(長(zhǎng)江科學(xué)院 科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，武漢 430010)

1 圍堰的創(chuàng)新意義

三峽工程(TGP)二期深水高土石圍堰(以下簡(jiǎn)稱“二期圍堰”)是三峽工程眾多土項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目之一，是保障主體工程安全施工的關(guān)鍵性項(xiàng)目，是確保整個(gè)工程按期完工的重要建筑物。鑒于它的重要性和難度，許多專家將二期圍堰比喻為三峽工程的“荊江大堤”。

三峽工程雖已完工且運(yùn)行多年，二期圍堰也早就不復(fù)存在，但在20世紀(jì)后期，面對(duì)這個(gè)難度很大的水工建筑物，科技人員知難而進(jìn)，以勇攀高峰的精神，出色完成任務(wù)。它的經(jīng)驗(yàn)對(duì)后續(xù)水利工程之價(jià)值，它的創(chuàng)新成果對(duì)我國(guó)水利科技之促進(jìn)，都有重要的意義。直到最近，還在我國(guó)西部大規(guī)模水電開發(fā)中，不時(shí)被借鑒和參照，成為一個(gè)典型案例[1]。我國(guó)水電大師潘家錚在三峽二期圍堰建成時(shí)稱贊說：“從眾多因素綜合分析，三峽工程二期圍堰建設(shè)就總體而言無疑已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”，“在極其嚴(yán)峻的水文、地質(zhì)、工期條件下，二期圍堰的建成標(biāo)志著中國(guó)水利水電建設(shè)又登上新的臺(tái)階，躋身于國(guó)際先進(jìn)水平，值得慶賀?！盵2]在潘家錚院士的自傳性著作《春夢(mèng)秋云錄》中又多次對(duì)該工程進(jìn)行贊揚(yáng)：“三峽工程有幾場(chǎng)關(guān)鍵性的決戰(zhàn)，例如導(dǎo)流明渠的完成、大江截流、二期圍堰和二期工程中破世界記錄的混凝土施工…截流與二期圍堰也成為重點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一。不知組織過多少次設(shè)計(jì)、科研、院校、施工單位進(jìn)行攻關(guān)，也說不清做過多少次研究、計(jì)算、試驗(yàn)并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)?！盵3]

這確實(shí)是當(dāng)時(shí)對(duì)包括二期圍堰在內(nèi)的眾多技術(shù)難關(guān)的真實(shí)寫照。他又說：“大江截流后的又一場(chǎng)惡戰(zhàn)是二期圍堰，…工期之緊、難度之大也使多少同志把心提在手中。事實(shí)是，二期圍堰又如期完成，…人們還來不及喘氣，1998年8次長(zhǎng)江特大洪水就迎面撲來，這座水上長(zhǎng)城不僅固若金湯，而且?guī)缀醯嗡宦?。長(zhǎng)江這次是真的服輸了?！盵3]這是一位曾在水利水電戰(zhàn)場(chǎng)縱橫捭闔、身經(jīng)百戰(zhàn)的泰斗對(duì)二期圍堰的贊嘆！

該項(xiàng)工程在技術(shù)上的進(jìn)步和創(chuàng)新不僅對(duì)本工程起了關(guān)鍵的作用,而且對(duì)我國(guó)西部地區(qū)和長(zhǎng)江上游大量的大型水利水電工程高圍堰的建設(shè)也起到了參考和借鑒作用。例如位于金沙江下游、四川與云南交界的白鶴灘水電站，水庫(kù)總?cè)萘?06億m3，電站總裝機(jī)16 000 MW，其圍堰最大高度85 m，填筑量約200萬m3，采用混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜防滲方案。該圍堰的形式和規(guī)模與三峽二期圍堰十分相近。設(shè)計(jì)者對(duì)三峽圍堰的經(jīng)驗(yàn)作了十分細(xì)致的研究和充分的借鑒，并根據(jù)工程情況作了新的發(fā)展，該工程目前正在建設(shè)中。

鑒于三峽二期圍堰的創(chuàng)新意義，以及至今仍具有的科技價(jià)值，在此將有關(guān)體會(huì)作一介紹，不無必要。

2 二期圍堰的特點(diǎn)

二期圍堰的建設(shè)之所以難是鑒于如下特點(diǎn)：

(1) 它的高度達(dá)90 m，其中60 m在水下施工，最大擋水水頭75 m，防滲墻最大高度74～84.5 m，在世界圍堰建設(shè)史上屬罕見。

(2) 工程規(guī)模大，施工期限短。圍堰土石方填筑總量約為1 100萬m3，其中80%以上為水下填筑，混凝土防滲墻面積約為8.4萬m2, 遠(yuǎn)超過國(guó)內(nèi)外同類工程的規(guī)模, 兼之工程必需在一個(gè)枯水期建成并擋水，施工強(qiáng)度很高。

(3) 地形地質(zhì)條件復(fù)雜，圍堰建在70多m的覆蓋層上，且其頂部是近年沉積的10 m有余淤積沙，顆粒均勻且松散，動(dòng)力穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性差(允許滲透比降為0.22)，抗沖刷能力弱。

(4) 在覆蓋層中夾有直徑2～3 m的塊球體，堅(jiān)硬且密集，球體間架空，給水下防滲系統(tǒng)的封閉造成很大困難；河床深槽段左側(cè)基巖存在75°～83°、高差約15～30 m的陡坡，給防滲墻成墻及嵌巖造成極大困難，也成為制約工期的重要因素；同時(shí)，覆蓋層下的基巖，各層的風(fēng)化程度不一，透水性差別大且透水界線不明顯，局部地段弱風(fēng)化巖層內(nèi)存在強(qiáng)透水帶，對(duì)堰體的滲透穩(wěn)定不利。

(5) 圍堰填料性質(zhì)雜亂，主要系左、右岸的開挖料，包括風(fēng)化砂、石碴、塊石和混合料等，制約了圍堰斷面形式的選擇。這些填料中有的以往未曾研究和使用過，它的靜力和動(dòng)力特性都是空白。而且由于料源雜，料場(chǎng)分散，因此從料的開采、運(yùn)輸、壓實(shí)到檢驗(yàn)任一環(huán)節(jié)的脫節(jié)都會(huì)影響工程的進(jìn)度和質(zhì)量。

(6) 圍堰擋水運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，維護(hù)要求高。按二期工程施工進(jìn)度安排，二期主體工程施工要跨4個(gè)汛期，一方面要保證渡汛安全，另一方面要注意基坑內(nèi)大規(guī)模爆破開挖和建筑物高強(qiáng)度施工對(duì)圍堰正常運(yùn)用的影響等。此外，還要注意圍堰尚未建成時(shí)來洪水的考驗(yàn)。

