(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)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(qū)動(dòng)的底流。濁流一般源自陸坡滑坡或者河口，從淺水輸運(yùn)到深水中時(shí)，會(huì)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(yùn)藏有大量的油氣資源已成為業(yè)界共識(shí)[3-6]。濁流在自然環(huán)境中發(fā)生得突然且維持時(shí)間短，加上天氣、儀器設(shè)備等客觀因素的限制，濁流運(yùn)動(dòng)的野外觀測(cè)難度較大。Clarke等[7-8]通過(guò)對(duì)Squamish河的監(jiān)測(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)幾百上千米的新月?tīng)睿╟rescent-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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件性能的不斷提升，數(shù)值模擬方法越來(lái)越受到人們重視且取得了較大進(jìn)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(shí)會(huì)先形成一個(gè)小的隆起，進(jìn)而發(fā)展成二個(gè)、三個(gè)隆起形成小型波狀地形的過(guò)程，且由于隆起處兩側(cè)的差異沉積導(dǎo)致波形向上游遷移。Huang等[11-12]通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)了海底濁流的自建堤過(guò)程及在三維彎曲梯形渠道內(nèi)的流動(dòng)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(zhǎng)。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(jìn)展，如Garcia等[13]在濁流實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)只有細(xì)顆粒（4,9μm）濁流可以觀察到水下水躍，對(duì)含有大顆粒（30,65μm）的濁流并未觀測(cè)到水下水躍及其相應(yīng)的沉積特性，文中推測(cè)可能是實(shí)驗(yàn)水槽水平渠道不夠長(zhǎng)的原因。Kane等[14]在濁流流過(guò)彎曲渠道的實(shí)驗(yàn)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(guò)不同彎曲度的梯形渠道濁流實(shí)驗(yàn)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(xì)、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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)，觀察沉積形態(tài)、趨勢(shì)及斜坡上沉積物波的遷移過(guò)程，測(cè)量沉積厚度沉積物波粒徑分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 重力流實(shí)驗(yàn)水槽設(shè)備

圖1所示為重力流水槽設(shè)備，包括15 m×0.5 m×1.5 m的水槽、兩個(gè)10 m3的PE材質(zhì)供水箱、高精度聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）搭載平臺(tái)、流量控制系統(tǒng)、補(bǔ)水裝置和回水系統(tǒng)。重力流水槽最大設(shè)計(jì)有效水深1.3 m，水槽兩側(cè)和底部均為透明鋼化玻璃。前段5 m可實(shí)現(xiàn)最大15°傾角的變坡，本次實(shí)驗(yàn)其坡度設(shè)定為3°。

圖1 重力流水槽實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Flume for gravity current experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)材料：濁流實(shí)驗(yàn)用石英砂由安徽鳳陽(yáng)縣興龍石英砂有限公司提供，石英砂中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%，顆粒密度為2.65 g/cm3。五次實(shí)驗(yàn)所用石英砂分兩次購(gòu)置，前三次實(shí)驗(yàn)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(jì)達(dá)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(shí)驗(yàn)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(dá)45.89%。

測(cè)量?jī)x器：16 MHz聲學(xué)多普勒流速儀（ADV，SonTek公司）、自制虹吸管（8個(gè)取樣口，配置八根軟管）、水式循環(huán)真空泵（SHB-ⅢA，鄭州世紀(jì)雙科實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）、高清數(shù)碼相機(jī)（NX100，三星電子）、一臺(tái)高清攝像機(jī)（SDR-H200，三星電子）、深達(dá)威激光測(cè)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(shí)驗(yàn)條件

5次濁流沉積實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)為φ，入流速度為V，持續(xù)時(shí)間為t，具體見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)入流條件及持續(xù)時(shí)間Tab.1_ Inflow condition and run time of five experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)特征

圖2為入流體積分?jǐn)?shù)φ=6×10-3時(shí)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(shì)符合先增大后減小的規(guī)律，存在一個(gè)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?jǐn)?shù)φ沿著垂直方向呈指數(shù)減小，這是濁流上部混合層對(duì)環(huán)境流體夾帶的結(jié)果。同時(shí)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(dòng)時(shí)會(huì)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(jiàn)，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(dǎo)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(duì)海底濁流在坡道轉(zhuǎn)換處的流動(dòng)及沉積的數(shù)值模擬結(jié)果相似，坡度在2°～9°時(shí)，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(wú)明顯差別，推測(cè)可能是由于前四次實(shí)驗(yàn)的沉積物改變了床體坡度。

圖3 5次濁流實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)0.02的第五次濁流沉積過(guò)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(zhǎng)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(duì)稱，迎流面約為背流面的1.55倍。

圖4 第五次實(shí)驗(yàn)過(guò)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(dòng)，第10 min時(shí)，該波移動(dòng)到約距離入口4.35 m位置，第20 min時(shí)，該波移到4.38 m處，第30 min時(shí)，該波移動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(guò)沉積物的剪切強(qiáng)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(xué)中稱為軟沉積物變形結(jié)構(gòu)（soft sediment deformation structure,SSDS）。第五次實(shí)驗(yàn)有意使環(huán)境流體停留的時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到7 d，底部沉積物在環(huán)境流體靜壓力的壓實(shí)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?tīng)畛练e物波。其波高在1 cm以下，迎流面平緩較長(zhǎng)，背流面較陡呈，波峰走向垂直濁流流動(dòng)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(duì)應(yīng)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(gè)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(lái)，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(guò)程中其能量減小，使得大顆粒物易先在波峰先沉積下來(lái)，在下坡的過(guò)程中勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(jié) 論

使用一帶3°坡道轉(zhuǎn)換的渠道，通過(guò)5次相同流量但不同入流速度及濃度的濁流沉積實(shí)驗(yàn)，分析初次濁流的流動(dòng)及每次濁流沉積底形變化，得出以下主要結(jié)論。

1)剖面速度垂直方向由下往上的變化趨勢(shì)是先增大后減小，存在一個(gè)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?jǐn)?shù)φ=0.006時(shí)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?jǐn)?shù)φ=0.02時(shí)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(zhǎng)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?jǐn)?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(huì)形成較明顯的滑塌，波形破壞嚴(yán)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。