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Glacier Sliding Down an Inclined Wavy Bed With Friction

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

L. W. Morland*
Affiliation:
School of Mathematics and Physics, University of East Anglia, Norwich NR 47TJ, England
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Abstract

The effects of frictional tangential traction combined with regelation on the basal sliding of a temperate glacier down an inclined wavy bed are examined. Two friction models are treated. First, a Coulomb law model having the assumptions that sliding occurs everywhere and that the tangential traction is proportional to the normal pressure. Secondly, a velocity power law in which the tangential traction is proportional to a power of the slip velocity. The ice motion is approximated by steady slow Newtonian flow and the bed undulation about a mean bed-line has a maximum slope ∊ ≪I. Flow solutions are constructed as perturbations (in powers off ∈) of the plane laminar flow corresponding to non-slip on the mean bed-line assuming that the ice remains everywhere in contact with the bed; that is, no cavitation takes place. If the normal traction is predicted to be tensile over part of the bed, implying that cavitation has occurred, then a new solution is needed in which the ice base over cavities is traction-free. Since the cavity sections and profile of the free ice base are then part of the overall solution, an intricate mixed boundary-value problem is set up for the flow and the present analysis is inadequate.

For a sinusoidal bed the perfect-slip (zero tangential traction) solution predicts compressive normal traction everywhere on the bed provided that the mean bed-line inclination α (to the horizontal) is less than a critical value αe which is of order ε. For greater values of α including a range of order ∊, the normal traction is tensile on some parts of the bed, and a solution with cavitation is needed. If the tensile sections are relatively small it is expected that the resulting cavitation will not change the overall solution significantly. However, the Coulomb friction solution has extensive zones of tensile traction for all values of α, so that extensive cavitation would occur. In contrast, the velocity-power friction solution has compressive traction everywhere on the bed for α ⩽αe=0(I) provided that the ice depth is not too large, and also for deep glaciers for α ⩽αe=O∊ Furthermore, the predicted basal sliding velocity varies much less with the length scale of the bed undulation than in the perfect-slip solution, and is smaller.

Résumé

Résumé

On a examiné les effets de la traction tangentielle de frottement combinée avec le regel sur le lit d'un glacier tempéré glissant sur un fond incliné avec des ondulations. Deux modèles de frottement sont envisaés le premier est une loi de Coulomb dans laquelle la traction tangentielle est proportionnelle à la pression normale, le second est une loi-puissance en fonction de la vitesse dans laquelle la traction tangentielle est proportionnelle à une puissance de la vitesse de glissement. Le mouvement de la glace est assimilé à un écoulement stationnaire lent Newtonien et les ondulations du lit autour d'une direction moyenne, ont une pente maximum ∈ ≪ I. Les solutions pour l'écoulement sont construites comme des perturbations en puissances de ∈ autour de l'écoulement plan laminaire correspondant au non-glissement sur le lit plan moyen, avec l'hypothèse que la glace reste partout au contact du lit, c'est- à -dire qu'il n'y a pas cavitation. Si l'on prévoit que l'effort normal sur une partie du lit sera une traction, ce qui implique que la cavitation peut se produire, alors il faut une nouvelle solution dans laquelle la glace de la base au-dessus des cavéuts n'est pas soumise à une traction. Dès lors que les profil et sections des cavités de la glace libre de la base font partie de la solution générale un problème inextricable de valeurs aux limites est soulevé par la détermination de l'écoulement et la présente analyse est inadéquate.

