上游泥沙侵蚀对泥石流沉积特征的控制机制研究

本文通过系列实验揭示了上游泥沙侵蚀对泥石流（Debris Flow）沉积特征的控制机制。研究发现泥石流在缓坡扩散区沉积时会形成粗颗粒侧向堤坝（Levee）和前端舌状体（Lobe）以及细颗粒通道化内部结构，这种分选特征受基底孔隙水压力（Pore-fluid Pressure）和颗粒碰撞（Grain Collision）作用的显著影响。研究建立了基于推力（Thrust Force）与摩擦阻力（Friction Force）平衡的沉积形态判别模型，为泥石流灾害范围预测和风险评估提供了重要理论依据。该成果对地质灾害防治和地球物理流（Geophysical Flows）研究具有重要指导价值。

　　

实验设计与方法

研究采用长4.0米、宽0.30米的斜槽实验装置，在27°倾斜槽道和12°倾斜面板上开展31组泥石流实验。初始泥石流体积为0.055立方米，覆盖从x=0.9-3.6米的床沙区域。实验通过改变床沙初始体积含水量θ（0-25%）和两种释放流体组成（沙砾混合物SG和泥沙砾混合物MSG），系统分析侵蚀和沉积过程。使用高速摄像机（200Hz）和PIV技术捕捉流速场，通过三维激光扫描仪（精度1.2mm）获取沉积形态参数，包括运移距离L_r、沉积宽度W_l、淹没面积S和沉积体积V_d。

床沙颗粒组成基于西北阿尔卑斯山1,728处泥石流沉积物数据，分为细颗粒（F）、均匀级配（U）和粗颗粒（C）三种类型。SG混合物包含40%沙和54%砾石，MSG混合物则包含12%泥、37%沙和51%砾石。通过直剪试验测定床沙摩擦角φ，采用同心圆筒粘度计测定浆体粘度（SG为0.003Pa·s，MSG为0.012Pa·s）。

侵蚀过程动力学特征

实验观察到泥石流头部发展陡峭且紊动强烈，后续流体会以更高速度推动前进。在细颗粒床沙上，侵蚀深度仅数毫米，界面处泥沙速度v_b量级为10^-2m/s；而在粗颗粒床沙上，侵蚀深度可达数厘米，v_b高达10^-1m/s。平均侵蚀率E介于10^-3-10^-2m/s之间，且随床沙含水量增加而增大。

通过萨维奇数N_S=ρ_gd_s²γ²/[(ρ_g-ρ_s)ghtanφ]和巴格诺数N_B=C_vρ_gγd_s²/[(1-C_v)η]分析表明，MSG流在细颗粒和均匀级配床沙上呈现碰撞主导 regime，而SG流在所有条件下均表现为摩擦主导 regime。MSG流由于浆体粘度高、扩散性低，基底孔隙水压力可达总正应力的0.9，显著降低了基底摩擦阻力。

颗粒分选过程显示，粗颗粒在流动过程中向表面偏析，形成逆向级配。流头部位粗颗粒以约5cm/s速度向上偏析，由于缺乏浆体填充，密度差异导致分选趋势更强。流体内部分选距离显著大于流头部位，这是由于较高的纵向速度和更长的分选时间所致。

沉积形态特征

泥石流在无约束面板上扩散、减速并溯源沉积。粗颗粒在凸出的流头部位被推挤形成侧向堤坝，最终沉积为粗颗粒鼻状体或指状体。指状沉积在流头分裂成多个相邻的渠道化流动时形成，后续细颗粒、更稀释的尾部流会覆盖初始沉积物。

沉积体内部砾石稀疏，边缘堤坝和前缘舌状体主要由碎屑支撑、分选良好的砾石组成。MSG流沉积体核心部位粗颗粒分布较少，堤坝宽度也小于SG流。通过ImageJ软件分析显示，堤坝上伸长砾石长轴主要与流向呈45°夹角，表明堤坝是通过推挤增量 accretion 形成；而前缘舌状体约10%砾石呈顺流向排列，这些砾石直接从后续流体中脱离沉积。

形态参数定量关系

运移距离L_r介于2.7-4.5米之间，随床沙含水量增加而增大。SG流的运移距离显著小于MSG流，这是由于后者具有更高的孔隙水压力和液化比率。沉积宽度W_l在不同床沙组成间无显著差异，但SG流的宽度和面积均小于MSG流。在相同含水量条件下，细颗粒和均匀级配床沙上的淹没面积大于粗颗粒床沙。

所有实验数据显示淹没面积S与沉积体积V_d存在幂律关系：S=30V_d^2/3（r²=0.7），表明泥石流沉积形态具有自相似特征。SG流在细颗粒床沙上以及MSG流在均匀级配床沙上的数据点位于拟合线上方，说明这些流动在沉积过程中强度较低，沉积形态更为扁平。

