快速颗粒流在斜坡-水平表面沉积物中的垄状结构形成：一项实验研究

《Geomorphology》：Ridge formation in deposits of rapid granular flows over slope–horizontal surfaces: An experimental study

本研究通过系列控制实验，探讨快速颗粒流在斜坡-水平复合地形上的沉积模式形成机制，揭示弗劳德数与初始体积对脊形地貌（弧形/V形）的主导控制作用，并构建沉积相位图。实验表明基底摩擦与颗粒性质通过改变流动内摩擦影响沉积结构清晰度与间距，但脊形类型仍由弗劳德数主导。研究为自然滑坡堆积物地貌解析提供了物理基础。

　　

牛志阳|彭志豪|王月成|王登明

中国兰州大学土木工程与力学学院，教育部西部灾害与环境力学重点实验室，中国兰州，730000

摘要

快速颗粒流通常会产生具有复杂横向棱纹的沉积物，但其形成机制尚不完全清楚。本研究通过对倾斜-水平复合表面上的快速颗粒流进行系统实验研究，旨在确定影响棱纹形成的关键动态因素。实验使用光滑玻璃珠作为基线材料，并用沙子进行对比测试，以研究在不同条件下的流动行为和沉积物形态。通过高速成像和粒子图像测速（PIV）技术来量化流动运动学和表面结构的演变。在玻璃珠实验中观察到了两种反复出现的棱纹形态——弧形和V形。它们的出现主要与弗劳德数（Froude number）有关。相对较高且稳定的弗劳德数有利于次级沉积和V形棱纹的形成，而较低且变化较大的弗劳德数则促进剪切破坏和弧形棱纹的形成。初始颗粒体积的变化会影响弗劳德数的大小和时间演变，从而影响棱纹的几何形状和转变阈值，但不会改变基本的棱纹类型。在弗劳德数-速度空间中绘制的沉积相图总结了剪切破坏主导和次级沉积主导的棱纹形成条件。沙子实验表明，颗粒特性和基底摩擦会改变棱纹结构的清晰度和间距，但不会改变其基本的流动机制依赖性。这些结果强调了流动动力学、材料特性和基底边界条件在塑造沉积棱纹形态中的耦合作用，并为解释自然环境中颗粒流和滑坡中的棱纹沉积提供了物理基础。

引言

重力驱动的颗粒流是普遍存在的地貌现象，通过滑坡、泥石流等相关质量迁移过程塑造陆地景观。这些流动的特点是离散颗粒的快速下坡运动，表现出从准静态到惯性的复杂流变行为，其沉积物记录了流动动力学、材料特性和边界条件的综合效应。因此，理解控制沉积物形态的过程对于解释沉积物传输机制和地貌演化以及改进相关自然灾害的评估非常重要。

由于自然泥石流的破坏性和观测难度，高分辨率的现场监测仍然具有挑战性。因此，实验室实验和数值模拟在受控条件下分离关键物理机制方面变得不可或缺。一种常用的配置是颗粒柱在水平面上的重力坍塌，这已经阐明了滑出距离和沉积物形态与初始长宽比和颗粒间相互作用的依赖性（Lube等人，2005年；Girolami等人，2013年；Huang等人，2020年）。少量液体的引入通过毛细凝聚力显著改变了流动的流变特性，导致颗粒聚集和滑出距离减小（Fournier等人，2005年；Wang等人，2020年；Li等人，2022年；Y. Wu等人，2023年；Sharma等人，2024年）。液体含量、颗粒大小和表面张力的变化进一步影响滑出距离和沉积物高度，突显了几何形状和材料特性在决定沉积物形态中的耦合作用（Artoni等人，2013年；Li等人，2022年）。

在自然环境中，重力驱动的颗粒流包括下坡加速，随后是水平扩散和最终沉积（Legros，2002年；Okura等人，2003年）。在倾斜-水平复合表面上，重力势能沿着斜坡转化为动能，然后在水平运动过程中通过基底摩擦耗散，导致从流动到沉积的转变。大规模水槽实验表明，坡度对沉积物几何形状和表面结构具有主导作用。随着坡度的增加，沉积物可能从无棱纹的扇形演变为更复杂的形态，包括X形凹槽和延长的冲击波状隆起（Duan等人，2020年，Duan等人，2022年；Y.-B. Wu等人，2023年；Wu等人，2024年）。这些形态通常用Mohr-Coulomb理论等破坏标准来解释，该理论可以描述剪切带和共轭结构的发展。此外，系统体积和颗粒大小分布也被证明通过改变流动流动性、分离过程和沉积物结构的发展系统地影响滑出行为和表面粗糙度（Duan等人，2023年；Cerbus等人，2024b，Cerbus等人，2024a；Sun和He，2024年）。

