鄧檢良， 柳 青， 朱昱琛， 李花山， 徐永福

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

研究簡報(bào)

基于旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的水下與陸上泥石流對比研究?

鄧檢良， 柳 青， 朱昱琛， 李花山， 徐永福

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

使用最近研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽制作穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)的水下泥石流和陸上泥石流，通過實(shí)測泥石流的流動(dòng)形態(tài)、阻力坡降和流動(dòng)速度，對比研究水下泥石流與陸上泥石流的運(yùn)動(dòng)特性。本研究表明，在陸上泥石流的基礎(chǔ)上直接通過增加水量的方法，在特定條件下可以得到水下泥石流。在旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，水下泥石流與陸上泥石流具有某些相似的運(yùn)動(dòng)特性，例如在水下泥石流中同樣可以觀測到粗顆粒聚集現(xiàn)象。同時(shí)證實(shí)了水下泥石流與陸上泥石流兩者都具有速率效應(yīng)。

水下泥石流； 陸上泥石流； 阻力坡降； 流動(dòng)速率；旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)

水下泥石流與陸上泥石流是兩類不同性質(zhì)的泥石流。陸上泥石流是傳統(tǒng)的工程地質(zhì)災(zāi)害之一，研究成果豐富[1-6]。水下泥石流伴隨著中國海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，尤其是海底油氣資源的開發(fā)，引起了廣泛的關(guān)注，但水下泥石流(包括濁流)的試驗(yàn)實(shí)施比較困難，研究成果較少。采用同一種土樣在不同的介質(zhì)(空氣或水體)中，分別制作陸上泥石流和水下泥石流，并將試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果直接對比，或許是水下泥石流實(shí)驗(yàn)研究的一種有效研究方案[7]。

在有關(guān)陸上泥石流運(yùn)動(dòng)的諸多問題中，運(yùn)動(dòng)阻力是泥石流運(yùn)動(dòng)研究中最主要的問題之一，理論計(jì)算方法尚無定論。由于泥石流由固液兩相以及少量的氣相組成，不同泥石流在體積比濃度、固相的流動(dòng)速度、顆粒級配等方面的差異，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)阻力坡降差異很大，在文獻(xiàn)調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)對這些影響因素的系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究。

水下泥石流的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有陸上泥石流研究成熟，甚至有關(guān)水下泥石流的劃分方法和專業(yè)術(shù)語選定上，還存在不少的爭論。根據(jù)對水下泥石流的觀測(見圖1)，水下泥石流包括兩個(gè)部分，一部分是密集流(dense flow)，另一部分是懸浮流(suspension flow)。Breien等[7]在水槽實(shí)驗(yàn)中，已觀測到這兩種不同形態(tài)的流體。在評估阻力坡降方面，多采用到達(dá)角β[7](見圖2)。

圖1 水下泥石流中的密集流和懸浮流Fig.1 Dense flow and suspension flow in subaqueous debris flow

圖2 到達(dá)角(β)的定義Fig. 2 Definition of reach angle(β)

研究表明，野外觀測的β值與泥石流體積相關(guān)[9]：體積越大，β值越??；體積巨大的水下泥石流，β值可接近0.1°。

旋轉(zhuǎn)水槽作為底面微彎的傳統(tǒng)水槽繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)裝置[10]，由物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)[11]演變而來。早先被當(dāng)做流變儀的替代設(shè)備，測定泥石流的流變參數(shù)[12]。在2015年，旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中觀測到了清晰的固液兩相分離現(xiàn)象和固體顆粒不均勻分布現(xiàn)象[13]。由于這兩個(gè)現(xiàn)象符合野外泥石流運(yùn)動(dòng)的特征[1, 10]，并且旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中固液兩相可以形成穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)，因此Leonardi等[13]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)是一種可供選擇的泥石流物理模擬手段。此外，以往旋轉(zhuǎn)水槽實(shí)驗(yàn)表明[14]，泥石流的β值可以實(shí)測。

本研究使用旋轉(zhuǎn)水槽[14]制作穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)的水下泥石流和陸上泥石流，通過實(shí)測泥石流的流動(dòng)形態(tài)、阻力坡降和流動(dòng)速度，對比研究水下泥石流與陸上泥石流的運(yùn)動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與土樣

本項(xiàng)目采用的旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)設(shè)備(見圖3)包括三部分組成：旋轉(zhuǎn)水槽、動(dòng)力與傳動(dòng)裝置和攝影系統(tǒng)。其中旋轉(zhuǎn)水槽的直徑(內(nèi)徑)29cm，槽寬3cm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。動(dòng)力由電機(jī)提供，由計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攝影系統(tǒng)采用最快每秒50幀的攝像速度。旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)通過控制水槽底部的線速度v制作泥石流。

圖3 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)設(shè)備組成簡圖Fig. 3 The apparatus in rotating flume test

