通过实验室规模的实验研究颗粒大小对碎屑流引发河流堵塞的影响

《Landslides》：Effect of particle size on debris avalanche-induced river blockage by laboratory-scale experiments

碎屑流河床阻塞机制及颗粒尺寸效应研究通过27次水槽实验揭示颗粒尺寸对阻塞持续时间、沉积高度和模式的影响规律，提出含颗粒尺寸的无量纲nRBC准则，验证其预测滑坡坝形成的准确率达82%并成功应用于3个实际案例。

　　

摘要

当碎屑流侵入河道时，可能会导致河道堵塞，形成滑坡坝，这种坝体有可能溃决，从而威胁人类生命和基础设施的安全。然而，关于碎屑流引发河道堵塞演变过程的研究仍处于初级阶段，对颗粒大小影响的关注仍然有限。这一知识空白阻碍了对滑坡坝形成的准确早期识别。通过27次水槽实验，我们研究了在不同滑坡流量和河流流速组合下，颗粒大小对河道堵塞持续时间、沉积高度及堵塞模式的影响。根据无量纲颗粒大小参数D（由颗粒直径与河流宽度的比值定义），我们发现了三种河道堵塞模式。随后，我们提出了一种新的无量纲河道堵塞判据（nRBC），该判据结合了颗粒大小的影响，利用逻辑回归方法预测滑坡坝的形成。研究结果表明，碎屑流体积与河道堵塞持续时间和沉积高度之间存在显著的线性正相关关系：对于给定的碎屑流体积，较大的颗粒尺寸会导致更长的堵塞持续时间和更高的沉积高度。侵蚀率则随着碎屑流体积的增加而呈指数衰减；同样在给定体积下，较大的颗粒尺寸会降低侵蚀率。颗粒大小还决定了河道堵塞的模式：当\(D \le 0.02\)时，堵塞模式为完全堵塞；当\(0.03 < D \le 0.05\)时，堵塞模式变为小孔隙渗透性河道下的完全堵塞；而当\(D > 0.08\)时，则表现为大孔隙渗透性河道下的部分堵塞。实验中，nRBC对滑坡坝形成的预测准确率达到82%。将该判据应用于三个实际案例后，其预测结果与观测到的堵塞情况相符，进一步验证了其有效性。本研究为河道堵塞灾害的早期识别、预防和缓解提供了宝贵见解，有助于提升地质灾害评估和风险管理的能力。