冰川冰碛土内部侵蚀：机理、评估方法与透明土技术的潜力——综述

《Geotechnics》：Internal Erosion in Glacial Tills: Mechanisms, Assessment, and the Potential of Transparent Soils—A Review

　　

内部侵蚀是影响堤坝长期性能的主要威胁，然而其起始与演变过程仍难以预测，尤其是在宽级配的冰川冰碛土（glacial tills）中。本综述考察了控制内部侵蚀敏感性的因素，并整合了来自经验稳定性准则、数值模拟、水力-力学（hydro-mechanical）试验以及新兴透明土（transparent soil）技术的研究发现。综述表明，内部稳定性不能仅通过颗粒级配（particle size distribution, PSD）来表征，而是取决于土体结构、水力荷载（hydraulic loading）和应力条件（stress conditions）的共同作用。此外，潜蚀（suffusion）表现为一个渐进的水力-力学过程，在该过程中细颗粒迁移持续改变土体结构及其水力与力学响应，从而影响后续侵蚀的发展。经验准则仍是有价值的筛选工具，而数值模拟和试验方法则为颗粒尺度及水力-力学机理提供了互补信息。透明土（transparent soils）通过将合成土替代材料与折射率匹配的孔隙流体相结合，可提供对内部过程的光学观测途径，并能够直接可视化颗粒迁移、堵塞（clogging）和优先流（preferential flow）。然而，将其应用于冰川冰碛土时，需要确保控制内部侵蚀的物理、水力及力学特性具有足够的可比性。整合上述方法可为评估冰川冰碛土堤坝心墙中的潜蚀提供更为全面的框架。

论文主体内容总结

1. 引言

内部侵蚀是影响填土坝、堤防及尾矿库等土工结构长期性能的关键地质灾害现象。由渗流力驱动，内部侵蚀涉及土颗粒在土体基质内的剥离与运移，并逐步改变土体的水力传导系数与力学特性，可能导致不均匀沉降、管涌通道形成乃至溃坝。统计显示内部侵蚀约占已记录溃坝原因的46%。冰川冰碛土因其在冰川沉积地区广泛用作堤坝心墙材料而备受关注，其宽级配特性虽利于施工，却也增加了长期性能评估的复杂性。内部侵蚀按国际大坝委员会（ICOLD）分类包含五种主要机制：向后侵蚀（管涌）、接触侵蚀、集中渗漏侵蚀、潜蚀（suffusion）和潜蚀-坍陷（suffosion）。其中潜蚀因可在无明显外部征兆的情况下渐进发展而尤为难以检测和预测。现有试验、经验及数值方法均仅能捕捉部分控制机理，而透明土技术的兴起为直接观测颗粒迁移提供了新途径。本综述旨在整合各方法，系统评估冰川冰碛土中潜蚀的起始与演变机理。

2. 控制内部侵蚀敏感性的因素

内部侵蚀敏感性受土体结构、水力荷载与应力条件三者的相互作用控制。Kenney和Lau提出评估内部侵蚀起始需考虑级配、水力荷载和应力条件三项主要准则，而Garner等进一步指出当至少两项准则出现不利组合时侵蚀最易发生。

2.1 级配准则：颗粒级配（PSD）是决定土体内部稳定性的首要因素。连续级配土通常趋于密实堆积并限制细颗粒运移，而缺少特定粒径区段的间断级配土则易形成较大孔隙喉道。塑性指数（PI）反映细颗粒抵抗渗流迁移的能力，较高的PI通常增强颗粒间联结。颗粒形态（球度、圆度、粗糙度）通过改变颗粒互锁与表面黏附影响侵蚀速率。孔隙比与密实度决定孔隙喉道尺寸，低孔隙比可减小喉道并增强抗侵蚀能力，但固有内部不稳定的土体即使高密实度仍可能发生颗粒迁移。

