引言
土岩混合物是一种广泛分布且固有复杂性的地质介质，具有显著的非均质性和不连续性，其力学性质表现出强烈的各向异性。土岩混合物的力学行为受岩石含量、岩块形状、岩块分布和固结状态等多种因素耦合控制（Tsesarsky et al., 2016; Zhang et al., 2016; Xu and Zhang, 2021; Venkateswarlu and Singh, 2023; Wu et al., 2023; Gunupuram et al., 2025）。近年来，极端气候事件（如强降雨和冰川融化）的频率增加，以及土岩混合物相关地质灾害的频发，使得水在土岩混合物失稳中的作用受到更多关注（Gao et al., 2025; Wu et al., 2025）。在水力条件下，水不仅会引起土岩混合物的"静态"软化效应（Cao et al., 2022; Wang et al., 2025a; Hu et al., 2025），还会通过水位波动、降雨径流和波浪冲击等水动力过程引发"动态"扰动（Schliewe et al., 2021; Deng et al., 2024; Zuo et al., 2025; Wang et al., 2025b）。事实上，多种地质灾害——如河岸侵蚀和溃坝洪水——与水力作用下土岩混合物的侵蚀密切相关（Huang and Gu, 2017; Huang et al., 2018; Su et al., 2024; Wierzbicki et al., 2025）。因此，深入了解土岩混合物的侵蚀行为、影响因素及其内在机理已成为此类灾害研究的关键焦点。
在机理层面，水力侵蚀可以视为水动力与岩土材料固有抗蚀性之间的竞争过程。在动力流条件下，近床面水流通过边界剪切应力、湍流脉动以及流态偏转导致的局部流加速，在水土界面处施加持续扰动（Ninto and Garcia, 1996; Valyrakis et al., 2010; Dey et al., 2011）。当施加的水动力超过岩土材料的临界结构承载能力时，将引发颗粒或土块的脱离和起动，随后的侵蚀通过物质搬运或再分配而持续发展（Partheniades, 1965; Julian and Torres, 2006）。对于含细颗粒的岩土材料，侵蚀通常以起动时具有明确临界阈值为特征，而后期的侵蚀速率取决于材料对超阈水力动力响应的耦合效应及其结构状态（Mitchener and Torfs, 1996; Sanford and Maa, 2001; Grabowski et al., 2011）。对于土岩混合物而言，其由细粒土基质和粗粒岩块骨架组成的双相特性表明，侵蚀行为超越了对材料的简单表面移除（Li et al., 2017; Jiang et al., 2023）。在水力条件下，土岩混合物倾向于表现出侵蚀分化现象，其显著特征为高度的不均匀性和变异性（Gong et al., 2018; Zhang et al., 2024）。土岩混合物的侵蚀分化被定义为在粗颗粒骨架的不均匀架构及其细颗粒填充、以及伴随的局部流场变化驱动下，在空间分布、物质组成和时间演化方面表现出的系统性非均匀侵蚀响应。
在过去几十年中，利用包括小型降雨监测、模拟降雨试验、原位水流冲刷试验和定制实验室侵蚀试验在内的广泛方法，对土水侵蚀（SWE）进行了大量研究（Crowley et al., 2012; Walder, 2016; Zhang and Wang, 2017; Liu et al., 2019; Aksoy et al., 2020; Hu et al., 2022; An et al., 2023; Dewrari and Siva Subramanian, 2025）。然而，由于岩土材料的透光度限制，大多数现有研究依赖于表面或侧面观测或对脱落侵蚀物质的测量来分析侵蚀行为（Briaud et al., 2001），这限制了对侵蚀过程时空演变的精确表征。此外，大多数土水侵蚀研究集中于均质或弱非均质土壤，主要旨在建立土壤侵蚀速率与水力参数之间的关系（Jomaa et al., 2012; Guo et al., 2022; Li et al., 2022; Jiang et al., 2023）。相比之下，关于土岩混合物侵蚀特性的研究仍相对匮乏，对其侵蚀分化行为的理解仍十分有限。
近年来，透明土壤技术的进展为岩土工程实验室尺度的试验提供了一种新颖有效的可视化方法（Iskander et al., 2015; Wei et al., 2019; Zhong et al., 2022）。许多研究者已采用该技术开展广泛的岩土工程问题研究（Sanvitale and Bowman, 2017; Hunter and Bowman, 2018; Zhou et al., 2022; Leng et al., 2025; Yu et al., 2025）。然而，透明土壤技术在水力侵蚀研究中的应用仍相对有限。特别是，目前尚缺乏对双相土岩介质在水动力作用下侵蚀起动、局部侵蚀扩展、侵蚀形态演化、细观侵蚀特征和典型侵蚀模式等方面直接、动态且可定量表征的基于可视化的实验研究。同时，多种因素对水力侵蚀行为的耦合效应，以及控制侵蚀分化的主导机理，尚未得到系统揭示。这制约了对土岩混合物中水蚀诱发失稳现象的深入理解。本研究开发了一套基于透明土壤技术的可视化水力侵蚀试验系统，通过集成平面激光诱导荧光（PLIF）技术，开展了一系列侵蚀试验，涵盖了流速、岩屑含量、块体尺寸和土体强度等关键影响因素。此外，采用三维重构方法对土岩混合物的侵蚀行为进行定量表征，并进行了系统分析以识别控制水力侵蚀的关键因素。此外，识别了水动力作用下双相土岩介质中侵蚀分化的细观控制机理和演化过程，并探讨了土岩混合物的典型侵蚀模式。研究结果不仅推进了对山区水蚀驱动侵蚀的控制因素和失稳机理的理解，还为复杂地质环境下水力侵蚀过程的研究提供了基于可视化的分析框架。
