Page 32 - 2021年第19卷第5期

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和 Moffat 通过试验研究了颗粒级配对无黏性土管涌的影响，朱炳等 通过数值模拟研究了不良级配
粗粒土的管涌演化过程。
虽然裂缝集中渗流冲蚀是常见的渗透破坏形式，但与管涌相比，国内外相关研究成果相对较
少。国内现有研究成果主要以案例为主，从工程应用的角度出发，基于室内试验，研究不同土料的
裂缝冲蚀特性及自愈机理。如车雯方等 ［10］ 研究了渠基膨胀土的裂缝冲刷演化形式，孙东亚等 ［11］ 指出
裂缝冲蚀是堤坝涵管接触冲刷的影响因素之一，刘杰和罗玉再 ［12］ 研究了国内五个地区的典型黏性土
裂缝后的自愈机理与反滤层的防护作用，张朝晖和李振 ［13］ 研究了水流对土石坝心墙裂缝在反滤层保
护下的冲蚀特性，党进谦等 ［14］ 研究了心墙土料的分散性对裂缝冲蚀的影响。国外则主要是研究土料
性质对裂缝冲蚀速率的影响，从而用于分析评价裂缝水力冲蚀条件下的大坝溃决风险 ［15-17］ 。
堤坝渗透破坏的判别指标是室内试验和大坝安全评价的前提。当前国内外以临界水力梯度作为
管涌起动判别指标的观点较一致，而关于裂缝集中渗流冲蚀的起动判别指标，国内外却未统一，
当前主要应用的有水力坡降、流速和水力剪应力三个指标。国内现有试验规程中未见有关裂缝集
中渗流冲蚀的内容，发表的文献则主要是直接借用管涌判别指标水力坡降来作为渗流冲蚀的判别
指标 ［12-13］ 。国外规范和文献中主要是从冲蚀机理的角度出发，利用水力剪应力来作为起动判别指
标 ［6］ ，并且结合此指标对土料抗冲蚀能力进行了分类 ［15-19］ 。Arulanandan 和 Perry ［18］ 在对已有裂缝冲蚀
测试研究回顾的基础上，开展了一些裂缝集中渗流冲蚀试验，认为土体的冲蚀起动指标可以采用
临界水力剪应力，并可用水力剪应力对含细粒的心墙的抗冲蚀性能进行分类。Shugar 等 ［19］ 通过原
位 试 验 研 究 了 黏 性 土 河 床 的 抗 冲 蚀 性 能 ， 指 出 水 力 剪 应 力 可 以 表 明 材 料 的 抗 冲 蚀 能 力 。 Wan 和
［15-16］
Fell 则 直 接 利 用 水 力 剪 应 力作为冲蚀起动判别指标，通过资料收集与室内试验，研究了基于水
力剪应力的土料抗冲蚀能力及冲蚀速率，并在此基础上提出了基于冲蚀率指数的土料抗冲蚀能力分
类方法。泥沙起动机理与裂缝集中渗流冲蚀相近，但其冲蚀起动的判别方法也不唯一，有水力剪应
力、概率、颗数计、输沙率、可动层等 ［20］ 。
确定起动判别指标是裂缝集中渗流冲蚀研究的关键。国内外判别指标不一致，并且不同指标间
的相互关系也不明确，直接影响到国内外研究工作的相互借鉴。鉴于此，本文试图通过土体水力冲
蚀机理和裂缝渗流时流体对土体的作用力，分析裂缝集中渗流冲蚀中水力坡降、流速和水力剪应力
三个判别指标之间的相互关系，并对比分析各判别指标的适用性，从而为今后堤坝裂缝集中渗流冲
蚀的室内试验和计算分析提供有益借鉴。

2 流体冲蚀机理

虽然堤坝裂缝集中渗流冲蚀的研究较少，但流体力学、泥沙动力学、水土保持、桥梁等相关领
域已就流体对土体冲刷的相关机理进行了大量的研究 ［21-25］ ，这给堤坝裂缝集中渗流冲蚀研究提供了有
益借鉴。
流体具有黏滞性，在运动过程中当流层之间流速不同时，会因黏滞性而产生摩擦力，一般用式
（1）所示的牛顿内摩擦定律表示 ［21］ ：
2
τ = με ̇ = μ d x = μ du （1）
drdt dr
式中：τ为摩擦力，也常称为切应力； μ为动力黏滞系数，用于反映液体的性质对摩擦力的影响，是
du
随液体种类不同而异的比例系数；ε ̇ 为剪应变率，即剪应变随时间的变化率；u为流体流速； 为流
dr
速梯度，实质上代表液体微团的剪切变形速度。
水力冲蚀是流体对固体界面的作用效果。当流体与固体表面相接触时，受流体黏滞性和固体边
界的影响，流体流速会发生变化，流体内部质点之间产生相对运动，从而导致流体对固体表面产生
切应力，同时也导致流体产生水头损失 ［21］ 。流体在流固表面间的切应力又可称之为水力剪应力。该
力是泥沙起动、水土流失、道桥基础冲刷的主要作用力，同样也是堤坝裂缝冲蚀的主要作用力 ［21-25］ 。
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