內孤立波破碎后對斜坡沉積物的動力作用過程及特性實驗研究

李逸冰，劉樂軍*，周慶杰，惠揚

( 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.自然資源部第一海洋研究所 海洋地質與地球物理研究室，山東 青島 266061；3.中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580)

1 引言

內孤立波是一種特殊的非線性內波，其在運動過程中會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觀測到內孤立波再懸浮海底沉積物以來，內孤立波研究的視角從物理海洋學領域逐漸向對海底沉積物的動力作用上轉移[1]。近年來的研究表明，內孤立波為陸緣區提供了新的非對稱懸浮沉積物搬運機制，當距海底1 m以內的內孤立波流速超過10 cm/s時，再懸浮的作用就會大幅增強[5]，而且對懸浮沉積物的輸運量甚至要遠大于風生流、等深流等的輸運量[6]。目前，通過對南海陸坡進行現場觀測，認為內孤立波起動沉積物的水平速度約為0.5 m/s[7]，且觀測到的內孤立波導致的海底懸浮物濁度可達3～4 FTU。研究內孤立波對海底沉積物的動力作用在海洋的物質運輸以及陸坡形態塑造方面具有重要意義[8]。

內孤立波在沿坡運動的過程中，隨著水深變淺逐漸變形，產生強烈的紊動和剪切力。以內孤立波破碎點為界，破碎點前懸浮的沉積物被孤立波裹挾向上坡搬運[9]，隨后較粗顆粒的沉積物快速沉降而細粒沉積物則隨回流向遠岸輸運較遠距離[10]。有學者通過室內物理模擬對內孤立波與海底斜坡沉積物相互作用進行了更為細致的研究。喬路正等[11]對于內孤立波破碎位置處的動力響應情況進行了物理模擬實驗。但對于內孤立波破碎后運動過程以及該過程下斜坡沉積物的動力響應的研究尚有欠缺。

本文在前人研究基礎上，以南海北部陸坡沉積物與內孤立波為參照，基于室內水槽物理模擬實驗，分析了內孤立波破碎后繼續運動對坡上沉積物的作用機制。研究結果對研究內孤立波再懸浮運移海底沉積物、改造海底地形地貌具有參考價值。

2 實驗介紹

2.1 實驗設計

2.1.1 實驗水槽

實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×0.5 m×0.7 m（長、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）。通過調節下層鹽水的密度ρ2，產生不同振幅的內孤立波，振幅與密度關系詳見表1。

表1 實驗工況Table 1 Test conditions

圖1 實驗水槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of test sink

實驗采用重力塌陷的方式生成內孤立波，通過擋板間隔出造波區，造波區內上層水的厚度為0.25 m，長度為0.6 m，擋板內外上層水體的厚度差異形成重力差，撤出插板后產生內孤立波。在水槽內設置斜坡模擬海底地形，并監測坡上土層內孔隙水壓力和土壓應力。在斜坡坡中上方的水層界面處設置小威龍流速測量儀（ADV），監測流速變化。水槽尾端設置消波段，坡度為 45°。

2.1.2 實驗材料及斜坡

實驗用土的配置以南海 DLW3101 和 DLW3102孔頂層5 cm沉積物實測級配曲線為參考。將粉質土與高嶺土按1∶1的比例均勻混合配置成為實驗用土，級配曲線對比如圖2所示。

圖2 DLW3101 孔和 DLW3102 孔位置和粒徑級配曲線對比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的方式，實驗時鋪設3°和9°坡度的斜坡（圖3）。首先鋪設礫石骨架，礫石坡層厚0.25 m，并通過骨架調節坡度，然后在骨架縫隙中填入實驗用土，壓實后在其上鋪設4 cm的土層。平整坡面后在斜坡坡頂邊緣（1號檢測位）、坡頂中部（2號檢測位）兩個位置分別設置一組土壓傳感器和孔壓傳感器。傳感器布設完畢后，繼續在上方鋪設1 cm厚的土層。考慮到注水后坡面改變，在鋪設配置土層時多鋪設約5 mm的土層，以確保注水后的斜坡形態。

