Three‐dimensional gravity‐current flow within a subaqueous bend: Spatial evolution and force balance variations

The nature of three‐dimensional flow in submarine channel bends is poorly understood, largely due to the absence of detailed data from natural channels. Herein, data from density‐driven flows in a large reservoir on the Huanghe (Yellow) River are presented showing the spatio‐temporal variation of flow around a subaqueous bend. The data demonstrate for the first time that reversed helical flow, relative to that found in river channel bends, can occur from the centrifugal forcing of flow, even when the Coriolis force acts in the opposite direction. The data also suggest that reversed helical flow fields in submarine channels may be more frequent than currently estimated, notably for bends where Coriolis and centrifugal forces combine in the same direction. In addition, this study provides the first field evidence suggesting that sinuous submarine channels can exhibit an asymmetry in helical flow orientation between left and right‐turning bends, which will have major implications for the morphodynamics of submarine channels, their resultant patterns of sedimentation and, ultimately, the distribution of depositional units across submarine fan systems.     

基于重力流相的深水水道分类方案研究*

深水水道是深水环境下的油气储集的重要场所。当前,深水水道的沉积构型及级次划分已有诸多报道,但对于单一水道分类研究较少。现有主流分类方案主要依据水道侵蚀能力,然而受地震分辨率及露头完整度影响,在实际应用中存在较大局限性。基于全球26个野外露头和西非尼日尔三角洲Akpo油田X油藏的钻井岩心资料,对不同重力流相类型进行流态学解释,将水道内部岩相简化为高密度浊流相(HTL)、低密度浊流相(LTL)以及碎屑流相(CL);在此基础上,根据不同重力流相在水道内部占比,划分出9种单一水道类型: 高密度浊流单一充填水道(HTL>70%)、低密度浊流单一充填水道(LTL>75%)、碎屑流单一充填水道(CL>60%)、块状砂质混合充填水道(HTL=40%~70%、LTL=40%~20%、CL<30%)、含砾砂质混合充填水道(HTL=40%~70%、LTL<30%、CL=15%~50%)、层状砂质混合充填水道(HTL=5%~60%、LTL=40%~75%、CL<20%)、夹碎屑砂质混合充填水道(HTL<40%、LTL=40%~75%、CL=20%~40%)、等相混合充填水道(HTL=20%~40%、LTL=20%~40%、CL=20%~40%)、含砂砾质混合充填水道(HTL<50%、LTL<60%、CL=40%~60%)。根据野外露头及划分方案在深水油田实际应用,综合分析认为不同类型水道在垂向分布具有一定规律,即碎屑流相充填的水道往往发育在水道体系底部,高密度浊流相充填的水道类型靠近水道中下部,而低密度浊流相充填的水道主要位于水道体系中上部。方案根据不同重力流相充填的百分比,对不同水道类型进行了明确定义,具有更好的适用性与可操控性,同时对于深水水道储集层预测及储集层质量评价具有重要的实际意义。     

弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动,对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法,提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工,结合渠底超高法对弯道水流的干扰,使水流在质量力的作用下分流,有效降低和减小了回水的流量范围,增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性,根据水流运动特性和流线的几何关系,提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素,通过对高坎水流运动特性的分析,拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式,推导了高坎分流临界角度γc的计算表达式,计算结果与试验测量结果吻合良好,可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动，对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法，提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工，结合渠底超高法对弯道水流的干扰，使水流在质量力的作用下分流，有效降低和减小了回水的流量范围，增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性，根据水流运动特性和流线的几何关系，提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素，通过对高坎水流运动特性的分析，拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式，推导了高坎分流临界角度γ_c的计算表达式，计算结果与试验测量结果吻合良好，可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

湖相重力流水道沉积特征与沉积模式:以鄂尔多斯盆地瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组为例*

陆相深水重力流水道的类型细分及其沉积模式是制约其油气勘探开发的重要因素,但研究程度低。通过对鄂尔多斯盆地南缘瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组实测、水道形态参数统计及岩相、粒度等分析,开展了湖相重力流水道的沉积特征、沉积过程及沉积模式研究。结果表明:(1)研究区内可识别出4期复合水道,主要为洪水重力流成因。根据其内部单一水道及单砂体形态特征、岩相组成,将其细分为沉积型和过渡型两类。(2)剖面下部2期复合水道为沉积型,以悬浮载荷成因岩相为主,常见块状净细砂岩、薄层泥岩岩相组合和鲍马序列岩相组合;上部2期复合水道为过渡型,岩相以底床载荷与悬浮载荷共存为特征,自下而上以交错层理细砂岩或叠瓦状泥砾细砂岩与含泥砾/泥岩撕裂屑块状细砂岩、平行层理粗粉砂岩及薄层泥岩的岩相组合为特征。(3)结合单一水道规模及其相互关系,建立了区内过渡、沉积型重力流水道的半定量沉积模式。过渡型水道内部侵蚀与沉积作用共存,单一水道宽度小、宽厚比低,呈透镜状,水道间切割性强,砂体横向稳定性较低,表现出不定向叠加、侧向拼接样式;沉积型水道内部由沉积作用主导,单一水道宽度较大、宽厚比较高,呈似板状—透镜状,砂体横向稳定性较高,表现出稳定的垂向加积样式。     

