西部水利與土木建設(shè)中的巖土工程問題

李 寧，楊 卿

(西安理工大學 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048)

西部土木與水利建設(shè)中有哪些特殊的巖土力學問題,這些問題的研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展等是廣大巖土力學工作者關(guān)切的話題。首先, 我國西北地區(qū)廣泛分布的黃土,是一種大孔隙欠壓密遇水易濕陷的特殊土體, 建在該種土體上的各種建筑物常常會因地下水位變化、降水入滲或生活廢水排泄不當?shù)仍斐牲S土地基的沉陷,導致建筑物破壞,因而黃土的力學特性與工程特性是西部基礎(chǔ)建設(shè)中需要面對的主要問題之一;其次, 西部廣闊寒區(qū)的多年凍土、季節(jié)性凍土的工程特性、力學特性與熱學特性問題是西部青藏公路、鐵路、青康公路、西線南水北調(diào)等大型、超大型水利工程、交通工程需要面臨的又一主要巖土力學問題;第三,西南地區(qū)高地震活動帶的巖體動力學問題、強構(gòu)造區(qū)的巖體損傷力學問題及高地應力區(qū)的巖爆問題等,都是西部基礎(chǔ)建設(shè)中的特殊的、重要的、有代表性的巖土力學問題。限于筆者學識水平，僅就：(1) 西部裂隙巖體動力學參數(shù)獲??；(2) 地震作用下壩體動力穩(wěn)定性問題；(3) 西部高陡巖體邊坡的穩(wěn)定性評價問題；(4) 長大隧道的快速安全施工的問題；(5) 西部交通建設(shè)中的凍土工程問題；(6) 西部基礎(chǔ)建設(shè)中黃土高填方的穩(wěn)定性與沉降變形問題，進行拋磚引玉式探討。

1 裂隙巖體參數(shù)研究現(xiàn)狀與展望

巖體力學參數(shù)是進行工程設(shè)計、穩(wěn)定性評價以及保證施工安全的基礎(chǔ)。因此，關(guān)于巖體力學參數(shù)選取的研究在巖土工程研究中具有極大的重要性和必要性。由于結(jié)構(gòu)面的廣泛存在而形成復雜地質(zhì)體——裂隙巖體，因其地質(zhì)特征和力學作用都極為復雜，其力學參數(shù)的準確選取也變得困難，若取值過低，會引起工程成本的投資增高，若選取過高，則可能引起建筑結(jié)構(gòu)物的破壞，Stadledon對1900年—1965年世界上9000座大壩進行了統(tǒng)計，破壞的占1%，嚴重破壞占2%，其原因50%是由于巖基力學參數(shù)選取不當，支護措施不利造成的[1]。因此，合理選取巖體的力學參數(shù)在巖土工程中具有重大意義。目前已有的選取巖體力學參數(shù)的方法，總結(jié)起來有試驗方法、巖體分類法、反演分析法、現(xiàn)場地質(zhì)蒙特卡羅法、以及作者團隊的現(xiàn)場旋切測試法。

(1) 試驗方法。室內(nèi)試驗是在工程巖體特定部位選取同樣大小的試樣，通過單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗來確定巖體的力學參數(shù)，在適用范圍上，單軸壓縮試驗僅適用于完整巖體而對破碎巖體無能為力，三軸壓縮試驗僅適用于較完整巖體且較適用于連續(xù)介質(zhì)。由于巖石試樣脫離了巖體的賦存環(huán)境、結(jié)構(gòu)特征及尺寸效應的存在，室內(nèi)試驗測定的巖石力學性質(zhì)和實際巖體力學性質(zhì)差異很大。因此，室內(nèi)試驗可以幫助研究人員認識巖體，但是采用室內(nèi)試驗所得到的實際上是完整巖塊的性質(zhì)。

基于巖體的特性，采用現(xiàn)場的原位試驗能更好地確定巖體的力學參數(shù)。目前原位試驗的主要方法有承壓板法、狹縫法、鉆孔徑向加壓法、現(xiàn)場巖柱大剪法以及隧洞水壓變形法等。原位試驗克服了室內(nèi)試驗的一些問題，并且在巖土工程實踐中也取得了較為廣泛的應用，但其本身存在試驗周期長、成本昂貴、所選試驗點的局限性及“尺寸效應”仍是無解的。

