二期圍堰建設(shè)中若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決

包承綱

摘要 三峽工程二期圍堰是興建河床建筑物的根本保證，也是工程的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。為此在工程實(shí)施前及施工中，對(duì)圍堰填料的性質(zhì)、防滲材料性質(zhì)、堰基粉細(xì)砂和覆蓋層的特性及施工方法等都進(jìn)行了大量的科學(xué)研究工作，解決了關(guān)鍵性的問(wèn)題，得到了相當(dāng)高水平的成果。

關(guān)鍵詞 風(fēng)化砂 柔(塑)性混凝土防滲墻、新淤粉細(xì)砂 液化及滲透

1、二期圍堰的概況和存在問(wèn)題

二期圍堰的設(shè)計(jì)和施工是三峽工程的重大關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，它由上、下游兩座圍堰組成(見(jiàn)圖1)是三峽工程中重要的和最具有挑戰(zhàn)性建筑物之一。

上游圍堰堰頂全長(zhǎng)1440m，最大高度82.5m，運(yùn)用期長(zhǎng)達(dá)5年，實(shí)際上是一座大型土石壩工程。堰址河床有厚達(dá)10m的砂礫石層和最大厚度達(dá)18m的新淤積粉細(xì)砂層。基巖系閃云斜長(zhǎng)花崗巖，風(fēng)化殼厚達(dá)40m左右。在風(fēng)化殼內(nèi)含有一定數(shù)量未風(fēng)化的球狀塊體，直徑1～3m，它們堆積在河床復(fù)蓋層中，形成架空的塊球體夾砂層，透水性很強(qiáng)。圍堰形式最終選定為風(fēng)化砂和石碴填筑的堰體內(nèi)打混凝土防滲墻的方案，圖2為上游圍堰河槽部位典型斷面圖。

圍堰的難度是顯而易見(jiàn)的，這不僅僅是由于技術(shù)的復(fù)雜性，還因?yàn)樗闹匾裕约芭c長(zhǎng)江航運(yùn)關(guān)系等特殊的問(wèn)題。二期圍堰要負(fù)擔(dān)二期工程基坑內(nèi)安全施工和下游城鄉(xiāng)和居民安全的重任，攔蓄庫(kù)容達(dá)20億m³，一旦失事，將造成工程及下游人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，而且會(huì)嚴(yán)重推遲三峽工程進(jìn)度。

圖1 二期導(dǎo)流平面布置圖

圖2二期上游圍堰深槽斷面圖

從技術(shù)角度看，它的難點(diǎn)大致有如下幾個(gè)方面：

(1)圍堰高，工程量大，要求在一個(gè)枯水季完成，施工期短，施工強(qiáng)度大，上下游圍堰土石方填筑強(qiáng)度最大近300萬(wàn)m³/月，防滲墻約1.5萬(wàn)m³/月

(2)施工水深達(dá)60m，2/3以上的堰高位于日常水位以下，施工難度很大；

(3)堰基地質(zhì)情況復(fù)雜，覆蓋層中有較厚且疏松的粉細(xì)砂層。兩側(cè)灘地存在著殘積塊球體夾砂層，透水性強(qiáng)，防滲處理困難，河床基巖面起伏較大，專山珠基巖深槽槽深 V7m，側(cè)邊坡很陡，超過(guò)70°，給防滲墻嵌入基巖帶來(lái)很大困難；

(4)防滲土料缺乏，可利用的堰體風(fēng)化砂填料性質(zhì)較差，故堰體變形較大，防滲墻的工作條件惡劣；

(5)由于截流水深大，流量大，增加了截流難度。為此，為減小水深而采取的平拋墊底等措施，給圍堰建設(shè)帶來(lái)一些新問(wèn)題，增加了防滲墻的困難。

為解決上述幾個(gè)方面的難點(diǎn)，有多達(dá)三、四十個(gè)技術(shù)課題需要研究，，其中砂是以往國(guó)外很少遇到過(guò)的難題，這就使二期圍堰成為三峽工程中多方關(guān)注和擔(dān)心的焦點(diǎn)之—，也是對(duì)科技人員的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

總的說(shuō)來(lái)，二期圍堰的課題可以概括為下述五個(gè)方面：

(1)填料特性研究

填料包括風(fēng)化砂，石碴、風(fēng)化砂與粘性土混合料，反濾材料等，其中風(fēng)化砂在60m水深中拋填密度，將是圍堰設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題。

