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)控國家重點實驗室，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，依托國家重點研發(fā)計劃項目、國家科技攻關(guān)項目（國家科技支撐項目）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金項目等國家級科研項目及省部級重點科研項目，圍繞水利水電工程建設(shè)項目論證、建設(shè)和運行中的巖土工程問題開展了科學(xué)研究，并先后對我國不同時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，前期研究主要針對細粒土及紅土、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系列粗粒料試驗設(shè)備，近期又陸續(xù)研制了大型高壓三軸和側(cè)限流變試驗設(shè)備，大型動靜接觸面試驗設(shè)備、直徑為1000 mm的特大型靜動三軸儀等，形成了國內(nèi)系列最完整的材料試驗平臺，開展了大量的不同種類土的工程性質(zhì)試驗研究。

（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)土的工程特性進行土料選擇和設(shè)計的原則［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)整級配、采用重型擊實，改善了土料滲透和壓實特性，為大壩壩料設(shè)計和斷面分區(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，又進一步研究了強風(fēng)化料和礫質(zhì)土料作心墻土料的筑壩關(guān)鍵技術(shù)［6］。近期對糯扎渡、雙江口、長河壩、兩河口、如美等300 m級土質(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》獲得國家科技進步一等獎，針對土石壩土質(zhì)防滲體參與完成的多項研究成果獲得國家科技進步二等獎。

（2）粗粒料的工程特性研究。1980年代以來，對覆蓋層和筑壩粗粒料進行了大量的試驗研究，研究對象囊括了國內(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前筑壩材料性質(zhì)研究的熱點與難點，巖土所圍繞粗粒料變形特性的尺寸效應(yīng)和時間效應(yīng)開展了較系統(tǒng)的工作。

受室內(nèi)試驗試樣尺寸的限制，粗粒土室內(nèi)試驗常需縮尺，導(dǎo)致粒徑和級配與現(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比試驗，采用不可破碎顆粒材料的離散元數(shù)值試驗［7］和控制顆粒強度的人工材料平面應(yīng)變物理試驗、原型堆石材料的側(cè)限壓縮試驗［8］和實際工程反演分析［9］等手段，揭示了顆粒強度對變形模量的影響，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?zāi)Ｐ蛥?shù)推算現(xiàn)場模型參數(shù)，以改進數(shù)值模擬預(yù)測的精度。

粗粒料變形時間效應(yīng)包含有較多成分，一般認為流變和濕化，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試驗［11］和大型側(cè)限流變試驗研究，發(fā)現(xiàn)了更為貼合實際的流變發(fā)展過程。結(jié)合實際堆石壩后期變形規(guī)律的分析，提出了對數(shù)模式流變模型［12］，并發(fā)展為通用的對數(shù)冪模式流變模型［10］，與多個高土石壩工程實測沉降過程符合良好。同時，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［13］，為進一步改進長期變形規(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)的覆蓋層土體強度和變形參數(shù)確定方法是取擾動樣，模擬現(xiàn)場級配和密實度條件進行室內(nèi)試驗。不能反映土體的原位結(jié)構(gòu)性和土體天然沉積的特點，同時，由于現(xiàn)場級配和密實度的可靠測定也具有相當難度，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)場旁壓試驗和現(xiàn)場載荷試驗與室內(nèi)材料試驗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)試驗確定土體變形特性參數(shù)的變化規(guī)律，通過現(xiàn)場試驗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)試驗確定的參數(shù)更能反映實際情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場大型剪切試驗、大型載荷試驗、現(xiàn)場大型壓縮試驗等大型現(xiàn)場試驗，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，在多個國家計劃研究項目和國家自然科學(xué)基金項目的資助下，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)認識，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，分析黃土地基加固的飽和濕陷設(shè)計思想的弊端，提出了依據(jù)增濕變形確定實際可能濕陷的設(shè)計思想及浸水變形計算模式和強度衰減公式［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)國家標準。

