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基于透明土石混合体的水力侵蚀特性研究

刘汉龙, 钟文涵, 仉文岗, 周航, 王鲁琦, 顾东明

刘汉龙, 钟文涵, 仉文岗, 周航, 王鲁琦, 顾东明. 基于透明土石混合体的水力侵蚀特性研究[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(9): 1868-1877. DOI: 10.11779/CJGE20220714
引用本文: 刘汉龙, 钟文涵, 仉文岗, 周航, 王鲁琦, 顾东明. 基于透明土石混合体的水力侵蚀特性研究[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(9): 1868-1877. DOI: 10.11779/CJGE20220714
LIU Hanlong, ZHONG Wenhan, ZHANG Wengang, ZHOU Hang, WANG Luqi, GU Dongming. Hydraulic erosion characteristics based on transparent soil-rock mixture[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(9): 1868-1877. DOI: 10.11779/CJGE20220714
Citation: LIU Hanlong, ZHONG Wenhan, ZHANG Wengang, ZHOU Hang, WANG Luqi, GU Dongming. Hydraulic erosion characteristics based on transparent soil-rock mixture[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(9): 1868-1877. DOI: 10.11779/CJGE20220714

基于透明土石混合体的水力侵蚀特性研究  English Version

详细信息
    作者简介:

    刘汉龙(1964—),男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail: hliuhhu@163.com

    通讯作者:

    仉文岗, E-mail: zhangwg@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TU431

Hydraulic erosion characteristics based on transparent soil-rock mixture

  • 摘要: 土石混合体是一种力学性质极其不均匀的材料,其水力侵蚀过程往往也是复杂和难以预测的。现有的水力侵蚀试验往往难以观察土石混合体水力侵蚀过程的变化,而透明土石混合体是一种可以较好地还原真实土石混合体力学性质的相似材料。基于此,进行了透明土石混合体水力侵蚀模型试验。试验考虑了含石量、块石尺寸、固结压力3个内在因素及流量外在因素。对试验结果进行二维断面分析以及三维重构,结果表明:对于每个试样组,存在一个平均侵蚀速率及临界侵蚀流量,平均侵蚀速率越小、临界侵蚀流量越大表明试样抗侵蚀能力越强。试样的抗侵蚀能力随着含石量增大而先增大后减小,随着块石尺寸增大而先增大后减小,随着固结压力增大而增大。纯土试样在低流速冲刷下最终会趋于光滑、平缓的“S”型岸坡,而在高流速冲刷下会在前端形成较陡的坡,而后端土体几乎被冲走;土石混合体通常在水力侵蚀下呈块状剥离,最终形成表面粗糙的倒梯形岸坡。
    Abstract: The soil-rock mixture is a material with extremely uneven mechanical properties, and the hydraulic erosion process of soil-rock mixture is often complex and difficult to predict. The existing hydraulic erosion tests often have difficulties in the observing changes in the hydraulic erosion process of soil-rock mixtures. While the transparent soil-rock mixture is a kind of similar material which is of sufficient similarity to the real one. Based on the transparent soil-rock mixture, the hydraulic erosion tests are carried out considering the internal factors including rock content, block size and consolidation pressure as well as the external factor of flow capacity. The two-dimensional section analysis and the three-dimensional reconstruction of the test results show that there is an average erosion rate and the critical erosion flow for each sample group. The smaller the average erosion rate and the greater the critical erosion flow, the stronger the erosion resistance of the samples. The erosion resistance of the samples first increases and then decreases with increase of the rock content, first increases and then decreases with increase of the block size, and increases with the consolidation pressure. The pure soil samples will eventually tend to a smooth and gentle "S" bank slope under the scouring of low velocity, while a steep slope will be formed at the front end under the scouring of high velocity, and the soil at the back end will be almost washed away. The soil-rock mixture is usually peeled off in chunks under hydraulic erosion, eventually forming an inverted trapezoidal shore slope with a rough surface.
  • 近年来工程建设中出现了大量土石混合堆积体,有关土石混合体侵蚀的研究越来越被关注。从某种角度上讲,土石混合体侵蚀的概念是土壤侵蚀在新条件下的延伸、发展和特殊表现形式。故土石混合体侵蚀与传统土壤侵蚀在研究方法上存在共性,其试验研究的基本手段同样是小区尺度上的天然降雨、人工降雨和放水冲刷试验,研究对象则主要为工程建设中的土石堆积体、震区滑坡土石堆积体等。例如:张乐涛等[1]采用原位放水冲刷试验,对土石混合堆积体坡面土壤侵蚀水动力学特性进行了研究;李宏伟[2]采用人工模拟降雨试验的方法,对含砾石的黄绵土堆积体坡面水动力学参数及其产沙效应进行了研究。为克服现场试验存在影响因素不易控制、测量不够精确等不足,部分研究人员通过研制室内小型冲刷设备,开展室内冲刷试验。如:叶芳等[3]采用清水冲刷水槽试验探究河床的粗化效应;王力等[4]通过斜坡冲刷探究无黏性土与黏性土的冲刷启动与流速的关系;高晓静等[5]通过侵蚀函数测定仪,探究黏土的冲刷速率与起动切应力之间的关系,并提出冲刷黏性度的概念,作为衡量混合土体是否具有黏性冲刷行为的度量。

