含裂隙黄土渗流侵蚀动力学：裂隙几何形态与土体性质耦合作用机制

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Erosion dynamics in loess with artificial joints: An experimental approach

为解决黄土地区因裂隙渗流引发的潜蚀灾害问题，研究人员开展了含裂隙黄土渗流侵蚀动力学实验研究。该研究通过自主研发的可视化装置，系统揭示了渗流速度、土体性质（干密度、初始含水率）及裂隙特征（开度、粗糙度、形态、微凸体方向）对侵蚀过程的定量影响规律，并提出了裂隙形态演化的四阶段模型。研究结果为黄土地区地质灾害防治与工程安全提供了重要的理论依据。

　　

黄土高原，这片广袤的“风成”沉积区，不仅是中华文明的摇篮，也是全球最大的第四纪风积土分布区。然而，这片土地却饱受地质灾害的困扰，尤其是由水引发的滑坡和塌陷。在这些灾害背后，一个关键的角色常常被忽视——黄土中广泛发育的垂直裂隙。这些裂隙如同大地的“毛细血管”，为地表水的下渗提供了快速通道，进而引发一种被称为“潜蚀”的破坏过程。潜蚀，即水流在土体内部冲刷、搬运细颗粒，导致土体结构逐渐被掏空，最终引发失稳。尽管科学家们已经认识到裂隙是潜蚀的“元凶”，但裂隙的几何形态（如开度、粗糙度、形状）究竟如何与水流、土体性质相互作用，共同导演这场“地下侵蚀”大戏，其内在的动力学机制仍是一个亟待解开的谜团。

为了揭开这一谜底，西安交通大学卢世峰、王兴瑞、郭晓沛、徐凌团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表了一项创新性研究。他们独辟蹊径，设计了一套能够“看见”侵蚀过程的实验装置，对含人工裂隙的黄土进行了系统的渗流侵蚀实验，首次系统量化了裂隙几何形态与土体性质对潜蚀过程的耦合影响，并揭示了裂隙形态演化的四阶段规律。

为了精准捕捉裂隙侵蚀的每一个细节，研究人员首先面临一个技术难题：如何让看不见的“地下侵蚀”过程变得可视化？他们巧妙地设计了一套半圆柱形试样室，一侧采用透明亚克力板，使得裂隙表面的侵蚀过程能够被高清相机实时记录。这套装置的核心在于能够精确控制渗流速度，并利用蠕动泵实现恒定的注水流量。为了模拟自然界中千变万化的裂隙形态，研究团队精心设计了七种不同的人工裂隙压板，涵盖了从裂隙开度（1mm, 1.5mm, 2mm）、粗糙度（微凸体密度D_m= 5, 10, 20）、形态（矩形、三角形）到微凸体方向（平行、垂直）等多种关键参数。实验过程中，研究人员通过定时收集并称量流出液中的泥沙质量，精确量化了侵蚀速率和累积侵蚀量，从而将复杂的侵蚀过程转化为可测量的数据。

3.1. 渗流速度对含裂隙黄土侵蚀特性的影响

研究首先发现，渗流速度是侵蚀速率的“总开关”。在相同的渗流时间内，注水速度越快，侵蚀速率越高。当出口流速稳定在注水速度时，侵蚀速率也随之趋于稳定。有趣的是，当总流量相同时，35 mL/min组的试样质量损失最高，约占试样质量的6%，而30 mL/min组的质量损失最低，约为4%。这揭示了侵蚀过程并非简单的“越快越坏”，而是存在一个复杂的非线性响应。高流速组（35 mL/min和40 mL/min）的侵蚀通道呈现出“深槽”形态，而低流速组（30 mL/min）则表现为“面状侵蚀”，这表明流速决定了侵蚀的深度和模式。

3.2. 土体性质对含裂隙黄土侵蚀特性的影响

土体自身的“体质”对侵蚀的抵抗力至关重要。研究发现，黄土的干密度与侵蚀质量呈显著的负相关关系。干密度越大，试样的侵蚀质量越小。当干密度从1.2 g/cm³增加到1.4 g/cm³时，试样的质量损失从约6.5%急剧下降到约2%。这证实了高密实度增强了土体的抗冲刷能力。另一方面，初始含水率则扮演了“催化剂”的角色。初始含水率与试样的侵蚀质量呈正相关。当试样的初始含水率从10%增加到15%时，试样的质量损失从约4%飙升至约17%。这表明15%的初始含水率会极大地削弱含裂隙黄土的抗侵蚀能力，使其在渗流作用下极易发生液化失稳。

3.3. 结构参数对含裂隙黄土侵蚀特性的影响

裂隙的“长相”是决定侵蚀命运的另一个关键因素。研究系统揭示了裂隙几何形态的调控作用：

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  裂隙开度：裂隙开度越大，侵蚀速率越大。累积侵蚀质量与裂隙开度呈正比，开度从1mm增加到2mm，侵蚀量显著增加。
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  裂隙粗糙度：并非越粗糙越安全。研究发现，一个适当的微凸体密度（D_m= 10）能够增强含裂隙黄土试样的抗侵蚀能力。过高或过低的粗糙度反而会加剧侵蚀。
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  裂隙形态：三角形的裂隙比矩形的裂隙更具破坏性。由于应力集中效应，三角形裂隙引起的侵蚀强度约为矩形裂隙的2.3倍。
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  微凸体方向：在垂直裂隙中，当渗流方向与裂隙表面微凸体的方向平行时，重力和水力侵蚀的协同效应会显著增强土体侵蚀。平行位置关系的试样侵蚀质量约为垂直位置关系的4倍。

4.1. 不同条件下侵蚀量的比较

研究进一步量化了裂隙体积与侵蚀量的关系。在恒定注水流量下，裂隙与试样的体积比（Γ）与累积侵蚀质量表现出强烈的线性相关性。这意味着裂隙的空间占比直接决定了土体损失的规模。在相同的体积比下，微凸体方向平行于渗流方向的试样侵蚀量最大，其次是三角形裂隙试样。此外，裂隙表面的粗糙度对试样的侵蚀质量没有显著影响，这颠覆了“越粗糙越抗冲”的常规认知。

4.2. 含裂隙黄土渗流过程中裂隙形态的演化

通过分析裂隙形态的演化过程，研究团队提出了一个四阶段演化模型：

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  毛细-渗透主导阶段：裂隙表面逐渐闭合，形成优势渗流通道，土体软化。
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  渗流通道生成阶段：裂隙面完全闭合，优势渗流通道贯通，侵蚀由面状转为集中。
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  渗流通道扩展阶段：优势渗流通道在潜蚀作用下不断拓宽，沟蚀加剧。
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  结构失稳阶段：潜蚀速率达到峰值，土体结构发生大规模破坏，试样失稳。

这项研究不仅系统揭示了含裂隙黄土潜蚀的动力学机制，更重要的是，它建立了一套从宏观现象到微观机理的完整解释框架。研究证实，裂隙的几何形态是调控潜蚀过程的关键“阀门”，其与土体性质、渗流条件的耦合作用共同决定了地质灾害的发生与否。这些发现为黄土地区的地质灾害早期预警、工程边坡防护设计以及灾害治理提供了坚实的科学依据。例如，在工程建设中，可以通过提高土体压实度（干密度）来增强抗侵蚀能力；在灾害评估中，应特别关注三角形裂隙和微凸体方向与渗流方向平行的“危险组合”。该研究将看不见的“地下侵蚀”过程变得清晰可见，为守护黄土高原的生态安全与工程安全点亮了一盏明灯。