《国家水网建设规划纲要》指出“推动建设高质量、高标准、强韧性的安全水网”，“发挥水网运行整体效能，增强系统安全韧性和抗风险能力”。作为调水工程的主要建筑物，输水渠道具有线路长及工程地质、运行环境条件复杂等特点，运行期存在特殊岩土渠段边坡失稳破坏风险，渠道边坡安全监控、稳定性态诊断和滑坡预测预警是亟待解决的难题。为此，《深挖方膨胀土边坡破坏机理与预测技术》聚焦深挖方膨胀土边坡破坏机理与预测技术，系统地介绍了深挖方膨胀土边坡施工期滑坡模式与成因、深挖方膨胀土渠坡运行期变形时空演化规律、高地下水膨胀土边坡变形破坏机理、深挖方膨胀土渠坡运行期稳定性的数值模拟分析方法、基于机器学习算法的深挖方膨胀土渠坡变形预测模型与失稳预测方法等。

第1章绪论
　　1.1深挖方膨胀土边坡安全保障研究背景与意义
　　加快构建国家水网，建设现代化高质量水利基础设施网络，是国家的重大战略部署。我国已建在建南水北调东中线、引汉济渭、滇中引水、引江济淮等140余项引调水工程。国家水网建设主要任务之一是构建国家水网之“纲”，即科学推进一批重大引调水工程规划建设。《国家水网建设规划纲要》明确要求“充分考虑气候变化引发的极端天气影响和防洪形势变化，科学提高防洪工程标准，增强全社会安全风险意识，有效应对超标洪水威胁”。“强化底线思维，增强水安全风险防控的主动性和有效性”。针对调水工程的突出风险点，加强风险防控，建立风险全链条管控机制，增强系统安全韧性和抗风险能力，是保障调水工程安全运行的重要技术手段。作为调水工程的主要建筑物，输水渠道具有线路长及工程地质、环境条件复杂等特点，运行期存在特殊岩土渠段边坡渗漏和失稳等安全风险，安全管理难度大，特殊岩土渠坡安全监控、稳定性态诊断和滑坡预测预警是亟待解决的难题。
　　膨胀土是一种“问题多的特殊土”。我国是世界上膨胀土分布*广的国家之一，迄今已有26个省、自治区和直辖市发现有膨胀土，主要分布于从云贵高原到华北平原之间各流域形成的平原、盆地、河谷阶地，以及河间地块和丘陵等地，包括珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域等各干支流水系地区，其中，广西、湖北、河南等省分布有成片膨胀土。随着国家水网的建设，大量水网工程不可避免地要穿越成片膨胀土地区。国家水网的南水北调中线与东线工程、引江济淮工程、引江济汉工程，新疆水网的引额工程，西南水网的黔中、滇中调水工程，东北水网的大运河工程，均存在穿越成片膨胀土的工程段。因膨胀土具有胀缩性、超固结性和裂隙性等特性，对天气变化和人类工程活动敏感，导致膨胀土地区出现“逢堑必滑、无堤不塌”的现象。部分已建成调水工程通水运行后出现了不同程度由膨胀土所引起渗漏、变形破坏等工程安全问题。膨胀土渗漏、滑坡灾害危及重大工程的安全运行，成为灾害防治工作的难题。尤其是在穿越成片膨胀土地区兴修水网工程时，受限于地形地貌，不可避免地存在挖方膨胀土渠道边坡。例如，南水北调中线工程在豫冀两省分布有挖深超10m膨胀土渠段达144.4km，*大坡高超40m。我国膨胀土分布典型区域的工程地质调研表明，挖方边坡失稳破坏仍然是我国膨胀土地区基础设施建设中面临的*主要的工程地质问题，更值得关注和重视。
