带坡道转换的沉积浊流的实验研究

(安徽工业大学能源与环境学院环境流体研究所，安徽马鞍山243032)

浊流是重力流的一种特殊形式，主要由流体湍流支撑悬浮颗粒的重力驱动的底流。浊流一般源自陆坡滑坡或者河口，从浅水输运到深水中时，会与周围环境流体混合，流入深海坡度较缓处形成海底沉积扇[1-2]。海底大陆坡至深海盆地的浊流沉积中蕴藏有大量的油气资源已成为业界共识[3-6]。浊流在自然环境中发生得突然且维持时间短，加上天气、仪器设备等客观因素的限制，浊流运动的野外观测难度较大。Clarke等[7-8]通过对Squamish河的监测观察，发现了长达几百上千米的新月状（crescent-shaped）沉积地形，并指出这种地形主要在河流渠道和海洋的峡谷及渠道中形成。近年来，随着计算机硬件和软件性能的不断提升，数值模拟方法越来越受到人们重视且取得了较大进展。Kubo等[10]利用深度平均的RANS方程模拟了突然释放型浊流由斜坡流入平坡时会先形成一个小的隆起，进而发展成二个、三个隆起形成小型波状地形的过程，且由于隆起处两侧的差异沉积导致波形向上游迁移。Huang等[11-12]通过数值模拟再现了海底浊流的自建堤过程及在三维弯曲梯形渠道内的流动及沉积特征，并指出浊流沉积物平均粒径云图和沉积厚度图在形状上相似，但在峡谷方向上略有延长。随着精密仪器的出现，浊流室内研究目前也取得了一定的进展，如Garcia等[13]在浊流实验中发现只有细颗粒（4,9µm）浊流可以观察到水下水跃，对含有大颗粒（30,65µm）的浊流并未观测到水下水跃及其相应的沉积特性，文中推测可能是实验水槽水平渠道不够长的原因。Kane等[14]在浊流流过弯曲渠道的实验中，发现明显的溢流现象，皆产生了沉积物波。Straub等[15]通过不同弯曲度的梯形渠道浊流实验发现大弯道的低速区比高速中心的沉积物颗粒更细、厚度更薄而且流体浓度和粒径的垂直分层更少。Ezz等[16]利用梯形渠道的浊流实验观察到随着渠道横截面和纵截面沿程变窄及变陡，浊流的随流输运速度不断增加，底形更快地向下游迁移。本文利用带3°坡道的水槽开展连续入流型浊流沉积实验，观察沉积形态、趋势及斜坡上沉积物波的迁移过程，测量沉积厚度沉积物波粒径分析。

1 实验

1.1 重力流实验水槽设备

图1所示为重力流水槽设备，包括15 m×0.5 m×1.5 m的水槽、两个10 m3的PE材质供水箱、高精度声学多普勒流速仪（ADV）搭载平台、流量控制系统、补水装置和回水系统。重力流水槽最大设计有效水深1.3 m，水槽两侧和底部均为透明钢化玻璃。前段5 m可实现最大15°倾角的变坡，本次实验其坡度设定为3°。

图1 重力流水槽实验设备Fig.1 Flume for gravity current experiment

1.2 实验材料及测量仪器

实验材料：浊流实验用石英砂由安徽凤阳县兴龙石英砂有限公司提供，石英砂中SiO2质量分数＞99.5%，颗粒密度为2.65 g/cm3。五次实验所用石英砂分两次购置，前三次实验所用石英砂为第一批次，粒径在0.5～100 μm范围内，平均粒径约25 μm，粒径在2～90 μm范围内颗粒累计达96.47%，其中粒径在20～50 μm之间的颗粒物积累量为38.2%。后两次实验所用石英砂为第二批次，粒径在0.5～80 μm范围内，平均粒径约25 μm，20～50 μm之间的颗粒物积累量达45.89%。