沉积形态判别模型

研究建立了基于力平衡机制的沉积形态判别模型。泥石流沉积过程简化为高速渠道流推动粗颗粒流头的运动系统。流头承受渠道流推力F_t=0.5ρ_f(v_i-v_f)²S_i、下坡重力F_g=C_vρ_ggh_fsinαS_f和摩擦阻力F_f=tanφC_vρ_ggh_fcosαS_f的综合作用。

通过无量纲参数λ=0.25βR²ρ_f(v_i-v_f)²+βRW_f(C_vρ_ggh_fsinα-tanφC_vρ_ggh_f)判别沉积形态：当λ<0时形成单一鼻状体；λ>0时则分裂为多个指状体。该模型表明，在较陡的冲积扇上，流头半径R和沟道坡度α越大，形成指状沉积的趋势越高。

以SG-C05和MSG-U05实验为例验证模型：前者λ<0形成鼻状体，后者λ>0形成指状体，与实验观察完全一致。指状沉积的单个指状体半径小于初始流头半径，推力减小从而实现新的力平衡，这解释了为什么指状体不会进一步分裂为更小的指状体。

讨论与启示

实验观察到鼻状体和指状体两种沉积形态，与圣海伦斯山雪融型泥石流和中国信发莫拉克台风引发的泥石流野外观察一致。MSG流在细颗粒和均匀级配床沙上形成指状沉积，因其流速高、推力足以克服粗颗粒流头的摩擦阻力；而在粗颗粒床沙上，由于大量砾石掺入流头，仍形成鼻状沉积。所有SG流均形成鼻状沉积，因其流速和推力相对较低。

指状沉积形态也可能由多次流动涌浪或滚波造成。首次涌浪沉积形成鼻状体，后续涌浪若深度和流动性足够越堤，则会在原鼻状体旁形成新的指状体，最终呈现多指状沉积形态。

该判别模型同样适用于其他颗粒流，如Kokelaar等开展的干颗粒分选实验。随着细颗粒含量增加，干颗粒流沉积形态从鼻状向指状转变，这是因为粗砂量减少降低了流头摩擦阻力，而小球的推力足以分裂流头。该模型还可应用于密集火山碎屑密度流（PDCs），其沉积结构同样具有侧向堤坝和陡峭前缘特征。

通过皮尔逊相关性分析发现，床沙含水量与运移距离L_r和淹没面积S呈正相关；床沙摩擦角则与L_r和S呈负相关，且显著性高于含水量因素。流速与L_r和S的相关性最为明显。萨维奇数N_s与L_r和S的相关性最强（|r|>0.82），表明泥石流的势能更多通过颗粒碰撞应力消耗，而非基底摩擦应力。随着N_s增加，颗粒分选增强，更多砾石沉积在侧向堤坝，更多细颗粒集中于高速流动的内部，导致渗透性和摩擦角降低，孔隙水压力持续，减少摩擦能量损失，从而提高流动性和运移距离。

将实验数据与其他实验室测试和自然泥石流数据对比，发现流动性参数L_t/H的变化范围（3-4倍）与其他测试数据（1-20）一致。自然泥石流的流动性与沉积体积呈正相关，可能源于体积效应导致的低基底摩擦系数、高浆体密度或泥沙侵蚀作用。沉积面积与沉积体积的幂律关系S=ζV_d^2/3中，本实验和De Haas、Baselt等研究的ζ=20-30，而火山泥流的ζ=200，这既与浮岩碎片密度较低有关，也受基底摩擦、液化比率和地形参数影响。

该判别模型对实践具有重要指导意义：通过数字地图或DEM获取沟道坡度，通过曼宁公式或弯道超高估算流速，通过体积-面积关系推算流动深度，即可预测特定流域的泥石流沉积形态。沉积体由多次涌浪叠加形成，但层序证据往往被掩盖，因为沉积体固结时间远大于沉积过程时间尺度。持续的高孔隙水压力使得沉积物易受后续涌浪再活化，导致颗粒分选和长轴取向特征无法在沉积界面保存。

颗粒分选对泥石流运动学和沉积特征具有显著影响。运动过程中形成的粗颗粒流头会对拦挡坝、柔性屏障等工程结构产生高频波动压力，增加冲击力预测难度，为防灾工程设计带来不确定性。同时，与粗颗粒堤坝相比，流动内部渗透性和基底摩擦较低，能维持较高速度，这种颗粒自组织特性即使是缓坡冲积扇上的灾难性泥石流也能实现长距离运移的关键因素。

研究成果深化了对泥石流沉积过程的理解，有助于灾害风险评估。实验提供的粗颗粒堤坝和细颗粒通道化内部结构为计算流体动力学耦合离散元（CFD-DEM）等多相模型提供了基准验证数据。淹没面积与沉积体积的统计关系可用于灾害范围制图和防灾策略制定。建立的判别模型为特定流域沉积形态预测提供了有效工具。