床面形态、水流条件与泥沙特性的关系分析

由松散的泥沙颗粒组成的流场边界具有可动性。在水流的动力作用下，颗粒群体有规律的运动，在动床床面上将会塑造出有一定规律的床面形态（bedform，又称“底形”），如图3-1所示。床面形态在冲积河流河床、碎屑滨岸带、深海海底都会出现。从水体运动的角度看来，相当于在自由水面之外又增加了一个自由面，自由程度视床面的可动性而定。所以又将动床条件下的水流运动研究称为“松散边界水力学”（Raudkivi，1998）。边界可动性的控制因素既包括水流的水动力学条件，又包括泥沙颗粒自身的运动特性。床面形态多是三维的，随水流条件、紊动结构和泥沙特性的不同而千差万别。在水流的横断面上所看到的是横向形态，在其纵断面上所看到的是纵向形态，俯视床面则看到平面形态。

图3-1　泥沙颗粒运动与床面形态关系示意图

图3-2　沙纹的顶视形状（Allen，1968）

为了描述床面形态的发展、变化，不少研究者试图从理论上建立动力学或运动学控制方程，但其理论体系或边界条件目前尚未完善，在理论上联立求解水流和床面泥沙的运动还有较大的难度。如图3-2所示，床面形态的变化较为复杂，对床面形态的研究，当前主要包括用试验、观测等手段总结其发生规律，用波动理论描述其形态规律，以及用明渠水流的紊动结构来解释其生成的水动力学原因等。床面形态与冲积河流的流动结构、水流阻力和泥沙输运等问题有密切的内在联系，了解床面形态的现象和机理，对阻力和输沙等问题的研究有重要意义。(www.xing528.com)

在冲积河流中，从平面形态上看，有时会出现二维的床面形态。这种二维形态可以是垂直于水流方向，如图3-2所示的顺直沙纹（Allen 1968），也可以是平行于水流方向，如图3-3所示的沙脊。顺直沙纹一般出现在水流强度较小、且河床质为细颗粒的条件下。平行于水流方向的形态包括大尺度的沙脊（Karcz 1966）和微尺度的纵向条纹（Allen，1964）。沙脊一般与流动中稳定的二次流有密切联系。由于微尺度纵向条纹处于粘性底层之内，其间距与猝发现象中的高速带与低速带间距接近（Grass，1971），所以它可能是由于喷发和清扫作用所形成的，也可能与低Reynolds数下的蜂窝状二次流有关（Allen，1985）。因此，从床面形态的物理成因上来看，水流中的紊动结构和大尺度结构起着重要作用，具体表现为床面形态与水流流态有着密切的关系。

图3-3　宽浅河流或海湾中由二次流引起的横向床面形态

（a）宽浅河流对称二次流（Karcz1966）；（b）海滩线状沙脊及可能成因（Off 1963；Houbolt 1968）

线状沙脊是广泛分布于潮控陆架上的巨大韵律性海底地形。Off（1963）对海滩线状沙脊进行了研究，认为潮流塑造了这种脊、槽相间的水下地形，将它们命名为潮流沙脊。这种底形的存在对航运、捕捞以及海底电缆、海洋钻井、油气管道等海岸和海洋工程设施有重大影响。