60 m水深中抛填土体的密度怎么测

包承纲，李 玫

（长江科学院，湖北 武汉 430010）

60 m水深中抛填土体的密度怎么测？当然依托现在的高科技办法还是很多的，算不上是个难题，近年发展的深潜器已达万米海底，60 m水深还不是小菜一碟？但当时是上世纪 80年代初，而且要测的是上百万方风化砂抛填土体的整体密度，不是派潜水员去取个样，或水下钻机打个孔可以解决的。这样的数据该怎么测呢？这是 1984年三峡枢纽工程设计中二期上游围堰工程要求解决的第一个难题。

二期上游围堰是三峡枢纽土建工程中最具挑战性的两个工程之一（另一个是永久船闸170 m高的高边坡稳定和变形问题）。早在1958年，当三峡工程第一次被提到国家议事日程时，这个工程就立即被一些专家和有关领导关注到了。因此，1958年我国国家科委下达的三峡科研计划中，将二期围堰的有关研究作为一项任务列出。长科院和北京水科院（中国水科院前身）承担此项研究任务。当时在华的苏联专家鲁巴契科夫和中国专家赴工地考察后建议，在工地进行现场试验，其中主要任务之一就是确定花岗岩风化砂水下抛填体的密度和坡角，因为这是围堰设计首先需要、而且是最基本的参数，缺乏这个数据，设计工作将无法进行。

1958年11月，在工程现场石板溪开挖和建成了一条矩形试验水槽，槽深6 m，宽2 m，长20 m。在槽内抛填风化砂和其他填料，形成梯形断面，并布置取样点，以备测试。试验的目的按国家科委的文件是：“了解抛填风化砂的分散和分选；抛填料的密度及渗透系数；抛填形成的自然坡角及稳定坡角；风化砂抛填在砂卵石基础上的管涌问题；抛填后风化砂土的固结问题；试验断面的浸润线观测；抛填料的抗剪强度和压缩性；围堰断面型式探讨等”。

试验内容和工作量都十分庞大且有难度。长科院耗费了巨大的人力和物力执行这项任务，用人工挑土倒入6 m水中，形成堆体，测其密度和坡角，时间持续近2年。但可惜因当地一场暴雨使试验设施尽毁，试验被迫中止，许多试验都未能进行，仅获得了少量6 m水深下抛填密度的资料，堆体比较疏松，测得其干密度仅为 1.40～1.55 g/cm3，平均1.45 g/cm3。按此密度设计，围堰原设计方案根本不能成立。当时我们也感到，6 m水深的成果恐代表不了60 m水深的情况，但何处才能找到60 m水深的资料呢？首先，国内尚无如此深的水下抛填土密度的经验，国际上曾有的最深数据也只有 30～40 m，而且也不是花岗岩风化砂的资料。这个难题曾困惑了我们很长时间，设计工作也无法顺利进行。但这是一个科研问题，为设计提出真实可靠的参数是我们研究者责无旁贷的责任，所以压力很大。

1983年，长科院建成国内第一台大型离心机，其容量达300 Gt，有效容量达180 Gt，设计最高离心加速度为 300 g。这台离心机本就是为三峡工程而研制的，是 1958年在长办的苏联专家建议建造的，他们共同参与了研制工作。但不久，苏联撤回了全部在华专家，带走了有关图纸，离心机研制工作也被迫中止。直到 80年代，我院的有关专家摸索试探，终于在十分困难的条件下制成了我国第一台大型离心机，为工程建设提供了一个先进的工具。我院所有相关课题的研究生无不运用这台离心机完成他们的研究论文。面对深水抛填密度的难题，我们也不由得想到求助于这个先进武器。但国内、国际从未有人尝试过这种方法，能否成功难以预料。我们筹划了一个大致的方案，就是离心机在100 g转动的条件下，在60 cm水深的水箱中把风化砂抛下去，稳定后，测求其密度和坡角。

