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波浪作用下黄河口海底滑坡研究

常方强  
【摘要】: 本文旨在波浪诱发黄河口海底滑坡的研究,满足滑坡预报预警服务的需要,期望减小滑坡对工程设施造成的危害,加深了解河口沉积物的运移过程和方式。本论文以黄河口埕岛海域为研究区,通过试验测试和理论计算,系统地研究了埕岛海域工程地质环境特征、滑坡破坏模式、沉积物在循环荷载作用下的破坏过程、研究区海底斜坡稳定状况、滑坡发生时间、滑坡规模与特征、滑坡发生概率等, 主要开展的工作和取得的成果如下: (1)构建了黄河口埕岛海域海底滑坡的工程地质环境特征,为进一步滑坡形成分析研究准备基础参数资料。搜集各单位在埕岛海域的工程地质勘察报告,得出该区工程地质和水动力环境参数的特性及其区域变化规律;对埕岛海域工程地质环境分区,建立各亚区的典型土层结构组合。 (2)研究了黄河口海底滑坡破坏模式,为滑坡试验研究和理论计算模型的建立提供指导。分析现场勘测中发现的滑坡模式,并结合前面建立的地层结构,建立了研究区极端海况下底坡破坏的四种模式,即平面剪切破坏、圆弧振荡破坏、液化流滑和塌陷破坏;进一步分析了这四种滑坡模式的形成机制,并依据现场调查资料和试验结果进行了验证。 (3)研究了黄河口沉积物在循环荷载作用下的破坏过程,获取沉积物动力学参数变化特征,为本文后面的理论模型计算提供依据。基于现场观测试验和室内动三轴试验,测试循环荷载能量在土体中的传播、循环荷载导致土体强度的衰减、原状土体和重塑土体的孔压变化规律、不同强度粉土的抗液化性能,得出了研究区海床土现场液化判别标准和孔压比上下限值。 (4)建立了海底斜坡剪切破坏理论计算模型,据此定量分析黄河口海底滑坡形成过程与研究区海床稳定性。基于极限平衡法和极限分析法,推导出波浪作用下海床圆弧振荡剪切破坏公式,并与水槽试验结果和其它计算结果比较。基于前面建立的研究区典型土层,分析不同波浪重现期下的海底斜坡抗剪切破坏安全系数和最危险滑动面所在的深度。研究得出,极端海况下埕岛海域亚区I的典型土层结构组合A和B可发生平面剪切破坏;典型土层结构组合A还可发生圆弧振荡剪切破坏,其它亚区不会发生剪切破坏。 (5)建立了海床波致液化破坏理论计算模型,据此定量分析了黄河口海底液化滑坡形成过程与海床稳定性。利用建立的液化判别经验法,以及对累计孔压计算模型的改进法,对埕岛海域各亚区典型土层结构组合进行液化分析。发现黄河口海床液化不一定从海底面开始往下扩展,而是主要发生在淤泥质粉质粘土层内。研究得出了埕岛海域4个亚区的液化破坏土层和破坏深度,其中瞬时液化深度基本在2m以内,累计液化深度可达10m。 (6)研究了黄河口海床破坏后的宿命。黄河口沉积物液化后受地形限制,可有三种宿命—悬浮运移、坡面流滑和原地残留。研究发现对于埕岛海域土体的坡面流滑,其方向有三种:北部向北、中部先向东再向东北、东南部可能向东南。这种滑动对上覆未液化层或未液化透镜体撕裂,可造成海底孤立网绳状塌块。 (7)研究了黄河口海底滑坡发生经历的几个过程及其所需要的时间,为进一步滑坡预警提供支持。基于前面建立的理论和试验测试结果,得到不同深度处土体孔压增长和强度丧失随时间的变化过程,斜坡剪切破坏和液化破坏所需的时间下限值。 (8)分析了黄河口海底滑坡发生的概率,基于一次二阶矩法计算埕岛海域海底斜坡在不同波浪重现期下的剪切破坏和液化破坏概率。研究得出了该海域4个亚区的破坏概率,其中亚区I的剪切破坏概率在25%以上;亚区II和III的平面剪切破坏概率位于5%-39%之间,圆弧振荡剪切破坏概率位于1%-14%之间;亚区IV的剪切破坏概率在0.5%以内。 本论文主要创新点:(1)通过现场试验发现循环荷载作用下,原状土体孔压先后经历先上升、后减小、再上升和剧烈波动四个阶段,而重塑土只有上升和剧烈波动两个阶段;(2)概括了黄河口海底滑坡的四种主要破坏模式,即平面剪切破坏、圆弧振荡破坏、液化流滑和塌陷破坏,并建立了相应的理论计算模型,得到了埕岛海域不同区域的破坏程度和破坏时间;(3)基于概率分析方法,得到了埕岛海域四个亚区滑坡发生的概率。


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