(2) 巖體分類法。通常情況，在全面考慮巖體結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上，學者們通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出了很多不同地質(zhì)條件下的巖體力學參數(shù)的經(jīng)驗公式，如:RQD分類法、比尼奧斯基的地質(zhì)力學RMR分類法、中國國家標準《工程巖體分級標準》、巴頓的Q系統(tǒng)分類法等。要估算巖體參數(shù)，必須先確定節(jié)理巖體的質(zhì)量指標。由Deere自1964年首次提出采用54.7 mm直徑的鉆孔巖芯來獲取巖石質(zhì)量指標RQD，因該指標評價裂隙巖體質(zhì)量時意義明確，可在鉆探過程中附帶得到，又屬于定量指標，因而在國外的分級中被廣為采用。但在實際工程中，該方法存在一些不足，因為巖體的不均勻?qū)е翿QD離散性很大，并且RQD的獲取受鉆孔機具，布孔方向的局限，巖體本為三維的，但鉆探只能得到一維的指標，并且塊徑界限值為10 cm與工程尺度無關(guān)也顯然不合適，因此，該方法雖然簡單易行、經(jīng)濟、快速，但沒有反映出節(jié)理方位、充填物的影響，在更完善的分類方法中RQD僅能作為一個參數(shù)使用。由于巖體的各類分級方法都存在相關(guān)性，如RMR分類法和Q系統(tǒng)分類法都是建立在RQD分類法的基礎(chǔ)上，可以看出巖體各級分類法存在共性的不足之處：一般僅能給出部分巖體參數(shù)估計；只能估略出范圍，隨意性較大；估算精度受人為影響較大等局限性。

(3) 現(xiàn)場地質(zhì)蒙特卡羅法。蒙特卡羅方法也叫隨機抽樣技術(shù)或統(tǒng)計實驗方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于現(xiàn)場表面地質(zhì)測量、應用蒙特卡羅方法來模擬實際巖體節(jié)理的方法在巖體參數(shù)確定的研究中被逐漸應用[2-3]。諸多的研究證實真實巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育具有隨機性，主要體現(xiàn)在裂隙產(chǎn)狀、間距或密度、跡長和張開度等這些幾何參數(shù)上的隨機性，因此這些幾何參數(shù)可看成隨機變量，并可以用某種概率統(tǒng)計密度函數(shù)來描述，如均勻分布、負指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等，也正是由于巖體結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)具有這樣的性質(zhì)，基于統(tǒng)計理論的蒙特卡羅模擬方法才得以應用于確定巖體力學參數(shù)的研究中。實際應用中通過測線法、測窗法等方法在工程現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)面信息采集，再通過數(shù)據(jù)處理來建立裂隙幾何參數(shù)的概率密度函數(shù)，最后采用蒙特卡羅法根據(jù)已獲取的統(tǒng)計結(jié)果，由計算機程序自動生成等效的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，為巖體參數(shù)確定的研究提供了一種有效的途徑?；诖髷?shù)定律，該方法是相對精確的方法[4]，但這也將極大地增加現(xiàn)場統(tǒng)計的工作量，并且模擬生成的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和實際測量的數(shù)據(jù)只具有統(tǒng)計上的一致性，因此該研究方法也具有一定的不嚴密性。

(4) 反演分析法。20世紀70年代以來，隨著對節(jié)理巖體分析模型研究的進步及工程監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算節(jié)理巖體參數(shù)的反演分析法被提出。反演分析法可以綜合考慮工區(qū)范圍內(nèi)所有地質(zhì)條件對巖體參數(shù)的影響，相較于試驗方法能夠更加經(jīng)濟準確的獲取巖體力學參數(shù)[5]。當前常用的巖體力學參數(shù)反演分析方法有正反分析法、逆反分析法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、梯度類算法、粒子群算法等。一般來說，反演分析以位移反分析為主。位移反演分析法是根據(jù)現(xiàn)場實測的位移值，采用解析法、有限元等方法以及彈性、黏彈性等本構(gòu)模型進行求解，反演分析得出工程節(jié)理巖體的力學參數(shù)，當下反演彈模與地應力已經(jīng)很成熟，但強度參數(shù)的反演才剛開始。因為彈塑性強度參數(shù)的非線性問題的逆解的唯一性難以論證，故強度參數(shù)的反演分析在理論上被不少學者所禁忌。本文作者首次在現(xiàn)場監(jiān)測中成功分離了測得彈性位移和塑形位移，使強度參數(shù)的現(xiàn)場反演成為可能[6-7]。作者相信這一方便、快捷、經(jīng)濟可靠的獲取強度的方法必將成為今后巖體強度參數(shù)的主要確定方法。

