泥石流磨蚀作用下混凝土的多界面损伤：时空演化与过程建模

《Engineering Geology》：Multi-boundary damage to concrete under debris-flow abrasion: Spatiotemporal evolution and process modelling

　　

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  一种新型旋转鼓式装置实现了底面与侧面泥石流磨蚀的解耦。
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  底面和上游的质量损失分别比侧面和下游高出15–151%、12–277%。
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  早期快速的拉伸和抗弯性能退化先于抗压强度下降。
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  流速和磨料粒径导致了显著的空间磨蚀各向异性。
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  经现场验证的过程模型反演了磨蚀程度，用于针对性清淤。

引言

泥石流是一种破坏力极强的质量运动，具有流速快、固体含量高、通常由水与分选性差沉积物和岩屑混合组成的特点。受重力驱动，这些流动对防护结构（如拦挡坝和导流渠）构成严重威胁（Chen等，2014b；Iverson，1997；Wang等，2021a）。在中国西南山区，频繁且高强度的泥石流事件在拦挡坝的溢流段（图1a）和孔口段（图1b）造成大面积磨蚀区域，严重削弱了其结构完整性和服役寿命。富含巨石的高能量泥石流从高落差倾泻而下，产生巨大的动能，可引发冲刷、磨蚀和局部结构失效。在反复的泥石流冲击下，防护结构表面通常表现出多种退化特征，包括裂缝扩展、剥落和深层磨蚀坑。此外，冻融循环和盐分侵入等环境应力与泥石流作用协同加速了材料劣化，增加了维护和加固要求的复杂性（Wang等，2011；Wu等，2023b；Yang等，2026；Zhang等，2025）。

泥石流磨蚀是一种累积性的剪切驱动现象，在复杂的流体-固体相互作用下表现为渐进的材料疲劳和结构衰减（da Silva和Pintaude，2008；Wu等，2022b；Wang等，2026）。现有研究主要将这些损伤归因于粗颗粒刮擦、泥浆驱动的动摩擦以及固-液耦合动量传递（Chen等，2004；Li等，2022）。由于现场动态监测困难，实验室物理模型常被用于再现这一渐进磨蚀过程。然而，以往实验装置（Kaitna等，2007；Schneider等，2011；Wu等，2025a）的关键局限在于其依赖单面配置。这种简化的设置从根本上忽略了不同流边界之间的界面各向异性，从而限制了其对复杂现场条件的相似性。在典型的导流渠中，底面和侧墙承受着截然不同的应力状态。底面承受重力驱动粗颗粒巨石产生的强烈法向压力和冲击（D'Agostino等，2013；Li等，2025），导致以严重压碎和深层刻蚀为主的损伤。而侧墙主要承受较低法向载荷下的横向刮擦和流体驱动冲击（Hu等，2012；Yang等，2024）。尽管这些力学特征存在显著差异，但大多数当前的理论和实验模型仍采用统一的磨蚀系数（Chen等，2004；Wu等，2023b；Wu等，2022a；Yang等，2020），未能考虑结构在多相流冲击下的非均质损伤响应。

为解决当前物理模型中界面各向异性的不足，本研究设计了一种专用装置，用于解耦底面和侧墙同时承受的磨蚀载荷。在此基础上，通过质量损失和力学性能退化指标，定量探讨了混凝土磨蚀的时空演化与异质性特征。此外，本研究建立了一个半经验模型来表征不同的磨蚀区域，为山区泥石流防护结构的全生命周期维护提供科学指导。

章节摘要

实验室设备

为再现典型的双相泥石流运动和磨蚀载荷，本研究开发了一种用于多表面泥石流磨蚀的旋转鼓式装置（图2a），该装置具有模块化试样盒，可模拟不同的流边界并便于监测界面磨蚀响应。具体而言，该装置的流道部分采用矩形截面，以反映磨损最严重的拦挡坝和导流渠

泥石流组成对混凝土磨蚀的影响

在已建立的实验框架基础上，系统量化了混凝土试件的宏观磨损和结构退化。图5总结了所有测试变量下的质量损失率和力学强度退化（抗弯、抗压和劈裂拉伸强度）的整体分布情况。如图所示，在流体和环境条件

结论

为研究泥石流防护结构的磨蚀损伤行为，本研究开发了一种可模拟不同空间流边界的磨蚀装置。具体而言，在密实度（1.5–1.9 t/m3）、粗颗粒质量比（50–70%）、流速（1.5–2.5 m/s）、持续时间（0.5–1.5 h）和盐冻循环次数（30–100）等条件下，研究了底面和侧墙磨蚀的时空演化及过程模型。主要结论

符号说明

索引
描述（单位）
v_c
泥石流流速（m/s）
g
重力加速度（=9.8）（m/s2）
h_avg
平均流深（m）
m_pre 和 m_post
试样磨蚀前后的质量（g）
σ_pre 和 σ_post
试样磨蚀前后的力学强度（即抗弯强度、抗压强度和劈裂拉伸强度）（MPa）
δ
磨蚀试验后试样的质量损失率（%）
ζ
磨蚀试验后试样的力学强度（即抗弯强度、抗压强度和劈裂拉伸强度）

数据可用性声明

作者同意在合理请求下，由第一作者和通讯作者提供本论文中支持结果或分析的数据。

CRediT作者贡献声明

Wang Chenyuan：撰写—原稿、可视化、验证、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Chen Jiangang：撰写—审阅与编辑、资源、项目管理、方法论、经费获取、概念构思。You Yong：撰写—审阅与编辑、方法论、经费获取、概念构思。Wu Fan：撰写—审阅与编辑、方法论、调查研究、概念构思。Sun Hao：撰写—审阅与编辑、项目管理

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3012700）、国家自然科学基金（项目编号：42571099）以及中国科学院山地灾害与工程韧性重点实验室（KLMHER-T13）资助。作者感谢赵婉玉博士、杨飞先生和戴志强先生提供的实验帮助，并感谢期刊编辑和审稿人的

Wang Chenyuan | Chen Jiangang | You Yong | Wu Fan | Sun Hao | Wang Rui | Liu Haitao | Wang Jinshui | Tao Ziqin | Li Dandan