　　开挖不但为渠道边坡滑坡失稳提供了临空条件，还联合卸荷与近地表强烈大气作用、渠道水位波动等激活了膨胀土胀缩特性，改变了原本相对稳定的湿度场、温度场和地下水赋存状态，形成胀缩活动带m。深挖方膨胀土渠坡卸荷效应更明显、受大气影响更显著，深挖方膨胀土渠道边坡滑坡具有渐进性、季节性、滞后性和反复性等特征。例如，引丹灌区、淠史杭灌区深切岭渠段等自建成以来均发生过膨胀土滑坡，部分深挖方膨胀土渠道运行多年后仍遭遇了滑坡破坏。淠史杭灌区运行前30年干渠滑坡195处，胭马山分洪道深切岭渠段运行期已滑坡11处。2020年汛期，位于瓦东干渠刘岗电灌站左岸粧号约25+050处发生滑坡（2#滑坡），2020年5月15日现场量测滑坡长度75m，顺坡长26m，滑坎高1.3m；6月4日测量长度96m，斜坡长42m，滑坎高度3.2m，滑舌伸入水中4.5m（图1.1.1）。为了掌握挖方膨胀土边坡失稳破坏的机理和应力变形的变化过程，优化南水北调中线南阳段渠道的设计，更好保障渠道边坡安全，在刁南灌区中选择了一段长为860m的构林渠道作为试验段，其中B段为挖方段，坡高10m，坡比1:2.0～1:2.5。试验渠段为中更新统冲积的膨胀土，具中等膨胀性，裂隙发育。试验段渠道于1984年2月底开始开挖，5月竣工，随开挖深度的增加，两侧边坡的变形相继增加并发生滑坡。滑坡过程如图1.1.2所示，1984年6月1日暴雨后，右岸下游发生滑坡，随后坡腰出现间断性纵向裂缝；7月29日发生第二次滑坡并逐渐向坡顶扩大；9月初连续大雨，坡顶出现弧状裂缝，28日渠坡发生第三次整体滑坡。滑坡的滑移面主要发生在次生灰白色黏土充填的缓倾角裂隙面上。南水北调中线工程中将挖深超15m的渠道边坡定义为深挖方边坡，并将深挖方膨胀土边坡的稳定作为运行期安全管理的重点。然而，从南水北调中线工程运行表现看，虽采取了表层改性土换填处理措施，但仍未隔绝膨胀土与大气的水汽交换，部分深挖方渠段渠坡运行以来产生了较显著蠕动变形和浅层滑坡迹象（图1.1.3），变形体深度2～8mI12!，成为影响渠道长期安全输水和高效运行的隐患。
　　膨胀土渠坡变形破坏除了由本身胀缩特性决定外，还与地形和气候等因素有关。陕豫鄂皖冀等省的气候环境不利于深挖方膨胀土渠坡长期稳定，例如河南省南阳市夏季炎热多雨，多年平均蒸发量、降水量分别为1725.7～1879.5mm、815mm，6～9月降水量、蒸发量均很大，干湿交替频繁。加之全球气候变暖，长时间干旱、短时间强降水等极端气象事件趋多趋频趋强，进一步加剧了对深挖方膨胀土渠坡长期稳定性的不利影响。这都使得膨胀土边坡变形破坏具有易发性、群发性等特点，例如2016年“7 19”特大暴雨诱发了某重大调水工程豫冀段数处严
　　重变形和滑坡（图1.1.4），幸好巡检及时发现并应急处置，保障了工程安全和供水安全[14]。然而，由于多因素耦合作用下的膨胀土边坡变形破坏机理尚不明确，极大增加了气候敏感区深挖方膨胀土渠坡运行期安全监控和滑坡预警的难度。因此，开展深挖方膨胀土边坡破坏机理与预测技术研究是保障深挖方膨胀土渠坡长期安全运行的关键。
　　在这一背景下，考虑降水、气温、渠道和地下水位变化等多因素耦合作用的影响，通过理论分析、模型试验和数值模拟等手段，研究深挖方膨胀土渠坡运行期变形和破坏机理，揭示渠坡变形演变规律；建立考虑多因素影响的深挖方膨胀土渠坡变形安全监控模型，探讨其合理性和适用性；提出考虑多环境变量多测点变形的深挖方膨胀土渠坡变形异常诊断方法，以及基于数据驱动的滑坡预警方法，验证其可靠性，为膨胀土边坡安全监控和灾害防治提供有力技术支撑，具有重要的理论意义和实践价值。
　　1.2膨胀土边坡变形破坏机理与分析
　　天然状态下的膨胀土常处于较坚硬的状态，但是对气候变化敏感。膨胀土的气候敏感性会给膨胀土边坡工程造成严重的危害，这种危害具有长期性、反复性和潜在性。随着膨胀土工程灾害的逐渐增多，膨胀土工程特性与灾害防治受到广泛关注。国内外学者开展了大量的膨胀土边坡破坏机理的理论研究、模型试验和数值模拟，积累了丰硕成果。此外，不少膨胀土边坡已布置了较为完善的安全监测设施，包含大气环境量（降水、蒸发、气温、太阳辐射等）、膨胀因素量（含水率、吸力、土体温度等）、土体应力（土压力和孔隙水压力）及渠坡变形量（表面和内部变形）等监测项目，为数据驱动的时空演变规律识别、失稳预警等提供了数据支持，促进了膨胀土边坡安全监控、变形预测与失稳预警方法的研究。