(5) 現(xiàn)場旋切式觸探法。伴隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，在工程建設(shè)現(xiàn)場直接準確地獲取巖體力學參數(shù)仍是現(xiàn)階段科研工作者迫切的渴望和需求，應此需求本文作者團隊通過大量的旋切式觸探試驗和平行的單軸壓縮實驗、直剪試驗，確定旋切式觸探試驗參數(shù)與巖體材料基本強度參數(shù)的關(guān)系，分析了不同鉆頭旋切式觸探試驗機理，建立了理論模型，預測結(jié)果接近實測值，開辟了旋切式觸探試驗智能分析系統(tǒng)的新研究方法，并基于旋切觸探技術(shù)研制出了國內(nèi)外第一臺 XCY-1型巖體力學參數(shù)旋切觸探儀[8]。該旋切觸探儀具有自動鉆進與隨鉆識別巖體結(jié)構(gòu)面、巖體質(zhì)量等級及現(xiàn)場確定巖體力學參數(shù)(黏聚力、摩擦角、彈性模量和抗壓強度)等功能，在幾個實際工程中的應用預測結(jié)果接近于實際值[9]，為巖體力學參數(shù)的研究提供了新思路。

綜上所述，巖體力學參數(shù)的確定不僅要運用綜合理論知識、室內(nèi)外測試成果,還需要工程師的經(jīng)驗,才能獲得滿意結(jié)果。隨著巖土工程建設(shè)對象越來越復雜，描述工程實況的理論模型也越來越復雜，隨之而導致越來越多的巖體力學參數(shù)的確定也日漸困難。所以，本文認為巖體力學性質(zhì)(參數(shù))的現(xiàn)場快速評價理論與技術(shù)將成為巖石力學與工程未來的發(fā)展戰(zhàn)略之一。

2 地震作用下壩體動力穩(wěn)定性問題

我國幾乎所有的高壩，特別是高拱壩也均位于西部，高拱壩在地震作用下的安全穩(wěn)定性問題一直是水利水電工程的重大問題。

當前國內(nèi)、外在壩體、壩肩、壩基的動力穩(wěn)定性分析方面的研究進步不小，但對于地震荷載的輸入、大壩與壩肩的動力穩(wěn)定性評價兩大方面的研究進步不大。

在大壩穩(wěn)定性評價方面，不少大壩設(shè)計專家有一共識，認為壩體混凝土與壩肩巖體在動荷載作用下的動強度、動模量均比靜荷載下的大，所以采用靜載下的強度與模量評價壩體、壩肩動力穩(wěn)定性是安全的、保守的，這也是當前規(guī)范的思路與要求。然而本文作者的研究[10-12]卻表明無論巖樣、混凝土樣在地震“往復”荷載作用下將不可避免地產(chǎn)生“低周疲勞”現(xiàn)象，使巖體、混凝土的動強度明顯低于其靜強度！特別是對于有裂隙的非完整試樣，其低周疲勞效應更加明顯。這就使得當前西部拱壩的動力安全性評價可靠存在一個漏洞。

而解決這一難題的核心就是裂隙巖體、混凝土在往復動載下的動強度問題，試驗的“尺寸效應”問題等，而正是當下的技術(shù)難題。

在大壩動力穩(wěn)定性分析方面，常用的分析方法有擬靜力法和時程分析法等，而現(xiàn)有的分析方法也存在一些明顯弊端，需明確指出來，以便于工程技術(shù)人員、分析人員心中有數(shù)。

