在实验室规模上研究纳尔马达河沙床上湿颗粒流引起的侵蚀作用及泥沙携带的动力学过程

《Powder Technology》：Understanding dynamics of wet granular flow-induced erosion and sediment entrainment on Narmada sand beds at lab scale

本研究通过实验室水槽实验，探究了湿颗粒流在不同坡度（22°、27°、32°）和水含量（20%-50%）下对侵蚀性底床的侵蚀与卷吸机制。采用雾化降雨技术制备均匀的Narmada沙侵蚀底床，结合高速摄像机、孔隙水压传感器等设备，发现卷吸率与水含量呈抛物线关系，高水含量时孔隙水压显著增加，促进底床液化与侵蚀。研究验证了Pudasaini提出的统一侵蚀模型，并指出碰撞应力主导侵蚀过程，而水含量和坡度影响侵蚀深度与范围。Narmada沙与常用Toyoura沙的侵蚀行为相似，表明湿颗粒流动力学受材料相似性影响较小，而更依赖流态参数。

　　在自然地质环境中，湿颗粒流作为一种复杂的多相材料，由颗粒和液体共同组成，是导致滑坡、泥石流等灾害性事件的重要因素。这类流体不仅影响地表形态的变化，还对沉积物的搬运和侵蚀过程产生深远影响。因此，理解湿颗粒流与可侵蚀床之间的相互作用，对于地质灾害的预测和防治具有重要意义。本研究通过实验室的槽道实验，系统地探讨了湿颗粒流在不同床坡角度和水分含量条件下对可侵蚀床的侵蚀与沉积过程的影响。通过采用一种称为“雾雨法”的技术，确保了可侵蚀床的均匀制备，从而为实验提供了可靠的物理条件。实验结果表明，颗粒流的侵蚀行为主要由碰撞应力主导，其强度受到流体前沿速度、床坡角度和水分含量等多方面因素的影响。

研究过程中，首先构建了实验槽道，该槽道由四个直角矩形通道组成，每个通道长度为1米，宽度为0.6米，并连接至一个下游坡度较低的流出区域。为了确保实验的可重复性和数据的准确性，实验槽道的设计考虑了多种因素，包括颗粒流的释放方式、可侵蚀床的制备方法以及监测设备的配置。通过使用高分辨率的高速摄像机、超声波高度传感器、水含量反射仪和孔隙压力传感器，研究人员能够精确地捕捉到颗粒流在不同条件下的流动特征、床面变化以及侵蚀速率等关键参数。这些设备的组合使得实验数据的获取更加全面，从而为后续的分析和建模提供了坚实的基础。

实验中使用的可侵蚀床材料是来自印度的Narmada沙，其颗粒尺寸范围从0.08毫米到2毫米，具有良好的级配性，使得实验过程中能够保持稳定的侵蚀行为。为了进一步验证Narmada沙的物理和化学特性，研究团队还进行了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱分析（EDS）。结果显示，Narmada沙主要由石英（80%）、长石（18%）和磁铁矿（2%）组成，其物理特性与广泛用于侵蚀研究的Toyoura沙非常相似。这表明，使用本地可获得的沙子进行实验，不仅能够有效模拟自然条件，还为未来在不同地理区域的研究提供了可行的替代方案。

实验过程中，研究人员采用了雾雨法（mist pluviation）来制备可侵蚀床，确保了床体的均匀性和可重复性。这种方法通过均匀地喷洒水雾，使得床体的干密度达到1400千克/立方米，从而为实验提供了足够的材料供应，确保了侵蚀过程的充分进行。此外，实验中还使用了铝制洗碗机和螺栓，以量化侵蚀深度和速率。这些洗碗机通过颜色区分，使得研究人员能够直观地识别和计算侵蚀量。通过实验数据的分析，研究人员发现，侵蚀率与可侵蚀床的体积含水量之间存在非线性关系，呈现抛物线趋势。这一发现为理解颗粒流在不同水分条件下对床体的侵蚀行为提供了新的视角。

