溫彥鋒，鄧 剛，王玉杰

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 引言

中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所（下文簡稱巖土所）建所至今，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家科技攻關(guān)項(xiàng)目（國家科技支撐項(xiàng)目）、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等國家級(jí)科研項(xiàng)目及省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，圍繞水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目論證、建設(shè)和運(yùn)行中的巖土工程問題開展了科學(xué)研究，并先后對(duì)我國不同時(shí)期的重大工程及若干國際工程提供了卓有成效的技術(shù)咨詢，解決了眾多實(shí)際工程中的技術(shù)難題，為國家水利水電建設(shè)提供了科技支撐。本文簡要介紹了巖土所60年，特別是近10年來的主要研究進(jìn)展和科研成果以及今后的研究展望。

2 巖土工程研究回顧

2.1 土的工程性質(zhì)研究土的工程性質(zhì)研究一直是巖土所的特色研究方向，前期研究主要針對(duì)細(xì)粒土及紅土、分散性土、膨脹土等特殊土，解決了土料應(yīng)用中的諸多技術(shù)難題。1980年代以來，高土石壩迅速發(fā)展，堆石、砂礫石等粗粒料，以及風(fēng)化料、天然或人工摻配礫石土等寬級(jí)配防滲土料的使用日益增多，巖土所率先研制了試件直徑為300 mm系列粗粒料試驗(yàn)設(shè)備，近期又陸續(xù)研制了大型高壓三軸和側(cè)限流變?cè)囼?yàn)設(shè)備，大型動(dòng)靜接觸面試驗(yàn)設(shè)備、直徑為1000 mm的特大型靜動(dòng)三軸儀等，形成了國內(nèi)系列最完整的材料試驗(yàn)平臺(tái)，開展了大量的不同種類土的工程性質(zhì)試驗(yàn)研究。

（1）土石壩防滲土料研究。巖土所防滲土料特性的研究始于1950年代，針對(duì)水中倒土和水力沖填等筑壩方法，開展了孔隙水壓力消散規(guī)律的分析，提出根據(jù)壩體排水固結(jié)情況控制施工速率，支撐了汾河水庫水中倒土壩等工程的成功建設(shè)。1960—1970年代，結(jié)合云南毛家村土壩和甘肅碧口土質(zhì)心墻壩等工程研究，提出控制壓實(shí)干密度和含水率以改善工程特性的建議，確立了根據(jù)土的工程特性進(jìn)行土料選擇和設(shè)計(jì)的原則［1-2］?！傲濉眹铱萍脊リP(guān)期間，結(jié)合云南魯布革工程研究了風(fēng)化料作為心墻土料的筑壩關(guān)鍵技術(shù)［3-4］，“七五”和“八五”國家攻關(guān)期間，結(jié)合四川瀑布溝工程，研究了寬級(jí)配礫質(zhì)土料用作心墻土料的筑壩關(guān)鍵技術(shù)［5］，提出剔除超徑大顆粒調(diào)整級(jí)配、采用重型擊實(shí)，改善了土料滲透和壓實(shí)特性，為大壩壩料設(shè)計(jì)和斷面分區(qū)優(yōu)化提供了依據(jù)。結(jié)合黃河小浪底等工程，研究了筑壩土料在高應(yīng)力和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)?！熬盼濉眹夜リP(guān)期間結(jié)合水布埡心墻堆石壩方案，又進(jìn)一步研究了強(qiáng)風(fēng)化料和礫質(zhì)土料作心墻土料的筑壩關(guān)鍵技術(shù)［6］。近期對(duì)糯扎渡、雙江口、長河壩、兩河口、如美等300 m級(jí)土質(zhì)心墻堆石壩的相關(guān)技術(shù)開展了大量研究工作，研究了土料密度、含礫比等對(duì)抗?jié)B特性及孔隙壓力消長規(guī)律的影響，研究了應(yīng)力、變形和水力坡降耦合作用下礫石土的抗?jié)B性能。研究促進(jìn)了過去所謂“不良土料”，即特殊土、礫質(zhì)土、風(fēng)化土及摻礫（碎石）黏土料的利用，有效拓寬了防滲土料的選擇范圍。巖土所主持完成的國家科技攻關(guān)成果《土質(zhì)防滲體高土石壩研究》獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，針對(duì)土石壩土質(zhì)防滲體參與完成的多項(xiàng)研究成果獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

（2）粗粒料的工程特性研究。1980年代以來，對(duì)覆蓋層和筑壩粗粒料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，研究對(duì)象囊括了國內(nèi)幾乎所有種類的粗粒料，揭示了高應(yīng)力水平、復(fù)雜應(yīng)力條件的影響。近年來，隨著土石壩壩高的不斷攀升，已建高土石壩運(yùn)行過程中暴露出比較突出的變形控制問題，粗粒料變形問題成為當(dāng)前筑壩材料性質(zhì)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，巖土所圍繞粗粒料變形特性的尺寸效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)開展了較系統(tǒng)的工作。

