气候变化已成为全球性问题，并受到国际社会的普遍关注。自1950年以来，气候系统观测到的许多变化是过去几十年甚至近千年以来史无前例的。受全球气候变化的影响，在接下来的几十年中，全球干旱呈严重加剧趋势，持续时间长、影响范围广和强度高的极端干旱气候发生频率显著增加，某些地区的干旱会持续恶化，局部地区甚至可能遭遇百年一遇甚至几百年一遇的打破历史纪录的特大旱情。可以预见，干旱气候带来的灾害问题将越来越严重，给大坝的安全运行和管理带来了新的挑战。
在众多的水库大坝建设中，土石坝是最普遍采用的一种坝型，目前，我国已建成各类水库大坝98566座，其中土石坝约占95%。土石坝主要由散粒体材料堆填而成，作为挡水建筑物通常需要设置防渗体，如斜墙土石坝、心墙土石坝，或坝前水平铺盖接斜墙土石坝、坝前水平铺盖接心墙土石坝等。黏质土体由于其较低的渗透性以及易于施工等优点常常用作土石坝的防渗结构，对保障大坝渗流安全至关重要。然而，坝前水平黏土铺盖与黏土斜墙，其厚度往往较薄，易形成贯穿性裂缝丧失防渗性能，即使未形成贯穿裂缝，遭遇旱涝急转工况时往往来不及治理，在水位快速上升时难以及时愈合发挥防渗作用。旱涝急转工况的特殊性在于干旱与强降雨转变的突发性，此时黏土防渗体渗流场出现剧烈变化，导致出现渗流安全隐患。
针对极端干旱中黏土体裂缝发育机理、极端干旱后黏土斜墙坝渗流性态变化以及运行管理中应急处置措施等方面，特撰写本书，便于同行交流，及实际运行管理决策参考。本书按照极端干旱中黏土斜墙坝“裂缝产生—渗流变化—裂缝演变—运行对策”发展过程，共分为8章，包括绪论，黏土裂缝扩展，旱后渗流性态变化试验研究，旱后渗流性态变化数值模拟，极端干旱中黏土斜墙坝脆弱性与恢复力，极端低水位下水库运行安全综合处置措施及工程应用等内容，涉及裂缝演变与渗流互馈机理及工程运行管理决策等。具体的章节编排和主要内容介绍如下：
第1章介绍了近年来的极端气候变化尤其是极端干旱气候事件出现的频次与强度情况，继而阐述了极端干旱对土石坝运行的影响，指出了极端干旱后土石坝的破坏型式（图1）。
图1 大坝黏土铺盖裂缝
第2章从微观、宏观多角度分析，提出了裂缝深度、宽度计算模型，明晰了裂缝参数与土体参数间的相关性；采用随机分布理论模拟裂缝分布，建立了干缩裂缝准三维扩展模型，解释了受旱过程防渗体黏土干缩裂缝产生和扩展规律。通过土样试验研究了控制裂缝发育速度及决定裂缝最终发育程度的关键性因素。
第3章开展了3个模型试验，采用干湿循环试验研究了黏土防渗体系的裂缝产生和发展机理（图2）；开展水槽模型试验，研究了极端干旱后铺盖、斜墙内的渗流性态变化（图3）；通过离心模型试验，模拟了旱涝急转渗流过程，及黏土防渗体体系失效破坏机理（图4）。从而，探究了裂缝出现前后黏土防渗体系内孔隙水压力的变化，揭示了极端干旱后黏土斜墙坝的灾变机理。
图3 水槽模型试验
图4 离心模型试验
第4章根据渗流阶段的不同，在渗流初期，推导出稳定流动情况下与有效截面宽度以及水压变化相关的流量计算公式。渗流中期，研究了适用于裂缝宽度变化情况下的水流入渗过程。渗流后期，根据土体内应力变化，分析了裂缝的出现在高水位作用下导致水力劈裂的可能性。
第5章分析了极端干旱下黏土斜墙坝脆弱性与恢复力，通过比水容量、干湿变化中土体孔隙变化以及渗流过程中可能出现的水力劈裂反应土体的脆弱性；根据渗流过程中裂缝愈合情况作为大坝恢复力，分析裂缝演变-渗流变化互馈过程。
第6章基于土体水分蒸发过程中基质吸力沿高程分布以及裂缝扩展过程中宽度和深度变化与基质吸力的关系，提出了通过裂缝宽度反演裂缝深度计算模型，以极端干旱后裂缝表观参数为指标预警大坝渗流性态。
第7章基于白龟山和昭平台水库遭遇的极端低水位工况，开展了运行安全综合处置与决策的应用。
本书作者结合承担的国家重点研发计划“土石堤坝渗漏探测巡查及抢险技术装备研发（课题编号：2019YFC1510802）”、国家自然基金面上项目“土石坝巡检信息智能感知与安全动态诊断方法（项目编号：51779155）”及相关研究项目，对黏土斜墙坝遭遇极端干旱出现的灾变过程进行了深入系统研究，希望通过本书的出版，促进极端气候变化中土石坝安全评估及水库安全运行管理的交流。
本书在土石坝应对极端干旱气候变化方面对设计单位、水库大坝管理单位和从事大坝安全评估的技术人员具有指导意义和参考价值。
作者简介
马福恒
工学博士，正高级工程师，博士生导师。中国水力发电工程学会抗震防灾专委会委员，《水电能源科学》等期刊编委。主要从事水利水电工程健康诊断、风险管理、安全监测（控）等领域的理论创新和关键技术研究工作。先后主持国家自然基金重点项目专题1项和面上项目2项，负责国家重点研发专项课题1项、省部级水利科技攻关项目20余项。主持完成南水北调中线干线、黄河小浪底水利枢纽、河南出山店水库、浙江曹娥江大闸、重庆金佛山水利枢纽、林州红旗渠等重大水利水电工程的安全监测（控）、健康诊断及风险评估等百余项。成果获全国优秀工程咨询成果二等奖1项，省部级科技进步奖5项，中国水利工程优质（大禹）奖2项，授权专利8项、软件著作权10余项。在国内外发表学术论文70余篇，出版专著6部，主参编国家、行业及地方技术标准5部。
叶伟
工学博士，工程师。主要从事水利水电工程的健康诊断和隐患探测等领域的研究与应用，参与科技项目10余项。参与或具体完成白龟山水库、南水北调中线干线、红旗渠等重大水利水电工程科研课题10多项。在国内外学术期刊上发表科技论文20余篇，参编专著3部、行业标准1部。
胡江
工学博士，高级工程师，硕士生导师。主要从事水利水电工程的安全监控、健康诊断和风险分析等领域的基础研究与工程实践，先后主持国家自然科学基金青年基金1项和面上项目2项、国家重点研发计划项目专题1项、其他科技项目10余项。负责或具体负责完成白龟山水库、南湾水库、石漫滩水库、南水北调中线干线、红旗渠等重大水利水电工程科研课题40多项。在国内外学术期刊上发表科技论文40余篇，授权发明专利4项，参编专著4部及行业和地方标准4部。
本书目录
（本期编辑：王芳）
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