擬靜力分析法存在以下難以克服的弊端：

(1) 行波效應。在壩體高度上、長度上、寬度上同時作用地震擬靜力荷載，顯然放大了地震荷載效應。

(2) 振動效應。在壩體所有質(zhì)點上同時持續(xù)作用地震荷載的擬靜力荷載，再次放大了地震荷載效應。

(3) 無法考慮“動模量、動強度”。擬靜力法分析中常以靜模量代替動模量、以靜強度代替動強度，第三次放大了地震危害性分析結(jié)果。

(4) 無法考慮振動荷載可能引起的滑動面、軟弱夾層泥的孔壓驟增與液化特性。

(5) 無法考慮地震這一振動往返荷載引起的滑動面巖體的動疲勞特性。

當前的時程分析法存在的關(guān)鍵技術(shù)難題有：

(1) 地震荷載的輸入。不僅指地震荷載的時程曲線問題，還有地震荷載的輸入部位、與地震約束的關(guān)系等。

(2) 阻尼問題。壩體含有各種施工縫的混凝土阻尼的確定沒有定論，有限元的邊界阻尼與反射問題，也是問題的關(guān)鍵與難點。

(3) 動力分析的收斂性問題。隨歷時幾十秒的地震荷載曲線的動力時程分析，考慮到收斂性與精度時的微小時步長致使產(chǎn)生高達幾十萬、上百萬次的求解方程運算，即使對于現(xiàn)今幾十萬快速的計算機來講也是一個巨大的挑戰(zhàn)。

(4) 動力分析的精度問題。只有極少數(shù)資深分析專家認識到防止動態(tài)分析中不可避免的高頻偽振蕩的唯一有效手段是限制單元尺寸小于3倍～5倍的動荷波長[13]，而這一要求對于幾百米的大壩與地基分析區(qū)域而言勢必造成巨量的單元數(shù)與分析工作量，這也極大地限制了動力穩(wěn)定性分析在大壩工程中的廣泛應用。

3 西部高陡巖體邊坡的穩(wěn)定性評價問題

我國西部水電、公路、鐵路、礦山建設(shè)中將遇到越來越多的高邊坡問題，其變形與破壞模式復雜，過去針對路堤、庫岸、堤壩等中、小型邊坡的經(jīng)驗、方法、穩(wěn)定性評價手段不再適用。巖質(zhì)邊坡由于其存在大量裂隙、節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面，所以不是簡單的直線或折線破壞，同一邊坡變形體中，不同階段、不同部位可能會表現(xiàn)不同的模式，而且它也不再是整個滑面同時達到臨界狀態(tài)后的突然破壞，而是巖質(zhì)邊坡破壞時滑體與滑面部分進入塑性狀態(tài)。然后不斷進行滑面上超限的拉剪應力釋放、轉(zhuǎn)移，最終達到平衡狀態(tài)，這一漸進破壞的過程，由此決定了巖質(zhì)邊坡在分析與評價中的復雜性。

而傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析法的局限性主要表現(xiàn)在：

(1) 破壞標準的判定。破壞標準是按滑動面同時破壞制定的，實際是局部破壞逐步擴展到整體破壞，以及滑動面拉剪應力釋放與轉(zhuǎn)移的過程。

(2) 強度參數(shù)的選取。強度計算參數(shù)選取單一，實際邊坡在局部破壞前應采用峰值強度，隨著破壞擴展，強度由峰值向殘余轉(zhuǎn)化。

(3) 計算方法的局限。無法模擬邊坡施工過程、開挖引起的二次應力場，加固措施、加固時機、滲流、地震等作用的影響。

(4) 不符合“潘家錚極大值原理”。內(nèi)力是單一、確定的，無法體現(xiàn)滑面上拉剪應力的傳遞與轉(zhuǎn)移及滑體內(nèi)部的內(nèi)力調(diào)整，滑面將發(fā)揮最大抗滑能力的特性。

(5) 適用范圍單一。均質(zhì)性較強土質(zhì)邊坡結(jié)果較為可靠，對于復雜巖質(zhì)邊坡，無法真實模擬巖質(zhì)邊坡的非均質(zhì)、各向異性的性態(tài)以及連續(xù)變形與非連續(xù)變形的破壞模式。

