內(nèi)孤立波破碎后對(duì)斜坡沉積物的動(dòng)力作用過(guò)程及特性實(shí)驗(yàn)研究

李逸冰，劉樂(lè)軍*，周慶杰，惠揚(yáng)

( 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.自然資源部第一海洋研究所 海洋地質(zhì)與地球物理研究室，山東 青島 266061；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

1 引言

內(nèi)孤立波是一種特殊的非線性內(nèi)波，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)使海底沉積物再懸浮[1-4]。自2002年在南海北部東沙群島陸坡區(qū)觀測(cè)到內(nèi)孤立波再懸浮海底沉積物以來(lái)，內(nèi)孤立波研究的視角從物理海洋學(xué)領(lǐng)域逐漸向?qū)５壮练e物的動(dòng)力作用上轉(zhuǎn)移[1]。近年來(lái)的研究表明，內(nèi)孤立波為陸緣區(qū)提供了新的非對(duì)稱懸浮沉積物搬運(yùn)機(jī)制，當(dāng)距海底1 m以內(nèi)的內(nèi)孤立波流速超過(guò)10 cm/s時(shí)，再懸浮的作用就會(huì)大幅增強(qiáng)[5]，而且對(duì)懸浮沉積物的輸運(yùn)量甚至要遠(yuǎn)大于風(fēng)生流、等深流等的輸運(yùn)量[6]。目前，通過(guò)對(duì)南海陸坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，認(rèn)為內(nèi)孤立波起動(dòng)沉積物的水平速度約為0.5 m/s[7]，且觀測(cè)到的內(nèi)孤立波導(dǎo)致的海底懸浮物濁度可達(dá)3～4 FTU。研究?jī)?nèi)孤立波對(duì)海底沉積物的動(dòng)力作用在海洋的物質(zhì)運(yùn)輸以及陸坡形態(tài)塑造方面具有重要意義[8]。

內(nèi)孤立波在沿坡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，隨著水深變淺逐漸變形，產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)和剪切力。以內(nèi)孤立波破碎點(diǎn)為界，破碎點(diǎn)前懸浮的沉積物被孤立波裹挾向上坡搬運(yùn)[9]，隨后較粗顆粒的沉積物快速沉降而細(xì)粒沉積物則隨回流向遠(yuǎn)岸輸運(yùn)較遠(yuǎn)距離[10]。有學(xué)者通過(guò)室內(nèi)物理模擬對(duì)內(nèi)孤立波與海底斜坡沉積物相互作用進(jìn)行了更為細(xì)致的研究。喬路正等[11]對(duì)于內(nèi)孤立波破碎位置處的動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)。但對(duì)于內(nèi)孤立波破碎后運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及該過(guò)程下斜坡沉積物的動(dòng)力響應(yīng)的研究尚有欠缺。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，以南海北部陸坡沉積物與內(nèi)孤立波為參照，基于室內(nèi)水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析了內(nèi)孤立波破碎后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)對(duì)坡上沉積物的作用機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)研究?jī)?nèi)孤立波再懸浮運(yùn)移海底沉積物、改造海底地形地貌具有參考價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)水槽

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)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×0.5 m×0.7 m（長(zhǎng)、寬、高），如圖1所示。水槽中注入上下兩層水，上層為 10 cm （h1）厚的染色淡水（密度ρ1為 998 kg/m3）和下層為 40 cm （h2）厚的鹽水（密度為ρ2）。通過(guò)調(diào)節(jié)下層鹽水的密度ρ2，產(chǎn)生不同振幅的內(nèi)孤立波，振幅與密度關(guān)系詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of test sink

實(shí)驗(yàn)采用重力塌陷的方式生成內(nèi)孤立波，通過(guò)擋板間隔出造波區(qū)，造波區(qū)內(nèi)上層水的厚度為0.25 m，長(zhǎng)度為0.6 m，擋板內(nèi)外上層水體的厚度差異形成重力差，撤出插板后產(chǎn)生內(nèi)孤立波。在水槽內(nèi)設(shè)置斜坡模擬海底地形，并監(jiān)測(cè)坡上土層內(nèi)孔隙水壓力和土壓應(yīng)力。在斜坡坡中上方的水層界面處設(shè)置小威龍流速測(cè)量?jī)x（ADV），監(jiān)測(cè)流速變化。水槽尾端設(shè)置消波段，坡度為 45°。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料及斜坡