(7) 施工期的通航必需保證，這與國(guó)內(nèi)外同類工程的施工條件很不相同，二期圍堰初期截流戧堤進(jìn)占和堰體填筑必須同時(shí)考慮大江束窄河床的流速和流量滿足航運(yùn)的要求。

如此種種的苛刻條件，使建設(shè)二期圍堰成為中外水利工程中難度極大的罕見的水工建筑物，它的建設(shè)不會(huì)比一座高土石壩更容易，而且由于屬于“臨時(shí)”建筑物，易被忽視，增加人為的難度。

三峽建設(shè)者們沒有輕視，估計(jì)到它的難度，早在開工前40多年，就著手在現(xiàn)場(chǎng)選擇了一條天然河溝石板溪進(jìn)行6 m水深的“深水倒風(fēng)化砂”填筑試驗(yàn)，以期推測(cè)60 m水下風(fēng)化砂的拋填密度，為設(shè)計(jì)提供最基本最重要的數(shù)據(jù)。然而花費(fèi)雖然巨大，但因現(xiàn)場(chǎng)水深僅6 m，測(cè)得的密度十分低，代替不了60 m水深的條件。按此設(shè)計(jì)，圍堰安全性不能超過，第一道關(guān)就碰了壁。

從20世紀(jì)80年代起，隨著設(shè)計(jì)工作的正式展開，經(jīng)過幾次國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)，并結(jié)合工程施工和初期運(yùn)用，在歷時(shí)近20 a的漫長(zhǎng)進(jìn)程中，進(jìn)行了許許多多的試驗(yàn)、研究、實(shí)施、檢測(cè)，直到完工后還對(duì)圍堰“破膛開肚”，揭露盲點(diǎn)。由此，難關(guān)被一個(gè)個(gè)攻克，疑問被一個(gè)個(gè)厘清，成果被及時(shí)用于工程，不僅取得了圍堰建設(shè)的成功，而且取得了一整套高土石圍堰建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)屬難能可貴。

圖1 各國(guó)專家建議的上游圍堰方案

3 二期圍堰簡(jiǎn)介

圖2 可研階段圍堰3種基本方案

鑒于二期圍堰的難度，在建設(shè)早期，曾請(qǐng)某些國(guó)外專家參與過一些研究，提出過幾個(gè)設(shè)想的方案，如圖1所示。 1986年結(jié)合“七五”國(guó)家攻關(guān)科研項(xiàng)目提出了3大方案，即高雙墻、低單墻和混合料防滲水下清基方案，如圖2。其中，第3類方案難以實(shí)施故予舍棄。經(jīng)單項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步研究，上游圍堰的實(shí)施斷面如圖3所示。

圖3 上游圍堰的實(shí)施斷面

現(xiàn)將實(shí)施方案簡(jiǎn)介如下：

(1) 單排墻斷面，位于長(zhǎng)江深槽兩側(cè)，堰頂高程88.5 m，堰頂寬15 m，堰體由截流戧堤、風(fēng)化砂、石碴混合料、過渡料和塊石填筑。圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻，在高程73 m以上接復(fù)合土工膜心墻方案，墻底嵌入弱風(fēng)化巖石1.0 m。防滲墻厚度0.8 m和1.0 m，墻下接帷幕灌漿要求灌至巖體透水率q≤10 Lu。防滲墻頂接復(fù)合土工膜至高程86.2 m；

(2) 雙排墻斷面，位于長(zhǎng)江深槽部位，目的是改善防滲墻的受力條件，其中上游墻位于圍堰軸線上游6 m，下游墻在軸線上。墻體均由塑性混凝土建造，厚度均為1.0 m。雙排墻與單排墻相接處上游墻以45°折線與單排墻連接。墻頂土工膜以折線形式伸入臨時(shí)擋水子堤后，以1∶2.5坡度斜鋪至高程86.2 m。

4 二期圍堰的技術(shù)難點(diǎn)

上游圍堰的設(shè)計(jì)方案帶來了一系列的技術(shù)難點(diǎn)，現(xiàn)擇其主要列舉如下。

(1) 60 m水深下拋填風(fēng)化砂的密度與水下穩(wěn)定坡角。當(dāng)時(shí)，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都沒有先例和類似的研究成果，而這是圍堰設(shè)計(jì)中最基本、最重要的資料，是必須攻克的第一道難關(guān)。

(2) 86 m高的混凝土防滲墻在松散拋填堰體中的工作狀態(tài)(變形和應(yīng)力應(yīng)變)。在松軟的堰體中建造這么高的混凝土防滲墻是一大挑戰(zhàn)，其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)方案的成功有決定性的意義，必須進(jìn)行堰體和墻體的應(yīng)力應(yīng)變分析，作為選定合理方案的依據(jù)，并進(jìn)一步優(yōu)化。但當(dāng)時(shí)有限元分析法在工程中的應(yīng)用還剛起步。墻體方案涉及的主要問題有5個(gè)方面：由于水頭較大，防滲墻應(yīng)設(shè)1道或2道；防滲墻的厚度多少；防滲墻采用剛性混凝土還是柔性混凝土；采用高墻還是低墻，即墻頂部上接復(fù)合土工膜以降低墻高；2墻施工的先后順序如何安排較為安全。

(3) 墻體材料的優(yōu)選，柔性混凝土的研制和優(yōu)化。柔性材料的提出是為適應(yīng)防滲墻位移過大而提出的，這種材料的彈性模量要很低，但又有一定的強(qiáng)度，即“模強(qiáng)比”(初始切線模量與強(qiáng)度的比值)有一定要求。而且必需以當(dāng)?shù)鼗◢弾r風(fēng)化砂為主要骨料，水泥含量應(yīng)作限制。這種材料只有意大利曾用過，而三峽應(yīng)有更優(yōu)的性能。

(4) 低密度新淤積沙的動(dòng)力特性和圍堰堰體的動(dòng)力穩(wěn)定性。場(chǎng)地的設(shè)防烈度為7度，圍堰建于厚10多m的松散淤積沙覆蓋層上，運(yùn)用時(shí)間較長(zhǎng)，超過4 a，期間恐遇地震，故動(dòng)力穩(wěn)定性需要研究。此外，施工期強(qiáng)烈而頻繁的基坑爆破會(huì)否影響圍堰的運(yùn)用也有人擔(dān)心。

(5) 粗顆粒堰體材料特性的試驗(yàn)研究是土工領(lǐng)域的一個(gè)短板。堰體的材料很雜，大都是主體工程開挖的廢料(較好地用于混凝土人工骨料)，以及花崗巖風(fēng)化砂，質(zhì)地較差。需研制當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)較缺的大型實(shí)驗(yàn)儀器，研究其物理力學(xué)特性。

