原文链接：https://www.mdpi.com/2624-795X/6/3/44
论文标题：Numerical Modeling of Levee Failure Mechanisms by Integrating Seepage and Stability Processes
期刊名：GeoHazards
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards
研究背景
随着气候变化导致极端水文事件频发，长期洪水和上游高水位引发的堤防溃决风险日益凸显。2019年台风"海贝思"在日本造成139人死亡和约1.88万亿日元经济损失的案例表明，即使是维护良好的堤防也可能因渗流破坏而溃决。与漫顶破坏不同，渗流破坏往往在无明显预警信号的情况下渐进发展，当水渗入堤体和地基时，孔隙水压力增加而基质吸力降低，导致土体有效抗剪强度下降。本研究旨在通过建立渗流与稳定性耦合的数值模型，揭示不同渗透性对比条件下堤防的失稳机理。
研究内容
本研究开发了一个集成非饱和-饱和渗流分析与边坡稳定性评价的数值框架，采用基于van Genuchten的土水保持特性和实验推导的水力传导系数，通过Richards方程模拟渗流前锋演进过程。模型通过五个不同堤体与地基土渗透性对比的实验案例进行验证，涵盖了从高对比度（kF/kL=300）到低对比度（kF/kL=8）的多种工况。在稳定性分析方面，结合简化的Janbu法和极限平衡法，动态评估孔隙压力演化对安全系数的影响。
图1.堤坝渗流和滑移破坏过程概述
模拟结果与实验观测表现出良好的一致性。在高渗透性对比工况（IO-E8-F4）中，模型成功捕捉到地基主导的渗流行为，由于毛细屏障效应，堤体渗入明显延迟；中等对比工况（SE-S74、SE-S85）则显示出与实测潜水线发展的紧密吻合；低对比工况（SE-S87）由于材料渗透性均匀，渗流发展缓慢，模拟与实验几乎完全一致。在破坏面几何形态预测方面，模型对IO-E8-F4案例的滑裂面形状和位置预测准确，虽在破坏时间上存在轻微偏差（模拟预测80秒，实验观测120秒），但最终破坏形态与实验数据高度吻合。
图 2. 断裂模型示意图。(a) 带有切片（红色）和潜水线（蓝色）的整个滑动面。(b) 用于极限平衡分析的切片。(c) 块体稳定性计算，考虑作用力，假定旋转中心，虚线表示代表性力臂。符号：i—切片编号；xi—切片底部的水平坐标；
xi—切片的水平宽度；Ei—切片间的横向力；Ei—横向力的水平分量；Wi—切片的重量；Ti—剪切力；(ai)—每个切片的倾斜角；(P1,P2,P3)—作用在块体上的力； （G1,G2）—重力；（dG1,dG2,dG3）—作用力的力臂；（Fc,f）—内聚阻力；（N,Ni）—法向力及其力臂（dN）；A、B、C、D、E 和 F 定义了滑动的边界点。
研究总结
本研究通过耦合渗流与稳定性分析的数值框架，系统揭示了不同渗透性对比条件下堤防的失稳机理。模型验证表明，该数值方法能够准确模拟渗流前锋演进过程，特别是在高渗透性对比工况下能有效再现毛细屏障效应导致的堤体渗入延迟现象。虽然模型在破坏时间预测上存在一定偏差，且目前仅对IO-E8-F4案例完成了完整的破坏面几何验证，但整体表现出良好的预测能力。研究成果为理解土体内部组成如何调控堤防在洪水条件下的性能提供了重要见解，为渗流防治措施和预警工具开发奠定了基础。未来研究需进一步考虑土体非均质性、动态非平衡吸力效应以及更长的模拟时长，以提升模型在渐进式破坏预测中的实用性，为堤防风险评估和防洪设计提供更可靠的技术支持。
GeoHazards期刊介绍
主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Roy M. Huffington Department of Earth Sciences, Southern Methodist University, Dallas, TX 75275, USA
Prof. Dr. Tiago Miguel Ferreira, Instituto Superior Técnico (IST), University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisbon, Portugal
期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。
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