(6) 評價方法單一。僅能給出安全系數(shù)，無法對邊坡局部或整體或應力場、變形場進行分析。

剛體極限平衡法的誤差根源在于其描述的是未考慮破壞過程的計算方法，而實際邊坡是一個漸進破壞的過程，局部破壞導致整體發(fā)生破壞，局部破壞中拉、剪應力轉(zhuǎn)移、滑動面上峰值強度向殘余強度的轉(zhuǎn)化，而有限元分析法能夠較好地詮釋這一變形破壞過程。

有限元強度折減法[14]的思路認為邊坡有限元分析結(jié)果為發(fā)散時，則認為坡體肯定失穩(wěn)，在非線性彈塑性有限元邊坡穩(wěn)定性分析中，通過逐步降低結(jié)構(gòu)面的強度參數(shù)，當邊坡剛好達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的強度參數(shù)折減系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性評價的指標。首先，在失穩(wěn)標準的判定上，有限元結(jié)果為發(fā)散就能判斷邊坡失穩(wěn)，而且這對于邊坡失穩(wěn)來說是充分條件還是必要條件，這些都值得進一步考慮。還有在降低坡體的材料參數(shù)時，是對c、φ同時折減還是對c、f不同比例折減，是所有結(jié)構(gòu)面按同一比例同時折減還是只折減控制結(jié)構(gòu)面(K大于1.0的那個面)？以及在折減過程中是否考慮殘余強度的折減？還是峰值強度等于殘余強度？等等，均尚無定論。

有限元超載法主要通過施加荷載，雖然可以避免折減法中的諸多折減難題，但對于如何在分析前選出一個控制荷載進行超載分析仍是問題，而且在收斂性判斷上同樣存在強度折減法中一樣的問題，所以單獨使用收斂性判據(jù)得到的分析結(jié)果是不完善的。而采用塑性區(qū)沿潛在滑動面的連通表征邊坡的破壞也存在問題，進入塑性并不能表征巖體發(fā)生破壞，很可能雖然進入塑性但離強度峰值還有相當?shù)木嚯x。特征量突變判據(jù)直觀明了, 應用較廣泛，主要通過強度折減或超載過程中位移曲線的突變點來進行失穩(wěn)的判定。

針對以上兩種主要方法存在的不足，筆者提出了一種有限元法，能夠跟蹤邊坡開挖與支護過程，分析邊坡開挖、支護結(jié)束后真實存在的抵抗巖體部分的潛在滑動面上的真實安全儲備。此方法用來評價高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性態(tài)勢最合理的方法[15]。

4 長大隧道的快速安全施工的問題

長大隧道的施工中最大的困難在于地質(zhì)條件的復雜性。前期勘察資料本身不足，后期支護設(shè)計優(yōu)化時間跟不上施工進度，其核心是信息化施工技術(shù)問題。 而信息化施工的兩個核心要素是施工現(xiàn)場的快速分析與科學量化設(shè)計。對此，本課題組已逐步提出了現(xiàn)場數(shù)字攝影快速地質(zhì)編錄技術(shù)，圍巖現(xiàn)場巖體力學參數(shù)的快速旋切觸探技術(shù)[16]，圍巖支護結(jié)構(gòu)應力場、變形場現(xiàn)場快速分析技術(shù)[17-20]；現(xiàn)場圍巖力學參數(shù)的快速反演技術(shù)[22-23]；圍巖穩(wěn)定性快速評判技術(shù)[21，23]等。

傳統(tǒng)的數(shù)值分析方法從建模到支護設(shè)計優(yōu)化評價，在時間上很難滿足信息化設(shè)計施工的要求。經(jīng)過多年思索與試驗，作者團隊提出了針對大型數(shù)值分析結(jié)果進行二次開發(fā)的，以期達到簡化現(xiàn)在的數(shù)值分析過程與時間的思路。這種思路是以圍巖已有變形與應力量化規(guī)律研究替代現(xiàn)場的結(jié)果；在研究分析目標上犧牲一些不可靠的精度，以此提高計算效率及時為施工方案設(shè)計提供依據(jù)。其核心是將大量、系統(tǒng)的數(shù)值仿真試驗結(jié)果為主樣本群，結(jié)合工程實測資料和專家經(jīng)驗為邊界樣本群，基于功能強大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，構(gòu)建地下硐室圍巖關(guān)鍵點位移、應力、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力等與圍巖變形參數(shù)E、c、φ、圍巖荷載特性(深埋、側(cè)壓力系數(shù))、圍巖結(jié)構(gòu)面的特性(圍巖最主要的第一條結(jié)構(gòu)面距硐室周邊的距離、傾角、結(jié)構(gòu)的厚；第二條結(jié)構(gòu)面的距離、傾角、厚度)及圍巖的幾何特征(硐跨、高跨比)之間的(量化)函數(shù)關(guān)系。最終基于VB 和FORTRAN 混合編程技術(shù)構(gòu)建了隧道快速智能化分析評價系統(tǒng)——FAST，初步達到對長大隧道的支護結(jié)構(gòu)進行快速、量化、優(yōu)化設(shè)計，推動隧道施工過程也朝著經(jīng)濟、高效和安全方向發(fā)展。