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

2.1.3 實驗方法

斜坡鋪設完成后，按照表1的設計參數，制備分層流體并靜置12 h，架設流速測量儀，待流體密度界面和斜坡土體力學性質穩定后，將擋板插入，擋板底部距水槽底部約0.1 m，將塑料膜鋪設在擋板右側水面之上，在塑料膜上緩慢注入染色淡水，將擋板右側的下層鹽水緩慢沿擋板底端擠壓至擋板左側，直至擋板右側染色淡水深度達到0.25 m，待水體穩定后抽出擋板造波（圖4），同時打開測試儀器進行數據采集與存儲，并使用高頻相機記錄內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。

2.2 數據處理

2.2.1 土壓和孔壓數據處理

在實驗開始前，先對各個土壓傳感器進行率定，得到輸出電信號與壓力之間的關系。根據二者間的關系將實驗中采集到的電信號轉化為壓力值，即標定

方程：

式中，p為壓力值；γ為電信號值；k、n為系數。

將實驗中記錄的坡腳和坡中的土壓數據進行歸一化處理，并繪制成土壓變化時程曲線；將實驗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程變化曲線（以內孤立波開始時間為 0 s）。

2.2.2 流速數據處理

實驗時，ADV測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輸出信號值導入Matlab軟件進行處理，得到x、y、z方向的流速與合成流速，其中x方向為內孤立波前進方向，y方向為水槽橫截方向，z方向為水槽垂向。

3 實驗結果

3.1 內孤立波流速

已有內孤立波研究發現，內波流速激增且水體運動方向與內波前進方向相反[12]。從圖5試驗結果可知，內孤立波經過ADV時，水體流速先增大后減小，且流速為正值，即方向與內波運動反向相反，與已有研究結果相互驗證。

圖5 模擬試驗ADV流速時程曲線Fig.5 ADV current rate time curves

對比不同深度層位的流速變化可以發現，振幅為12 cm時，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。當斜坡角度為9°時（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15 cm振幅時，9°斜坡（圖5d）出現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。此現象與緩坡對大振幅內孤立波的抑制作用有關，緩坡坡面較長，一方面使得波土間的摩擦力增大，另一方面促進了內孤立波的能量耗散，此現象也與杜輝等[13]實驗結果一致，進一步驗證了物理模型的可靠性。

內孤立波在斜坡行進過程中，流速增幅受到斜坡坡度的影響，在相同振幅的內孤立波條件下，陡坡能產生更大的水體流速。

3.2 超孔隙水壓力結果

由圖6可知，兩種振幅內孤立波在3°斜坡的1號檢測位超孔隙水壓力均出現了上升：12 cm振幅時上升后逐漸穩定（圖6a）；15 cm振幅時表現為上升，但期間出現了較大幅度的波動（圖6c）；而2號檢測位傳感器均出現負超孔隙水壓力的現象：12 cm振幅時負超孔隙水壓力持續減小（圖6b）；15 cm振幅時超孔隙水壓力在?9 kPa上下波動（圖6d），推測實驗土發生液化[14]。結果表明2號檢測位處的沉積物動力響應強于1號檢測位。

圖6 不同振幅作用下3°斜坡不同位置超孔隙水壓力時程曲線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，1號檢測位（圖7a）和2號檢測位（圖7c）處超孔隙水壓力均發生上升，并產生了超孔隙水壓力的積累，且2號檢測位超孔隙水壓力積累量大于1號檢測位；而15 cm振幅時，1號檢測位（圖7b）和2號檢測位（圖7d）均出現了負超孔隙水壓力并持續下降，也觀察到了坡上沉積物再懸浮的現象，表明坡上土層的穩定性受到破壞。且2號檢測位處動力響應更為劇烈。