實(shí)驗(yàn)用土的配置以南海 DLW3101 和 DLW3102孔頂層5 cm沉積物實(shí)測(cè)級(jí)配曲線為參考。將粉質(zhì)土與高嶺土按1∶1的比例均勻混合配置成為實(shí)驗(yàn)用土，級(jí)配曲線對(duì)比如圖2所示。

圖2 DLW3101 孔和 DLW3102 孔位置和粒徑級(jí)配曲線對(duì)比Fig.2 The location of boreholes DLW3101 and DLW3102 and comparison of soil size classification curves

斜坡土采用分層鋪設(shè)的方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)鋪設(shè)3°和9°坡度的斜坡（圖3）。首先鋪設(shè)礫石骨架，礫石坡層厚0.25 m，并通過(guò)骨架調(diào)節(jié)坡度，然后在骨架縫隙中填入實(shí)驗(yàn)用土，壓實(shí)后在其上鋪設(shè)4 cm的土層。平整坡面后在斜坡坡頂邊緣（1號(hào)檢測(cè)位）、坡頂中部（2號(hào)檢測(cè)位）兩個(gè)位置分別設(shè)置一組土壓傳感器和孔壓傳感器。傳感器布設(shè)完畢后，繼續(xù)在上方鋪設(shè)1 cm厚的土層。考慮到注水后坡面改變，在鋪設(shè)配置土層時(shí)多鋪設(shè)約5 mm的土層，以確保注水后的斜坡形態(tài)。

圖3 斜坡截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of slope section

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

斜坡鋪設(shè)完成后，按照表1的設(shè)計(jì)參數(shù)，制備分層流體并靜置12 h，架設(shè)流速測(cè)量?jī)x，待流體密度界面和斜坡土體力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定后，將擋板插入，擋板底部距水槽底部約0.1 m，將塑料膜鋪設(shè)在擋板右側(cè)水面之上，在塑料膜上緩慢注入染色淡水，將擋板右側(cè)的下層鹽水緩慢沿?fù)醢宓锥藬D壓至擋板左側(cè)，直至擋板右側(cè)染色淡水深度達(dá)到0.25 m，待水體穩(wěn)定后抽出擋板造波（圖4），同時(shí)打開(kāi)測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，并使用高頻相機(jī)記錄內(nèi)孤立波的生成以及斜坡表面沉積物的變化。

圖4 重力塌陷造波示意圖Fig.4 Schematic diagram of gravity collapse wave making

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)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 土壓和孔壓數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先對(duì)各個(gè)土壓傳感器進(jìn)行率定，得到輸出電信號(hào)與壓力之間的關(guān)系。根據(jù)二者間的關(guān)系將實(shí)驗(yàn)中采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力值，即標(biāo)定

方程：

式中，p為壓力值；γ為電信號(hào)值；k、n為系數(shù)。

將實(shí)驗(yàn)中記錄的坡腳和坡中的土壓數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并繪制成土壓變化時(shí)程曲線；將實(shí)驗(yàn)記錄的坡頂和頂中位置處的孔隙水壓力P減去靜水壓力P0得到超孔隙水壓力 ΔP（ΔP=P?P0），并將其繪制成超孔隙水壓力時(shí)程變化曲線（以內(nèi)孤立波開(kāi)始時(shí)間為 0 s）。

2.2.2 流速數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)時(shí)，ADV測(cè)量坡中位置上方水層界面以下30 mm的水柱剖面，剖面分為30層，每層1 mm。將ADV輸出信號(hào)值導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行處理，得到x、y、z方向的流速與合成流速，其中x方向?yàn)閮?nèi)孤立波前進(jìn)方向，y方向?yàn)樗蹤M截方向，z方向?yàn)樗鄞瓜颉?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 內(nèi)孤立波流速

