孙 全

(1.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100)



福建罗源湾南部沉积物的工程地质特征*

孙 全1,2

(1.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100)

结合可门港建设中获取的实测资料，研究了福建罗源湾南部海底的地形地貌特征和沉积物的工程性质。研究发现，罗源湾海底存在3个地形分区，即浅滩区、斜坡区和深水区；不同地貌区的海底淤泥的厚度整体上与水深有一定关系，浅滩区淤泥厚度整体上随水深的增大而增大，而在斜坡区和深水区，却恰好相反；研究区淤泥的含水量较高(平均为65.4%)，孔隙比较大(平均为1.8)，具有明显的高含水量、高孔隙比、高灵敏度、低渗透性、低强度、低重度的工程地质特征；研究了罗源湾南部沉积物的沉积和运移的一种模式，发现岸边侵蚀的土体主要沉积在离岸约1 000 m的范围内，而土体的二次侵蚀、滑坡或重力流均可造成沉积物的再次运移与沉积。

罗源湾；沉积物；淤泥；强度

海湾是与人类活动关系最密切的海洋环境[1]，由于受周边地形的包围，水动力作用相对于开敞式海岸较弱，淤积作用更强，因此海湾底部往往沉积有厚度较大、强度较低的软土，主要为淤泥和淤泥质土。由于这些新近沉积的软土具有较低的强度和较大的压缩性等不良工程性质，了解软土的分布和工程性质对海洋工程建设是非常必要的。罗源湾位于福建省福州地区的东北部，闽江口以北约50 km，由罗源鉴江和连江黄岐半岛合抱而成，是福建省六大优良深水港湾之一。罗源湾受自然条件和人为活动影响较大，每年的强台风均会引起大量岸段侵蚀和泥砂运移[2]。有学者对其沉积环境和波浪对沉积物的侵蚀进行研究，闫勇和杨树森[3]研究了罗源湾的水文泥砂和沉积环境特征；林舟[4]讨论了罗源湾围海造田对湾内淤积的影响；王爱军等[5]测试了罗源湾的悬砂粒度及沉降速率的关系。然而对于罗源湾海底沉积物的工程地质特征及物理力学性质，未见有文献。而沉积物工程地质性质是工程地质学科长期以来研究的主要方向之一[6]，本文结合可门港建设中获取的资料，研究罗源湾南部海底的地形地貌和沉积物工程地质特征，得到了海底地形分区及沉积物物理力学性质的几点规律，可为本海区及其他海区沉积物工程地质特征研究提供参考和借鉴。

1 区域概况

罗源湾位于福建省东北部沿海，整个海湾被罗源半岛和黄岐半岛环抱，属构造成因海湾，湾口宽仅2 km，是一个典型的半封闭海湾。此外，罗源湾也是一个山地型海湾，周边均为构造侵蚀低山和丘陵，岩性以火山岩为主，构成基岩岬角和小型海湾，海蚀地貌十分发育。罗源湾属于隐蔽性较好的海湾，海湾总面积179.56 km2，湾内海底地形就有明显差异性，在可门口水道和北侧航道水深均大于10 m，最大水深达74 m，且海底地形复杂。而海湾其他区域海底地形均较平坦，特别是在湾顶、海湾西部和南部海底堆积地形发育。罗源湾周边基本无大河溪注入，仅在湾的西北部有一条小溪——起步溪注入[2]。

由历史观测资料知，罗源湾属正规半日潮，平均潮差为4.98 m，平均涨潮历时6 h 21 min，平均落潮历时为6 h 4 min，平均每年有5～6次强热带风暴影响罗源湾；罗源湾的潮流系地形控制的往复流，潮流流速由湾口向湾内逐渐减小；年平均波高为0.7 m，平均周期为3.9 s，最大平均波高为1.5 m，方向为北东向[7]。

2 数据来源与方法

研究区位于罗源湾南岸，连江县厦宫乡境内，背山面海。综合采用了钻探取土、标准贯入试验、重型动力触探试验、水深测量和室内水土试验等手段和方法，获取了研究区沉积物分布特征、物理力学性质以及海底地形数据。具体位置及剖面布置如图1所示。