海底泥流的流变试验及强度模型

海底泥流是海底斜坡发生失稳滑动后,经复杂的水土交换作用演变成的稀式海底滑坡体,表现出土体和流体的双重特征,而现有的测试方法难以获得低剪切应变率下连续变化的强度值,不能很好地揭示其综合强度特性。利用新型全流动贯入仪和RST流变仪,对模拟海底泥流在不同剪切应变率下的流变和强度特性进行了多组试验研究,并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力和表观黏度与含水率的相关性。基于剪切稀化理论,提出分阶段拟合模式来描述海底泥流从低剪切应变率到中高剪切应变率的流变关系;通过多种常规流变模式拟合结果的对比分析,显示出新流变模式的适用性和优势。考虑强度软化的影响,建立了全剪切应变率范围内海底泥流的不排水剪切强度模型,为海底泥流运动过程的数值模拟和灾害评价提供科学依据。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

深水重力流水道沉积研究进展*

深水水道是深水区常见的地貌单元,既是深水重力流沉积物的搬运通道,又是其主要沉积场所。对重力流水道沉积研究已有60余年的历史,成果极为丰富。本文简要回顾了深水水道沉积研究历程及最新研究成果,总结了主要水道类型沉积特征及形成机理。重力流水道可分为复合型水道、垂向加积型水道、迁移型水道和分支小水道。复合型水道形成与重力流演化过程密切相关,其内部发育轴部沉积、碎屑流/滑塌沉积、水道—堤岸沉积体系及迁移型水道。弯曲型迁移水道多为重力流自生环流而成,顺直型迁移水道为等深流与重力流共同作用而成。重力流水道研究的发展方向主要有3个方面,即:(1)积极开展多手段和方法综合研究;(2)深入系统对比研究其形成机制及主控因素;(3)加强储集层分布规律研究。     

异地碳酸盐岩块体与碳酸盐岩重力流沉积研究及展望

异地碳酸盐岩块体是指已固结或半固结的、经过一定距离搬运再沉积而产于正常沉积地层中规模 较大的碳酸盐岩块,它和碳酸盐岩重力流沉积均属于再沉积碳酸盐岩。文章分析了岩崩、岩屑崩坍、海底滑坡、 滑塌和碎屑流沉积的过程,讨论了异地碳酸盐岩块体的沉积机制;归纳了异地碳酸盐岩块体形成的主要地质背 景,认为异地碳酸盐岩块体可见于活动大陆边缘、被动大陆边缘、海山和前陆盆地等地质环境中;着重介绍了 异地碳酸盐岩块体和碳酸盐岩重力流沉积的研究进展,即线源式的碳酸盐岩裙沉积和点源式的碳酸盐岩海底扇 沉积;最后,阐释了滑来岩块、滑塌堆积和碎屑流沉积的区别与联系,总结了孤立碳酸盐岩块体的搬运沉积机 制,对比区分了碳酸盐岩裙沉积和碳酸盐岩海底扇的沉积特征,认为它们在斜坡环境、沉积物类型和沉积特征 等方面存在诸多不同。     

漫滩恒定明渠水流的三维数值模拟

采用Naot-Rodi代数应力模型(N-R模型),结合非均匀交错网格下的混合有限分析法(HFAM)来计算漫滩水流的三维流动。为了得到稳定的收敛解,作了两点改进:其一为非均匀网格中数值离散的导数项二阶格式的引入;其二为复式断面分块耦合技术的采用。给出了漫滩水流主流速等值线、二次流的断面分布、垂线平均流速的横向分布以及主槽与全断面流量比随相对水深的变化规律。部分结果与实验资料的对比,表明NR模型和HFAM能较好地用于研究漫滩水流流速、流量和水位的关系。     

复式河道滩槽交互区水沙运动机理

滩槽复式河道是冲积河流中最为常见的一种形态,也是河流动力学研究最为重要的内容之一。以复式河道概化试验数据和水沙运动的区域性特征为依据,在提出滩槽复式断面主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区以及边壁区4个分区的基础上,将水流流态最为复杂的滩槽交互区进一步划分为对数流速区（内区）和非对数流速区（外区）,通过引入描写动植物生长过程的S型曲线,提出了内外区分界线的确定方法。以滩槽交互区横向分布公式为基础,通过线性假定和积分变换,给出了滩槽交互区内断面平均流速和含沙量的计算公式,并对不同分区内的流速和含沙量的差异性进行了比较分析。     

