三峡二期围堰创新及其对我国高围堰建设的意义

(长江科学院 科学技术委员会，武汉 430010)

1 围堰的创新意义

三峡工程(TGP)二期深水高土石围堰(以下简称“二期围堰”)是三峡工程众多土项目中最具挑战性的项目之一，是保障主体工程安全施工的关键性项目，是确保整个工程按期完工的重要建筑物。鉴于它的重要性和难度，许多专家将二期围堰比喻为三峡工程的“荆江大堤”。

三峡工程虽已完工且运行多年，二期围堰也早就不复存在，但在20世纪后期，面对这个难度很大的水工建筑物，科技人员知难而进，以勇攀高峰的精神，出色完成任务。它的经验对后续水利工程之价值，它的创新成果对我国水利科技之促进，都有重要的意义。直到最近，还在我国西部大规模水电开发中，不时被借鉴和参照，成为一个典型案例[1]。我国水电大师潘家铮在三峡二期围堰建成时称赞说：“从众多因素综合分析，三峡工程二期围堰建设就总体而言无疑已达到国际领先水平”，“在极其严峻的水文、地质、工期条件下，二期围堰的建成标志着中国水利水电建设又登上新的台阶，跻身于国际先进水平，值得庆贺。”[2]在潘家铮院士的自传性著作《春梦秋云录》中又多次对该工程进行赞扬：“三峡工程有几场关键性的决战，例如导流明渠的完成、大江截流、二期围堰和二期工程中破世界记录的混凝土施工…截流与二期围堰也成为重点技术设计项目之一。不知组织过多少次设计、科研、院校、施工单位进行攻关，也说不清做过多少次研究、计算、试验并在现场进行实战演习。”[3]

这确实是当时对包括二期围堰在内的众多技术难关的真实写照。他又说：“大江截流后的又一场恶战是二期围堰，…工期之紧、难度之大也使多少同志把心提在手中。事实是，二期围堰又如期完成，…人们还来不及喘气，1998年8次长江特大洪水就迎面扑来，这座水上长城不仅固若金汤，而且几乎滴水不漏。长江这次是真的服输了。”[3]这是一位曾在水利水电战场纵横捭阖、身经百战的泰斗对二期围堰的赞叹！

该项工程在技术上的进步和创新不仅对本工程起了关键的作用,而且对我国西部地区和长江上游大量的大型水利水电工程高围堰的建设也起到了参考和借鉴作用。例如位于金沙江下游、四川与云南交界的白鹤滩水电站，水库总容量206亿m3，电站总装机16 000 MW，其围堰最大高度85 m，填筑量约200万m3，采用混凝土防渗墙上接复合土工膜防渗方案。该围堰的形式和规模与三峡二期围堰十分相近。设计者对三峡围堰的经验作了十分细致的研究和充分的借鉴，并根据工程情况作了新的发展，该工程目前正在建设中。

鉴于三峡二期围堰的创新意义，以及至今仍具有的科技价值，在此将有关体会作一介绍，不无必要。

2 二期围堰的特点

二期围堰的建设之所以难是鉴于如下特点：

(1) 它的高度达90 m，其中60 m在水下施工，最大挡水水头75 m，防渗墙最大高度74～84.5 m，在世界围堰建设史上属罕见。

(2) 工程规模大，施工期限短。围堰土石方填筑总量约为1 100万m3，其中80%以上为水下填筑，混凝土防渗墙面积约为8.4万m2, 远超过国内外同类工程的规模, 兼之工程必需在一个枯水期建成并挡水，施工强度很高。

(3) 地形地质条件复杂，围堰建在70多m的覆盖层上，且其顶部是近年沉积的10 m有余淤积沙，颗粒均匀且松散，动力稳定性和渗透稳定性差(允许渗透比降为0.22)，抗冲刷能力弱。

(4) 在覆盖层中夹有直径2～3 m的块球体，坚硬且密集，球体间架空，给水下防渗系统的封闭造成很大困难；河床深槽段左侧基岩存在75°～83°、高差约15～30 m的陡坡，给防渗墙成墙及嵌岩造成极大困难，也成为制约工期的重要因素；同时，覆盖层下的基岩，各层的风化程度不一，透水性差别大且透水界线不明显，局部地段弱风化岩层内存在强透水带，对堰体的渗透稳定不利。