參考野外泥石流溝(四川省汶川縣七盤溝)溝口表層的顆粒級配[14]，制作了三組土樣(見圖4)。第一組試驗(yàn)土樣，由石英粉和灰色礫石組成，總重95.34g。第二組試驗(yàn)土樣，由石英粉、藍(lán)色砂(粒徑0.154～0.355 mm)、綠色砂(粒徑0.6～1.25 mm)、橙色礫石(粒徑2～5 mm)和灰色礫石(粒徑5～10 mm)組成，總重81.53 g。第三組試驗(yàn)土樣，由石英粉、藍(lán)色砂，綠色砂，橙色礫石、灰色礫石和高嶺土組成，總重100 g。采用不同顏色顆粒的原因是為了便于觀測粗顆粒聚集現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)的用水情況如下：(1)為制作陸上泥石流，在水槽中加入35 mL蒸餾水?？紤]到每組實(shí)驗(yàn)中的土體質(zhì)量均不小于80 g，根據(jù)費(fèi)祥俊等[1]，此時(shí)的泥石流屬于黏性泥石流。(2)完成第一輪觀測之后，再加入100 mL蒸餾水，完成第二輪觀測之后，再加入100 mL蒸餾水，如此循環(huán)。直到觀測到明顯的水下泥石流現(xiàn)象。本項(xiàng)目中的水下泥石流是指具有明顯的密度流，且密度流的主體部分與水面距離較大(例如一倍密集流厚度)的泥石流。

圖4 三組試驗(yàn)中的土樣級配曲線Fig. 4 Particle distribution of samples in three group experiments

1.2 阻力坡降測量方法

旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，無論是陸上泥石流還是水下泥石流，都會在一定區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動(dòng)(見圖5)，可以實(shí)測此時(shí)的阻力坡降。

對于陸上泥石流，若固液分離現(xiàn)象非常顯著，則采用圖5a所示的圓心角作為粗顆粒所對應(yīng)的圓心角θg，計(jì)算對應(yīng)的坡降Jg。即：

Jg= tanθg。

(1)

為量化固液兩相的平均坡降，采用圖5b所示連接泥石流首位兩端的割線對應(yīng)的圓心角θm作為固液兩相平均的阻力坡降Jm，即：

Jm= tanθm。

(2)

在固液兩相分離不明顯的情況下，Jg≈Jm。

對于水下泥石流，沒有固液分離問題，以圖5c中連接密集流首位兩端的的割線對應(yīng)的圓心角θ確定坡降J，即：

J= tanθ。

(3)

圖5的測量方法中，不可避免存在一定的誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果存在一定的離散性，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)需要對此加以考慮。

圖5 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)實(shí)測阻力坡降示意圖Fig. 5 Measurement of friction slope in rotating flume test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

制作了穩(wěn)定循環(huán)的陸上泥石流和水下泥石流(見圖6)。陸上泥石流穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)現(xiàn)象與以往研究[13-14]觀測到的現(xiàn)象一致，但本項(xiàng)目預(yù)研試驗(yàn)中使用的是人工配制土樣，更便于觀測粗顆粒運(yùn)動(dòng)形態(tài)。水下泥石流循環(huán)流動(dòng)試驗(yàn)中使用了粒徑較大的礫石，便于觀測密集流中的顆粒運(yùn)動(dòng)。

圖6中的陸上泥石流和水下泥石流的差異僅僅是水槽中的水量和水槽的旋轉(zhuǎn)速率不同。這表明，旋轉(zhuǎn)水槽實(shí)驗(yàn)裝置可以用來制作陸上泥石流和水下泥石流，而且在特定條件下兩種泥石流可以相互轉(zhuǎn)化。

圖6 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)觀測到的陸上泥石流和水下泥石流Fig. 6 Subaqueous and subaerial debris flows in rotating flume test

圖7 “龍頭”、顆粒分級和顆粒彈跳Fig. 7 Head of flow, particle grading and particle jumping

觀測到水下泥石流中懸浮流與清水分層現(xiàn)象。在圖6(b)中，懸浮流與清水之間有一個(gè)界面(紅色虛線所示)，界面以上部分的水體較清，界面以小部分的水體較濁。水下泥石流中濁流與清水分層現(xiàn)象在野外觀察和傳統(tǒng)的水槽實(shí)驗(yàn)中都有報(bào)道[7]，然而在旋轉(zhuǎn)水槽中還沒有相關(guān)報(bào)道。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對進(jìn)一步研究濁流的運(yùn)動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)方法。