测量仪器：16 MHz声学多普勒流速仪（ADV，SonTek公司）、自制虹吸管（8个取样口，配置八根软管）、水式循环真空泵（SHB-ⅢA，郑州世纪双科实验仪器有限公司）、高清数码相机（NX100，三星电子）、一台高清摄像机（SDR-H200，三星电子）、深达威激光测距仪（SW-M40，永康市龙韵工具有限公司）、激光粒径分析仪（LS-C（ⅡA），珠海欧美克仪器有限公司）。

1.3 实验条件

5次浊流沉积实验的初始清水水深皆约为1 m，入口高度为h，入流流量为Q，入流体积分数为φ，入流速度为V，持续时间为t，具体见表1。

表1 实验入流条件及持续时间Tab.1_ Inflow condition and run time of five experiments

2 结果与分析

2.1 流动特征

图2为入流体积分数φ=6×10-3时坡折前(x=3 m)及坡折后(x=6 m)处的浊流剖面速度与浓度图，其中y为距底床高度。从图2(a)可以看出，由于下面是边界层、上面是混合层，剖面速度垂直方向由下往上的变化趋势符合先增大后减小的规律，存在一个速度最大值，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处。

图2(b)显示斜坡剖面沉积物体积分数φ沿着垂直方向呈指数减小，这是浊流上部混合层对环境流体夹带的结果。同时可以看出斜坡底部最大浓度高于平坡，这是由于浊流在流动时会发生沉积的缘故。

图2 斜坡3 m及平坡6 m处剖面速度与沉积物含量Fig.2 Profile velocity and sediment volumetric content at x=3 m on slope and x=6 m on horizontal bed

2.2 沉积厚度

图3为水槽前端0～6 m段5次沉积厚度。由图3可见，在0～0.4 m处在浊流冲击下沉积量很少。由于入流浓度的不同，导致后两次的高浓度浊流沉积厚度较前三次低浓度要大。第四、五次高浓度的浊流沉积相比于前三次低浓度的浊流，在斜坡上出现了较为密集的波状沉积底形，在此段之后底形较平缓。第四次浊流沉积事件中坡下的沉积厚度要明显大于坡上，这与郭彦英等[17]对海底浊流在坡道转换处的流动及沉积的数值模拟结果相似，坡度在2°～9°时，坡下沉积物厚度大于坡上沉积。第五次沉积厚度与第四次相比，首段2 m处之前略厚，2 m处之后与第四次沉积厚度相近。第五次浊流沉积厚度坡上与坡下厚度无明显差别，推测可能是由于前四次实验的沉积物改变了床体坡度。

图3 5次浊流实验0～6 m段的沉积厚度Fig.3 Deposition thickness of 0～6 m section of 5 runs of turbidity currents

2.3 沉积物波形态和迁移方向

图4为体积分数0.02的第五次浊流沉积过程中斜坡段底部的沉积物波。该沉积物波呈现波浪状，波长L在8～12 cm范围内，波高H＝1～2 cm。沉积物波迎流面和背流面不对称，迎流面约为背流面的1.55倍。

图4 第五次实验过程中斜坡段出现的沉积物波(水流方向从左往右)Fig.4 Sediment waves on slope by 5th run(The direction of flow was from left to right)

图5中(a)～(d)显示了水槽斜坡4 m段在浊流开始后第1，10，20，30 min底形变化。以红色箭头处的沉积物波为例，第1 min该波约在距离入口4.32 m的位置，随着浊流持续流动，第10 min时，该波移动到约距离入口4.35 m位置，第20 min时，该波移到4.38 m处，第30 min时，该波移动到4.40 m处，可以明显看出在一次浊流事件中，沉积物波随水流方向缓慢往下游迁移，迁移速率约为0.004 m/min。

图5 4 m剖面段连续30 min的沉积底形变化(水流方向从左往右)Fig.5 Variations of bed form at 4 m section for 30 min(The direction of flow was from left to right)