(2)圍堰的結(jié)構(gòu)形式研究

在復(fù)雜的地質(zhì)情況和基巖面地形起伏的條件下，在填料種類基本已定的前堤下，圍堰的結(jié)構(gòu)形式在大的方面沒(méi)有很多選擇的余地，這就是風(fēng)化砂和石渣堰體，中間設(shè)混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)，但是堰體斷面的布置。尤其是60m水下部分布置可以有很多方案，如何設(shè)計(jì)一個(gè)既安全又經(jīng)濟(jì)合理的斷面是一個(gè)十分值得研究的問(wèn)題。

(3)防滲材料的研究

由于堰體填料的性質(zhì)，可以預(yù)見(jiàn)二期圍堰的變形將較大，用什么材料建造防滲墻很值得研究，作為一個(gè)運(yùn)用期較長(zhǎng)的臨時(shí)建筑物，采用易建、易拆、有一定壽命的新材料將是合理的選擇。

(4)堰基粉細(xì)砂層和覆蓋層的特性和處理

粉細(xì)砂層是由于葛洲壩工程回水而新近沉積在堰址的，它的抗液化能力弱。滲透穩(wěn)定性和動(dòng)力強(qiáng)度以及由此引起的對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響是值得注意的。

(5)施工方法和快速施工設(shè)備研究

二期圍堰的施工有很多特點(diǎn)，如在60m水下施工，在70多米深風(fēng)化砂堰體中打防滲墻，塊球體處理等等，與此相關(guān)的課題有堰體加密措施，打防滲墻的方法和機(jī)具，塊球體夾層的防滲問(wèn)題等，至于快速施工設(shè)備，本文僅將簡(jiǎn)單提及。

2、二期圍堰關(guān)鍵技術(shù)的研究和工程實(shí)施

三峽二期圍堰的研究工作最早始于1958年，當(dāng)時(shí)提出過(guò)許多方案，并對(duì)首當(dāng)其沖的課題—60m水深下風(fēng)化砂拋填體的密度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)拋填試驗(yàn)。80年代以來(lái)，對(duì)二期圍堰方案進(jìn)行過(guò)重點(diǎn)研究，并先后與美、加、意等國(guó)進(jìn)行過(guò)合作與咨詢。1958年結(jié)合三峽工程論證提出過(guò)三個(gè)對(duì)比方案。1987年開(kāi)始的“七五”攻關(guān)和1992年正式起動(dòng)的“八五”攻關(guān)是對(duì)二期圍堰進(jìn)行深入研究的主要階段。該兩次攻關(guān)研究，基本上解決了所存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并分別為初步設(shè)計(jì)和單項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)提供了主要技術(shù)依據(jù)和有關(guān)參數(shù)，使二期圍堰的方案得以成立。在其后，當(dāng)圍堰進(jìn)入實(shí)施階段，結(jié)合實(shí)際條件的變化，又進(jìn)行了補(bǔ)充研究和施工科研工作，使圍堰建設(shè)方案更趨完善。

二期圍堰于1996年11月開(kāi)始預(yù)進(jìn)占段的填筑，1997年11月大江截流，12月底上游圍堰填筑到73m高程的防滲墻施工平臺(tái)，1998年4月20日上游第一道防滲墻封閉，6月30日上游第二道防滲墻完建，其間5月20日，上游圍堰渡汛子堰達(dá)83.5m高程，可以抵擋20年一遇洪水。1998年9月15日上游圍堰全線達(dá)到88.5m設(shè)計(jì)高程。下游圍堰也于8月15日達(dá)到設(shè)計(jì)高程81.5m。圍堰內(nèi)基坑抽水自1998年6月下旬開(kāi)始，當(dāng)時(shí)上游圍堰第二道防滲墻尚在施工。7月下旬，坑抽水至40m高程79月15日基坑抽干。1998年10月，圍堰完建。

圍堰在1998年汛期經(jīng)受了長(zhǎng)江8次洪峰的考驗(yàn)，最大流量達(dá)61000m³/s，相應(yīng)圍堰上游最高水位為77.8m，圍堰工作正常。在圍堰完建并基坑抽干后，發(fā)現(xiàn)漏水量很小，僅501/s左右，為設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)漏水量的l/l0，說(shuō)明圍堰質(zhì)量?jī)?yōu)良。

從1985年開(kāi)始至1999年，二期圍堰在長(zhǎng)達(dá)1；年的研究歷程中，有許多經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)是值得回顧和總結(jié)的。

3、圍堰設(shè)計(jì)中“柔”的指導(dǎo)思想

三峽二期圍堰設(shè)計(jì)是一種新的探索，以往土壩和圍堰建設(shè)中很少遇到類似的建壩條件。如填料必然是風(fēng)化砂的石碴廢料，在60m水深中拋填施工，由于缺乏粘性土料，防滲結(jié)構(gòu)需采用混凝土或其他人工材料等。