    透明土是一种用于研究土体力学性质的相似材料。透明土通过其固相与液相材料的折射率匹配的特点,使其从感官上是透明的。透明土一般可以分为砂土类透明土、黏土类透明土。砂土类透明土的原材料一般为透明石英玻璃砂、#15白油和正十二烷[6];黏土类透明土原材料一般为无定形硅粉、#15白油和正十二烷[7]。利用#15白油、正十二烷、气相二氧化硅以及石英玻璃块[8]则可以配制出透明土石混合体。透明土之所以可以用来模拟真实岩土体材料,是因为其物理力学性质与真实岩土体材料接近。孔纲强等[9]将透明玻璃砂与标准砂进行三轴固结不排水试验及直剪试验,发现相同级配下,玻璃砂透明土与标准砂土的抗剪强度相近,可用玻璃砂透明土模拟天然砂土。宫全美等[10]对120组透明黏土进行直剪固快和常规压缩试验,与典型黏土进行比对,发现其在抗剪强度和压缩性方面都与真实黏土有高度相似性。Xiang等[11]通过透明土研究了隧道失效的机理,而周东等[12]则通过透明土探究了被动桩侧土体位移的特点,成功验证了透明土用于模型试验的可行性。

    对于土石混合体侵蚀速率的研究,通常考虑4个因素:含石量、块石尺寸、固结压力及流速。在前人研究的基础上,结合透明土石混合体材料以及水力侵蚀的研究方法,得以实现土石混合体水力侵蚀作用过程的可视化,对了解土石混合体在水力作用下如何失效有很大的帮助。

    由于本文的土石混合体的土相为黏土,因此冲刷启动需要较大的起动流速,通常的明渠水槽试验难以满足起动流速的要求,故在冲蚀函数测定仪[13]的基础上,笔者自行设计了一套适用于透明土的水力侵蚀装置,如图 1所示。冲刷用油采用#15白油与正十二烷体积比为10∶4的混合液。为保证循环用油的黏度保持在一个水平,每冲刷4组试样,进行一次试验用油的更换。

    图  1  水力侵蚀装置
    Figure  1.  Hydraulic erosion device

    由于篇幅限制,透明土石混合体的配置方法参考文献[8]。为保证试样尽量不受扰动,制样直接在如图 2(a)所示的试样槽内进行,其中土槽部分尺寸为30 cm(长)×9 cm(宽)×5 cm(高)。制样步骤如下所示:

    图  2  试样制备与安装
    Figure  2.  Preparation and installation of samples

    (1)根据所需固结压力首先在另一容器内配制好透明土并进行预压固结(例如试验探究的是1.45 kPa固结压力则先预压1.45 kPa压力)。

    (2)将预压好的透明土与玻璃块分2~3层加入试样槽中并搅拌均匀、分层压实,最终保证填充完的试样稍微高出试样槽底部的凹槽,以确保固结完成后试样表面与管道底部齐平。

    (3)将试样槽放入如图 2(b)所示的特制真空桶里抽真空2 h。

    (4)在试样表面从下至上分别放上滤纸、钢丝网片、钢板和砝码,如图 2(c)所示,进行固结24 h,

    固结完成的试样表面基本与两端管道底部齐平。

    (5)将试样槽安装到装置上。如图 2(d)所示,试样槽两端与管道法兰连接,并嵌有止水带,保证试验过程中不会出现渗漏现象。

    数据记录主要依靠Work vision软件。步骤如下:

