帶坡道轉換的沉積濁流的實驗研究

(安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院環(huán)境流體研究所，安徽馬鞍山243032)

濁流是重力流的一種特殊形式，主要由流體湍流支撐懸浮顆粒的重力驅動的底流。濁流一般源自陸坡滑坡或者河口，從淺水輸運到深水中時，會與周圍環(huán)境流體混合，流入深海坡度較緩處形成海底沉積扇[1-2]。海底大陸坡至深海盆地的濁流沉積中蘊藏有大量的油氣資源已成為業(yè)界共識[3-6]。濁流在自然環(huán)境中發(fā)生得突然且維持時間短，加上天氣、儀器設備等客觀因素的限制，濁流運動的野外觀測難度較大。Clarke等[7-8]通過對Squamish河的監(jiān)測觀察，發(fā)現(xiàn)了長達幾百上千米的新月狀（crescent-shaped）沉積地形，并指出這種地形主要在河流渠道和海洋的峽谷及渠道中形成。近年來，隨著計算機硬件和軟件性能的不斷提升，數(shù)值模擬方法越來越受到人們重視且取得了較大進展。Kubo等[10]利用深度平均的RANS方程模擬了突然釋放型濁流由斜坡流入平坡時會先形成一個小的隆起，進而發(fā)展成二個、三個隆起形成小型波狀地形的過程，且由于隆起處兩側的差異沉積導致波形向上游遷移。Huang等[11-12]通過數(shù)值模擬再現(xiàn)了海底濁流的自建堤過程及在三維彎曲梯形渠道內(nèi)的流動及沉積特征，并指出濁流沉積物平均粒徑云圖和沉積厚度圖在形狀上相似，但在峽谷方向上略有延長。隨著精密儀器的出現(xiàn)，濁流室內(nèi)研究目前也取得了一定的進展，如Garcia等[13]在濁流實驗中發(fā)現(xiàn)只有細顆粒（4,9μm）濁流可以觀察到水下水躍，對含有大顆粒（30,65μm）的濁流并未觀測到水下水躍及其相應的沉積特性，文中推測可能是實驗水槽水平渠道不夠長的原因。Kane等[14]在濁流流過彎曲渠道的實驗中，發(fā)現(xiàn)明顯的溢流現(xiàn)象，皆產(chǎn)生了沉積物波。Straub等[15]通過不同彎曲度的梯形渠道濁流實驗發(fā)現(xiàn)大彎道的低速區(qū)比高速中心的沉積物顆粒更細、厚度更薄而且流體濃度和粒徑的垂直分層更少。Ezz等[16]利用梯形渠道的濁流實驗觀察到隨著渠道橫截面和縱截面沿程變窄及變陡，濁流的隨流輸運速度不斷增加，底形更快地向下游遷移。本文利用帶3°坡道的水槽開展連續(xù)入流型濁流沉積實驗，觀察沉積形態(tài)、趨勢及斜坡上沉積物波的遷移過程，測量沉積厚度沉積物波粒徑分析。

1 實驗

1.1 重力流實驗水槽設備

圖1所示為重力流水槽設備，包括15 m×0.5 m×1.5 m的水槽、兩個10 m3的PE材質供水箱、高精度聲學多普勒流速儀（ADV）搭載平臺、流量控制系統(tǒng)、補水裝置和回水系統(tǒng)。重力流水槽最大設計有效水深1.3 m，水槽兩側和底部均為透明鋼化玻璃。前段5 m可實現(xiàn)最大15°傾角的變坡，本次實驗其坡度設定為3°。

圖1 重力流水槽實驗設備Fig.1 Flume for gravity current experiment

1.2 實驗材料及測量儀器

實驗材料：濁流實驗用石英砂由安徽鳳陽縣興龍石英砂有限公司提供，石英砂中SiO2質量分數(shù)＞99.5%，顆粒密度為2.65 g/cm3。五次實驗所用石英砂分兩次購置，前三次實驗所用石英砂為第一批次，粒徑在0.5～100 μm范圍內(nèi)，平均粒徑約25 μm，粒徑在2～90 μm范圍內(nèi)顆粒累計達96.47%，其中粒徑在20～50 μm之間的顆粒物積累量為38.2%。后兩次實驗所用石英砂為第二批次，粒徑在0.5～80 μm范圍內(nèi)，平均粒徑約25 μm，20～50 μm之間的顆粒物積累量達45.89%。

