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高速摄像机揭示岩石-冰屑雪崩侵蚀非线性规律

1研究背景

全球气候变化加剧冰川退缩和永久冻土融化，导致岩石-冰屑雪崩（RIAs）地质灾害事件频发。既有研究表明冰含量φᵢ对RIAs的侵蚀能力具有重要影响，但缺乏定量侵蚀机制，制约了灾害预测与地貌演化模型的精度。成都理工大学范宣梅教授团队，设计了一种通过温控可侵蚀水槽装置实验系统，结合高时空分辨率高速摄像技术，定量解析了冰含量φᵢ对侵蚀能力影响，为RIASs灾害预测与冰川地貌演化模型提供了实验依据。

2实验设计

实验设计了一套温度可控（-10±1°C）的可调长度水槽，包含可调加速段长1-3 m，可侵蚀床段长0.88 m，实验材料为粒径4~8 mm的冰粒与石英颗粒混合物，冰含量φᵢ范围为0~100%，通过调节加速段长度控制流动速度，同时引入不同含水量0%、5%、10%模拟部分融化的自然条件。同时设计由三台高速摄像机组成的同步观测系统（图1），布设于槽道不同位置，用于捕捉RIAs流动和侵蚀过程。

图1

3实验数据

第一台千眼狼高速摄像机布设于刚性床与可侵蚀床面交界处上游，以5000帧每秒速度捕捉流动体与基底相对运动，结合粒子图像测速PIV技术，量化流动体在即将开始侵蚀前的基底流速和基底剪切率，作为颗粒惯性应力的关键输入参数。第二台高速摄像机布设于刚性床面与可侵蚀床面相互作用的前30 cm初始区域，以1500帧每秒速度记录侵蚀发生瞬态过程、颗粒与床面物质的交换，以及侵蚀剖面的形态演化。第三台高速摄像机覆盖整个可侵蚀床段，监测沿侧壁布设的18个侵蚀柱，用于计算实时侵蚀速率。图2为高速摄像机捕捉到的侵蚀过程和流动动力学。（a）测试L1–50%（L = 1米，φi = 50%）在不同时间的侵蚀剖面。（b）在L = 2米、t = 1秒时，不同冰含量测试的侵蚀剖面。（c）在φi = 30%、t = 1秒时，不同L测试的侵蚀剖面。

图2

4实验发现

依据千眼狼高速摄像机捕捉的微米级的颗粒运动细节，实验揭示了：

4.1 φᵢ冰含量0-100%对侵蚀速率的非线性控制，即侵蚀速率随φᵢ的增加先增大后减小，在40%~60%到达峰值。

4.2 侵蚀速率受控于流速与密度的竞争效应。冰含量增加一方面增强流动体动能，促进侵蚀，另一方面降低密度，削弱流动体的冲击力，抑制侵蚀。流速与密度的竞争关系导致了侵蚀速率随冰含量增加的非线性变化。

4.3 高速摄像机记录的侵蚀过程显示含水量5%、10%对侵蚀速率具有调制效应，5%局部湿润作用因增强颗粒间粘附力抑制侵蚀，10%含水量则因改变流动体与基底的界面应力，故增强了侵蚀机制。

5实验结论

研究通过结合温控水槽实验与高速摄像技术，量化揭示冰含量对RIAs侵蚀速率的非线性控制规律，阐明流动速度与密度的竞争效应，高速摄像机在实验中记录侵蚀剖面演化、流动体与床面基底相互作用细节，并通过粒子图像测速PIV技术量化了基底流速与剪切率，为计算碰撞应力提供关键输入参数，同时将观测到的颗粒碰撞现象与侵蚀速率数据直接关联，解析了主导侵蚀机制。

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