包承綱，李 玫

（長江科學院，湖北 武漢 430010）

60 m水深中拋填土體的密度怎么測？當然依托現在的高科技辦法還是很多的，算不上是個難題，近年發(fā)展的深潛器已達萬米海底，60 m水深還不是小菜一碟？但當時是上世紀 80年代初，而且要測的是上百萬方風化砂拋填土體的整體密度，不是派潛水員去取個樣，或水下鉆機打個孔可以解決的。這樣的數據該怎么測呢？這是 1984年三峽樞紐工程設計中二期上游圍堰工程要求解決的第一個難題。

二期上游圍堰是三峽樞紐土建工程中最具挑戰(zhàn)性的兩個工程之一（另一個是永久船閘170 m高的高邊坡穩(wěn)定和變形問題）。早在1958年，當三峽工程第一次被提到國家議事日程時，這個工程就立即被一些專家和有關領導關注到了。因此，1958年我國國家科委下達的三峽科研計劃中，將二期圍堰的有關研究作為一項任務列出。長科院和北京水科院（中國水科院前身）承擔此項研究任務。當時在華的蘇聯專家魯巴契科夫和中國專家赴工地考察后建議，在工地進行現場試驗，其中主要任務之一就是確定花崗巖風化砂水下拋填體的密度和坡角，因為這是圍堰設計首先需要、而且是最基本的參數，缺乏這個數據，設計工作將無法進行。

1958年11月，在工程現場石板溪開挖和建成了一條矩形試驗水槽，槽深6 m，寬2 m，長20 m。在槽內拋填風化砂和其他填料，形成梯形斷面，并布置取樣點，以備測試。試驗的目的按國家科委的文件是：“了解拋填風化砂的分散和分選；拋填料的密度及滲透系數；拋填形成的自然坡角及穩(wěn)定坡角；風化砂拋填在砂卵石基礎上的管涌問題；拋填后風化砂土的固結問題；試驗斷面的浸潤線觀測；拋填料的抗剪強度和壓縮性；圍堰斷面型式探討等”。

試驗內容和工作量都十分龐大且有難度。長科院耗費了巨大的人力和物力執(zhí)行這項任務，用人工挑土倒入6 m水中，形成堆體，測其密度和坡角，時間持續(xù)近2年。但可惜因當地一場暴雨使試驗設施盡毀，試驗被迫中止，許多試驗都未能進行，僅獲得了少量6 m水深下拋填密度的資料，堆體比較疏松，測得其干密度僅為 1.40～1.55 g/cm3，平均1.45 g/cm3。按此密度設計，圍堰原設計方案根本不能成立。當時我們也感到，6 m水深的成果恐代表不了60 m水深的情況，但何處才能找到60 m水深的資料呢？首先，國內尚無如此深的水下拋填土密度的經驗，國際上曾有的最深數據也只有 30～40 m，而且也不是花崗巖風化砂的資料。這個難題曾困惑了我們很長時間，設計工作也無法順利進行。但這是一個科研問題，為設計提出真實可靠的參數是我們研究者責無旁貸的責任，所以壓力很大。

1983年，長科院建成國內第一臺大型離心機，其容量達300 Gt，有效容量達180 Gt，設計最高離心加速度為 300 g。這臺離心機本就是為三峽工程而研制的，是 1958年在長辦的蘇聯專家建議建造的，他們共同參與了研制工作。但不久，蘇聯撤回了全部在華專家，帶走了有關圖紙，離心機研制工作也被迫中止。直到 80年代，我院的有關專家摸索試探，終于在十分困難的條件下制成了我國第一臺大型離心機，為工程建設提供了一個先進的工具。我院所有相關課題的研究生無不運用這臺離心機完成他們的研究論文。面對深水拋填密度的難題，我們也不由得想到求助于這個先進武器。但國內、國際從未有人嘗試過這種方法，能否成功難以預料。我們籌劃了一個大致的方案，就是離心機在100 g轉動的條件下，在60 cm水深的水箱中把風化砂拋下去，穩(wěn)定后，測求其密度和坡角。