測量儀器：16 MHz聲學多普勒流速儀（ADV，SonTek公司）、自制虹吸管（8個取樣口，配置八根軟管）、水式循環(huán)真空泵（SHB-ⅢA，鄭州世紀雙科實驗儀器有限公司）、高清數(shù)碼相機（NX100，三星電子）、一臺高清攝像機（SDR-H200，三星電子）、深達威激光測距儀（SW-M40，永康市龍韻工具有限公司）、激光粒徑分析儀（LS-C（ⅡA），珠海歐美克儀器有限公司）。

1.3 實驗條件

5次濁流沉積實驗的初始清水水深皆約為1 m，入口高度為h，入流流量為Q，入流體積分數(shù)為φ，入流速度為V，持續(xù)時間為t，具體見表1。

表1 實驗入流條件及持續(xù)時間Tab.1_ Inflow condition and run time of five experiments

2 結果與分析

2.1 流動特征

圖2為入流體積分數(shù)φ=6×10-3時坡折前(x=3 m)及坡折后(x=6 m)處的濁流剖面速度與濃度圖，其中y為距底床高度。從圖2(a)可以看出，由于下面是邊界層、上面是混合層，剖面速度垂直方向由下往上的變化趨勢符合先增大后減小的規(guī)律，存在一個速度最大值，斜坡上最大速度高于平坡最大速度且距底床的位置低于平坡處。

圖2(b)顯示斜坡剖面沉積物體積分數(shù)φ沿著垂直方向呈指數(shù)減小，這是濁流上部混合層對環(huán)境流體夾帶的結果。同時可以看出斜坡底部最大濃度高于平坡，這是由于濁流在流動時會發(fā)生沉積的緣故。

圖2 斜坡3 m及平坡6 m處剖面速度與沉積物含量Fig.2 Profile velocity and sediment volumetric content at x=3 m on slope and x=6 m on horizontal bed

2.2 沉積厚度

圖3為水槽前端0～6 m段5次沉積厚度。由圖3可見，在0～0.4 m處在濁流沖擊下沉積量很少。由于入流濃度的不同，導致后兩次的高濃度濁流沉積厚度較前三次低濃度要大。第四、五次高濃度的濁流沉積相比于前三次低濃度的濁流，在斜坡上出現(xiàn)了較為密集的波狀沉積底形，在此段之后底形較平緩。第四次濁流沉積事件中坡下的沉積厚度要明顯大于坡上，這與郭彥英等[17]對海底濁流在坡道轉換處的流動及沉積的數(shù)值模擬結果相似，坡度在2°～9°時，坡下沉積物厚度大于坡上沉積。第五次沉積厚度與第四次相比，首段2 m處之前略厚，2 m處之后與第四次沉積厚度相近。第五次濁流沉積厚度坡上與坡下厚度無明顯差別，推測可能是由于前四次實驗的沉積物改變了床體坡度。

圖3 5次濁流實驗0～6 m段的沉積厚度Fig.3 Deposition thickness of 0～6 m section of 5 runs of turbidity currents

2.3 沉積物波形態(tài)和遷移方向

圖4為體積分數(shù)0.02的第五次濁流沉積過程中斜坡段底部的沉積物波。該沉積物波呈現(xiàn)波浪狀，波長L在8～12 cm范圍內(nèi)，波高H＝1～2 cm。沉積物波迎流面和背流面不對稱，迎流面約為背流面的1.55倍。

圖4 第五次實驗過程中斜坡段出現(xiàn)的沉積物波(水流方向從左往右)Fig.4 Sediment waves on slope by 5th run(The direction of flow was from left to right)

圖5中(a)～(d)顯示了水槽斜坡4 m段在濁流開始后第1，10，20，30 min底形變化。以紅色箭頭處的沉積物波為例，第1 min該波約在距離入口4.32 m的位置，隨著濁流持續(xù)流動，第10 min時，該波移動到約距離入口4.35 m位置，第20 min時，該波移到4.38 m處，第30 min時，該波移動到4.40 m處，可以明顯看出在一次濁流事件中，沉積物波隨水流方向緩慢往下游遷移，遷移速率約為0.004 m/min。

圖5 4 m剖面段連續(xù)30 min的沉積底形變化(水流方向從左往右)Fig.5 Variations of bed form at 4 m section for 30 min(The direction of flow was from left to right)