2.2 水力准则：水力荷载提供颗粒剥离与运移的驱动力。内部不稳定土体的临界水力梯度（i_cr）通常仅为内部稳定土体的五分之一至三分之一。竖向渗流比水平渗流更易诱发失稳，瞬态及循环水力条件会加剧渗流力并降低稳定性。

2.3 应力准则：应力条件决定土体基质对渗流力的力学响应。增大围压可增强颗粒间接触力并降低侵蚀敏感性，而低围压、高孔隙比及应力各向异性则促进内部失稳。应力条件应与水力荷载联合评估。

3. 内部侵蚀的数值模拟

数值模拟为难以通过试验观测的水力-力学过程提供了分析手段。连续介质方法如有限元法（FEM）用于宏观尺度模拟，而离散元法（DEM）及其与计算流体动力学耦合的CFD-DEM方法可在颗粒尺度表征颗粒剥离、运移与重排。光滑粒子流体动力学（SPH）及其与DEM的耦合（SPH-DEM）也被应用于侵蚀模拟。CFD-DEM模型在预测内部侵蚀敏感性时受颗粒形态、级配、接触参数及流固耦合参数影响显著。研究表明球形颗粒表征可能高估侵蚀质量，而采用多面体等非球形颗粒可增强互锁、减少细颗粒运移并提高抗剪强度。然而，目前仍缺乏采用真实颗粒形态的数值研究，颗粒形状与渗透性及应力状态发展的定量关系尚不明确。

4. 经验方法在冰川冰碛土中的应用评估

经验方法仍是评估内部侵蚀敏感性最常用的手段。Li和Fannin对Kezdi法与Kenney和Lau法的比较表明，Kezdi法更适用于间断级配土，而Kenney和Lau准则对宽级配土具有更好的一致性。R?nnqvist针对冰川冰碛土引入过渡区（0.68 ≤ (H/F)_min ≤ 1.0），显著改善了该方法对宽级配土的适用性。Silva的研究进一步确认了经Li和Fannin及R?nnqvist修正的Kenney和Lau方法对冰川冰碛土具有最准确的预测能力。相比之下，Wan和Fell方法在应用于冰川冰碛土及宽级配土时倾向于低估潜蚀概率，其边界分类常将易潜蚀土误判为低侵蚀潜力。Chang和Zhang方法也仅在特定土类和受控条件下有效。经验方法虽经修正后对宽级配土适用性有所提升，但仍是对内部侵蚀机理的简化表征，应用时需考虑其原始开发所针对的土类特征。

5. 渗流诱发侵蚀与水力-力学响应

5.1 细颗粒损失与土体基质演化：渗流导致的细颗粒渐进损失会改变土体的水力与力学行为。初始阶段细颗粒迁移增加水力传导系数，但随着侵蚀发展，颗粒重排与堵塞可能局部降低渗透性。细颗粒含量影响侵蚀敏感性及侵蚀后的结构响应，高细颗粒含量土体在侵蚀后可能因细颗粒贡献减弱而刚度降低，而低细颗粒含量土体在侵蚀后可能形成更稳定的粗颗粒骨架。

5.2 水力荷载与潜蚀的演变：水力荷载通过控制渗流力决定潜蚀的起始。间断级配土比非间断级配土侵蚀更快。潜蚀被描述为包含四个阶段的渐进过程：初始剥离、内部潜蚀（过滤）、外部潜蚀（侵蚀）和稳定化。临界水力梯度的测定受加载增量、加载持续时间、加载历史及渗流方向等因素影响，短加载时间可能延迟侵蚀检测并高估i_cr。循环及波动水力荷载可降低土体临界阈值并促进渐进失稳。

5.3 应力条件与土的力学响应：有效应力状态控制颗粒约束与接触力。增大围压增强颗粒互锁并降低侵蚀速率，而细颗粒的持续损失会逐步削弱土体强度。应力各向异性影响细颗粒运移与重排，堵塞可导致实测i_cr升高。侵蚀后土体的应力-应变响应从应变软化向应变硬化转变，且随孔隙比增大呈现更收缩性行为。细颗粒损失降低峰值强度，但对临界状态影响较小。