受室內(nèi)試驗(yàn)試樣尺寸的限制，粗粒土室內(nèi)試驗(yàn)常需縮尺，導(dǎo)致粒徑和級(jí)配與現(xiàn)場筑壩材料差異較大，出現(xiàn)所謂的尺寸效應(yīng)。通過不同試樣尺寸的對(duì)比試驗(yàn)，采用不可破碎顆粒材料的離散元數(shù)值試驗(yàn)［7］和控制顆粒強(qiáng)度的人工材料平面應(yīng)變物理試驗(yàn)、原型堆石材料的側(cè)限壓縮試驗(yàn)［8］和實(shí)際工程反演分析［9］等手段，揭示了顆粒強(qiáng)度對(duì)變形模量的影響，提出了適用于堆石料、砂礫石料等粗粒料的模量-最大粒徑相關(guān)關(guān)系［10］，可采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)推算現(xiàn)場模型參數(shù)，以改進(jìn)數(shù)值模擬預(yù)測的精度。

粗粒料變形時(shí)間效應(yīng)包含有較多成分，一般認(rèn)為流變和濕化，以及水位變化等循環(huán)荷載導(dǎo)致的變形積累等都是可能的原因。巖土所通過大型三軸流變?cè)囼?yàn)［11］和大型側(cè)限流變?cè)囼?yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了更為貼合實(shí)際的流變發(fā)展過程。結(jié)合實(shí)際堆石壩后期變形規(guī)律的分析，提出了對(duì)數(shù)模式流變模型［12］，并發(fā)展為通用的對(duì)數(shù)冪模式流變模型［10］，與多個(gè)高土石壩工程實(shí)測沉降過程符合良好。同時(shí)，開展了水位上升和循環(huán)作用下粗粒料濕化和變形累積規(guī)律試驗(yàn)［13］，為進(jìn)一步改進(jìn)長期變形規(guī)律預(yù)測模型提供了基礎(chǔ)。

（3）聯(lián)合室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試綜合確定土體工程特性參數(shù)的相關(guān)技術(shù)研究。常規(guī)的覆蓋層土體強(qiáng)度和變形參數(shù)確定方法是取擾動(dòng)樣，模擬現(xiàn)場級(jí)配和密實(shí)度條件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。不能反映土體的原位結(jié)構(gòu)性和土體天然沉積的特點(diǎn)，同時(shí)，由于現(xiàn)場級(jí)配和密實(shí)度的可靠測定也具有相當(dāng)難度，因此覆蓋層土體的力學(xué)特性參數(shù)測定面臨諸多問題。1990年代，開發(fā)了聯(lián)合現(xiàn)場旁壓試驗(yàn)和現(xiàn)場載荷試驗(yàn)與室內(nèi)材料試驗(yàn)綜合確定深覆蓋層土體變形特性和本構(gòu)模型參數(shù)的方法［14］，該方法以室內(nèi)試驗(yàn)確定土體變形特性參數(shù)的變化規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗(yàn)的反演分析土體的本構(gòu)模型參數(shù)，較以往單純依靠室內(nèi)試驗(yàn)確定的參數(shù)更能反映實(shí)際情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)、大型載荷試驗(yàn)、現(xiàn)場大型壓縮試驗(yàn)等大型現(xiàn)場試驗(yàn)，為合理確定大粒徑筑壩材料的力學(xué)特性提供了新的方法［15-16］。上述方法已應(yīng)用于青海公伯峽、四川仁宗海、新疆卡拉貝利、新疆阿爾塔什等工程。

（4）非飽和土理論的研究和應(yīng)用。巖土所在國內(nèi)最早開展了非飽和土的工程特性研究，在1960年代初，研制了非飽和土吸力量測設(shè)備，1965年在國內(nèi)首次發(fā)表了非飽和土的水氣形態(tài)及其對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響的研究成果［17］，按其飽和度的不同，將孔隙流體分為三種水氣形態(tài)，分別制訂了測定孔隙水、氣壓力及確定有效應(yīng)力的方法，這些成果開辟了我國非飽和土力學(xué)研究的先河。

