0.   引言

为贯彻落实党中央、国务院防灾减灾救灾工作重大部署，“十三五”期间，科技部会同相关部门，共同设计了国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项，以期为提升国家防灾减灾救灾能力，保障人民生命财产安全和国家社会经济安全可持续发展提供科技支撑。2020年5月，“膨胀土滑坡与工程边坡新型防治技术与工程示范研究”（编号：2019YFC1509900）项目正式获批立项，对应指南“膨胀土滑坡和工程边坡新型防治技术研究”方向。该项目由同济大学牵头，中国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、合肥工业大学、中国地质科学院探矿工艺研究所、南京大学、航天科工惯性技术有限公司、黄河勘测规划设计研究院有限公司、安徽省淠史杭灌区管理总局、广西华蓝岩土工程有限公司等10家单位共同参与。项目自2020年6月启动以来，针对膨胀土滑坡和工程边坡的重大地质灾害问题，以膨胀土水敏性和裂隙性为主线，通过联合攻关，揭示了膨胀土滑坡和工程边坡的失稳机理与关键致灾因子，突破了膨胀土边坡多场信息监测与滑坡灾害早期预警技术，研发了“表—浅—深”一体化的膨胀土边坡韧性生态防护技术，形成了膨胀土边坡防护工程健康诊断方法与快速修复技术，初步集成了膨胀土边坡生态防护综合技术体系并实施工程示范三处，为膨胀土滑坡与工程边坡防治提供了新理论、新技术和新工法。本文就项目的研究背景、研究内容、主要创新成果、成果的应用情况及社会经济效益等作简要介绍。

1.   背景及国内外研究现状

膨胀土是世界上分布最为广泛的特殊土之一，在中国河南、安徽、广西等地更是广为发育，且与人口居住和经济活动密集区高度重叠^[1-2]。由于富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，膨胀土具有显著的胀缩性、裂隙性和超固结性（简称“三性”），对气候变化、人类活动等外部因素极为敏感，导致膨胀土边坡灾害频发^[3]。尤其是近些年来，随着中国城镇化、交通及水利等工程建设的不断深入，膨胀土滑坡与工程边坡灾害问题日益凸显，严重威胁人民生命财产安全和经济社会可持续发展^[4]。然而，由于膨胀土地质成因、类型与环境因素的差异，其边坡灾害类型、成灾模式和孕育条件极其复杂，且具有渐进性、反复性和长期潜伏性等特点，传统的削坡减载、挡墙、抗滑桩和弃土换填等刚性支护技术，无法适应膨胀土的“三性”及其互馈作用要求，导致边坡防治效果不够理想，不耐久甚至短时间内即完全失效，花费巨大但屡治不止，成为工程“癌症”^[5]。因此，开展膨胀土滑坡和工程边坡新型防治技术与工程示范研究，对革新膨胀土滑坡与工程边坡防治技术和工法、保障膨胀土地区经济社会可持续发展具有重要意义。

国内外关于膨胀土滑坡与工程边坡地质灾害防治的研究已有近百年历史，针对边坡失稳机理与安全性评价、监测预警、防治材料与技术，以及防护工程健康诊断与修复等问题开展了大量的研究和工程实践；膨润土滑坡和工程边坡的防治技术已经从弃土换填、化学改良、刚性支护等传统防治方法，发展到保湿防渗、以柔治胀、生态护坡等柔性防治技术^[6]，但仍然面临巨大的挑战。

（1）挑战1：膨胀土滑坡与工程边坡水力作用失稳机理与安全性评价理论。近年来，国内外学者通过对降雨入渗/蒸发作用下、膨胀土边坡稳定性的模型试验和理论计算分析，认识到胀缩性、裂隙性和干湿循环作用是诱发膨胀土边坡失稳的主要因素^[7-8]；但由于不同类型膨胀土、不同工程地质条件和环境因素下膨胀土边坡的响应不同，亟需对其灾害类型、成灾模式、孕育环境及失稳机理等展开系统性研究。同时，稳定性分析方法也由仅考虑降雨入渗、水分迁移、强度衰减等，发展到基于裂隙动态描述、水–力耦合及复杂边界条件等因素^[9]；但多场耦合条件下，反复胀缩过程中膨胀土的含水率、裂隙和强度等指标的时空演化难以定量描述，亟需开展基于膨胀土土性特征的安全性动态评价研究。

