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高速攝像機揭示巖石-冰屑雪崩侵蝕非線性規(guī)律

1研究背景

全球氣候變化加劇冰川退縮和永久凍土融化，導致巖石-冰屑雪崩（RIAs）地質(zhì)災(zāi)害事件頻發(fā)。既有研究表明冰含量φ?對RIAs的侵蝕能力具有重要影響，但缺乏定量侵蝕機制，制約了災(zāi)害預(yù)測與地貌演化模型的精度。成都理工大學范宣梅教授團隊，設(shè)計了一種通過溫控可侵蝕水槽裝置實驗系統(tǒng)，結(jié)合高時空分辨率高速攝像技術(shù)，定量解析了冰含量φ?對侵蝕能力影響，為RIASs災(zāi)害預(yù)測與冰川地貌演化模型提供了實驗依據(jù)。

2實驗設(shè)計

實驗設(shè)計了一套溫度可控（-10±1°C）的可調(diào)長度水槽，包含可調(diào)加速段長1-3 m，可侵蝕床段長0.88 m，實驗材料為粒徑4~8 mm的冰粒與石英顆粒混合物，冰含量φ?范圍為0~100%，通過調(diào)節(jié)加速段長度控制流動速度，同時引入不同含水量0%、5%、10%模擬部分融化的自然條件。同時設(shè)計由三臺高速攝像機組成的同步觀測系統(tǒng)（圖1），布設(shè)于槽道不同位置，用于捕捉RIAs流動和侵蝕過程。

圖1

3實驗數(shù)據(jù)

第一臺千眼狼高速攝像機布設(shè)于剛性床與可侵蝕床面交界處上游，以5000幀每秒速度捕捉流動體與基底相對運動，結(jié)合粒子圖像測速PIV技術(shù)，量化流動體在即將開始侵蝕前的基底流速和基底剪切率，作為顆粒慣性應(yīng)力的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。第二臺高速攝像機布設(shè)于剛性床面與可侵蝕床面相互作用的前30 cm初始區(qū)域，以1500幀每秒速度記錄侵蝕發(fā)生瞬態(tài)過程、顆粒與床面物質(zhì)的交換，以及侵蝕剖面的形態(tài)演化。第三臺高速攝像機覆蓋整個可侵蝕床段，監(jiān)測沿側(cè)壁布設(shè)的18個侵蝕柱，用于計算實時侵蝕速率。圖2為高速攝像機捕捉到的侵蝕過程和流動動力學。（a）測試L1–50%（L = 1米，φi = 50%）在不同時間的侵蝕剖面。（b）在L = 2米、t = 1秒時，不同冰含量測試的侵蝕剖面。（c）在φi = 30%、t = 1秒時，不同L測試的侵蝕剖面。

圖2

4實驗發(fā)現(xiàn)

依據(jù)千眼狼高速攝像機捕捉的微米級的顆粒運動細節(jié)，實驗揭示了：

4.1 φ?冰含量0-100%對侵蝕速率的非線性控制，即侵蝕速率隨φ?的增加先增大后減小，在40%~60%到達峰值。

4.2 侵蝕速率受控于流速與密度的競爭效應(yīng)。冰含量增加一方面增強流動體動能，促進侵蝕，另一方面降低密度，削弱流動體的沖擊力，抑制侵蝕。流速與密度的競爭關(guān)系導致了侵蝕速率隨冰含量增加的非線性變化。

4.3 高速攝像機記錄的侵蝕過程顯示含水量5%、10%對侵蝕速率具有調(diào)制效應(yīng)，5%局部濕潤作用因增強顆粒間粘附力抑制侵蝕，10%含水量則因改變流動體與基底的界面應(yīng)力，故增強了侵蝕機制。

5實驗結(jié)論

研究通過結(jié)合溫控水槽實驗與高速攝像技術(shù)，量化揭示冰含量對RIAs侵蝕速率的非線性控制規(guī)律，闡明流動速度與密度的競爭效應(yīng)，高速攝像機在實驗中記錄侵蝕剖面演化、流動體與床面基底相互作用細節(jié)，并通過粒子圖像測速PIV技術(shù)量化了基底流速與剪切率，為計算碰撞應(yīng)力提供關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，同時將觀測到的顆粒碰撞現(xiàn)象與侵蝕速率數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)，解析了主導侵蝕機制。

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