近年來，在多個(gè)國家計(jì)劃研究項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，開展了非飽和黃土和膨脹土的研究。將土作為由土顆粒、氣、水和收縮膜組成的四相系，突破基質(zhì)吸力均等性的常規(guī)認(rèn)識(shí)，提出了基質(zhì)吸力各向異性理念，建立了非飽和黃土的三維有效應(yīng)力公式［18］，提出了黃土的破壞條件［19］；同時(shí)，分析黃土地基加固的飽和濕陷設(shè)計(jì)思想的弊端，提出了依據(jù)增濕變形確定實(shí)際可能濕陷的設(shè)計(jì)思想及浸水變形計(jì)算模式和強(qiáng)度衰減公式［20-21］。成果應(yīng)用于南水北調(diào)黃土渠道高邊坡、新疆坎兒井加固等工程，并被納入相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 土石壩計(jì)算分析技術(shù)自1960年代起開展土石壩的應(yīng)力變形數(shù)值計(jì)算分析工作，采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了土石壩應(yīng)力變形分析。自1980年代起，歷經(jīng)了國外計(jì)算程序引進(jìn)和大規(guī)模二次開發(fā)，逐漸形成了具有自身特色的土石壩應(yīng)力變形分析軟件，能夠采用不同本構(gòu)模型，較好處理應(yīng)力變形與滲流耦合以及流變、濕化等長期變形，模擬壩體分期填筑和復(fù)雜接縫體系，實(shí)現(xiàn)土石壩建設(shè)和運(yùn)用全過程的仿真分析。

1950年代開始使用二維及三維的電模擬試驗(yàn)技術(shù)解決工程中的滲流問題，1958年建立了滲流電模擬試驗(yàn)室。1970年代開始滲流數(shù)值分析研究，開發(fā)了多種計(jì)算方法和程序，解決了復(fù)雜條件下滲流場的數(shù)值計(jì)算問題。目前，已形成具有多場耦合計(jì)算分析能力的大型三維滲流有限元計(jì)算程序，可考慮非穩(wěn)定滲流、復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)及密集排水孔幕等復(fù)雜滲控措施分析大工程區(qū)域的滲流問題。

陳祖煜院士基于改進(jìn)的Morgenstern-Price法建立了嚴(yán)格的邊坡穩(wěn)定求解方法體系［22-24］，編制了STAB專用程序，并于1984年經(jīng)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院批準(zhǔn)在水利水電設(shè)計(jì)系統(tǒng)中推廣使用，為壩坡穩(wěn)定分析提供了科學(xué)有效技術(shù)手段。此后還持續(xù)進(jìn)行了可視化、云計(jì)算等升級(jí)改造，是國內(nèi)廣泛使用的土石壩壩坡穩(wěn)定分析工具［24］。

2.3 心墻堆石壩滲流控制與水力破壞問題研究1950年代末期，巖土所研究了反濾層的設(shè)計(jì)方法，之后陸續(xù)解決了岳城、毛家村等多個(gè)工程的反濾設(shè)計(jì)問題。1980年代以來，對(duì)軟巖風(fēng)化料、礫石土、摻碎石料等寬級(jí)配防滲土料的滲透特性及反濾設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究［25-27］，揭示了防滲土料裂縫自愈性能和滲透破壞機(jī)理，基于保護(hù)細(xì)顆粒和有利于裂縫自愈的原則，提出了寬級(jí)配防滲土料的反濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，支撐了瀑布溝、糯扎渡、雙江口等工程的防滲土料選擇與大壩設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于相關(guān)規(guī)范的修訂。

土質(zhì)防滲體堆石壩的心墻水力破壞問題一直被認(rèn)為是心墻堆石壩安全的重大威脅。過去普遍認(rèn)為堆石壩殼與土質(zhì)心墻之間的拱效應(yīng)引起的心墻豎向應(yīng)力低于水壓力是導(dǎo)致水力劈裂的主要原因［28］。近期通過國內(nèi)外高土石壩工程疑似水力劈裂案例調(diào)研分析、離心模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算分析研究發(fā)現(xiàn)，心墻堆石壩防滲心墻的應(yīng)力變形特性受壩殼與心墻、岸坡與心墻兩種拱效應(yīng)的影響，岸坡凸變和庫水位快速變動(dòng)是心墻不利應(yīng)力條件的重要誘因［29］，深化了對(duì)防滲體水力劈裂的認(rèn)知。研究還發(fā)現(xiàn)，寬級(jí)配礫石土料破壞形式并非傳統(tǒng)意義上的水力劈裂，而是呈現(xiàn)類似滲透破壞的“水力擊穿”［30］，即礫石土中的水壓力僅需在數(shù)值上接近土體最小主應(yīng)力，不需要存在垂直于最小主應(yīng)力的土體貫穿面，高壓水即可沿大致平行于水力梯度方向擊穿礫石土［10］。研究發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)置反濾可以有效控制防滲體缺陷的發(fā)展，保障防滲體滲流穩(wěn)定［31-32］。