（2）挑战2：膨胀土滑坡与工程边坡多场信息监测与滑坡灾害早期预警技术。目前，针对滑坡灾害监测与预警的研究涉及坡体的演变过程、监测指标体系、预警阈值、监测技术等方面，建立了不少基于GIS、BIM等技术的自动监测预警系统^[10]。然而，由于膨胀土的胀缩性及裂隙性，加之外部环境作用的复合叠加，基于位移或降雨量的传统监测预警方法，难以实现滑坡演变过程中水分、温度、裂隙等多场多参数特征的获取与表征。尤其是膨胀土中裂隙网络几何形态结构非常复杂，形成和发育过程具有不确定性，传统的技术手段难以准确获取裂隙的时空发育状态，导致现阶段还无法形成有效的膨胀土滑坡灾害的早期预警方法^[11]。因此亟需在把握膨胀土滑坡致灾机理基础上，建立基于坡体及其防护结构关键状态参量实时监测的早期预警模型与技术方法体系。同时，由于膨胀土边坡所处环境复杂，影响因素多，且具有动态演化的特征，实现多场多参数的三维空间一体化监测，并对多源异构数据进行实时传输和信息挖掘，进而开展滑坡灾害早期识别和预警，目前仍存在很大的挑战。

（3）挑战3：膨胀土滑坡与工程边坡韧性生态防治材料与技术。随着对膨胀土特殊工程特性认识的加深，“宜挡不宜清，宜排不宜堵”的整治原则已成为共识，且“保湿防渗、以柔治胀、生态护坡”等柔性防治理念正逐渐成为主要趋势^[12]。近年来，随着人们环保意识和可持续发展观念的增强，用于土质改良的高性能纳米材料、环保型精细化工材料等引起广泛关注；同时，生态护坡已成为国内外边坡防护工程的热点^[13]。但用于抑制膨胀土水敏性和裂隙性、增强坡体疏排水功能的新型防治材料及其施工技术鲜有报道，针对膨胀土边坡的生态防护机制研究也有待深入。基于膨胀土边坡失稳机制，研发经济、快速、长效、环保型膨胀土边坡防治新材料和“表-浅-深”一体化防治新技术，建立坡面防护、裂隙治愈和稳定性加固一体化材料与技术体系，是亟待解决的“卡脖子”科学与技术难题。

（4）挑战4：膨胀土滑坡与工程边坡防护工程健康诊断与快速修复技术。膨胀土滑坡和边坡防护工程在长期服役过程中因疲劳、环境腐蚀、材料老化等因素产生累积损伤；此外，膨胀土的反复胀缩对防护结构产生循环应力作用，加剧其累积变形，并可能导致突发性损伤。目前国内外针对结构损伤识别、健康诊断及快速修复的研究多集中在桥梁、隧道、建筑等领域，常用的损伤诊断技术有振动、声发射、超声波、射线等，并基于检测数据提出了分项评价、综合评价、模糊评价等多种诊断方法。但如何基于防护结构性能劣化机理，采用多尺度相结合的检测手段和分析方法，快速判别损伤位置和程度，并考虑多指标权重动态变化特征，评价防护结构的健康状态，进而提出基于健康分级的快速加固和修复方法，目前仍是膨胀土滑坡和工程边坡防护工程技术研发的难点^[14]。

2.   研究目标、内容及关键科学技术问题

2.1   研究目标及内容

针对膨胀土滑坡和工程边坡的重大地质灾害问题，开展膨胀土滑坡和工程边坡的失稳机理与关键致灾因子研究，构建膨胀土边坡实时监测预警与防护工程健康诊断系统，研发“表-浅-深”一体化的边坡加固与防护工程快速修复成套技术，制定标准化设计方法与施工工法，进而开展工程示范，形成膨胀土边坡生态防护综合技术体系。

项目下设五大任务目标，对应设置5个课题，课题名称及承担单位、负责人情况如表 1所示。课题间逻辑关系如图 1所示。

表  1  课题设置

Table  1.  Arrangement of tasks

课题序号	课题名称	牵头单位	课题负责人
1	膨胀土滑坡与工程边坡水力作用失稳特征与安全性评价方法	中国科学院武汉岩土力学研究所	孔令伟
2	膨胀土滑坡和工程边坡实时监测与早期预警技术	中国科学院地质与地球物理研究所	胡瑞林
3	膨胀土滑坡和工程边坡防治工程新型材料与新型技术	合肥工业大学	查甫生
4	膨胀土滑坡和工程边坡防护工程健康诊断和快速修复技术	中国地质科学院探矿工艺研究所	石胜伟
5	膨胀土滑坡和工程边坡生态防护综合技术体系及应用示范	同济大学	叶为民

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图  1  课题间逻辑关系

Figure  1.  Relationship among tasks

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2.2   关键科学技术问题

围绕任务目标，项目着重解决两个关键科学问题。

（1）考虑膨胀土“三性”互馈作用的边坡失稳机理与安全性评价理论。外部环境作用下，膨胀土常呈现出超固结性、胀缩性与裂隙性“三性”互馈特征，从而引起具有浅层性、牵引性、反复性等“六性”特征的渐进式滑坡。尤其是，上述行为还受到渗透及温度等影响。因此，膨胀土滑坡实质上是一个以水分迁移为主线的热-渗-力多场耦合问题，且各因素对滑坡稳定性影响程度随时间不断变化。为此，考虑膨胀土“三性”互馈作用的边坡失稳机理与安全性评价理论是本项目拟解决的关键科学问题之一。