(5) 围堰填料性质杂乱，主要系左、右岸的开挖料，包括风化砂、石碴、块石和混合料等，制约了围堰断面形式的选择。这些填料中有的以往未曾研究和使用过，它的静力和动力特性都是空白。而且由于料源杂，料场分散，因此从料的开采、运输、压实到检验任一环节的脱节都会影响工程的进度和质量。

(6) 围堰挡水运行时间长，维护要求高。按二期工程施工进度安排，二期主体工程施工要跨4个汛期，一方面要保证渡汛安全，另一方面要注意基坑内大规模爆破开挖和建筑物高强度施工对围堰正常运用的影响等。此外，还要注意围堰尚未建成时来洪水的考验。

(7) 施工期的通航必需保证，这与国内外同类工程的施工条件很不相同，二期围堰初期截流戗堤进占和堰体填筑必须同时考虑大江束窄河床的流速和流量满足航运的要求。

如此种种的苛刻条件，使建设二期围堰成为中外水利工程中难度极大的罕见的水工建筑物，它的建设不会比一座高土石坝更容易，而且由于属于“临时”建筑物，易被忽视，增加人为的难度。

三峡建设者们没有轻视，估计到它的难度，早在开工前40多年，就着手在现场选择了一条天然河沟石板溪进行6 m水深的“深水倒风化砂”填筑试验，以期推测60 m水下风化砂的抛填密度，为设计提供最基本最重要的数据。然而花费虽然巨大，但因现场水深仅6 m，测得的密度十分低，代替不了60 m水深的条件。按此设计，围堰安全性不能超过，第一道关就碰了壁。

从20世纪80年代起，随着设计工作的正式展开，经过几次国家级科技攻关，并结合工程施工和初期运用，在历时近20 a的漫长进程中，进行了许许多多的试验、研究、实施、检测，直到完工后还对围堰“破膛开肚”，揭露盲点。由此，难关被一个个攻克，疑问被一个个厘清，成果被及时用于工程，不仅取得了围堰建设的成功，而且取得了一整套高土石围堰建设的经验，实属难能可贵。

图1 各国专家建议的上游围堰方案

3 二期围堰简介

图2 可研阶段围堰3种基本方案

鉴于二期围堰的难度，在建设早期，曾请某些国外专家参与过一些研究，提出过几个设想的方案，如图1所示。 1986年结合“七五”国家攻关科研项目提出了3大方案，即高双墙、低单墙和混合料防渗水下清基方案，如图2。其中，第3类方案难以实施故予舍弃。经单项技术设计阶段进一步研究，上游围堰的实施断面如图3所示。

图3 上游围堰的实施断面

现将实施方案简介如下：

(1) 单排墙断面，位于长江深槽两侧，堰顶高程88.5 m，堰顶宽15 m，堰体由截流戗堤、风化砂、石碴混合料、过渡料和块石填筑。围堰防渗采用塑性混凝土防渗墙，在高程73 m以上接复合土工膜心墙方案，墙底嵌入弱风化岩石1.0 m。防渗墙厚度0.8 m和1.0 m，墙下接帷幕灌浆要求灌至岩体透水率q≤10 Lu。防渗墙顶接复合土工膜至高程86.2 m；

(2) 双排墙断面，位于长江深槽部位，目的是改善防渗墙的受力条件，其中上游墙位于围堰轴线上游6 m，下游墙在轴线上。墙体均由塑性混凝土建造，厚度均为1.0 m。双排墙与单排墙相接处上游墙以45°折线与单排墙连接。墙顶土工膜以折线形式伸入临时挡水子堤后，以1∶2.5坡度斜铺至高程86.2 m。

4 二期围堰的技术难点

上游围堰的设计方案带来了一系列的技术难点，现择其主要列举如下。

(1) 60 m水深下抛填风化砂的密度与水下稳定坡角。当时，国际和国内都没有先例和类似的研究成果，而这是围堰设计中最基本、最重要的资料，是必须攻克的第一道难关。

(2) 86 m高的混凝土防渗墙在松散抛填堰体中的工作状态(变形和应力应变)。在松软的堰体中建造这么高的混凝土防渗墙是一大挑战，其应力应变状态对方案的成功有决定性的意义，必须进行堰体和墙体的应力应变分析，作为选定合理方案的依据，并进一步优化。但当时有限元分析法在工程中的应用还刚起步。墙体方案涉及的主要问题有5个方面：由于水头较大，防渗墙应设1道或2道；防渗墙的厚度多少；防渗墙采用刚性混凝土还是柔性混凝土；采用高墙还是低墙，即墙顶部上接复合土工膜以降低墙高；2墙施工的先后顺序如何安排较为安全。