    (1)试验初始,开启推动器推进激光对试样由前往后进行一次全断面扫描并拍照,拍照间隔为4帧/s,一组全断面照片在50张左右,作为初始的三维状态照片。

    (2)关停推进器,将激光断面停至试样中间截面,开启油泵,将拍照间隔调整为1帧/s,开始进行第一次冲刷过程的拍照记录。

    (3)当截面有了较为明显的变化后,重复步骤(1),记录第二组三维全断面照片。

    (4)重复步骤(2),进行第二次冲刷过程拍照。当试样大部分都被冲走或基本维持不动后,停止试验,将照片分文件夹归类。一组试样基本有3~5组三维全断面照片和冲刷过程照片,数据量充足。

    水力侵蚀试验方案如表 1所示。水力侵蚀试验主要研究因素如下:固结压力、块石尺寸、含石量以及流速。试验采用控制变量法。其中固结压力是通过预试验确定的,太小的固结压力试样几乎没有强度,而过大的固结压力会导致极大的流速也难以发生侵蚀,从而选择了比较适中的固结压力。表中的每组因素均在4个不同大小的流量下进行冲刷侵蚀,由于各组试样条件不同,会导致抗侵蚀能力差异较大,每组的4个流量大小均视该组试样实际条件而决定。大部分组别流量均控制在35~50 m³/h,对应管道内的初始流速为2.16~3.09 m/s。水力侵蚀试验共计进行44组。

    表  1  透明土石混合体水力侵蚀试验方案
    Table  1.  Hydraulic erosion test schemes of transparent soil-rock mixture
    组别 固结压力/kPa 含土量/% 含石量/
    %
    块石粒径
    1A 2.90 100 0 13~15 mm
    1B 2.90 75 25
    1C 2.90 50 50
    1D 2.90 25 75
    2A 2.90 50 50 11~13 mm
    2B 2.90 50 50 15~20 mm
    2C 2.90 50 50 20~25 mm
    2D 2.90 50 50 11~13 mm,13~15 mm粒径组含量各为8.3%;15~20 mm,20~25 mm粒径组含量各为16.6%
    3A 1.45 50 50 13~15 mm
    3B 4.35 50 50
    3C 5.80 50 50
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    (1)分析方法

    在传统的冲刷侵蚀试验研究中,通常以土体损失的质量作为土体损失率的依据[14-15]。由于本试验是基于透明土石混合体的水力侵蚀研究,所以在试验中,将中间截面的试样面积变化作为衡量侵蚀损失率的指标。将冲刷过程中的试样断面提取为PNG格式照片,并导入Matlab进行像素统计。由于PNG格式具有透明背景属性,所以在Matlab像素统计中,除了试样部分的像素外一律为0。

    冲刷过程中,试样部分面积逐渐减小,由Matlab所读取的像素也相应减少,以像素的损失率作为二维截面损失率的依据,如式(1)所示,ε为试样损失率,Pinitial为冲刷开始时的试样图片像素值,Pcurrent为冲刷任意时刻试样图片的像素值。

    ε=PinitialPcurrentPinitial    
    (1)

    以损失率作为y轴,冲刷时间作为x轴,可以得到每一个试样的ε-t图。

    (2)平均侵蚀速率

    对于大部分试样的ε-t图,试验曲线均表现为非匀速侵蚀曲线。因此需要一个平均侵蚀速率ˉε来衡量各组侵蚀速率的大小。大部分侵蚀曲线在侵蚀的后期变得平缓,此段称为侵蚀Ⅲ期。将平均侵蚀速率定义为在试样进入侵蚀Ⅲ期前的试样损失率与冲刷时间的比值,如图 3所示。

