世界各地已广泛建造土石坝,但溃坝事故仍时有发生,统计表明渗流引起的土体内部侵蚀(简称渗流侵蚀)是其重要原因。目前渗流侵蚀虽然得到了重视,但由于土石坝心墙实际渗流方向与竖直方向成一定夹角,而且分层压实使心墙料具有显著渗透各向异性,竖向渗流侵蚀试验并不能完全反映土体渗透特性。同时,用作心墙料的砾石土多具有缺级、最大粒径大以及粉粒和黏粒含量高等特点,而常规仪器难以满足试验要求,导致其渗流侵蚀试验研究进展缓慢。因此亟需研制渗透试验装置并开展缺级砾石土心墙料渗流侵蚀各向异性试验研究。为开展缺级砾石土心墙料渗流侵蚀各向异性试验研究,同时减少仪器尺寸及形状的差异所带来的影响,本文研制了渗流侵蚀各向异性试验装置。该试验装置实现了在同一腔体内进行水平渗流侵蚀试验和竖向渗流侵蚀试验,并且能够容纳尺寸为540 mm×500 mm×470 mm的水平渗流侵蚀试验土样和540 mm×540 mm×440 mm的竖向渗流侵蚀试验土样,同时还能沿竖直方向对试样施加一定大小的应力。经验证,试验过程中边壁优势流不显著,而且试验具有良好的可重复性。利用渗流侵蚀各向异性试验装置对缺级砾石土心墙料开展了不同砾石含量条件下的水平渗流侵蚀试验和竖向渗流侵蚀试验,并主要从渗透系数、渗流侵蚀及破坏的特征水力梯度和局部渗透系数等角度研究了缺级砾石土心墙料渗流侵蚀各向异性以及砾石含量对渗流侵蚀各向异性的影响。试验结果表明,渗流侵蚀各向异性主要表现在渗透系数和特征水力梯度,水平渗透系数是竖向渗透系数的9.62~25.82倍,竖向特征水力梯度是水平特征水力梯度的1.64~2.41倍,利用“错缝墙”渗流模型分析了渗流侵蚀各向异性机理是粗颗粒的定向排列导致水平渗流的渗径较短而竖向渗流的渗径较长。水平渗流侵蚀试验和竖向渗流侵蚀试验的局部渗透系数曲线均呈“树”状发展趋势,即先保持相近后迅速分离,反映了内部细颗粒稳定-侵蚀起动-迁移和堵塞-流失的发展过程。砾石含量对竖向渗透特性的影响比其对水平渗透特性的影响更显著,随着砾石含量的增大,水平渗透系数与竖向渗透系数间的差异逐渐缩小,水平特征水力梯度与竖向特征水力梯度间的差异则逐渐扩大。最后本文提出了严格控制砾石含量以及在心墙设计中考虑渗流侵蚀各向异性的建议。