2.4 混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)研究自1980年代開始，隨著混凝土面板堆石壩技術(shù)被引入中國，結(jié)合堆石材料工程特性試驗(yàn)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)及實(shí)際施工，巖土所以西北口水庫為試點(diǎn)，開展了混凝土面板堆石壩技術(shù)的全面研究和再開發(fā)工作［33-34］。其后，結(jié)合茄子山、天生橋一級(jí)、洪家渡、水布埡、察汗烏蘇、九甸峽、茨哈峽等多個(gè)工程，開展了利用軟巖筑面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)、峽谷地區(qū)高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)、超硬巖筑面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)、深覆蓋層上修建面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)［12，35-36］等系列研究，解決了軟巖和超硬巖壩料合理利用、壩料分區(qū)設(shè)計(jì)與壩體變形控制、混凝土面板與混凝土防滲墻連接結(jié)構(gòu)形式等設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難題，支撐了100 m級(jí)、200 m級(jí)混凝土面板堆石壩建設(shè)及300 m級(jí)面板堆石壩建設(shè)可行性論證，相關(guān)研究成果曾兩次獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，主編或參編了碾壓式土石壩及混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。

砂礫料筑壩材料的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)密度，而受級(jí)配縮尺效應(yīng)和壓實(shí)功能的影響，室內(nèi)試驗(yàn)所得到的最大干密度并不是真實(shí)的最大干密度，導(dǎo)致工程實(shí)際檢測中常出現(xiàn)相對(duì)密度大于1的不合理現(xiàn)象。近年來，依托阿爾塔什、大石峽、玉龍喀什、前坪等重大水利工程，發(fā)展和倡導(dǎo)了基于現(xiàn)場大型相對(duì)密度試驗(yàn)確定壩料壓實(shí)指標(biāo)的方法，采用原級(jí)配砂礫料、現(xiàn)場壓實(shí)機(jī)具和大直徑密度桶，在現(xiàn)場確定材料的最大干密度和最小干密度，為合理確定大壩碾壓質(zhì)量控制指標(biāo)提供了實(shí)用方法［37］。

2.5 土石壩風(fēng)險(xiǎn)定量化分析技術(shù)基于風(fēng)險(xiǎn)的土石壩安全分析和管理是國內(nèi)外廣受關(guān)注的發(fā)展方向。一般認(rèn)為，風(fēng)險(xiǎn)等于失效后的致災(zāi)損失與失效概率的乘積。

土石壩潰口流量的準(zhǔn)確計(jì)算，是土石壩致災(zāi)損失定量化評(píng)價(jià)和科學(xué)應(yīng)急處置的一個(gè)重要前提。在陳祖煜院士帶領(lǐng)下自主研制了大型圓筒型土樣侵蝕率沖刷試驗(yàn)裝置，研究了土體材料侵蝕速率和啟動(dòng)流速。在國內(nèi)率先開展了土石壩潰決過程的離心機(jī)模型試驗(yàn)研究，揭示了壩體潰決破壞特征?；跐螌?shí)測數(shù)據(jù)分析與潰決模型試驗(yàn)研究，改進(jìn)了潰壩水力學(xué)計(jì)算方法，采用圓弧滑裂面模擬潰口的側(cè)向展寬過程，發(fā)展了基于雙曲線侵蝕率模型的土石壩潰決過程模擬計(jì)算方法［38］，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的潰壩過程模擬軟件系統(tǒng)，并應(yīng)用于紅石巖堰塞湖應(yīng)急救災(zāi)方案的制定［39］。

可靠度方法是在現(xiàn)有規(guī)范的技術(shù)框架內(nèi)，為分析工程安全的不確定性而提供的一種較為契合的系統(tǒng)性定量化方法。近年來，在陳祖煜院士帶領(lǐng)下創(chuàng)新性地提出了“相對(duì)安全率”的概念，形成了安全判據(jù)理論標(biāo)定方法，建立了傳統(tǒng)單一安全系數(shù)和可靠指標(biāo)之間的橋梁［40］。以此研究為基礎(chǔ)，借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，提出了土石壩邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)，并就200 m以上特高土石壩分等、分級(jí)提出了建議［41］。

土石壩特別是高土石壩潰壩案例較少，潰壩失效概率的定量分析面臨諸多困難。近期，巖土所以貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，提出了采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模，虛、實(shí)潰壩樣本結(jié)合、多源監(jiān)測信息融合的高土石壩失效概率分析方法，以及基于薄防滲體土石壩滲流狀態(tài)概化［42］，統(tǒng)計(jì)方法和貝葉斯方法結(jié)合的動(dòng)態(tài)概率計(jì)算方法，探索了潰壩統(tǒng)計(jì)資料缺乏條件下高土石壩失效概率的計(jì)算方法。

2.6 灰壩、尾礦壩及堰塞壩研究巖土所自1980年代初起即著手開展了灰壩、尾礦壩等工業(yè)固體廢棄物的安全貯放技術(shù)研究，研究涉及廢棄物的工程性質(zhì)，分級(jí)筑壩技術(shù)、貯放對(duì)地下水環(huán)境影響［43］等多個(gè)方面，近年來又率先開展了貯灰場灰壩安全評(píng)價(jià)工作，有效提高了燃煤電廠貯灰場安全管理水平。目前，正在負(fù)責(zé)編制貯灰場防滲技術(shù)導(dǎo)則，以規(guī)范防滲設(shè)計(jì)，提高貯灰場地下水環(huán)保水平。