1959年為研究風(fēng)化砂水下拋填密度，在壩址右岸石板溪攔溝蓄水，進(jìn)行了6.0m水深下人工挑土的現(xiàn)場(chǎng)拋填試驗(yàn)，所得的干密度很低，僅1.40 1.45g/cm³，按此計(jì)算混凝土防滲墻頂部的水平位移達(dá)1.2m左右，墻的應(yīng)力應(yīng)變的狀況不佳，設(shè)計(jì)方案難以過(guò)關(guān)。在80年代由于該問(wèn)題的存在，圍堰方案的研究困惑多年，難以取得有意義的進(jìn)展。“七五”攻關(guān)后期，長(zhǎng)科院建議用離心模型試驗(yàn)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)難題，取得了良好的近似值，該值后來(lái)又進(jìn)一步為一期圍堰的實(shí)踐所驗(yàn)證，按此確定的干密度達(dá)1.67～1.75g/cm³，大大高于6m水深下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值，此項(xiàng)成果為初步設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

進(jìn)入九十年代以來(lái)，二期圍堰的方案是圍繞“五個(gè)因素十個(gè)字”的分析比選而進(jìn)行的，這就是“剛?cè)帷保皢坞p”，“高低”，“厚薄”和“先后”。

所謂“剛?cè)帷保褪菈w材料是選用剛性混凝土還是柔性混凝土材料?這是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。所謂“單雙”就是圍堰的深槽段防滲墻高近80m，該段圍堰是采用單道墻，抑或雙道墻? 所謂“高低”就是防滲墻是全部采用混凝土墻，還是墻上部接土工合成材料防滲，以降低墻的高度?前者即為“高墻”，后者則為“低墻”，所謂“厚薄”是指墻厚多少才能滿足應(yīng)力應(yīng)變的要求。“先后”是指在雙墻方案中上游第一道墻是先打還是后打?因?yàn)樵搯?wèn)題涉及圍堰的加荷路徑問(wèn)題，對(duì)墻體的位移和應(yīng)變狀況會(huì)有很大的影響。同時(shí)該問(wèn)題也涉及兩墻間的水位控制問(wèn)題。

上述幾個(gè)因素的研究成為“八五”攻關(guān)的主要內(nèi)容，也是技術(shù)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，所需用的技術(shù)手段是有限元計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，以及與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的互相驗(yàn)證，研究條件力求與施工一致，并以施工實(shí)況為依據(jù)進(jìn)行追蹤分析或反潰分析，因此研究的針對(duì)性和真實(shí)性都是很強(qiáng)的。

二期圍堰所選用的混凝土防滲墻形式，本來(lái)在我國(guó)已有很多的經(jīng)驗(yàn)，但是松散的堰體和超深的防滲墻等特點(diǎn)使問(wèn)題變得復(fù)雜起來(lái)。應(yīng)力應(yīng)變有限元分析的成果表明，墻體下端部分區(qū)域應(yīng)力水平超過(guò)1.0，且上下游貫穿(如圖3陰影區(qū))，這樣安全性就難以保證。為此曾從幾個(gè)方面考慮改善的措施：

(1)設(shè)法加密堰體。為此在壩址現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了振沖法和爆振(爆夯)法加密風(fēng)化砂填筑體的試驗(yàn)，均獲得了肯定的結(jié)果。據(jù)測(cè)定。兩者加固后的相對(duì)密度可達(dá)0.70以上。但是施工中專門增加一道堰體加密工序、將會(huì)占用直線工期，在如此緊張的施工強(qiáng)度下是否允許?

圖3高雙墻方案破壞單元位置及應(yīng)力

(允許抗壓15MPa，抗拉l.5MPa)

(2)增加墻體材料的剛度和強(qiáng)度，以“固體強(qiáng)身”來(lái)抵抗大的應(yīng)力和變形，降低應(yīng)力水平。這種思路有一定效果，墻體內(nèi)的應(yīng)力狀況確有一定的改善，方案也可大致成立。個(gè)別部位過(guò)高的應(yīng)力水平(墻下端附近10m)可以通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)措施(如加鋼筋籠等)解決。鑒此上游圍堰防滲墻建議采用雙、高、剛墻方案。這是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和研究中的主導(dǎo)思想。雖然當(dāng)時(shí)也在進(jìn)行塑性混凝土墻的計(jì)算分析和柔性墻材料的研究，但是發(fā)現(xiàn)，由于它的彈模的降低還不如它的強(qiáng)度降低更快，因此應(yīng)力水平達(dá)到1.0的塑性區(qū)范圍不僅沒(méi)有減小，反而增大了這樣塑性墻方案看來(lái)也沒(méi)有解決問(wèn)題，因此，在當(dāng)時(shí)，柔性材料的研究還沒(méi)有放在主導(dǎo)地位加以研究。高剛墻方案仍是設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想。