（2）基于渐进演化的膨胀土滑坡灾害早期预警模型与韧性生态防治理论。膨胀土滑坡具有渐进性的特征，传统监测预警方法，难以实现滑坡演变过程中水分、温度、裂隙等多场多参数特征的获取与表征，无法形成有效的膨胀土滑坡灾害的早期预警方法；传统的刚性支护技术无法适应具有“三性”特征的膨胀土滑坡的治理要求，难以形成有效耐久的防治效果。基于渐进演化的膨胀土滑坡灾害早期预警模型与韧性生态防治理论是本项目拟解决的第二个关键科学问题。

本项目重点解决以下4大关键技术问题。

（1）基于分布式光纤感测的膨胀土变形及裂隙精细化动态监测技术。常规监测方法无法获得土体内部的变形特征，无法满足龟裂研究的精细要求。分布式光纤监测技术具有高精度、长距离和抗干扰等优点，适合监测大尺度的对象和对变形异常进行精准定位，但如何将传感光纤直接应用于土体变形和裂隙监测仍然是一个值得研究的课题。

（2）基于智能分析及视景交互的膨胀土边坡早期预警技术。监测过程将产生海量多场信息（热、水、力、变形等），且这些信息数据来源和格式不尽相同，如何实现多场信息自动采集—无线传输—云端存储，通过多源异构数据自动采集、三维动态信息处理、人工智能与大数据综合分析，构建具有早期识别功能的膨胀土边坡三维视景智能交互平台并实现高效可靠的早期预警功能，是亟待解决的一项关键技术。

（3）膨胀土边坡“表-浅-深”一体化生态加固技术。基于“保湿防渗，以柔治胀，生态护坡”理念，如何在保障膨胀土边坡防护效果的同时，增强防护结构的韧性和生态环保性，尚需要突破用于抑制膨胀土水敏性和裂隙性、增强坡体疏排水功能的新型防治材料及其施工技术，进而突破膨胀土边坡“表-浅-深”一体化生态加固技术瓶颈。

（4）基于健康分级的防护工程健康诊断与快速修复技术。目前国内外针对产生健康缺陷的膨胀土滑坡和工程边坡防护工程，缺乏科学有效的检测手段、评价体系和仪器设备，且相关修复加固技术仍处于起步探索阶段，如何开展防护工程健康诊断和快速修复仍是亟待解决的关键技术问题。

3.   主要创新成果

3.1   膨胀土滑坡与工程边坡水力作用失稳特征与安全性评价方法

（1）膨胀土边坡灾害类型、成灾模式与关键致灾因子

通过开展全国膨胀土广泛发育地区的实地踏勘和对于已有的膨胀土失稳案例的相关文献（学术论文、专著、报告、新闻报道等）的追踪，统计了过去30年间共计473起膨胀土边坡失稳案例（图 2），开展了典型膨胀土区域的地质、气象、水文和工程背景调研统计，建立了膨胀土边坡失稳案例数据库，归纳总结了膨胀土边坡的灾害类型、成灾模式与关键致灾因子。

图  2  中国膨胀（岩）土边坡灾害点分布（473处）

Figure  2.  Expansive soils-related disasters in China (473 cases)

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从区域上分布来看，膨胀岩土边坡破坏现象集中分布在从云贵高原到东北平原之间的平原、盆地、河谷阶地、河间地块和丘陵地带，在塔里木盆地、东南沿海和黄土高原地带零星分布（图 2）。西南、华南地区夏季高温多雨，冬季低温少雨，形成了良好的干湿循环系统。膨胀土在半干旱或强烈干湿交替作用下反复不均匀胀缩，主要诱发坡面冲蚀、坍塌和滑坡灾害（表 2）。东北、华北地区受冻融作用强烈，膨胀土边坡灾害类型主要包括剥落、胀裂和滑坡。中部地区属暖湿气候，交通运输和水利工程繁密，膨胀土边坡灾害主要为裂隙面控制的整体滑动和胀缩裂隙带浅层滑动。不同区域的膨胀土边坡破坏均存在牵引性、浅层性和渐进性等共性特征，也表现出季节性和灾害类型等差异性。

表  2  膨胀土边坡灾害类型

Table  2.  Disaster types of expansive soil slope

区域	典型地区	灾害类型	代表性案例
西南、华南	四川盆地、昆明盆地、南宁盆地、百色盆地	冲蚀、坍塌、滑坡	百东新区百贤路、广西南友高速公路
东北、华北	延吉盆地、图晖盆地	剥落、胀裂、滑坡	吉林至珲春GDK275边坡
中部	南襄盆地、江淮丘陵区	整体滑动、浅层滑动	南水北调、淠史杭灌区、引江济汉

