陸架斜坡對內(nèi)孤立波的動力響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

李逸冰，劉樂軍*，高珊，張毅，熊學(xué)軍

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋工程環(huán)境研究中心，山東 青島 266061；2.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與工程學(xué)院，山東青島 266100)

1 引言

內(nèi)孤立波是一種振幅大、周期短的非線性內(nèi)波，常存在于斜壓內(nèi)潮大的近海大陸架、大陸坡海區(qū)[1]。內(nèi)孤立波在陸坡和陸架坡折發(fā)生淺化、變形或破碎，并在近海底區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動混合和能量耗散[2-3]。這些過程伴隨著強(qiáng)烈的海流脈動，會對海洋能量傳送、物質(zhì)搬運(yùn)、生物地球化學(xué)循環(huán)以及海洋工程與軍事安全等產(chǎn)生極為重要的影響。內(nèi)孤立波淺化破碎造成的沉積物質(zhì)運(yùn)移也被認(rèn)為是海底地貌塑造，如沙波、沉積物波、海底溝槽等發(fā)育的重要因素[4-5]。內(nèi)波在海底產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動和強(qiáng)剪切力也能導(dǎo)致海底失穩(wěn)[6]，引發(fā)海底滑坡[7]，進(jìn)而對海底資源開采、輸運(yùn)等工程設(shè)施的安全產(chǎn)生威脅。

最近幾年，研究者通過現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室物理模擬和數(shù)值模擬等方法，研究內(nèi)孤立波與沉積物間的動力作用，如內(nèi)孤立波淺化過程中底部邊界的變化[8]，內(nèi)孤立波對沉積物的再懸浮的作用[9-15]以及內(nèi)波入射到不同類型海底發(fā)生的動力及能量轉(zhuǎn)化過程[16]。而在眾多內(nèi)孤立波對海底沉積物的動力作用研究中，研究者主要集中在內(nèi)孤立波破碎引起的強(qiáng)烈紊動和剪切力對海底沉積物的動力作用，探討不同破碎形式和動力過程對沉積物的作用過程[17-21]。

然而，對于內(nèi)孤立波從淺化到破碎前的階段，海底沉積物所產(chǎn)生的動力響應(yīng)過程研究較少。實(shí)際上，在內(nèi)孤立波通過海底陸架斜坡沉積物上方的過程中，亦會對坡腳及斜坡不同位置造成動力響應(yīng)，且不同坡度的陸架斜坡對內(nèi)孤立波作用的響應(yīng)亦有差異。為此，本文開展了海床沉積物在內(nèi)孤立波行進(jìn)過程的動力響應(yīng)研究，通過開展室內(nèi)水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究內(nèi)孤立波振幅與坡度對海床沉積物動力響應(yīng)的影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的波浪水槽中進(jìn)行。水槽尺度為12.5 m（長）×0.5（寬）m×0.7 m（高），如圖1 所示。內(nèi)孤立波生成區(qū)在水槽右側(cè)（靠近水槽的造波段），造波采用重力塌陷的方式，通過調(diào)節(jié)上、下層流體的密度差以產(chǎn)生不同振幅的內(nèi)波。生成的內(nèi)波經(jīng)傳播區(qū)（水槽中段）到達(dá)波土作用區(qū)（靠近水槽的消波段），該位置設(shè)置斜坡（坡高0.3 m）來模擬陸坡地形（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental water sink design

鎖定區(qū)域的長度為0.6 m，上層流體厚度h1為0.1 m，下層流體厚度h2為0.4 m，通過調(diào)節(jié)上層、下層流體的密度差產(chǎn)生不同振幅的內(nèi)孤立波，具體參數(shù)見表1，且保證所產(chǎn)生的內(nèi)孤立波均屬于下凹型。

試驗(yàn)所用土體為取自黃河三角洲的粉質(zhì)土，其粒徑級配如圖2 所示。根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置不同坡度（3°、6°、9°）的斜坡，在斜坡坡腳、坡中、坡頂及頂中位置，分別設(shè)置一組土壓傳感器和孔壓傳感器，傳感器精度為0.5%，傳感器上覆土體厚度約2 cm（圖3）。為保證坡上每次試驗(yàn)傳感器埋設(shè)位置相同，取與斜坡斜邊等長的支架，將一個土壓傳感器和一個孔壓傳感器為一組，分別連接在支架兩端和中點(diǎn)，并將支架埋設(shè)在斜坡斜面上。

