冰崩触发型泥石流(DFIs)动力学特性与侵蚀机制：冰含量对流动应力及侵蚀过程的影响

针对高寒地区冰崩触发型泥石流(DFIs)的灾害防控需求，研究人员通过水槽实验系统探究了冰含量对DFIs流动应力、侵蚀机制的影响。研究发现冰含量增加使流动状态从摩擦主导转变为黏性/碰撞主导，揭示了侵蚀速率与床面含水量无关但受渗流控制的特性，提出了基于临界Shields数的侵蚀模型，为DFIs灾害评估提供了力学依据。

　　

在全球变暖加剧高海拔地区冰川退缩的背景下，冰崩触发型泥石流(DFIs)已成为威胁重大工程安全的典型灾害。这类混合了岩石、冰体和水的特殊流体具有体积大、运动距离远、破坏力强等特点，如2021年印度Chamoli事件造成204人遇难，2018年中国色东普事件阻塞雅鲁藏布江。尽管前人通过遥感监测和数值模拟对DFIs的运移特征开展了研究，但其基底应力变化规律和侵蚀机制仍缺乏实验验证，特别是冰含量(通常占20-60%)对流动状态的影响机制尚未阐明。

中国科学院山地灾害与环境研究所的研究团队在《Geomorphology》发表论文，通过4米长水槽实验系统研究了不同冰含量(0-40%)DFIs的动力学特性。研究采用高精度应力传感器和孔隙水压计，结合高速摄像技术，定量分析了流动深度、流速、基底剪切应力(τ_b)等参数，建立了基于弗劳德数(N_Fr)、颗粒碰撞数(N_R)等无量纲参数的流动状态判别体系，并对比了单相与两相侵蚀模型的适用性。

【实验装置与仪器】
研究采用宽度0.3米的水槽模拟天然沟道，通过控制冰颗粒(直径2-5cm)占比调节冰含量。采用微型称重传感器测量基底法向应力(σ)和剪切应力(τ)，孔隙水压计记录渗透压力(u)，高速摄像机捕捉流动前沿特征。实验床面铺设5cm厚饱和砂土模拟侵蚀基底。

【冰含量对流动状态的影响】
随着冰含量从0%增至40%，弗劳德数(N_Fr)维持在2.76-4.49的超临界流动状态，颗粒碰撞数(N_R)和摩擦数(N_fric)分别提升47%和35%，表明冰颗粒通过增加颗粒间碰撞能量转化流动机制。当冰含量>30%时，流动从摩擦主导(Bagnold型)转变为碰撞-黏性混合主导 regime。

【动力学特性】
冰含量每增加10%，平均流速提升12-18%，但对流动深度和孔隙水压影响不显著。基底剪切应力峰值与冰含量呈非线性关系，在20%冰含量时出现拐点，这与Pudasaini提出的相分离理论相符。实验测得最大侵蚀速率达8.7cm/s，验证了冰颗粒通过增强剪切作用促进侵蚀的假设。

【侵蚀机制】
研究发现侵蚀仅影响表层5-10cm土壤颗粒，其饱和过程与DFIs前锋到达时间同步。临界Shields数(θ_cr=0.045)能有效预测侵蚀启动，两相侵蚀模型计算值比实测值高估9-15%，而单相模型误差达30%，证实考虑冰-岩相互作用的必要性。

该研究首次通过实验揭示了DFIs的应力-侵蚀耦合机制，证实冰含量通过改变流动状态(Bagnold向碰撞主导转变)和应力分布(增强剪切但弱化渗透)调控侵蚀过程。提出的临界Shields数判据为DFIs灾害评估提供了量化指标，两相流模型的优化为数值模拟提供了参数依据。未来研究需结合Pudasaini(2024)提出的温度相变模型，进一步探讨冰体融化对长距离运移的影响机制。