11月2日，以“构建水安全保障新格局，护航大湾区高质量发展”为主题的第四届水安全与可持续发展国际高端论坛 - 南沙分论坛在广州举办，专家学者们齐聚一堂，围绕大湾区和南沙水安全与可持续发展问题展开交流探讨，英国皇家工程院院士、香港科技大学（广州）副校长吴宏伟，在会上分享了生态岩土学在土木工程低碳绿色发展的应用。

由于气候变化和日益增多的人类工程活动，边坡破坏和沙尘暴等与土相关的灾害在世界范围内变得愈发频繁，在造成巨大的人民生命财产损失的同时也严重破坏了生态环境。联合国制定《2030年可持续发展议程》，我国“十四五”规划纲要也明确指出：安全发展将贯穿国家发展各领域和全过程，坚持绿水青山就是金山银山理念，推进城市生态修复，绿色发展、循环发展和碳中和发展。在此背景下，生态岩土工程学科应运而生。“生态岩土工程是近年来建立和发展的新兴交叉学科，综合了土力学、岩石力学、生态学、生物学和大气学等多学科知识，建立了交叉学科理论，并结合各类实验研究，揭示了大气－植被－土体相互作用规律以应对气候变化等重大世界挑战。”吴宏伟介绍道，“通过发展生态岩土技术、开发各种生态环保型工程技术，我们提升了路堤、边坡和垃圾填埋场覆盖层等土工结构的安全性和服役性能，减少了沙尘暴的发生概率”。

路表非饱和土的治理

陆表土体绝大多数处于非饱和状态，它是所有建筑物与边坡的承载体，也是植物生长的根基。“在人类工程活动和极端气候的诱发下，非饱和土极易发生塑性变形、失稳滑动或生态退化等灾害，给人民生命、财产造成巨大损失。”吴宏伟介绍道。据联合国减灾办公室统计，非饱和土边坡滑动灾害近50年来造成“一带一路”沿线900多万居民死亡，直接经济损失超800亿美元/年；我国水利部数据显示，我国28%的陆表土层遭受水土流失，亟需生态修复。

吴宏伟指出，传统非饱和土力学理论难以解决气候变化与工程活动作用下非饱和土中普遍存在的渗流－变形－强度耦合问题，也无法考虑非饱和土与植物间的相互作用。“研究非饱和土的核心挑战在于非饱和土是高度复杂的固、液、气三相多孔介质，它上接大气环境，下连地下水，含水状态会随着大气和地下水位的变化而改变，导致介质间产生耦合作用，液、气界面形成收缩膜而产生吸力，吸力又跟应力产生复杂的耦合关系，从而产生一系列跟工程有关的科学问题。”

据了解，吴宏伟团队长期致力于非饱和土力学与生态岩土工程方向的研究，取得了一系列创新成果：一是发现了吸力和应力状态耦合影响非饱和土渗流－变形－强度的规律，自主研发了应力状态与吸力状态持水特性测试系统，建立了应力状态相关的持水本构方程，从而解决了工程活动和气候变化共同作用下的非饱和土的渗流和强度耦合分析难题。二是针对经典理论忽略吸力路径的问题，提出了考虑吸力状态和应力状态耦合作用的剪切波速理论，并通过自主研发的非饱和土弯曲元波速测试系统进行了验证。建立吸力路径相关的剪切模量计算模型，成功模拟气候变化引起的干湿循环作用下小应变剪切模量的变化规律，同时可以解决工程活动和气候变化共同作用下的非饱和土的变形跟土工建筑物位移预测的难题。三是针对经典理论无法考虑吸力状态对剪缩（胀）和强度影响的问题，提出了新的本构关系，建立吸力状态相关的剪缩（胀）的计算模型，构建非饱和土吸力与应力状态耦合作用的内、外屈服面，从而解决工程活动和气候变化共同作用下的普遍存在的非饱和土强度跟变形的耦合分析难题。

吴宏伟说 ：“根据这三个科学发现，我们团队建立了状态相关的非饱和土弹缩性本构关系，阐明了传统设计方法误判边坡安全性的根源，确定了柔度矩阵的所有耦合参量，形成了状态相关的非饱和土力学理论体系，支撑了全球首部松散土边坡加固设计指南，解决了香港等地治理静态液化型边坡的工程难题，成就了近十年香港滑坡零伤亡的记录。”

生态岩土学与工程交叉学科的发展

吴宏伟进一步介绍道 ：“状态相关非饱和土力学的理论体系可以解决气候变化和人类共同活动带来的挑战，但要实现低碳、绿色、安全发展与可持续发展，还需要进一步发展生态岩土学科，结合岩土力学、土壤学、环境学、生态学、植物学、大气科学等学科知识研究生物相关机制，如植物、真菌、细菌，有机跟无机之间相互关系的机理。