这个方案在原理上是成立的，但具体如何实施仍有许多问题要解决。我们把这个任务交由长科院李玫，单仁玕两位工程师负责。这两位不负众望，夜以继日地动脑筋想办法。她们设计了两种方案：静态方案和动态方案。所谓“静态方案”即在60 cm水深的模型箱中将风化砂抛入，开动离心机转至100 g，稳定后停机。测其密度。这种方法简单，但不能完全模拟真实的抛填情况。所谓“动态方案”即在离心机稳定运转100 g的动态条件下，将风化砂抛下去，观测风化砂的表面位置，测求其密度，然后停止运转后再复核其密度，两者差别不太。这样得到的密度比较真实，但如何在离心机达到100 g加速度时打开斗门把沙子抛下去是个难题。当时80年代初，自动控制技术还十分稀有。于是她们绞尽脑汁想出一个巧妙的方法，即找到一种强度不高的金属丝，计算好在承受离心机100 g的拉力条件下，它会自动断裂，用它来捆扎料斗的口门。这样就可能在100 g动态条件下将材料抛下去，得到比较真实的60 m水下抛填土的密度。上天不负有心人，试验成功了，且结果比较规律。图1为其主要成果。

图1 抛填土体密度与水深及抛填料级配P5的关系Fig. 1 Relationship between density of the dumped fill soil and water depth and grading P5 of the dumped fill

试验成果给出的一些规律使我们眼睛一亮。试验表明，（1）抛填密度与水深关系极大，两者几乎呈正比关系。（2）静态试验的干密度试验值在1.73～1.83 g/cm3之间，平均为1.75 g/cm3，若风化砂中粗粒含量（＞5 mm）超过61%，则干密度可达1.82 g/cm3。表明密度与抛填料的级配密切相关。（3）动态试验成果更大，一般比静态的成果大约0.05 g/cm3。（4）水下坡角约在27°左右。这些成果从根本上改变了人们原来的认知，尤其是抛填密度与水深成正比的结论具有重大的理论意义与实际价值，以后遇到再大的水深也就不会成为难题了。根据上述成果并考虑一定的安全度，我们建议60 m水深中的风化砂平均抛填密度可按 1.75 g/cm3设计。由原来的1.45 g/cm3提高到1.75 g/cm3，对翘首以盼的设计人员更是极大地增加了他们的信心，设计上的第一个拦路虎算是清除了。但这是一种新的方法，世界上还没人这么做过，是否合适作为工程设计参数还需“三峡工程技术委员会围堰专家组”的审查与认可。为此三峡公司召开了专门会议讨论此事，专家们一致通过这个参数，并给予很高评价。但问题并未到此结束，为了慎重，我们又计划在将要施工的一期围堰抛填土施工上进行验证。一期围堰的施工水深要浅得多，只有 30多米，但这是个实际工程，可以为二期围堰抛填土的密度提供佐证。一期围堰于1993年10月施工，次年汛期挡水，1996年底拆除，在该围堰上有意识地安排了若干测试项目。结果表明，水下抛填部分的风化砂，水面以下随深度增加密度也增加，干密度为1.66～1.92 g/cm3，平均为1.81 g/cm3，与离心模型试验结果相当符合。

二期围堰高近90 m，从1994年开始施工，至1998年汛期挡水，其中经历的困难和考验不是一个二个，尤以1998年8次大洪水突然袭击正在施工的未完成的围堰最为严峻。但都安全地扛过来了，潘家铮院士（三峡工程技术委员会主任）事后激动地说“1998年8次长江特大洪水就迎面扑来，这座水上长城（指二期围堰-笔者）不仅固若金汤，而且几乎滴水不漏，长江这次是真的服输了”（潘家铮：春梦秋云录）。

二期围堰在运用几年后于2002年1月拆除至高程57 m。在拆除现场又安排了取样和测试工作。进行了灌砂法密度测试（65组），标准贯入试验和动探试验（总进尺200 m）。据测定，风化砂密度可达1.84～2.18 g/cm3，平均2.00 g/cm3。与刚建成时相比，密度增加约30%。标准贯入试验的53个点位中平均击数为33击，比施工时增大27%。这些成果都验证了原来离心模型实验成果的合理性。

三峡二期围堰虽不是一个永久性工程，但它对工程的重要性是不言而喻的，而其技术难度更是具有挑战性。采用许多新技术解决了工程中曾经遇到的一系列难题，既有益于工程建设，也有利于学科发展。上面就是一个典型例子。