图1 研究区地理位置及钻孔和剖面布置示意图

2.1 工程地质钻探与取样

工程地质钻探采用机械回转合金钻具钻进工艺(混合土层中采用机械回转泥浆护壁合金钻具钻进工艺)以及单管单动金刚钻头(全芯取样)钻进工艺，均达到孔壁稳定、孔底干净的钻进要求。取样一般采用提阀式敞口取土器，淤泥质软土采用薄壁取土器。针对不同土层特性，采用静压法或重锤少击法取土，保证了原状土试样的取样质量，试样等级为Ⅰ～Ⅱ级。

2.2 原位测试

1)标准贯入试验

试验采用自动脱钩式的63.5 kg重的自动落锤进行锤击，落距为76 cm，并保证导向杆处于清洁状态并经常擦涂机油，以减小导向杆与锤间的摩阻力，并使钻杆之间的连接紧固；试验时避免锤击时的偏心和晃动，保持贯入器、钻杆、导向杆连接后的垂直度，锤击速率小于30击/min。

2)动力触探试验

在混合土层中进行一定数量的动力触探试验，在混合土中采用优质泥浆护壁，以保证孔壁稳定，孔底干净；试验采用自动脱钩式的63.5 kg重的自动落锤进行锤击，落距为76 cm，锤击过程中，应防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，锤击速度每分钟控制在15～30击。

3)十字板剪切强度试验

沿深度方向上每隔1 m测试一个不排水抗剪强度值，测试完毕后，对土体充分扰动，测试扰动后的不排水抗剪强度值，最大测试深度为17.5～29.5 m。

2.3 室内试验

按照国家标准《土工试验方法标准》[8]规定，进行下列试验：

1)物理性质试验：含水率(w)、密度(ρ)、比重(G)、液限(wL)、塑限(wP)和颗粒分析等。

2)力学性质试验：固结快剪试验、无侧限抗压强度试验、三轴不固结不排水压缩试验(UU)和固结试验。

3)水理性质试验：渗透试验(kv、kh)。

3 结 果

3.1 水深地形特征

研究区水深为0～42 m，南侧水深较浅，高潮位时均为水域，低潮位时滩涂出露；北侧水深较深，最大水深大于40 m。根据现场测深资料，将整个研究区的地形地貌绘制于图2中，可知，罗源湾南部存在3个地形分区，即浅滩区、斜坡区和深水区，构成一种典型的海积地貌—水下堆积阶地[9]。浅滩区水深基本位于0～5 m范围内，宽度为820～1 200 m，平均坡度为0.3°；斜坡区水深为5～25 m，宽度为130～300 m，平均坡度为5.3°，最大可达12.8°；深水区水深大于25 m，平均坡度为1.6°。

图2 研究区水深地形

浅滩区地势较为平坦，存在几处凹坑，坑深小于0.5 m。斜坡区地势不平，坡度较大，当斜坡处淤泥的下滑力超过抗滑力时，会沿坡体产生下滑，滑动体下滑后顶部出现塌陷，滑动体堆积在斜坡区的底部，形成隆起，故在该区上部存在明显的塌陷处，而在底部存在隆起现象。深水区地势较为不平，亦存在几处凹坑，为一种灾害性地质因素。

3.2 地层分布

1)垂向分布特征：根据工程地质钻探资料可知，研究区地层主要为第四系松散沉积层及白垩系火山凝灰岩及其风化层，其中松散沉积层成因类型主要以海积和坡洪积为主。从上至下各土层分布情况：(1)淤泥层，灰黄色-深灰色，饱和，流塑，厚度不均，0～30 m不等，表层淤泥含少量贝壳和少量腐殖质，混有中细砂；(2)淤泥质土，饱和，软塑，含有少量贝壳，混砂和碎石，厚度2.0～5.0 m不等；(3)粉质黏土，饱和，可塑-硬塑，土质不均，含有贝壳，局部混有砂土和碎石；(4)凝灰岩强风化层，砂土-碎石状，灰白色，节理裂隙中有黑色浸染物，厚度1.0～13.5 m；(5)凝灰岩中风化层，岩芯呈中短柱状，单段长度20～30 cm，节理裂隙较发育，表部有较多的黑色浸染物。

2)平面分布特征：各土层在水平方向上分布不均，某些地层局部缺失。研究区淤泥厚度较大，而淤泥的厚度整体上与水深存在一定相关性。将每个工程地质钻孔揭示的淤泥层厚度与该位置的水深绘制于图3中，可以明显看出，在浅滩区淤泥厚度整体上随水深的增大而增大，大约在水深为5 m处，淤泥厚度最大，达到30 m；而在斜坡区和深水区，则恰好相反。两者之间的关系可以用2条对数曲线较好地拟合。

