完全液化。当孔压比为0.5时为半液化状态，孔压比为1时为全液化状态。

试验中6次波浪作用过程中孔压比变化如图2所示，可以看出只有10cm波高波浪第二次作用后期20cm深度处土体达到半液化状态，30和40cm 深度处土体接近完全液化状态。其它5次波浪作用过程中各深度处土体都未达到半液化状态。从6次波浪作用过程中，3个深度处的孔压比可知，30cm深度处土体孔压比变幅最大，说明这一深度左右土层与波浪出现了共振现象，波浪对这一深度以下的土层影响逐渐减小，而且这一深度处孔压比最大，最趋于完全液化，这一深度以下孔压比减小。说明虽然累积孔隙水压力随深度增加而增大，但波浪作用下孔压比并不随深度增加而增大，有一个临界深度，此深度处土体最易液化。

2.2 土体破坏过程

底床土体随加波时间的破坏过程如图3所示，5cm波高波浪作用时土体未破坏，10和15cm波高波浪作用时底床的土体破坏。由土体液化分析可知，土体都未达到完全液化状态，甚至在加波的过程中大部分都未达到半液化状态，所以土体破坏并不是完全由液化引起的，在有效应力降低的过程中也同时有波浪的剪应力作用，当剪应力大于土体抗剪强度时，土体就会发生剪切破坏，土体的破坏深度取决于波浪剪应力作用下土体的极限平衡深度。

而粉土质底床的破坏分为土体扩展和土体恢复两个过程。土体扩展过程即为破坏土体边界由浅层向两边及深部发展，并随波振荡，破坏土体的长度(边界两点间水平距离的最大值)﹑深度(边界点与其竖向对应表层点的纵坐标差值的最大值)和体积(边界和表层所围土体面积与底床宽度的乘积)逐渐增大的过程。土体恢复过程为随波振荡土体边界逐渐回缩，其长度﹑深度和体积逐渐变小直至稳定的过程。

图2 波浪作用下孔压比变化Fig.2 Curves of pore pressure ratio change under wave action

由图2可知波浪作用初始便有孔压的快速累积，且孔压的累积随深度的增加而增大，这样孔隙水在不同深度处就会存在压差而发生渗流，孔隙水流出过程中，由于水与固体间的粘滞性，会对土骨架有个拖拽作用，即为渗透力，而粉土中粉粒和黏粒占主要成分，粉粒为骨架，黏粒填充其中，在渗透力的作用下黏粒会沿渗流方向运动。在5cm波高波浪作用过程中，表层土体中细颗粒悬浮，粗颗粒在表层运移，在底床中形成了多条垂向细小的裂隙(见图4(a))，这些裂隙即为渗透力作用下细颗粒向上运移形成的，而这一过程就是所谓的渗透固结过程。而在10和15cm波高波浪作用下，底床浅层土体开始破坏后，破坏土体随波开始振荡，使破坏土体的粗细颗粒重新分配，同时破坏土体的边界也形成了新的易于孔隙水排出的通道，使破坏体边界附近的细颗粒更易向上运输，并带动其边界的土体继续破坏振荡，直至波浪剪切作用所达到的极限平衡深度，此时由于波浪能量的衰减，破坏土体边界附近土体已基本不再振荡。以上整个过程即为土体扩展破坏过程。而上部破坏的土体由于不断的振荡粗细颗粒分离，粗颗粒下沉，相当于对破坏的那部分底床进行了二次改造，下部分基本为粗颗粒下沉后动力固结形成的，土体更加密实，抗剪强度增大，如果此时波浪剪应力的持续作用不能使其形成破坏剪切面，土体就会开始由深层向浅层恢复稳定，这就是土体破坏的恢复过程，如图4(b)所示，破坏土体恢复后与周围稳定底床间存在颜色的差异，并且恢复的土体中有细粒土夹层。