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通过归纳总结发现，膨胀土边坡灾害可分为坡面冲蚀（24.9%）、局部坍塌（42.1%）和滑坡（33.0%）三大类，关键致灾因子包括地质构造、边坡结构性、胀缩等级、超固结性等内在条件，以及降雨（36.6%）、干湿循环（29.5%）和开挖卸荷（33.9%）等外部诱因（图 3）。膨胀土边坡成灾模式包括胀缩作用下的浅层破坏、沿风化结构面滑动、沿裂隙结构面滑动和沿层间结构面滑动4种。

图  3  不同区域膨胀土边坡灾害类型与关键致灾因子

Figure  3.  Types and causes of expansive soils-related disasters in different regions of China

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（2）膨胀土原位力学特性与微观结构演化规律

开展现场原位试验对于克服室内试验取样过程扰动及试样尺寸限制等影响，认识膨胀土的工程特性尤其重要。为此，开展了原位膨胀土CBR、扁铲侧胀、孔内剪切、回弹模量和旁压试验，获得了膨胀土的原位力学特性^[15-16]。发现含水率相同时，膨胀土最大动剪切模量G_max和参考剪应变${\gamma _{\text{r}}}$具有良好线性关系（图 4）。采用了核磁共振与扫描电镜，分析了季冻区膨胀土的孔隙结构演化特征及其孔隙结构与宏观力学特性之间的联系，发现孔隙结构的变化与力学特性具有较好的线性关系，并影响其体变特性（图 4）^[17-18]。开发了膨胀土土水特征曲线预测软件^[19]和CT数据分析软件^[20]。基于膨胀土的水–力学特性，提出采用改性剂超疏水纳米SiO₂和生物炭改良膨胀土^[21-22]。

图  4  膨胀土原位力学特性

Figure  4.  In-situ mechanical behaviors of expansive soils

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（3）膨胀土边坡成灾模式T-S模糊故障树判别方法与安全性动态评价方法

膨胀土边坡失稳破坏可看作边坡正常运行中的一种故障。然而，由于膨胀土失稳破坏的复杂性和模糊性，使得边坡失稳破坏发生的概率难以用精确值来表示，系统的故障机理并不清楚，事件间的联系往往具有不确定性。为此，在地质评价系统的基础上，采用模糊化分析的方法，建立了膨胀土边坡成灾模式T-S模糊故障树判别方法^[23]。相比传统的故障树分析方法，该方法能够更加准确反映事件间的关系假设。采用该模型成功判别了淠史杭灌区瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡为沿裂隙结构面滑动，百色市百东新区经一路高速公路滑坡为浅层和沿风化结构面共同破坏。

膨胀土边坡的影响因素多且各因素权重随气候和地质环境变化而动态变化，传统的常权重边坡安全性评价方法不再适用。为此，结合膨胀土“三性”及边坡关键致灾因子，选取边坡形态、气象水文和土体性质等方面的11个影响因素，组成膨胀土边坡安全动态评价指标体系，分别建立了强膨胀土和中—低膨胀土的影响因素权重变化模型，采用岭形隶属度函数开展安全性模糊综合评判，形成了膨胀土边坡安全性动态评价方法，并开发软件1套^[24]（图 5）。采用该方法对安徽淠史杭灌区瓦东干渠^#1、^#2滑坡和广西百色星湖路膨胀土边坡进行了安全评价，验证了该方法的可靠性。

图  5  基于变权重模糊综合评判与层次分析法的膨胀土边坡动态安全评价软件

Figure  5.  Software running with fuzzy-AHP-based variable weight safety evaluation model for safety of expansive soil slopes

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3.2   膨胀土滑坡和工程边坡实时监测与早期预警技术

膨胀土具有显著的裂隙性。特别是气候长期干旱和地下水位持续下降时，膨胀土体表层和内部将产生纵横交错、宽大深长的裂隙网络，使得膨胀土的强度、渗透、变形等性质发生显著改变，进而诱发膨胀土边坡灾害^[25-26]。为此，项目研发了膨胀土裂隙捕获、识别与监测技术，并基于裂隙性提出了膨胀土滑坡早期预警技术。

（1）膨胀土裂隙快速捕获与智能识别技术

传统的裂隙捕获与识别多依赖于图像采集并手工标记，工作负荷大且效率低，且极易受到自然条件（降雨、陡坎、草木遮蔽）的影响，随机和系统误差大。项目以淠史杭灌区瓦东干渠^#2滑坡试坑为依托，借助三维激光扫描仪，实现了膨胀土裂隙的现场捕获；借助大数据与机器学习技术，构建了基于点云的膨胀土裂隙模型，并利用基于大数据和卷积神经网络的U-Net模型开展了裂隙智能识别分析，形成了膨胀土裂隙快速捕获与智能识别技术，并开发了相应软件1套^[27-31]（图 6）。