(1)

式中，H为淤泥厚度(m)；D为水深(m)。

图3 淤泥厚度与水深的关系图

3.3 沉积物物理力学性质

由于海洋沉积物具有其特殊的形成条件和沉积环境, 因此它具有明显不同于陆地土的性质与状态。更重要的是海底沉积物，目前仍处于沉积作用阶段[10]，相关的物理力学性质随着时间的推移，仍处于不断变化中。

1)物理性质

根据室内试验结果，研究区淤泥的含水量较高，平均为65.4%，其中混有砂土的淤泥含水量比质纯的淤泥的要低，其值介于35.7%～45.4%；淤泥质土的含水量平均值为45.4%，平均孔隙比为1.3；粉质黏土的含水量均值为34.7%，平均孔隙比为0.94。某典型钻孔(水深为3.4 m)揭示的各物理指标随深度的变化关系如图4所示，可以看出，整体上随着土体深度的增大含水量减小、重度增大、孔隙比减小、塑性指数和液性指数减小。

图4 各物理指标随深度的变化关系

2)力学性质

图5 研究区土体的压缩曲线

研究区淤泥、淤泥质土和粉质黏土的典型压缩试验曲线如图5所示。三者压缩系数分别为1.88，1.01和0.29 MPa-1，压缩模量分别为1.29，2.09和6.26 MPa，其中淤泥和淤泥质土均属于高压缩性土，粉质黏土属于中等压缩性土。

淤泥的无侧限抗压强度(qu)平均值为36.0 kPa，重塑土的无侧限抗压强度为8.3 kPa；由固结快剪试验得到淤泥的黏聚力(c)平均值为9.0 kPa，内摩擦角(ψ)平均值为11°；三轴不固结不排水试验测得的黏聚力均值为16.0 kPa，内摩擦角为0°。此外，研究区共进行了12个钻孔的十字板剪切强度试验，测试结果绘制于图6中。原状土体的不排水抗剪强度除以扰动土的不排水抗剪强度可以得到淤泥的灵敏度St，此淤泥的灵敏度St=4.1，属于高灵敏度土体。淤泥不排水抗剪强度随着深度的增大而增大，两者基本呈线性关系，其中原状土不排水抗剪强度及扰动土不排水抗剪强度与深度的关系可以分别表示为：

(2)

图6 淤泥的不排水抗剪强度

3)指标统计

对研究区的淤泥、淤泥质土和粉质黏土的工程性质进行汇总分析，得到淤泥各物理力学参数的范围、均值、变异系数(表1)。可以看出，淤泥的含水量较大，平均值高达60%以上，重度较小，平均值小于16 kN/m3，压缩模型均值小于2.0 MPa，渗透系数位于10-7cm/s的数量级上，抗剪强度较低。

表1 研究区土体的工程性质统计Table 1 The statistics of geotechnical engineering properties of soils at the study area

4 分析与讨论

1)研究区南侧为山地，基岩以火山岩为主，岩体表层覆盖有耕植土和残积土，土质较为松散，台风期间，潮滩增水可达1.1 m[2]，海洋水动力可造成沿岸土体一定程度的侵蚀。沿岸土体侵蚀后由降水或风暴潮裹挟入海，发生悬浮并随海流运移沉积。由图3知，沉积的土体最大厚度出现在浅滩区与斜坡区的交界处，此交界线离岸线距离为820～1 200 m，由此可推测沿岸土体侵蚀后主要沉积在浅滩区，其多数土颗粒的运移距离约1 000 m。初次沉积后的土体在极端海况下还可发生二次或多次侵蚀、运移，王爱军等[2]监测到罗源湾在2008年“凤凰”台风期间浅滩上的沉积物侵蚀深度为4.5～5.5 cm。

2)港湾地区沉积速率高，随着时间推移，浅滩区沉积的土体越来越厚，在该区的外边界形成斜坡区。而随着斜坡高度和坡度逐步增大，斜坡稳定性越来越差，在某一诱发因素作用下产生滑塌沿斜坡向下滑动，堆积在斜坡区的下部或深水区，该过程可以用图7表示。图7中，浅滩区宽度范围为800～1 200 m,斜坡区宽度范围为130～300 m。Lewis认为，在开阔海域，坡度为1°～4°的水下斜坡上便可产生诱发性地层滑坡[11]。Prior和Cloeman认为，在沉积速率较大的沉积环境，产生滑坡的临界坡度可减小到0.1°[12]。据此，罗源湾南部斜坡区是不稳定海底区域，在地震或暴风浪的诱发下，容易产生滑坡灾害。

