基于双代理模型的降雨与管道泄漏耦合引发城市道路塌陷机理研究

《Scientific Reports》：From wetting-front coalescence to urban road collapse: interpretable machine learning of hydro-mechanical failure under coupled rainfall and pipeline leakage

　　

摘要

城市地面塌陷对高度开发城市的公共安全、道路运营及地下基础设施构成严重威胁。本研究通过物理模型试验、有限元模拟和可解释代理模型，探讨了由降雨入渗与管道泄漏耦合作用引起的道路塌陷的水力-力学失效机理。利用经验证的数值模型（考虑饱和度相关的强度和刚度退化），生成了包含不同管道埋深、降雨强度和泄漏压力的120组全因子工况。结果表明，塌陷的发展过程依次为：浅层土壤预湿润、泄漏引起的湿润区扩展、上下湿润锋面汇合，以及变形向上部传递。泄漏压力为主导因素，对塌陷深度、近饱和区面积和湿润锋面深度的变异贡献率分别为86.42%、87.79%和92.77%；降雨主要起放大作用，而埋深则调节变形传递路径。本研究采用双代理策略，其中GPR/Kriging提供高精度插值和不确定性估计，而XGBoost-SHAP实现可解释预测和机理一致性分析。GPR/Kriging的测试集（R²）值达到0.997–0.998。风险分区进一步表明，降雨强度的增加会使中高风险条件向较低的泄漏压力方向转移，尤其在中等埋深条件下更为显著。所提出的框架为识别脆弱管段并提供有针对性的检测和塌陷预防支持，提供了一种高效且可解释的工具。