颗粒间摩擦效应对海底滑坡动力学的影响：低长宽比水下颗粒崩塌的LBM-DEM模拟

《Computers and Geotechnics》：Inter-particle friction effects on submarine landslide dynamics: LBM-DEM simulations of low-aspect-ratio submerged granular collapse

海底滑坡动态过程受颗粒摩擦与初始长宽比显著影响，通过LBM-DEM耦合模拟发现摩擦系数增加导致强接触力链垂直分布，减少驱动颗粒流动的数量，同时浮力主导时摩擦影响较小，动量链重构机制解释了长距离运动。

　　

周舒|毕彦东|谭晓琳|郭振|朱崇强|孙进|黄宇

中国科学院山地灾害与环境研究所山地灾害与工程韧性重点实验室，中国成都610299

摘要

为了更好地理解颗粒尺度特性对海底滑坡动态过程的影响，我们采用了一个初始长宽比较低（a ≤ 2）的浸没颗粒柱坍塌模型，结合格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散元方法（DEM）进行了一系列耦合模拟，同时考虑了颗粒间的摩擦作用和初始长宽比的影响。通过分析颗粒的滑动距离、动能演变以及颗粒接触特征，研究了颗粒流的动态特性。结果表明，颗粒间的摩擦作用和长宽比均显著影响了海底滑坡的动态过程。随着颗粒间摩擦力的增加，颗粒的滑动距离呈指数级减小。与干燥系统相比，当颗粒主要受流体粘性阻力作用时，滑动距离较长；然而，当颗粒主要受摩擦应力作用时，干燥和浸没条件下的滑动距离相似。颗粒间摩擦力的影响机制在于：随着摩擦力的增加，系统中强力链的方向趋于垂直集中，导致驱动颗粒流动的强力链数量减少。此外，当归一化滑动距离增加时，密度弗劳德数（densimetric Froude number）也呈指数级增长，这可以为海底滑坡的长滑动距离提供合理的解释。总体而言，我们的研究结果对于海底滑坡灾害的缓解具有重要的意义，并有助于理解两相颗粒流的复杂动态过程。

引言

海底滑坡是常见的一种地质灾害，通常发生在大陆坡边缘（Hampton等人，1996年；Masson等人，2006年；Tappin等人，2014年；Yincan等人，2017年）。它们可能由地震、海浪和/或海流触发，并沿坡面滑动（Locat和Lee，2002年；Talling等人，2007年；Mosher等人，2010年；Vanneste等人，2013年）。由于海底滑坡体积巨大且流速极高（Schnyder等人，2016年；Karstens等人，2023年），它们往往会造成严重的灾害后果，对沿海社区和海上基础设施（如通信电缆、石油管道和海上钻井平台）构成威胁（Hsu等人，2008年；Guo等人，2019年）。因此，关于海底滑坡的研究在海洋地质学和海岸工程领域非常活跃。

与陆地滑坡不同，海底滑坡的一个独特特征是其极高的移动性，即使在1-2°的缓坡上也是如此。例如，世界上最大的Storegga海底滑坡滑动距离超过了400公里（Elverhoi等人，2010年；Urlaub等人，2015年；Karstens等人，2023年）。对南海白云滑坡的研究表明，其在平均坡度为0.65°的情况下滑动距离超过了250公里（Ren等人，2019年；Li等人，2019年）。其他研究也观察到了类似的海底滑坡的高移动性（Ilstad等人，2004a；Stevenson等人，2018年；Deng等人，2018年；Schulten等人，2019年）。这种极高的移动性机制一直受到科学界的关注。最近通过大型水槽实验的研究表明，海底滑坡的高移动性与水滑效应（hydroplaning effect）有关（Mohrig等人，1998年，1999年；Ilstad等人，2004a；Sawyer等人，2012年；Du等人，2022年）。在海底滑坡的动态过程中，滑动产生的动压会导致流动前沿上升，在流动前沿下方形成一层水膜（Mohrig和Marr，2003年；De Blasio等人，2004年；Ilstad等人，2004b）。这一过程润滑了流动前沿的底部，减少了床面的剪切应力，从而提高了海底滑坡的移动性（Mohrig等人，1999年）。海底滑坡产生的动压以及流动前沿保持形状的能力被认为是控制水滑效应的关键因素（Marr等人，2001年；Mohrig和Marr，2003年；Ilstad等人，2004b）。