5 西部交通建設(shè)中的凍土工程問題

我國永久性凍土與季節(jié)性凍土區(qū)域面積占國土總面積的60%以上。隨著國家經(jīng)濟中心發(fā)展向西部的轉(zhuǎn)移，廣闊的寒區(qū)建設(shè)中不可避免地將會遇到越來越多的凍土工程問題。如建于凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)的凍脹與融沉，路軌的凍脹隆起，公路路基的融沉、泛漿，交通隧洞的凍裂與掛冰等。

寒區(qū)工程的凍害問題[24]主要由凍土的凍脹、融沉作用造成，這一問題的本質(zhì)是凍土多孔介質(zhì)中土骨架、冰晶體、未凍水與空氣這四相物質(zhì)在溫度、土水勢、壓力與變形等外界因素作用下的相互運動、遷移、擴散與相變。國內(nèi)外不少學者曾研究過多孔多相介質(zhì)的熱、液、固耦合問題[25-31]。然而，再先進、高深的理論模型的應用離不開具體的室內(nèi)耦合試驗提供科學依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。當前三場耦合分析的難點與重點在于水-熱-力耦合試驗的設(shè)計與條件。

凍土工程問題的研究經(jīng)過青藏鐵路建設(shè)的完成取得了巨大進步。凍土路基的設(shè)計大都已經(jīng)超越了傳統(tǒng)和保守的保護凍土的設(shè)計，進入到更科學更理性的“主動冷卻地基”的設(shè)計，相應的幾個主要的主動冷卻地基的工程措施的設(shè)計原則已經(jīng)提出。

(1) 通風管路基。通風管冷卻系統(tǒng)是一種有效的防止凍土退化的工程措施。研究表明[32]，通風管埋深、管徑、管距及凍土熱學性質(zhì)均對凍土路基的冷卻效果有影響，路堤傳熱性越好，通風管效果越差；活動層傳熱性越好，通風管效果越好?？紤]到夏、冬季節(jié)的閉拉、開簾子這一有力工程措施，則通風管的主動冷卻效果比其他措施，如塊石通風、路基的效果好。

關(guān)于管徑的控制，以冷卻效果控制最小管徑；以路基變形穩(wěn)定性與管壁強度控制最大管徑；以造價與施工技術(shù)最終控制。作者在文獻[32]中給出了通過系統(tǒng)數(shù)值仿真試驗提出的管徑與冷卻效果影響區(qū)(冷卻半徑)的關(guān)系。

而科學的管距設(shè)計原則為：管距應小于“冷卻半徑”R，以便于有效發(fā)揮其冷卻作用；同時應大于施工壓實半徑，以便于保障路基的不均勻沉降在允許范圍以內(nèi)。

(2) 塊石路基。大量研究表明，開放狀態(tài)下的塊石路基具有較強的強迫對流效應，對路基有較明顯的冷卻效果。青藏鐵路塊石路基形式包括塊石夾層路基、塊石護坡路基、U型塊石路基，其中以后兩者為主[33]。

塊石護坡路基結(jié)構(gòu)是一個最典型的冷卻路基工程措施。國內(nèi)外大量研究證明，一定厚度的塊石鋪層對保護凍土具有良好的效果。塊石護坡結(jié)構(gòu)采用封閉條件下的多孔介質(zhì)的單向自然對流機理來表達“主動冷卻”路基的目的，但是實際工程中很難滿足這種邊界條件。對于塊石護坡來說，實際開放邊界加大風條件下塊石護坡的作用機理有什么變化，是否仍具有“熱半導體”效應仍存在疑問。