　　1.2.1膨胀土特性介绍
　　膨胀土主要是由强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性黏性土膨胀土的峰值强度高，但是从失稳的膨胀土边坡反算得到的抗剪强度却往往低于其峰值。普遍认为，导致膨胀土强度衰减的主要原因是胀缩性、裂隙性、超固结性。而膨胀土的胀缩性、裂隙性、超固结性是其基本特性，一般称之为“三性”。
　　1.2.1.1胀缩性
　　胀缩性是膨胀土*典型、*显著的特性，是膨胀土水敏性和气候敏感性的突出表现，是膨胀土地区常见工程地质问题的直接原因。膨胀土的胀缩性主要表现在含水量发生变化时引起的膨胀或收缩变形，在往复的干湿循环作用下，土体结构趋于松散，强度发生衰减。膨胀土的胀缩性、强度特性以及变形性质在很大程度上取决于膨胀土的结构特征[16L膨胀土的微结构主要由细小的蒙脱石、伊利石和高岭石黏土矿物颗粒组成。膨胀土普遍发育有微孔隙和微裂隙，是多孔隙裂隙黏性土。其孔隙、裂隙的大小与形状各异，微裂隙是膨胀土特有的微结构特征的重要组成部分，不仅确定了膨胀土裂隙介质不连续性，而且直接影响膨胀土的重要工程特性。膨胀土的微结构又与其含水量大小、矿物成分及所处的地理环境有关，其中影响*大的是膨胀土的含水量，含水量变化不仅会引起膨胀土体中的矿物发生物理一化学作用，使矿物元素之间的结合力发生变化，同时还会导致土体的结构产生变化。当含水量变化时，会引起膨胀土的膨胀或收缩变形，导致土体强度降低，随着干湿循环次数增加，强度衰减幅度增大。裂隙的存在破坏了土体的整体性，导致强度降低，同时促进水分的入渗和蒸发，天气变化时将导致裂隙的进一步扩展和向内部发展。
　　近年来，随着国家水网建设和国家综合立体交通网大规模建设，大量学者以实际膨胀土工程为研究对象，对膨胀变形在工程上的影响开展了大量研究。黏土矿物晶格扩张理论和双电层理论都认为，黏土颗粒间并不是直接接触的，而是通过相邻土体颗粒的水化膜相互连接。当颗粒的外界条件发生改变时，水化膜厚度发生变化，使得黏土颗粒间的距离发生改变，引起土体体积的变化[171（图1.2.1）。

目录
第1章 绪论 1
1.1 深挖方膨胀土边坡安全保障研究背景与意义 1
1.2 膨胀土边坡变形破坏机理与分析.5
1.2.1 膨胀土特性介绍 6
1.2.2 膨胀土边坡滑坡破坏机理与特点研究现状 10
1.2.3 膨胀土边坡变形时空演变规律研究现状 15
1.2.4 膨胀土边坡变形预测与失稳预警方法研究现状 16
1.2.5 膨胀土边坡稳定分析方法研究现状 19
1.3 本书主要内容 21
参考文献 22
第2章 深挖方膨胀土边坡施工期滑坡模式与成因分析 26
2.1 施工期滑坡问题 26
2.1.1 膨胀土边坡开挖滑坡问题26
2.1.2 南水北调中线总干渠施工期滑坡介绍 29
2.2 施工期滑坡破坏模式、特征与主要诱发因素分析 32
2.2.1 施工期滑坡破坏模式与特征 32
2.2.2 施工期滑坡主要诱发因素分析 46
2.3 施工期滑坡典型案例分析 48
2.3.1 滑坡案例一 48
2.3.2 滑坡案例二 51
2.3.3 滑坡案例三 53
2.3.4 滑坡案例四 55
2.4 本章小结 57
参考文献 58
第3章 深挖方膨胀土渠坡运行期变形时空演化规律分析 60
3.1 渠坡运行期变形影响因素和安全监测技术 60
3.1.1 渠坡运行期变形影响因素 60
3.1.2 安全监测技术 62
3.2 渠坡运行初期变形体分布及病害特征分析 69
3.2.1 工程与地质条件 69