2.2 土石壩計算分析技術(shù)自1960年代起開展土石壩的應(yīng)力變形數(shù)值計算分析工作，采用彈性本構(gòu)關(guān)系進行了土石壩應(yīng)力變形分析。自1980年代起，歷經(jīng)了國外計算程序引進和大規(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，實現(xiàn)土石壩建設(shè)和運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室。1970年代開始滲流數(shù)值分析研究，開發(fā)了多種計算方法和程序，解決了復(fù)雜條件下滲流場的數(shù)值計算問題。目前，已形成具有多場耦合計算分析能力的大型三維滲流有限元計算程序，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的Morgenstern-Price法建立了嚴格的邊坡穩(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)計院批準在水利水電設(shè)計系統(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)進行了可視化、云計算等升級改造，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)計方法，之后陸續(xù)解決了岳城、毛家村等多個工程的反濾設(shè)計問題。1980年代以來，對軟巖風(fēng)化料、礫石土、摻碎石料等寬級配防滲土料的滲透特性及反濾設(shè)計進行了大量研究［25-27］，揭示了防滲土料裂縫自愈性能和滲透破壞機理，基于保護細顆粒和有利于裂縫自愈的原則，提出了寬級配防滲土料的反濾層設(shè)計準則，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，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為是心墻堆石壩安全的重大威脅。過去普遍認為堆石壩殼與土質(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、離心模擬試驗和數(shù)值模擬計算分析研究發(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是心墻不利應(yīng)力條件的重要誘因［29］，深化了對防滲體水力劈裂的認知。研究還發(fā)現(xiàn)，寬級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研究和現(xiàn)場試驗及實際施工，巖土所以西北口水庫為試點，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、洪家渡、水布埡、察汗烏蘇、九甸峽、茨哈峽等多個工程，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)計和施工技術(shù)難題，支撐了100 m級、200 m級混凝土面板堆石壩建設(shè)及300 m級面板堆石壩建設(shè)可行性論證，相關(guān)研究成果曾兩次獲得國家科技進步二等獎，主編或參編了碾壓式土石壩及混凝土面板堆石壩的設(shè)計和施工規(guī)范。

砂礫料筑壩材料的設(shè)計填筑標準采用相對密度，而受級配縮尺效應(yīng)和壓實功能的影響，室內(nèi)試驗所得到的最大干密度并不是真實的最大干密度，導(dǎo)致工程實際檢測中常出現(xiàn)相對密度大于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)場大型相對密度試驗確定壩料壓實指標的方法，采用原級配砂礫料、現(xiàn)場壓實機具和大直徑密度桶，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)量控制指標提供了實用方法［37］。

2.5 土石壩風(fēng)險定量化分析技術(shù)基于風(fēng)險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。一般認為，風(fēng)險等于失效后的致災(zāi)損失與失效概率的乘積。

土石壩潰口流量的準確計算，是土石壩致災(zāi)損失定量化評價和科學(xué)應(yīng)急處置的一個重要前提。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裝置，研究了土體材料侵蝕速率和啟動流速。在國內(nèi)率先開展了土石壩潰決過程的離心機模型試驗研究，揭示了壩體潰決破壞特征。基于潰壩實測數(shù)據(jù)分析與潰決模型試驗研究，改進了潰壩水力學(xué)計算方法，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算方法［38］，開發(fā)了具有自主知識產(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“相對安全率”的概念，形成了安全判據(jù)理論標定方法，建立了傳統(tǒng)單一安全系數(shù)和可靠指標之間的橋梁［40］。以此研究為基礎(chǔ)，借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗，提出了土石壩邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險控制標準，并就200 m以上特高土石壩分等、分級提出了建議［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)險理論為基礎(chǔ)，提出了采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模，虛、實潰壩樣本結(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)計方法和貝葉斯方法結(jié)合的動態(tài)概率計算方法，探索了潰壩統(tǒng)計資料缺乏條件下高土石壩失效概率的計算方法。

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)，分級筑壩技術(shù)、貯放對地下水環(huán)境影響［43］等多個方面，近年來又率先開展了貯灰場灰壩安全評價工作，有效提高了燃煤電廠貯灰場安全管理水平。目前，正在負責(zé)編制貯灰場防滲技術(shù)導(dǎo)則，以規(guī)范防滲設(shè)計，提高貯灰場地下水環(huán)保水平。