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 內孤立波破碎后斜坡動力響應分析

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

超孔隙水壓力響應結果表明，坡頂邊緣和坡頂中部的動力響應強度不同，坡頂中部位置動力響應強于坡頂邊緣位置。在兩種振幅內孤立波作用下，3°斜坡坡頂邊緣位置未發現再懸浮現象，而坡頂中部位置發現了微弱的沉積物再懸浮現象。結合表層土壓強變化時程曲線（圖9）可以發現，沉積物表層土壓波動，并且觀察到沉積物再懸浮的現象。

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，在緩坡內孤立波耗散作用下使得12 cm和15 cm振幅內孤立波造成的水體流速增量相似（圖5a，圖5b），進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力響應差異的主要因素。因此推測12 cm振幅于坡頂中部位置時，表層土壓力發生較大的減弱（圖9b），水體中垂向吸力增強，坡頂中部位置可能有新的渦旋生成；15 cm振幅時，表層土壓沒有出現較大的增強或者減弱（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可能反映土顆粒間滲流作用的增強，使得沉積物發生液化（圖6d），從而滲流力成為影響沉積物動力響應的主要因素。

圖8 內孤立波破碎時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程曲線Fig.9 Soil-pressure time curves at the top edge and middle of the 3° slope

在9°斜坡，內孤立波產生的水體流速增大，反映波土間產生了更強的底部水流。在12 cm振幅時，坡頂中部位置土壓出現了增大（圖10b），表明水體產生了向下的作用力，推測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爬升，初始速度耗盡后下落內卷，使得表層沉積物所受壓力增大，而土顆粒間的滲流力增長較小，總土壓力上升。而在15 cm振幅時，內孤立波破碎使土體產生較大的滲流作用，且內孤立波破碎位置較前，在行進過程中受底部摩擦力的作用，速度耗散大，進而使坡頂中部位置動力響應由滲流力主導。

綜上所述，在內孤立波破碎后繼續行進過程中，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果，斜坡坡度會造成動力作用的變化但不影響斜坡沉積物動力響應過程由哪種動力作用主導及各動力組分產生的作用效果。而內孤立波的振幅不同，斜坡沉積物所受的動力因素也不同，在小振幅時由渦旋作用主導，在大振幅時由滲流作用主導。

4.2 動力作用過程分析

通過對坡頂邊緣和坡頂中部位置處的動力響應分析推測內孤立波破碎后存在新渦旋，即內孤立波破碎后在斜坡坡面形成了很強的底部水流，形成的水流在沿斜坡沖出坡頂位置后受重力作用，會在坡頂邊緣之后形成渦流，進而使得坡頂中部沉積物受到更大的作用力。使沉積物發生再懸浮如圖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程（圖9b，圖10b），表明新生渦旋產生了不同方向的垂直流速。推測在緩坡條件下，內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，水土間的摩擦力產生了較大的能量耗散，在沖出坡頂位置時沒有足夠沖量向上爬升（圖12），僅因斜坡角度的改變發生內卷，產生向上的通量，使得土表面壓力下降。相反，陡坡時內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力擾動。

圖10 9°斜坡坡頂邊緣和坡頂中部土壓時程曲線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，在內孤立波破碎后形成的水流在沿斜坡沖出坡頂位置后，會在坡頂上方形成新的渦旋，而受到斜坡坡度的影響，造成新生渦旋對斜坡沉積物動力的改變。

5 結論

本文通過物理模擬試驗，研究斜坡坡頂邊緣和坡頂中部兩個位置的孔壓傳感器和土壓傳感器變化特征以及觀測到土再懸浮現象，分析了內孤立波破碎后繼續運動過程中斜坡沉積物的響應過程，給出坡頂邊緣和坡頂中部兩個位置作用力的差異原因，結論如下：

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

（2）內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，在大振幅條件下由滲流作用主導。

（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力響應大小受斜坡坡度的影響。