生物活动对黄河口底土渗流特性的影响研究

论文摘要

海底土中有着数量丰富的软体动物、多毛类、甲壳类等底栖动物群落。生物扰动沉积土层和底栖动物的摄食、建管、筑穴等活动对沉积物的成分、结构、物理力学性质、水理性质都产生了影响,改变了波浪荷载作用效应,导致了沉积物渗流场和应力场的变化,而波浪作用下海底土渗流场的改变是引起海洋工程破坏的重要原因,因此有必要研究生物作用对海底土渗流场的影响。由于从海床动力响应的角度来研究生物扰动对沉积物性质的改造,国内是首次,国外的研究也处于开始阶段,需要大量的基础研究。本论文的研究工作包括:首先,㈠从大范围的现代黄河口地区,全面分析了影响海底土渗流的因素;㈡对沿岸具有代表性的四个研究点20m深度柱状样,1000多个样品的土颗粒组成,物理性质、渗透系数、矿物成分和多孔介质的微结构特征进行了分析;㈢对沿岸10个站位35个采样点的底栖动物群落特征和底栖动物对潮滩微地貌及有机质含量的相互影响进行了研究;然后,选择了黄河口废弃钓口流路潮间带作为典型研究区进行了一系列,全面、深入的底栖动物活动和波浪对海底土渗流特性的影响研究;如:①用高密度电法测量了底栖动物扰动程度不同土体的电阻率的变化,并用饱和盐水示踪了电阻率变化过程,探讨了底栖动物扰动海底土的渗流模式;②实测了一个潮周期常规波浪引起土体超静孔隙水压力的累积导致渗流的变化,用有效应力原理分析了静态波浪作用下海底土渗流的各种应力分布;③在实验室用圆柱筒模拟了不同波压力作用下生物扰动海底土与无生物扰动海底土孔隙水压力累积的变化;④利用岩土破损力学建立了土体微结构的二元介质模型,用有效应力原理分析了渗流液化过程中结构带土体破坏的机理,解释了渗流从下层携带细颗粒土到潮滩表层的机理。⑤用有限元数值模型,分层模拟了底栖动物扰动土层对波浪响应的孔隙水压力累积及应力场的变化。得出以下主要研究结论:（1）现代黄河口潮滩是低渗透性土体。在波浪的作用下,海底土中超静孔隙水压力的累积使地下水的垂直流动速度比水平流动速度大2-3个数量级不等。说明潮间带表层地下水的渗流受气象、地形、地质的影响要小于受水动力因素的影响,表层地下水的渗流以垂直方向为主。（2）调查黄河口沿岸潮间带底栖动物群落的结构,表明潮间带底栖动物有55种,主要是多毛类、软体动物和甲壳类,种类呈高潮滩向低潮滩增多的趋势。

