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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尊时凯龙背景

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。既有尊时凯龙表明冰含量φ?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尊时凯龙，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尊时凯龙，定量解析了冰含量φ?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φ?尊时凯龙为0~100%，通过调节加速段长度尊时凯龙流动速度，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尊时凯龙，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 φ?冰含量0-100%对侵蚀速率的非线性尊时凯龙，即侵蚀速率随φ?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尊时凯龙效应。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。流速与密度的尊时凯龙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

尊时凯龙通过结合温控水槽实验与高速摄像尊时凯龙，量化揭示冰含量对RIAs侵蚀速率的非线性尊时凯龙规律，阐明流动速度与密度的尊时凯龙效应，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尊时凯龙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。

详细尊时凯龙成果请查阅《Rock-ice avalanche flume experiments reveal a non-linear hillslope erosion rule governed by ice-content》

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