已有內(nèi)孤立波研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)波流速激增且水體運(yùn)動(dòng)方向與內(nèi)波前進(jìn)方向相反[12]。從圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，內(nèi)孤立波經(jīng)過(guò)ADV時(shí)，水體流速先增大后減小，且流速為正值，即方向與內(nèi)波運(yùn)動(dòng)反向相反，與已有研究結(jié)果相互驗(yàn)證。

圖5 模擬試驗(yàn)ADV流速時(shí)程曲線Fig.5 ADV current rate time curves

對(duì)比不同深度層位的流速變化可以發(fā)現(xiàn)，振幅為12 cm時(shí)，3°斜坡（圖5a）不同深度流速增量相差較小，流速層化不明顯，最大流速約為0.023 m/s。當(dāng)斜坡角度為9°時(shí)（圖5c），不同深度流速增量差異大，層位越深流速增量越大，最大流速約為0.04 m/s。當(dāng)15 cm振幅時(shí)，9°斜坡（圖5d）出現(xiàn)明顯的流速層位分化，且最大流速約為0.07 m/s；3°斜坡（圖5b）不同深度流速層化依舊不明顯，最大流速并未出現(xiàn)在深度大的層位，且最大流速約為0.018 m/s，并未隨著振幅的增大而增大。此現(xiàn)象與緩坡對(duì)大振幅內(nèi)孤立波的抑制作用有關(guān)，緩坡坡面較長(zhǎng)，一方面使得波土間的摩擦力增大，另一方面促進(jìn)了內(nèi)孤立波的能量耗散，此現(xiàn)象也與杜輝等[13]實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了物理模型的可靠性。

內(nèi)孤立波在斜坡行進(jìn)過(guò)程中，流速增幅受到斜坡坡度的影響，在相同振幅的內(nèi)孤立波條件下，陡坡能產(chǎn)生更大的水體流速。

3.2 超孔隙水壓力結(jié)果

由圖6可知，兩種振幅內(nèi)孤立波在3°斜坡的1號(hào)檢測(cè)位超孔隙水壓力均出現(xiàn)了上升：12 cm振幅時(shí)上升后逐漸穩(wěn)定（圖6a）；15 cm振幅時(shí)表現(xiàn)為上升，但期間出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)（圖6c）；而2號(hào)檢測(cè)位傳感器均出現(xiàn)負(fù)超孔隙水壓力的現(xiàn)象：12 cm振幅時(shí)負(fù)超孔隙水壓力持續(xù)減?。▓D6b）；15 cm振幅時(shí)超孔隙水壓力在?9 kPa上下波動(dòng)（圖6d），推測(cè)實(shí)驗(yàn)土發(fā)生液化[14]。結(jié)果表明2號(hào)檢測(cè)位處的沉積物動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)于1號(hào)檢測(cè)位。

圖6 不同振幅作用下3°斜坡不同位置超孔隙水壓力時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves of excess pore water pressure in the different locations on 3° slope under different amplitudes wave

由圖7可知，在9°斜坡，12 cm振幅時(shí)，1號(hào)檢測(cè)位（圖7a）和2號(hào)檢測(cè)位（圖7c）處超孔隙水壓力均發(fā)生上升，并產(chǎn)生了超孔隙水壓力的積累，且2號(hào)檢測(cè)位超孔隙水壓力積累量大于1號(hào)檢測(cè)位；而15 cm振幅時(shí)，1號(hào)檢測(cè)位（圖7b）和2號(hào)檢測(cè)位（圖7d）均出現(xiàn)了負(fù)超孔隙水壓力并持續(xù)下降，也觀察到了坡上沉積物再懸浮的現(xiàn)象，表明坡上土層的穩(wěn)定性受到破壞。且2號(hào)檢測(cè)位處動(dòng)力響應(yīng)更為劇烈。

圖7 不同振幅作用下9°斜坡不同位置處超孔隙水壓力時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curves of excess pore water pressure in the different locations on 9° slope under different amplitudes wave