(6) 堰體的現(xiàn)場(chǎng)壓密措施研究。把圍堰較松的堰體加密，將有助于減小堰體內(nèi)墻體的水平變形，改善防滲墻的工作狀態(tài)。

(7) 合土工膜的防滲性能、現(xiàn)場(chǎng)連接方法研究以及土工膜變形觀測(cè)設(shè)備的研制。復(fù)合土工膜的防滲性能和施工技術(shù)本來就是一個(gè)罕有研究的問題，在這樣巨大和重要工程中應(yīng)用更是第一次，應(yīng)設(shè)專題進(jìn)行研究，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的試驗(yàn)。同時(shí)，為了了解土工膜的工作狀態(tài)，需研制專門設(shè)備對(duì)復(fù)合土工膜變形進(jìn)行實(shí)測(cè)，這也是前人沒有做過的。

(8) 堰體造墻技術(shù)和墻體與基巖陡坡連接技術(shù)的研究。河床深槽段有陡達(dá)70°～80°的基巖陡坡，墻體如何嵌入巖體中是一項(xiàng)需專門研究的特殊技術(shù)。此外，造墻的工作量很大(每月需完成8.4萬m2墻體施工)，快速造墻技術(shù)也要研究。

5 二期圍堰建設(shè)中若干重要技術(shù)措施

5.1 采用“柔”的思想建造防滲墻

根據(jù)國(guó)內(nèi)多個(gè)防滲墻的經(jīng)驗(yàn)，二期圍堰防滲墻最初是以“高剛墻”的方案為主進(jìn)行研究的[4]。但數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，墻體的應(yīng)力狀況不佳，墻體下部有大片塑性屈服區(qū)，墻的水平變形也較大，存在安全隱患。若采用“強(qiáng)身固體”(如將混凝土材料的模量從1.8×104MPa增至2.2×104MPa，甚至更大)的思路來抵抗墻的大變形和高應(yīng)力, 則不僅要求墻體很厚，而且高強(qiáng)度的混凝土(彈模大于2.2×104MPa)施工也很困難，墻下部設(shè)置鋼筋籠更增加施工難度，特別是由于墻體的水平變形主要取決于龐大堰體的變形，墻體剛度的增加對(duì)減小墻體變形貢獻(xiàn)不大。為此，我們將設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想轉(zhuǎn)到“柔性”墻體的軌道上。但是把墻體剛度降低也帶來一系列的問題：首先是必然導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低，如果強(qiáng)度的降低比彈性模量的降低更快，則墻體中的屈服區(qū)反而會(huì)擴(kuò)大，墻體的工作狀況更差。因此要解決問題就必須采用一種模量較低但仍有相當(dāng)高的強(qiáng)度，尤其是較高的初期強(qiáng)度的混凝土防滲材料。但現(xiàn)有的塑性混凝土材料尚不能滿足要求，必須重新研制。簡(jiǎn)言之，研制一種“高強(qiáng)低彈”的“柔性”混凝土材料，成為解決二期深水高土石圍堰建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。這種“高強(qiáng)低彈”的材料以“模強(qiáng)比”(初始切線模量與強(qiáng)度的比值)為主要指標(biāo)。據(jù)分析，為滿足深水圍堰的要求，“模強(qiáng)比”應(yīng)控制在≤250為宜。為此，在“八五”國(guó)家科技攻關(guān)期間，投入了很大的力量對(duì)此進(jìn)行研究，并取得了優(yōu)良的成果。

二期圍堰建設(shè)中“柔”的思想還體現(xiàn)在其他方面。曾經(jīng)有人對(duì)下游圍堰一道1.0 m厚的防滲墻是否過于單薄提出疑慮。當(dāng)時(shí)有2種措施可以考慮：一是緊貼墻的背水面增加一道高噴墻，但它較為“剛”性，恐難適應(yīng)變形的要求；另一是繼續(xù)走“柔”的思路，適當(dāng)加厚柔性墻體以改善應(yīng)力和變形狀態(tài)，增加安全度。經(jīng)過從工作性態(tài)、施工方便、造價(jià)高低等方面反復(fù)權(quán)衡，決定采用后一個(gè)方案，從而促進(jìn)下游圍堰按時(shí)、順利的建成。

總之，這種“柔”的墻體設(shè)計(jì)思想是與圍堰的松軟拋填堰體的特點(diǎn)相適應(yīng)的。它是保證這個(gè)挑戰(zhàn)性工程成功的前提。為實(shí)施上述的思路，研制一種“低彈高強(qiáng)”的“柔性”混凝土材料就成了當(dāng)務(wù)之急。這種材料是以風(fēng)化砂、水泥、黏土(或膨潤(rùn)土)為主要原料，摻合一定的添加劑配成的。它的研究歷時(shí)近10年，經(jīng)過幾百次室內(nèi)配比試驗(yàn)，并先在其它3個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試用。這種材料性能達(dá)到或超過了國(guó)外同類產(chǎn)品的指標(biāo)，施工也十分方便，是一項(xiàng)很好的研究成果，值得推廣。

5.2 采用新方法、新技術(shù)解決建設(shè)中的疑難問題

二期圍堰的難度是空前的，解決這些難題的手段也必須是先進(jìn)的、創(chuàng)新的[4]。

5.2.1 首創(chuàng)采用離心模型試驗(yàn)確定深水拋填體的密度

前已述及，拋填堰體的密度是圍堰設(shè)計(jì)最基本的參數(shù)，但該值的確定卻遇到了很大的困難：國(guó)內(nèi)外尚無如此深的水下拋填土密度的經(jīng)驗(yàn)，50年代末，長(zhǎng)江科學(xué)院曾在三峽現(xiàn)場(chǎng)石板溪專門攔溝筑堤作人工拋填試驗(yàn)，求得6 m水深下風(fēng)化砂拋填干密度僅為1.40～1.45 g/cm3。若按此低密度進(jìn)行設(shè)計(jì)，墻體的位移將大得無法接受。此事曾長(zhǎng)久困擾設(shè)計(jì)工作進(jìn)展。

80年代末，長(zhǎng)江科學(xué)院采用國(guó)內(nèi)僅有的大型離心機(jī)，其值在1.73～1.83 g/cm3之間,平均為1.75 g/cm3，若風(fēng)化砂中粗粒含量(>5 mm)超過61%，則干密度可達(dá)1.82 g/cm3。基于這些資料，設(shè)計(jì)條件得到很大改善。這是三峽圍堰工程應(yīng)用新科技解決的第1個(gè)重大難題。該項(xiàng)成果為一期圍堰同類材料實(shí)測(cè)密度所證實(shí)，根據(jù)一期圍堰風(fēng)化砂堰體鉆孔取樣的結(jié)果，水下拋填干密度為1.66～1.97 g/cm3，平均1.81 g/cm3。這樣，設(shè)計(jì)干密度的選取就落到了實(shí)處。

5.2.2 上下游圍堰斷面的確定主要依靠了數(shù)值分析方法，并采用離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證