图  6  膨胀土裂隙快速捕获与智能识别技术

Figure  6.  Fast-capture and intelligent-identification techniques for cracks of expansive soils

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相比人工相机采集，三维激光扫描仪能够同时获取点云数据与图像数据，采集效率大大提高。此外，三维重建后的曲面模型表面纹理细致，可以精细反映坡体的表面情况并实现三维可视化。卷积神经网络的图像识别方法相比传统方法拥有强大的泛化能力，可有效排除植被和阴影干扰^[32]。

（2）基于分布式光纤感测的膨胀土边坡水分-裂隙监测技术

针对膨胀土内部水分、温度、变形和裂隙等多场信息的多维度、长距离、大面积原位监测技术瓶颈，研发了基于分布式光纤的膨胀土边坡水分-裂隙监测技术。针对水分监测问题，将铜网加热光纤测管埋入土体内，利用直流电源每隔一定时间加热测管，利用其升温过程中的温度特征值与含水率之间的关系进行土体含水率实时测定（图 7）。

图  7  基于分布式光纤测温系统的膨胀土水分监测技术

Figure  7.  Distributed temperature sensor (DTS)-based moisture monitoring technique

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针对裂隙监测问题，将应变光缆埋入土体内部，通过监测膨胀土干燥收缩过程中的应变分布的时空演化，将应变峰值点判别为裂隙位置。结果表明，应变峰值点与裂隙位置吻合度高，且应变峰值越大，裂隙越宽（图 8）。分布式光纤感测为膨胀土裂隙发育过程精细动态监测和提前预测提供了新的技术手段^[33]。

图  8  基于分布式光纤测温系统的膨胀土裂隙监测技术

Figure  8.  Distributed fiber optic sensing (DFOS)-based crack monitoring technique

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（3）基于裂隙度演化的膨胀土滑坡早期预警技术

膨胀土滑坡变形过程中，滑体裂隙演化发展会影响滑坡变形的进一步发展。针对该问题，在安徽淠史杭灌区瓦东干渠^#2滑坡体上开展了三处原位大型坑试，采用数字图像相关技术，监测获得了不同雨况（小雨、大雨、暴雨）入渗作用下、膨胀土体的变形与裂隙演化过程，揭示了降雨作用下膨胀土滑坡的“缓慢变形—加速变形—稳定变形—加速变形—失稳破坏”阶段式变形破坏模式，发现优势裂隙是控制坡体稳定性的关键因素，提出了基于裂隙度演化的膨胀土滑坡早期预警技术（图 9）。建立了膨胀土滑坡智能化监控平台数据库，初步开发了膨胀土滑坡早期预警平台^[34-35]。

图  9  降雨入渗作用下膨胀土变形与裂隙度演化特征

Figure  9.  Temporal evolution of deformation and crack density of expansive soils subjected to rainfall

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3.3   膨胀土滑坡和工程边坡防治工程新型材料与新型技术

（1）膨胀土边坡“表-浅-深”一体化韧性生态防护技术

裂隙与水分变化是诱发膨胀土滑坡的关键因素，通过控制裂隙发育与水分变化是防治膨胀土滑坡的有效途径。基于非饱和土力学和毛细水运移理论，结合常规边坡加固方法，提出了膨胀土边坡“表-浅-深”一体化生态防治技术^[36-37]。该技术包含韧性生态防护单元（由粗粒层、细粒层和生态层构成）和锚固型排水格构单元两个部分，通过对降雨条件下水分的“阻-储-排”协同作用和蒸发条件下坡体内水分的阻隔效应，实现对坡体水分的“防渗保湿”调控，抑制裂隙的产生与扩展；通过锚固型排水格构维持韧性生态防护单元和土体结构稳定性，同时疏排坡面降水；从而防治膨胀土边坡滑坡灾害（图 10）。同时开展了大量室内试验和数值模拟研究，验证了该技术的可行性和有效性，探明了三层结构厚度、粒径和压实度等对加固效果的影响规律，编制相关技术规程1部，为工程示范边坡“表-浅-深”一体化生态防治设计与施工奠定了基础。

图  10  膨胀土边坡“表-浅-深”一体化韧性生态防护技术

Figure  10.  'Surface-shallow-deep' integrated and ecological reinforcement technology for expansive soil slopes

