Question

沉积物载荷与搬运方式

Answer 1

一旦沉积物被侵蚀并开始运动，在以后持续的顺流运动中沉积物的搬运路径是由颗粒的沉降速度、流速以及流体紊动程度决定的。按对碎屑物质的搬运方式，有悬浮载荷和牵引载荷（底载荷）。悬浮载荷以悬浮方式搬运，牵引载荷以滚动和跳跃方式在底床上或靠近底床搬运。如前所述，载荷力是指能搬运总载荷的数量，主要依赖于流量。载荷力和推力都是牵引流的搬运力。

1.床砂载荷搬运

粒度大于砂级的颗粒通常作为与底床持续接触的床砂载荷部分被搬运。这种类型的搬运称为牵引搬运，包括大颗粒或细长颗粒的滚动、彼此越过或超过的滑动和缓慢移动。缓慢移动是由于颗粒被其他移动颗粒碰撞而产生的在底床上沿顺流方向小距离的移动。跳跃是床砂载荷搬运的一种，其颗粒，特别是砂粒，通过与底床间歇接触而搬运。跳跃颗粒通过一系列的跳动，以较大的角度（可达45°）跳离底床大约几个颗粒直径的高度然后以大约10°的缓斜路径落到底床。这种不对称的跳跃路径可能被紊流或与其他颗粒碰撞而破坏（图2-3）。跳跃搬运可以看做是牵引搬运与悬浮搬运之间的过渡状态，由于大多数跳跃颗粒在运动过程中仍然间断地接近底床，因此一般仍把它归入床砂载荷搬运。

滚动搬运 是底部牵引流产生的沉积物颗粒沿底面运动的最简单搬运形式。假定颗粒是球粒状的，停留在平滑的底面上，水力直接作用于颗粒向上游的一面。因为底部有摩擦阻力，同时作用于其顶部的流水比其下部的流水速度更快，推力更大，故颗粒趋向于滚动。如图2-4所示，如果此两颗粒的直径，一个为另一个的两倍，那么作用于颗粒的推力（F）为F=m·v·K，其中m为单位时间内截断的水的质量；v为水的流速；K为常数。m又与球体断面面积（πr²）成正比；而被该力所移动的颗粒质量，随球体的体积而变化。

图2-3 推移载荷、悬浮载荷与跳跃搬运的颗粒路径图解

图2-4 碎屑颗粒粒度对底部滚动所需速度的影响

跳跃搬运 碎屑颗粒顺流一边跳跃一边向前（时沉时浮），称为跳跃搬运。引起颗粒跳跃的条件是：①底部不平，使颗粒碰撞底部障碍物或其他颗粒而产生向上的弹跳力；②主要由流速引起的顺流推力；③水流引起的上举力（或扬举力），此种力一种是起源于向上涡流，另一种是起源于颗粒附近流速变化引起的压力差（图2-5）。如图2-5所示，作用于颗粒的上举力，除了紊流的上升涡力以外，还可用伯努利方程来解释。颗粒上的流态可用流线表示。流线密集的地方，流速较高（因截面积较小）；反之，流速较低。按伯努利方程：

沉积学原理（第二版）

式中：p为压力；ρ为水的密度；v为流速；g为重力加速度；h为高度；C为常数。流速大处压力低，反之压力高，形成垂向上的压力差。这种压力差有充分的能力把颗粒提举起来，所以也是一种上举力。但是，一旦颗粒上举，周围的流线几乎对称，上举力也就近于消失。颗粒在跳跃搬运过程中，其跳动高度在空气中为在水中的800倍左右。

图2-5 流体流动过程中作用于颗粒（停留在类似颗粒底床上）之上的力（A）。颗粒之上流体运动形式，阐述由伯努利效应产生扬举力（B）：流线以及作用在颗粒表面压力的相对大小（a）；速度矢量的方向和相对大小，流线密集处流速大（b）

2.悬浮载荷搬运

当河流的流动强度增大时，靠近河床处紊流程度增大。与跳跃颗粒的轨迹相比，此时此处颗粒的轨迹更长、更不规则、距离河床更高。颗粒被水流带起，在长期内很难下沉的状态称为悬浮状态。碎屑颗粒能否在静水中呈悬浮状取决于两种力的比率：一种是向下的力，即gm（g是重力加速度；m是颗粒的质量）；一种是反向的向上摩擦阻力（f），这是由水的黏滞性产生的。如果颗粒较粗，其向下的力（gm）大于向上的力（f），不能悬浮；细颗粒不能很快克服向上的阻力，所以经常悬浮在水体中。如果通过紊流产生的抬举力反复无常并且不能持续保持这种平衡（中-细砂中常见），那么颗粒就会不时沉降到河床上。这种搬运状态称为间歇悬浮（图2-3）。间歇悬浮不同于跳跃，因为悬浮颗粒倾向于在河床之上被搬运的更高并且大部分时间都离开河床。更小的颗粒下降速度十分小，因此它们近于持续悬浮并且搬运速度与流体的速度相同。