可以說，圍堰設(shè)計(jì)中每一個(gè)重要的決策，都以專門的數(shù)值分析結(jié)果作為重要依據(jù)。參加本項(xiàng)工作的沈珠江院士曾說過，“有限元法如此深入地介入一個(gè)工程，在以往是從來沒有過的?！盵5]配合二期圍堰的數(shù)值分析的計(jì)算歷程長(zhǎng)達(dá)16年，包括后期的反演分析。先后參加的有南京水利科學(xué)研究院、清華大學(xué)、河海大學(xué)、廣東省水利水電科學(xué)研究院等全國(guó)12個(gè)單位60多位高級(jí)科技人員。計(jì)算對(duì)比的方案達(dá)幾十個(gè)，選擇線彈性、非線性彈性、彈塑性等近10種本構(gòu)模型，進(jìn)行多種情況的敏感性分析，成果十分豐富。這些成果不僅解決了工程問題，而且對(duì)有限元分析技術(shù)的發(fā)展也是一個(gè)可貴的貢獻(xiàn)。為今后數(shù)值分析技術(shù)在工程中的實(shí)用，提供了一個(gè)生動(dòng)的范例，引起國(guó)內(nèi)同行的熱烈反應(yīng)。

圍堰斷面設(shè)計(jì)方案用離心模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證在國(guó)內(nèi)也屬首次，試驗(yàn)成果形象地預(yù)測(cè)了圍堰變形情況，有助于加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)斷面可靠性的信心。

5.2.3 防滲墻柔性墻體材料性能的研制

防滲墻方案選用柔性墻后，研制性能合乎要求的柔性墻體材料就成為一個(gè)新焦點(diǎn)。為滿足防滲墻的變形和受力條件，根據(jù)有限元計(jì)算，這種柔性材料的彈性模量宜控制在1 000 MPa左右，抗壓強(qiáng)度R28不宜<4.0 MPa,即“模強(qiáng)比”宜在250左右，謂之“低彈高墻”材料。風(fēng)化砂柔性材料不含普通意義上的骨料，而采用粒度較細(xì)的花崗巖風(fēng)化砂，摻以少量的水泥及特定的添加劑，這種柔性材料國(guó)內(nèi)外還稀見報(bào)道。研究工作經(jīng)歷了較長(zhǎng)的過程，室內(nèi)進(jìn)行了幾百次配方試驗(yàn)，又在清江隔河巖電廠圍堰、高壩洲低土石圍堰以及三峽一期圍堰等工程中應(yīng)用，最后才確定了二期圍堰的配合比。研究過程中運(yùn)用了如“均勻設(shè)計(jì)”等新的理論，取得了很好的效果。與此同時(shí)，也對(duì)通常的塑性混凝土材料進(jìn)行了研究，提出了配方，擬用于個(gè)別特殊的部位。

5.2.4 開創(chuàng)了復(fù)合土工膜在大型工程中應(yīng)用先例

土工合成材料是土木工程中一種新的材料，由于它的眾多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快，20世紀(jì)30—40年代已推廣到巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域。其中的土工膜材料用于臨時(shí)性的圍堰防滲工程不僅效果好，施工簡(jiǎn)便，拆除快捷，而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。但土工膜用于這么重要、巨大的工程確實(shí)尚屬首次。對(duì)它的防滲性能的研究，得到了許多新的認(rèn)識(shí)，尤其是運(yùn)用時(shí)獲得的一些經(jīng)驗(yàn)，有助于今后更好地推廣應(yīng)用。在應(yīng)用復(fù)合土工膜的同時(shí)，還配套地為檢測(cè)土工膜的鋪設(shè)質(zhì)量以及了解其在圍堰中的工作狀況特地研制了專用儀器——高壓電測(cè)法和8 cm超長(zhǎng)應(yīng)變計(jì)，效果良好。

5.2.5 進(jìn)行了三維飽和-非飽和滲流及二維和三維非穩(wěn)定滲流的計(jì)算

首次分析了心墻上部開叉等各種缺陷的影響，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性。圍堰的滲流分析除進(jìn)行了飽和三維滲流有限元分析外，考慮到圍堰的滲流場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的飽和-非飽和滲流區(qū)域，在有些施工和運(yùn)行狀態(tài)下又是一個(gè)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)。而這么高的防滲墻在施工中可能的缺陷(開叉、空洞、脫開等)對(duì)滲流狀態(tài)的影響，更是國(guó)內(nèi)外關(guān)心的問題，因此首次對(duì)此作出了回答[6]。

5.2.6 堰體風(fēng)化砂和覆蓋層新淤積沙的動(dòng)力特性以及圍堰地震作用的穩(wěn)定性研究

這是與堰體的不密實(shí)風(fēng)化砂和覆蓋層新淤積沙存在有關(guān)的，研究的內(nèi)容有拋填風(fēng)化砂和淤積沙的動(dòng)力特性，堰體在松散淤積沙上的地震穩(wěn)定性，尤其是地震對(duì)防滲墻的影響。

5.2.7 堰體不密實(shí)的填料在施工爆破中的性狀及其現(xiàn)場(chǎng)加密措施的研究

堰體不夠密實(shí)不僅影響防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，而且也影響墻體造孔時(shí)孔壁的穩(wěn)定性，給造墻帶來困難。為此專門研究并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了風(fēng)化砂大型振沖器加密和爆破加密，為決定堰體上部30 m的振沖加密措施提供了依據(jù)。

5.2.8 新的施工設(shè)備研制和引進(jìn)、開發(fā)

新的施工機(jī)具的引進(jìn)、開發(fā)和研制對(duì)促進(jìn)施工順利進(jìn)行和加快進(jìn)度起了重要的作用。引進(jìn)并進(jìn)一步開發(fā)的先進(jìn)設(shè)備有從德國(guó)引進(jìn)的BC-液壓銑槽機(jī)和BE-500泥漿凈化裝置，它們具有效率高、鉆孔深度大等優(yōu)點(diǎn)。為了在硬層中使用，試驗(yàn)研究了一套“銑、砸、爆”相結(jié)合的新工藝，效果良好。

自行研發(fā)的有大型的沖擊反循環(huán)鉆機(jī)CZF-200，它是專為三峽圍堰而進(jìn)行的，鉆頭重5 t，功效比改進(jìn)的CZF-1200提高25%以上。此外，JHB-200型泥漿凈化劑的研發(fā)、重型鋼絲繩抓斗的研發(fā)、SM-400全液壓工程鉆機(jī)的引進(jìn)與開發(fā)都對(duì)工程的質(zhì)量、安全、造價(jià)和進(jìn)度，起了良好的作用，

改進(jìn)成槽工藝是一個(gè)值得著力研究的課題，新發(fā)展的工藝有：“劈鉆法”、“兩鉆一抓法”、“兩鉆三抓法”、“上鉆下抓法”、“純抓法”、“銑削法”、“銑、抓、鉆法”等。

