沉积模拟

沉积模拟研究沉积模拟研究概况研究历史初级阶段快速发展阶段运用玻璃水槽，以现象描述为主代表人物：Deacon、Gilbert、Einstein、Simons运用水槽进行底形及机理研究，代表人物：Schumm、BestSouthand、Allen、沉积模拟研究概况研究现状科罗拉多州立大学工程研究中心大型流水地貌实验装置瑞士联邦工业学院Delft模拟实验装置CNPC和PetroChina沉积模拟研究装置日本筑波大学模拟实验装置沉积模拟研究概况发展趋势物理模拟与数值模拟的结合提供勘探早期储层预测的新方法提供开发后期砂体非均质性描述的新技术与储层建筑结构要素分析相结合与流动单元高分辨率层序相结合ZYX计算机总控制室前池控制电缆控制电缆流水槽导水槽量水堰流速仪加砂器入出水口入（出）水口入（出）水口入（出）水口泵房稳流塔流水管线沉砂池入（出）水口入（出）水口入出水口入（出）水口固定基底固定基底基底活动测量桥控制台小车摄录像系统测量系统CCD探头沉积模拟研究概况功能盆地隆起与沉降缓坡沉积体系的形成机理河流的形成及沉积作用突发性洪水事件沉积二、碎屑物理模拟研究的理论与方法物理模拟的关键是要解决模型与原型之间相似性的问题，也就是说，实验模型在多大程度上与原型具有可比性是成败的标准。为此物理模拟实验必须遵从一定的理论，这种理论可称之为相似理论。模型与原型之间必须遵守的相似理论包括几何相似、运动相似及动力相似。物理模拟的理论基础几何相似：是指模型与原型的几何形状相同、原型和模型各对应部位的尺寸都成同一长度比例，规定原型值与模型对应值的比例称为模型比例。设LＨ为原型某一部位的长度，Lm为模型对应部位的长度，则长度比尺为：mhLLL式中：H—原型，m—模型。物理模拟的理论基础运动相似：运动相似是指原型和模型水流各对应点的流速都成同一比例。设VH为原型水流某一点的流速，Vm为模型水流对应点的流速，则流速比尺为：式中：λt—时间比尺。有了流速比尺λv，就可据此引出加速度比尺为：tLmHVVV2tLtvmHaaa物理模拟的理论基础动力相似：动力相似是指作用于原型和模型水流的各种不同性质的力都各自成同一比例。例如作用于原型和模型水流各对应点的重力为GH、Gm，粘滞力为RH、Rm，则力的比例为：因为G=ρ·g·V，R=L·ρ··ν，所以：式中：λm——为质量比尺。mHmHFRRGG2tLmf物理模拟的理论基础应用上述相似理论，可以进一步推导出物理模拟的一系列相似准则，最主要的相似准则包括：悬浮相似准则：颗粒运动相似准则：河床变形相似准则：21)(rrrrLHVW1)(1)(1)1(1)(2rDrDrprLDDVufgDfcCsrrrrrqLHt)(1物理模拟的理论基础相似准则：物理模拟的方法体系一般步骤确定地质模型确定物理模型建立原型与模型对比标准明确所研究问题的性质确定实验方案适时对沉积过程进行监控过程与结果的对应研究物理模拟的方法体系物理模拟标准地震剖面信息测井信息开发动态信息三、冲积扇形成过程的实验研究冲积扇形成过程的实验研究冲积扇的形态、流量和粒径之间的关系坡度与流量及其粒径的依赖关系坡度随方位的变化扇体沉积马尔科夫过程研究1．原始地形按10%设计，在X=3m处设计宽10cm，深5cm的模型小河道。2．实验过程中流量用正态分布设计。3．设计实验时间为136小时，每8小时为一轮，共分17轮完成。4．每轮实验完成后，对形成冲积扇的坡度进行测量。测点布置在扇顶和距顶点为100cm、200cm和300cm的7个半径方向的22个点。这7个半径为轴向以及与轴向成±27°、±54°和±81°的半径方向。