悬浮颗粒的沉降速度大于水流平均流速的8%时就会发生沉积，而颗粒的沉降速度一般与颗粒的粒度、相对密度、形状以及水介质的性质有关。鲁比（Rubeg，1931）在清水中做了严格实验，测定出石英砂的沉降速度（mm/s）为：极细的砂沉淀到30.5m大约需要2h，而细黏土大约需要1年。在自然界，悬浮颗粒在不同水动力强度的水中都可见到。影响碎屑颗粒呈悬浮状态的因素不仅是颗粒大小，还有流体的运动学特点，即与水的流动状态属层流或紊流有关。例如，在河流中流速经常变化，河流的不同地段和同一地段的不同深度都有层流和紊流出现。在层流中，沉积颗粒的沉降就像在静水中一样；而在紊流中，它们被反复升举，阻碍沉降。如图2-6所示，上升漩涡在整体上与下降漩涡均衡，如果沉积颗粒均匀地分布在整个流水中，结果将是互相抵消，颗粒不出现悬浮。实际上往往总有更大量的沉积颗粒集中在底部，因此上升水流比下降水流在每单位体积中可携带更多的沉积物。如此不断地重复，使更多的颗粒悬浮于流体之中。由于漩涡上举力的大小大体上依流速增高而变大，悬浮颗粒粒度也随之增大。这些颗粒的沉降，除了需克服向上的摩擦阻力，还应克服向上的漩涡力，因此，只有在颗粒较大（随gm增大）的情况下才能达到。

图2-6 使沉积物呈悬浮状态的涡流作用

沃克（1975）根据水介质的流动强度与所能滚动和悬浮的最大粒径之间的关系作出图解（图2-7）。如果某一水流携带具有各种粒级的沉积物，其中对砂来说，要使其呈悬浮状态必须满足以下关系：

沉积学原理（第二版）

式中：v_垂为垂向上漩涡流速度；v_颗为颗粒沉速。

如图2-7 所示，当水流强度为 P时，它所能滚动的砾石最大粒径约为8 cm，所能悬浮的颗粒最大粒径约为2.2 mm。

图2-7 流动强度的变化与流水所能悬浮和滚动的最大颗粒直径间的关系曲线

图2-8 影响沉积物堆积体的各种剪切力的出现形式

此外，沉积颗粒的悬浮还与其形状有关。一般球体比其他形状更不易悬浮，而片状颗粒因其摩擦阻力较大，更易悬浮。当其堆积体所受的剪切力大于其内部的抗剪阻力时，则沉积物中的颗粒就开始处于运动状态。所以，剪切力是一种搬运动力，其来源之一是水流中的推力。水流推力总是平行于流动方向，除受水体流动状态变化影响以外，还与流体流速以及动力黏度和黏度成正比。而流动状态也与流速有关，所以流速大体上可以代表推力。剪切力的另一来源则是沉积物堆积体的重力顺坡向下作用的分力（图2-8）。如图2-8所示，作用在沉积物颗粒层上的剪切作用是多种多样的。颗粒层表面可以是倾斜的（图2-8a～c），也可以是水平的（图2-8d）。在一个斜面上，外加的剪切力方向可以是顺坡向下的（图2-8b），也可以是（局部）逆坡向上的（图2-8c）。顺坡向下的剪切力可以是由重力沿顺坡向下的切向分力所施加的，其唯一的下坡力是g_t（图2-8a）；也可以是在重力的切向分力驱使下顺坡流动的运动流体所施加的，其下坡力除有g_t外，还有外加的下坡的剪切力（图2-8b）；也可以是沿局部斜坡向上流动的运动流体所施加的，其下坡力是g_t，还有外加的上坡剪切力（图2-8c），或是平行于坡向的和沿水平面流动的运动流体所施加的，外加的剪切力作用在水平面上的颗粒层上（图2-8d）。

3.冲刷载荷

大多数经历持续悬浮搬运的沉积物载荷由沉降速度非常低的细粒、泥级颗粒组成。在河流中，这种沉积物来源于上游物源地区或河岸的侵蚀而不是河床，因此被称为冲刷载荷（wash load）。河流即使流速很低也具有搬运大量冲刷载荷的能力。由于冲刷载荷以与水相同的速率呈持续悬浮方式移动，因此可以经由河流快速搬运。