陸架斜坡對內孤立波的動力響應特性試驗研究

李逸冰，劉樂軍*，高珊，張毅，熊學軍

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

1 引言

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

最近幾年，研究者通過現場觀測、實驗室物理模擬和數值模擬等方法，研究內孤立波與沉積物間的動力作用，如內孤立波淺化過程中底部邊界的變化[8]，內孤立波對沉積物的再懸浮的作用[9-15]以及內波入射到不同類型海底發生的動力及能量轉化過程[16]。而在眾多內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孤立波破碎引起的強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，對于內孤立波從淺化到破碎前的階段，海底沉積物所產生的動力響應過程研究較少。實際上，在內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，且不同坡度的陸架斜坡對內孤立波作用的響應亦有差異。為此，本文開展了海床沉積物在內孤立波行進過程的動力響應研究，通過開展室內水槽物理模擬實驗，研究內孤立波振幅與坡度對海床沉積物動力響應的影響。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

試驗在中國海洋大學環境科學與工程學院的波浪水槽中進行。水槽尺度為12.5 m（長）×0.5（寬）m×0.7 m（高），如圖1 所示。內孤立波生成區在水槽右側（靠近水槽的造波段），造波采用重力塌陷的方式，通過調節上、下層流體的密度差以產生不同振幅的內波。生成的內波經傳播區（水槽中段）到達波土作用區（靠近水槽的消波段），該位置設置斜坡（坡高0.3 m）來模擬陸坡地形（圖1）。

圖1 實驗水槽設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental water sink design

鎖定區域的長度為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，通過調節上層、下層流體的密度差產生不同振幅的內孤立波，具體參數見表1，且保證所產生的內孤立波均屬于下凹型。

試驗所用土體為取自黃河三角洲的粉質土，其粒徑級配如圖2 所示。根據試驗需要設置不同坡度（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傳感器埋設位置相同，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，并將支架埋設在斜坡斜面上。

表1 實驗室模擬內孤立波的設計參數Table 1 Design parameter of laboratory simulation internal solitary wave

圖2 實驗用土粒徑級配曲線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 試驗過程

共進行了9 組（3 個坡度和3 個振幅）水槽模擬試驗，每組試驗的步驟相同。

（1）在水槽內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在水槽中。

（2）待斜坡制作完成，在斜坡表層設置傳感器，各儀器布設完畢后，接通主機進行調試。

（3）按照表1 的設計參數，制備分層水，鹽水深度設置為0.4 m，上層染色清水深度為0.1 m，注水完成后靜置24 h，使得斜坡土體力學性質穩定。

（4）待土體和水體基本穩定后，打開各測試儀器進行數據采集與存儲。

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

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

每一組實驗結束后，放空水槽，將水槽內的斜坡清理出去，并按下一組實驗參數重新鋪設，重復實驗步驟。本實驗實驗設計和過程參考文獻[22]。

2.3 數據處理方法

將試驗過程中記錄的坡腳、坡中和坡頂等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=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行分析時，將試驗中記錄的坡腳和坡中的壓強數據進行歸一化處理，并繪制成壓強變化時程曲線。在時程曲線繪制過程時，將內孤立波開始時間定為0 s。

3 試驗結果

3.1 不同坡度斜坡孔壓響應特征

通過比對不同坡度斜坡在相同振幅內孤立波作用下，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律。每個過程中，行進的內孤立波特性均相同，振幅為12 cm，周期為15 s。

如圖4a、圖4c 和圖4e 所示，當內波行進通過斜坡上方時，不同坡度斜坡的坡腳均發生了超孔隙水壓力上升的情況。具體表現為：（1）超孔隙水壓力上升后逐漸穩定且沒有下降，表明在內孤立波通過斜坡坡腳上方沉積物時，會發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定的時間長度可以發現，內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生積累，9°斜坡的坡中沉積物產生了超孔隙水壓力的積累，但積累量遠小于9°斜坡坡腳沉積物。坡中和坡腳沉積物超孔壓響應的差異，表明在內孤立波爬坡過程中的動力效應發生了改變。

為揭示圖4b 中3°斜坡坡中出現負壓力現象的意義，通過試驗過程觀察到，15 cm 振幅內孤立波破碎引起9°斜坡的坡頂出現明顯的斜坡沉積物懸?。▓D5），并繪制其超孔隙水壓力時程曲線（圖6），發現9°斜坡的坡頂沉積物超孔隙水壓力時程曲線為負值并持續減小。據此分析，當超孔隙水壓力為負且持續減小時，斜坡沉積物的穩定性發生了破壞。而在圖4d 中6°坡坡中出現的負壓力回彈過程，在內孤立波作用前后，其超孔隙水壓力并未發生改變，在實驗過程中也沒有觀察到沉積物質懸浮的現象。因此可將內孤立波在該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特征

