黏土块体水力撕裂冲刷(RBTS)现象的流体力学机制与土力学特性研究

针对高含沙河流中黏土块体水力撕裂冲刷(RBTS)现象的物理机制不明问题，研究人员通过直剪试验和水槽实验，揭示了黏土块体高剪切强度与含水量、颗粒级配的关联性，以及水流湍流结构对块体抬升力的影响，提出了流速垂向分布与剪切强度的经验公式，为RBTS预测与防治提供了理论依据。

　　

在自然界中，高含沙河流常出现一种奇特现象——河床黏土层像被"撕开"一般整块抬升并露出水面，这种现象被称为水力撕裂冲刷(RBTS)。与传统河床侵蚀不同，RBTS发生时水位异常降低而侵蚀速率激增，对桥梁安全、引水工程构成严重威胁。尽管前人已发现RBTS多发生在高含沙洪水期间，但其核心机制仍如"黑箱"：黏土块体为何能抵抗水流撕裂？抬升力究竟如何产生？这些谜团长期困扰着学界。

黄河水利科学研究院的Jiang Enhui团队在《Geomorphology》发表的研究，通过创新性的"土力学-流体力学"双维度研究策略，首次系统揭示了RBTS现象的物理本质。研究采用直剪试验测定42组现场黏土样本的剪切强度参数，结合精细化水槽实验模拟RBTS全过程，同步监测流速场与湍流结构。关键技术包括：基于Fredlund非饱和土理论的剪切强度模型、ADV（声学多普勒测速仪）三维流速测量、旋转角度可控的黏土块体水动力学实验设计等。

【黏土块体剪切强度响应规律】
直剪试验发现，黏土块体剪切强度τ_f与含水量呈显著负相关，当含水量从18%降至12%时，τ_f可提升2.3倍。通过SWCC（土水特征曲线）分析证实，基质吸力(ψ)与黏聚力c'的非线性关系是维持块体结构稳定的关键，这种特性源于细颗粒(<0.005mm)占比超60%的特殊级配。

【RBTS流体动力学特征】
水槽实验首次捕捉到黏土块体周围的马蹄形涡流结构，数据显示垂向流速分布符合对数律，湍流强度T_u在块体前缘达峰值0.25。通过力矩平衡方程推导发现，当旋转角θ>15°时，抬升力系数C_L与θ呈指数关系，这是块体发生"翻转式"运动的核心动力。

【土力学-流体力学耦合机制】
研究提出RBTS三阶段模型：1）粗颗粒侵蚀形成冲刷坑，降低块体基底约束；2）湍流产生脉动压力场，当ΔP>τ_f时启动抬升；3）高剪切强度使块体保持完整直至露出水面。该模型得到验证：当τ_f=35kPa、Q=450m³/s时，预测误差<7%。

这项研究的意义在于：理论上，建立了非饱和黏土-湍流耦合作用的新框架，修正了传统Bishop模型对细颗粒土的适用性局限；实践中，提出的τ_f=f(ω,d₅₀)经验公式和临界抬升力判据，可直接用于RBTS预警系统。正如讨论部分强调的，该成果不仅解释了"整块抬升"这一反直觉现象，还为高含沙河流治理提供了量化设计工具，未来可延伸至泥石流启动机制研究领域。