| Debris-flow monitoring on volcanoes via a novel usage of a laser rangefinder |
01摘要
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我们进行了一系列的实验室实验，以澄清流体-泥浆和颗粒流动行为之间转变的本质。采用多台摄像机和目视示踪仪测量了半圆形通道中泥石流的表面速度结构和流头速度，同时在出口室使用称重传感器记录了质量流量。其他流变试验分别计算了泥石流混合物的屈服强度和基体粘度。通过改变通道半径和坡度，每种混合物的剪切速率变化了近一个数量级。考虑到适度的坡度（10.7 -15.2 ），剪切速率明显高于预期（6-55秒1）。较大的数值主要是由于剪切集中在中心不变形桥塞和侧壁之间的狭窄带中。因此，通过使用剪切带宽度和堵头速度来计算感兴趣的剪切速率，而不是使用流动深度和锋面速度。泥石流体主要表现为有限屈服强度的流体-泥浆行为和剪切-减薄流变学，而前缘或前缘经常观察到摩擦行为。沙子或少量粘土的加入往往使流动体表现得更像宾厄姆（即，在剪切应力超过屈服应力的情况下，更接近线性粘性流动）。沙子的加入也倾向于加强鼻部的摩擦行为。向摩擦颗粒流动行为的转变首先发生在锋面，体摩擦数约为100。在意大利阿尔卑斯山脉的一个联合野外遗址也观察到了类似的行为。在实验中，我们假设鼻部-颗粒-流动的转变是由于流锋面最粗的物质集中，鼻部附近的剪切减少以及从鼻部到床层的基体损失造成的。尽管砂嘴处有摩擦作用，但体内的流动阻力几乎总是由屈服应力和剪切变薄特性调节，尽管体积含砂量超过50%，但没有明显的边界滑移。
02图表
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03结论
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从流体-泥浆到颗粒流动行为的转变相当复杂，并且发生在比先前实验约束预期的摩擦数低得多的情况下（Iverson 1997b）。当体摩擦数低至100时，在流口处观察到摩擦相互作用。尽管在前方存在摩擦相互作用，但所有实验的物体都保持流体状态，并且可以最好地用非牛顿（剪切薄宁）流体流变学来描述，包括有限的、恒定的屈服强度。分析表明，我们的混合物的原位流变学为中等剪切变薄（）。增加粘土和沙子con- 0.4 ！n !0.7时，流变学更趋于宾厄姆式（n近似统一）。添加粘土的效果特别明显。
我们所有实验的相关剪切速率都超过5 s1，大多数超过20 s1，即使我们的斜坡相对温和（10 -15 ）。早期工作提出的假设(O 'Brien and Julien 1988；Phillips and Davies 1991；Iverson 1997b)认为剪切速率大于5-10 s1是不寻常和不相关的。然而，这些结论是基于剪切在整个流动中均匀分布的假设。在我们所有的实验中，剪切在流动边界处相当集中。低剪切速率（!）5 s1)确实发生在鼻部和不变形的塞局部。在某些情况下（超过粗略定义的临界临界体摩擦数100），这些低剪切速率和一套动态分选和剥离机制共同导致流锋的摩擦联锁。在一些较粗碎屑混合物的实验中，这些摩擦流嘴的阻塞效应导致整个水流在水槽中停止，但只有在摩擦流嘴被上游形成的流体压力推到相当远的距离之后。
原位流变学结果与早期研究一致(Major和Pierson 1992；cousot和Piau 1995)，观察到剪切速率大于5 s的天然泥石流混合物（没有显著的砾石成分）的剪切变薄或Bingham流体行为1。然而，Phillips和Davies（1991）以及Major和Pierson（1992）报道了富含砂石的泥浆中非常高的瞬时剪切应力，他们将其归因于颗粒材料簇和链的静止形成。这种摩擦行为的发生表明，对于含砂量超过20%的危险区域，在与泥石流跳动相关的应变率下，流体流变假设被打破。然而，在与泥石流跳动相关的流动条件下，我们观察到含砂量超过50%（体积比）的自由表面流动中的流体流变逻辑行为。在某种程度上，这是因为在我们所有的实验中，窄带的剪切浓度维持了高剪切速率。此外，自由表面流动可能对瞬态颗粒团簇和链的形成不太敏感，因为这些颗粒团簇不太可能被困在固体边界之间，而不是在同轴或锥形和平板粘度计中。
在我们的自由表面实验中，向摩擦行为的转变只发生在较低剪切速率和一套动态排序和剥离机制共同导致流锋面摩擦联锁的流锋面。供应罐内的沉淀和分层被明确排除为导致粗口和干口的潜在原因。此外，我们已经证明，单独作用的动态分选机制（例如，动态筛分）不足以触发摩擦口的快速形成和再形成。我们假设流锋处较粗物质的动态浓度增加了局部摩擦数，从而抑制了内部变形并触发了一系列正反馈，这些反馈会迅速导致口部区域的大规模摩擦联锁。尽管实验设置在碎屑的最大尺寸和浅层实验流中产生的小应力的大小方面存在局限性，但我们预计，场尺度泥石流中的宏观粘性到摩擦过渡可能通过类似的一套机制发生，并且应该在大约相同的摩擦数ber下发生。在我们看来，将实验结果转化为现场尺度的最大障碍在于阻止在用于衡量流动状况的无量纲标度数中挖掘代表性粒度d和“流体”粘度m的适当值。
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