60 m水深中拋填土體的密度怎么測

包承綱，李 玫

（長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

60 m水深中拋填土體的密度怎么測？當(dāng)然依托現(xiàn)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(dá)萬米海底，60 m水深還不是小菜一碟？但當(dāng)時是上世紀(jì) 80年代初，而且要測的是上百萬方風(fēng)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(jī)打個孔可以解決的。這樣的數(shù)據(jù)該怎么測呢？這是 1984年三峽樞紐工程設(shè)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(dāng)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(guān)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注到了。因此，1958年我國國家科委下達(dá)的三峽科研計劃中，將二期圍堰的有關(guān)研究作為一項任務(wù)列出。長科院和北京水科院（中國水科院前身）承擔(dān)此項研究任務(wù)。當(dāng)時在華的蘇聯(lián)專家魯巴契科夫和中國專家赴工地考察后建議，在工地進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，其中主要任務(wù)之一就是確定花崗巖風(fēng)化砂水下拋填體的密度和坡角，因?yàn)檫@是圍堰設(shè)計首先需要、而且是最基本的參數(shù)，缺乏這個數(shù)據(jù)，設(shè)計工作將無法進(jìn)行。

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

試驗(yàn)內(nèi)容和工作量都十分龐大且有難度。長科院耗費(fèi)了巨大的人力和物力執(zhí)行這項任務(wù)，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(dāng)?shù)匾粓霰┯晔乖囼?yàn)設(shè)施盡毀，試驗(yàn)被迫中止，許多試驗(yàn)都未能進(jìn)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(shè)計，圍堰原設(shè)計方案根本不能成立。當(dāng)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(nèi)尚無如此深的水下拋填土密度的經(jīng)驗(yàn)，國際上曾有的最深數(shù)據(jù)也只有 30～40 m，而且也不是花崗巖風(fēng)化砂的資料。這個難題曾困惑了我們很長時間，設(shè)計工作也無法順利進(jìn)行。但這是一個科研問題，為設(shè)計提出真實(shí)可靠的參數(shù)是我們研究者責(zé)無旁貸的責(zé)任，所以壓力很大。

1983年，長科院建成國內(nèi)第一臺大型離心機(jī)，其容量達(dá)300 Gt，有效容量達(dá)180 Gt，設(shè)計最高離心加速度為 300 g。這臺離心機(jī)本就是為三峽工程而研制的，是 1958年在長辦的蘇聯(lián)專家建議建造的，他們共同參與了研制工作。但不久，蘇聯(lián)撤回了全部在華專家，帶走了有關(guān)圖紙，離心機(jī)研制工作也被迫中止。直到 80年代，我院的有關(guān)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(jī)，為工程建設(shè)提供了一個先進(jìn)的工具。我院所有相關(guān)課題的研究生無不運(yùn)用這臺離心機(jī)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(jìn)武器。但國內(nèi)、國際從未有人嘗試過這種方法，能否成功難以預(yù)料。我們籌劃了一個大致的方案，就是離心機(jī)在100 g轉(zhuǎn)動的條件下，在60 cm水深的水箱中把風(fēng)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(shí)施仍有許多問題要解決。我們把這個任務(wù)交由長科院李玫，單仁玕兩位工程師負(fù)責(zé)。這兩位不負(fù)眾望，夜以繼日地動腦筋想辦法。她們設(shè)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(fēng)化砂拋入，開動離心機(jī)轉(zhuǎn)至100 g，穩(wěn)定后停機(jī)。測其密度。這種方法簡單，但不能完全模擬真實(shí)的拋填情況。所謂“動態(tài)方案”即在離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)100 g的動態(tài)條件下，將風(fēng)化砂拋下去，觀測風(fēng)化砂的表面位置，測求其密度，然后停止運(yùn)轉(zhuǎn)后再復(fù)核其密度，兩者差別不太。這樣得到的密度比較真實(shí)，但如何在離心機(jī)達(dá)到100 g加速度時打開斗門把沙子拋下去是個難題。當(dāng)時80年代初，自動控制技術(shù)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(qiáng)度不高的金屬絲，計算好在承受離心機(jī)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(shí)的60 m水下拋填土的密度。上天不負(fù)有心人，試驗(yàn)成功了，且結(jié)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(guān)系Fig. 1 Relationship between density of the dumped fill soil and water depth and grading P5 of the dumped fill

試驗(yàn)成果給出的一些規(guī)律使我們眼睛一亮。試驗(yàn)表明，（1）拋填密度與水深關(guān)系極大，兩者幾乎呈正比關(guān)系。（2）靜態(tài)試驗(yàn)的干密度試驗(yàn)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。表明密度與拋填料的級配密切相關(guān)。（3）動態(tài)試驗(yàn)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(rèn)知，尤其是拋填密度與水深成正比的結(jié)論具有重大的理論意義與實(shí)際價值，以后遇到再大的水深也就不會成為難題了。根據(jù)上述成果并考慮一定的安全度，我們建議60 m水深中的風(fēng)化砂平均拋填密度可按 1.75 g/cm3設(shè)計。由原來的1.45 g/cm3提高到1.75 g/cm3，對翹首以盼的設(shè)計人員更是極大地增加了他們的信心，設(shè)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(shè)計參數(shù)還需“三峽工程技術(shù)委員會圍堰專家組”的審查與認(rèn)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(shù)，并給予很高評價。但問題并未到此結(jié)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(jìn)行驗(yàn)證。一期圍堰的施工水深要淺得多，只有 30多米，但這是個實(shí)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(jié)果表明，水下拋填部分的風(fēng)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(yàn)結(jié)果相當(dāng)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(jīng)歷的困難和考驗(yàn)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(yán)峻。但都安全地扛過來了，潘家錚院士（三峽工程技術(shù)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?，長江這次是真的服輸了”（潘家錚：春夢秋云錄）。

二期圍堰在運(yùn)用幾年后于2002年1月拆除至高程57 m。在拆除現(xiàn)場又安排了取樣和測試工作。進(jìn)行了灌砂法密度測試（65組），標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動探試驗(yàn)（總進(jìn)尺200 m）。據(jù)測定，風(fēng)化砂密度可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的53個點(diǎn)位中平均擊數(shù)為33擊，比施工時增大27%。這些成果都驗(yàn)證了原來離心模型實(shí)驗(yàn)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(shù)難度更是具有挑戰(zhàn)性。采用許多新技術(shù)解決了工程中曾經(jīng)遇到的一系列難題，既有益于工程建設(shè)，也有利于學(xué)科發(fā)展。上面就是一個典型例子。