自本世紀初以來，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)險和險情應(yīng)急處置技術(shù)研究，近期針對云南魯?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 土工離心模型試驗技術(shù)離心模擬試驗作為一種先進的物理模擬方法，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土工離心模擬試驗機，容量為450 g·t，屬當時亞洲最大。經(jīng)過近十年的發(fā)展，先后研發(fā)了世界首臺可試驗水平和垂直雙向振動的離心機振動臺、具備4自由度的離心機機械手、離心機沖擊/爆破系統(tǒng)、可實現(xiàn)大荷載加載的離心機液壓加載系統(tǒng)，使得目前的離心模擬試驗室成為一個功能齊全、設(shè)備先進、適應(yīng)多種研究需要的試驗平臺。

依托設(shè)備優(yōu)勢，近年來陸續(xù)開展了動力離心模型試驗［44-45］、沖擊—爆破離心模擬試驗［46］、污染物運移離心模擬試驗［47］以及潰壩離心模擬試驗等重點及特色研究，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)土工離心模型試驗規(guī)程。

目前，正在中國水利水電科學(xué)研究院延慶試驗基地建設(shè)新的離心模擬試驗室，計劃建設(shè)1臺容量為1000 g·t的大型土工離心機和1臺最高離心加速度達1000 g的高速土工離心機，將于2021年正式投入運行。

2.8 巖石力學(xué)及工程巖土所早期的巖石力學(xué)研究以試驗研究為主，在現(xiàn)場巖體原位試驗研究、巖石抗剪強度和變形特性試驗研究、軟弱夾層抗剪強度試驗研究等方面在業(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重點科研項目，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260家的邊坡穩(wěn)定STAB與EMU軟件。針對水工結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險分析和可靠度設(shè)計方法的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)難題，提出了“相對安全率”理論，對重力壩、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)和分項系數(shù)進行了理論標定［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與數(shù)值模擬分析，對錨索加固邊坡的阻滑抗剪作用機理進行了深入研究，揭示了預(yù)應(yīng)力錨索的主動被動支護特征，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)計方法［56-61］。

為解決工程界對預(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)力錨索腐蝕試驗平臺，開展了鋼絞線腐蝕試驗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判模型，為預(yù)應(yīng)力錨索長期運行健康評價提供了重要的技術(shù)支撐［62-65］。

針對目前預(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。針對吉林引松、陜西引漢濟渭、新疆引額濟烏、云南滇中調(diào)水等長距離引調(diào)水工程、錦屏二級引水隧洞、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，對高應(yīng)力巖爆機理、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)特性及原位試驗技術(shù)［71-72］、復(fù)雜圍巖支護時機確定方法及支護數(shù)值方法、高壓岔管充水圍巖水力劈裂機理及控制技術(shù)等進行了深入研究。建立了以圍巖變形量為控制指標的多種支護措施最佳支護時機確定方法；提出了有壓隧洞預(yù)應(yīng)力環(huán)錨襯砌支護技術(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方面，結(jié)合吉林引松工程項目，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)場試驗技術(shù)、橡皮囊無水壓力試驗技術(shù)，以及真實水壓試驗技術(shù)方案，通過現(xiàn)場試驗驗證，取得了良好的試驗效果。

（4）TBM掘進相關(guān)研究。利用自主研發(fā)的新型巖體鉆進實時數(shù)字監(jiān)測技術(shù)，利用數(shù)學(xué)分析方法，對巖體工程力學(xué)特性進行實時評價分析，并提出了鉆進比能的概念和公式［73］，可為TBM施工掌子面前方圍巖快速分類與強度估計提供了一種途徑。針對雙護盾TBM卡機和脫困難題，應(yīng)用卡機洞段三維數(shù)值仿真分析模型，對TBM掘進圍巖大變形卡機風(fēng)險和處理工法進行了研究，提出了不同圍巖條件的卡機判別公式、雙護盾TBM掘進下圍巖快速支護技術(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)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，先后研發(fā)了大壩填筑施工實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)、水利工程建設(shè)管理云平臺、大壩填筑碾壓機械無人駕駛系統(tǒng)和大壩安全巡檢系統(tǒng)，已在多個工程中得到成功應(yīng)用。

（1）水利工程建設(shè)管理云平臺建設(shè)。在國家“十二五”科技支撐項目支持下，基于云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對土石壩建設(shè)管理中施工信息存儲不及時、不準確、難以查詢等問題，通過對水利工程建設(shè)管理中的各類信息采集、傳輸、分析及展示標準的研究，提出了水利工程建設(shè)信息管理架構(gòu)標準，建立了實時共享的“設(shè)計-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，實現(xiàn)了水利工程建設(shè)信息文檔的實時化、精細化、體系化管理，以及電子文件的自動生成、自動分類、自動歸檔，向“無紙化”施工管理邁出了堅實的一步［74］。