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（2）膨胀土原位改良技术与工法

工程实践中对膨胀土原位改良和就地利用存在迫切需求。对此，在传统膨胀土路基边坡石灰改性包边工艺的基础上，利用纳米二氧化硅颗粒小、活性高的优点，研发了基于钙基纳米二氧化硅改性的膨胀土路基包边技术^[38]。选取合肥地区膨胀土为研究对象，探究了不同配比、不同掺量、不同养护龄期的纳米二氧化硅-石灰复合改性土在强度、变形、渗透三方面工程性质指标的变化，得到复合改性剂的最优掺量，建立基于性价比的最优掺量计算公式，并结合微观试验，揭示了复合改性剂改性膨胀土的微观作用机理（图 11，图中UCS为无侧限抗压强，NS-C表示纳米二氧化硅-石灰，C表示石灰）。在此基础上，进一步开展钙基纳米二氧化硅改性土在干湿循环、冻融循环碳化作用及有机酸作用下工程性质的试验，对改性土耐久性进行了评价。

图  11  钙基纳米二氧化硅改性膨胀土的水-力特性

Figure  11.  Hydro-mechanical behaviors of expansive soils modified with Ca-SiO₂ powder

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土壤中含有大量微生物群，选取具有一定功能的微生物，经过培养可用于胶结土壤颗粒以固化土体。提出了一种使用磷石膏与微生物改良膨胀土路堤的设计施工方法，该方法可有效降低膨胀土的胀缩性和裂隙性，提高膨胀土路堤的承载力，同时实现磷石膏废物再利用^[39-41]。

（3）膨胀土裂隙柔性生态胶黏治愈剂

基于膨胀土裂隙发育特征及修复需求，考虑表浅部大裂隙与深部中小裂隙共生的现状，研发了PSS（粉体）和LSA（液体）两种柔性生态高分子材料，分别用于修复表浅部大裂隙与深部中小裂隙。粉末状亲水性生态高分子材料（PSS）能够与土均匀拌和，遇水发生反应与土颗粒相互作用形成紧密胶结，作为修复膨胀土大裂隙的填料（图 12）；液体高分子材料（LSA）通过灌浆技术修复深部细小裂隙^[42]。以合肥地区膨胀土为研究对象，探究了不同掺量的PSS复合土体在强度、渗透性、变形三方面工程性质指标的变化规律，提出了最优掺比；在此基础上，结合裂隙图像捕获与处理技术^[43]，探究了干湿循环条件下复合土体的裂隙发育特征；并结合微观结构观测，分析了柔性生态高分子材料对膨胀土胀缩变形及裂隙发育抑制作用的微观机理。

图  12  PSS和LSA治愈膨胀土裂隙示意图

Figure  12.  Cracks curing using PSS and LSA

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3.4   膨胀土滑坡和工程边坡防护工程健康诊断和快速修复技术

（1）防护工程健康分级方法与诊断系统

调研了膨胀土滑坡和工程边坡防护工程50余处，总结分析了排水与支挡结构（挡墙、抗滑桩和格构）变形破坏特征和成因，揭示了膨胀土反复胀缩作用对坡体与防护工程稳定性的影响^[44]，建立了各种防护结构的健康分级指标体系，将防护工程健康状态由轻微到失效划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级。基于模糊综合评判理论，建立了防护工程健康诊断方法，开发了一套防护工程健康诊断系统^[45]（图 13）。该系统通过输入防护结构的各项健康指标并分析权重，准确诊断了百色公安监管中心挡土墙等防护结构的健康状态。

图  13  防护工程健康状态诊断系统

Figure  13.  Diagnostic system for health status of protection structures

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（2）抗滑挡墙多段扩孔式锚杆修复技术

针对膨胀土边坡挡墙变形失稳问题，结合普通土质边坡挡墙的锚杆修复技术和膨胀土特性，研发了多段扩孔式锚杆（MUAs）修复技术（图 14）。室内大型三维模型试验结果表明，增加扩孔段数量可显著提高多段扩孔式锚杆的极限承载力，两段扩孔锚杆是非扩孔锚杆极限承载力的1.56倍，三段扩孔锚杆是非扩孔锚杆极限承载力的2.06倍^[46-47]。揭示了基于拱形破坏和柱形破坏的多段扩孔式锚杆承载机理，建立了多段扩孔式锚杆承载力计算模型，提出了基于MUAs的变形挡墙快速修复设计方法。

图  14  多段扩孔式锚杆

Figure  14.  Multi-underreamed anchors (MUAs)

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（3）排水工程聚合物快速修复技术

受膨胀土反复胀缩作用，排水结构常发生拉张破裂、剪切错位和挤压闭合等破坏，导致排水功能局部甚至大面积失效，成为膨胀土滑坡的重大隐患。为维持排水结构既定的功能性，相应地研发适于裂缝修复的聚合物防渗材料技术及适于大面积、成段损毁的土工织物软体置换技术，具有重要的现实意义。PTB乳液（氯乙烯-乙烯-乙烯醚乳液）具有优良的柔韧性、防水性、防腐性，适宜作为聚合物掺料。将水、水泥、砂、减水剂和PTB乳液以不同配比混合，试制了255个聚合物试块并开展了抗渗、抗折、抗压、黏结和稠度正交试验（图 15），优选了修复材料的适宜配比（175∶500∶750∶1∶24.04或120∶500∶500∶1∶60）^[48]；结合现场试验，提出了采用表面处理法、重力填充法和弹性补缝器注浆法相结合的排水工程聚合物修复工法。