然而，高剛墻的方案仍遺留下許多問(wèn)題，如高標(biāo)號(hào)的混凝土(要求彈模大于2.2×104 MPa)在防滲墻施工中能否達(dá)到?墻下部加鋼筋籠在施工中是否現(xiàn)實(shí)?特別值得提出的是在當(dāng)時(shí)還有一個(gè)很重要的概念在計(jì)算中逐漸被認(rèn)識(shí)到了，這就是防滲墻的水平位移其實(shí)主要決定于堰體的變形，單純地增大材料的剛度與強(qiáng)度，對(duì)減小墻體的變形作用甚微，如表l所示。既然如此，不如干脆采用柔性的墻材以增加其適應(yīng)變形的能力，減輕人們對(duì)墻體因剛性過(guò)大而裂開(kāi)的顧慮。與此同時(shí)墻體的應(yīng)力也將大幅度地降低，如圖4所示，但重要的是，柔性墻材的性能必須進(jìn)一步改善，其關(guān)鍵是研制一種“高強(qiáng)低彈”的柔性材料，以降低墻體底部的應(yīng)力水平。這樣，二期圍堰的方案就轉(zhuǎn)到以“柔”為主的思想上來(lái)，“柔”性混凝土材料的研究也就成為矛盾的焦點(diǎn)之一。為此在“八五”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)秀的成果。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)28天的抗壓強(qiáng)度日R28 =4MPa和初始模量E＜1000MPa時(shí)，墻內(nèi)的應(yīng)力水平基本上可以在允許范圍內(nèi)，應(yīng)力值較低，剪應(yīng)變和拉應(yīng)變也小于允許值，對(duì)于這種材料，標(biāo)志其“高強(qiáng)低彈”。性能的“模強(qiáng)比”指標(biāo)在250以內(nèi)，這個(gè)指標(biāo)值與國(guó)際上的同類材料相比，也是比較先進(jìn)的。

1995年底，當(dāng)“八五”攻關(guān)結(jié)束時(shí)，符合上述要求的風(fēng)化砂柔性材料和塑性混凝土已研制出來(lái)，經(jīng)在一期圍堰工程中使用及以后的二期圍堰灘地部分使用，施工性能良好，造價(jià)比常態(tài)混凝土低廉，很受施工單位的歡迎。只要在澆筑現(xiàn)場(chǎng)對(duì)配合比根據(jù)來(lái)料情況加以適當(dāng)調(diào)整，其質(zhì)量可以保證，容易達(dá)到規(guī)定的要求。

因此，“柔”的思路是適合二期圍堰特點(diǎn)的。可以認(rèn)為，由“剛”的思路到“柔”的思路，是二期圍堰建設(shè)中的一個(gè)跨越，對(duì)于二期圍堰的成功和優(yōu)化，起了重要的作用，這是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)10年歷程，從研究的實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。

二期圍堰“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1.0m厚的防滲墻是否過(guò)于單薄有些顧慮，當(dāng)時(shí)有二種措施可以考慮，一是緊貼墻的背水面增加一道高噴墻但它較為：剛”性，另一是繼續(xù)走“柔”的思路，適當(dāng)加厚“柔”性防滲墻以增加其安全度。前一措施將會(huì)改變防滲墻“柔”的特點(diǎn)，而且施工中也會(huì)帶來(lái)一定的副作用。因此，經(jīng)過(guò)研究設(shè)計(jì)決定采用后一措施，該項(xiàng)措施還具有省工省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了下游圍堰按時(shí)順利地建成。

圖4柔、剛性墻方案的墻體應(yīng)力分布

（墻厚1.0，水頭1/2～1/3）

應(yīng)當(dāng)指出，二期圍堰建設(shè)中“柔”的思路是基于堰體密實(shí)度不高，堰體變形較大而產(chǎn)生的。若施工中有可能加大堰體的密度，即使部分堰體的密度(如墻兩側(cè)部位)，則也應(yīng)予力爭(zhēng)。以便減輕墻體的負(fù)擔(dān)，實(shí)際施工中確實(shí)進(jìn)行了堰體的局部振沖加密，它將有助于減小圍堰的水平變形，使圍堰更加安全。同時(shí)，它還可以減小防滲墻鉆孔成槽過(guò)程中坍孔的可能性。

4、二期圍堰建設(shè)中的科學(xué)研究

前已敘及，二期圍堰的兩次國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)，以及施工階段的科研工作，均取得了重大成果，為初步設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)及施工中某些技術(shù)問(wèn)題的解決奠定了基礎(chǔ)，其意義和價(jià)值是很大的。在二期圍堰施工過(guò)程中，各項(xiàng)科研工作始終沒(méi)有停止，而且緊密結(jié)合設(shè)計(jì)和施工的新情況，不斷地進(jìn)行跟蹤研究，為工程的決策和優(yōu)化提供新的依據(jù)，在這里，“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的論斷得到了充分體現(xiàn)。