吴宏伟指出，生态岩土学和水资源、生态环境修复等都有直接关系。“譬如研究植被，就要找它有哪几个关键特性，我这里主要谈谈根系体积比。建立根系体积相关的持水本构方程可以解决非饱和植被土的渗流和强度的耦合分析难题，有了这个方程之后，在植物生长到譬如3个月、10个月、15个月时，生长过程如何影响植被土就可以被模拟出来。要建模，就必须考虑非饱和植被土的孔隙比和状态面，建立根系体积相关的剪缩（胀）计算模型，也就是强度分析。

“构建植被土根系体积相关的边界面和硬化准则，可以解决非饱和土植被土的强度跟变形的耦合分析难题，有了这些准则和公式就可以跟实测数据进行对比；有了这些理论之后，我们就可以把它放在一起，建立状态相关非饱和土力学延伸到植被土，就可以考虑根系体积的演化，影响渗流变形跟强度的植被土的本构关系。”吴宏伟说，“有了这个模型之后，我们可以发现植被空间分布对季节性干湿循环下的渗流强度和变形的影响规律。”

他进一步介绍说，“研究二氧化碳浓度和生物炭耦合作用下促进植物根系的生长，改变土壤的孔隙结构，从而改变土壤的持水特性；二氧化碳浓度和生物炭在耦合作用下使担子菌成为优势菌种，担子菌是植物凋落的重要分解者，在土壤物质中产生非常重要的作用，分解以后为植物的生长提供更多的养分。总之，岩土力学可以很好地跟精准农业学展开合作，从而帮助提升经济作物的产量”。

系列应用成果卓有成效

“什么叫水力作用？植物从根系吸水的现象 ‘蒸腾’，蒸腾的第一个好处是能够增加土体的抗剪强度；第二个好处是增加吸力以后降低了渗透系数降低，雨水入渗变少了。从而增大了边坡的稳定性。”吴宏伟指出，“一般工程师会用植物的根系作为加筋作用，但没有考虑水力作用。我们团队基于新理论，在自主研发的同时模拟水力作用和力学加筋作用的人造根，解决了现有技术无法考虑植被水力作用的难题。我们通过离心机模拟来揭示植被土的破坏机理：在土体转动时控制它的吸力状态，从测量结果反映出在直根、心形根和板根中，心形根保持吸力最好，深度最多。也就是告诉我们：如果要选择护坡植物的话，应该选心形根植物”。

通过这些理论和实验，吴宏伟团队首次定量分析了植被根系形状对水力作用的影响，准确评估了不同根系形状对边坡安全系数的提升，为植被土坡的生态修复和加护提供了重要的科学依据。

吴宏伟团队还研发了可用于垃圾填埋场或边坡的绿色土质覆盖系统。由于传统垃圾填埋场的覆盖系统用的是土工膜（防止雨水入渗和闭气），而土工膜存在会老化、施工时会被破坏、土工膜之间的界面容易滑动等问题。2016年，吴宏伟带领团队在深圳下坪生活垃圾填埋场建设了全天候3层覆盖层试验区，其中一半覆盖层试验区种植百慕大草，另一半作为参照组，坡面不种植任何植物，并由无纺土工布覆盖，以防止降雨期间地表侵蚀。试验经受了深圳数次强台风暴雨后依然稳定，有效提升了填埋场库容；为验证3层土质覆盖层的防渗性能，团队还对覆盖层试验场进行了长达54个月的监测，包括降雨量、覆盖层渗漏量、孔隙水压力及含水量变化等。现场监测数据表明，无膜的全天候3层覆盖层在湿润区年均渗漏量低于北美湿润区覆盖层设计标准。

最后，吴宏伟总结和展望了了生态岩土学领域的研究方向：一是大气－植被－土体相互作用的理论模拟，包括考虑植被生长的土体本构关系、长期气候作用下三维植被边坡稳定性的时间效应、植被水力作用和力学加筋作用的耦合关系；二是植被生长和其水力作用的优化，包括利用不同植被种类混合种植、选择不同养分和生物炭的配比改良土壤；三是气候变化对植被－土体相互作用关系的影响，包括极端气候对植物生长和根系土水力和力学行为的影响、植物根系和土体裂隙之间的相互作用；四是生态岩土工程与新兴技术结合，包括机器学习和数据驱动方法、现场监测新技术。

吴宏伟强调：“我们的研究一方面是解决气候变化对土的特性以及人为建筑物的影响，另一方面也是研究人类活动如何影响土的特性，以此来帮助人们应对气候变化的挑战。可持续与绿色发展是国际科技前沿与国家重大需求，希望未来我们能继续加强与内地学者的合作，结合非饱和土以及植被的有关研究，继续对国家的可持续发展、生态文明建设做出一点贡献。”（本文未经报告人审核）