图  15  排水工程聚合物改性水泥砂浆修复材料

Figure  15.  Polymer-modified cement mortar for ditch repairment

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4.   成果应用情况及社会经济效益

围绕膨胀土滑坡和工程边坡防治的实际需求，集成项目主要研发成果，实施了淠史杭灌区瓦东干渠刘岗电灌站^#1、^#2滑坡和合六叶高速公路K707+900工程边坡工程防治示范。其中，瓦东干渠刘岗电灌站^#1滑坡与^#2滑坡毗邻，地质条件基本一致，示范内容存在差异，但限于篇幅本文仅介绍^#2滑坡防治情况。

4.1   淠史杭灌区瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡治理示范工程

（1）工程概况

安徽省淠史杭灌区瓦东干渠是寿县瓦东灌区的主要输水工程，自建成以来灌溉、水利、航运等效益显著。2020年汛期，位于瓦东干渠刘岗电灌站左岸桩号约25+050处发生滑坡（^#2滑坡）。2020年5月15日现场量测滑坡长度75 m，顺坡长26 m，滑坎高1.3 m；5月24日渠道通水后出现明显的滑塌现象；6月4日测量长度96 m，斜坡长42 m，滑坎高度3.2 m，滑舌伸入水中4.5 m（图 16）。

图  16  瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡(治理前)

Figure  16.  Landslide No. 2 (before treatment) near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal

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（2）示范方案与示范效益

针对该滑坡体致灾成因与渠道功能需求，采用抗滑桩、韧性生态防护单元、锚固型排水格构单元为主，削坡减载、混凝土预制锁块护坡、设置地表及地下排水等为辅的方案进行综合治理（图 17）。其中，该方案中的韧性生态防护单元和锚固型排水格构单元为本项目研发的“表-浅-深”一体化生态防护技术体系的核心技术。

图  17  瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡治理方案

Figure  17.  Design of landslide No. 2 near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal

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坡面韧性生态防护单元（图 17）：一级平台以上各坡面布设韧性生态防护层，由下至上分别为粗粒层、土工织物、细粒层、植被层。粗粒层厚度为50 mm，采用碎石作为覆盖层材料，碎石的粒径为2~10 mm，进气值不大于1.5 kPa，其饱和渗透系数不小于1×10^-2 m/s；选用滤水型土工织物布设于粗粒层表面，需在重合处进行连接；细粒层厚度为200 mm，采用粉质黏土作为覆盖层材料，粉质黏土的粒径不大于2 mm，其饱和渗透系数为1×10^-8~1×10^-5 m/s；植被层厚度为80 mm，采用适合于植被生长的营养土，植物种类选取紫苜蓿、猫尾草或三叶草。

锚固型排水格构单元（图 17）：一级平台以上各坡面布设U型排水格构，呈菱形布设，U型格构单边长2.5 m，宽度260 mm，高度630 mm，入土深度300 mm。U型格构侧板宽度80 mm，高度330 mm，底部和中部开排水口，中部排水口直径40 mm，由中部排水口向细粒土中插入长度40 cm PVC排水管，底部排水口直径10 mm，由中部排水口向粗粒层中插入长度40 cm PVC排水管，PVC排水管管口用土工布包裹，防止土粒堵塞；一级平台与二级平台间坡面、滑面平缓段布置一排微型锚桩，锚桩布设于U型排水格构菱形边交点处，隔点布设，间距5 m。锚桩采用PHC预制管桩，直径300 mm，桩底伸入滑动面下3.0 m。锚桩位于一级台阶以上坡面距排水沟斜距2.0 m位置，预制管桩中心间距5.0 m，锚桩施工时预留20 cm出露坡面，浇筑U型格构时将锚桩预留部分浇筑于U型格构底板内。

监测方案（图 18）：坡面大应变监测主要是使用5个定点式FBG应变串，3个大量程光纤微力传感器和两个FBG位移计。定点式FBG应变串是沿着坡面固定，FBG监测点位间隔为5 m。随机选择3处具有代表性的部位布设大量程微力传感器。在第一和第三FBG应变监测点位置布设FBG位移计。坡面裂隙监测在清理后的坡面（3 m×3 m）进行人工开槽，然后在槽中进行应变光缆（型号NZS-DSS-C07）的布设，并在槽的底部放置一层级配良好的细粒土，防止应变光缆在铺设时的弯折。坡体深度裂隙监测在提前开挖的槽（2.5 m×0.3 m×0.5 m）中逐层布设应变光缆（型号NZS-DSS-C07）和测温光缆（温度补偿，型号NZS-DTS-C08），同时逐层填入级配良好的细粒土并压实，最后注水饱和。