5.3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀察和檢測(cè)，及時(shí)反饋，更新信息

在圍堰的整個(gè)施工和運(yùn)用過程中， 十分重視現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)和觀測(cè)資料的分析[3]。 墻體材料的配比是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原材料當(dāng)時(shí)的實(shí)際參數(shù)即時(shí)計(jì)算確定的。 對(duì)圍堰中填料的分布狀況也進(jìn)行記錄。 在圍堰中又埋設(shè)了大量的多種觀測(cè)儀器， 以監(jiān)測(cè)堰體、 墻體、 土工膜、 堰基的工作狀態(tài)， 其中有些觀測(cè)儀器是專門特制的。 這些資料對(duì)判斷圍堰的安全性起了十分重要的作用。 1998年夏天， 當(dāng)?shù)?道墻剛剛建成、 第2道正在挖槽時(shí)， 長(zhǎng)江發(fā)生了大洪水， 而且前后來了6次。 剛施工完成的第1道墻發(fā)生了超過計(jì)算值的大變形， 其安全性引起了全工地的關(guān)切。 中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司對(duì)大壩是否要停止施工猶豫不決， 急招長(zhǎng)江科學(xué)院科研人員赴工地進(jìn)行質(zhì)詢、 論證， 藉以決策。 在如此緊急的情況下， 長(zhǎng)江科學(xué)院人員立即赴工地， 并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的最新資料， 連夜重新進(jìn)行有限元計(jì)算， 并與原型觀測(cè)資料對(duì)比分析， 在24 h內(nèi)提出了分析意見和未來可能發(fā)展的預(yù)測(cè)， 認(rèn)定圍堰情況基本正常， 建議無需停工， 供領(lǐng)導(dǎo)決策， 使整個(gè)工程仍能繼續(xù)施工。 在這里， 現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)收集的資料對(duì)計(jì)算條件的更新起了很好的作用。 此外， 一期圍堰的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也曾對(duì)二期圍堰的建設(shè)也有極好的參考價(jià)值， 比如十分重要的風(fēng)化砂拋填體的密度， 根據(jù)離心模型試驗(yàn)的成果確定后， 又經(jīng)過一期圍堰拆除時(shí)實(shí)地檢測(cè)， 才更放心地使用的。

5.4 圍堰拆除時(shí)的資料收集和補(bǔ)充研究的意義重大

中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司花費(fèi)大量資金委托長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行圍堰拆除時(shí)的科研工作，是一項(xiàng)很有眼光的舉措[4]。當(dāng)時(shí)圍堰已經(jīng)完成歷史使命，但對(duì)二期圍堰尚有許多盲點(diǎn)需要揭露：例如風(fēng)化砂水下拋填體在4年以后實(shí)際密度是否增加？防滲墻附近堰體風(fēng)化砂振沖后實(shí)際密度到底多少？不同階段完成的防滲墻其完整性如何？物理力學(xué)參數(shù)的差異有多大？它們與室內(nèi)試驗(yàn)及施工中的模擬試驗(yàn)結(jié)果是否一致？墻頂部與子堰連接的復(fù)合土工膜完整性如何？深槽段兩道墻之間的風(fēng)化砂密度、泥漿入滲情況如何？墻體柔(塑)性材料經(jīng)過4年后其性能變化如何？防滲墻周圍泥漿附壁情況如何，因?yàn)樗鼘⒋蟠笥绊懛罎B墻的沉降和垂直應(yīng)力狀況，這個(gè)問題在計(jì)算中是一個(gè)長(zhǎng)期的懸案，趁此機(jī)會(huì)應(yīng)予解決。這些資料對(duì)今后類似工程的價(jià)值是不言而喻的，但它只有對(duì)圍堰“開膛破肚”才能取得。

6 三峽二期圍堰建設(shè)中的技術(shù)創(chuàng)新

長(zhǎng)江科學(xué)院三峽圍堰科研人員從一開始就意識(shí)到，面對(duì)這些復(fù)雜、新奇的難題，不可陳陳相因，沿襲舊規(guī)，而必須盡可能采用新技術(shù)、新理論、新材料、新設(shè)備，探索一條新路，才能解決問題。為此，經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)10多年的路程(1984—2000年)，得到了一系列有創(chuàng)新性的成果。

6.1 在國(guó)內(nèi)外首次采用離心模擬技術(shù)，解決深水拋填材料的密度問題

60 m水深下進(jìn)行拋填，國(guó)內(nèi)外沒有經(jīng)驗(yàn)，但拋填土的密度肯定與水深密切相關(guān)。為此探索采用在超重力條件下的離心模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬。離心加速度定為100g，可以使60 cm的模型水深模擬60 m深水的條件,求得比較真實(shí)的密度。為進(jìn)行這項(xiàng)探索，長(zhǎng)江科學(xué)院聯(lián)合中國(guó)水利水電科學(xué)研究院等國(guó)內(nèi)有關(guān)單位，對(duì)相似理論、模型材料、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法(如靜動(dòng)態(tài)拋填技術(shù))、成果分析等一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，取得了良好的結(jié)果,成果表明，拋填密度與水深呈線性關(guān)系。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)一期圍堰的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，兩者相當(dāng)接近且偏于安全。由此攻克了第1道難關(guān)。

6.2 增強(qiáng)了有限元法在土石壩設(shè)計(jì)中的作用

鑒于圍堰的復(fù)雜性，一開始就估計(jì)到設(shè)計(jì)中將有許多方案的比較，并需反復(fù)優(yōu)化，而且由于斷面結(jié)構(gòu)特殊，要判斷它的合理性和安全性只有進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析才有可能，這就決定了數(shù)值分析必然要深深地介入到設(shè)計(jì)中。但有限元法當(dāng)時(shí)還是“學(xué)院”內(nèi)的課題，在這么重要的工程中實(shí)際地應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)還是罕見的。為此，長(zhǎng)江科學(xué)院組織了12家國(guó)內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的單位，跟蹤設(shè)計(jì)的進(jìn)程，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10多年的攻關(guān)。采用了E-μ模型、E-B模型、樣條函數(shù)模型、南水模型、河海模型、應(yīng)變空間模型、B-G模型和工程算法8種本構(gòu)模型，圍繞防滲墻的道數(shù)、剛?cè)?、高低、厚薄以及施工順?個(gè)因素進(jìn)行眾多方案的對(duì)比研究。研究中主要進(jìn)行了圍堰斷面的二維有限元分析，其中還考慮了堰體和墻體與堰體之間接觸面參數(shù)不同的敏感性分析，還假設(shè)了2墻承擔(dān)不同水頭份額，以及墻端部約束條件不同的影響，總之，幾乎各種可能的工作條件，只要想得到的，或繁或簡(jiǎn)地進(jìn)行了對(duì)比分析。此外，也進(jìn)行了3種方案的三維有限元計(jì)算。

