水力梯度波动条件下土壤颗粒迁移行为及其对排水特性的影响研究

推荐：研究人员针对水库等蓄水结构在降雨和农业活动导致的水位波动下渗流侵蚀(suffusion)行为不明的问题，通过圆柱柱装置开展一维向下渗流实验，定量分析排水量、排出土颗粒量及浊度变化，创新性利用浊度-浓度关系追踪排出颗粒粒径组成演变，揭示了恒定/波动水力梯度下土颗粒流失量与粒径组成的动态变化规律，为土工结构长期稳定性评估提供新依据。

　　

在水利工程和岩土工程领域，土壤内部侵蚀(suffusion)是威胁水坝、河堤等土工结构长期稳定性的重要隐患。当粗颗粒骨架间的细颗粒在水流作用下发生剥离迁移时，会导致土体密度、骨架结构和渗透性改变，进而引发结构破坏。尽管已知蓄水结构会因降雨和农业活动导致水位波动，进而影响渗流状态，但水力梯度波动条件下的suffusion行为机制尚不明确。更关键的是，现有研究多关注流失土颗粒总量，对排出颗粒的粒径组成动态变化缺乏有效监测手段。

针对这一科学问题，日本京都大学(Kyoto University)的研究团队创新性地将浊度测量技术引入suffusion研究，通过自主研发的圆柱柱实验装置，系统探究了两种典型土体（间隙级配土GG10和上凹级配土QK5）在恒定与波动水力梯度下的侵蚀行为。研究采用浊度-浓度关系追踪法，突破了传统方法难以分析微量排出颗粒粒径的瓶颈，首次揭示了suffusion过程中颗粒粒径组成的动态演变规律。相关成果发表在土壤力学领域权威期刊《Soil and Tillage Research》上。

关键技术方法包括：1）设计可施加10-250 kPa超载压力的圆柱柱装置，通过调节上水箱高度实现水力梯度(i=ΔH/ΔL)的精确控制；2）采用透射散射光浊度计(TR-55)测量排水浊度，建立其与悬浮液浓度的定量关系；3）通过孔径425 μm金属网区分"固体骨架"(>425 μm)和"可侵蚀颗粒"(<425 μm)；4）定义相同浓度浊度比(R_t)定量表征排出颗粒粒径组成变化。

研究结果方面：

1. 恒定水力梯度条件下的suffusion状态
   实验显示当排水量达初始孔隙体积1-1.3倍时，suffusion基本停止。浊度-浓度关系分析表明，初期排出的颗粒中"黏土等效物"(clay equivalent)占比显著高于原始土体，随着渗流进行该比例逐渐降低。

2. 波动水力梯度条件下的渗透特性
   水力梯度每波动一次，渗透流速下降3.7-42.6%，其中GG10的下降幅度更大，推测与颗粒堵塞有关。排出土颗粒总量中约90%在首次水力作用阶段即已流失。

3. 粒径组成的动态演变
   通过R_t参数分析发现：在QK5试验中，当初始水力梯度i=0.5(<>_c=1.06)时，第二周期提高至i=1.0后R_t骤升至3.8，表明被"禁锢"的细颗粒重新活化；而初始i=1.0的试验组，R_t随波动次数增加呈规律性下降，反映排出颗粒逐渐粗化。

4. suffusion进展机制
   研究验证了Mehdizadeh等提出的三阶段理论：首先是无应力传递的"自由细颗粒"(free fine particles)流失，随后"半活性细颗粒"(semi-active fine particles)因局部水力梯度增大而迁移，最终形成新的力链结构。R_t的持续降低正是这一过程的典型特征。

该研究的重要意义在于：首次通过浊度监测技术实现了suffusion过程中颗粒粒径组成的动态解析，建立了R_t参数与侵蚀发展阶段的对应关系。这不仅为土工结构稳定性评估提供了新的监测指标——当定期检测中发现排出颗粒突然变细(R_t异常升高)，可能预示堵塞颗粒被冲出、侵蚀范围扩大；更从微观机制上解释了波动水力梯度环境下，不同粒径颗粒的差异化迁移行为，为长期服役的水利设施维护提供了理论依据。研究提出的实验方法克服了传统技术难以捕捉微量排出颗粒粒径变化的难题，为土壤内部侵蚀研究开辟了新思路。