5.4 渗流方向与内部侵蚀的发展：竖向渗流比水平渗流导致更大的累计细颗粒损失。向下渗流时土样上层侵蚀更显著。向上渗流通常产生较低的i_cr，因其对抗土体浮容重并逐步降低有效应力。渗流方向的影响不能脱离应力条件独立考虑。

5.5 室内评估中的尺度效应：试样尺寸影响渗流行为与侵蚀机制检测。刚性渗透仪侧壁可能产生优先渗流路径，柔性壁系统能提供更具代表性的水力传导系数测量。较大试样可能需要更长试验时间，且更易发生颗粒滞留。沿试样多点测量水力梯度有助于更准确捕捉内部侵蚀的演变过程。

6. 试验方法：透明土

透明土通过匹配固相与液相的折射率实现光学透明，为直接观测土体内部颗粒运移与渗流路径提供了非侵入式手段。常用固体材料包括无定形二氧化硅、硅胶、水凝胶、熔融石英和锂皂石，孔隙流体包括矿物油、石蜡溶剂、溴化钙溶液、蔗糖溶液或水。透明土已在土-结构相互作用、饱和及非饱和水力行为、土体热过程等领域得到应用。对于内部侵蚀研究，透明土可实现颗粒剥离、运移、堵塞及优先流发展的直接可视化。Hunter和Bowman成功复现了Skempton和Brogan观察到的侵蚀行为，其结果与Kenney和Lau及Kezdi准则一致。Deng和Wang等进一步可视化研究了波动水力条件下颗粒重分布。然而，将透明土扩展至冰川冰碛土面临显著挑战：需同时复现宽级配土的几何、水力与力学特性并维持光学透明性。孔隙流体的黏度与密度差异可能改变渗流行为，折射率匹配对温度和流体组成敏感，力学特性相似性亦需验证。透明土应被视为补充性试验手段而非替代现有评估方法。

7. 讨论

冰川冰碛土的内部侵蚀敏感性不能归因于单一材料属性或准则。颗粒级配提供几何基础，但颗粒是否剥离运移取决于级配、细颗粒特性、密实度、水力荷载与应力条件的相互作用。经验准则经修正后对宽级配土适用性有所提升，但无法独立解释侵蚀过程中水力荷载、应力状态及土体结构的动态变化，应视为几何敏感性筛选工具。潜蚀是一个渐进的水力-力学过程，细颗粒迁移持续改变孔隙喉道、水力传导系数及应力传递机制，水力与力学条件相互依存并随侵蚀演变。临界水力梯度作为侵蚀起始阈值仍具价值，但其测量值受加载方式、暴露时间、渗流方向及应力条件影响。各评估方法提供互补而非可互换的信息，直接可视化技术有望成为连接宏观测量与颗粒尺度机理的重要桥梁。未来研究应整合经验评估、数值模拟、常规试验与直接可视化，并探索AI辅助图像分析与数据驱动代理模型以降低CFD-DEM计算成本。

8. 结论

本综述得出以下主要结论：冰川冰碛土的内部侵蚀敏感性由级配、孔隙结构、水力荷载与应力条件的相互作用控制，无单一参数或准则可完整表征；经验准则经适应宽级配土修正后仍为有价值的筛选工具，但需结合水力与力学条件解释；潜蚀是渐进的水力-力学过程，临界水力梯度可用于识别侵蚀起始但不能独立表征后续演变；数值模拟与试验方法提供互补信息，但其预测能力依赖代表性颗粒属性、边界条件及试验验证；透明土可补充观测颗粒迁移、堵塞及优先流发展，应用于冰川冰碛土需确保替代材料复现相关几何、水力与力学特性；整合各方法可提供互补框架，将经验敏感性指标与侵蚀起始和演变的水力-力学机理相关联。