土体冲蚀特性试验设备研制与应用研究 English Version
Research on the development and application of the device for measuring soil erosion characteristics
-
摘要: 土体冲蚀特性主要包括临界起动切应力和冲蚀速率两个指标，是土石坝溃口流量和溃口形态演化的控制性要素。传统冲蚀试验通过将测量获取的断面水流流速转化为摩阻流速，进而推求水流切应力。本文研发了采用桥式微应变切应力传感器直接获取水土交界面切应力的测试技术，在此基础上研制了一套土体冲蚀特性试验设备，该设备包括水动力系统、土体冲蚀系统和数据采集系统。水动力系统能够提供0至6 m/s的水流条件；土体冲蚀系统能够自动维持冲蚀过程中试样的高度与水流冲蚀速率相同以捕捉水流切应力变化；数据采集系统记录水流切应力与冲蚀速率之间的关系。试验结果表明，黏性土的冲蚀速率与水流切应力之间呈线性相关性，黏性土临界起动切应力随着压实度和黏粒含量的增加而显著增加，含水率对临界起动切应力影响较小。基于本文试验数据建立了黏性土临界起动切应力及冲蚀系数预测模型，验证结果表明，通过优化模型参数和引入更多土体相关特征，模型能够较好地反映黏性土临界起动切应力及冲蚀系数与土体特性之间的关系，为土石坝溃决模拟时坝料冲蚀参数的选择提供了科学依据。Abstract: The soil erosion characteristics mainly include two indexes, such as the critical shear stress for the incipient motion of soil and the soil erosion rate, which are the controlling factors of breach flow and breach morphology evolution during the embankment dam breaching. Traditional erosion experiments deduce the flow shear stress by converting measured the sectional flow velocity into the friction velocity. This study has developed an innovative technique for directly measuring the shear stress at the water-soil interface by using a bridge-type micro strain shear stress sensor. Based on this, a device for measuring soil erosion characteristics has been developed. The soil erosion testing device includes a hydrodynamic system, a soil erosion system, and a data acquisition system. The hydrodynamic system can provide water flow conditions ranging from 0 to 6 m/s; the soil erosion system can automatically adjust the height of the sample during the erosion process to capture changes in shear stress; and the data acquisition system records the relationship between the flow shear stress and the erosion rate. Validation tests indicate that the erosion rate of cohesive soils has a good linear correlation with water flow shear stress. The critical shear stress of cohesive soils significantly increases with higher compaction and clay content, while the influence of water content on critical shear stress is minimal. The paper also proposed a predictive model for the critical shear stress and erosion coefficient of cohesive soil based on experimental data. Validation results show that the model can accurately reflect the relationship between the critical shear stress, erosion coefficient, and soil properties by optimizing model parameters and incorporating more soil-related features, which provide a scientific basis for selecting erosion parameters for dam materials in simulations of dam breaches.
-
期刊类型引用(37)
1. 张远庆，陈勇，王世梅，王力. 岸坡渗流潜蚀模型试验系统变革研究. 三峡大学学报(自然科学版). 2025(02): 48-54 . 
百度学术
2. 程瑞林，汪泾周，范钦煜，湛正刚，周伟，马刚. 高心墙堆石坝材料本构模型计算的适用性研究. 中南大学学报(自然科学版). 2024(01): 219-229 . 百度学术
3. 张丹，邱子源，金伟，张梓航，罗玉龙. 粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法研究. 岩土力学. 2024(01): 164-172 . 百度学术
