渗透侵蚀是诱发堤坝破坏的重要原因之一,具有时间跨度长、空间尺度大、危害等级高的特点。利用离心机高速旋转产生与原型相同的自重应力场,在应力相同条件下进行水力诱发堤坝破坏的缩尺离心超重力模型试验,对揭示水力诱发堤坝灾变模式和破坏机制具有重要意义。然而,目前超重力对土体内部渗透侵蚀的影响机制尚不清楚,严重制约了堤坝水力破坏离心超重力模型试验的有效性和可靠性。一维土柱试验是研究土体渗透侵蚀特性的常用方法,但目前缺少超重力环境下满足研究需求的一维渗透侵蚀实验装置,同时也缺少超重力对渗透侵蚀作用影响的研究经验。基于上述问题,本文中对间断级配土体在常重力和超重力下的渗透侵蚀特性开展了初步试验研究,具体包括:1.基于浙江大学ZJU400 土工离心机,设计研发了 一套可以用于离心超重力环境的一维渗透侵蚀试验装置。对所研发的试验装置,进行了各项功能的测试试验,测试结果表明,该装置能够在最高80g的超重力环境下为土样提供恒定水头、实现mm级水位差精确调节、轴向加载、大范围流量测试等功能,可以完成渗流和渗透侵蚀等多种一维土柱试验。2.进行了常重力和30g超重力下相对密度为90%的间断级配砂土管涌侵蚀试验,结果表明超重力下土体渗透侵蚀的发展过程与常重力下基本相同。随着水力荷载的逐渐增加,土体局部首先发生了突发性侵蚀。而后,土体进入平稳的整体侵蚀发展阶段,从上向下逐步形成土骨架构成的渗流通道,土体渗透性逐渐提高。最终达到某个临界水力条件,这种土骨架渗流通道打通,从而引发渗透通道管道化(piping)破坏。3.从单颗粒受力角度对常重力及超重力下的渗透侵蚀进行了分析,初步判断:管涌侵蚀发展破坏的过程即是土骨架中的细粒在渗透力的驱动下不断克服颗粒浮、重力及粒间的相互作用力,逐步流失并最终形成由粗粒构成渗流通道的过程。土样发生达西渗流时,渗透侵蚀的发展不受超重力的影响;而当渗流转化为非达西状态,渗透力大大提高,使得渗透侵蚀发展明显受到超重力的影响。基于理论分析,提出了流态归一水力梯度的概念,在相同的流态归一水力梯度下,土体渗透侵蚀在超重力和常重力的发展状态基本一致。但这些结论尚缺乏足够的试验结果支撑,需要进一步丰富试验。4.渗透侵蚀破坏是发生在土体内部的局部发展不均衡的复杂过程,传统的试验手段仅能获取宏观的试验结果,难以实现对该过程准确地分析和评估。采用透明土材料来解决该问题具有很大的潜力,但这种材料的渗透性尚无学者做过具体的研究。为解决这一问题,采用熔融石英砂和混合油制备了透明土试样,在常重力下进行了透明土试样的渗透特性测试,试验结果表明:受到流体粘度、颗粒大小、颗粒级配和孔隙率等因素的影响,透明土的渗透特性与天然砂土有着很大的差异。基于Kozeny-Carman模型,本文引入颗粒形态影响因子,提出了一种修正方法,能够较好地估算透明土渗透率,从而指导超重力透明土渗透侵蚀内部可视化模型的渗透特性相似性设计。