基于透明土和粒子示踪技术的渗流侵蚀试验研究

摘要

渗流侵蚀是造成水利工程失稳破坏的主要原因之一。在渗流侵蚀过程中,土体细颗粒逐渐流失,土体渗透性增强,从而进一步影响到颗粒的流失,最终甚至导致失稳破坏。渗流侵蚀是典型的流固耦合问题,为了从细观层面探究渗流侵蚀过程中流体运动与颗粒流失的相互作用,结合透明土技术,自行研制了一套基于双光源PIV/PTV的渗流侵蚀试验系统。试验采用熔融石英砂和溴化钙溶液作为透明土材料及孔隙溶液,并对渗流侵蚀过程中孔隙溶液及土中细颗粒运动进行观测记录。对不同截面流速与试样宏观流速进行对比,发现水力梯度较小时截面实测流速较大于试样宏观流速,随着水力梯度的增加试样宏观流速逐渐大于截面实测流速,且越靠近试样中心,试样宏观流速和截面流速差距越小;同时试样中细颗粒逐渐由稳定状态过渡为垂直于进出水口所在平面方向运动,并逐渐流失。与无黏性土临界水力梯度公式计算结果进行了对比,发现通过试验获得的临界水力梯度略低于理论计算结果,但其所反映的渗流侵蚀规律与传统试验结果基本相符,表明了该试验系统在渗流侵蚀细观模拟中具有较高的可靠度,对从细观层面研究渗流侵蚀具有重要的参考意义。