(3) 墙体材料的优选，柔性混凝土的研制和优化。柔性材料的提出是为适应防渗墙位移过大而提出的，这种材料的弹性模量要很低，但又有一定的强度，即“模强比”(初始切线模量与强度的比值)有一定要求。而且必需以当地花岗岩风化砂为主要骨料，水泥含量应作限制。这种材料只有意大利曾用过，而三峡应有更优的性能。

(4) 低密度新淤积沙的动力特性和围堰堰体的动力稳定性。场地的设防烈度为7度，围堰建于厚10多m的松散淤积沙覆盖层上，运用时间较长，超过4 a，期间恐遇地震，故动力稳定性需要研究。此外，施工期强烈而频繁的基坑爆破会否影响围堰的运用也有人担心。

(5) 粗颗粒堰体材料特性的试验研究是土工领域的一个短板。堰体的材料很杂，大都是主体工程开挖的废料(较好地用于混凝土人工骨料)，以及花岗岩风化砂，质地较差。需研制当时国内较缺的大型实验仪器，研究其物理力学特性。

(6) 堰体的现场压密措施研究。把围堰较松的堰体加密，将有助于减小堰体内墙体的水平变形，改善防渗墙的工作状态。

(7) 合土工膜的防渗性能、现场连接方法研究以及土工膜变形观测设备的研制。复合土工膜的防渗性能和施工技术本来就是一个罕有研究的问题，在这样巨大和重要工程中应用更是第一次，应设专题进行研究，并在现场进行必要的试验。同时，为了了解土工膜的工作状态，需研制专门设备对复合土工膜变形进行实测，这也是前人没有做过的。

(8) 堰体造墙技术和墙体与基岩陡坡连接技术的研究。河床深槽段有陡达70°～80°的基岩陡坡，墙体如何嵌入岩体中是一项需专门研究的特殊技术。此外，造墙的工作量很大(每月需完成8.4万m2墙体施工)，快速造墙技术也要研究。

5 二期围堰建设中若干重要技术措施

5.1 采用“柔”的思想建造防渗墙

根据国内多个防渗墙的经验，二期围堰防渗墙最初是以“高刚墙”的方案为主进行研究的[4]。但数值分析发现，墙体的应力状况不佳，墙体下部有大片塑性屈服区，墙的水平变形也较大，存在安全隐患。若采用“强身固体”(如将混凝土材料的模量从1.8×104MPa增至2.2×104MPa，甚至更大)的思路来抵抗墙的大变形和高应力, 则不仅要求墙体很厚，而且高强度的混凝土(弹模大于2.2×104MPa)施工也很困难，墙下部设置钢筋笼更增加施工难度，特别是由于墙体的水平变形主要取决于庞大堰体的变形，墙体刚度的增加对减小墙体变形贡献不大。为此，我们将设计的主导思想转到“柔性”墙体的轨道上。但是把墙体刚度降低也带来一系列的问题：首先是必然导致材料强度的降低，如果强度的降低比弹性模量的降低更快，则墙体中的屈服区反而会扩大，墙体的工作状况更差。因此要解决问题就必须采用一种模量较低但仍有相当高的强度，尤其是较高的初期强度的混凝土防渗材料。但现有的塑性混凝土材料尚不能满足要求，必须重新研制。简言之，研制一种“高强低弹”的“柔性”混凝土材料，成为解决二期深水高土石围堰建设的关键问题之一。这种“高强低弹”的材料以“模强比”(初始切线模量与强度的比值)为主要指标。据分析，为满足深水围堰的要求，“模强比”应控制在≤250为宜。为此，在“八五”国家科技攻关期间，投入了很大的力量对此进行研究，并取得了优良的成果。