3.2.2 渠坡运行初期变形体分布特点 71
3.2.3 渠坡运行初期变形体外观病害特征分析 73
3.3 渠坡运行期浅层变形时空规律分析方法.79
3.3.1 渠坡运行期表面变形时空相似性指标 79
3.3.2 渠坡运行期表面变形时空加权聚类模型 82
3.3.3 渠坡运行期浅层变形时空演变规律分析 86
3.4 渠坡运行期内部变形时空规律分析方法 95
3.4.1 VMD基本原理 95
3.4.2 基于Soft-DTW的变量相似性度量 96
3.4.3 基于多变量LOF的潜在滑动面判定方法 98
3.4.4 渠坡运行期内部变形时空演变规律分析 99
3.5 渠坡运行期变形时空演变机理分析 103
3.5.1 地下水位对渠坡内部变形的影响分析 103
3.5.2 大气活动对渠坡上部变形的影响分析 104
3.5.3 变形体及潜在滑动面判定方法 105
3.5.4 变形机理分析 109
3.5.5 加固处置措施建议 111
3.6 本章小结 112
参考文献 112
第4章 高地下水膨胀土边坡变形破坏机理物理模型试验 115
4.1 物理模型试验设计 115
4.1.1 相似比尺分析 115
4.1.2 试验平台和模型设计 116
4.1.3 环境因素模拟 118
4.1.4 试验工况模拟与控制 118
4.2 试验方法与过程 119
4.2.1 边坡填筑与质量控制 119
4.2.2 监测传感器与布设方案 122
4.2.3 试验方法与过程控制 123
4.3 边坡表面变形和裂隙演化特征分析 124
4.3.1 表面变形和裂隙发展规律分析.124
4.3.2 基于数字图像相关法的表面裂隙演化特征分析 136
4.4 边坡含水率时空演化规律分析 147
4.5 边坡内部变形时空演化规律分析 154
4.6 本章小结 157
参考文献 158
第5章 深挖方膨胀土渠坡运行期稳定性的数值模拟分析 160
5.1 膨胀土边坡稳定性分析中的主要因素 160
5.1.1 渠坡变形破坏的控制性因素 160
5.1.2 常用加固处置措施 163
5.2 渠坡失稳破坏机理的数值模拟分析方法 165
5.2.1 渠坡概化模型构建 165
5.2.2 裂隙面抗剪强度参数反演 166
5.2.3 膨胀土渠坡稳定性分析方法 176
5.3 渠坡运行期严重变形渠段的案例分析 180
5.3.1 工程与地质概况 180
5.3.2 渠坡变形与安全监测设施布置 182
5.3.3 渠坡变形及其统计模型分析 185
5.3.4 渠坡地下水位与缺陷探测 190
5.3.5 渠坡运行期稳定性分析 194
5.3.6 加固处置措施效果的数值模拟分析 196
5.4 本章小结 203
参考文献 203
第6章 深挖方膨胀土渠坡变形预测模型与失稳预测方法 205
6.1 研究渠段概况 205
6.1.1 工程概况 205
6.1.2 水文地质和工程地质 206
6.1.3 渠坡变形及采取的处理措施 207
6.1.4 渠坡安全监测布置 208
6.2 渠坡变形与影响因素分析 209
6.2.1 时间序列分析 209
6.2.2 影响因素分析 211
6.2.3 统计模型构建 212
6.2.4 渠坡变形主要影响因素分析 213
6.3 基于机器学习算法的渠坡变形预测模型 214
6.3.1 LSSVM基本原理214
6.3.2 渠坡变形的VMD-LSSVM预测模型 215
6.3.3 变形机理讨论 221
6.4 基于多变量局部异常系数的渠坡失稳预警方法 221
6.4.1 滑坡时空演化特征识别与预警方法 221
6.4.2 验证算例 223
6.4.3 工程实例分析与讨论 226
6.5 本章小结 230
参考文献 231