    图  3  不同形态侵蚀曲线的侵蚀速率计算区间
    Figure  3.  Calculation interval of erosion rate of different erosion curves

    计算公式如式(2)所示,其中ˉε代表平均侵蚀速率,ε代表到达侵蚀Ⅲ期转折点时的损失率,t表示到达侵蚀Ⅲ期转折点时的冲刷时间。

    ¯ϵ=ϵt 
    (2)

    (3)含石量影响

    不同含石量下试样的平均侵蚀速率与冲刷流量的关系与冲刷流量的关系如图 4所示。可以看出,随着流量增大,各组试样的侵蚀速率也在增大。并且当流量达到一定值后,试样侵蚀速率会迅速增长,此流量值定义为临界侵蚀流量Qc。含石量为0的组,Qc为35 m3/h;含石量为25%的组,Qc为40 m3/h;含石量为50%的组,Qc为50 m3/h;含石量为75%的组,Qc<20 m3/h。由此可以推断,在块石没有组成主要受力骨架前,临界侵蚀流量随着含石量增大而增大,意味着试样抗侵蚀能力随含石量增大而增大。这与前人研究结论一致,在土壤中加入岩石可以降低土壤产沙量[16]。但当流量高于临界侵蚀流量时,土石混合体的损失率增幅显著大于纯黏土的增幅,说明此时土石混合体的抗侵蚀能力弱于纯黏土。

    图  4  不同含石量下平均侵蚀速率与冲刷流量的关系
    Figure  4.  Relationship between average erosion rate and scouring flow with different rock contents

    图 5(a)为0含石量下Q=50 m3/h的侵蚀情况。从图中可以看出,在没有块石的情况下,容易产生贯通试样的细沟从而导致土体大块剥离,而有块石的存在,则会阻挡细沟的发育,不易产生贯通的细沟,从而减缓了试样大块剥离的可能[17]。由图 5(b)可知, 含石量过高时,块石构成的骨架内部孔隙大,流体易通过大孔隙发生渗流,从内部侵蚀土石混合体。另外由于土成分占比少,内部渗流导致含水率急剧增大,试样的黏聚力下降,土体本身因处于悬浮状态更加容易被冲走,因此即使试样在低流量的情况下也会产生很大的侵蚀速率。而图 5(c)则既没有贯通冲沟产生,也没有显著的内部渗流现象,进而使得侵蚀速率下降。

    图  5  不同含石量试样变化图
    Figure  5.  Demonstration of sample change with different rock content

    图 6为不同含石量组的侵蚀曲线图。图 6中典型的曲线如图 6(a)1A组的第一图所示,分为3个阶段,前期缓慢冲刷的Ⅰ段,中期快速冲刷的Ⅱ段,及后期缓慢冲刷的Ⅲ段(即前文所述的侵蚀Ⅲ期)。对于此类曲线称之为三段型曲线,部分侵蚀曲线由于监测时间较短没有监测到Ⅲ段,如图 6(a)1A组第三图,也将其归纳为三段型曲线。对于没有Ⅰ段的曲线,如图 6(b)1B组的第三图,称之为二段型曲线。如图 6(b)(c)所示,土石混合体试样的侵蚀曲线均在Q= Qc的节点由三段型曲线变化为了二段型曲线。75%含石量试样,由于Qc<20 m3/h,因此图 6(d)所示的全部侵蚀曲线均为二段型曲线。说明临界侵蚀流量Qc与土石混合体侵蚀曲线的线型特征存在一定关联:当冲刷流量超过临界侵蚀流量时,试样侵蚀直接进入快速冲刷阶段。

    图  6  不同含石量下的侵蚀曲线
    Figure  6.  Erosion curves with different rock contents

    (4)块石尺寸影响

    不同块石粒径下的平均侵蚀速率与冲刷流量的关系如图 7所示。从图 7中可以看出,各粒径组的平均侵蚀速率在流量为35 m3/h时较为接近,但随着流量增大,20~25 mm粒径组以及混合粒径组的平均侵蚀速率明显要高于其余两组,而11~13 mm粒径组与15~20 mm粒径组始终保持着较为接近的状态,15~20 mm粒径组的平均侵蚀速率要稍微小一些。这说明较小的粒径能提高试样的抗侵蚀能力,在高流量下更为明显,且存在一个最优粒径使试样抗侵蚀能力最强。同样,单一粒径的级配比混合粒径的级配也更能够提升试样抗侵蚀能力。由图 7可以判断,11~13 mm,15~20 mm,20~25 mm粒径组及混合粒径组的Qc分别为40,45,35,35 m3/h。