二期围堰建设中“柔”的思想还体现在其他方面。曾经有人对下游围堰一道1.0 m厚的防渗墙是否过于单薄提出疑虑。当时有2种措施可以考虑：一是紧贴墙的背水面增加一道高喷墙，但它较为“刚”性，恐难适应变形的要求；另一是继续走“柔”的思路，适当加厚柔性墙体以改善应力和变形状态，增加安全度。经过从工作性态、施工方便、造价高低等方面反复权衡，决定采用后一个方案，从而促进下游围堰按时、顺利的建成。

总之，这种“柔”的墙体设计思想是与围堰的松软抛填堰体的特点相适应的。它是保证这个挑战性工程成功的前提。为实施上述的思路，研制一种“低弹高强”的“柔性”混凝土材料就成了当务之急。这种材料是以风化砂、水泥、黏土(或膨润土)为主要原料，掺合一定的添加剂配成的。它的研究历时近10年，经过几百次室内配比试验，并先在其它3个工程现场进行试用。这种材料性能达到或超过了国外同类产品的指标，施工也十分方便，是一项很好的研究成果，值得推广。

5.2 采用新方法、新技术解决建设中的疑难问题

二期围堰的难度是空前的，解决这些难题的手段也必须是先进的、创新的[4]。

5.2.1 首创采用离心模型试验确定深水抛填体的密度

前已述及，抛填堰体的密度是围堰设计最基本的参数，但该值的确定却遇到了很大的困难：国内外尚无如此深的水下抛填土密度的经验，50年代末，长江科学院曾在三峡现场石板溪专门拦沟筑堤作人工抛填试验，求得6 m水深下风化砂抛填干密度仅为1.40～1.45 g/cm3。若按此低密度进行设计，墙体的位移将大得无法接受。此事曾长久困扰设计工作进展。

80年代末，长江科学院采用国内仅有的大型离心机，其值在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。基于这些资料，设计条件得到很大改善。这是三峡围堰工程应用新科技解决的第1个重大难题。该项成果为一期围堰同类材料实测密度所证实，根据一期围堰风化砂堰体钻孔取样的结果，水下抛填干密度为1.66～1.97 g/cm3，平均1.81 g/cm3。这样，设计干密度的选取就落到了实处。

5.2.2 上下游围堰断面的确定主要依靠了数值分析方法，并采用离心模型试验验证

可以说，围堰设计中每一个重要的决策，都以专门的数值分析结果作为重要依据。参加本项工作的沈珠江院士曾说过，“有限元法如此深入地介入一个工程，在以往是从来没有过的。”[5]配合二期围堰的数值分析的计算历程长达16年，包括后期的反演分析。先后参加的有南京水利科学研究院、清华大学、河海大学、广东省水利水电科学研究院等全国12个单位60多位高级科技人员。计算对比的方案达几十个，选择线弹性、非线性弹性、弹塑性等近10种本构模型，进行多种情况的敏感性分析，成果十分丰富。这些成果不仅解决了工程问题，而且对有限元分析技术的发展也是一个可贵的贡献。为今后数值分析技术在工程中的实用，提供了一个生动的范例，引起国内同行的热烈反应。

围堰断面设计方案用离心模型试验进行验证在国内也属首次，试验成果形象地预测了围堰变形情况，有助于加强对设计断面可靠性的信心。

5.2.3 防渗墙柔性墙体材料性能的研制

防渗墙方案选用柔性墙后，研制性能合乎要求的柔性墙体材料就成为一个新焦点。为满足防渗墙的变形和受力条件，根据有限元计算，这种柔性材料的弹性模量宜控制在1 000 MPa左右，抗压强度R28不宜<4.0 MPa,即“模强比”宜在250左右，谓之“低弹高墙”材料。风化砂柔性材料不含普通意义上的骨料，而采用粒度较细的花岗岩风化砂，掺以少量的水泥及特定的添加剂，这种柔性材料国内外还稀见报道。研究工作经历了较长的过程，室内进行了几百次配方试验，又在清江隔河岩电厂围堰、高坝洲低土石围堰以及三峡一期围堰等工程中应用，最后才确定了二期围堰的配合比。研究过程中运用了如“均匀设计”等新的理论，取得了很好的效果。与此同时，也对通常的塑性混凝土材料进行了研究，提出了配方，拟用于个别特殊的部位。