自本世紀(jì)初以來，結(jié)合西藏易貢滑坡形成的堰塞壩、5·12汶川特大地震形成的唐家山、小崗劍、肖家橋等堰塞壩［39］，巖土所開展了較為系統(tǒng)的堰塞壩風(fēng)險(xiǎn)和險(xiǎn)情應(yīng)急處置技術(shù)研究，近期針對(duì)云南魯?shù)榈卣鹦纬傻募t石巖堰塞壩，開展了堰塞壩潰決流量分析、堰塞體物料特性、堰塞體抗?jié)B和變形性能、以及后期防滲處置等相關(guān)問題研究，為應(yīng)急和長期處置工作提供了直接支撐。

2.7 土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)離心模擬試驗(yàn)作為一種先進(jìn)的物理模擬方法，在模擬研究原型復(fù)雜的巖土工程問題，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析結(jié)果等方面具有明顯優(yōu)勢。巖土所1991年建成了LXJ-4-450土工離心模擬試驗(yàn)機(jī)，容量為450 g·t，屬當(dāng)時(shí)亞洲最大。經(jīng)過近十年的發(fā)展，先后研發(fā)了世界首臺(tái)可試驗(yàn)水平和垂直雙向振動(dòng)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)、具備4自由度的離心機(jī)機(jī)械手、離心機(jī)沖擊/爆破系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)大荷載加載的離心機(jī)液壓加載系統(tǒng)，使得目前的離心模擬試驗(yàn)室成為一個(gè)功能齊全、設(shè)備先進(jìn)、適應(yīng)多種研究需要的試驗(yàn)平臺(tái)。

依托設(shè)備優(yōu)勢，近年來陸續(xù)開展了動(dòng)力離心模型試驗(yàn)［44-45］、沖擊—爆破離心模擬試驗(yàn)［46］、污染物運(yùn)移離心模擬試驗(yàn)［47］以及潰壩離心模擬試驗(yàn)等重點(diǎn)及特色研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，并作為主編單位編制了水利和電力行業(yè)土工離心模型試驗(yàn)規(guī)程。

目前，正在中國水利水電科學(xué)研究院延慶試驗(yàn)基地建設(shè)新的離心模擬試驗(yàn)室，計(jì)劃建設(shè)1臺(tái)容量為1000 g·t的大型土工離心機(jī)和1臺(tái)最高離心加速度達(dá)1000 g的高速土工離心機(jī)，將于2021年正式投入運(yùn)行。

2.8 巖石力學(xué)及工程巖土所早期的巖石力學(xué)研究以試驗(yàn)研究為主，在現(xiàn)場巖體原位試驗(yàn)研究、巖石抗剪強(qiáng)度和變形特性試驗(yàn)研究、軟弱夾層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究等方面在業(yè)界影響較大。1980年之后，研究工作逐漸轉(zhuǎn)向以科學(xué)計(jì)算為主。目前，以極限平衡和極限分析理論為基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定分析原理、方法以及相應(yīng)的程序系列W-SLOPE，以巖體變形和穩(wěn)定有限元分析方法及相應(yīng)的分析軟件，已形成特色并應(yīng)用于許多大型水利水電工程中；另外，巖體錨固技術(shù)、隧洞與地下工程等方面的研究也日趨深入。

（1）巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析及加固技術(shù)。結(jié)合一系列國家和省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論，提出了邊坡穩(wěn)定的二、三維上下限分析方法［48］，并形成用戶數(shù)達(dá)260家的邊坡穩(wěn)定STAB與EMU軟件。針對(duì)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析和可靠度設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)難題，提出了“相對(duì)安全率”理論，對(duì)重力壩、拱壩及擋土墻和加筋土邊坡的抗滑穩(wěn)定分析相應(yīng)的允許安全系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了理論標(biāo)定［49-55］。開發(fā)了錨拉懸臂抗滑樁、分散壓縮型無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索和傾斜山脊地形重力式擋墻等治理大型滑坡新技術(shù)，解決了三峽、小浪底、小灣、洪家渡、阿爾塔什等工程的關(guān)鍵技術(shù)難題。

（2）錨固技術(shù)。通過大型錨固巖體模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，對(duì)錨索加固邊坡的阻滑抗剪作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究，揭示了預(yù)應(yīng)力錨索的主動(dòng)被動(dòng)支護(hù)特征，建立了預(yù)應(yīng)力錨索的綜合抗剪作用模型和基于復(fù)合材料力學(xué)理論的錨固巖體本構(gòu)模型，并提出了基于預(yù)應(yīng)力錨索拉剪復(fù)合破壞的新型錨固設(shè)計(jì)方法［56-61］。