表1 實(shí)驗(yàn)室模擬內(nèi)孤立波的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of laboratory simulation internal solitary wave

圖2 實(shí)驗(yàn)用土粒徑級配曲線Fig.2 Gradation curve of soil particle size for experiment

圖3 斜坡坡形及傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope shape and sensor layout

2.2 試驗(yàn)過程

共進(jìn)行了9 組（3 個坡度和3 個振幅）水槽模擬試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的步驟相同。

（1）在水槽內(nèi)加入礫石作為斜坡骨架，礫石坡坡高0.2 m，然后將混合均勻的土樣鋪設(shè)在水槽中。

（2）待斜坡制作完成，在斜坡表層設(shè)置傳感器，各儀器布設(shè)完畢后，接通主機(jī)進(jìn)行調(diào)試。

（3）按照表1 的設(shè)計(jì)參數(shù)，制備分層水，鹽水深度設(shè)置為0.4 m，上層染色清水深度為0.1 m，注水完成后靜置24 h，使得斜坡土體力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

（4）待土體和水體基本穩(wěn)定后，打開各測試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲。

（5）抽出閘板利用流體重力塌陷，從而產(chǎn)生相應(yīng)振幅的內(nèi)孤立波，以模擬單次波對斜坡沉積物的擾動。

（6）利用高頻相機(jī)觀測并記錄內(nèi)孤立波的生成以及斜坡表面沉積物的形態(tài)變化，同時記錄作用過程中的內(nèi)孤立波參數(shù)（振幅、周期和波形）和孔隙水壓力等參數(shù)。

每一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，放空水槽，將水槽內(nèi)的斜坡清理出去，并按下一組實(shí)驗(yàn)參數(shù)重新鋪設(shè)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟。本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程參考文獻(xiàn)[22]。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

將試驗(yàn)過程中記錄的坡腳、坡中和坡頂?shù)任恢锰幍目紫端畨毫減去靜水壓力P0得到超孔隙水壓力（ΔP=P?P0），并將其繪制成超孔隙水壓力變化時程曲線。在對表層土壓力的變化過程進(jìn)行分析時，將試驗(yàn)中記錄的坡腳和坡中的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并繪制成壓強(qiáng)變化時程曲線。在時程曲線繪制過程時，將內(nèi)孤立波開始時間定為0 s。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同坡度斜坡孔壓響應(yīng)特征

通過比對不同坡度斜坡在相同振幅內(nèi)孤立波作用下，超孔隙水壓力變化的時程曲線（圖4），分析斜坡坡度在動力作用過程中的影響規(guī)律。每個過程中，行進(jìn)的內(nèi)孤立波特性均相同，振幅為12 cm，周期為15 s。

如圖4a、圖4c 和圖4e 所示，當(dāng)內(nèi)波行進(jìn)通過斜坡上方時，不同坡度斜坡的坡腳均發(fā)生了超孔隙水壓力上升的情況。具體表現(xiàn)為：（1）超孔隙水壓力上升后逐漸穩(wěn)定且沒有下降，表明在內(nèi)孤立波通過斜坡坡腳上方沉積物時，會發(fā)生超孔隙水壓力的積累；（2）斜坡角度的變化會造成坡腳超孔隙水壓力積累量的不同；（3）通過超孔隙水壓力穩(wěn)定的時間長度可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孤立波在不同坡度斜坡的坡腳上作用的時間不同，緩坡作用時間短，陡坡作用時間長。

坡中沉積物超孔隙水壓力的變化（圖4b、圖4d和圖4f）與坡腳沉積物不同，3°和6°斜坡的坡中沉積物超孔隙水壓力不再發(fā)生積累，9°斜坡的坡中沉積物產(chǎn)生了超孔隙水壓力的積累，但積累量遠(yuǎn)小于9°斜坡坡腳沉積物。坡中和坡腳沉積物超孔壓響應(yīng)的差異，表明在內(nèi)孤立波爬坡過程中的動力效應(yīng)發(fā)生了改變。