5.2.4 开创了复合土工膜在大型工程中应用先例

土工合成材料是土木工程中一种新的材料，由于它的众多优点，发展很快，20世纪30—40年代已推广到岩土工程的各个领域。其中的土工膜材料用于临时性的围堰防渗工程不仅效果好，施工简便，拆除快捷，而且相当经济。但土工膜用于这么重要、巨大的工程确实尚属首次。对它的防渗性能的研究，得到了许多新的认识，尤其是运用时获得的一些经验，有助于今后更好地推广应用。在应用复合土工膜的同时，还配套地为检测土工膜的铺设质量以及了解其在围堰中的工作状况特地研制了专用仪器——高压电测法和8 cm超长应变计，效果良好。

5.2.5 进行了三维饱和-非饱和渗流及二维和三维非稳定渗流的计算

首次分析了心墙上部开叉等各种缺陷的影响，具有很强的实用性和创新性。围堰的渗流分析除进行了饱和三维渗流有限元分析外，考虑到围堰的渗流场是一个复杂的饱和-非饱和渗流区域，在有些施工和运行状态下又是一个非稳定渗流场。而这么高的防渗墙在施工中可能的缺陷(开叉、空洞、脱开等)对渗流状态的影响，更是国内外关心的问题，因此首次对此作出了回答[6]。

5.2.6 堰体风化砂和覆盖层新淤积沙的动力特性以及围堰地震作用的稳定性研究

这是与堰体的不密实风化砂和覆盖层新淤积沙存在有关的，研究的内容有抛填风化砂和淤积沙的动力特性，堰体在松散淤积沙上的地震稳定性，尤其是地震对防渗墙的影响。

5.2.7 堰体不密实的填料在施工爆破中的性状及其现场加密措施的研究

堰体不够密实不仅影响防渗墙的应力应变状态，而且也影响墙体造孔时孔壁的稳定性，给造墙带来困难。为此专门研究并在现场试验了风化砂大型振冲器加密和爆破加密，为决定堰体上部30 m的振冲加密措施提供了依据。

5.2.8 新的施工设备研制和引进、开发

新的施工机具的引进、开发和研制对促进施工顺利进行和加快进度起了重要的作用。引进并进一步开发的先进设备有从德国引进的BC-液压铣槽机和BE-500泥浆净化装置，它们具有效率高、钻孔深度大等优点。为了在硬层中使用，试验研究了一套“铣、砸、爆”相结合的新工艺，效果良好。

自行研发的有大型的冲击反循环钻机CZF-200，它是专为三峡围堰而进行的，钻头重5 t，功效比改进的CZF-1200提高25%以上。此外，JHB-200型泥浆净化剂的研发、重型钢丝绳抓斗的研发、SM-400全液压工程钻机的引进与开发都对工程的质量、安全、造价和进度，起了良好的作用，

改进成槽工艺是一个值得着力研究的课题，新发展的工艺有：“劈钻法”、“两钻一抓法”、“两钻三抓法”、“上钻下抓法”、“纯抓法”、“铣削法”、“铣、抓、钻法”等。

5.3 加强现场观察和检测，及时反馈，更新信息

在围堰的整个施工和运用过程中， 十分重视现场的指导和观测资料的分析[3]。 墙体材料的配比是根据现场原材料当时的实际参数即时计算确定的。 对围堰中填料的分布状况也进行记录。 在围堰中又埋设了大量的多种观测仪器， 以监测堰体、 墙体、 土工膜、 堰基的工作状态， 其中有些观测仪器是专门特制的。 这些资料对判断围堰的安全性起了十分重要的作用。 1998年夏天， 当第1道墙刚刚建成、 第2道正在挖槽时， 长江发生了大洪水， 而且前后来了6次。 刚施工完成的第1道墙发生了超过计算值的大变形， 其安全性引起了全工地的关切。 中国长江三峡工程开发总公司对大坝是否要停止施工犹豫不决， 急招长江科学院科研人员赴工地进行质询、 论证， 藉以决策。 在如此紧急的情况下， 长江科学院人员立即赴工地， 并根据现场收集的最新资料， 连夜重新进行有限元计算， 并与原型观测资料对比分析， 在24 h内提出了分析意见和未来可能发展的预测， 认定围堰情况基本正常， 建议无需停工， 供领导决策， 使整个工程仍能继续施工。 在这里， 现场当时收集的资料对计算条件的更新起了很好的作用。 此外， 一期围堰的建设经验也曾对二期围堰的建设也有极好的参考价值， 比如十分重要的风化砂抛填体的密度， 根据离心模型试验的成果确定后， 又经过一期围堰拆除时实地检测， 才更放心地使用的。