計(jì)算表明，推薦的塑(柔)性混凝土低雙墻方案較優(yōu)(如圖4)，其變形和墻內(nèi)應(yīng)力均在安全的范圍內(nèi)。而低剛雙墻方案的墻底應(yīng)力明顯大于低塑雙墻方案，因此后者更為安全。

圖4 低雙墻方案剛性墻與柔性墻的應(yīng)力分布比較

圖5 墻頂水平位移的分布

計(jì)算還表明，E-μ模型的結(jié)果比較合理，抽水后墻體最大水平位移在40～50 cm(圖5)，而E-B模型和B-G模型的變位偏大。幾個(gè)彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果相近，其結(jié)果比E-μ模型的略小，但具有可比性。上述的有限元計(jì)算不僅為設(shè)計(jì)提出了最優(yōu)的斷面方案，而且為數(shù)值分析在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值爭(zhēng)得了聲譽(yù)和地位。

6.3 圍堰斷面形式的離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證

離心模擬技術(shù)對(duì)以自重為主要荷載的土工建筑物特別有效，因?yàn)橥馏w是非線性材料，其性狀受應(yīng)力水平的影響，因此，對(duì)土工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行物理模擬時(shí)，需保證模型的應(yīng)力水平與原型相同。為此，利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)模型的超重力，以補(bǔ)償模型因縮尺造成的自重?fù)p失，達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，以在模型中再現(xiàn)原型的性狀。對(duì)大型土壩進(jìn)行這種試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，其經(jīng)驗(yàn)為以后的小浪底土壩等類似試驗(yàn)提供了借鑒。

圖6 圍堰堰體位移分布圖(離心模型試驗(yàn)成果)

試驗(yàn)的內(nèi)容包括相似比尺和模型材料的研究、模型設(shè)計(jì)和量測(cè)設(shè)備的研制、試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)采集的實(shí)施，以及成果分析和與有限元結(jié)果的對(duì)比等。本次試驗(yàn)的主要結(jié)果是堰體變形和防滲墻的豎向應(yīng)力分布，5#模型的成果如圖6所示。堰體最大沉降達(dá)80～200 cm，最大水平位移為90 cm，墻體的水平位移為56.8 cm，墻體的最大豎向應(yīng)力為10.5 MPa，出現(xiàn)在墻底。這些數(shù)據(jù)與有限元分析有可比性[7]。

6.4 柔性材料的研制以及均勻設(shè)計(jì)材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN模型的應(yīng)用研究

“柔性”混凝土材料有2種：風(fēng)化砂柔性材料和塑性混凝土。由風(fēng)化砂、水泥、黏土、添加劑等組成的是一種新配制的無骨料防滲柔性材料。研究中采用先進(jìn)的均勻設(shè)計(jì)理論，使3因素10水平的試驗(yàn)僅需進(jìn)行10組配比試驗(yàn)即可達(dá)到全面試驗(yàn)的效果，大大節(jié)省了工作量。在這10組結(jié)果中，有3組配比的力學(xué)指標(biāo)已達(dá)攻關(guān)要求，同時(shí)，這10組完整的配比試驗(yàn)數(shù)據(jù)也為下一步建立模型、指導(dǎo)配合比優(yōu)選打下良好基礎(chǔ)。然后，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了配合比與力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的ANN預(yù)測(cè)模型，將模型的預(yù)測(cè)結(jié)果降維表達(dá)成簡(jiǎn)明直觀的配合比圖譜，根據(jù)此圖譜的指導(dǎo)，只用一步便可優(yōu)選出所需的柔性材料現(xiàn)場(chǎng)配合比。上述工作在國(guó)內(nèi)外同一領(lǐng)域中尚未見報(bào)道。

塑性混凝土用于墻高最大的局部深槽段，以水泥、黏土、膨潤(rùn)土和粉煤灰為膠凝材料，根據(jù)圍堰應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算確定出材料指標(biāo)，按正交設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了6因素5水平的初選配比研究→三階段淘汰法優(yōu)選配比→應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算確定推薦配比的技術(shù)路線進(jìn)行的。并摸索出塑性混凝土配方設(shè)計(jì)的規(guī)律性，為今后類似工作提供了一套經(jīng)驗(yàn)。

圖7 柔性材料配比圖譜

均勻設(shè)計(jì)法是近年提出的一種非常適合于多水平的新試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，與正交設(shè)計(jì)相比，它可以大幅度降低試驗(yàn)工作量。在柔性混凝土研究中材料配比有3個(gè)因素，每個(gè)因素有9個(gè)水平，按均勻設(shè)計(jì)理論，只需做10組試驗(yàn)即可。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ANN是為了建立柔性材料配合比(原材料含量)與其力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系而引入的,3個(gè)輸入端系為原材料中的水泥、黏土和風(fēng)化砂；2個(gè)輸出端則為抗壓強(qiáng)度(R28)和初始切線模量(Ei)。該模型用于指導(dǎo)施工配比的優(yōu)化相當(dāng)成功，按此設(shè)計(jì)出的現(xiàn)場(chǎng)配合比控制方法使用時(shí)得心應(yīng)手(圖7)，給施工帶來很大方便。這些都是在大型工程中首次應(yīng)用的[8]。

6.5 飽和-非飽和滲流分析以及非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分析

最早進(jìn)行過圍堰穩(wěn)定飽和三維滲流分析，但因二期圍堰是一個(gè)復(fù)雜的飽和-非飽和滲流區(qū)域，在有些條件下又是一個(gè)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)。因此，進(jìn)行了三維飽和-非飽和滲流計(jì)算，確定非飽和計(jì)算參數(shù)，建立了三維非穩(wěn)定計(jì)算模型，并對(duì)防滲墻開叉和裂縫等特殊狀態(tài)開展了有限元計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，分析缺陷對(duì)圍堰安全的影響。

開叉分析表明，當(dāng)開叉寬度為0.1～0.2 m時(shí)，開叉處浸潤(rùn)線分別抬高3.6 m和5.5 m，且只對(duì)開叉處50 m范圍內(nèi)的地下水有一定的影響，對(duì)100 m以外影響不大。開叉處礫石內(nèi)水平滲流集中比降雖較高，達(dá)40～60，但集中滲流在墻后消散很快，墻后最大水平比降不到0.1，對(duì)安全不構(gòu)成威脅。滲漏量增大也很有限，當(dāng)開叉面積為0.2 m×12 m時(shí)，滲漏量?jī)H增加7.5×10-3m3/s,對(duì)基坑涌水量影響有限。