觀測到水下泥石流中密集流的“龍頭”、顆粒分級和顆粒彈跳現(xiàn)象。如圖7所示，在第二組試驗(yàn)中，水量435 mL、速率0.56 m/s的條件下，粗顆粒(黑色顆粒)集中在龍頭處(圖7中紅色點(diǎn)線)；次粗顆粒(桔色)位于龍頭與龍身的過渡區(qū)；較細(xì)顆粒(綠色和藍(lán)色)出現(xiàn)在龍身；細(xì)顆粒(白色)在龍尾和濁流中。“龍頭”和顆粒彈跳現(xiàn)象在陸上泥石流中觀測到的結(jié)果一致[15]，但在水下泥石流實(shí)驗(yàn)研究中未見報(bào)道。密集流的顆粒分級實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還未見相關(guān)報(bào)道。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對進(jìn)一步研究密集流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了實(shí)驗(yàn)方法。

觀測到陸上泥石流的固液相分離現(xiàn)象(見圖5(a)、(b))。此現(xiàn)象與野外觀測結(jié)果一致[10]；與Leonardi等[13]和鄧檢良等[9]實(shí)驗(yàn)觀測到的現(xiàn)象一致；驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)水槽實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

觀測到陸上泥石流和水下泥石流的剪切率效應(yīng)。圖8為三組試驗(yàn)中的速率比(v/v0)與阻力坡降的關(guān)系，其中v0是根據(jù)各組試驗(yàn)最低阻力坡降對應(yīng)的速率分別選定的參考值。

圖8表明，對于陸上泥石流的(v/v0)-Jg關(guān)系，在(v/v0) >1的情況下，礫石顆粒處于固液兩相流的中部或前部，即礫石顆粒可隨兩相流一起運(yùn)動(dòng)，固液兩相分離不嚴(yán)重，此時(shí)Jg與Jm大致相等，且Jg隨log (v/v0)的增加大致成線性上升，即阻力坡降隨泥石流速率的增加而增加，證明阻力坡降具有顯著的速率效應(yīng)。這與以往研究是一致的。在(v/v0)<1的情況下，礫石顆粒處于固液兩相流的后部或已經(jīng)脫離固液兩相流，此時(shí)的Jg只能用來評價(jià)礫石本身與槽底的摩擦阻力。測得的Jg隨log (v/v0)的增加大致成線性減小。

在圖8中，對于水下泥石流，無論水體的體積如何，都能觀測到(v/v0)-Jg關(guān)系中在(v/v0)較小的情況下，J隨log (v/v0)的增加大致成線性下降；對于某個(gè)特定的(v/v0)值，J隨有極小值；在(v/v0)較大的情況下，J隨log (v/v0)的增加大致成線性上升。水下(v/v0)-Jg的這種非線性關(guān)系與陸上泥石流的情況類似。其原因尚待進(jìn)一步研究。

在圖8中，由于測量上的誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)具有一定的離散性，但是總體趨勢是比較明確的。目前的旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的局限性在于，本實(shí)驗(yàn)研究尚處于起步階段，試驗(yàn)成果需要進(jìn)一步與相應(yīng)的傳統(tǒng)水槽和大型溝道試驗(yàn)成果以及野外觀測結(jié)果比較。實(shí)測的水下泥石流J值對應(yīng)的β值遠(yuǎn)高于野外可觀察到的0.1°。另外，本實(shí)驗(yàn)中對于土壓、水壓均未測定，不利于進(jìn)一步的定量分析。以上研究僅限于實(shí)驗(yàn)研究，有關(guān)機(jī)理解釋還需要更多的理論研究。

圖8 三組試驗(yàn)中觀測到的速率效應(yīng)Fig. 8 Rate effect on the friction slope in three groups of tests

3 結(jié)論

本研究使用自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽制作陸上泥石流和水下泥石流，對比研究兩種泥石流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及阻力坡降與流動(dòng)速度的關(guān)系。本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究成果為陸上泥石流和水下泥石流制作提供新途徑。通過本課題的試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：

(1)在旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，可以通過控制線速度v制作穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動(dòng)的陸上泥石流和水下泥石流。

(2)觀測到水下泥石流中濁流與清水分層現(xiàn)象、密集流的“龍頭”、顆粒分級和顆粒彈跳現(xiàn)象；觀測到陸上泥石流的固液相分離現(xiàn)象。

(3)觀測到陸上泥石流和水下泥石流的剪切率效應(yīng)。無論是陸上泥石流還是水下泥石流,當(dāng)流動(dòng)速率低于某個(gè)值時(shí),阻力坡降隨流動(dòng)速率的增加而減??；當(dāng)流動(dòng)速率高于該值時(shí)，阻力坡降隨流動(dòng)速率的增加而增加。

本研究觀測到的陸上泥石流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象印證了以往的實(shí)驗(yàn)研究，但是水下泥石流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還有待進(jìn)一步證實(shí)。另外，兩種泥石流的機(jī)理解釋還需要更多的理論研究。

[1] 費(fèi)祥俊, 舒安平. 泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2004. Fei Xiang-Jun. Shu An-Ping. Movement Mechanism and Disaster Control for Debris Flow[M]. Beijing： Tsinghua Press, 2004.