下面簡(jiǎn)單介紹主要課題的研究情況及其意義。

4.1填料性能研究

4.1.1風(fēng)化砂和石碴混合料的特性

風(fēng)化砂是工程開(kāi)挖出來(lái)的廢料，用于圍堰填筑不僅就地取材造價(jià)低薄，而廢物利用有利環(huán)保，故具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但以往對(duì)風(fēng)化砂研究很少，對(duì)它的力學(xué)特性和壓實(shí)性質(zhì)知之不多，尤其是顆粒的易碎和不穩(wěn)定性將會(huì)給長(zhǎng)期運(yùn)用帶來(lái)什么影響值得關(guān)注。根據(jù)物理性質(zhì)和強(qiáng)度、壓縮性、滲透性和滲透穩(wěn)定性以及壓實(shí)性等項(xiàng)試驗(yàn)研究，表明風(fēng)化砂和石碴以及它們的混合料均可作為圍堰填料，其長(zhǎng)期性能也變化不大，多種力學(xué)性試驗(yàn)為圍堰的應(yīng)力應(yīng)變分析提供了必要的參數(shù)。

4.1.2粗粒料的大型試驗(yàn)

風(fēng)化砂和石碴中含有許多粗顆粒，有的粒徑很大，為此需配備大尺寸試樣的儀器。為二期圍堰試驗(yàn)而研制的儀器包括：大型三軸儀(0cm和30cm)，大型擊實(shí)儀(50cm)，大型滲壓固結(jié)儀(疊環(huán)式，環(huán)間有彈性橡膠圈，試樣直徑50cm，高100cm，可以進(jìn)行壓縮和滲透試驗(yàn))和大型平面應(yīng)變剪切儀。后者是一種新的試驗(yàn)設(shè)備，它的受力情況更接近堤壩的實(shí)際工作狀態(tài)，因此所取得的強(qiáng)度特性更真實(shí)。試樣尺寸有兩種，各為40×40×20cm和80×80×40cm，在國(guó)內(nèi)尚屬首創(chuàng)，在國(guó)際上同樣的規(guī)模也僅有兩臺(tái)。這儀器所做的試驗(yàn)為設(shè)計(jì)提供了更為合理可靠的參數(shù)。

4.1.3風(fēng)化砂顆粒的破碎特性及其力學(xué)性質(zhì)

由于圍堰較高，應(yīng)力較大。而風(fēng)化砂顆粒比較軟弱，當(dāng)經(jīng)受壓力和剪力時(shí)易破碎，從而影響力學(xué)特性。顆粒破碎與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系在土力學(xué)中是一個(gè)新課題，這不僅對(duì)三峽工程有價(jià)值，而且在當(dāng)前面板堆石壩風(fēng)行的潮流下也具有普遍的意義。研究表明，風(fēng)化砂的剪切破碎率達(dá)20％以上，破碎分量可以看作一個(gè)強(qiáng)度分量，它與剪脹強(qiáng)度分量存在著互為消長(zhǎng)的關(guān)系。研究中改進(jìn)了Lowe的能比方程，使該公式中包含破碎分量項(xiàng)。這樣就加深了對(duì)粗顆粒材料強(qiáng)度特性的認(rèn)識(shí)，使有關(guān)參數(shù)更具有充分的依據(jù)。

4.1.4水下拋填風(fēng)化砂的密度和坡角的研究

前已強(qiáng)調(diào)，風(fēng)化砂拋填體的密度研究是一個(gè)十分重要的而又困難的問(wèn)題，采用離心模擬技術(shù)解決這個(gè)問(wèn)題屬于首創(chuàng)，國(guó)內(nèi)外從未進(jìn)行過(guò)。它的方法簡(jiǎn)便，化錢很少，而成果比較合理，據(jù)此提供的風(fēng)化砂密度和水下穩(wěn)定坡角、可以大大簡(jiǎn)化圍堰斷面結(jié)構(gòu)和工程量，使風(fēng)化砂體的坡度由1：3改陡為1：2。該項(xiàng)成果具有很高的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