這個方案在原理上是成立的，但具體如何實施仍有許多問題要解決。我們把這個任務交由長科院李玫，單仁玕兩位工程師負責。這兩位不負眾望，夜以繼日地動腦筋想辦法。她們設計了兩種方案：靜態(tài)方案和動態(tài)方案。所謂“靜態(tài)方案”即在60 cm水深的模型箱中將風化砂拋入，開動離心機轉至100 g，穩(wěn)定后停機。測其密度。這種方法簡單，但不能完全模擬真實的拋填情況。所謂“動態(tài)方案”即在離心機穩(wěn)定運轉100 g的動態(tài)條件下，將風化砂拋下去，觀測風化砂的表面位置，測求其密度，然后停止運轉后再復核其密度，兩者差別不太。這樣得到的密度比較真實，但如何在離心機達到100 g加速度時打開斗門把沙子拋下去是個難題。當時80年代初，自動控制技術還十分稀有。于是她們絞盡腦汁想出一個巧妙的方法，即找到一種強度不高的金屬絲，計算好在承受離心機100 g的拉力條件下，它會自動斷裂，用它來捆扎料斗的口門。這樣就可能在100 g動態(tài)條件下將材料拋下去，得到比較真實的60 m水下拋填土的密度。上天不負有心人，試驗成功了，且結果比較規(guī)律。圖1為其主要成果。

圖1 拋填土體密度與水深及拋填料級配P5的關系Fig. 1 Relationship between density of the dumped fill soil and water depth and grading P5 of the dumped fill

試驗成果給出的一些規(guī)律使我們眼睛一亮。試驗表明，（1）拋填密度與水深關系極大，兩者幾乎呈正比關系。（2）靜態(tài)試驗的干密度試驗值在1.73～1.83 g/cm3之間，平均為1.75 g/cm3，若風化砂中粗粒含量（＞5 mm）超過61%，則干密度可達1.82 g/cm3。表明密度與拋填料的級配密切相關。（3）動態(tài)試驗成果更大，一般比靜態(tài)的成果大約0.05 g/cm3。（4）水下坡角約在27°左右。這些成果從根本上改變了人們原來的認知，尤其是拋填密度與水深成正比的結論具有重大的理論意義與實際價值，以后遇到再大的水深也就不會成為難題了。根據上述成果并考慮一定的安全度，我們建議60 m水深中的風化砂平均拋填密度可按 1.75 g/cm3設計。由原來的1.45 g/cm3提高到1.75 g/cm3，對翹首以盼的設計人員更是極大地增加了他們的信心，設計上的第一個攔路虎算是清除了。但這是一種新的方法，世界上還沒人這么做過，是否合適作為工程設計參數還需“三峽工程技術委員會圍堰專家組”的審查與認可。為此三峽公司召開了專門會議討論此事，專家們一致通過這個參數，并給予很高評價。但問題并未到此結束，為了慎重，我們又計劃在將要施工的一期圍堰拋填土施工上進行驗證。一期圍堰的施工水深要淺得多，只有 30多米，但這是個實際工程，可以為二期圍堰拋填土的密度提供佐證。一期圍堰于1993年10月施工，次年汛期擋水，1996年底拆除，在該圍堰上有意識地安排了若干測試項目。結果表明，水下拋填部分的風化砂，水面以下隨深度增加密度也增加，干密度為1.66～1.92 g/cm3，平均為1.81 g/cm3，與離心模型試驗結果相當符合。

二期圍堰高近90 m，從1994年開始施工，至1998年汛期擋水，其中經歷的困難和考驗不是一個二個，尤以1998年8次大洪水突然襲擊正在施工的未完成的圍堰最為嚴峻。但都安全地扛過來了，潘家錚院士（三峽工程技術委員會主任）事后激動地說“1998年8次長江特大洪水就迎面撲來，這座水上長城（指二期圍堰-筆者）不僅固若金湯，而且?guī)缀醯嗡宦L江這次是真的服輸了”（潘家錚：春夢秋云錄）。

二期圍堰在運用幾年后于2002年1月拆除至高程57 m。在拆除現場又安排了取樣和測試工作。進行了灌砂法密度測試（65組），標準貫入試驗和動探試驗（總進尺200 m）。據測定，風化砂密度可達1.84～2.18 g/cm3，平均2.00 g/cm3。與剛建成時相比，密度增加約30%。標準貫入試驗的53個點位中平均擊數為33擊，比施工時增大27%。這些成果都驗證了原來離心模型實驗成果的合理性。

三峽二期圍堰雖不是一個永久性工程，但它對工程的重要性是不言而喻的，而其技術難度更是具有挑戰(zhàn)性。采用許多新技術解決了工程中曾經遇到的一系列難題，既有益于工程建設，也有利于學科發(fā)展。上面就是一個典型例子。