5.4 围堰拆除时的资料收集和补充研究的意义重大

中国长江三峡工程开发总公司花费大量资金委托长江科学院进行围堰拆除时的科研工作，是一项很有眼光的举措[4]。当时围堰已经完成历史使命，但对二期围堰尚有许多盲点需要揭露：例如风化砂水下抛填体在4年以后实际密度是否增加？防渗墙附近堰体风化砂振冲后实际密度到底多少？不同阶段完成的防渗墙其完整性如何？物理力学参数的差异有多大？它们与室内试验及施工中的模拟试验结果是否一致？墙顶部与子堰连接的复合土工膜完整性如何？深槽段两道墙之间的风化砂密度、泥浆入渗情况如何？墙体柔(塑)性材料经过4年后其性能变化如何？防渗墙周围泥浆附壁情况如何，因为它将大大影响防渗墙的沉降和垂直应力状况，这个问题在计算中是一个长期的悬案，趁此机会应予解决。这些资料对今后类似工程的价值是不言而喻的，但它只有对围堰“开膛破肚”才能取得。

6 三峡二期围堰建设中的技术创新

长江科学院三峡围堰科研人员从一开始就意识到，面对这些复杂、新奇的难题，不可陈陈相因，沿袭旧规，而必须尽可能采用新技术、新理论、新材料、新设备，探索一条新路，才能解决问题。为此，经历了长达10多年的路程(1984—2000年)，得到了一系列有创新性的成果。

6.1 在国内外首次采用离心模拟技术，解决深水抛填材料的密度问题

60 m水深下进行抛填，国内外没有经验，但抛填土的密度肯定与水深密切相关。为此探索采用在超重力条件下的离心模型试验进行模拟。离心加速度定为100g，可以使60 cm的模型水深模拟60 m深水的条件,求得比较真实的密度。为进行这项探索，长江科学院联合中国水利水电科学研究院等国内有关单位，对相似理论、模型材料、试验设备、试验方法(如静动态抛填技术)、成果分析等一系列环节进行了长期的研究，取得了良好的结果,成果表明，抛填密度与水深呈线性关系。经与现场一期围堰的实测结果对比，两者相当接近且偏于安全。由此攻克了第1道难关。

6.2 增强了有限元法在土石坝设计中的作用

鉴于围堰的复杂性，一开始就估计到设计中将有许多方案的比较，并需反复优化，而且由于断面结构特殊，要判断它的合理性和安全性只有进行应力应变分析才有可能，这就决定了数值分析必然要深深地介入到设计中。但有限元法当时还是“学院”内的课题，在这么重要的工程中实际地应用，在国内还是罕见的。为此，长江科学院组织了12家国内有经验的单位，跟踪设计的进程，进行了长达10多年的攻关。采用了E-μ模型、E-B模型、样条函数模型、南水模型、河海模型、应变空间模型、B-G模型和工程算法8种本构模型，围绕防渗墙的道数、刚柔、高低、厚薄以及施工顺序5个因素进行众多方案的对比研究。研究中主要进行了围堰断面的二维有限元分析，其中还考虑了堰体和墙体与堰体之间接触面参数不同的敏感性分析，还假设了2墙承担不同水头份额，以及墙端部约束条件不同的影响，总之，几乎各种可能的工作条件，只要想得到的，或繁或简地进行了对比分析。此外，也进行了3种方案的三维有限元计算。

计算表明，推荐的塑(柔)性混凝土低双墙方案较优(如图4)，其变形和墙内应力均在安全的范围内。而低刚双墙方案的墙底应力明显大于低塑双墙方案，因此后者更为安全。

图4 低双墙方案刚性墙与柔性墙的应力分布比较

图5 墙顶水平位移的分布

计算还表明，E-μ模型的结果比较合理，抽水后墙体最大水平位移在40～50 cm(图5)，而E-B模型和B-G模型的变位偏大。几个弹塑性模型的计算结果相近，其结果比E-μ模型的略小，但具有可比性。上述的有限元计算不仅为设计提出了最优的断面方案，而且为数值分析在实际工程中的应用价值争得了声誉和地位。

