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https://www.mdpi.com/2624-795X/6/3/37
論文標(biāo)題：Experimental and Numerical Investigation of Seepage and Seismic Dynamics Behavior of Zoned Earth Dams with Subsurface Cavities
期刊名：GeoHazards
期刊主頁(yè)：https://www.mdpi.com/journal/geohazards
研究背景
土石壩是水利工程中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，用于蓄水、防洪和灌溉。然而，當(dāng)壩體建造在可溶巖（如石膏、石灰?guī)r）等易形成地下空洞的地基上時(shí)，其長(zhǎng)期安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些隱蔽的空洞會(huì)改變滲流路徑、抬升孔隙水壓力并誘發(fā)結(jié)構(gòu)變形，特別是在地震荷載作用下，可能顯著惡化大壩的性能，導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕、不均勻沉降甚至潰壩。全球范圍內(nèi)，如美國(guó)圣弗朗西斯壩（1928年）和摩蘇爾大壩等事故，均與可溶地基中的空洞問題有關(guān)。盡管已有研究分別探討了靜態(tài)滲流或地震響應(yīng)，但關(guān)于空洞的幾何形態(tài)（如位置、形狀、大小）如何影響分區(qū)土石壩在靜-動(dòng)耦合條件下的性能，相關(guān)研究仍十分有限。本研究旨在通過結(jié)合物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，探究地基中不同空洞配置對(duì)分區(qū)土石壩在靜力滲流和地震荷載下滲流行為、變形及穩(wěn)定性的綜合影響。
研究?jī)?nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)1:25比例的帶粘土心墻的分區(qū)土石壩物理模型，并將其置于單向振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。模型地基采用富含石膏的土壤模擬易溶巖條件，并人工設(shè)置了五種空洞配置方案進(jìn)行研究，包括：無(wú)空洞（參考基準(zhǔn)）、上游區(qū)空洞、粘土心墻下方空洞、下游區(qū)空洞以及上下游雙空洞。實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定滲流條件和不同地震烈度（峰值地面加速度PGA分別為0.1g、0.33g和0.47g）下進(jìn)行，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了滲流量、孔隙水壓力、壩頂位移和加速度等關(guān)鍵響應(yīng)。同時(shí)，研究利用GeoStudio軟件中的SEEP/W和QUAKE/W模塊進(jìn)行了平行的數(shù)值模擬，以驗(yàn)證和補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
研究結(jié)果表明，空洞的存在和位置對(duì)壩體行為具有決定性影響。在滲流方面，與無(wú)空洞基準(zhǔn)相比，上游空洞導(dǎo)致滲流量急劇增加（例如，在水頭0.30m時(shí)，滲流量從基準(zhǔn)的1.50×10-7 m3/s增加到6.48×10-7 m3/s），并抬高了浸潤(rùn)線，使其在下游坡面出逸。雙空洞配置則產(chǎn)生了最大的滲流量（8.12×10-7 m3/s），導(dǎo)致壩基幾乎完全飽和。相反，下游空洞的影響最小。在變形和穩(wěn)定性方面，上游空洞和雙空洞配置導(dǎo)致了最嚴(yán)重的后果。在0.47g的地震荷載下，上游空洞模型出現(xiàn)了約0.30米的壩頂位移和約7厘米的上游側(cè)沉降，動(dòng)態(tài)安全系數(shù)降至0.579，遠(yuǎn)低于推薦閾值�？紫端畨毫υ诳斩锤浇@著升高，上游空洞和雙空洞模型在強(qiáng)震下的峰值孔隙壓力分別達(dá)到約2.7 kPa和3.0 kPa，觸發(fā)了局部液化。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度吻合，決定系數(shù)R²高達(dá)0.989，驗(yàn)證了方法的可靠性。研究還通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，更大尺寸和不規(guī)則形狀的空洞會(huì)進(jìn)一步放大這些不利效應(yīng)。
圖1. 五種孔洞構(gòu)型示意圖：（a）無(wú)孔洞（b）上游側(cè)孔洞（c）心墻下方孔洞（d）下游側(cè)孔洞（e）雙孔洞
圖2. 不同孔洞直徑模型的安全系數(shù)：（a）3厘米（b）7厘米（c）10厘米
研究總結(jié)
本研究通過集成物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，系統(tǒng)揭示了地基空洞對(duì)分區(qū)土石壩靜動(dòng)力性能的嚴(yán)重影響。研究證實(shí)，空洞的位置是影響壩體安全的關(guān)鍵因素，位于上游或同時(shí)存在于上下游的雙空洞危害最大，它們會(huì)顯著增加滲流、加劇變形、大幅降低抗震穩(wěn)定性，并可能導(dǎo)致局部液化。相比之下，下游空洞的影響則有限�？斩闯叽缭龃蠛托螤畈灰�(guī)則會(huì)進(jìn)一步惡化這些效應(yīng)。該研究建立的實(shí)驗(yàn)-數(shù)值綜合驗(yàn)證方法，為評(píng)估巖溶等復(fù)雜地基上土石壩的安全性提供了可靠的分析框架。研究成果強(qiáng)調(diào)了在對(duì)建在可溶巖地基上的大壩進(jìn)行安全評(píng)估和加固設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮隱蔽空洞的幾何特征及其空間分布，這對(duì)于預(yù)防類似摩蘇爾大壩的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)具有重要的工程指導(dǎo)意義。
GeoHazards期刊介紹
主編：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
期刊發(fā)表范圍涵地球物理/地質(zhì)災(zāi)害、氣候及氣候變化相關(guān)災(zāi)害、氣象災(zāi)害、水文災(zāi)害、塊體運(yùn)動(dòng)災(zāi)害以及人為和技術(shù)災(zāi)害等研究領(lǐng)域。自2020年創(chuàng)刊以來(lái)，被ESCI、Scopus、GeoRef等多個(gè)權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。
2025 Impact Factor
2.3
2025 CiteScore
2.6
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18.9 Days
Acceptance to Publication
4.7 Days