（2）大壩填筑施工實時智能化監(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)的大壩填筑施工實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)［75］。該系統(tǒng)可實現(xiàn)取料、運輸、加水、攤鋪、碾壓、壓實質(zhì)量檢測等大壩填筑施工過程的實時、連續(xù)、遠程監(jiān)控。另外，研發(fā)了基于圖像識別的粗顆粒壩料級配特性分析技術(shù)、基于頻域反射的壩料含水率快速檢測技術(shù)、壩料壓實質(zhì)量的實時檢測技術(shù)等多項配套技術(shù)，提升了該系統(tǒng)的實用化水平。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)境實時感知技術(shù)、智能機械控制系統(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，可嚴格按照規(guī)定的施工參數(shù)進行施工，且駕駛機構(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，對施工技術(shù)的進步提供了先進的手段。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)?；谧灾餮邪l(fā)的三維智能數(shù)字地球平臺技術(shù)，開發(fā)了“河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目信息管理系統(tǒng)”，實現(xiàn)了部、省（或流域機構(gòu)）等多級動態(tài)信息的實時定位、信息錄入、統(tǒng)計分析等功能，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技術(shù)研究水利水電工程爆破與安全防護研究工作始于1958年，1978年建設(shè)了直徑9 m的爆炸試驗洞及配套設(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)測評估等方面的研究［3，77］，并為多個工程提供了直接技術(shù)支持。近年來，依托國家自然科學(xué)基金重點項目、“十二五”科技支撐項目等，率先開展了土工離心機中爆破模擬技術(shù)、高壩抗爆特性研究、爆破破冰等方面的研究。

2.11 大壩工程安全評價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價方法與評價標準、病害調(diào)查與隱患探測、自然因素與人為因素對大壩安全的影響、大壩安全管理與維護、大壩除險加固等方面積累了豐富的經(jīng)驗，依托國家“十一五”科技支撐計劃項目和多個水利部科研項目，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步一等獎。近年來，形成了實力雄厚的專家團隊，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價，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)量檢測試驗室，能夠進行包括物理、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固液儲存、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)標準。

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加固面臨前所未有的壓力，生態(tài)環(huán)境修復(fù)與日益嚴峻的地下水環(huán)境問題，也對巖土工程研究提出了新的課題。面對新的挑戰(zhàn)，仍需在以下幾個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)和時間效應(yīng)研究，掌握粗顆粒筑壩材料的真實變形特性，揭示土石構(gòu)筑物后期變形的機理與長期發(fā)展變化規(guī)律。以膨脹土、分散性土等特殊土為重點，進一步研究其性質(zhì)劣化的內(nèi)在機制，探索新的處理技術(shù)。

（2）離心模擬試驗技術(shù)研究。完善離心模擬試驗配套裝備與測試手段，擴展試驗功能，提高試驗精度。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理論與試驗方法。探索數(shù)值模擬與模型試驗相結(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。完善土石壩靜動力計算方法和計算技術(shù)，實現(xiàn)高土石壩工作性狀的高效可靠全生命期仿真分析。針對高土石壩建設(shè)需要，進一步開展壩體變形控制技術(shù)、防滲體系耐久性、大壩動力性狀與抗震減災(zāi)技術(shù)等方面的研究。開展大壩病險原位綜合探測技術(shù)研究，提高大壩安全綜合診斷和評價水平，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)大壩安全實時智能監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)，提升大壩安全管理水平；進一步研究自然條件和戰(zhàn)爭、恐怖活動等非自然條件下土石壩潰決致災(zāi)機理，完善潰壩分析技術(shù)，發(fā)展基于風(fēng)險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)機理研究，完善高邊坡的穩(wěn)定分析方法和安全控制標準；開展邊坡錨固機理與錨固結(jié)構(gòu)耐久性研究，形成科學(xué)的錨固機構(gòu)安全性評價技術(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，重點研發(fā)實用的地質(zhì)超前預(yù)報新技術(shù)及圍巖穩(wěn)定性快速分析方法，完善支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，研發(fā)新的支護技術(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。