為揭示圖4b 中3°斜坡坡中出現(xiàn)負(fù)壓力現(xiàn)象的意義，通過試驗(yàn)過程觀察到，15 cm 振幅內(nèi)孤立波破碎引起9°斜坡的坡頂出現(xiàn)明顯的斜坡沉積物懸浮（圖5），并繪制其超孔隙水壓力時程曲線（圖6），發(fā)現(xiàn)9°斜坡的坡頂沉積物超孔隙水壓力時程曲線為負(fù)值并持續(xù)減小。據(jù)此分析，當(dāng)超孔隙水壓力為負(fù)且持續(xù)減小時，斜坡沉積物的穩(wěn)定性發(fā)生了破壞。而在圖4d 中6°坡坡中出現(xiàn)的負(fù)壓力回彈過程，在內(nèi)孤立波作用前后，其超孔隙水壓力并未發(fā)生改變，在實(shí)驗(yàn)過程中也沒有觀察到沉積物質(zhì)懸浮的現(xiàn)象。因此可將內(nèi)孤立波在該6°坡坡中位置，對沉積物的作用過程理解為彈性作用過程。

圖4 振幅為12 cm 時不同坡度坡腳與坡中處超孔隙水壓力時程曲線Fig.4 Time-history curve of excess pore water pressure at the toe of different slopes and the middle of the slope with an amplitude of 12 cm

圖5 振幅15 cm 內(nèi)孤立波破碎引起9°斜坡坡頂沉積物懸浮Fig.5 Breaking of solitary waves within 15 cm amplitude causes suspension of 9° slope top sediment

3.2 不同振幅作用下斜坡孔壓響應(yīng)特征

圖7 為3°斜坡坡腳和坡中在不同振幅內(nèi)孤立波作用下（12 cm、14 cm、15 cm）超孔隙水壓力變化的時程曲線。對于坡腳處的動力響應(yīng)而言，在內(nèi)孤立波振幅逐漸增大的情況下，沉積物表現(xiàn)為一個由超孔隙水壓力積累到沉積物穩(wěn)定性破壞的過程。其中，在14 cm振幅作用下，3°斜坡坡腳出現(xiàn)階梯狀攀升，且變化量級穩(wěn)定，超孔隙水壓力積累總量小于12 cm 振幅作用下超孔隙水壓力積累量。表明可能存在因振幅增大引起的其他動力過程，其主導(dǎo)了超孔隙水壓力的釋放，但釋放總量小于超孔壓積累量。

圖6 振幅15 cm 時9°斜坡坡頂超孔隙水壓力時程曲線Fig.6 Time-history curve of excess pore water pressure at the top of 9° slope with an amplitude of 15 cm

隨著振幅的增大，坡中沉積物超孔隙水壓力的變化與坡腳沉積物差別很大，具體表現(xiàn)為：12 cm 振幅作用下坡中超孔隙水壓力出現(xiàn)負(fù)值并持續(xù)減小；14 cm振幅作用下坡中超孔隙水壓力出現(xiàn)負(fù)值但變化程度很?。?5 cm 振幅作用下坡中超孔隙水壓力上升。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是由于內(nèi)孤立波在爬坡過程中，由于地形變化，上下層不同密度流體之間發(fā)生了垂向混合。

4 分析與討論

4.1 內(nèi)孤立波通過時斜坡孔壓響應(yīng)分析

為分析波直接作用時斜坡沉積物動力響應(yīng)過程，繪制了內(nèi)孤立波從第一個波峰到第二個波峰通過坡腳點(diǎn)的時間段內(nèi)，坡腳沉積物超孔隙水壓力變化情況（圖8）?？梢园l(fā)現(xiàn)在內(nèi)孤立波通過時間內(nèi)，孔壓變化最為劇烈，且為單向變化，表明內(nèi)孤立波行進(jìn)過程中切實(shí)對斜坡沉積物造成的動力擾動。在斜坡沉積物響應(yīng)過程中，超孔隙水壓力變化的峰值并未與內(nèi)孤立波波谷對應(yīng)，因此斜坡沉積物對內(nèi)孤立波的動力響應(yīng)過程存在滯后性。在完整內(nèi)孤立波通過過程中，3°斜坡（緩坡）對內(nèi)孤立波的動力響應(yīng)最為劇烈，且動力響應(yīng)結(jié)果隨內(nèi)孤立波振幅的改變變化程度大，表明3°斜坡對于內(nèi)孤立波的動力作用更為敏感。