图  18  瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡监测方案

Figure  18.  Monitoring program of landslide No. 2 near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal

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截至目前，^#2滑坡防治示范工程已基本完成，各项功能状态良好（图 19），有效保障了瓦东干渠的正常运行。

图  19  瓦东干渠刘岗电灌站^#2滑坡（治理后）

Figure  19.  Landslide No. 2 (after treatment) near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal

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4.2   合六叶高速公路K707+900边坡防治示范工程

（1）工程概况

示范应用场地位于安徽省六安市裕安区新安镇合六叶高速公路，桩号K707+900。该试验段坡高6.08 m，长度20 m，试验段坡度为1∶1.5。采用“表-浅-深”一体化膨胀土边坡生态防治技术对该场地的路基边坡进行防治。

（2）示范方案与示范效益

坡面韧性生态防护单元：坡面覆盖层由下至上分别为粗粒层、土工织物、细粒层、植被层（图 20）。粗粒层厚度为5 cm，采用粒径为10~50 mm碎石作为材料；细粒层厚度为25 cm，采用粒径不大于2 mm的粉土作为材料；粉土上方覆盖植被。

图  20  合六叶高速公路K707+900边坡防治方案

Figure  20.  Design of K707+900 slope of Hefei-Lu'an-Yeji high-speed way

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锚固型排水格构单元由均匀分布单元体组成，每个单元体包含提供强度支撑的预制土工格构（C30）和提供坡向排水的排水孔。格构单元边长2.5 m，嵌入土体部分尺寸为260 mm×300 mm，露出土体外部分采用排水沟渠设计（图 20）。

监测方案（图 20）：在设计坡面边界处的格构单元及与其间隔一个格构单元的另一个格构单元内布设土壤湿度传感器、内埋式应变计及土压力盒，各监测设备组成一组监测单元，监测单元的深度分别为150，250，500 mm，即在粉质黏土层布设两组监测单元，膨胀土坡体内布设一组监测单元。同时，在相邻的原生坡面相同深度布设相同的监测单元用以对比边坡防治效果。在混凝土浇筑时将内埋式应变计埋设于选取的格构单元的格构边界处，四条边界各埋设一个，以监测U型格构的应变。

目前，合六叶高速公路边坡已按照设计完成施工，坡体和防护结构状态正常（图 21）。

图  21  合六叶高速公路K707+900边坡防治效果

Figure  21.  K707+900 slope of Hefei-Lu'an-Yeji high-speed way before and after treatment

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5.   结语

本项目针对膨胀土滑坡与工程边坡防治问题，在膨胀土滑坡与工程边坡安全评价、监测预警、防护治理和诊断修复等方面形成了一批具有特色的科研成果，具体体现在以下几个方面。

从膨胀土的“三性”及其互馈作用出发，以“水分-裂隙”为主线，开展了膨胀土滑坡和工程边坡的失稳机理与关键致灾因子研究，提出了膨胀土边坡成灾模式T-S模糊故障树判别方法和安全性动态评价方法；基于卷积神经网络U-Net模型，形成了膨胀土裂隙智能识别方法；基于非饱和土力学和毛细水运移理论，构建了膨胀土边坡“表-浅-深”一体化韧性生态防护理论；基于模糊综合评判理论，建立了防护工程健康诊断方法，开发了防护工程健康诊断系统。相关成果有助于完善有关学科的理论，丰富相关研究方法。

针对膨胀土的“三性”特征，形成了膨胀土裂隙快速捕获与智能识别技术，基于分布式光纤的膨胀土边坡水分-裂隙监测技术，基于裂隙度演化的膨胀土滑坡早期预警技术，膨胀土边坡“表-浅-深”一体化韧性生态防护技术，膨胀土边坡钙基纳米二氧化硅改性包边技术，抗滑挡墙多段扩孔式锚杆修复技术和排水工程聚合物快速修复技术。相关技术成功应用于淠史杭灌区瓦东干渠刘岗电灌站^#1、^#2滑坡治理示范工程和合六叶高速公路K707+900边坡防治示范工程。

基于项目相关研究成果，充分吸纳技术应用过程中的成功经验，形成了《膨胀土边坡“表-浅-深”一体化综合防护技术规程》（申报团标）和《地质灾害防治工程健康诊断与修复加固技术要求》（申报行标）等标准2部。

截至2021年底，项目发表论文29篇，其中SCI/EI收录23篇；申报国家专利20件，获得软件著作权8项，申报团体/行业标准2部。团队2人次入选国家级人才称号，2人次入选省部级人才称号，获省部级一等奖1项。淠史杭灌区、合六叶高速公路等示范工程取得了良好应用效果，有力保障了膨胀土地区水利和交通设施的运行安全，并具有良好的应用前景。