基于表面-地下流耦合作用的土堤漫顶事件中地质力学稳定性研究

针对气候变化加剧下土质堤坝漫顶失稳风险，研究者开发了整合一维浅水方程与二维Richards方程的耦合模型，结合有效应力原理(Alonso模型)和剪切强度折减法(SSRM)，首次实现孔隙水压与饱和度动态变化对堤坝安全系数的定量评估。该模型通过Libya Derna溃坝案例验证，为堤坝安全设计提供物理参数化预测工具，发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》。

　　

随着全球气候变化加剧，极端干旱与强降水事件频发，土质堤坝面临前所未有的安全挑战。2023年利比亚Derna市因暴雨导致Mansour和Derna两座大坝相继溃决，造成2万人伤亡的悲剧，凸显传统设计标准已无法适应气候新常态。现有溃坝模型多聚焦非粘性材料的侵蚀过程，忽视粘性土体在干湿循环中因吸力变化引发的力学性能改变，且简化侧向滑塌模型(如Swartenbroekx的bank failure operator)无法准确反映实际破坏机制。

为此，研究人员构建了创新性数值模拟框架，整合Delpierre等发展的地表-地下流耦合模型与Alonso有效应力模型。地表流采用一维浅水方程求解，地下流通过二维Richards方程描述，二者通过保守耦合实现水力相互作用。力学分析采用Bishop有效应力公式(σ_ij'=σ_ij+χsδ_ij)，结合剪切强度折减法动态评估边坡安全系数。关键技术包括：混合形式Richards方程(?θ(h)/?t-?[K(h)?(h+z)]=0)的非线性求解、基于土壤-水分特征曲线的吸力-强度关系量化、以及MOOSE软件平台的力学模块集成。

研究结果揭示：

1. 表面-地下流耦合机制：模型成功捕捉漫顶过程中水分入渗引起的孔隙水压重分布，证实初始饱和度对堤坝稳定性具有决定性影响。
2. 有效应力动态演变：通过χ参数将吸力(s=-γ_wh)转化为力学效应，证明干旱裂缝区在再湿润时会形成优先渗流通道，加速安全系数衰减。
3. 边坡破坏模式：对比Tingsanchali的纯侵蚀模型，新模型预测高宽比1:2的堤坝下游坡更易发生纵向滑移而非单纯冲刷，与Libya溃坝现场特征吻合。
4. 参数敏感性：土壤-水分特征曲线参数对破坏时间预测的敏感性高于传统摩擦角参数，突显非饱和土力学参数测量的重要性。

这项研究突破性地将水文过程与地质力学响应耦合，仅需土壤基本物理参数即可预测堤坝失稳阈值。相比需要经验校准的侵蚀模型，该物理驱动框架更具普适性，为应对气候变化的堤坝安全评估提供新范式。成果对修订百年一遇降水标准的堤坝设计规范具有直接指导价值，尤其适用于存在干湿交替风险的粘性土质结构。《Geomechanics for Energy and the Environment》刊载的这项研究，标志着地质灾害预测从现象描述向机理建模的重要转变。