吳青柏等[34]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場大風條件下，塊石護坡的熱半導體效應并不明顯。張明義等[35]分析比較了封閉與開放拋石路堤結(jié)構(gòu)降溫效果及降溫機理差異,結(jié)果表明筆者擔心的現(xiàn)場實際條件下的大風產(chǎn)生的強迫對流的確抵消了自然對流的熱半導體效應。然而，考慮到青藏高原冬天的風速與夏天的風速有明顯的差別；以及晝夜氣溫與風速的明顯差別，即使夏天也會帶來一定的熱半導體效應。筆者的數(shù)值試驗表明[36]，對于開放的塊石護坡，夏天的熱風帶進塊石體內(nèi)的熱量只有冬天的冷風帶進冷能的約60%，說明一年內(nèi)路堤處于放熱狀態(tài)；在一整天內(nèi)，由于晝夜溫差引起的熱量約為吸收熱量的20%，因此，即使在夏天，白天熱風強迫對流帶進的熱量，有20%以上在夜晚的涼風作用下被帶出。所以塊石護坡仍是具有“主動冷卻”路基的功能

(3) 遮陽板塊石護坡。開放型的護坡并不像通常認為的那樣具有較好的降溫效果，而在夏季護坡路基吸熱量的80%以上是由于日照作用，因此本文提出了一種新的護坡——遮陽板塊石護坡[37]。

遮陽板塊石護坡的設(shè)計原則以抗風壓穩(wěn)定與抗風掀撥為主要控制條件而不是以對流熱狀態(tài)為控制條件，不僅僅以通風效果作為設(shè)計依據(jù)，還有考慮大風產(chǎn)生的掀撥力荷載。這一理念可達到:①阻擋80%以上的熱量進入路堤；②可以盡量減少開放式護坡強迫對流對塊石體熱半導體效應的減弱機理,人工造成自然對流的條件，充分發(fā)揮塊石體的熱半導體效應；③可以直接減輕陰、陽坡的不平衡熱狀況，減少縱向裂縫的出現(xiàn)；④防止長期運行時風沙堵塞塊石的孔隙。數(shù)值仿真試驗證實這種新型護坡具有明顯的人造自然對流條件所帶來的熱半導體效應。

(4) 凍土地基冷卻承載復合樁。多年凍土區(qū)樁基普遍存在樁周土回凍長時間才可承載、凍脹對樁基的“冷拔”作用產(chǎn)生過大的向上位移、地基融沉給樁帶來負摩阻力等問題，針對這些問題，筆者提出一種新型樁[38]。利用大孔隙多孔介質(zhì)諸如塊石、碎石的熱二極管特性設(shè)計刻槽通風承載樁，刻槽內(nèi)的對流換熱均顯示出了明顯的“主動冷卻”地基的作用，達到了主動冷卻樁基的目的。

凍土地基冷卻承載復合樁是一種利用多年凍土地區(qū)多風、大風、負溫持續(xù)時間長且晝夜溫差大的特點，利用多孔介質(zhì)的自然對流降溫效應，將以往在凍土地區(qū)建筑常以增加熱阻為手段的消極保護凍土原則，改變?yōu)椤爸鲃永鋮s”為的積極保護凍土的方式。

(5) 凍土隧道的設(shè)計原理。對處于凍土中的隧道，公路路基以防融沉為主，防凍脹為輔；而鐵路路基則防凍脹、防融沉同等重要。隧道圍巖由于其設(shè)計的山巖壓力一般遠大于融土土壓力，所以隧道襯砌的設(shè)計應以防凍脹為主；圍巖融沉對襯砌的影響可歸入到山巖壓力中一并考慮，不需做專門考慮。而凍脹的考慮需要慎重，它不僅與圍巖的濕度場、圍巖的含水量及圍巖孔隙率直接相關(guān)，還與圍巖的裂隙參數(shù)、水分遷移過程及支護結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。這顯然是個無限“超靜定”或非線性問題。

