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中裂缝大小难以确定的条件下，建立堤坝土料性质与集中渗流冲蚀发育速率的关系，对于堤坝填筑
材料选取、应急预案制定与应急抢险等均具有重要的意义。国外科研人员 ［16，28-29］ 利用水力剪应力冲蚀
起动判别指标，并结合式（15）所示的冲蚀速率表达公式，对堤坝集中渗流冲蚀起动与发展过程进行
了研究，展示了水力剪应力判别指标的合理性与实用性。
［16］
利用水力剪应力作为起动判别指标，Wan 和 Fell 针对 13 个不同类型的土样开展了集中渗流冲
蚀试验，并利用式（15）中C e 土体冲蚀系数，定义了冲蚀率指数：
I = -log( ) （16）
C e
其中，土体的冲蚀系数C e 根据裂缝冲蚀试验确定的裂缝冲蚀速率ε ̇ t 、起始水力剪应力τ c 、冲蚀水
力剪应力τ及式（15）确定：
)
(τ - τ c
C e = （17）
ε ̇ t
利用室内观察到的冲蚀发展速率ε ̇ t 与式（16）定义的冲蚀率指数，Wan 和 Fell 对包括美国 Teton 坝
在内的 14 个渗透破坏诱发溃坝的实例进行了分析 ［28-29］ ，坝料地质成因涉及冰碛、残积、风积、冲
积、崩积等。在室内试验确定的这些溃坝实例土样的冲蚀率指数及实际溃坝用时统计分析的基础
［16］
上，Wan 和 Fell 发现冲蚀率指数与冲蚀发育过程紧密相关，并对冲蚀发展速率进行了进一步细分，
具体如表 2 所示，从而为集中渗流冲蚀起动至溃决的时间预报奠定了基础。

表 2 基于冲蚀率指数的冲蚀发展速率分类 ［16，28］
组号 冲蚀率指数 冲蚀发展速率 实际用时
1 <2 超快（ER）
<3h
2 2~3 特快（VR）
3 3~4 中快（MR） 小时（>12h）或天
4 4~5 中慢（MS） 天或周
5 5~6 特慢（VS）
周或月，甚至年
6 >6 超慢（ES）
具体利用水力剪应力指标和表 2 来分析裂缝集中渗流冲蚀
发展速率流程可分 4 步（图 2）：开展堤坝土样裂缝集中渗流冲
蚀试验；根据试验结果，利用式（3）确定土样冲蚀起始水力剪
应力和冲蚀水力剪应力，利用式（15）计算冲蚀速率；利用式
（17）计 算 土 体 的 冲 蚀 系 数 ， 利 用 式（16）计 算 冲 蚀 率 指 数 ； 利
用计算出的冲蚀率指数，根据表 2 分析该土样所属堤坝冲蚀发
展速率与实际用时。鉴于表 2 是根据溃坝实例与室内试验结果
联合统计确定 ［28-29］ ，且坝料来源涉及范围较宽，实际工作中各
坝料可利用表 2 作为分析中的参考标准。
为了进一步验证水力剪应力指标的可行性及表 2 冲蚀发展
速率分类的可靠性，Hanson 等 ［30］ 开展了大尺度的堤坝集中渗流
冲蚀现场试验，通过预制集中渗流冲蚀通道的方法，研究了筑
坝材料对集中渗流冲蚀从起动到溃决的时长影响，并将实际监
测溃决用时与表 2 室内试验预报溃决用时进行了对比。堤坝试 图 2 基于水力剪应力指标的
裂缝集中渗流冲蚀发展分析流程图
验模型高 1.3 m，顶宽 1.8 m，上下游侧坡比均为 1∶3，筑坝材料
分别为粉土质砂和黏土，室内试验冲蚀率指数分别为 1 和 4。对于粉土质砂堤坝，依据表 2 冲蚀发展
速率为超快（ER），实际用时为 13 min。对于黏土堤坝，依据表 2 冲蚀发展速率为中慢（MS），实际试
［16］
验中冲蚀发育缓慢，直至 72 h 后试验终止时，仍未溃决。该试验不仅验证了 Wan 和 Fell 方法的可
靠性，同时也表明了利用水力剪应力作为冲蚀起动判别指标的优点。

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