圖7 不同振幅作用下3°斜坡坡腳與坡中處超孔隙水壓力時程曲線Fig.7 Time-history curve of excess pore water pressure at the foot of the slope and the middle of the slope under different amplitudes

4.2 不同坡度斜坡動力響應(yīng)特性分析

通過甄別內(nèi)孤立波振幅變化條件下，不同坡度斜坡的坡腳和坡中沉積物超孔隙水壓力響應(yīng)的差異（圖9），總結(jié)斜坡坡度對沉積物動力響應(yīng)的效應(yīng)。

就斜坡相同位置(坡腳或坡中)對內(nèi)孤立波動力作用的響應(yīng)程度而言，3°斜坡響應(yīng)程度變化大，6°斜坡次之，9°斜坡最小，明顯出現(xiàn)隨著坡度的增大響應(yīng)程度減小的現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明緩坡沉積物的對內(nèi)孤立波動力作用的響應(yīng)更加敏感。而無論振幅還是位置變化，3°斜坡總是最先達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，即最快完成動力響應(yīng)，6°斜坡次之，9°斜坡最慢。體現(xiàn)了動力響應(yīng)的時間隨著坡度的增大而延長，且斜坡動力響應(yīng)的時間也隨著內(nèi)孤立波振幅的增大而延長。

由于9°斜坡變化幅度較小不便觀察，因此單獨(dú)繪制了9°斜坡超孔隙水壓力時程曲線（圖10）。可以發(fā)現(xiàn)，9°斜坡坡腳在振幅增大后，并未像其他角度斜坡一樣，穩(wěn)定性發(fā)生破壞。這進(jìn)一步表明內(nèi)孤立波的動力效應(yīng)會隨著斜坡坡度的變化而發(fā)生改變，斜坡坡度的增大會引起沉積物的動力響應(yīng)程度的減弱。綜上，在相同振幅條件下，緩坡沉積物動力響應(yīng)的程度比陡坡沉積物大，而隨著振幅的增加，緩坡發(fā)生動力破壞程度大于陡坡。

4.3 斜坡坡腳沉積物動力響應(yīng)過程分析

通過實(shí)驗(yàn)觀察到，坡腳沉積物隨著內(nèi)孤立破振幅增大，超孔隙水壓力出現(xiàn)由近似直線上升（圖7a）到明顯的階梯狀攀升（圖7c）的變化。表明存在因內(nèi)孤立波振幅增大引起的超孔隙水壓力的釋放過程。揭示了在斜坡沉積物穩(wěn)定性受到破壞之前，超孔隙水壓力的積累和釋放同時存在，而振幅的增大會導(dǎo)致超孔隙水壓力的釋放增加。

圖8 模擬內(nèi)波通過各角度斜坡坡腳處的孔壓響應(yīng)時程曲線Fig.8 Time history curve of pore pressure response of simulated internal waves passing through the slope toe of various angles

圖9 不同振幅作用下不同坡度坡腳和坡中超孔壓響應(yīng)對比曲線Fig.9 Comparison curves of response of excess pore pressure in toe slopes with different slopes under different amplitudes

圖10 不同振幅作用下9°坡超孔隙水壓力時程曲線Fig.10 Time-history curve of 9° slope excess pore water pressure under different amplitudes

圖11 不同振幅作用下6°坡坡腳超孔隙水壓力時程曲線Fig.11 Time-history curve of excess pore water pressure at the foot of the 6° slope under different amplitudes

進(jìn)而繪制不同振幅作用下6°坡坡腳超孔隙水壓力時程曲線（圖11），分析并總結(jié)規(guī)律。與3°斜坡相同，隨著振幅增大，6°斜坡坡腳超孔隙水壓力也出現(xiàn)了類似的超孔隙水壓力變化過程。與14 cm 振幅作用下的3°斜坡出現(xiàn)類似于彈性的起伏過程相似（圖7c），在14 cm 振幅作用下，6°斜坡坡腳出現(xiàn)了負(fù)超孔隙水壓力并回彈，最終卻造成了超孔隙水壓力積累（圖11b）。

這可以推斷出，在內(nèi)孤立波對沉積物坡腳造成的動力作用達(dá)到峰值時，如果不足以使斜坡沉積物穩(wěn)定性發(fā)生實(shí)質(zhì)性的破壞，內(nèi)孤立波振幅的增大會加劇超孔隙水壓力的釋放，并在動力作用峰值過后，造成超孔隙水壓力的積累。

