Evaluation of laboratory methods to quantify particle size segregation using image analysis in landslide flume tests
01摘要
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滑坡由各种粒径的颗粒组成（例如泥流），其流动结构由颗粒尺寸分离引起。分离会影响流动的流动性、泥流扇的发展以及设计屏障和防护结构时预计产生的冲击力。为了在数值模拟中捕捉可分离材料的流动动力学，需要量化最终沉积物中分离情况的实验数据集。然而，测量分离并不是一件简单的任务，因为在外部透明边界观察到的分离可能并不代表由于侧壁摩擦导致的滑坡体内部的分离。在本文中，我们探讨了在大型滑坡水槽试验中使用四种不同的策略来光学测量颗粒尺寸分离，并比较了 (i) 在外部透明水槽边界处进行的测量；(ii) 使用薄透明平面作为沿流动中心的分流板；并在流动停止后使用 (iii) 垂直或 (iv) 水平插入透明板到静态沉积物中。推导并验证了三分散混合物的投影面积（即侧壁图像）测量浓度与质量浓度之间的关系，以评估哪种采样方法最接近原始源体积。在测试的四种策略中，透明分离平面法被确定为导致粒子平面分离最少，提供了丰富的高度详细观察三分散颗粒流分离的数据库，可用于评估未来的数值模型结果，并推荐用于未来的实验室水槽调查。
02图表
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03结论
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滑坡沉积物中的流动结构对于从地形学角度解释滑坡机制非常重要。颗粒大小分离是滑坡（如泥流、岩石雪崩和碎屑雪崩）过程中可能出现的一个关键特征：鉴于分离的数值模型通常是通过此类实验进行验证的，因此将现场分离的物理表现与受控实验室条件下的分离联系起来非常重要。实验室水槽实验中分离量化的关键问题在于，在透明外部边界处捕获的颗粒大小分布的视觉观察结果是否与内部测量结果有显著差异。然后出现的第二个问题是，通过插入透明平面进行采样是否会在分离测量中引入偏差。作为回答这些问题的第一步，我们推导出三分散混合物的分析关系，以便在后续的水槽实验中使用，以便将按面积计算的侧壁浓度转换为按质量/固体体积计算的浓度。小规模实验证实了这种关系，并强调需要进行重复测试以考虑统计变异性。使用 0.6 立方米质量均匀的三分散颗粒进行的 19 次重复滑坡水槽测试表明，总体流动行为一致，最初流动前沿快速而高，随后流动尾部变慢变薄。重复测试被用作一种策略，以提高对颗粒尺寸分离程度进行量化的准确性。
在重复试验中，对水槽外侧壁的观察显示出非常明显的纵向偏析，具有粗粒前部、过渡区和细粒尾部。此外，从该侧壁数据可以看出，垂直偏析在沉积物的过渡区中非常突出。然后进行了多组重复试验，以探索三种内部采样策略，以量化沉积物中心和外部透明窗口处的粒度分布差异。使用内部固定平面方法生成的内部横截面显示出纵向偏析的证据，但是，这些模式与从外部水槽侧壁看到的模式不匹配。观察到过渡区边界比从侧壁看到的更靠近沉积物前部，这可能是由于边界相互作用长度的差异造成的。此外，发现按面积划分的粒度浓度在内部固定平面沉积物的尾部比在侧壁更一致。玻璃平面垂直插入沉积物无法以受控且一致的方式进行，因此未进一步研究。将薄玻璃平面水平插入沉积物中心线产生的沉积物前部偏析程度与使用内部固定平面方法产生的偏析程度相似。然而，在初始前部之后，纵向偏析明显不那么明显。发现将平面逐渐插入沉积物会造成比预期更大的干扰，尤其是在垂直粒子重排方面。否则，该方法的结果与水平插入法的结果比固定内部平面法的结果更接近。所有内部沉积物观察方法的结果都比从外部侧壁获得的结果更一致。这进一步证实了在相关颗粒流研究中需要增加使用内部观察并减少对侧壁观察的依赖。对整个沉积物使用不同方法测量的浓度进行整合，可以评估结果是否代表原始源体积。外部侧壁的结果与原始混合物的变化最为显著，最大（12 毫米）颗粒的存在相对较大。大颗粒的存在增加表明，沿边界的剪切导致大颗粒优先被输送到流动边缘，就像在自然无约束泥石流中发生的情况一样。相反，内部静止平面方法产生的整体浓度最接近原始源体积。可以推断，这种方法导致的平面外颗粒分离量最少，这是由所采用的测量技术造成的。总体而言，这项工作为未来开发分离理论模型和校准分离数值模型提供了有价值的数据集。说明了侧壁对颗粒尺寸分布的影响，研究了内部沉积物观察技术，并认为固定内平面法是未来工作中最实用的方法。未来对颗粒流的研究应减少对外部侧壁观察的依赖，并强调内部观察，以进一步加深对颗粒流中分离动力学的当前理解。
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