冲积扇形成过程的实验研究实验设计实验加砂组成参数系列系列中扇体的编号粒径几何平均粒径几何标准偏差A80.282.3B50.131.5C40.543.6冲积扇形成过程的实验研究冲积扇形成过程的实验研究半径为至间的坡度050cm方位偏离轴向角度2015100500306090C-4A-6A-11A-7B-55冲积扇形成过程的实验研究0-100105101550-100105C-4dg=14mmdg=0.17mmB-5A-1状态箭头表示中值频率（%）0-10010冲积扇形成过程的实验研究1.随着粒径的增加，直方图明显地增宽，这意味着在粗粒构成的冲积扇体上高的地方变得更高，而低的地方则变得更低。2.直方图的不对称性，这可能是内于河道被切割的结果，高区只有靠沉积来发育，但是低区既可能是由于不沉积引起的，也可能是由于冲刷的结果。于是，低区出现的可能性就更大些。冲积扇形成过程的实验研究冲积扇形成过程的实验研究jiijijjiijijniijfssdssdnda,1,11101当当nssmnijiija11,1为了更深入研究扇体表面不同位置状态变化的大小和变化的频率，引进活性频率af和活性大小am：冲积扇形成过程的实验研究方位，度离顶点距离，cm0200400600200400600200400600200400600ar0.360.520.330.180.450.270.20.320.260.180.340.190.11am1.742.691.671.281.571.221.071.041.180.960.861.020.68轴向±27℃±54℃±81℃冲积扇A—1的活性指数冲积扇形成过程的实验研究1.向冲积扇下游状态变化的频率af是逐步减小的，而且在扇体上半部分随着偏离轴向角度的增加，af是减小的。2.状态变化的大小（am）也是在扇体中部靠轴线附近最高，这又一次反映出河道切割和充填的现象。3.am也是向扇体下游和随着偏离轴向角度的增加而减小的。4.当扇体的面积逐渐增加的时候，实验观察到af和am有随时间逐渐减小的趋势。冲积扇形成过程的实验研究四、河流沉积作用模拟实验由于造成不同条件下形成的砂丘特征也不同，因此本项研究共开展两种类型的模拟实验。通水12小时为一周期，第一类为二组变流量的模拟实验，实验开始时的河岸组成如下表所示，实验过程分为枯水期、平水期及洪水期，各期加砂量、流量、通水时间有所区别；第二类共分6组，其流量在组内维持不变。砂丘发展过程的模拟实验距离参数0-4m5-8m9-12m13-16m堤岸高50mm40mm30mm20mm组成泥12.5mm10mm7.5mm5mm粉砂25mm20mm15mm10mm砂12.5mm10mm7.5mm5mm河岸组成结构砂丘发展过程的模拟实验来水特征实验参数Run1-Run6Run7以后枯水期流量0.1l/s流量0.5l/s加砂量1.5g/s通水时间12小时加砂量0.4g/s通水时间4hr平水期流量0.4l/s加砂量1.2g/s通水时间4hr洪水期流量1.6l/s加砂量4.0g/s通水时间4hr实验参数设计砂丘发展过程的模拟实验0100908070605040302010频率曲线累积频率曲线正态概率累积曲线累积百分含量(%)99.9999.9099.0095.0090.0080.0070.0060.0050.0030.0020.0010.005.001.000.100.0140.00-1012345粒度()实验用砂的粒度分布曲线砂丘发展过程的模拟实验悬浮沉积物浓度床形沙丘长度和高度;沙丘运移速度;沙丘的平面形状水流特征流量;水面比降;水深温度参数测量砂丘发展过程的模拟实验ⅠⅡⅢⅣ04812162001015102001020304010.50流量沙丘长度(cm)沙丘高度(cm)(Cm/s)3实验时间(h)ABCD砂丘发展过程的模拟实验变流量实验中砂丘的发展（实验装置内y=6-12m段）(A)流量过程线；(B)y=6-12m的沙丘长度变化；(C)y=6-12m沙丘高度的变化过程；(D)y=6-12m处沙丘移动速度。