​□周航 樊博 仉文岗 杨欣月

　　土体试验可以做到直观可视吗？这个问题目前已经有了肯定的答案。

　　针对传统岩土模型试验观测盲区大、精度不足、难以捕捉瞬态灾变等痛点，重庆大学刘汉龙院士团队以物理模型试验与数学模型模拟为核心驱动，自主研发了多功能透明土模型试验技术，为水利工程岩土灾变机理研究、风险防控提供了可视化、高精度、全流程的硬核科技支撑。

　　痛点：传统试验有局限

　　岩土观测存盲区

　　堤坝、库区边坡、桥梁桩基等水利岩土工程安全，是守护江河安澜、保障水安全的关键防线。库区滑坡、堤坝沉降、桩基变形、基坑失稳等岩土灾害，是威胁水利工程运行安全的突出隐患。

　　长期以来，水利岩土领域模型试验多依赖天然土体开展，普遍面临三大关键技术难题：一是天然土体不透明，无法直观观测土体内部变形、颗粒运动及破坏全过程，存在严重的观测盲区；二是测量范围局部化、数据精度偏低，嵌入式传感器易对土体结构产生扰动，导致试验数据失真；三是难以精准捕捉滑坡、突水涌砂等瞬态灾变的关键细节，无法完整还原灾变机理。这些短板直接制约了水利岩土工程灾变防控技术的迭代升级，迫切需要构建可视、精准、实用的“物理模型+数学模型”试验体系。

　　破局：透明土重构试验范式

　　模型试验“显身手”

　　多功能透明土模型试验技术融合土力学、材料学、光电信息与数字图像等多学科理论与方法，以“透明可视、精准复演、数智推演”为核心，全方位激活模型试验的科研效能。

　　在物理模型试验层面，团队以折射率匹配为核心原理，自主研发出气相二氧化硅基透明黏土、熔融石英—烷烃基透明砂土、3D打印透明砂土三类新型模拟材料。经大量试验验证，其物理力学特性与天然黏土、砂土高度契合，可精准还原各类土体的压缩、剪切、固结等力学行为。搭配激光制斑、高清图像采集系统，激光可在透明土内部构建均匀稳定的散斑场，土体受力变形时散斑点同步位移，最终实现非侵入、无扰动、三维全视角的土体变形测量，如同为水利岩土工程做CT。该技术可直观复演隧道开挖、注浆加固、边坡滑移、桩基沉降等工程场景全过程，清晰捕捉突水涌砂、边坡垮塌等瞬态破坏细节，为精准揭示岩土体物理演化机理与内在力学规律提供了全新的实验手段。

　　在数学模型模拟层面，团队自主研发了二维和三维数字图像处理软件（MATDIC）。该软件能够快速完成土体变形数据的实时解译与定量分析，还原岩土体内部形变及灾变演化规律，破解土体大变形测量与三维重构的技术难题。基于解译获得的变形特征与灾变规律，可针对性制定岩土灾害分级防护计划并科学优化水利工程设计方案，通过透明土物理模型反复实景验证，不断调整完善防护策略与施工参数，最终形成“试验观测—数据分析—方案优化—实景验证—工程应用”的科学决策路径，使水利岩土工程设计更精准、灾害防控更前置、施工方案更可行。

　　创新：全链条技术攻关

　　打造硬核试验装备

　　团队依托国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等国家级课题，在材料、装备、软件等全链条持续开展了十余年自主技术攻关，并打造出具备完全自主知识产权的多功能透明土模型试验系统，实现了装备产业化落地，核心成果达到国际先进水平。

　　在制样装备层面，基于自研透明土材料特性，攻克气液相均匀分散与饱和固结工艺难点，自主研制透明土自动化制备装备与真空饱和预压固结装备，实现透明土试样的标准化、高一致性生产与预设应力状态精准控制，为模型试验提供稳定可靠的物理基础。在监测装备层面，围绕非侵入全场测量需求，搭建高稳定性光学试验主平台，集成激光散斑光源与高清图像采集系统，实现土体内部三维位移场的实时、无扰动精细捕捉，为变形分析提供精准数据支撑。在工程模拟装备层面，针对水利岩土典型工况，研制了透明土内部侵蚀模拟系统、水力冲刷与岸坡失稳系统等专用装置，配套多向应力-渗流耦合加载与高精度数控水利冲刷模块，可精准复现管涌演进、流土破坏、接触冲刷等灾变全过程，满足从机理研究到工程验证的全方位要求。

　　赋能：多领域拓展应用

　　守护工程建设安全

　　多功能透明土模型试验系统深度适配水利岩土工程科研与试验需求，可应用于水利工程堤坝安全监测、库区边坡稳定分析、桥梁过水桩基防护、基坑围护施工、地下管网安全等典型场景的试验研究。

　　目前，该系统已被新加坡南洋理工大学、山东大学、华南理工大学等18所国内外高校及科研院所引进应用，并成功服务于三峡库区边坡稳定性分析、南水北调中线工程渠坡渗流与变形分析、小浪底堤坝安全监测与预警、白鹤滩水电站库区滑坡体动态评估、向家坝水电站导流墩冲刷防护等多项重大水利工程研究场景，精准获取土体变形数据、揭示灾变演化机理，为水利工程灾变防控方案优化、施工工艺改进提供了关键试验支撑。

　　从实验室科研攻关到工程一线落地应用，透明土试验技术为贯彻落实水利部“三型平台”构建部署，推动水利岩土研究从传统“经验判断”向现代“数字管控”转型，从“被动处置灾害”向“主动预警防控”升级，为防范水利岩土灾害、推动水利高质量发展、保障我国水安全提供了坚实的科技支撑。

　　（作者单位为重庆大学、水利部科技推广中心）

　　来源：中国水利报 2026年6月9日