在实验结果的分析中，研究人员观察到，床坡角度对侵蚀行为具有显著影响。在较高的床坡角度（32°）下，侵蚀主要集中在床体的下游区域，这是因为较大的坡度增加了流体的动量，从而提高了碰撞应力。而在较低的坡度（22°）下，侵蚀则主要发生在床体的中段区域，表明流体在低坡度条件下具有更长的停留时间，导致侵蚀的持续性。此外，水分含量对侵蚀行为的影响也十分显著。当水分含量增加到一定程度（如50%）时，侵蚀率显著上升，且侵蚀区域向床体的中后段扩展。这一现象可能与床体的饱和状态有关，其中较高的水分含量有助于床体的液化，从而降低其抗剪切能力，提高侵蚀的可能性。

研究还探讨了颗粒流与可侵蚀床之间的相互作用，包括流体前沿的速度、床体的孔隙压力变化以及侵蚀和沉积的动态平衡。通过高速摄像机和粒子图像测速（PIV）技术，研究人员能够精确测量流体的速度分布和流动形态。实验结果表明，流体前沿速度是影响侵蚀的关键因素，较高的速度通常会导致更强烈的碰撞应力，从而加剧侵蚀过程。同时，孔隙压力的变化也对侵蚀行为产生了重要影响，尤其是在较高的水分含量条件下，孔隙压力的显著上升可能促进了床体的液化，进而导致更广泛的侵蚀。

此外，研究还强调了实验设计中的一个关键点，即在不同的水分含量条件下，侵蚀和沉积过程存在明显的差异。在较低水分含量（如26%–36%）下，侵蚀主要发生在床体的上游区域，而在较高的水分含量（如38%–50%）下，侵蚀则扩展到整个床体。这种变化可能与床体的饱和度有关，较高的饱和度使得床体更容易被流体带动，从而提高了侵蚀的范围和速率。同时，研究还指出，尽管不同的床坡角度会影响侵蚀的分布和速率，但水分含量的变化对侵蚀行为的影响更为显著。

研究团队在实验过程中还考虑了不同床坡角度和水分含量条件下，颗粒流的运动学特性。例如，在32°的床坡条件下，颗粒流的动量较大，导致更强烈的侵蚀行为；而在22°的床坡条件下，颗粒流的动量相对较小，侵蚀则更为均匀地分布在床体的各个区域。这些发现为理解颗粒流在不同地质条件下的行为提供了重要的数据支持，并有助于改进现有的沉积物运输模型和地质灾害预测方法。

通过实验的深入分析，研究团队还探讨了侵蚀率与体积含水量之间的关系。实验结果显示，侵蚀率与体积含水量之间存在抛物线关系，表明在一定的水分含量范围内，侵蚀率随着含水量的增加而上升，但达到某个峰值后趋于稳定。这种非线性关系反映了颗粒流与可侵蚀床之间复杂的相互作用，其中水分含量不仅影响颗粒的运动，还通过改变床体的物理性质（如孔隙压力和抗剪切能力）间接影响侵蚀过程。

本研究的发现对地质灾害的防治具有重要的实际意义。通过揭示颗粒流与可侵蚀床之间的相互作用机制，研究人员能够更好地理解侵蚀和沉积过程的动态变化，从而为灾害预警和风险评估提供科学依据。此外，研究还强调了实验条件的重要性，特别是在床体制备和水分含量控制方面。由于实验数据的准确性直接影响模型的可靠性，因此需要在实验设计中更加注重这些因素的控制。

在讨论部分，研究团队还指出了一些研究的局限性。例如，尽管本研究采用了多种实验方法，但仍然无法直接测量基质吸力，这可能影响对侵蚀阻力的全面理解。此外，实验中仅考虑了固定材料组成，而未能探讨不同床体材料组成对侵蚀行为的影响。这些局限性为未来的研究提供了方向，即需要进一步优化实验设计，引入更精确的测量手段，并探讨不同材料组成的潜在影响。

总的来说，本研究通过系统的实验设计和详尽的数据分析，揭示了湿颗粒流在不同床坡角度和水分含量条件下的侵蚀和沉积行为。研究结果不仅为理解颗粒流的物理机制提供了新的视角，还为改进现有的沉积物运输模型和地质灾害防治策略提供了重要的数据支持。未来的研究可以进一步探索床体的异质性、流体的流变学特性以及外部因素（如降雨和地震活动）对侵蚀和沉积过程的综合影响，从而更全面地理解颗粒流在自然环境中的行为。