过渡段对连续弯道水流影响的数值模拟

通过分析不同长度的过渡段对连接连续弯曲河道后弯水流的影响,探讨航道整治工程设计中过渡段长度的确定依据。在模型试验资料验证的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法处理自由水面的水气两相流数学模型,对连续弯道水流进行模拟计算。对比不同过渡段长度条件下后弯水流特征的变化情况,发现增加过渡段长度可以减弱前弯对后弯水流的影响。当相对过渡段长度大于一定数值后,后弯的特征水流情况保持稳定,增加过渡段长度所引起的减弱前弯水流对后弯水流影响的效应基本丧失。以后弯水流条件趋于稳定为特征定义临界过渡段长度,可作为航道尺度设计中过渡段长度取值的计算基础。     

辽宁陆东凹陷前河油田水下扇沉积粒度特征及水流强度分析

前河油田九佛堂组为一套水下扇沉积。通过对不同层位取心井粒度资料分析及对比,分析其差异的原因,确定各层位搬运方式及沉积作用形式,并运用霍姆斯水流强度图分析从湖盆边缘向湖盆内的水流强度变化。根据岩性组合及测井曲线特征,识别出扇根、扇中前缘及扇端3种微相。并认为沿水流及砂体发育方向为部署有利区带。     

Lateral accretion in a deep-marine channel complex: implications for channellized flow processes in turbidity currents

Some deep-marine channels show striking similarities to fluvial channels, despite major differences in the properties of the flows that they conduct. Some field observations from deep-marine channel deposits within a Late Cretaceous palaeo-canyon in the Rosario Formation of Baja California, Mexico, that bear on these comparisons have been reported. These channel deposits contain erosively based lateral accretion sets. These sets are generally a few metres thick and resemble fluvial point bar deposits. Sediment movement and deposition within these accretion deposits was induced by turbidity currents several to many times thicker than the depth of the channel, moving at several metres per second. The inclined sets define laterally migrating and sinuous channels locally at a high angle to the confining canyon. The instantaneous channel widths varied from 6 to 39 m, the depths from 2·5 to 4 m and the sinuosities from 1·3 to 3·1. Palaeocurrent data, taken mostly from clast imbrication in conglomerates, indicates current modes along the channel thalweg, but with other directions representing either secondary flow (oriented primarily up the point bar) or over-passing canyon-confined flow. It is suggested that, at times, the lower part of the turbidity currents flowing down the channels behaved similarly to within-bank fluvial currents, with a cross-channel component of flow towards the cut bank, and return flow at the bed sweeping up the point bar. At other times, this secondary circulation may be absent or reversed, which may be related to changes in flow thickness, coupling with the overriding flow and possible flow separation.     

山区河流两岸泥石流形成的机理和力学条件

泥石流是山区沟谷的主要地质灾害类型之一,对其开展研究是很有价值的,但目前对其进行的针对性研究很少。本文重点研究山区沟谷泥石流形成的机理和力学条件。根据地形地貌、气候环境条件与土质学原理,研究了山区河流泥石流的形成机理及影响因素。河流两岸山坡岩土结构、人为活动与持续降雨或暴雨是山区河流泥石流形成的主要影响因素,不同土质结构与组成的土层的滑移破坏机理也不相同。山区河流泥石流的物源可概化为粘性土块体与松散砂砾两种典型固相物质。基于剪切破坏理论,建立了粘性土块的失稳滑动平衡条件;基于动量理论与重力分解原理,提出了松散砂砾启动的力学计算公式和失稳条件。     

江心洲头部冲淤动力临界特性

不同流量级下,分汊河段进口主流摆动导致江心洲头部的平面冲淤分布呈现出复杂变化特征。为探究江心洲头部冲淤与来流过程之间的响应关系,借助长江中下游多个分汊河段内水沙、地形资料,对江心洲头部水动力特征实施了数值模拟,并对不同流量级下的河床变形强度进行综合比较。研究表明:江心洲头部低滩的冲淤动力随着流量涨落呈现出明显的临界特性,冲淤过程中存在大、小两个临界流量Q₁与Q₂,在介于两个临界流量之间的流量级持续作用下,洲头低滩发生冲刷;流量大于Q₁或小于Q₂时,洲头低滩表现为淤积。由于不同流量级造成的冲淤效果不同,因而水文过程中各级流量的持续时间,是影响洲头低滩年内、年际变形的主要因素。     

明渠湍流涡运动尺度分布特性

为了解明渠湍流涡运动尺度沿水深的分布特征,使用高精度粒子图像测速法水槽试验系统测量充分发展的明渠湍流,利用改进后的功率谱分析方法,对明渠湍流涡运动尺度沿水深分布、上升流、下扫流和平均涡量等进行了分析。结果表明:明渠湍流涡运动尺度大小沿水深增加呈先增大后减小;沿水深增加下扫流比上升流更容易发生;各自水深的顺向涡涡量大于逆向涡涡量,在近壁区平均涡量最大;明渠湍流近壁区产生涡量大、尺度小的涡结构,沿水深增加,涡尺度发展变大,但受水面区下扫流抑制,涡尺度又变小。