第四次實驗水槽中環(huán)境流體在停留1 d后排出，除入口附近外，由于重力滑塌作用導致波狀底形消失殆盡，排完環(huán)境流體的斜坡上的沉積物由于含水率高，濕度大，重力沿斜坡的分量超過沉積物的剪切強度，沉積物波由波峰向兩邊波谷向下發(fā)生了滑塌 （Collapse），這種滑塌后形成的沉積物波在沉積學中稱為軟沉積物變形結構（soft sediment deformation structure,SSDS）。第五次實驗有意使環(huán)境流體停留的時間更長，達到7 d，底部沉積物在環(huán)境流體靜壓力的壓實作用下，沉積物中孔隙水排出更多，沉積體密度增大，所以滑塌程度相較于第四次的小，保留了更完備底形，如圖6所示觀察到鏈型新月狀沉積物波。其波高在1 cm以下，迎流面平緩較長，背流面較陡呈，波峰走向垂直濁流流動方向。

2.4 沉積物波粒徑分析

圖7(a)所示為第五次沉積后，2，3，4，5，5.5 m處形成的沉積物波峰平均粒徑分布，其中：D為平均粒徑，μm；F表示對應粒徑小的顆粒物占總沉積物的比例。由于大粒徑顆粒沉降速度大，因此沿著流向，2 m處沉積物波波峰的平均粒徑最大，約為24 μm，往后各剖面平均粒徑依次減小，分別約為23，21，17，16 μm。圖7(b)～(f)分別為2，3，4，5，5.5 m各個剖面中波峰及兩邊波谷的粒徑分布。圖(b)中2 m處波峰處平均粒徑24 μm，上游迎流面的波谷粒徑約為22 μm，下游背流面波谷的平均粒徑約為18 μm，兩邊波谷的平均粒徑小于波峰的平均粒徑，上游迎流面波谷平均粒徑大于背流面波谷顆粒物平均粒徑，其他各剖面處波峰及波谷平均粒徑規(guī)律亦同2 m剖面。

圖6 第五次沉積后斜坡3 m段的排出環(huán)境流體后的沉積底形(水流方向從左往右)Fig.6 Bed form of the 3 m section at the end of the 5th run after empty of the overlying water(the direction of flow was from left to right)

由于粒徑較大顆粒沉降速度大，先沉積下來，因此迎流面的波谷顆粒物平均粒徑大于背流面波谷顆粒物平均粒徑，波峰的顆粒物粒徑高于兩邊波谷，這是可能是由于濁流上坡的過程中其能量減小，使得大顆粒物易先在波峰先沉積下來，在下坡的過程中勢能轉化為動能，流速增加，濁流繼續(xù)裹挾顆粒物前行，故波谷位置顆粒沉積物粒徑小。

圖7 斜坡剖面沉積物波波峰及兩邊波谷粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of sediment wave peaks and valleys on slope

3 結 論

使用一帶3°坡道轉換的渠道，通過5次相同流量但不同入流速度及濃度的濁流沉積實驗，分析初次濁流的流動及每次濁流沉積底形變化，得出以下主要結論。

1)剖面速度垂直方向由下往上的變化趨勢是先增大后減小，存在一個速度最大值，且斜坡上最大速度高于平坡但距底床的位置低于平坡的。剖面濃度沿著垂直方向向下呈指數(shù)減小，斜坡底部最大濃度高于平坡的。

2)濁流入流體積分數(shù)φ=0.006時除入口0.2～0.6 m范圍外，下游未出現(xiàn)明顯沉積物波；濁流入流體積分數(shù)φ=0.02時在3°斜坡上形成隨水流方向緩慢往下游遷移的沉積物波，波高和波長分別在1～2 cm和8～12 cm范圍內(nèi)，沉積物波迎流面約為背流面的1.5倍。

3)入流體積分數(shù)φ=0.02的濁流在全部斜坡上形成沉積物波，且如果上部水體迅速排出，則會形成較明顯的滑塌，波形破壞嚴重。在7 d后排出上覆水體后，僅有輕微的滑塌，其沉積物波波高在1 cm以下，迎流面坡度較平緩，背流面較陡。

4)滑塌后斜坡上2 m剖面處沉積物波峰平均粒徑約為24 μm，此后沿流向各剖面的沉積物波波峰的平均粒徑依次減小，分別約為23，21，17，16 μm。同一沉積物波，兩邊波谷的平均粒徑小于波峰的平均粒徑，上游迎流面波谷平均粒徑大于背流面波谷顆粒物平均粒徑。