4.2二期圍堰的型式研究和優(yōu)化

4.2.1圍堰的應(yīng)力應(yīng)變有限元分析

該項(xiàng)課題是一個(gè)重點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15年，投入的人力最多，國(guó)內(nèi)先后有15個(gè)單位50多位專家參與，圍堰建設(shè)中許多問(wèn)題都是通過(guò)計(jì)算分析的對(duì)比而作出的決策和進(jìn)行優(yōu)化的，一般說(shuō)來(lái)在巖土工程中，數(shù)值分析成果的精度是有限的，但在三峽二期圍堰的數(shù)值分析中，不論是數(shù)學(xué)模型(非線性模型和彈塑性模型共八種)、計(jì)算方法和技巧、參數(shù)、設(shè)計(jì)方案和工況的確定等都經(jīng)過(guò)認(rèn)真的考慮、比較和不斷完善，因此計(jì)算條件比較真實(shí)，成果的精度也較高，達(dá)到了“準(zhǔn)確的定性，粗略的定量”的目的，成為設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，可以說(shuō)對(duì)于一個(gè)土工建筑物進(jìn)行如此大規(guī)模的數(shù)值分析，在國(guó)內(nèi)外都是少有的，其成果的實(shí)用程度在巖土領(lǐng)域也是很難得的，它將有助于增加人們對(duì)工程中數(shù)值分析的信心。

4.2.2圍堰結(jié)構(gòu)的離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證

這是一個(gè)新技術(shù)應(yīng)用于壩體建設(shè)的一次嘗試。試驗(yàn)的模型尺寸比較大，比尺為160。對(duì)防滲墻的模擬作過(guò)比較多的研究，選用了好幾種材料進(jìn)行比較。根據(jù)試驗(yàn)獲得了全斷面的位移場(chǎng)和某些部位的應(yīng)力值，成果還與有限元分析作了比較。

4.2.3滲流分析和防滲體系的優(yōu)化

滲透分析中首先進(jìn)行了飽和狀態(tài)下三維穩(wěn)定滲流有限元分析。研究表明，防滲墻深入弱風(fēng)化層的深度對(duì)圍堰的滲流起控制作用，滲流的不安全區(qū)主要集中在河床深槽部位，但總的滲漏量都不很大。其后，又進(jìn)行了三維非穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算；飽和-非飽和條件的滲流分析；針對(duì)不同的施工運(yùn)行狀態(tài)和防滲方案的模擬計(jì)算和優(yōu)化分析；以及防滲墻有缺陷情況下的危害性研究。在施工階段，還針對(duì)截流時(shí)的平拋墊底，沒(méi)有反濾的情況，進(jìn)行了圍堰滲透穩(wěn)定性的研究。除此外，還根據(jù)堰基地質(zhì)資料進(jìn)行了地質(zhì)剖面的概率分析，由此確定了弱風(fēng)化層的底板線，并進(jìn)而計(jì)算了通過(guò)基巖的滲流量，這也是一個(gè)新的探索。

4.3防治新材料的研究

防滲新材料是指常態(tài)混凝土以外的材料包括風(fēng)化砂柔性材料、石屑粉塑性混凝土以及土工膜等。此外還曾研究過(guò)乳化瀝青和瀝青混凝土等。

4.3.1風(fēng)化砂柔性材料

這種材料是以風(fēng)化砂、水泥、粘土(或膨潤(rùn)土)為主要原材料，摻合一定的添加劑配成的，該項(xiàng)研究也持續(xù)10來(lái)年，初期進(jìn)行了幾百組的室內(nèi)配比試驗(yàn)，然后在三個(gè)工程中加以應(yīng)用。“八五”攻關(guān)時(shí)，又在以往的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了新一輪的研究。在配方研究中采用了先進(jìn)的均勻設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行了“3因素10水平”的配比優(yōu)選試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了原材料含量與力學(xué)指標(biāo)關(guān)系的ANN模型，并繪成圖諾，可以任意選定原材料的配方。此研究成果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的十分成功，達(dá)到施工方便，造價(jià)低廉、質(zhì)量滿足要求，其模強(qiáng)比達(dá)到200—250范圍內(nèi)，在國(guó)際上都是很先進(jìn)的，這個(gè)材料的特性接近土的特性，其破壞標(biāo)準(zhǔn)采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，以應(yīng)力水平作為判別其破壞的指標(biāo)，本項(xiàng)研究成果具有重要的實(shí)用價(jià)值和一定的理論意義。

4.3.2塑性混凝土

塑性混凝土用于二期圍堰的深槽部位，其原因本來(lái)是擔(dān)心風(fēng)化砂柔性材料的性能達(dá)不到工程的要求。塑性混凝土最初研究選用的原材料除水泥，粘土外還有砂(河砂及人工砂)、砂礫及少量添加劑，以后由于河砂原料不足而采用制造人工骨料時(shí)所產(chǎn)生的石屑粉廢料，它也具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。塑性混凝土的力學(xué)性質(zhì)接近風(fēng)化砂柔性材料，在工程中也應(yīng)用得很好。