圖7 為3°斜坡坡腳和坡中在不同振幅內孤立波作用下（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而言，在內孤立波振幅逐漸增大的情況下，沉積物表現為一個由超孔隙水壓力積累到沉積物穩定性破壞的過程。其中，在14 cm振幅作用下，3°斜坡坡腳出現階梯狀攀升，且變化量級穩定，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，具體表現為：12 cm 振幅作用下坡中超孔隙水壓力出現負值并持續減小；14 cm振幅作用下坡中超孔隙水壓力出現負值但變化程度很??；15 cm 振幅作用下坡中超孔隙水壓力上升。我們認為此現象是由于內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生了垂向混合。

4 分析與討論

4.1 內孤立波通過時斜坡孔壓響應分析

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

通過甄別內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的差異（圖9），總結斜坡坡度對沉積物動力響應的效應。

就斜坡相同位置(坡腳或坡中)對內孤立波動力作用的響應程度而言，3°斜坡響應程度變化大，6°斜坡次之，9°斜坡最小，明顯出現隨著坡度的增大響應程度減小的現象。該現象表明緩坡沉積物的對內孤立波動力作用的響應更加敏感。而無論振幅還是位置變化，3°斜坡總是最先達到較為穩定的狀態，即最快完成動力響應，6°斜坡次之，9°斜坡最慢。體現了動力響應的時間隨著坡度的增大而延長，且斜坡動力響應的時間也隨著內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，因此單獨繪制了9°斜坡超孔隙水壓力時程曲線（圖10）。可以發現，9°斜坡坡腳在振幅增大后，并未像其他角度斜坡一樣，穩定性發生破壞。這進一步表明內孤立波的動力效應會隨著斜坡坡度的變化而發生改變，斜坡坡度的增大會引起沉積物的動力響應程度的減弱。綜上，在相同振幅條件下，緩坡沉積物動力響應的程度比陡坡沉積物大，而隨著振幅的增加，緩坡發生動力破壞程度大于陡坡。

4.3 斜坡坡腳沉積物動力響應過程分析

通過實驗觀察到，坡腳沉積物隨著內孤立破振幅增大，超孔隙水壓力出現由近似直線上升（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，而振幅的增大會導致超孔隙水壓力的釋放增加。

圖8 模擬內波通過各角度斜坡坡腳處的孔壓響應時程曲線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），分析并總結規律。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°斜坡坡腳出現了負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，在內孤立波對沉積物坡腳造成的動力作用達到峰值時，如果不足以使斜坡沉積物穩定性發生實質性的破壞，內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 內孤立波爬坡過程中動力效應變化分析

通過模擬結果發現，坡中位置處的孔壓響應與坡腳處存在差異（圖7）。理論上，振幅增大可以提供更大的動力作用，進而產生更大的破壞。而實驗結果發現，坡中位置隨著內孤立波振幅增大破壞程度反而減小。這表明內孤立波在爬坡過程中的動力效應出現了變化。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變化時程曲線（圖12），分析斜坡表面壓強的變化情況，進一步分析內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，內孤立波的穩定性較大程度地減弱，導致沉積物表層壓強發生了更大幅度的振動，使得沉積物穩定性破壞。14 cm 振幅作用下，坡中表面壓強的振動幅度略大于坡腳，但整體差別不大。14 cm 振幅條件下，內孤立波更加穩定。而15 cm 振幅作用下，坡中表層壓強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，內孤立波更加穩定，內孤立波不穩定只是削弱了內孤立波動力作用的能量，并未造成其他過程。綜上，小振幅內孤立波在爬坡過程中的穩定性差，與其附加動力作用共同作用，進而會對斜坡沉積物造成更大的動力作用，而大振幅內孤立波在爬坡過程中更為穩定，但也會使得內孤立波本身對斜坡的動力作用受到削弱，此結果與杜輝等[23]的實驗結果類似。

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 結論

基于水槽物理模擬實驗，模擬了單次內孤立波的運動過程，分析了斜坡沉積物在內孤立波作用下的動力響應狀況，得出結論。

（1）內孤立波通過斜坡坡腳沉積物上方時，會發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的幅度比陡坡沉積物大。且隨著振幅的增加，緩坡發生動力破壞程度大于陡坡。

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

（3）小振幅內孤立波在爬坡過程中的穩定性差，與其附加動力作用共同作用，進而會對斜坡沉積物造成更大的動力作用，而大振幅內孤立波在爬坡過程中更為穩定，但也會使得內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，內孤立波對沉積物坡腳造成的動力作用達到峰值時，如果不足以使斜坡沉積物穩定性發生實質性的破壞，內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，最終造成超孔隙水壓力的積累。