沥青混凝土心墙坝心墙局部渗漏条件下渗流场畸变的空间响应特征与演化规律

《Water》：Polymer–Shape Coupling and Machine-Learning-Derived Microplastic Assemblages in Surface Seawater of the Southern South China Sea

　　

中文摘要翻译 心墙渗漏是心墙坝运行过程中常见的一类与渗流相关的缺陷。阐明渗漏条件下渗流场畸变的特征与演化规律，是评估大坝安全状态和评价渗漏风险的重要基础。本研究在14 cm（S1）和20 cm（S2）两种渗漏水头下，开展了沥青混凝土心墙坝的短历时、小比尺物理模型试验，以表征渗流场的空间响应特征。随后，利用有限元数值模拟对试验结果进行验证，并通过参数化分析扩展研究了1–10 mm渗漏通道宽度和5–29 m埋深的影响。试验结果表明，水平剖面上的畸变轮廓近似呈半椭圆形，最大范围出现在渗漏中心高程处，并随竖向距离的增加逐渐减小。坝轴向最大扩散宽度由S1条件下的9.00 cm增大至S2条件下的11.05 cm，顺流向最大扩散距离由4.70 cm增大至6.00 cm，分别对应22.8%和27.7%的增幅。三维重构进一步表明，畸变区域呈现以渗漏位置为中心的准半椭球体形态。试验与数值结果的定量对比显示，坝轴向扩散宽度和最大顺流向扩散距离的平均绝对误差（MAE）分别为1.325 cm和0.550 cm，均方根误差（RMSE）分别为1.506 cm和0.628 cm，平均绝对百分比误差（MAPE）分别为18.01%和13.90%，表明数值模型能够以中等程度的定量偏差捕捉观测到的空间响应。工程尺度数值模拟进一步表明，渗漏通道宽度的增大总体上会扩大畸变区域，而埋深的影响呈非单调特征，并受下游浸润面控制。当渗漏通道位于浸润面以上时，渗流场畸变随渗漏通道埋深的增大而增强；一旦渗漏通道达到或延伸至浸润面以下，畸变程度随埋深的进一步增大而减弱。上述研究成果定量表征了心墙局部渗漏对坝体内部渗流场的空间响应特征，为解释心墙坝渗流监测中渗漏引起的异常响应提供了物理基础。

论文解读

一、研究背景与问题提出

渗漏是影响土石坝运行安全的主要因素之一，统计数据显示，约30%–46%的堤坝安全事故与渗漏相关。对于心墙坝而言，位于坝体中央的防渗心墙是主要的渗流控制结构，其低渗透性可有效降低坝体内的水力梯度，对维持渗流稳定和保障大坝安全运行具有重要作用。然而，当心墙局部形成深部渗漏通道时，坝体原有的渗流场可能发生显著畸变，不仅可能导致水库异常水量损失，严重时还可能诱发渗流破坏，对大坝整体运行安全构成严重威胁。

尽管已有大量研究通过理论分析、数值模拟和物理模型试验对堤坝渗流问题进行了探讨，但以往研究大多聚焦于宏观响应，包括整体渗流状态、浸润面演化和渗流破坏等。相比之下，局部缺陷引起的坝体内部渗流场扰动及其空间演化规律仍缺乏系统认识。在沥青混凝土心墙坝中，局部渗漏通道的形成打破了原有渗流平衡，并在其附近诱发显著的渗流场畸变。然而，由于这一过程发生在坝体内部且具有隐蔽性，其空间分布和演化难以通过直接观测获取。因此，心墙渗漏引起的渗流场畸变如何在三维空间中发展和演化，以及这一过程如何受不同渗漏条件控制，仍是一个亟待解决的科学问题。该论文发表于《Water》期刊。

二、主要技术方法

研究人员采用物理模型试验与数值模拟相结合的研究方法。物理模型试验方面，建立了简化的心墙坝水力模型，以透明亚克力板模拟防渗心墙，以细砂与黏土体积比1:1的混合料模拟下游坝体填筑区，在14 cm和20 cm两种渗漏水头下开展短历时（40 min）小比尺模型试验，通过水平分层切割识别渗流场畸变边界并提取特征点三维坐标。数值模拟方面，基于饱和-非饱和渗流理论，采用Van Genuchten（VG）模型描述土水特征曲线（SWCC），利用Louis公式计算渗漏通道水力传导系数，在COMSOL（v6.3）平台建立有限元数值模型，通过试验数据标定参数并验证模型合理性，进而开展工程尺度参数化扫描分析。