4 討論

4.1 內(nèi)孤立波破碎后斜坡動(dòng)力響應(yīng)分析

內(nèi)孤立波破碎時(shí)會(huì)形成渦旋，渦旋的存在會(huì)使得垂向速度增大，進(jìn)而引起垂向的吸力。而在內(nèi)孤立波的作用下海床沉積物顆粒間存在滲流力，同樣會(huì)促使沉積物再懸浮[15]。內(nèi)孤立波本身會(huì)對(duì)斜坡沉積物產(chǎn)生沿坡面向下的拖拽力以及垂直向上的上舉力[12]。綜上可以得到內(nèi)孤立波破碎過(guò)程對(duì)沉積物顆粒產(chǎn)生的動(dòng)力作用（圖8 ）。由圖8可以看出，斜坡沉積物在內(nèi)孤立波破碎前后受力存在差異，主要表現(xiàn)為沉積物顆粒垂向上的作用力發(fā)生了改變。

超孔隙水壓力響應(yīng)結(jié)果表明，坡頂邊緣和坡頂中部的動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)度不同，坡頂中部位置動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)于坡頂邊緣位置。在兩種振幅內(nèi)孤立波作用下，3°斜坡坡頂邊緣位置未發(fā)現(xiàn)再懸浮現(xiàn)象，而坡頂中部位置發(fā)現(xiàn)了微弱的沉積物再懸浮現(xiàn)象。結(jié)合表層土壓強(qiáng)變化時(shí)程曲線（圖9）可以發(fā)現(xiàn)，沉積物表層土壓波動(dòng)，并且觀察到沉積物再懸浮的現(xiàn)象。

由圖9可知，坡頂邊緣和坡頂中部位置處的表層土壓變化卻存在很大的差異，在緩坡內(nèi)孤立波耗散作用下使得12 cm和15 cm振幅內(nèi)孤立波造成的水體流速增量相似（圖5a，圖5b），進(jìn)而可以排除底部水流的影響。由圖8可知，渦旋造成的垂向吸力和沉積物顆粒間的滲流力成為影響坡頂邊緣和坡頂中部位置沉積物動(dòng)力響應(yīng)差異的主要因素。因此推測(cè)12 cm振幅于坡頂中部位置時(shí)，表層土壓力發(fā)生較大的減弱（圖9b），水體中垂向吸力增強(qiáng)，坡頂中部位置可能有新的渦旋生成；15 cm振幅時(shí)，表層土壓沒(méi)有出現(xiàn)較大的增強(qiáng)或者減弱（圖9d），垂向吸力不再是影響沉積物表層土壓變化的主要因素；表層土壓的較高頻率波動(dòng)可能反映土顆粒間滲流作用的增強(qiáng)，使得沉積物發(fā)生液化（圖6d），從而滲流力成為影響沉積物動(dòng)力響應(yīng)的主要因素。

圖8 內(nèi)孤立波破碎時(shí)斜坡沉積物顆粒受力示意圖Fig.8 Schematic diagram of the force on the slope sediment particles when the internal solitary wave breaks

圖9 3°坡頂邊緣和坡頂中部的土壓時(shí)程曲線Fig.9 Soil-pressure time curves at the top edge and middle of the 3° slope

在9°斜坡，內(nèi)孤立波產(chǎn)生的水體流速增大，反映波土間產(chǎn)生了更強(qiáng)的底部水流。在12 cm振幅時(shí)，坡頂中部位置土壓出現(xiàn)了增大（圖10b），表明水體產(chǎn)生了向下的作用力，推測(cè)可能是底部水流流速增大，慣性作用使得底部高密度水體在沖出坡頂位置后繼續(xù)爬升，初始速度耗盡后下落內(nèi)卷，使得表層沉積物所受壓力增大，而土顆粒間的滲流力增長(zhǎng)較小，總土壓力上升。而在15 cm振幅時(shí)，內(nèi)孤立波破碎使土體產(chǎn)生較大的滲流作用，且內(nèi)孤立波破碎位置較前，在行進(jìn)過(guò)程中受底部摩擦力的作用，速度耗散大，進(jìn)而使坡頂中部位置動(dòng)力響應(yīng)由滲流力主導(dǎo)。