大型水槽实验的结果极大地丰富了我们对海底滑坡高移动性的理解。然而，这些研究主要是宏观层面的。颗粒尺度研究能够提供更详细和定量的描述，从而有助于我们理解海底滑坡高移动性的机制（Jing等人，2018年；Sun等人，2021年）。因此，一些研究将海底滑坡的运动简化为浸没颗粒柱的坍塌过程，从而在颗粒尺度上解释了其极高的移动性（Rondon等人，2011年；Bougouin和Lacaze，2018年；Yang等人，2020年；Lacaze等人，2021年）。Rondon等人（2011年）通过测量超额孔隙压力揭示了初始堆积状态对海底滑坡的影响。他们发现，松散堆积会导致颗粒柱内部产生正孔隙压力，形成薄而长的沉积模式；而在紧密堆积的情况下，则观察到负孔隙压力和较短的滑动距离。这一结果表明，膨胀和收缩行为显著影响了海底滑坡的动态过程。Yang等人（2020年）通过使用LBM和DEM耦合模拟补充了Rondon等人（2011年）的实验。他们进一步发现，紧密堆积系统中的强接触力网络会导致蠕动破坏行为，而快速灾难性破坏则归因于松散堆积产生的正超额孔隙压力引起的液化。基于计算流体动力学和DEM耦合模拟，Jing等人（2018年）发现水中的涡流可以携带大量的流体惯性，显著改变沉积形态。通过不同斯托克斯数（Stokes number）下的坍塌实验，研究了周围水对海底滑坡过程的影响。研究发现，随着斯托克斯数的减小，颗粒运动逐渐从以滑动为主转变为以悬浮为主（Jing等人，2019年；Lacaze等人，2021年；Sun等人，2020年；Sun等人，2021年）。其他研究还探讨了坡度（Kumar等人，2017年）、孔隙水的非牛顿流行为（Bougouin等人，2017年）、沉积物浓度和床形（Lu等人，2024年）以及颗粒内聚力（Zhu等人，2022年）对海底滑坡移动性的影响。

尽管上述研究提高了我们对海底滑坡颗粒尺度动态过程的理解，但现场调查显示，沉积物由不同大小、形状和矿物成分的颗粒组成，导致颗粒特性复杂（Blott和Pye，2008年；Li等人，2016年；Seiphoori等人，2021年）。这些复杂的特性增加了海底滑坡中颗粒的粗糙度，主要表现为颗粒间摩擦力的变化（Vo和Nguyen-Thoi，2020年）。尽管已经研究了颗粒间摩擦力对干燥颗粒流和悬浮液流变性的影响（Lootens等人，2005年；Moon等人，2015年；Sivadasan等人，2019年），但颗粒间摩擦力对海底滑坡动力学的影响尚未得到充分研究。

为了填补这一科学空白，本文使用浸没颗粒柱坍塌模型研究了颗粒间摩擦力（以下简称“颗粒摩擦”）对海底滑坡颗粒尺度动态过程的影响。本文的其余部分安排如下：第2节描述了LBM-DEM耦合方法的基本理论、相应的验证和模型配置；第3节分析了滑动距离、能量演变和颗粒接触特征的模拟结果；第4节使用无量纲数分析了流动区域和水滑效应；第5节基于研究结果讨论了几个关键点；第6节总结了部分重要发现。

数值方法

模拟浸没颗粒坍塌的流体动力学采用LBM方法解决，而颗粒运动则用DEM方法描述。LBM-DEM的耦合通过在LBM中添加碰撞项，在DEM中添加力和扭矩项来实现。

数值结果

以下分析的目的是展示长宽比和颗粒摩擦系数对颗粒坍塌动态特性的影响，并进一步深入理解海底滑坡的机制。本研究获得的一些关键参数总结在表2中。

水滑效应和流动状态

如前一节的结果所示，由于不同的a和μ_p，浸没颗粒坍塌的动态过程存在差异，从而导致多种不同的流动行为。在后处理部分，定义了四个无量纲数（Fr_d、N_B、N_S和N_F）来量化这些不同的流动行为。在本节中，我们分析这些无量纲数以探讨颗粒摩擦对海底滑坡动态过程的影响机制。

滑动距离的标度

在分析密度弗劳德数Fr_d时，发现浸没颗粒坍塌的归一化滑动距离L_f*与Fr_d之间存在内在相关性。我们对Fr_d和L_f*Fr_d和L_f*Fr_d从0.1到0.8的范围内，Fr_d和L_f*

结论

本研究通过一系列LBM-DEM模拟，提供了颗粒摩擦在海底滑坡起始和动态过程中关键作用的微观机制见解。基于对流动行为、滑动距离和微观接触的分析，详细比较和讨论了颗粒摩擦和长宽比的影响。主要发现总结如下：

颗粒摩擦可以显著影响海底滑坡的动态过程

作者贡献声明

周舒：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究设计，资金获取，形式分析，数据管理，概念构建。毕彦东：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论，形式分析，概念构建。谭晓琳：撰写 – 审稿与编辑，研究设计，形式分析。郭振：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。朱崇强：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的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（项目编号：42120104008和42507271）的财政支持。