4.3.3復(fù)合土工膜

圍堰防滲是土工膜應(yīng)用的合適場(chǎng)所，它的防滲性好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工簡(jiǎn)便，折除容易，又不存在老化問(wèn)題。在“八五”攻關(guān)期間的研究表明，復(fù)合土工膜(二布一膜)的性能并不是土工膜和無(wú)紡布的簡(jiǎn)單疊加，而是更優(yōu)一些。研究中對(duì)它的設(shè)計(jì)方法也提出了新的建議。二期圍堰共使用復(fù)合土工膜約6萬(wàn)m 2，均是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

4.4堰基粉細(xì)砂層動(dòng)力特性研究和處理

4.4.1新淤粉細(xì)砂層的液化研究

堰基新淤粉細(xì)砂層粒徑細(xì)而均勻，不均勻系數(shù)為1.55～5.00，粒徑為0.035～0.21mm，密度較低，是一種動(dòng)力穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性較差的土。二期圍堰由于運(yùn)用期較長(zhǎng)(5年)，因此須考慮地震作用下的性能。本項(xiàng)課題用多種方法進(jìn)行了淤砂的動(dòng)力性能試驗(yàn)和液化判別，并在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了淤砂層的波速，確定了臨界剪切波速值，研究表明，在一定深度(5～10m)以上的淺層，存在著七度地震下液化的可能性，同時(shí)其動(dòng)力強(qiáng)度值也低于靜力強(qiáng)度值。滲流試驗(yàn)表明，淤砂的水平允許滲透比降為0.22～0.27，抗沖流速僅為0.07 1.13m/s.說(shuō)明其抗沖能力和滲透穩(wěn)定性均較差，因此要采取一定的工程措施。

4.4.2圍堰的地震穩(wěn)定性

圍堰的地震穩(wěn)定性問(wèn)題可能由堰基新淤砂和堰體風(fēng)化砂而引起，因此對(duì)兩種土在地震荷載下的動(dòng)力強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并進(jìn)而對(duì)圍堰進(jìn)行了動(dòng)力穩(wěn)定分析。研究表明，由于新淤砂的高液化度使經(jīng)過(guò)淤砂層的深層滑動(dòng)面安全系數(shù)最小；僅為1.05和0.95(二個(gè)滑動(dòng)面)。而風(fēng)化砂本身的地震動(dòng)力反應(yīng)不大，對(duì)工程沒(méi)有很大的影響。

此外，研究中還用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度理論進(jìn)行風(fēng)化砂與新淤砂的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，按穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了核算圍堰的上游坡不穩(wěn)定，主要出現(xiàn)在上覆壓力較小和無(wú)蓋重淤砂層內(nèi)，與前面的結(jié)論一致。

如何對(duì)待淤砂層曾有過(guò)不同的考慮，采用硬性挖除的辦法可能比較徹底，但是很困難，而且可能回淤，不易清理干凈，反之對(duì)其不加處理，直接在淤砂上面建圍堰(如圖5)也是很危險(xiǎn)的。為此應(yīng)當(dāng)研究恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧@大概也是一種“剛”與“柔”之別吧。

為此建議工程措施：一是增大圍堰上游坡壓重的范圍，厚度不小于10m；二是下游新淤砂出露處用土工布反濾層圍封；三是在下淤新淤砂層上增加一定的壓重，厚度不小于10m(如圖6)。

圖5 不恰當(dāng)?shù)挠偕硨犹幚矸椒?/p>

圖6 恰當(dāng)?shù)挠偕硨犹幚矸椒?/p>

4.4.3爆振荷載下圍堰穩(wěn)定性研究

基坑瀑破開(kāi)挖會(huì)引起頻繁和強(qiáng)烈振動(dòng)，它對(duì)新淤砂的影響如何，是否危及堰體穩(wěn)定，為此進(jìn)行了專門研究，這是一個(gè)前人沒(méi)有涉及過(guò)的新課題，研究工作從試驗(yàn)方法、專門儀器研制、計(jì)算方法研究、現(xiàn)場(chǎng)爆炸振波加速度的測(cè)定以及建筑物穩(wěn)定性分析方法等，工作難度很大，是一個(gè)開(kāi)拓性的工作。

由于爆振荷載屬于沖擊型荷載，頻度雖高，幅值雖大，但持續(xù)時(shí)間很短，頻譜較單一，衰減快，振源淺，故影響范圍不大，其破壞性不如地震大。根據(jù)爆振穩(wěn)定性有限元分析表明，動(dòng)應(yīng)力在總應(yīng)力中所占的比重很小，不會(huì)對(duì)圍堰穩(wěn)定性造成很大影響，只要對(duì)爆破的能量加以一定控制，并且不直接在粉細(xì)砂層內(nèi)施爆，則不會(huì)危及圍堰的安全。