[2] Bagnold R A. Experiments on a gravity-free dispersion of large solid spheres in a Newtonian fluid under shear. Royal Society of London, Proceedings Series A[J]. Geoarabia Journal of the Middle East Petroleum Geosciences， 2010，225： 49-63.

[3] Takahashi T. Debris flow: mechanics, prediction and Countermeasures[M]. [s.1.]. Taylor & Francis, 2007.

[4] Iverson R M. The physics of debris flows[J]. Reviews of Geophysics, 1997, 35(3): 245-296.

[5] Pitman E B, Le L. A two-fluid model for avalanche and debris flows[J]. Philosophical Transactions, 2005, 363(1832): 1573.

[6] 王沁, 姚令侃, 何平, 等. 泥石流入?yún)R主河的格子Boltzmann模擬[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2005, 14(3): 29-33. Wang Qin, Yao Ling-Kan, He Ping, et al. Lattice Boltzmann simulation of debris flow in going primary river. Journal of Natural Disasters. 2005, 14(3): 29-33. (in Chinese)

[7] Breien H, Pagliardi M, De Blasio F V, et al. Experimental Studies Of Subaqueous Vs. Subaerial Debris Flows-Velocity Characteristics As A function Of The Ambient Fluid[M]. [s.1.]: springer, 2007: 101-110.

[8] Lykousis V et al.(Eds.). Submarine mass movements and their consequences, springer, Berlin, Germany[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2002, 39(1): 193-212.

[9] De Blasio Fv E A E L. Understanding the high mobility of subaqueous debris flows[J]. Norwegian Journal of Geology, 2006, 86: 275-284.

[10] 王兆印, 崔鵬, 余斌. 泥石流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和減阻[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2001, 10(3): 37-43. Wang Zhao-Yin, Cui Peng, Yu Bin. The mechanism of debris flow and drag reuction[J]. Journal of Natural Disasters, 2001, 10(3): 37-43.

[11] Chou S H, Hsiau S S. Dynamic properties of immersed granular matter in different flow regimes in a rotating drum[J]. Powder Technology, 2012, 226(8): 99-106.

[12] Kaitna R, Rickenmann D, Schatzmann M. Experimental study on rheologic behaviour of debris flow material[J]. Acta Geotechnica, 2007, 2(2): 71-85.

[13] Leonardi A, Cabrera M, Wittel F K, et al. Granular-front formation in free-surface flow of concentrated suspensions. [J]. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2015, 92(5-1): 52204.

[14] 鄧檢良, 余斌, 沈水龍. 基于旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的泥石流阻力坡降速率效應(yīng)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2016, 24(5): 976-980. Deng Jian-Liang, Yu Bin, Shen Shui-Long. Effects of flow rate on the friction slope of debris flow by rotating flume tests[J]. Journal of Engineering Geology, 2016, 24(5): 976-980.

[15] Savage S B. Gravity flow of cohesionless granular materials in chutes and channels [J]. Journal of Fluid Mechanics， 1979: 92, 53-96.

Abstract: Using the rotating flume experiment apparatus, the authors produced subaqueous and subaerial debris flows. The motion characteristics of subaqueous and subaerial debris flows are compared on the flow pattern, the friction slope and the flow velocity. The results show subaqueous debris flows can be obtained directly by adding water intosubaerial debris flow Under the specific conditions. In the rotating flume experiment, the subaqueous debris flow has some similar motion characteristics as the subaerial debris flow. For example, coarse particle aggregation can also be observed in subaqueous debris flow. It was confirmed that the friction slope is affected by the flow rate in both subaqueous and subaerial debris flows.

Key words: subaqueous debris flow; subaerial debris flow; friction slope; flow rate; rotating flume test

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Subaqueous vs. Subaerial Debris Flows in Rotating Flume Experiment

DENG Jian-Liang, LIU Qing, ZHU Yu-Chen, LI Hua-Shan, XU Yong-Fu

( School of Naval Architecture, Ocean, and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

P642.3

A

1672-5174(2017)10-099-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20160461

鄧檢良，柳青，朱昱琛，等.基于旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的水下與陸上泥石流對比研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(10): 99-103.

DENG Jian-Liang, LIU Qing, ZHU Yu-Chen, et al.Subaqueous vs. subaerial debris flows in rotating flume experiment[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 99-103.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41630633); 國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0401908)資助 Supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (41630633)；National Key R & D Plan(2016YFC0401908)

2017-05-03；

2017-07-03

鄧檢良(1976- )，男，講師，主要從事土構(gòu)造物長期性能和工程地質(zhì)防災(zāi)減災(zāi)方面的教學(xué)和科研。E-mail：dengjianliang@sjtu.edu.cn