第四次实验水槽中环境流体在停留1 d后排出，除入口附近外，由于重力滑塌作用导致波状底形消失殆尽，排完环境流体的斜坡上的沉积物由于含水率高，湿度大，重力沿斜坡的分量超过沉积物的剪切强度，沉积物波由波峰向两边波谷向下发生了滑塌 （Collapse），这种滑塌后形成的沉积物波在沉积学中称为软沉积物变形结构（soft sediment deformation structure,SSDS）。第五次实验有意使环境流体停留的时间更长，达到7 d，底部沉积物在环境流体静压力的压实作用下，沉积物中孔隙水排出更多，沉积体密度增大，所以滑塌程度相较于第四次的小，保留了更完备底形，如图6所示观察到链型新月状沉积物波。其波高在1 cm以下，迎流面平缓较长，背流面较陡呈，波峰走向垂直浊流流动方向。

2.4 沉积物波粒径分析

图7(a)所示为第五次沉积后，2，3，4，5，5.5 m处形成的沉积物波峰平均粒径分布，其中：D为平均粒径，μm；F表示对应粒径小的颗粒物占总沉积物的比例。由于大粒径颗粒沉降速度大，因此沿着流向，2 m处沉积物波波峰的平均粒径最大，约为24 μm，往后各剖面平均粒径依次减小，分别约为23，21，17，16 μm。图7(b)～(f)分别为2，3，4，5，5.5 m各个剖面中波峰及两边波谷的粒径分布。图(b)中2 m处波峰处平均粒径24 μm，上游迎流面的波谷粒径约为22 μm，下游背流面波谷的平均粒径约为18 μm，两边波谷的平均粒径小于波峰的平均粒径，上游迎流面波谷平均粒径大于背流面波谷颗粒物平均粒径，其他各剖面处波峰及波谷平均粒径规律亦同2 m剖面。

图6 第五次沉积后斜坡3 m段的排出环境流体后的沉积底形(水流方向从左往右)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)

由于粒径较大颗粒沉降速度大，先沉积下来，因此迎流面的波谷颗粒物平均粒径大于背流面波谷颗粒物平均粒径，波峰的颗粒物粒径高于两边波谷，这是可能是由于浊流上坡的过程中其能量减小，使得大颗粒物易先在波峰先沉积下来，在下坡的过程中势能转化为动能，流速增加，浊流继续裹挟颗粒物前行，故波谷位置颗粒沉积物粒径小。

图7 斜坡剖面沉积物波波峰及两边波谷粒径分布Fig.7 Particle size distribution of sediment wave peaks and valleys on slope

3 结 论

使用一带3°坡道转换的渠道，通过5次相同流量但不同入流速度及浓度的浊流沉积实验，分析初次浊流的流动及每次浊流沉积底形变化，得出以下主要结论。

1)剖面速度垂直方向由下往上的变化趋势是先增大后减小，存在一个速度最大值，且斜坡上最大速度高于平坡但距底床的位置低于平坡的。剖面浓度沿着垂直方向向下呈指数减小，斜坡底部最大浓度高于平坡的。

2)浊流入流体积分数φ=0.006时除入口0.2～0.6 m范围外，下游未出现明显沉积物波；浊流入流体积分数φ=0.02时在3°斜坡上形成随水流方向缓慢往下游迁移的沉积物波，波高和波长分别在1～2 cm和8～12 cm范围内，沉积物波迎流面约为背流面的1.5倍。

3)入流体积分数φ=0.02的浊流在全部斜坡上形成沉积物波，且如果上部水体迅速排出，则会形成较明显的滑塌，波形破坏严重。在7 d后排出上覆水体后，仅有轻微的滑塌，其沉积物波波高在1 cm以下，迎流面坡度较平缓，背流面较陡。

4)滑塌后斜坡上2 m剖面处沉积物波峰平均粒径约为24 μm，此后沿流向各剖面的沉积物波波峰的平均粒径依次减小，分别约为23，21，17，16 μm。同一沉积物波，两边波谷的平均粒径小于波峰的平均粒径，上游迎流面波谷平均粒径大于背流面波谷颗粒物平均粒径。