图3 粉质底床破坏过程Fig.3 Failure process of silty bottom bed

图4 加波过程中底床土体特性Fig.4 The feature of the soil in the bottom bed under wave action

2.3 土体破坏过程

在波浪作用下底床破坏过程中还发现，在同一波高波浪作用下，第二次加波时初始破坏体的边界与第一次加波时最后稳定破坏体的边界大致相同。图5为在底床破坏过程示意图中提取的10cm波高及15cm波高波浪作用下典型的破坏体边界曲线图，图中第二次加波时初始破坏土体的范围与第一次破坏最后稳定那部分土体的范围基本相同，说明在波浪的再次作用下底床中原最浅层的破坏恢复区域又发生破坏，也称之为复活[12]，而且同一波高波浪作用时，破坏体复活的时间与加波开始的时间基本相对应。由上面分析的破坏过程分析可解释这一现象，原破坏的底床土体已经过二次改造形成新的底床，最浅层的破坏恢复区土体为经过改造后的细粒土，在动力固结时间不够长的情况下，同一波高波浪再次作用会使底床沿最浅层较软弱区再次破坏。由图3的同一波高波浪两次作用破坏过程可以看出，10cm波高波浪第一次作用时并未有明显的恢复过程，这就是动力作用时间所影响的，在所作用的10h内土体并未达到破坏极限深度，所以在第二次作用时原破坏土体复活并进一步加深直至极限深度，并且有明显的恢复过程。在15cm波高波浪第一次作用时土体破坏便已达到极限深度，第二次作用时土体复活的深度不会超过极限深度，并且之后就会恢复。

图5 破坏土体边界曲线图Fig.5 Curves of the boundary of failure soil

由此看出，Prior D B等[12]现场观测到的滑坡的复活可能为经历波致破坏改造过的土体在动力固结时间不足的情况下遇到波浪的作用而再次破坏的现象，但底床破坏的深度是一定的。

通过对4次波浪作用过程中破坏土体的长度﹑深度和体积的统计，获得如图6所示的相关关系图，破坏土体规模要素间呈幂函数关系，长度与深度间相关性不大，长度的增长率比深度的增长率低，深度与体积间相关性最大，破坏土体的体积基本由破坏的深度决定。

3 土体破坏深度范围预测

3.1 预测方法

根据以上分析，土体破坏深度决定着土体破坏规模，破坏的极限深度即为波浪所产生的剪应力与抗剪强度间关系决定的，假设波浪要素及土体力学参数是恒定不变的，由于孔压测量的非连续性，这里就基于极限平衡理论对波浪作用下底床破坏的深度范围进行简要预测。

图6 破坏土体规模要素拟合曲线Fig.6 Fitted Curve of the size of failure soil

因在海洋中，波高通常要比波长小得多，基于这个假设，由著名的小振幅波理论得海底波压力的峰值为：

(1)

式中：ρw为海水密度；g为重力加速度；H为波高；d为水深；L为波长。

并且将海床看作均质无限弹性体，根据Boussinesq解，波浪在海床内引起的最大剪应力，其值等于水平向最大剪应力:

(2)

式中：P0为波压力峰值；z为海床深度；L为波长。

再由有效应力原理得：

σ′=σ-μ=γ′z+P0-Δμ

(3)

式中：σ为平面上法向总应力；σ′为平面上有效法向应力；μ为孔隙水压力；γ′为浮容重；z为底床深度；Δμ为超孔隙水压力。

由摩尔—库仑理论得：

τ=c+σ′tanφ

(4)

式中：τ为抗剪强度；c为内聚力；σ′为有效应力；φ为内摩擦角。

此处定义安全系数f=抗剪强度/最大剪应力，在一定波高波浪作用下，由(1)(2)(3)(4)式得：

(5)

从微观角度来说，饱和粉土主要由粉粒作为骨架颗粒，部分粘粒以及孔隙水充填其中，在外力作用下颗粒间会很容易产生位移，其尺度如果大于了粒间分子或胶体尺寸范围，内聚力就会丧失。所以累积孔压最大的时候可以认为土体内聚力为0 ，安全系数可简化成如下形式：

(6)