Pour un lit sinusoïdal, la solution du glissement parfait (traction tangentielle nulle) prévoit un effort normal de compression partout sur le lit pourvu que la pente moyenne ∊∊ (sur l'horizontale) soit inférieure à une valeur critique αc qui est de l'ordre de ∈. Pour des valeurs supérieures de α, y compris un ordre de grandeur voisin de ∈, il y a un effort de traction normal quelque part sur le lit, et il est nécessaire de chercher une solution avec cavitation. Si les sections avec traction sont relativement petites, on s'attend à ce que la cavitation résultante ne change pas la solution générale de manière significative. Cependant, la solution de la friction de Coulomb présente de larges zones avec efforts normaux de traction pour toutes les valeurs de α si bien qu'une cavitation importante peut s'y produire. Par contre, la solution avec frottement en puissance de la vitesse est valable partout si α ⩽ αc avec une valeur αc=O (I). pourvu que la profondeur du glacier ne soit pas excessive, et aussi pour les glaciers profonds lorsque α ⩽ αc avec αc = O(∈). En conséquence, la vitesse de glissement àl a base qui est prédite, varie beaucoup moins avec léchelle des longueurs d'onde des irrégularités; du lit que dans la solution à glissement parfait et est plus faible.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Untersucht wird die Auswirkung tangentialen Reibungszuges in Kombination mit Regelation auf das Gleiten eines temperierten Gletschers über ein geneigtes und gewelltes Bett. Zwei Reibungsmodelle werden herangezogen: erstens ein Coulomb-Gesetz, bei dem die tangentiale Reibung proportional zum Normaldruck anwächst; zweitens ein Geschwindigkeitspotenzgesetz, bei dem die tangentiale Reibung proportional zu einer Potenz der Gleitgcsch-wtndigkeit ist.Die Eisbewegung wird durch stationäres, langsames Newtonsches Fliessen angenähert; die Bettundulation um ein mittleres Bettprofil hat eine Maximalneigung von ∈ ≪ I. Die Lösungen für das Stömungsfeld werden als Störungen der ebenen laminaren Strömung, bei der kein Gleiten auf dem mittleren Bettprofil stattfindet, nach Potenzen von ∈ entwickelt; dabei wird angenommen, dass das Eis überall mit dem Bett in Berührung bleibt, d.h. keine Kavitation stattfindet. Für den Fall, dass sich eine Normalkomponcnte der Kraft über einem Teil des Bettes in Zugrichtung ergibt, braucht man eine neue Lösung, die Kavitation einschliesst, und bei der die Eisuntergrenze über den Hohläumen reibungsfrei ist. Da die Hohlraum-abschnittc und das Profil der freien Eisuntergrenze dann einen Teil der Gesamtlösung bilden, erhält man für das Fitessen ein verwickeltes vermischtes Randwertproblem und die vorliegende Untersuchung ist unzulänglich.

Für ein sinusförmiges Bettprofil liefert die Lösung für vollkommenes Gleiten (ohne tangcntialc Reibung) überall im Ben eine Normalkrai'i in Druekrichtung, vorausgesetzt, die Neigung $ des mittleren Bettprofils gegenüber der Waagrechten ist kleiner als ein kritischer Wert αc. (in der Grösse von ∈). Fur höhere Werte Von α, einschliesslich eines Bereiches in der Grösse von ∈, ist die Normalkrafi an einigen Stellen des Bettes in Zugrichtung, und man braucht eine Lösung mil Kavitation. Wenn die Abschnitte unter Zug verhalt-nisässig klein sind, wird angenommen, dass die entstehende Kavitation die Gesamtösung nicht entscheidend verädert. Die Lösung für die Coulomb-Reibung hat jedoch für alle Werte von a ausgedehnte Zonen unter Zug, so dass entspechende ausgedehnte Kavitation auftreten wird. In Gegensatz dazu gilt die Lösung mit Reibung nach dem Geschwindigkeitspotenzgesetz überall, wenn α ⩽ αc = 0(I), vorausgesetzt, dass die Eisdicke nicht zu gross ist, und auch für mächtige Gletscher, wenn α ⩽ αc = 0(∈). Des weiteren schwankt die vorausgesagte Gleiigeschwindigkeit weit weniger mit der Längenausdehnung der Bettundulation als in der Lösung des vollkommenen Gleitens und ist niedriger.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1976
Figure 0

Fig. 1. Glacier flow over a wavy bed.

Figure 1

Fig. 2. Variation of basal sliding velocity Ub with undulation length λ (SI-units) for e — 0.5. The perfect-slip solution (e = ) is shown by the dotted line.

Figure 2

Fig. 3. Variation of baml sliding velocity Vb with undulation length A (SI-units ) for e = 1.0. The perfect-slip solution (e = 0) is shown by the dotted line.

Figure 3

Fig. 4. Variation of the ratio of basal-sliding velocity to surface velocity with undulation length λ for different values of h∈2(SI-units). These values are shown against the curves. The dashed lines are for e = 0 .5, the full lines are for e = 1.0.