论文目录

• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 海底土渗流研究现状
• 1.2.1 渗流理论的研究方向
• 1.2.2 影响渗流的因素
• 1.2.3 低渗透性土的特征
• 1.3 生物活动对沉积物性质的影响
• 1.3.1 生物扰动
• 1.3.2 生物活动对微地貌的改造
• 1.3.3 生物活动对渗流的影响
• 1.3.3.1 影响方式
• 1.3.3.2 研究方法
• 1.3.4 生物活动对细粒土的侵蚀和沉积
• 1.4 波浪对渗流影响的研究现状
• 1.4.1 海床动力响应的影响因素
• 1.4.1.1 波浪
• 1.4.1.2 海底土的性质
• 1.4.2 海床动力响应的研究方法
• 1.4.2.1 现场试验研究
• 1.4.2.2 室内土工试验研究
• 1.4.2.3 物理模拟试验研究
• 1.4.2.4 数学模型
• 1.4.3 波浪诱发的海床液化
• 1.5 研究中存在的问题
• 1.6 研究背景
• 1.7 研究思路与研究内容
• 1.7.1 研究思路
• 1.7.2 研究内容
• 2 黄河口潮间带自然地理概况与沉积特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 黄河口潮间带形成与演变
• 2.3 黄河口气象、水动力条件
• 2.3.1 气象
• 2.3.1.1 气温
• 2.3.1.2 降水
• 2.3.1.3 蒸发
• 2.3.2 水动力条件
• 2.3.2.1 风和风浪
• 2.3.2.2 潮汐和潮流
• 2.3.2.3 风暴潮
• 2.4 黄河口潮间带地形地貌
• 2.5 黄河口水文地质概况
• 2.5.1 地层
• 2.5.2 黄河三角洲水文地质条件
• 2.6 黄河口潮间带海底土多孔介质特征研究
• 2.6.1 黄河口海底土多孔介质的宏观特性
• 2.6.1.1 研究点的位置及意义
• 2.6.1.2 研究点纵剖面土的特征
• 2.6.2 黄河口底土多孔介质的微观特性
• 2.6.2.1 研究方法
• 2.6.2.2 定量分析结果与讨论
• 2.6.3 本节小结
• 2.7 本章小结
• 3 黄河口底栖动物群落结构与生境的关系
• 3.1 引言
• 3.2 影响潮间带底栖动物群落的因素
• 3.3 中国海岸潮间带的生物特征
• 3.4 黄河口潮间带底栖动物群落特征
• 3.4.1 调查研究方法
• 3.4.1.1 调查站位
• 3.4.1.2 采样的过程
• 3.4.1.3 数值分析方法
• 3.4.2 结果的分析
• 3.4.2.1 滩面底栖动物活动概况
• 3.4.2.2 底栖动物种类组成
• 3.4.2.3 底栖动物的密度和生物量
• 3.4.2.4 底栖动物的多样性
• 3.4.3 讨论
• 3.5 底栖动物与生境因子的相互作用
• 3.5.1 底栖动物活动与滩面形态的相互影响
• 3.5.1.1 底栖动物活动对潮滩地貌的改造
• 3.5.1.2 潮滩的自然环境对生物活动的影响
• 3.5.1.3 底栖动物活动与浅滩地形地貌的相互影响
• 3.5.2 底栖动物对有机质含量的扰动作用
• 3.5.2.1 材料与研究方法
• 3.5.2.2 结果分析
• 3.5.2.3 讨论
• 3.6 本章小结
• 4 生物扰动的海底土渗流机理
• 4.1 引言
• 4.2 典型研究区生物扰动海底土渗透性试验
• 4.2.1 试验的装置和方法
• 4.2.1.1 位置
• 4.2.1.2 装置
• 4.2.1.3 过程和方法
• 4.2.2 结果分析讨论
• 4.3 典型研究区生物扰动海底土渗流试验
• 4.3.1 高密度电法测渗流的原理
• 4.3.2 黄河口海底土电性特征研究
• 4.3.3 高密度电法测典型研究区生物扰动海底土的渗流
• 4.3.3.1 试验研究方法
• 4.3.3.2 试验结果分析
• 4.3.3.3 讨论
• 4.4 生物扰动海底土的渗流模式
• 4.4.1 水动力作用
• 4.4.1.1 涨落潮
• 4.4.1.2 波浪作用下渗流
• 4.4.2 层状非均质土层
• 4.4.2.1 生物活动
• 4.4.2.2 生物沉积模式
• 4.5 本章小结
• 5 波浪作用下海底土渗流机理
• 5.1 引言
• 5.2 静态波浪作用下饱和海底土渗流的受力分析
• 5.3 黄河口典型研究区波浪引起的渗流
• 5.3.1 试验研究方法
• 5.3.1.1 试验现场布置
• 5.3.1.2 监测过程
• 5.3.2 结果分析
• 5.3.2.1 孔隙水压力
• 5.3.2.2 渗流
• 5.3.3 讨论
• 5.4 室内模拟生物扰动海底土的渗流试验
• 5.4.1 室内试验的设计
• 5.4.1.1 试验装置
• 5.4.1.2 试验流程
• 5.4.1.3 试验方案
• 5.4.2 结果分析
• 5.4.2.1 渗透系数
• 5.4.2.2 渗流
• 5.4.3 讨论
• 5.5 波浪作用下海底土的渗流模式
• 5.6 本章小结
• 6 渗流和生物活动对海底土性质改变的研究
• 6.1 引言
• 6.2 生物活动对滩面细粒土的贡献
• 6.2.1 现场开展的研究工作
• 6.2.1.1 沉积物组成
• 6.2.1.2 沉积物“粘聚性”
• 6.2.1.3 细粒土通量估算
• 6.2.1.4 研究方法
• 6.2.3 试验结果分析
• 6.2.3.1 生物活动带到滩面的细粒土颗粒组成
• 6.2.3.2 生物粘液对沉积物粒度成分的影响
• 6.2.3.3 生物活动运移细粒土通量的估算
• 6.2.4 讨论
• 6.3 渗流引起滩面物质细化的机理探讨
• 6.3.1 土体的二元介质模型
• 6.3.2 有效应力原理在渗流中的应用
• 6.3.3 渗流在结构带携带细粒物质运移
• 6.4 渗流作用与土体强度的关系
• 6.4.1 生物活动对滩面强度的影响
• 6.4.2 不同的水动力条件对土体强度的影响
• 6.4.3 讨论
• 6.5 本章小结
• 7 生物扰动海底土的渗流模型研究
• 7.1 引言
• 7.2 海底土对波浪的动态响应模型
• 7.2.1 模型假定条件
• 7.2.2 控制方程
• 7.2.3 边界条件
• 7.2.4 有限元方程数值解法
• 7.3 生物扰动海底土对波浪响应数值分析
• 7.3.1 分析方案
• 7.3.2 结果分析
• 7.3.2.1 生物扰动土层对波浪响应的影响
• 7.3.2.2 非饱和土体对波浪响应的影响
• 7.3.3 讨论
• 7.4 本章小结
• 8 结论、创新点和设想
• 8.1 主要结论
• 8.1.1 黄河口海底土表层地下水以垂向渗流为主
• 8.1.2 黄河口潮间带生物活动增加了海底土的渗流速度
• 8.1.3 黄河口潮间带生物活动增加了海底土的侵蚀
• 8.1.4 黄河口潮间带生物活动改变了波浪荷载的效应
• 8.2 主要创新点
• 8.2.1 利用高密度电法研究生物活动对海底土渗流的影响
• 8.2.2 生物活动导致滩面侵蚀的机理
• 8.2.3 生物扰动海底土的渗流模型研究
• 8.3 尚待开展的工作
• 附图1-21
• 附表1
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