為解決工程界對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索長期耐久性的關(guān)注，首次在漫灣挖出了一根已運(yùn)用了20年的深26 m、1000 kN全長黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索，通過理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究，揭示了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下預(yù)應(yīng)力錨索的腐蝕體征和基本規(guī)律。自主研制了預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕試驗(yàn)平臺(tái)，開展了鋼絞線腐蝕試驗(yàn)及腐蝕損傷探測技術(shù)等方面的研究，初步建立了預(yù)應(yīng)力錨索全生命周期腐蝕評(píng)判模型，為預(yù)應(yīng)力錨索長期運(yùn)行健康評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)支撐［62-65］。

針對(duì)目前預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)存在的主要技術(shù)問題，提出了大噸位楔形預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨頭結(jié)構(gòu)、新型應(yīng)力削峰式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)、可拆卸預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)［66］、新型多重腐蝕防護(hù)的新型外錨頭結(jié)構(gòu)等新型錨索結(jié)構(gòu)技術(shù)及新型全程監(jiān)測智能錨索系統(tǒng)。

（3）隧洞與地下工程。針對(duì)吉林引松、陜西引漢濟(jì)渭、新疆引額濟(jì)烏、云南滇中調(diào)水等長距離引調(diào)水工程、錦屏二級(jí)引水隧洞、陽蓄抽水蓄能電站等工程中的地下洞室?guī)r石力學(xué)問題，對(duì)高應(yīng)力巖爆機(jī)理、判據(jù)和控制技術(shù)［67-69］；襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力確定［70］、預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及原位試驗(yàn)技術(shù)［71-72］、復(fù)雜圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法及支護(hù)數(shù)值方法、高壓岔管充水圍巖水力劈裂機(jī)理及控制技術(shù)等進(jìn)行了深入研究。建立了以圍巖變形量為控制指標(biāo)的多種支護(hù)措施最佳支護(hù)時(shí)機(jī)確定方法；提出了有壓隧洞預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌支護(hù)技術(shù)和的施工工藝；建立了基于非線性流變模型的軟巖長期變形預(yù)測分析方法；揭示了灌漿對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力的消減規(guī)律和滲漏量變化規(guī)律的影響；建立了考慮圍巖和裂隙應(yīng)力-滲流耦合作用的高壓隧洞充水過程的塊體離散元數(shù)值模擬技術(shù)，揭示了高壓隧洞充排水內(nèi)水外滲后在圍巖及節(jié)理裂隙中滲流規(guī)律。

在有壓輸水隧洞原位試驗(yàn)方面，結(jié)合吉林引松工程項(xiàng)目，開展了有壓隧洞圍巖襯砌聯(lián)合受力變形的大型原位試驗(yàn)技術(shù)研究［71-72］，提出了圓環(huán)形扁千斤頂模擬水壓現(xiàn)場試驗(yàn)技術(shù)、橡皮囊無水壓力試驗(yàn)技術(shù)，以及真實(shí)水壓試驗(yàn)技術(shù)方案，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的試驗(yàn)效果。

（4）TBM掘進(jìn)相關(guān)研究。利用自主研發(fā)的新型巖體鉆進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)字監(jiān)測技術(shù)，利用數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)巖體工程力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)分析，并提出了鉆進(jìn)比能的概念和公式［73］，可為TBM施工掌子面前方圍巖快速分類與強(qiáng)度估計(jì)提供了一種途徑。針對(duì)雙護(hù)盾TBM卡機(jī)和脫困難題，應(yīng)用卡機(jī)洞段三維數(shù)值仿真分析模型，對(duì)TBM掘進(jìn)圍巖大變形卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和處理工法進(jìn)行了研究，提出了不同圍巖條件的卡機(jī)判別公式、雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)下圍巖快速支護(hù)技術(shù)和高效通過高地應(yīng)力洞的工法。

2.9 工程建設(shè)與管理信息化技術(shù)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，先后研發(fā)了大壩填筑施工實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)、水利工程建設(shè)管理云平臺(tái)、大壩填筑碾壓機(jī)械無人駕駛系統(tǒng)和大壩安全巡檢系統(tǒng)，已在多個(gè)工程中得到成功應(yīng)用。

（1）水利工程建設(shè)管理云平臺(tái)建設(shè)。在國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目支持下，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)土石壩建設(shè)管理中施工信息存儲(chǔ)不及時(shí)、不準(zhǔn)確、難以查詢等問題，通過對(duì)水利工程建設(shè)管理中的各類信息采集、傳輸、分析及展示標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了水利工程建設(shè)信息管理架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，建立了實(shí)時(shí)共享的“設(shè)計(jì)-施工-監(jiān)理-檢測-業(yè)主”五位一體、以數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用為主線的水利工程建設(shè)管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了水利工程建設(shè)信息文檔的實(shí)時(shí)化、精細(xì)化、體系化管理，以及電子文件的自動(dòng)生成、自動(dòng)分類、自動(dòng)歸檔，向“無紙化”施工管理邁出了堅(jiān)實(shí)的一步［74］。

（2）大壩填筑施工實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)。為保障土石壩碾壓的施工質(zhì)量，巖土所研制了基于北斗高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的大壩填筑施工實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)［75］。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)取料、運(yùn)輸、加水、攤鋪、碾壓、壓實(shí)質(zhì)量檢測等大壩填筑施工過程的實(shí)時(shí)、連續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外，研發(fā)了基于圖像識(shí)別的粗顆粒壩料級(jí)配特性分析技術(shù)、基于頻域反射的壩料含水率快速檢測技術(shù)、壩料壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測技術(shù)等多項(xiàng)配套技術(shù)，提升了該系統(tǒng)的實(shí)用化水平。目前該系統(tǒng)已在云南月亮灣水庫、河北雙峰寺水庫、河南出山店水庫、安徽江巷水庫、新疆阿爾塔什水利樞紐、老撾南俄3水電站等大壩碾壓施工中得到了推廣應(yīng)用。

（3）大壩填筑碾壓機(jī)械無人駕駛系統(tǒng)。以高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、自主環(huán)境實(shí)時(shí)感知技術(shù)、智能機(jī)械控制系統(tǒng)等方面的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，開發(fā)了大壩填筑碾壓機(jī)械無人駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有碾壓路線規(guī)劃、施工環(huán)境監(jiān)測、障礙避讓和緊急遙控停車等功能，可嚴(yán)格按照規(guī)定的施工參數(shù)進(jìn)行施工，且駕駛機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試便捷，常規(guī)駕駛與無人駕駛轉(zhuǎn)換方便，有效改善了施工人員工作條件，對(duì)施工技術(shù)的進(jìn)步提供了先進(jìn)的手段。該系統(tǒng)已在出山店水利樞紐工程大壩碾壓施工中得到的應(yīng)用。

（4）大壩安全管理系統(tǒng)開發(fā)。以水工建筑物三維地形、地質(zhì)建模技術(shù)研究［76］為基礎(chǔ)，初步建立了基于水庫大壩三維工程和地質(zhì)信息、異構(gòu)多源監(jiān)測信息融合的土石壩（堤防）安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有日常安全巡檢、大壩在線監(jiān)控、大壩工作性態(tài)數(shù)值模擬與預(yù)測、大壩安全預(yù)警與應(yīng)急處置等功能。

（5）水庫工程數(shù)據(jù)庫與河道管理系統(tǒng)。基于自主研發(fā)的三維智能數(shù)字地球平臺(tái)技術(shù)，開發(fā)了“河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目信息管理系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了部、?。ɑ蛄饔驒C(jī)構(gòu)）等多級(jí)動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)定位、信息錄入、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并已在水利部建管司得到應(yīng)用，提高了我國涉河項(xiàng)目建設(shè)和工程管理的信息化水平。

2.10 工程爆破安全控制及防護(hù)技術(shù)研究水利水電工程爆破與安全防護(hù)研究工作始于1958年，1978年建設(shè)了直徑9 m的爆炸試驗(yàn)洞及配套設(shè)施。之后，陸續(xù)開展了巖塞爆破、定向爆破筑壩、壩料控制爆破開采、拆除爆破、爆破安全監(jiān)測評(píng)估等方面的研究［3，77］，并為多個(gè)工程提供了直接技術(shù)支持。近年來，依托國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、“十二五”科技支撐項(xiàng)目等，率先開展了土工離心機(jī)中爆破模擬技術(shù)、高壩抗爆特性研究、爆破破冰等方面的研究。

2.11 大壩工程安全評(píng)價(jià)與安全鑒定我國已建水庫大壩9.8萬余座，其中95%以上為土石壩，安全管理任務(wù)繁重。歷經(jīng)數(shù)十年來的相關(guān)研究，巖土所在土石壩安全評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、病害調(diào)查與隱患探測、自然因素與人為因素對(duì)大壩安全的影響、大壩安全管理與維護(hù)、大壩除險(xiǎn)加固等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，依托國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目和多個(gè)水利部科研項(xiàng)目，系統(tǒng)開展了水庫大壩安全管理技術(shù)研究［78］，相關(guān)研究成果榮獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。近年來，形成了實(shí)力雄厚的專家團(tuán)隊(duì)，先后完成了密云水庫、官廳水庫等多座大型水庫大壩的安全評(píng)價(jià)，為20余座國內(nèi)外大型水電站、抽水蓄能電站和水利樞紐工程開展了蓄水安全鑒定和竣工安全鑒定工作。