4.4 內(nèi)孤立波爬坡過程中動力效應(yīng)變化分析

通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡中位置處的孔壓響應(yīng)與坡腳處存在差異（圖7）。理論上，振幅增大可以提供更大的動力作用，進(jìn)而產(chǎn)生更大的破壞。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡中位置隨著內(nèi)孤立波振幅增大破壞程度反而減小。這表明內(nèi)孤立波在爬坡過程中的動力效應(yīng)出現(xiàn)了變化。由于在動力過程中，超孔隙水壓力的變化會隨著表面壓強(qiáng)變化。通過繪制不同振幅作用下3°斜坡坡腳與坡中表面壓強(qiáng)變化時程曲線（圖12），分析斜坡表面壓強(qiáng)的變化情況，進(jìn)一步分析內(nèi)孤立波爬坡過程中的動力變化。

如圖12 所示，12 cm 振幅作用時，坡中位置表面壓強(qiáng)變化幅度大于坡腳位置變化幅度。由于12 cm振幅條件下，上下層流體密度相差較小，內(nèi)孤立波的穩(wěn)定性較大程度地減弱，導(dǎo)致沉積物表層壓強(qiáng)發(fā)生了更大幅度的振動，使得沉積物穩(wěn)定性破壞。14 cm 振幅作用下，坡中表面壓強(qiáng)的振動幅度略大于坡腳，但整體差別不大。14 cm 振幅條件下，內(nèi)孤立波更加穩(wěn)定。而15 cm 振幅作用下，坡中表層壓強(qiáng)的振動幅度小于坡腳，且變化幅度明顯變緩。表明由于密度差的增大，內(nèi)孤立波更加穩(wěn)定，內(nèi)孤立波不穩(wěn)定只是削弱了內(nèi)孤立波動力作用的能量，并未造成其他過程。綜上，小振幅內(nèi)孤立波在爬坡過程中的穩(wěn)定性差，與其附加動力作用共同作用，進(jìn)而會對斜坡沉積物造成更大的動力作用，而大振幅內(nèi)孤立波在爬坡過程中更為穩(wěn)定，但也會使得內(nèi)孤立波本身對斜坡的動力作用受到削弱，此結(jié)果與杜輝等[23]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。

圖12 不同振幅作用下3°斜坡坡腳與坡中處表面壓強(qiáng)變化對比曲線Fig.12 Comparison curves of surface pressure changes at the toe of the 3° slope and the middle of the slope under different amplitudes

5 結(jié)論

基于水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)，模擬了單次內(nèi)孤立波的運(yùn)動過程，分析了斜坡沉積物在內(nèi)孤立波作用下的動力響應(yīng)狀況，得出結(jié)論。

（1）內(nèi)孤立波通過斜坡坡腳沉積物上方時，會發(fā)生超孔隙水壓力的積累，斜坡角度的變化會造成坡腳超孔隙水壓力積累量的變化。而在相同振幅條件下，緩坡沉積物動力響應(yīng)的幅度比陡坡沉積物大。且隨著振幅的增加，緩坡發(fā)生動力破壞程度大于陡坡。

（2）緩坡沉積物的動力響應(yīng)對內(nèi)孤立波振幅的變化更加敏感，最先完成動力響應(yīng)，且動力響應(yīng)的時間隨著坡度的增大而增大，各角度斜坡動力響應(yīng)的時間也隨著內(nèi)孤立波振幅的增大而延長。

（3）小振幅內(nèi)孤立波在爬坡過程中的穩(wěn)定性差，與其附加動力作用共同作用，進(jìn)而會對斜坡沉積物造成更大的動力作用，而大振幅內(nèi)孤立波在爬坡過程中更為穩(wěn)定，但也會使得內(nèi)孤立波本身對斜坡的動力作用受到削弱。

（4）在斜坡沉積物穩(wěn)定性受到破壞之前，超孔隙水壓力的積累和釋放同時存在。在此階段中，內(nèi)孤立波對沉積物坡腳造成的動力作用達(dá)到峰值時，如果不足以使斜坡沉積物穩(wěn)定性發(fā)生實(shí)質(zhì)性的破壞，內(nèi)孤立波振幅的增大便會加劇超孔隙水壓力的釋放，并在動力作用峰值過后逐漸恢復(fù)，最終造成超孔隙水壓力的積累。