4. 崔熙灿，张凌凯，王建祥. 缩尺效应对砂砾石料力学特性及其本构模型的影响. 浙江大学学报(工学版). 2024(06): 1198-1208 . 百度学术
5. 邹德高，宁凡伟，刘京茂，崔更尧，孔宪京. 基于超大型三轴仪的堆石料动力特性缩尺效应研究. 水利学报. 2024(05): 528-536 . 百度学术
6. 王睿，王兰民，周燕国，王刚. 土动力学与岩土地震工程. 土木工程学报. 2024(07): 71-89+105 . 百度学术
7. 刘赛朝，瞿常杰，石北啸. 堆石料缩尺效应试验及其数值模拟. 江西水利科技. 2024(05): 332-336 . 百度学术
8. 邹德高，刘京茂，宁凡伟，孔宪京，崔更尧，金伟，湛正刚. 基于超大型三轴试验和原型监测的堆石料模型参数缩尺效应修正. 岩土工程学报. 2024(12): 2476-2483 . 本站查看
9. 陈洪春，王珊，段玉昌，王柳江，梁睿斌，徐祥，沈超敏. 基于现场载荷试验的压实土石填筑料变形参数反演. 三峡大学学报(自然科学版). 2023(01): 22-27 . 百度学术
10. 蒋明杰，朱俊高，张小勇，梅国雄，赵辰洋. 缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验. 工程科学与技术. 2023(02): 259-266 . 百度学术
11. 蒋明杰，吉恩跃，王天成，栗书亚，朱俊高，梅国雄. 粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究. 岩土工程学报. 2023(04): 855-861 . 本站查看
12. 孙向军，潘家军，卢一为，左永振，周跃峰，王俊鹏. 级配和密度组合对粗粒土强度特性的影响. 长江科学院院报. 2023(08): 133-138 . 百度学术
13. 沈超敏，邓刚，刘斯宏，严俊，毛航宇，王柳江. 基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究. 水利学报. 2023(08): 920-929 . 百度学术
14. 潘家军，孙向军. 粗颗粒土缩尺方法及缩尺效应研究进展. 长江科学院院报. 2023(11): 1-8 . 百度学术
15. 吴鑫磊，石北啸，刘赛朝，徐卫卫，常伟坤. 考虑颗粒破碎的堆石料大型三轴试验. 科学技术与工程. 2022(02): 749-756 . 百度学术
16. 徐琨，杨启贵，周伟，马刚，黄泉水. 基于可破碎离散元法的堆石料应力变形及剪胀特性缩尺效应研究. 中国农村水利水电. 2022(03): 200-206+211 . 百度学术
17. 吴平，万燎榕，夏万求，高从容. 考虑级配影响的粗粒料三轴剪切破碎特性分析. 水电能源科学. 2022(05): 156-159+155 . 百度学术
18. 孟敏强，肖杨，孙增春，张志超，蒋翔，刘汉龙，何想，吴焕然，史金权. 粗粒料及粒间微生物胶结的破碎-强度-能量耗散研究进展. 中国科学:技术科学. 2022(07): 999-1021 . 百度学术
19. 邹德高，刘京茂，孔宪京，陈楷，屈永倩，宁凡伟，龚瑾. 强震作用下特高土石坝多耦合体系损伤演化机理及安全评价准则. 岩土工程学报. 2022(07): 1329-1340 . 本站查看
20. 徐靖，叶华洋，朱晟. 粗粒料颗粒破碎三维离散元模型及其在密度桶试验中的应用. 河海大学学报(自然科学版). 2022(04): 127-134 . 百度学术
21. 汤洪洁，杨正权，赵宇飞，田忠勇. 阿尔塔什高面板坝变形控制与安全保障关键技术研究. 水利规划与设计. 2022(12): 26-32 . 百度学术
22. 宁凡伟，孔宪京，邹德高，刘京茂，余翔，周晨光. 筑坝材料缩尺效应及其对阿尔塔什面板坝变形及应力计算的影响. 岩土工程学报. 2021(02): 263-270 . 本站查看
23. 刘赛朝，吴鑫磊，徐卫卫，石北啸. 堆石料缩尺效应试验研究. 人民长江. 2021(01): 173-176+217 . 百度学术
24. 姜景山，左永振，程展林，韦有信，张超，夏威夷. 考虑密度影响的粗粒料剪胀模型. 人民长江. 2021(04): 182-186 . 百度学术
25. 潘生贵，陈少峰，杨辉，郑有强，李传懿. 海岸带强风化花岗岩强度及应力应变特性的尺寸效应研究. 工程勘察. 2021(05): 6-10 . 百度学术
26. 毛航宇，刘斯宏，沈超敏，王柳江，初文婷. 温、湿控制粗粒料大型三轴仪的研制及应用. 岩石力学与工程学报. 2021(06): 1258-1266 . 百度学术
27. 周泳峰，王俊杰，王爱国，杨希. 缩尺效应对堆石料颗粒破碎特性的影响. 水电能源科学. 2021(08): 165-168+65 . 百度学术
28. 王家全，畅振超，王晴，唐毅. 不同动应力比下加筋前后砾性土的动三轴试验分析. 水力发电. 2020(04): 120-125 . 百度学术
29. 李传懿，陈志波. 海底强风化花岗岩K_0固结三轴试验尺寸效应. 中南大学学报(自然科学版). 2020(06): 1646-1653 . 百度学术
30. 邵晓泉，迟世春. 堆石料变形参数的粒径尺寸相关性研究. 岩土工程学报. 2020(09): 1715-1722 . 本站查看
31. 李学丰，李瑞杰，张军辉，王奇. 堆石料三维强度特性. 中国公路学报. 2020(09): 54-62 . 百度学术
32. 吴鑫磊，徐卫卫，刘赛朝，常伟坤，石北啸. 粗粒料缩尺效应的试验研究进展. 水利科学与寒区工程. 2020(03): 1-7 . 百度学术
33. 王晋伟，迟世春，邵晓泉，赵飞翔. 正交–等值线法在堆石料细观参数标定中的应用. 岩土工程学报. 2020(10): 1867-1875 . 本站查看
34. 陈之祥，邵龙潭，李顺群，郭晓霞，田筱剑. 三维真土压力盒的设计与应力参数的计算. 岩土工程学报. 2020(11): 2138-2145 . 本站查看
35. 郭万里，朱俊高，王俊杰，鲁洋. 粗粒土静力特性及室内测试技术研究进展. 岩石力学与工程学报. 2020(S2): 3570-3585 . 百度学术
36. 武利强，叶飞，林万青. 堆石料力学特性缩尺效应试验研究. 岩土工程学报. 2020(S2): 141-145 . 本站查看
37. 任秋兵，李明超，杜胜利，刘承照. 筑坝堆石料抗剪强度间接测定模型与实用计算公式研究. 水利学报. 2019(10): 1200-1213 . 百度学术
其他类型引用(25)
计量
- 文章访问数: 0
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 62
下载:
