加快構(gòu)建國(guó)家水網(wǎng)，建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)家的重大戰(zhàn)略部署。從實(shí)踐進(jìn)展看，我國(guó)已建、在建南水北調(diào)東中線、引漢濟(jì)渭、滇中引水、引江濟(jì)淮等一批重大引調(diào)水工程。從頂層設(shè)計(jì)看，2023年5月中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》，既明確要求“以南水北調(diào)工程?hào)|、中、西三線為重點(diǎn)，科學(xué)推進(jìn)一批重大引調(diào)排水工程規(guī)劃建設(shè)”，也將“水網(wǎng)工程安全性和可靠性顯著提升”列為重要建設(shè)目標(biāo)。

輸水渠道作為調(diào)水工程的核心建筑物，因線路長(zhǎng)、地質(zhì)與環(huán)境條件復(fù)雜，在運(yùn)行期面臨特殊巖土渠段滲漏與邊坡失穩(wěn)等工程安全風(fēng)險(xiǎn)。特殊巖土渠道邊坡的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控、穩(wěn)定性態(tài)診斷和災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警是亟待解決的難題。

某重大調(diào)水工程深挖方膨脹土邊坡變形破壞機(jī)理模型試驗(yàn)

某重大調(diào)水工程將挖深超15m的渠道邊坡定義為深挖方邊坡，并將深挖方膨脹土邊坡的穩(wěn)定性作為運(yùn)行期安全管理的重點(diǎn)。盡管建設(shè)期采取了表層改性土換填處理措施，但未能完全阻斷膨脹土與大氣水汽交換通道，導(dǎo)致部分深挖方渠段邊坡運(yùn)行后出現(xiàn)了較明顯的蠕動(dòng)變形和淺層滑坡跡象，變形體深度達(dá)2～8m，影響渠道安全輸水和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

我國(guó)膨脹土分布廣泛，從云貴高原到華北平原的多個(gè)流域中的平原、盆地、河谷階地、河間地塊及丘陵等均有分布，其中廣西、云南、湖北、河南等省分布最為廣泛。《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》中規(guī)劃的多項(xiàng)調(diào)水工程，需穿越連片膨脹土區(qū)。以南水北調(diào)中線工程為例，其在河南、河北兩省境內(nèi)，挖深超10m的膨脹土渠段達(dá)144.4km，最大坡高超40m。開(kāi)挖不僅為滑坡提供了臨空條件，還在卸荷與近地表強(qiáng)烈大氣作用下，激活了膨脹土脹縮特性，擾動(dòng)濕度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和地下水賦存狀態(tài)，形成“脹縮活動(dòng)帶”?？傮w看，挖方膨脹土邊坡滑坡具有漸進(jìn)性、季節(jié)性、滯后性和反復(fù)性特征，其中，深挖方膨脹土渠道邊坡開(kāi)挖卸荷效應(yīng)更明顯、受大氣影響更顯著。這一問(wèn)題在長(zhǎng)期運(yùn)行中尤為突出，例如，淠史杭灌區(qū)運(yùn)行后的前30年發(fā)生干渠滑坡195處，駟馬山分洪道深切嶺渠段運(yùn)行期已發(fā)生滑坡11處。

深挖方膨脹土邊坡變形發(fā)展趨勢(shì)與典型破壞現(xiàn)象

深挖方膨脹土渠道邊坡變形破壞除由膨脹土自身脹縮特性決定外，還與地形和氣候等因素有關(guān)。山西、河南、湖北、安徽、河北等省6～9月降水量和蒸發(fā)量大，干濕交替頻繁，不利于深挖方膨脹土渠道邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定。全球變暖背景下，長(zhǎng)時(shí)間干旱與短歷時(shí)強(qiáng)降雨等極端氣象事件頻發(fā)，進(jìn)一步加劇了深挖方膨脹土渠道邊坡風(fēng)險(xiǎn)。例如，2016年“7·19”特大暴雨曾誘發(fā)某重大調(diào)水工程數(shù)處深挖方膨脹土渠道邊坡嚴(yán)重變形，幸經(jīng)巡檢與應(yīng)急處置，防止了災(zāi)害發(fā)展。因此，深入研究深挖方膨脹土邊坡破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)于保障渠道長(zhǎng)期安全運(yùn)行具有重要意義。然而，受多因素耦合作用影響，其變形破壞機(jī)理尚不明確，導(dǎo)致運(yùn)行期安全監(jiān)控與滑坡預(yù)測(cè)預(yù)警存在較大困難。

深挖方膨脹土渠道邊坡所受的復(fù)雜環(huán)境作用

在此背景下，《深挖方膨脹土邊坡破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)技術(shù)》作者系統(tǒng)考慮降水、地下水位和渠道水位等多因素耦合影響，結(jié)合理論分析與室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究深挖方膨脹土渠道邊坡的變形和破壞機(jī)理，揭示其變形時(shí)空演化規(guī)律；同時(shí)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立了深挖方膨脹土渠道邊坡變形安全監(jiān)控模型與多變量異常診斷方法，提出了基于多變量局部異常系數(shù)的滑坡預(yù)警方法，驗(yàn)證其可靠性。作者希望本書(shū)的出版，能促進(jìn)膨脹土邊坡安全監(jiān)控和災(zāi)害防治研究領(lǐng)域的發(fā)展。

深挖方膨脹土邊坡破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)技術(shù)

胡江，李星著

北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 6

ISBN 978-7-03-081172-1

本書(shū)共6章，第1章系統(tǒng)總結(jié)膨脹土邊坡滑坡破壞機(jī)理與特征，邊坡變形時(shí)空演變規(guī)律、預(yù)測(cè)方法、失穩(wěn)預(yù)警技術(shù)與邊坡穩(wěn)定分析方法等；第2章分析了深挖方膨脹土邊坡施工期滑坡破壞模式、特征與主要誘發(fā)因素，列舉了典型案例；第3章針對(duì)深挖方膨脹土渠道邊坡變形潛在破壞模式，基于安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，闡釋了渠道邊坡運(yùn)行初期變形體分布及病害特征、渠道邊坡運(yùn)行期變形時(shí)空演變機(jī)理；第4章采用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)、持續(xù)降水等工況下高地下水位膨脹土邊坡變形破壞機(jī)理，揭示了邊坡表面變形和裂隙，以及邊坡含水率和邊坡內(nèi)部變形的時(shí)空演化規(guī)律；第5章針對(duì)嚴(yán)重變形深挖方膨脹土渠道邊坡案例，構(gòu)建了包含裂隙、加固處置措施的概化模型，分析了設(shè)計(jì)、運(yùn)行與加固處置等不同工況條件下的渠道邊坡穩(wěn)定性；第6章建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的渠道邊坡變形預(yù)測(cè)模型，提出了基于多變量局部異常系數(shù)的渠道邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法。

作者簡(jiǎn)介

胡江，博士，正高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師。水利青年拔尖人才，江蘇省第六期“333高層次人才培養(yǎng)工程”培養(yǎng)對(duì)象。兼任中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)大壩安全與韌性提升專委會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)、青年工作委員會(huì)副主任委員、大壩數(shù)值模擬專委會(huì)委員以及長(zhǎng)江技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)理事等。主要從事水利水電工程智能監(jiān)控、健康診斷和風(fēng)險(xiǎn)分析等領(lǐng)域的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金黃河水科學(xué)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等4項(xiàng)，省部級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)；負(fù)責(zé)完成南水北調(diào)中線、東線、紅旗渠等重大調(diào)水或灌區(qū)工程，以及板橋、石漫灘、金佛山水庫(kù)等大中型水利水電工程科研課題60余項(xiàng)。出版學(xué)術(shù)專著5部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇（其中SCI、EI論文40余篇），參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9部及團(tuán)體、地方標(biāo)準(zhǔn)4部，授權(quán)發(fā)明專利近30項(xiàng)。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)（大禹）獎(jiǎng)1項(xiàng)。多次參與國(guó)家應(yīng)急處置工作，獲水利部水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)任務(wù)嘉獎(jiǎng)。

李星，博士，高級(jí)工程師。江蘇省第七期“333高層次人才培養(yǎng)工程”培養(yǎng)對(duì)象，江蘇省卓越博士后、江蘇省優(yōu)秀博士論文及水利行業(yè)優(yōu)秀博士論文獲得者。兼任中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)大壩安全與韌性專委會(huì)委員。主要從事重大水工結(jié)構(gòu)健康診斷、安全監(jiān)控及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的科研與工程實(shí)踐。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上、青年項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題及中國(guó)博士后科學(xué)基金等科研項(xiàng)目8項(xiàng)。負(fù)責(zé)和參與南水北調(diào)東、中線等重大工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目10余項(xiàng)。參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4部、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1部，出版專著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)，獲各類科技獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)。

本書(shū)的出版得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“深挖方膨脹土渠坡變形安全監(jiān)控模型與滑坡預(yù)警方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：52179138）與南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“涉水邊坡變形破壞預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)防控”（項(xiàng)目編號(hào)：Y724004）與南京水利科學(xué)研究院出版基金的聯(lián)合支持。

本文摘編自《深挖方膨脹土邊坡破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)技術(shù)》（胡江，李星著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 6）一書(shū)“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-081172-1

責(zé)任編輯: 惠 雪

《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》指出“推動(dòng)建設(shè)高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)韌性的安全水網(wǎng)”，“發(fā)揮水網(wǎng)運(yùn)行整體效能，增強(qiáng)系統(tǒng)安全韌性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力”。作為調(diào)水工程的主要建筑物，輸水渠道具有線路長(zhǎng)及工程地質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境條件復(fù)雜等特點(diǎn)，運(yùn)行期存在特殊巖土渠段邊坡失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)，渠道邊坡安全監(jiān)控、穩(wěn)定性態(tài)診斷和滑坡預(yù)測(cè)預(yù)警是亟待解決的難題。為此，本書(shū)聚焦深挖方膨脹土邊坡破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)地介紹了深挖方膨脹土邊坡施工期滑坡模式與成因、深挖方膨脹土渠坡運(yùn)行期變形時(shí)空演化規(guī)律、高地下水膨脹土邊坡變形破壞機(jī)理、深挖方膨脹土渠坡運(yùn)行期穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析方法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的深挖方膨脹土渠坡變形預(yù)測(cè)模型與失穩(wěn)預(yù)測(cè)方法等。

本書(shū)可作為水利水電工程安全監(jiān)控、地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書(shū)，也可供相關(guān)專業(yè)本科生與研究生參考。

（本文編輯： 劉四旦 ）

專業(yè)品質(zhì) 學(xué)術(shù)價(jià)值

原創(chuàng)好讀 科學(xué)品位

一起閱讀科學(xué)