綜上所述，在內(nèi)孤立波破碎后繼續(xù)行進(jìn)過(guò)程中，沉積物表面作用力的變化主要是渦旋和滲流共同作用的結(jié)果，斜坡坡度會(huì)造成動(dòng)力作用的變化但不影響斜坡沉積物動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程由哪種動(dòng)力作用主導(dǎo)及各動(dòng)力組分產(chǎn)生的作用效果。而內(nèi)孤立波的振幅不同，斜坡沉積物所受的動(dòng)力因素也不同，在小振幅時(shí)由渦旋作用主導(dǎo)，在大振幅時(shí)由滲流作用主導(dǎo)。

4.2 動(dòng)力作用過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)坡頂邊緣和坡頂中部位置處的動(dòng)力響應(yīng)分析推測(cè)內(nèi)孤立波破碎后存在新渦旋，即內(nèi)孤立波破碎后在斜坡坡面形成了很強(qiáng)的底部水流，形成的水流在沿斜坡沖出坡頂位置后受重力作用，會(huì)在坡頂邊緣之后形成渦流，進(jìn)而使得坡頂中部沉積物受到更大的作用力。使沉積物發(fā)生再懸浮如圖11。

圖11 9°斜坡頂部上方渦流生成Fig.11 Vortex generated above the 9° slope top

不同坡度不同位置土壓力變化過(guò)程（圖9b，圖10b），表明新生渦旋產(chǎn)生了不同方向的垂直流速。推測(cè)在緩坡條件下，內(nèi)孤立波破碎后形成的水流初始流速小，而由于緩坡坡面較長(zhǎng)，水土間的摩擦力產(chǎn)生了較大的能量耗散，在沖出坡頂位置時(shí)沒(méi)有足夠沖量向上爬升（圖12），僅因斜坡角度的改變發(fā)生內(nèi)卷，產(chǎn)生向上的通量，使得土表面壓力下降。相反，陡坡時(shí)內(nèi)孤立波破碎后水流速度較大（圖5c），且水土摩擦耗散小，使得底部水流較大程度地沖入上層流體后下降，產(chǎn)生的沖擊力使得沉積物表層土壓力上升，使得緩坡坡頂邊緣處沉積物受到更大的動(dòng)力擾動(dòng)。

圖10 9°斜坡坡頂邊緣和坡頂中部土壓時(shí)程曲線Fig.10 Soil-pressure time curves at the top edge and middle of the 9° slope

圖12 3°斜坡坡頂部上方渦流生成Fig.12 Vortex generated above the 3° slope top

綜上可知，在內(nèi)孤立波破碎后形成的水流在沿斜坡沖出坡頂位置后，會(huì)在坡頂上方形成新的渦旋，而受到斜坡坡度的影響，造成新生渦旋對(duì)斜坡沉積物動(dòng)力的改變。

5 結(jié)論

本文通過(guò)物理模擬試驗(yàn)，研究斜坡坡頂邊緣和坡頂中部?jī)蓚€(gè)位置的孔壓傳感器和土壓傳感器變化特征以及觀測(cè)到土再懸浮現(xiàn)象，分析了內(nèi)孤立波破碎后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中斜坡沉積物的響應(yīng)過(guò)程，給出坡頂邊緣和坡頂中部?jī)蓚€(gè)位置作用力的差異原因，結(jié)論如下：

（1）斜坡沉積物在內(nèi)孤立波破碎引起的渦旋和滲流的共同作用下，會(huì)發(fā)生再懸浮，斜坡坡度變化不改變沉積物所受的動(dòng)力作用。

（2）內(nèi)孤立波振幅大小影響渦旋與滲流兩者的比例，即在小振幅條件下由渦旋作用主導(dǎo)，在大振幅條件下由滲流作用主導(dǎo)。

（3）破碎流體在沿斜坡沖出坡頂位置后形成新的渦流，沉積物在新生渦流作用下的動(dòng)力響應(yīng)大小受斜坡坡度的影響。