2.12 土工合成材料質(zhì)量檢測與工程應(yīng)用建立了性能完備的土工合成材料質(zhì)量檢測試驗(yàn)室，能夠進(jìn)行包括物理、力學(xué)、水力學(xué)、耐久性、界面特性和蠕變特性等42項(xiàng)檢測，檢測材料范圍涉及土工布、土工膜、土工格柵、土工格室、膨潤土防水毯、透水管和土工復(fù)合材料等多種土工合成材料。開展了土工合成材料在危險(xiǎn)固液儲(chǔ)存、景觀工程、水利工程等方面的應(yīng)用技術(shù)研究，主持編寫了土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 今后的研究方向

未來水利水電開發(fā)條件日趨復(fù)雜，為巖土工程相關(guān)技術(shù)研究提出了更高要求。高土石壩的變形控制問題、建筑物的抗震安全問題、高邊坡與深埋地下洞室穩(wěn)定性問題、特殊土的變形與處理等都亟待解決；量大面廣的土石壩工程的安全管理和除險(xiǎn)加固面臨前所未有的壓力，生態(tài)環(huán)境修復(fù)與日益嚴(yán)峻的地下水環(huán)境問題，也對(duì)巖土工程研究提出了新的課題。面對(duì)新的挑戰(zhàn)，仍需在以下幾個(gè)方面開展深入的研究。

（1）筑壩材料工程性質(zhì)研究。深化筑壩材料的尺寸效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)研究，掌握粗顆粒筑壩材料的真實(shí)變形特性，揭示土石構(gòu)筑物后期變形的機(jī)理與長期發(fā)展變化規(guī)律。以膨脹土、分散性土等特殊土為重點(diǎn)，進(jìn)一步研究其性質(zhì)劣化的內(nèi)在機(jī)制，探索新的處理技術(shù)。

（2）離心模擬試驗(yàn)技術(shù)研究。完善離心模擬試驗(yàn)配套裝備與測試手段，擴(kuò)展試驗(yàn)功能，提高試驗(yàn)精度。開展離心模擬技術(shù)基礎(chǔ)研究，發(fā)展完善離心模擬試驗(yàn)理論與試驗(yàn)方法。探索數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的模擬技術(shù)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大型工程模擬試驗(yàn)創(chuàng)造條件。

（3）高土石壩建設(shè)和管理關(guān)鍵技術(shù)研究。完善土石壩靜動(dòng)力計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高土石壩工作性狀的高效可靠全生命期仿真分析。針對(duì)高土石壩建設(shè)需要，進(jìn)一步開展壩體變形控制技術(shù)、防滲體系耐久性、大壩動(dòng)力性狀與抗震減災(zāi)技術(shù)等方面的研究。開展大壩病險(xiǎn)原位綜合探測技術(shù)研究，提高大壩安全綜合診斷和評(píng)價(jià)水平，支撐大壩安全管理；基于現(xiàn)代信息技術(shù)和安全監(jiān)測新技術(shù)，研發(fā)大壩安全實(shí)時(shí)智能監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)，提升大壩安全管理水平；進(jìn)一步研究自然條件和戰(zhàn)爭、恐怖活動(dòng)等非自然條件下土石壩潰決致災(zāi)機(jī)理，完善潰壩分析技術(shù)，發(fā)展基于風(fēng)險(xiǎn)的大壩安全管理技術(shù)。

（4）高邊坡關(guān)鍵技術(shù)研究。深化高邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究，完善高邊坡的穩(wěn)定分析方法和安全控制標(biāo)準(zhǔn)；開展邊坡錨固機(jī)理與錨固結(jié)構(gòu)耐久性研究，形成科學(xué)的錨固機(jī)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)技術(shù)；開展新型邊坡錨固技術(shù)及錨固結(jié)構(gòu)監(jiān)測新技術(shù)研究，研發(fā)實(shí)用邊坡安全智能監(jiān)控技術(shù)。

（5）深埋長隧洞和大型地下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長大隧洞工程建設(shè)和大型地下廠房的建設(shè)中的疑難和復(fù)雜問題，重點(diǎn)研發(fā)實(shí)用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)新技術(shù)及圍巖穩(wěn)定性快速分析方法，完善支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，研發(fā)新的支護(hù)技術(shù)和新型監(jiān)測技術(shù)，為工程建設(shè)和安全管理提供技術(shù)支持。

（6）環(huán)境巖土工程技術(shù)研究。開展燃煤電廠灰渣、尾礦等工業(yè)固體廢物的安全貯放技術(shù)研究，放射性核廢料安全貯放技術(shù)研究，污染土地治理技術(shù)研究，淤地壩建設(shè)與管理關(guān)鍵技術(shù)研究，以及土工合成材料在生態(tài)和環(huán)境治理工程中的應(yīng)用技術(shù)研究。

致謝：本文基于巖土工程研究所60年來的主要成果編寫而成。參加編寫的人員還有魏迎奇，趙劍明，蔡紅，趙宇飛，田繼雪，殷旗等。