    图  7  不同块石粒径试样平均侵蚀速率与冲刷流量的关系
    Figure  7.  Relationship between average erosion rates and scouring flow with different rock particle size

    普遍认为,无黏性的颗粒粒径越大,被冲走的难度应该更大,但本试验呈现出了不一样的结果。对于此,有研究也表明砾石粒径越大,侵蚀量越大[18]。进一步地,结合图 8进行细致分析。如图 8(a)所示,红色方框内在4 s内发生了由细沟到形成冲坑的渐进侵蚀。注意到在渐进侵蚀的过程中,玻璃块位于冲坑后端,并且减缓了试样剥离的速度,如同“兜网”一样阻拦了土体短时间内大块剥离。而在图 8(b)中,由于块石分布密度不足,在短短1 s内,细沟快速发育,形成了一个绕过块石的冲坑,土和石块被“连根拔起”一起冲走。在图 8(c)中,试样表面分布着零散的小粒径块石,但是由于分布不密集,单块小块石并不能起到很好的加固土体作用,而孤立的大粒径块石也较容易被冲走。因此,存在一个最优粒径(本文为15~20 mm),块石既可以较为密集地分布在土体内加固土体,也可以在较高的流量下保持相对稳定。

    图  8  不同粒径组试样变化图
    Figure  8.  Demonstration of sample change with different particle size group

    (5)固结压力影响

    不同固结压力下试样平均侵蚀速率与冲刷流量的关系如图 9所示。固结压力1.45,4.35,5.80 kPa所对应的临界侵蚀流量Qc分别为40,40,45 m3/h,Qc随着固结压力的增大而增大。当冲刷流量超过Qc后,平均侵蚀速率的增幅随着固结压力的增大而减小,说明固结压力越大,在高流量情况下的抗侵蚀能力也越强。

    图  9  不同固结压力下平均侵蚀速率与冲刷流量的关系
    Figure  9.  Relationship between average erosion rates and scouring flow under different consolidation stresses

    图 10可以看出,试样表面都是呈块状剥离,且侵蚀过程较为相似:首先形成冲坑,而后冲坑的迎水面逐渐被推平并后退,呈现为由上游向下游的渐进式破坏。但是固结压力较小的试样,土体本身的黏聚力及强度较弱,在流体切应力的作用下,裂缝可能由土体中产生,也有可能由土石结合部产生,从而产生大块剥离,如图 10(a)所示。而固结压力较大,土体本身的黏聚力较大,因此冲刷产生的裂缝往往是由接触较弱的土石结合部产生,试样也通常以小块剥离,如图 10(b)(c)所示,这也是固结压力越大,侵蚀速率越小的原因。

    图  10  不同固结压力下试样变化图
    Figure  10.  Demonstration of sample change under different consolidation stresses

    (1)分析方法

    将1.3节所述的不同断面图片进行时序排列,通过图片色调、亮度调整,二值化后,导入Avizo进行三维重构,其原理类似CT扫描。由此,可以得到侵蚀各个阶段的三维形态。

    (2)三维形态分析

    纯土体低流量情况下冲刷三维模型如图 11所示, 其中各分图左下方部分为y=14.5 mm的剖面图,黑色部分为无土体部分,代表冲坑,蓝色部分代表土体。从图 11可以看出,初始土体由于经过低流量冲刷浮土,表面已经存在微量冲坑,但总体表面保持相对平整。当t=1181 s时,在试样上游及下游段均形成了冲坑。而当t=2832 s时,上游大冲坑主要向下游继续发育扩大,各个冲坑形成贯通。同时,大冲坑也有向上游方向发展的迹象,但幅度远远小于向下游发育的幅度。在冲刷的最终态,冲坑互相衔接,试样呈现出“S”型冲刷态,并且冲刷面比较光滑,说明侵蚀过程是以面状侵蚀为主,以薄层形式逐层剥离[19]