6.6 圍堰堰基地層剖面的概率分析方法探索

目前常用的地層剖面繪制方法比較簡(jiǎn)化，有一定近似性。研究中曾嘗試采用概率分析方法進(jìn)行地層剖面的繪制。鑒于鉆孔之間的地質(zhì)特征具有隨機(jī)性，因此對(duì)鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得地層高程鉆孔資料的均值和方差，并認(rèn)為該指標(biāo)將控制整個(gè)地層分界線(即推測(cè)曲線)的概率分布；其次，由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)值，并經(jīng)線性變換產(chǎn)生一個(gè)符合正態(tài)分布的推測(cè)值(即推測(cè)點(diǎn)高程值)，此推測(cè)值必須滿足下面2個(gè)條件才被認(rèn)可，以便使推測(cè)曲線的統(tǒng)計(jì)特征盡可能與鉆孔資料相應(yīng)指標(biāo)一致：①相鄰點(diǎn)高差≤均方差×高差控制系數(shù)(K0)；②推測(cè)值與均值之差≤均方差×高差控制系數(shù)(K0)。以上推測(cè)值控制條件的滿足，意味著推測(cè)曲線具有一定階的馬爾可夫特性。

本次對(duì)圍堰基礎(chǔ)范圍內(nèi)共9條縱橫剖面的微風(fēng)化層頂板進(jìn)行了推測(cè)，其中壩軸線河床段微風(fēng)化層頂板線與常規(guī)勘測(cè)方法所得的頂板線有所不同，河槽部位在壩軸線下方，概率方法的頂板線比常規(guī)的平均低5～8 m，而在其下游側(cè)，又偏高幾m。按概率剖面進(jìn)行滲流分析的滲漏量比常規(guī)方法的大些，對(duì)本例，相差約25%左右，差別還是很顯著的。這也是國(guó)內(nèi)對(duì)地層剖面進(jìn)行概率分析的初次嘗試。

6.7 復(fù)合土工膜的防滲性能和土工織物淤堵特性研究

復(fù)合土工膜雖是膜與布的復(fù)合，但其性能卻不是布與膜的簡(jiǎn)單疊加，即其力學(xué)性能優(yōu)于布的性能，而防滲性能優(yōu)于膜的性能。因?yàn)樵诓紨嗔亚?，?fù)合膜的應(yīng)力應(yīng)變主要決定于布的特性，當(dāng)布斷裂后，由于膜的高延伸性，其后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與膜的相同。在工程應(yīng)用中，除強(qiáng)調(diào)復(fù)合膜的整體強(qiáng)度和變形率外，還必需著重考慮其相對(duì)變形率，即膜與布的變形率之比，以減少?gòu)?fù)合土工膜設(shè)計(jì)中的盲目性。研究還發(fā)現(xiàn)，布的存在不僅能改善復(fù)合土工膜的強(qiáng)度，而且有利于改善膜破損時(shí)的滲流特性。復(fù)合膜中布和膜的復(fù)合緊密程度對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有顯著的影響。

土工織物的淤堵特性和穿刺特性是土工織物應(yīng)用中的難點(diǎn)。在研制梯度比試驗(yàn)儀和滲透儀的基礎(chǔ)上，選用了有紡織物與無紡織物，并配合不同級(jí)配的砂和粉質(zhì)黏土進(jìn)行了一系列的淤堵試驗(yàn)。通過試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)用水、持續(xù)時(shí)間、被保護(hù)土粒徑和級(jí)配及其密度，以及試驗(yàn)水頭的影響有了新的認(rèn)識(shí)。單純一個(gè)梯度比GR<3.0的條件，并不能很好判別織物的淤堵情況。

6.8 土工膜的無損檢測(cè)技術(shù)和土工織物應(yīng)變量測(cè)設(shè)備的研制

土工膜變形量測(cè)技術(shù)的研制和復(fù)合土工膜現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)對(duì)控制膜的鋪設(shè)質(zhì)量十分重要，但當(dāng)時(shí)尚缺乏合適的設(shè)備。本次攻關(guān)重點(diǎn)研究了高壓電測(cè)法用于施工現(xiàn)場(chǎng)的可能性，這種方法的理論依據(jù)是氣體間隙放電或電容耐壓擊穿原理，其放電或擊穿與所加的電壓、極間距離、介質(zhì)特性、電極形狀等因素有關(guān)。借助于空氣電離進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣電離基本不存在，但當(dāng)形成一定場(chǎng)強(qiáng)就能形成電離，改變空氣的導(dǎo)電性能，這樣就可探測(cè)土工膜缺陷的有關(guān)信息。經(jīng)對(duì)土工膜試樣進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)表明，在膜有孔、無孔2種狀態(tài)下，電參數(shù)R或i有明顯差別，因此該法是可行的。高壓探測(cè)設(shè)備電源可設(shè)計(jì)成mA級(jí)小功率型，故它不會(huì)因電弧放電而對(duì)膜構(gòu)成破壞，也不會(huì)對(duì)人體安全帶來威脅。

土工織物的變形量測(cè)是研制一種電阻式特種大應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)度為80 mm，應(yīng)變測(cè)試量程達(dá)15%，選用能使應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)為常數(shù)的粘結(jié)膠，如D04膠或703膠，粘貼于土工織物上，保證應(yīng)變計(jì)與織物的同步變形。研制了可靠的標(biāo)定設(shè)備，測(cè)得了幾種織物由電阻測(cè)試值換算的應(yīng)變?chǔ)舠與實(shí)際織物的拉應(yīng)變?chǔ)舏之間的相關(guān)系數(shù)為γ=0.997 5～0.999 7，表明相關(guān)性良好。這項(xiàng)工作是由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所為主完成的。

6.9 風(fēng)化砂、淤積沙的動(dòng)力特性和圍堰抗震穩(wěn)定性的研究

風(fēng)化砂動(dòng)力特性采用動(dòng)三軸、共振柱等方法進(jìn)行試驗(yàn)，獲得動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)模量、最大剪切模量、G/Gmax-γ及D-γ關(guān)系、動(dòng)孔壓特性、Δu/σ'-N(振次)關(guān)系等參數(shù)。結(jié)果表明，其應(yīng)力應(yīng)變具硬化特性，強(qiáng)度具有顯著的非線性。其他動(dòng)力特性與一般砂性土相似。

對(duì)淤積沙也進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，成果表明，在低密度時(shí)，動(dòng)力特性和強(qiáng)度指標(biāo)較差，但在上部堰體荷重下密度會(huì)明顯提高，對(duì)抗液化有利。采用西特法判別，在天然狀態(tài)及上游堰腳下5 m深度以上的淤砂有液化的可能。按現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的剪切波速與Vscr比較，顯示了堰體坡腳外及上游堰體坡腳下也存在液化可能[9]。

根據(jù)非線性動(dòng)力分析、等效線性化動(dòng)力分析、土層反應(yīng)分析、堰坡滑動(dòng)穩(wěn)定分析等，獲得了堰體永久變形分布、動(dòng)應(yīng)力動(dòng)變形分布、加速度分布、飽和砂土動(dòng)孔隙水壓力特性，以及可能產(chǎn)生滑動(dòng)面的安全性指標(biāo)。分析證明，堰體在地震下，整體是穩(wěn)定的，局部的不穩(wěn)定可采取壓坡或圍封等措施解決。西安理工大學(xué)對(duì)此項(xiàng)研究做了許多工作。

