图 1.概念图。（a） 泥石流的典型结构;（b） 安装在美国白垩崖现场观测站的仪器，包括测力台、土壤湿度传感器和孔隙压力传感器（McCoy 等人，2012 年）（照片经《地球物理研究杂志：地球表面》许可使用）;（c） 土床上流动的基底碰撞应力引起的点载荷
图 2.实验设置。（a） 水槽的侧视图;（b） 水槽的俯视图;（c） 气动控制闸门的前视图;（d） 带有无土壤的侵蚀柱的可侵蚀截面的俯视图。所有尺寸均以米为单位。气动控制闸门垂直升降以模拟每次实验期间的溃坝。
图 4.在流动到达可侵蚀床之前测得的流深 h 和测得的深度平均速度 v。使用采样率为 2,000 Hz 的超声波传感器测量流深。下限和上限数据序列是本研究中执行的 13 次测试中的最小和最大流动深度。使用粒子图像测速 （PIV） 技术从水槽侧面的高速相机捕获的图像中提取深度平均速度。误差线显示了所有 13 次测试中不可侵蚀床和可侵蚀床之间界面处的速度范围。
图 5.使用高速相机捕获的流动运动学和床体积含水量 θ = 0.22 的 PIV 分析。（a） t = 0.22 s，流动前沿通过可侵蚀床;（b） t = 1.19 s，流动的减速;（c） t = 2.16 s，流动沉积;（d） t = 3.14 s，最终沉积曲线。快照的左边缘是不可侵蚀床和可侵蚀床之间的界面。快照的底部边缘是可侵蚀土床的初始高程。位于不可侵蚀床和可侵蚀床之间界面下游 0.35 m 处的垂直截面用于测量流动的垂直速度剖面（如下图 6 所示）。
图 6.在距离不可侵蚀床层和可侵蚀床之间界面 0.35 m 的倾斜距离处测量的垂直速度剖面。时间 t = 0 s 对应于流前沿到达不可侵蚀床和可侵蚀床之间的界面。纵轴是流动深度，横轴是使用 PIV 技术测量的速度。
图 7.侵蚀柱测量的侵蚀剖面（图 2d）。显示了四条代表性曲线，代表具有不同床体积含水量 θ 的 13 个实验中的 4 个。表 3 显示了一组完整的侵蚀深度。
图 10.测得的侵蚀速率 ė 和计算的床层材料在失效时剪切强度 τf 与测量的可侵蚀床的初始基质吸力 （ua − uw）0 的关系图。失效时的抗剪强度 τf 使用公式 7 计算。
图 11.测得的平均侵蚀深度 e（图 11a）和测得的平均侵蚀速率 ė（图 11b）与可侵蚀床测量的体积含水量 θ 的变化。平均侵蚀深度是通过取每次测试中 12 个侵蚀柱测量的侵蚀深度的平均值来获得的。然后将平均侵蚀深度除以侵蚀持续时间，得出平均侵蚀速率。该时间是通过根据高速摄像机视频取每个侵蚀柱上发生侵蚀的平均时间来估计的。假设当流底达到零速度时，侵蚀就会停止。
图 12.侵蚀率 ė 与强度归一化碰撞应力 NSNCS 的关系图。NSNCS 使用公式 8b 计算，其中 vs 是产生流动的固体部分，ρs 和 De 是固体颗粒的密度和特征粒径， 是剪切速率，σn 是流动施加的法向应力，Ba 是孔隙气压参数，（ua − uw）0 是初始矩阵吸力， tanφʹ 是土体的有效内摩擦角，tanφb 量化基质吸力对土床抗剪强度的影响。
我们解释了以碰撞应力为主的泥石流对非饱和土层的侵蚀。提出了一种同时考虑毛细管应力和碰撞应力的新表达式。共进行了 13 个独特的物理实验，以系统评价所提出的理论表达式。详细结论如下：（1） 与现有文献相反，侵蚀速率随河床含水量而非 lin 提前呈抛物线状增加。这种类似抛物线的关系归因于毛细管效应影响下非饱和土的剪切强度与河床含水量之间的非线性关系。这一发现意味着传统的侵蚀理论可能并不总是对侵蚀进行保守估计，尤其是在河床水含量较低时。（2） 现有文献主要集中在基底剪切应力作为土床侵蚀的驱动机制。本研究表明，碰撞应力在土床侵蚀中也起着重要作用，侵蚀速率 ė 与强度归一化共生应力 NSNCS 之间的正相关关系证明了这一点，NSNCS 定义为基底碰撞应力与土床剪切强度的比值。这一发现与现场观察的假设一致，并强调了用粗颗粒建模流前沿以复制原型流动运动学的重要性。（3） 存在产生正孔隙水压的临界含水量。临界值 cor 对含水量做出响应，在该含水量下，土床的初始基质吸力等于不排水负载期间孔隙水压力的增加。当河床含水量低于临界值时，几乎不会产生正孔隙水压力并可检测到。（4） 泥石流侵蚀建模是一个复杂的过程，因为泥石流中碰撞应力的空间分布不均匀，含水率对非饱和土抗剪强度的影响是非线性的。没有明确考虑碰撞应力或未饱和土床的现有流变模型可能是对实际现象的粗略简化。这意味着迫切需要将土壤行为的水文和机械效应结合起来，以推进泥石流危害评估的现状。此外，高质量和系统的物理实验数据对于弥合数值模型和现场数据之间的差距以确保对泥石流危害的高保真预测至关重要。
