该文档属于类型a，是一篇关于粗糙壁裂缝中填充材料的水动力学侵蚀过程及其渗透性演变的原创研究。以下是详细的学术报告内容：
一、研究团队与发表信息
本研究由Hong‐Bin Liu（中国地质大学工程学院）、Jia‐Qing Zhou（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室）等联合团队完成，发表于Journal of Geophysical Research: Solid Earth（2025年）。论文标题为《Hydrodynamic erosion phase diagram and bulk permeability evolution in filled rough‐walled fractures》，DOI: 10.1029/2025JB032250。
二、学术背景
科学领域：研究涉及岩石裂缝内的流体-颗粒相互作用、渗流力学（seepage mechanics）及多孔介质渗透性演化，属于地质工程与流体力学交叉领域。
研究动机：天然裂缝常被沉积物或矿物胶结物填充，水力冲刷可能导致填充物迁移或侵蚀，进而改变裂缝孔隙结构与渗透性。然而，动力学条件、颗粒迁移与渗透性演变的耦合机制尚未明确。
研究目标：通过可视化实验量化粗糙壁裂缝填充物侵蚀全过程，揭示侵蚀阶段划分与渗透性非线性演变的控制因素，建立预测模型。
三、研究流程与方法
1. 实验系统开发
- 核心装置：自主设计透明裂缝流动单元（长30 cm×宽20 cm），集成工业CCD相机（实时记录侵蚀图像）、双柱塞泵（流量范围0–1000 mL/min）、压力传感器（精度0.1 kPa）。
- 创新方法：
- 基于Beer-Lambert定律的裂缝开度测量：注入染色甘油溶液，通过光强衰减反演出裂缝开度分布（图2）。
- 图像阈值分割算法：采用最大熵法（Kapur et al., 1985）将侵蚀通道（白色）与填充区域（黑色）二值化，量化通道体积比（vc/vf）和形状因子（f）。
2. 样品制备
- 裂缝样本：取自粗/细粒花岗岩及砂岩，通过巴西劈裂法（Brazilian technique）生成裂缝面，3D扫描获取粗糙度参数（JRC 8.2–19.6）。
- 透明复制品：硅胶模具铸造环氧树脂透明裂缝，精确复现岩石表面形貌。
- 填充材料：黑色玻璃微球（粒径0.125±0.025 mm，密度1.5 g/cm³），振动密实填充。
3. 实验设计
- 变量控制：5种粗糙度（JRC）、6种平均开度（bm=0.99–1.35 mm），流量阶梯式增加（10–2000 mL/min，对应雷诺数Re=1.61–340.97）。
- 关键参数：实时监测压力-流量曲线，同步捕获侵蚀图像，计算渗透率（k）与侵蚀比率（vc/vf）。
4. 数据分析
- 侵蚀阶段划分：根据vc/vf曲线识别5个阶段（图3a）：颗粒初始运动（I）、侵蚀启动与通道贯通（II）、加速侵蚀（III）、减速侵蚀（IV）、侵蚀耗尽（V）。
- 相图构建：绘制Re-JRC和Re-bm相图（图4–5），分析几何参数对侵蚀模式的影响。
四、主要结果
侵蚀动力学特征
- 阶段转变临界点：侵蚀起始（vc/vf=1%，Re=11.36）与耗尽（vc/vf=95%，Re=242.68）的雷诺数（Re）起主导作用（图8a）。
- 几何参数影响：
- 粗糙度（JRC）：在阶段I促进颗粒运动，阶段III–V转为抑制-促进双重效应（图4）。
- 开度（bm）：阶段III–V显著抑制侵蚀，因大开度降低流速与拖曳力（图5）。
渗透性非线性演化
- 初始与最终渗透率：k从初始~10⁻¹⁰ m²增至~10⁻⁸ m²（图3a）。
- 模型预测：
- 侵蚀比率：分段指数模型（方程12，R²=0.98）拟合侵蚀比随Re的变化（图8b）。
- 渗透率：方程13整合Re与几何参数，预测k/kinitial演化（R²=0.91，图10b）。
侵蚀通道形态学
- 形状因子（f）在通道贯通时达峰值，随后因边界平滑化而下降（图7）。
五、结论与价值
科学价值：
- 首次通过可视化实验揭示填充裂缝侵蚀的5阶段非线性演化规律，量化Re与几何参数的协同效应。
- 提出渗透率演变的唯象模型（方程16），为裂隙渗流-侵蚀耦合问题提供普适性预测框架。
应用价值：
- 指导水利工程（如坝基渗透稳定性评估）、地热开发（裂缝导流能力优化）及地质灾害（岩溶塌陷预警）中的渗流控制。
六、研究亮点
方法创新：
- 自主研发可视化平台实现侵蚀过程像素级动态追踪，突破传统CT扫描的间歇性观测局限。
- 结合Beer-Lambert定律与图像熵阈值法，精准量化裂缝开度与侵蚀通道体积。
理论突破：
- 发现粗糙度对侵蚀的双重调控机制（促进局部高流速vs.整体能量耗散）。
- 构建二维传导率模型（方程18），表明通道宽度（α=1.10）与开度（β=2.86）对渗透性的非立方律贡献。
七、其他重要发现
- 水力加载路径依赖性：直接高流量加载与阶梯加载的最终渗透率相近，但通道形态差异显著（图S4），提示工程中需考虑历史流量变化的影响。