《Powder Technology》：Influence of environmental pressure on submarine granular avalanches slope characteristics
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本研究通过旋转鼓实验系统探究了水压力对海底颗粒雪崩流动特性的影响，发现水压增大时雪崩角度逐渐减小，标准差降低，侵蚀效应减弱，为灾害防治提供了新依据。
张爱兵|张亚伟|胡旭翔|戴国伟|毛武伟|黄宇|郑虎
同济大学土木工程学院岩土工程系，中国上海200092
摘要
海底颗粒流雪可能带来灾难性后果，这与独特的水下环境密切相关。然而，关于海底颗粒流雪流动特性的研究很少考虑不同深度水压环境的影响。本文利用能够提供多种水压水平的旋转鼓装置，研究了水压对海底颗粒流雪流动特性的影响。通过分析偶发流雪事件的统计数据，发现随着水压的增加，流雪角度逐渐减小。水压的升高导致坡度时间序列数据的标准差降低，表明环境压力的增加会减弱流雪的振幅。此外，随着水压的升高，周围水对崩塌颗粒流的侵蚀作用也逐渐减弱。本研究为海底颗粒流雪的流动特性提供了新的见解。
引言
与陆地滑坡相比，海底滑坡可以在较缓的坡面上传播极长的距离，携带大量沉积物，并对广阔区域产生显著影响[[1], [2], [3], [4]]。作为全球最严重的海底滑坡之一，Storegga滑坡的滑行距离达到810公里，搬运的沉积物体积在2400至3200立方公里之间，影响面积约为95,000平方公里[[5], [6], [7]]。Canary滑坡是另一例重要的海底滑坡，滑行距离为600公里，滑坡体积达400立方公里，影响面积约40,000平方公里[8,9]。这些海底滑坡可能损坏海底基础设施，包括埋设的管道、生产平台等设施[10,11]，甚至引发灾难性海啸[[12], [13], [14]]。例如，1994年发生在阿拉斯加的海底滑坡导致一名工人死亡，并对Skagway海港造成严重破坏[15]。另一个重要事件是1929年的Grand Banks事件，由海底滑坡引发的海啸导致28人死亡[16]。因此，研究海底滑坡的流动特性对于制定相关的灾害预防和缓解策略至关重要。
海底滑坡的独特流动特性与其特殊的水下环境密切相关[17]。在水下环境中，水压起着关键作用。在稳定条件下，浸没土壤的有效应力不会随水深变化。然而，随着水压的显著增加，水的粘度、密度和压缩性等参数可能会发生微小变化，从而可能影响整个系统的力学性能。尽管这种影响的机制尚不明确，但理解环境压力变化对颗粒流动行为的影响至关重要。旋转鼓作为一种经典的颗粒材料流动特性研究模型系统，已被广泛用于揭示不同流动状态下的动态行为。这些流动状态受旋转速度、填充程度和颗粒特性等因素共同控制，通常分为滑动、涌动、塌陷、滚动、级联、瀑布状和离心等多种模式[19,20]。Mellmann[21]建立了数学模型来预测不同流动状态之间的转换，并使用“床面行为图”描述了壁面摩擦系数和弗劳德数与填充程度之间的关系，以表征各种流动状态的范围和边界。近年来，大量研究集中在旋转鼓中的塌陷行为上[[22], [23], [24]]。然而，环境压力变化对塌陷状态下流动行为的影响尚未得到系统研究。因此，需要进一步探讨水压对海底颗粒流雪流动行为的影响。
本文通过旋转鼓实验系统研究了水压环境对海底颗粒流雪流动过程的影响。值得注意的是，现有研究中很少考虑环境压力的影响。实验中采用了创新的旋转鼓装置，利用水的不可压缩性实现不同的水压水平，并在整个实验过程中保持稳定。通过统计分析方法，定量描述了不同水压水平下流雪行为在时间序列、频域和时间-频域方面的特征。
实验装置和材料
本研究采用了一种创新的实验装置来研究水压如何影响海底颗粒流雪的流动特性（图1）。实验装置由半径为R=15厘米、轴向深度为W=20厘米的圆柱形鼓组成。鼓的后表面和侧面采用不锈钢制成，以增强结构强度。前面板采用透明有机玻璃制成，便于光学观察，并与
流雪统计分析
对不同水压条件下的所有连续流雪事件进行了统计分析，并绘制了流雪角度和流雪周期的概率密度分布图。图4展示了不同水压p下流雪角度和流雪周期的概率密度分布。结果表明，不同水压条件下的流雪角度和流雪周期分布表现出
结论
通过实验室旋转鼓实验探讨了压力环境对海底颗粒流雪流动特性的影响。应用统计分析方法研究了不同水压条件下颗粒流雪的特征参数、频域特征和坡度时间序列信号的时间-频域特征。主要结论如下：
(1)海底颗粒流雪受到
作者贡献声明
张爱兵：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。张亚伟：撰写——审稿与编辑。胡旭翔：研究。戴国伟：方法论。毛武伟：撰写——审稿与编辑。黄宇：撰写——审稿与编辑。郑虎：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：42277156）、上海高校一流学科计划和中央高校基本科研业务费的财政支持。
