陆源颗粒滑坡诱发脉冲波的多粒径非线性特征及其工程应用研究

本研究针对陆源颗粒滑坡(Subaerial granular landslides)诱发脉冲波(Impulse waves)的粒径效应这一关键科学问题，通过二维水槽实验系统探究了5-25mm粒径范围内颗粒滑坡引发的斯托克斯型(Stokes-like)脉冲波生成演化机制。研究发现Heller-Hager模型能较好预测最大波幅，但实验揭示波幅衰减遵循-0.30幂律关系；冲击弗劳德数(Froude number)越高，滑坡动能向波能转化效率越低；Zheng模型可普适性预测不同滑坡类型(块体/颗粒)的非线性弥散行为。该成果为海岸工程灾害防控提供了重要理论支撑。

　　

在海洋与海岸工程领域，陆源滑坡引发的脉冲波如同"水下地震"，其破坏力不容小觑。当山体滑坡以雷霆之势冲入水域时，会在瞬间激发具有强大冲击力的特殊海啸波——这种被称为脉冲波(Impulse waves)的现象，对航道船舶、堤坝等基础设施构成严重威胁。更令人担忧的是，现有研究对滑坡体颗粒粒径这一关键参数的影响机制仍不明确，特别是5-25mm这个工程常见粒径范围的数据严重匮乏。就像拼图缺失了核心板块，科学家们难以完整把握脉冲波的生成演化规律，这直接制约着灾害预警模型的精度。

针对这一科学难题，由云南数字水利工程技术研究中心（国内）领衔的研究团队在《Ocean Engineering》发表重要成果。研究人员创新性地构建了长24.5m的二维水槽实验系统，通过精确控制滑坡体粒径(5/10/15/25mm)和弗劳德数(Froude number)等参数，首次系统揭示了粗颗粒滑坡诱发脉冲波的非线性动力学特征。这项研究不仅填补了工程粒径段的数据空白，更发现了传统理论模型未能捕捉的关键衰减规律。

研究团队采用三大关键技术方法：1）基于高速摄像的滑坡质心追踪技术，精确测定滑体冲击速度v_s0；2）多测点波高同步采集系统，捕捉脉冲波空间演化过程；3）能量转换量化模型，解析动能-波能转化机制。实验设计涵盖4种粒径梯度和系列弗劳德数条件，确保数据覆盖工程常见工况。

【Slide Froude number】部分揭示：滑坡弗劳德数F= v_s0/(gd₀)^0.5是控制波能转化的核心参数。通过图像分析发现，滑体质心位移ξ与时间t呈二次方关系，这为冲击速度计算提供了新方法。数据表明当F>3时，能量转化效率显著降低约22%。

【Discussion】部分阐明：在恒定水深区域，斯托克斯型脉冲波的衰减主要源于非线性效应与频率弥散的失衡。研究发现波幅相对衰减率遵循x^-0.30的幂律关系，比传统模型预测的衰减更快。特别值得注意的是，5-25mm粒径变化对斯托克斯波区特性影响微弱，这一发现修正了细颗粒(<1mm)研究得出的认知。

【Conclusions】部分总结四大创新发现：1）验证了Heller-Hager模型对最大波幅预测的适用性，但修正了波幅衰减指数为-0.30；2）首次证实粗颗粒滑坡的动能-波能转化率η仅依赖弗劳德数F，与粒径无关；3）拓展了Zheng模型对块体/颗粒滑坡非线性弥散行为的普适性预测能力；4）建立了斯托克斯波区粒径效应的定量判据，为工程防护提供新标准。

这项研究的科学价值在于，它像一把钥匙解开了粗颗粒滑坡-波浪耦合作用的"黑箱"。研究揭示的幂律衰减规律和能量转化机制，可直接应用于水库滑坡涌浪预警系统；建立的粒径无关性准则，则简化了工程防护设计参数。正如论文通讯作者Qiang Liu指出，这些发现为"数字水利"工程提供了关键理论支撑，特别对澜沧江等梯级水库群的灾害防控具有重要指导意义。该成果不仅填补了粗颗粒滑坡波理论研究空白，其揭示的普适性规律更将推动国际海岸工程安全标准的修订。