4.5施工方法和施工機(jī)具研究

4.5.1加密風(fēng)化砂堰體的研究

①振沖法加密的現(xiàn)場(chǎng)研究：1988年和1989年兩次在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過(guò)振沖法加密風(fēng)化砂堰體的研究。成果表明，采用30Kw等不同功率的振沖器，振后的風(fēng)化砂相對(duì)密度0，可達(dá)0.70以上，若采用多個(gè)振沖器組合形式施工還可提高工效。

②爆振法的加密研究，曾采用室內(nèi)鋼罐和在室外填土場(chǎng)上進(jìn)行試驗(yàn)，爆后的D ＞0.7，干密度在1.7～ 1.8g/cm³左右，振后砂面平均沉降率一般在4.5％～6.7％之間。

上述兩種方法均可滿足加密的要求。

4.5.2快速造孔設(shè)備研究

本項(xiàng)研究的內(nèi)容包括：①?zèng)_擊反循環(huán)鉆機(jī)CF—1型改制與鉆孔施工試驗(yàn)；②泥漿回收技術(shù)；②控制鉆孔鉛直度技術(shù)，要求控制偏斜在0.2％左右；④雙輪滾銑挖槽機(jī)的可能性研究和鉆頭設(shè)計(jì)。該雙輪銑挖槽機(jī)后來(lái)由外國(guó)直接進(jìn)口，其工效很高，主要在河床深槽段的部分部位使用。

5、結(jié)語(yǔ)

多年來(lái)，二期圍堰的建設(shè)一直是有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)主和建設(shè)各方擔(dān)心的一座建筑物。該項(xiàng)工程必須成功，但又存在許多未知因素，心中不是很有底。為此工程施工前的多項(xiàng)試驗(yàn)研究工作得到各方面的高度重視和支持，所有參加研究的人員均以謹(jǐn)慎、認(rèn)真、科學(xué)和細(xì)致的作風(fēng)兢兢業(yè)業(yè)的工作，每一個(gè)問(wèn)題往往需要反復(fù)論證和探索才得出結(jié)論，而且采用幾家共同研究一個(gè)問(wèn)題的做法，以求成果更客觀可靠。目前二期圍堰已按時(shí)建成，1998年的洪水考驗(yàn)運(yùn)行情況正常，大家都比較滿意。這個(gè)結(jié)果是來(lái)之不易的。在這過(guò)程中的些體會(huì)是值得提出來(lái)總結(jié)的。

二期圍堰的關(guān)鍵問(wèn)題所以得以解決，重要的是仰仗大量的科學(xué)研究工作。這些科研工作針對(duì)圍堰存在的問(wèn)題而進(jìn)行，采用國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)以及新方法、新材料和新工藝，并在應(yīng)用中發(fā)展了這些新技術(shù)，達(dá)到事半功倍的效果。研究的水平是比較高的這樣就不僅解決了技術(shù)難題，而且還加快了工程進(jìn)度，節(jié)約了投資，據(jù)粗略估計(jì)，科研花費(fèi)的資金僅及經(jīng)濟(jì)效益的百分之幾，充分體現(xiàn)了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的”的論斷。

本項(xiàng)研究所采用的技術(shù)路線正確。既按照施工特點(diǎn)。按排進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，也“重視加數(shù)模量計(jì)算、模擬試驗(yàn)等多種手段進(jìn)行綜合研究”(87)國(guó)科工字013號(hào)文)。研究計(jì)劃是嚴(yán)密的，組織工作是細(xì)致和周到的。國(guó)內(nèi)許多高水平的專家都被邀請(qǐng)參加研究，人數(shù)近百人，歷時(shí)15年。大家懷著為三峽工程作貢獻(xiàn)的榮譽(yù)感和緊迫感不計(jì)報(bào)酬，不顧辛勞，在這樣一個(gè)臨時(shí)的研究集體中和諧地工作，為三峽建設(shè)作出了各自的貢獻(xiàn)。

本項(xiàng)研究在業(yè)主三峽工程開(kāi)發(fā)總公司的領(lǐng)導(dǎo)下長(zhǎng)江委長(zhǎng)江科學(xué)院與設(shè)計(jì)部門一起主持和實(shí)施這項(xiàng)大型研究工程，其間并由施工部門和國(guó)內(nèi)許多權(quán)威單位參予，因此研究成果實(shí)用性強(qiáng)，得以迅速在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工之中應(yīng)用，很快轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，這樣的科研成果利用率在一般大型工程建設(shè)中是不多見(jiàn)的，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前科研體制改革或許也有參考意義。