6.3 围堰断面形式的离心模型试验验证

离心模拟技术对以自重为主要荷载的土工建筑物特别有效，因为土体是非线性材料，其性状受应力水平的影响，因此，对土工结构物进行物理模拟时，需保证模型的应力水平与原型相同。为此，利用离心机高速旋转对模型的超重力，以补偿模型因缩尺造成的自重损失，达到与原型相同的应力水平，以在模型中再现原型的性状。对大型土坝进行这种试验在国内尚属首次，其经验为以后的小浪底土坝等类似试验提供了借鉴。

图6 围堰堰体位移分布图(离心模型试验成果)

试验的内容包括相似比尺和模型材料的研究、模型设计和量测设备的研制、试验方法和数据采集的实施，以及成果分析和与有限元结果的对比等。本次试验的主要结果是堰体变形和防渗墙的竖向应力分布，5#模型的成果如图6所示。堰体最大沉降达80～200 cm，最大水平位移为90 cm，墙体的水平位移为56.8 cm，墙体的最大竖向应力为10.5 MPa，出现在墙底。这些数据与有限元分析有可比性[7]。

6.4 柔性材料的研制以及均匀设计材料试验设计法和神经网络ANN模型的应用研究

“柔性”混凝土材料有2种：风化砂柔性材料和塑性混凝土。由风化砂、水泥、黏土、添加剂等组成的是一种新配制的无骨料防渗柔性材料。研究中采用先进的均匀设计理论，使3因素10水平的试验仅需进行10组配比试验即可达到全面试验的效果，大大节省了工作量。在这10组结果中，有3组配比的力学指标已达攻关要求，同时，这10组完整的配比试验数据也为下一步建立模型、指导配合比优选打下良好基础。然后，采用人工神经网络技术建立了配合比与力学性质参数的ANN预测模型，将模型的预测结果降维表达成简明直观的配合比图谱，根据此图谱的指导，只用一步便可优选出所需的柔性材料现场配合比。上述工作在国内外同一领域中尚未见报道。

塑性混凝土用于墙高最大的局部深槽段，以水泥、黏土、膨润土和粉煤灰为胶凝材料，根据围堰应力应变计算确定出材料指标，按正交设计理论进行了6因素5水平的初选配比研究→三阶段淘汰法优选配比→应力应变计算确定推荐配比的技术路线进行的。并摸索出塑性混凝土配方设计的规律性，为今后类似工作提供了一套经验。

图7 柔性材料配比图谱

均匀设计法是近年提出的一种非常适合于多水平的新试验设计方法，与正交设计相比，它可以大幅度降低试验工作量。在柔性混凝土研究中材料配比有3个因素，每个因素有9个水平，按均匀设计理论，只需做10组试验即可。神经网络模型ANN是为了建立柔性材料配合比(原材料含量)与其力学性质的关系而引入的,3个输入端系为原材料中的水泥、黏土和风化砂；2个输出端则为抗压强度(R28)和初始切线模量(Ei)。该模型用于指导施工配比的优化相当成功，按此设计出的现场配合比控制方法使用时得心应手(图7)，给施工带来很大方便。这些都是在大型工程中首次应用的[8]。

6.5 饱和-非饱和渗流分析以及非稳定渗流场分析

最早进行过围堰稳定饱和三维渗流分析，但因二期围堰是一个复杂的饱和-非饱和渗流区域，在有些条件下又是一个非稳定渗流场。因此，进行了三维饱和-非饱和渗流计算，确定非饱和计算参数，建立了三维非稳定计算模型，并对防渗墙开叉和裂缝等特殊状态开展了有限元计算和物理模型试验，分析缺陷对围堰安全的影响。

开叉分析表明，当开叉宽度为0.1～0.2 m时，开叉处浸润线分别抬高3.6 m和5.5 m，且只对开叉处50 m范围内的地下水有一定的影响，对100 m以外影响不大。开叉处砾石内水平渗流集中比降虽较高，达40～60，但集中渗流在墙后消散很快，墙后最大水平比降不到0.1，对安全不构成威胁。渗漏量增大也很有限，当开叉面积为0.2 m×12 m时，渗漏量仅增加7.5×10-3m3/s,对基坑涌水量影响有限。