6 西部基礎(chǔ)建設(shè)中黃土高填方的穩(wěn)定性與沉降變形問題

西北地區(qū)地形上多以丘陵溝壑區(qū)，需要對這些溝壑進行填筑才能滿足大量的公路、鐵路、機場及水利設(shè)施等建設(shè)要求，因此大量的黃土高填方工程不斷涌現(xiàn)。

關(guān)于黃土高填方的研究，核心問題在于黃土高填方體的工后沉降變形。已有不少學者就黃土填方體進行了一系列的研究與探索。

對于黃土高填方地基穩(wěn)定性和變形機理不僅與黃土本身的物理力學性質(zhì)，還要考慮原地基土性、應力狀態(tài)、含水率以及飽和度等因素有關(guān)。

從目前我國關(guān)于黃土高填方工程的研究可以看出，地基穩(wěn)定性與沉降變形問題仍是主要的研究對象。研究的趨勢是從最初考慮單一因素對沉降變形的影響發(fā)展到現(xiàn)在多因素的更為全面的分析，預測模型的精度也在不斷提升。但是，由于最根本的問題——高填方的工后沉降機理問題沒有解決，必然無法建立相應的黃土高填方工后沉降變形的科學預測。筆者認為：

(1) 巖土力學研究應始終以巖土工程為背景、為目標，黃土力學研究者必須從象牙塔里走向黃土工程現(xiàn)場，從對土樣研究到土體。

(2) 將眾多的本構(gòu)關(guān)系研究實用化、細化、具體化和針對化。

(3) 黃土填方體工后沉降機理研究也應從簡單的蠕變考慮，到非飽和水、氣運移規(guī)律的分析研究；從傳統(tǒng)的主固結(jié)-次固結(jié)研究，到更加合適非飽和、結(jié)構(gòu)性黃土的大、中、小孔隙壓密這一機理上的探索、分析。

充分考慮到當今科學技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是當前大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算及傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展?？梢灶A測，將來的巖土力學必然是以現(xiàn)場快速監(jiān)測-快速反演分析-快速可靠的智能化正分析預測-指導工程現(xiàn)場設(shè)計與科學施工的綜合、應用性學科。

7 結(jié) 語

筆者對自認為的西部水利與土木工程建設(shè)中的幾個重大工程問題與科學問題進行了粗淺的論述，還有不少重要的工程問題，如：西部長隧道工程中的涌水問題、巖爆問題等。限于作者的知識水平與科研閱歷，沒有涉及。

綜上所述，在西部水利與土木工程建設(shè)中的六個問題可作如下總結(jié)：

(1) 巖體工程中的參數(shù)確定這一非?；A(chǔ)、非常重要的問題勢必引起巖土工作者們務(wù)實的研究。

(2) 高壩的動力穩(wěn)定性問題雖然會因高壩的減少而愈來愈少，但這一問題無論在科學意義上，還是工程措施上均未從根本上解決，勢必會影響類似工程的動穩(wěn)定性分析與評價。

(3) 巖體高邊坡問題隨著川藏鐵路、公路等西部大型工程項目的建設(shè)會不斷遇到，而以往的以中小邊坡、土質(zhì)邊坡為主的研究成果與規(guī)范不再適用，必然會更加重視這一問題的研究。

(4) 長大隧道問題、隧道信息化施工問題以及隧道的科學量化設(shè)計問題已經(jīng)談了多年，然而一直沒有大的進步，最重要的根源就是快速分析與計算手段跟不上，而作者首創(chuàng)的FAST分析方法與思路必將得到愈來愈廣泛的應用。

(5) 凍土路基的防凍脹融沉措施大都已提出，但除過作者提出的通風管路基的設(shè)計原則外，其它措施的設(shè)計原則與量化設(shè)計措施、設(shè)計方案尚未提出，在今后的青藏高速、川藏公路、鐵路等工程中必將開展這一研究。

(6) 西部機場、廠礦等建設(shè)中遇到了越來越高的黃土填方工程的工后沉降問題。雖然筆者在這一領(lǐng)域研究積累非常薄弱，但鑒于這一問題的特殊地域性，還是作以拋磚引玉式的簡短論述，以期引起其他真正的黃土工程專家的重視。

致謝：陳楊、謝海香、張浩、石玉龍和胡彥博這五個助手在論文撰寫過程中搜集資料、排版等方面提供的大力幫助，特此感謝。