三、研究结果

（1）物理模型试验揭示渗流场畸变的空间形态特征

物理模型试验结果表明，心墙渗漏会在坝体内部诱发明显的渗流场空间畸变。水平剖面上的畸变轮廓近似呈半椭圆形，最大畸变范围出现在通过渗漏中心的剖面上，并随距渗漏点竖向距离的增大而逐渐减小。三维重构结果显示，畸变区域呈现以渗漏位置为中心的准半椭球体形态。当渗漏水头由14 cm（S1）增大至20 cm（S2）时，坝轴向最大扩散宽度由9.00 cm增大至11.05 cm，顺流向最大扩散距离由4.70 cm增大至6.00 cm，分别对应22.8%和27.7%的增幅。两种水头条件下畸变形态特征的一致性表明，渗漏诱发渗流场畸变的空间特征具有良好的可重复性。

（2）数值模型验证

基于S1试验条件建立数值模型，模拟渗漏通道形成后40 min内下游坝体渗流场畸变的演化过程。结果表明，随着渗漏持续时间的增加，库水经渗漏通道向下游坝体逐步传播，渗流场畸变以渗漏点为中心径向向外扩展，具有良好的左右对称性，整体形态近似半椭球体，与模型试验观测结果总体一致。对六个对应水平剖面的定量对比显示，坝轴向扩散宽度D_x的MAE、RMSE和MAPE分别为1.325 cm、1.506 cm和18.01%，最大顺流向扩散距离D_y的对应值分别为0.550 cm、0.628 cm和13.90%。数值模型总体上略微低估了渗流场畸变范围，偏差主要来源于物理模型的材料非均质性、边界识别的不确定性以及数值模拟的理想化假设。

（3）工程尺度参数化分析

工程尺度数值模拟结果表明，渗流场畸变范围总体上随渗漏通道宽度的增大而扩大。当渗漏通道宽度超过某一临界值后，隆起畸变区域的前缘与下游浸润面发生水力连通，导致坝体内部渗流路径发生根本性重构。与渗漏通道宽度的影响不同，埋深对渗流场畸变的影响呈非单调特征，下游浸润面是控制这一转变的关键水力边界。当渗漏通道位于下游浸润面以上时，渗流场畸变程度随埋深增大而增强；一旦渗漏通道达到或延伸至浸润面以下，畸变程度随埋深的进一步增大而减弱。这一转变主要归因于浸润面上下渗流状态的差异：浸润面以下坝体材料完全饱和，孔隙被水充满，渗漏产生的局部渗流状态对比不明显，空间扩散响应减弱，可识别的渗流场畸变程度相应降低。

四、讨论与结论

研究结果为沥青混凝土心墙坝的运行管理提供了若干实践启示。首先，水平剖面上近似半椭圆形的畸变轮廓和三维空间中准半椭球体的分布模式，为区分局部渗漏引起的异常响应与坝体整体渗流场变化提供了特征性空间标志。其次，由于渗流场畸变的空间范围随渗漏通道的水力尺度和空间位置而变化，渗流监测系统应充分考虑空间变化特征，而非仅依赖孤立监测点或总渗漏量测量。此外，下游浸润面为解释心墙渗漏的空间响应提供了重要的水力参考，浸润面以下较弱的渗流场异常并不一定意味着较轻微的渗漏缺陷，在监测优先级排序和渗漏异常解释中应予以考虑。

研究结论如下：（1）物理模型试验表明，心墙渗漏诱发明显的渗流场空间畸变，水平剖面畸变轮廓近似半椭圆形，三维畸变区域呈准半椭球体形态；渗漏水头由14 cm增大至20 cm时，坝轴向最大扩散宽度和顺流向最大扩散距离分别增加22.8%和27.7%。（2）数值模型再现了物理试验中渗流场畸变的特征空间形态和高程变化规律，定量对比验证了数值模型用于后续参数化分析的合理性。（3）工程尺度模拟表明，渗流场畸变范围总体上随渗漏通道宽度增大而扩大，而埋深的影响呈非单调特征，与下游浸润面密切相关。该研究系统揭示了不同心墙渗漏条件下沥青混凝土心墙坝渗流场畸变的特征与演化规律，为基于渗流场畸变特征的心墙渗漏反演识别和定量评估方法的发展提供了物理基础，也为大坝渗漏诊断和运行安全风险评估提供了理论与技术依据。