近日，研究院周伟教授团队在水文水资源领域顶级期刊《Water Resources Research》发表了题为《Investigation of Flow Characteristics of Landslide Materials Through Pore Space Topology and Complex Network Analysis》（《基于孔隙空间拓扑结构和复杂网络分析的堰塞坝渗流特性研究》）的研究论文。

1问题描述

堰塞坝由于其坝体结构松散、颗粒级配不均匀、粒径变化范围大等特点，在高水头作用下极易发生渗透破坏而导致溃坝。不同颗粒级配组成的堰塞坝，其内部孔隙结构复杂且具有非均质性，导致坝体呈现明显的渗透差异。传统的渗流试验方法，由于缺少时效性，无法快速获取坝体渗透特性。针对该问题，本研究通过建立多孔介质渗流模型探究具有不同级配特征的坝体渗透特性，从而揭示堰塞坝颗粒集合体的多孔结构特性与宏观渗透性能之间的联系。

图1 整体工作路线

2主要创新

该研究建立了具有不同颗粒级配的试样，采用宏观指标如迂曲度、分形维数等描述了试样的整体结构特征。采用孔隙网络模型量化孔隙体在微观空间尺度上的结构特性，基于此建立了孔隙率、孔隙半径、迂曲度与渗透率之间的关系。同时采用复杂网络方法针对多孔结构的连通特性进行探究，揭示了高渗透试样和低渗透试样的两种孔隙连接模式，阐明了多孔结构连通特性影响渗透率的内在机理。

图2 孔隙网络模型计算结果

图3 复杂网络中接近中心性与喉道中心流速之间的关系

3科学价值

该研究跨越宏观与微观尺度量化了渗透率与孔隙结构特征之间的关系，基于孔隙网络与复杂网络相结合的方法，探究了多孔结构特征对渗透特性的影响，揭示了影响渗透性能的微观机理，为后续描述多孔结构特征提供了一种崭新的思路。同时，该研究利用颗粒级配数据可以对堰塞坝的渗透率进行快速评估预测，对应急抢险具有一定的实际工程指导意义。