    图  11  Q=30 m3/h时纯土三维模型
    Figure  11.  3D model for soil at Q=30 m3/h

    纯土体高流量情况下冲刷三维模型如图 12所示,其中各分图左下方部分为y=35.5 mm的剖面图。高流量冲刷下冲坑首先出现在试样中部。在t=86 s时,试样中部已经出现了见底的冲坑,且冲坑前端坡度较大,而冲坑后端坡度较缓,结合图 5(a)推测,原因为冲坑前端水流急速下切,形成陡坡,在土体剥离形成冲坑后,冲坑后段受到水流推移作用,冲坑逐渐向下游扩大并在后端形成较缓的坡度。当冲刷时间达到283 s时,冲坑已充分向后端发育,直至后端几乎所有土体都被冲走,而前端土体冲刷量则明显较少。值得注意的是,在x=75 mm附近,试样出现了一条长约75 mm的横向裂沟,水流通过冲沟将试样上游底部的土体掏蚀,水流掏蚀甚至将前端土体抬高,形成错层。这启示,在高流量情况下,平整河段亦可能因为水流下切作用在土层下部形成空腔,进而发生掏蚀、失稳。

    图  12  Q=50 m3/h时纯土三维模型
    Figure  12.  3D model for soil at Q=50 m3/h

    土石混合体低流量情况下冲刷三维模型如图 13所示,其中各分图右上方部分为y=14.3 mm的剖面图,其中灰色部分代表块石。从图 13可以看出,该试样在t=525 s时在右侧形成了一条宽约25 mm的冲沟,是典型的细沟侵蚀[20],而后冲沟有明显向两侧发育的迹象,最后形成如图 13(c)的大面积冲刷。从图 13可以看出在冲坑表面分布着许多块石,这些块石能一定程度阻挡细沟发育的深度,减缓试样的冲刷程度[19]。因此,在冲坑表面未被冲走的块石以及其加固的土体,造成了冲坑表面的不平整,明显区别于“S”形态冲坡。在冲刷的终态,土石混合体呈现前高后低的梯形态,并且试样的两侧较高,此处可能是由于边壁对试样的摩阻力影响而产生的边界效应所导致的。

    图  13  Q=35 m3/h时50%含石量土石混合体三维模型
    Figure  13.  3D model for soil-rock mixture with rock content of 50% at Q=35 m3/h

    土石混合体高流量情况下冲刷三维模型如图 14所示,其中各分图右上方部分为y=17.9 mm的剖面图。从图 14中可以看出,土石混合体在高流量条件下的冲刷形态与低流量下相仿。高流量下在冲刷的各个阶段均可见块石裸露于土体表面,且下游的侵蚀更为明显,呈现出由下游产生冲坑向上游发育的趋势。相较于纯土体在高流量情况下的冲刷,块石起到了加固作用,使下切水流无法产生如图 12(c)所示的贯通试样的细沟,但依然存在如图 14(c)的小冲坑。

    图  14  Q=55 m3/h时50%含石量土石混合体三维模型
    Figure  14.  3D model for soil-rock mixture with rock content of 50% at Q=55 m3/h

    图 15为44组试样冲刷终态的形心分布图。试样的初始形心位于(150,25,45)处,冲刷过程中,随着试样高度、形态的变化,试样的形心位置发生变化。从图 15可以看出,试样冲刷终态的形心大部分位于x < 150,y < 25,40 < z < 50的区间范围,说明冲刷过程中,试样的形心向上游移动,这代表下游土体的冲刷程度更为剧烈。y越小,试样形心降低程度越大,往往说明试样的冲刷程度越高。形心在z方向的分布说明冲刷沿z向存在一定的不均匀、不确定性。但总体上来说形心位置变化程度不大,基本维持在初始形心位置附近。观察形心在xoy平面的分布,容易发现,沿x=140 mm,y=30 mm划分为4个区,形心主要分布在Ⅱ、Ⅲ两区,即服从y越大、x越小的规律,说明冲刷程度越剧烈,上下游的高差也越大,容易产生坡降更大的冲坡。少数试样分布在Ⅰ区,这种情况往往是试样下游靠近边壁的部分冲刷较剧烈,而其余地方冲刷程度较小。