安全系数小于1的深度处的土体会破坏，根据⑹式可初步预测粉质底床土体破坏的深度范围，为了安全考虑，安全系数小于1及1～1.1间的深度都在这一范围内。

3.2 与试验结果的对比分析

根据上述方法对试验中底床土体破坏深度范围进行计算，所得结果见表2，由所得的安全系数可知，5cm波高波浪作用下底床土体的安全系数都在2以上，波浪作用不会引起土体破坏。而在10cm波高波浪第二次作用时，各深度处安全系数都小于1，说明土体破坏的最大深度可达到或超过40cm，而第一次作用时安全系数在1～1.5之间。15cm波高波浪作用时20cm深度的安全系数都小于1，说明土体破坏最大深度在20～30cm之间。

表2 波浪作用下底床各深度安全系数Table 2 Security coefficient of different depth in the seabed under wave action /cm

在试验中观测得到5cm波高波浪作用底床未破坏，10cm波高波浪第二次作用时破坏深度最大为38.9cm，其次为15cm波高波浪第一次作用时深度27.3cm，再次为10cm波高波浪第一次作用时深度23.1cm，最小破坏深度出现在15cm波高波浪第二次作用时为20cm。这与所计算的深度范围基本相符，也由此看出安全系数在1～1.1之间的土体也有可能破坏。

4 结论

本文通过室内水槽模拟试验对黄河三角洲刁口地区粉土海床的破坏机理及其破坏过程和特点进行了研究。得出以下结论：

(1)波浪作用下粉质土底床中存在一临界深度，在此深度处土体最易液化。

(2)波致粉质土底床破坏是孔压累积和剪应力耦合作用的结果，土体的破坏深度取决于波浪剪应力作用下土体的极限平衡深度。

(3)粉质土底床的破坏分为土体扩展和土体恢复两个过程。土体扩展过程中，破坏土体随波振荡，边界不断扩展，细颗粒在渗透力作用下向上输运。土体恢复过程中，振荡土体中粗细颗粒重新分配，粗颗粒下沉，破坏土体振荡由深层向浅层逐渐停止，土体恢复稳定。

(4)破坏土体规模要素间呈幂函数关系，长度的增长率比深度的增长率低，破坏土体的体积基本由破坏土体的深度决定。现场观测到的滑坡复活可能为经历波致破坏改造过的土体在动力固结时间不足的情况下遇到波浪的作用而再次破坏的现象。

(5)基于极限平衡理论建立的表示抗剪强度和剪应力间关系的安全系数式可初步预测底床土体破坏的深度范围。

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责任编辑 徐 环

An Experimental Study on Wave-Induced Failure Process in Silty Bottom Bed

YANG Zhong-Nian1， JIA Yong-Gang1,2， ZHANG Lin1， LIU Xiao-Lei1， SHAN Hong-Xian1,2

(Ocean University of China, 1. College of Environmental Science & Engineering；2. Key Laboratory of Marine Environment & Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

Silty bottom bed in estuary of the Yellow River is studied in this paper. The differences of wave he-ight were applied in a laboratory flume to study failure process of silty bottom bed under wave action, and the characteristic of the process. Results show that coupled accumulative pore pressure and shear stress make silty bottom bed fail from the surface to the inner under wave action. Failure processes of wave-induced silty bottom bed include expansion process and restore process. Failure soil mass is in perfect synch with wave surges, and the boundary extends to the maximum of failure depth in the expanding. Failure soil mass stops oscillating fr-om deep to shallow, and fine grained soil interlay occurs in the failure area after it stabilizes. The relationships among the length,depth and volume of failure soil are found to follow a power function, and the depth beco-mes the chief factor in deciding the scale of failure. After wave action stops, original failure soil mass of lacki-ng dynamic consolidation may reactive under another wave action. Based on the theory of limit equilibrium, th-ere is a preliminary forecasting for the depth range of destructive silty bottom bed under wave action, then to compare with test results.

wave action; flume test; silty bottom bed; failure process; failure depth

国家自然科学基金项目(41072215；40876042)；国家高技术研究发展计划项目(2008AA09Z109)资助

2013-12-27;

2014-03-20

杨忠年(1985-)，男，博士。E-mail:zhnyang110@163.com

TU431

A

1672-5174(2015)05-075-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20130381