6.10 爆破振動(dòng)對(duì)圍堰的影響和振沖壓密的現(xiàn)場(chǎng)研究

為研究二期圍堰爆破施工時(shí)能承受的荷重，在一期圍堰基坑進(jìn)行了爆破效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；研究了爆震作用下飽和淤砂的動(dòng)力特性和孔隙水壓力上升特性、動(dòng)孔壓與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系、動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系以及阻尼比特性等，并專門研制了爆震三軸儀。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了堰體振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試。依此分析了堰體的爆震穩(wěn)定性。

根據(jù)一期圍堰的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，當(dāng)一次起爆總裝藥量400～4 600 kg時(shí)，采用深孔梯段微差爆破及淺孔微差爆破技術(shù)，爆破效應(yīng)基本上為各單響藥量(16～644 kg)的爆破效應(yīng)，各響效應(yīng)不疊加，因此大大減少了爆震影響。研究表明，爆震效應(yīng)的振動(dòng)頻率較高，爆震產(chǎn)生的孔壓很小，孔壓比均小于0.178，不會(huì)有爆震液化問題。根據(jù)設(shè)定的爆炸波作用，用薩爾瑪法分析了堰坡的穩(wěn)定，安全系數(shù)大于1.0，故圍堰在爆震作用下是穩(wěn)定的。

6.11 粗粒料力學(xué)性質(zhì)的研究

為適應(yīng)圍堰大量使用粗粒料的現(xiàn)實(shí)，長(zhǎng)江科學(xué)院研制了一系列大型儀器，如800 mm×800 mm×400 mm的大型平面應(yīng)變儀和?500 mm的大型軸對(duì)稱三軸儀，以及稍后的直接為500 mm大型流變?cè)囼?yàn)儀、大型振動(dòng)三軸儀，還籌備了試樣直徑為50 cm，高度達(dá)100 cm的大型疊環(huán)式滲壓固結(jié)儀等，其中許多儀器為國(guó)內(nèi)所僅有，在世界上也屬少有。用這些儀器進(jìn)行了級(jí)配模擬方法的對(duì)比研究，同時(shí)還利用大型儀器進(jìn)行了粗顆粒破碎及其對(duì)強(qiáng)度特性影響的研究，并建立了新的能比方程來表達(dá)破碎的強(qiáng)度分量，對(duì)粗粒料的特性作了比較深入的理論研究，這也是一項(xiàng)以往研究不多的創(chuàng)新成果。對(duì)大型試驗(yàn)儀器的研制、粗粒料的性能研究及理論上的探索進(jìn)行得如此廣泛深入國(guó)內(nèi)外都屬少有。這些成果對(duì)高面板堆石壩設(shè)計(jì)也有良好的參考價(jià)值。

7 二期圍堰經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)高圍堰建設(shè)的意義

三峽二期深水高土石圍堰的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新研究成果具有普遍意義。在當(dāng)前西部大開發(fā)的水電建設(shè)中，類似的高圍堰越來越多，上述經(jīng)驗(yàn)正在發(fā)揮著作用。正如華東水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院白鶴灘設(shè)計(jì)同志最近說的:“八五科技攻關(guān)時(shí)期，三峽二期圍堰的研究是國(guó)內(nèi)乃至世界圍堰技術(shù)研究的一座豐碑。解決了很多長(zhǎng)期困擾圍堰設(shè)計(jì)、施工的難題……針對(duì)圍堰填料的性質(zhì)、圍堰結(jié)構(gòu)形式、防滲材料研究、堰基粉細(xì)砂層和覆蓋層的特性和處理等方面進(jìn)行了深入研究，對(duì)圍堰設(shè)計(jì)提供了若干新思路，確保了三峽二期圍堰的安全運(yùn)行。三峽二期圍堰的研究工作如此全面，既包括了前期試驗(yàn)(水下拋填料的密度和坡角的離心模型試驗(yàn)、粗粒料的大型試驗(yàn))、又包括基于有限元數(shù)值計(jì)算的圍堰形式優(yōu)化，還包括運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)和反分析以及圍堰拆除過程中許多問題的驗(yàn)證，此外還涉及很多特種監(jiān)測(cè)儀器的研制，以至于后人在圍堰設(shè)計(jì)的各方面、各階段均有可參考對(duì)象，影響了一系列大型圍堰的設(shè)計(jì)和施工，成為后續(xù)圍堰設(shè)計(jì)的標(biāo)桿。”[10](王永明博士后開題報(bào)告，2011年) 。這樣的評(píng)價(jià)可能有點(diǎn)夸大，但二期圍堰的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行后的實(shí)物驗(yàn)證[11]給后續(xù)工程的參考作用，則是值得肯定的。

此外，在經(jīng)濟(jì)效益和人才培養(yǎng)方面成效也非常顯著，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),單由于墻體材料的優(yōu)化效益對(duì)上游圍堰一項(xiàng)的節(jié)省就達(dá)6 000萬以上,至于它縮短了2～3個(gè)月的直線工期對(duì)汛期前工程達(dá)到擋水的要求,以及利用廢料所帶來的環(huán)境效益,則是非錢數(shù)可以計(jì)量的。

在三峽圍堰研究和建設(shè)過程中長(zhǎng)江科學(xué)院參加的人數(shù)達(dá)百余人。在長(zhǎng)達(dá)18年的歷程中,培養(yǎng)了整整一代土工專業(yè)的人才,使他們具有比較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)的技術(shù)素養(yǎng)、廣泛的工程知識(shí)和靈活的處理工程問題的能力，它將對(duì)長(zhǎng)江科學(xué)院的未來產(chǎn)生持續(xù)的影響；另一方面,國(guó)內(nèi)也有眾多單位參與了有關(guān)的攻關(guān)研究,他們一方面帶來了各自單位的經(jīng)驗(yàn)，有助于研究水平的提高, 同時(shí)也把研究中的收獲撒布到全國(guó)各地, 活躍了國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)交流, 它也會(huì)對(duì)我國(guó)土工專業(yè)的發(fā)展起有益的促進(jìn)作用。

后記：參加三峽二期圍堰試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐工作的有全國(guó)很多單位的專家、學(xué)者、工程師和其他科技人員，其中長(zhǎng)江科學(xué)院人員主要有：包承綱、程展林、王明煜、馮光愈、劉松濤、劉思君、李思慎，吳昌瑜，郭熙靈、李青云、饒錫保、李玫、張家發(fā)、張偉、任大春、周小文、錢勝國(guó)等，當(dāng)時(shí)在長(zhǎng)江科學(xué)院的研究生吳為義、胡輝、張小平等也參加了研究工作。

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