在狭窄通道等受限几何形状下，入流动量和侧向约束的作用变得越来越重要。流动流动性通常使用有效摩擦系数或表观摩擦系数来表征（Legros，2002年；Devoli等人，2009年；Lucas等人，2014年；Cagnoli，2021年），通常用Heim比率表示，即落差与最大行进距离的比值。实验研究表明，较陡的坡度通常会增加流动流动性，而较大的初始体积则通过增加内部摩擦来降低流动性（Cagnoli和Romano，2012年；Cagnoli，2021年；Li等人，2021年；Yu和Su，2021年）。颗粒大小、屈服强度和粘度也被证明会影响沉积物的延伸程度和侧向扩散（Jing等人，2018年；Li等人，2021年；Dai等人，2024年）。在双分散和多分散系统中，细颗粒倾向于促进类似粘性的行为，而粗颗粒则主要受惯性动力学支配（Friedmann等人，2006年；Linares-Guerrero等人，2007年；Moro等人，2010年；Yang等人，2015年；Bartali等人，2020年；Hu等人，2020年；Makris等人，2024年）。这些发现强调了几何形状、材料异质性和流变响应在塑造沉积形态中的多尺度相互作用。

尽管取得了这些进展，入流边界条件（特别是流量和流动层厚度）对流动演化和沉积表面形态的动态影响仍不完全清楚。在自然质量流中，入流条件（Sarno等人，2018年）控制能量传递速率，并强烈影响流动状态和沉积状态之间的转变。然而，在侧向约束下形成独特横向棱纹结构的物理机制尚未完全阐明。这种棱纹在泥石流和滑坡沉积物中经常被观察到，通常被解释为内部变形、流动状态和沉积稳定性的变化指标。

为了解决这一知识空白，本研究进行了一系列受控实验，以研究入流条件和初始颗粒体积如何影响倾斜-水平复合表面上的流动动力学和沉积物形态。利用同步的高速成像和PIV技术，我们量化了速度场、滑出行为和棱纹形成过程的演变。在此基础上，我们提出了基于弗劳德数和初始体积的棱纹形成解释，并使用相图总结了观察到的弧形和V形棱纹形态。还研究了颗粒特性和基底摩擦的影响。这些结果共同提供了关于入流动力学和材料特性如何相互作用以塑造颗粒沉积的机制性见解，并为解释颗粒流和滑坡中观察到的含棱纹形态提供了定性框架。

实验装置和材料

实验系统由一个可调节的倾斜水槽连接到一个水平沉积平台组成（图1a）。这种配置允许精确控制重力加速度、流动转变和沉积过程。坡度θ可以在0°到55°之间连续调节，精度为±0.1°，通过液压提升机构进行控制。倾斜通道长度为1.2米，宽度为0.10米，其上端连接到一个颗粒储料仓（

开口高度

本小节中的所有实验都使用了光滑玻璃珠。为了隔离入流条件的影响，初始体积固定为3×10^-3米，而料斗开口高度H和坡度θ进行了变化。这种设计允许在不同入流条件下系统地评估流动动力学和沉积物形态。实验结果表明，开口高度对颗粒流动的动态过程和沉积物形态有显著的调节作用

讨论

实验结果表明，颗粒流沉积物中形成的横向棱纹是流动-沉积相互作用的系统性地貌表现，而不是偶然的表面不规则性。类似的横向棱纹、堤坝状堆积和弧形表面特征在自然泥石流和滑坡沉积物中也有广泛记录（Takahashi，2007年；McCoy等人，2010年；Hungr等人，2014年），但其物理起源往往有不同的解释

结论

快速颗粒流在自然界中普遍存在，其沉积物通常表现出复杂的横向棱纹结构。然而，控制其形成的机制长期以来缺乏定量解释。通过一系列系统的水槽实验，本研究研究了倾斜-水平复合地形上快速颗粒流的动力学和沉积行为，重点关注入流状态、初始体积、颗粒特性和基底条件的耦合影响

作者贡献声明

牛志阳：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源准备，方法论，调查，形式分析。彭志豪：调查，形式分析。王月成：方法论，调查。王登明：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：12272158，11872028）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：12272158和11872028）支持的项目。