    图  15  冲刷终态形心分布
    Figure  15.  Centroid distribution of final erosion state

    依托透明土石混合体,开展了水力侵蚀模型试验,对土石混合体水力侵蚀特性展开探讨。得到以下3点结论。

    (1)在水力侵蚀过程中,存在一个临界侵蚀流量Qc,当流量超过此值时,侵蚀速率将迅速增大,Qc值可以表征试样的抗侵蚀能力,Qc越大,试样抗侵蚀能力越强。

    (2)试样的抗侵蚀能力随着含石量先增大而后减小,转折点为试样发生显著渗流;抗侵蚀能力随着块石尺寸先增大后减小,存在最优块石尺寸,即在这个尺寸下的块石,既可以组成抵抗侵蚀的“兜网”,自身也有抗侵蚀能力;抗侵蚀能力随着固结压力增大而增大。

    (3)纯土体在低流量冲刷下侵蚀呈层状剥离,最终形成表面光滑的“S”形冲坡,在高流量下则呈大块剥离。土石混合体在水力冲刷作用下侵蚀常以冲沟和冲坑的形式发育,呈块状剥离,冲刷终态基本为倒梯形形态。侵蚀流量越高,越容易形成上下游高差越大的冲坡。

  • 图  1   水力侵蚀装置

    Figure  1.   Hydraulic erosion device

    图  2   试样制备与安装

    Figure  2.   Preparation and installation of samples

    图  3   不同形态侵蚀曲线的侵蚀速率计算区间

    Figure  3.   Calculation interval of erosion rate of different erosion curves

    图  4   不同含石量下平均侵蚀速率与冲刷流量的关系

    Figure  4.   Relationship between average erosion rate and scouring flow with different rock contents

    图  5   不同含石量试样变化图

    Figure  5.   Demonstration of sample change with different rock content

    图  6   不同含石量下的侵蚀曲线

    Figure  6.   Erosion curves with different rock contents

    图  7   不同块石粒径试样平均侵蚀速率与冲刷流量的关系

    Figure  7.   Relationship between average erosion rates and scouring flow with different rock particle size

    图  8   不同粒径组试样变化图

    Figure  8.   Demonstration of sample change with different particle size group

    图  9   不同固结压力下平均侵蚀速率与冲刷流量的关系

    Figure  9.   Relationship between average erosion rates and scouring flow under different consolidation stresses

    图  10   不同固结压力下试样变化图

    Figure  10.   Demonstration of sample change under different consolidation stresses

    图  11   Q=30 m3/h时纯土三维模型

    Figure  11.   3D model for soil at Q=30 m3/h

    图  12   Q=50 m3/h时纯土三维模型

    Figure  12.   3D model for soil at Q=50 m3/h

    图  13   Q=35 m3/h时50%含石量土石混合体三维模型

    Figure  13.   3D model for soil-rock mixture with rock content of 50% at Q=35 m3/h

    图  14   Q=55 m3/h时50%含石量土石混合体三维模型

    Figure  14.   3D model for soil-rock mixture with rock content of 50% at Q=55 m3/h

    图  15   冲刷终态形心分布

    Figure  15.   Centroid distribution of final erosion state

    表  1   透明土石混合体水力侵蚀试验方案

    Table  1   Hydraulic erosion test schemes of transparent soil-rock mixture

    组别 固结压力/kPa 含土量/% 含石量/
    %
    块石粒径
    1A 2.90 100 0 13~15 mm
    1B 2.90 75 25
    1C 2.90 50 50
    1D 2.90 25 75
    2A 2.90 50 50 11~13 mm
    2B 2.90 50 50 15~20 mm
    2C 2.90 50 50 20~25 mm
    2D 2.90 50 50 11~13 mm,13~15 mm粒径组含量各为8.3%;15~20 mm,20~25 mm粒径组含量各为16.6%
    3A 1.45 50 50 13~15 mm
    3B 4.35 50 50
    3C 5.80 50 50
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-05
  • 网络出版日期:  2023-09-06
  • 刊出日期:  2023-08-31

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