图7 罗源湾南部沉积物沉积与运移模式示意图

3)土体是自然的产物，其工程性质具有随机性，其性质随空间和时间而异，加上取样与试验方法等的不确定性，导致测试的参数具有变异性。从淤泥的各参数的变异性统计结果(表1)可以看出，淤泥的含水量、重度、孔隙比的变异系数均较小(小于0.1)，在可靠性分析中，可以将其视作定量；塑性指数和液性指数的变异系数为0.1～0.2，压缩参数的变异系数较大(超过0.2)。对这些变异系数较大的土体参数，在进行岩土工程稳定性计算时不宜直接采用取均值，应考虑到其变异系数对均值进行折减。

4)淤泥不排水抗剪强度随深度的增大而增大，这是因为随着深度增大，淤泥上覆土体有效自重应力也越大，其固结应力和固结程度也越高，故强度也越大。当深度较小时，不排水抗剪强度变异性较小，深度较大时，变异性较大，淤泥变异系数随着深度的增大而增大。变异性的增大，一方面来源于土体本身性质的随机性，另一方面来源于测试方法，随着深度的增大，不排水剪切试验的杆长越来越大，受侧壁土体的摩擦影响和垂直度难以保障的问题也越来越大，造成测试结果的离散性越大。

5 结 论

1)罗源湾南部存在3个地形分区，即浅滩区、斜坡区和深水区，三者构成水下堆积阶地。海底淤泥的厚度整体上与水深有一定关系，浅滩区淤泥厚度整体上随水深的增大而增大，而在斜坡区和深水区，则恰好相反。沿岸土体侵蚀后主要沉积在浅滩区，其多数土颗粒的运移距离约1 000 m。初次沉积后的土体在极端海况下还可发生2次或多次侵蚀、运移。斜坡区是不稳定海底区域，在地震或暴风浪的诱发下，容易产生滑坡灾害。

2)研究区淤泥的含水量较高(平均为65.4%)，孔隙比较大(平均为1.8)，具有明显的高含水量、高孔隙比、高灵敏度、低渗透性、低强度和低重度的工程地质特征。其不排水抗剪强度随着深度的增大而增大，两者基本呈线性关系。

致谢：国家海洋局第三海洋所王爱军副研究员在本文撰写中给予了帮助。

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Received: July 3, 2015

The Engineering Geological Properties of Sediments at the Southern Luoyuan Bay, Fujian Province

SUN Quan1,2

(1.TheThirdInstituteofOceanography,SOA, Xiamen 361005, China；2.CollegeofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China)

Luoyuan Bay is one of the best 6 deep-water harbors in Fujian Province. The study of the geological properties of sediments at the Luoyuan Bay is vital important to the development of the bay. Using the data acquired from an integrated survey during the construction of Kemen Harbor, the submarine topography features and the engineering geological properties of sediments at the southern Luoyuan Bay were studied. The study found that there are three typical landforms districts at the southern Luoyuan Bay, named shallow area, slope area and deep water area，respectively. The thickness of mud has a certain relationship with the water depth: the thickness of mud increases with the increasing of water depth at shallow area, however, it is opposite at the slope area and deep water area. The water content of mud is high, and the porosity is relatively large. The mud has a high water content, high void ratio, high sensitivity, low permeability, low strength, low gravity characteristics. Finally, a kind of deposition and migration mode of sediment at the southern Luoyuan Bay was proposed. The eroded soils from coast was mainly deposited in the range of about 1000m offshore, and re-erosion, landslides or gravity flow of sediments caused re-migration and deposition.

Luoyuan Bay; sediment; mud; strength

2015-07-03

国家自然科学基金项目——海岸湿地台风沉积记录形成的环境动力学机制及保存潜力(41076035)

孙 全(1980-)，男，湖南常德人，工程师，博士研究生，主要从事海洋工程地质及灾害地质方面研究.Email:sunquan@tio.org.cn

(陈 靖 编辑)

P736

A

1671-6647(2016)01-0050-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.005