底形和流态的关系
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发布时间：2022-05-30 21:52
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时间：2023-11-22 22:58
对床砂形体的认识主要是通过水槽实验得到的。在实验中，各种特定的床砂形体的形成，需要一定的水动力条件，随着流动强度的增大，床砂形体按一定的顺序相继变化。这一现象早先曾由索尔贝（Sorby，1908）和吉尔伯特（Gilbert，1914）进行研究，以后又有不少学者进行过研究，如西蒙斯和理查森（Simons et al.，1961）、艾伦（Allen，1968）、哈姆斯（Harms et al.，1975）等，他们总结了水槽实验资料，并建立了流动条件与床砂形体的关系，如图4-1所示。
图4-1 在准平衡的单向水流下形成的床砂形体类型
水槽实验中，流水在小于0.6mm砂粒的平坦床砂上流动时，当流动强度很小或流速极缓慢时，流水不能推动颗粒运动，此时床砂物质并不移动；水中携带的悬浮物质沉积在床砂表面后即形成无运动的平坦床砂。当水流的强度增大，流速达到20cm/s时，床砂颗粒开始移动；由于有流动阻力的存在，在床砂表面形成向上游缓倾斜、向下游陡倾斜的不对称的砂波，其波高为0.5～3cm，波长小于30cm，很少超过60cm，这种床砂形体称为砂纹。当水动力进一步增强，流速达到50cm/s时，砂纹的波高及波长逐渐增大，波高由3cm左右至10～20cm，波长可达数米；先后出现砂浪、砂丘两种床砂形体。形成砂浪的流速要小于砂丘，砂浪的波脊比砂丘的波脊平直，波长/波高的比值要大些。在流态特征上，砂纹、砂浪、砂丘都属于低流态，其流动的阻力大，沉积物的搬运相对少而不连续，颗粒沿着床砂形体的陡坡向下崩落，床砂形体连续缓缓地向前移动，水面波的起伏与床砂形体的起伏恰好相反，构成异相位，弗劳德数（Fr）小于0.8或1，水流流态为缓流。
当流动强度再增大时，则波长急剧增大，流水遂以较大的剪切力削蚀砂丘的高度，形成低角度的砂丘（倾角约为10°），属于过渡流态，沉积物的搬运趋向连续，表面趋向于变平，与床砂形体的起伏无关，弗劳德数接近1。
当流动强度进一步增大时，低角度的砂丘逐渐消失，形成平坦的床砂，砂粒在平坦的床面上做连续的滚动和跳跃，跳跃的高度大约等于颗粒直径的2倍，这种床砂形体称为平坦床砂。若再增加水流的强度，则水面波又出现起伏，其起伏形态与床砂形体的起伏一致，构成同相位，表面波与床砂形体产生明显的相互作用。由于高的流速和大的弗劳德数值，使水面波增高，直至不稳定，向上游方向发生破碎。此时，水流向下游方向的流动使床砂形体的陡坡一侧遭受侵蚀，并在下一个床砂形体的缓坡一侧产生加积，则床砂形体向上游移动，形成逆行砂丘（antine）。当水流强度再增大，在有相当大的坡度和沉积物搬运量时，则构成大的沉积物丘，形成流槽和凹坑。流槽向上游缓慢移动，每个流槽的终端同凹坑联结。平坦床砂、逆行砂丘、流槽和凹坑都属于高流态，其流动的阻力小，沉积物的搬运量大而且是连续运动，水面波的起伏和床砂形体的起伏是一致的，构成同相位，弗劳德数大于1，水流流态为急流。
表4-1中总结了单向水流发育的底形特征。