50048121620400LUM25ppm50100(c)?Hcm（）U5000(b)1.510.50(a)1.510.50砂丘发展过程的模拟实验第一类实验的流量过程线、悬浮沉积物浓度过程线和底床表面高度变化历时曲线实验时间(h)第二类实验中沙丘大小的连续变化图中箭头表示沙丘达到平衡尺寸的时间砂丘发展过程的模拟实验平衡沙丘长度与水流功率的关系平衡沙丘高度与水流功率关系15401050平衡沙丘长度,cm平衡沙高度,cm水流功率,g/s·cm水流功率,g/s·cm154051020510水流功率,g/s·cm510水流功率，g/s·cm砂丘发展过程的模拟实验1．悬浮沉积物的浓度在径流过程的涨水阶段比退水阶段高。2．沙丘的发展对沉积物悬浮具有强烈的影响，只要在沙丘背面一发生首次冲刷，悬浮沉积物的浓度就迅速增加。3．随着流量的减小，沙丘迎流面不再发生冲刷现象，此时不再能观察到猝发现象。4．在沙丘发展阶段，河道横断面上顶部连线几乎为直线的低波幅小沙丘长大成顶部连线为波状线的大沙丘。5．在平衡沙丘阶段，不仅沙丘长度变化不大，而且沙丘高度也几乎不变，水面上的猝发现象却相当弱。砂丘发展过程的模拟实验结论百里洲刘巷凤凰滩江口洲江口熊家河姚家港毛家场芦家河罗家港入口长江陈二口松滋口老城松滋河林家垴出水口6m14.5m长江百里洲段洲滩沉积模拟实验6．糙率比尺：=0.73；8．时间比尺：；实际取；1．平面几何比尺：λL＝1500，该比尺能最大限度地利用实验场地；2．垂直几何比尺：λh＝150；3．模型几何变率：4．流速比尺：5．流量比尺：，=7403628，=9403315，=1114666710hL9．比降比尺：，实际取。.25.122/1hv2756250vLhQ洪Q中Q枯Q3/28/1/LnrrrLhds/)(21/)(rrrs15d4.122vlt180t1.0lhJ5.3f7．粒径比尺：，取，则。长江百里洲段洲滩沉积模拟实验洪水84.439.5-10.4平水81.812.0-2.7枯水200.450-0.5平水121.812.0-2.7洪水84.439.5-10.47平水121.812.0-2.7枯水200.450-0.5平水81.812.0-2.7洪水84.439.9平水121.812.0-2.7枯水200.450-0.5平水81.812.0-2.7洪水859.5-10.4平水121.812.0-2.7枯水200.450-0.5平水81.812.0-2.7洪水85.629.5-10.4平水121.812.0-2.7枯水200.450-0.5平水81.812.0-2.7放水过程水流量（L穝-1）加砂量（g穝-1）加砂组成1424444枯水期：细砂30%粉泥70%54历时（h）实验轮次出口水深（cm）洪水期：中砂25%细砂30%粉泥45%平水期：中砂10%细砂40%粉泥50%3长江百里洲段洲滩沉积模拟实验实验条件及实验参数一览表16.723.323.841.726.321.516.734.5左汊0161037右汊15.622.314.125.6左汊09.1020.4右汊15.621.217.2372020.117.529.4020.312.533.316.718.518.535.7分流点上游长江主水道芦家河浅滩第四轮洪水江口洲下游长江主水道第二轮枯水第三轮平水第四轮平水凤凰滩江口洲松滋河三角滩头至三角滩尾河段部位水流速度/（cm穝-1）长江百里洲段洲滩沉积模拟实验各河段水流速度一览表第3轮洪水期756.824.564.61335.7第5轮平水期795.61.1351.711.626.6第3轮洪水期17540.42.168.68.4227.7第5轮平水期1783.50.5250.98.9420.3第3轮洪水期2254.20.32.249.513.525.4第5轮平水期1803.90.11.843.58.5118.3第3轮洪水期1254.50.62.575.215.731.3第5轮平水期1364.31.3