6.6 围堰堰基地层剖面的概率分析方法探索

目前常用的地层剖面绘制方法比较简化，有一定近似性。研究中曾尝试采用概率分析方法进行地层剖面的绘制。鉴于钻孔之间的地质特征具有随机性，因此对钻孔资料进行统计，求得地层高程钻孔资料的均值和方差，并认为该指标将控制整个地层分界线(即推测曲线)的概率分布；其次，由随机函数产生随机值，并经线性变换产生一个符合正态分布的推测值(即推测点高程值)，此推测值必须满足下面2个条件才被认可，以便使推测曲线的统计特征尽可能与钻孔资料相应指标一致：①相邻点高差≤均方差×高差控制系数(K0)；②推测值与均值之差≤均方差×高差控制系数(K0)。以上推测值控制条件的满足，意味着推测曲线具有一定阶的马尔可夫特性。

本次对围堰基础范围内共9条纵横剖面的微风化层顶板进行了推测，其中坝轴线河床段微风化层顶板线与常规勘测方法所得的顶板线有所不同，河槽部位在坝轴线下方，概率方法的顶板线比常规的平均低5～8 m，而在其下游侧，又偏高几m。按概率剖面进行渗流分析的渗漏量比常规方法的大些，对本例，相差约25%左右，差别还是很显著的。这也是国内对地层剖面进行概率分析的初次尝试。

6.7 复合土工膜的防渗性能和土工织物淤堵特性研究

复合土工膜虽是膜与布的复合，但其性能却不是布与膜的简单叠加，即其力学性能优于布的性能，而防渗性能优于膜的性能。因为在布断裂前，复合膜的应力应变主要决定于布的特性，当布断裂后，由于膜的高延伸性，其后的应力应变关系与膜的相同。在工程应用中，除强调复合膜的整体强度和变形率外，还必需着重考虑其相对变形率，即膜与布的变形率之比，以减少复合土工膜设计中的盲目性。研究还发现，布的存在不仅能改善复合土工膜的强度，而且有利于改善膜破损时的渗流特性。复合膜中布和膜的复合紧密程度对其力学性质有显著的影响。

土工织物的淤堵特性和穿刺特性是土工织物应用中的难点。在研制梯度比试验仪和渗透仪的基础上，选用了有纺织物与无纺织物，并配合不同级配的砂和粉质黏土进行了一系列的淤堵试验。通过试验对试验用水、持续时间、被保护土粒径和级配及其密度，以及试验水头的影响有了新的认识。单纯一个梯度比GR<3.0的条件，并不能很好判别织物的淤堵情况。

6.8 土工膜的无损检测技术和土工织物应变量测设备的研制

土工膜变形量测技术的研制和复合土工膜现场无损检测对控制膜的铺设质量十分重要，但当时尚缺乏合适的设备。本次攻关重点研究了高压电测法用于施工现场的可能性，这种方法的理论依据是气体间隙放电或电容耐压击穿原理，其放电或击穿与所加的电压、极间距离、介质特性、电极形状等因素有关。借助于空气电离进行检测，因为在标准大气压下空气电离基本不存在，但当形成一定场强就能形成电离，改变空气的导电性能，这样就可探测土工膜缺陷的有关信息。经对土工膜试样进行测试试验表明，在膜有孔、无孔2种状态下，电参数R或i有明显差别，因此该法是可行的。高压探测设备电源可设计成mA级小功率型，故它不会因电弧放电而对膜构成破坏，也不会对人体安全带来威胁。

土工织物的变形量测是研制一种电阻式特种大应变计实现的。应变计长度为80 mm，应变测试量程达15%，选用能使应变计灵敏系数为常数的粘结胶，如D04胶或703胶，粘贴于土工织物上，保证应变计与织物的同步变形。研制了可靠的标定设备，测得了几种织物由电阻测试值换算的应变εs与实际织物的拉应变εi之间的相关系数为γ=0.997 5～0.999 7，表明相关性良好。这项工作是由中国科学院武汉岩土力学研究所为主完成的。

6.9 风化砂、淤积沙的动力特性和围堰抗震稳定性的研究

风化砂动力特性采用动三轴、共振柱等方法进行试验，获得动强度、动模量、最大剪切模量、G/Gmax-γ及D-γ关系、动孔压特性、Δu/σ'-N(振次)关系等参数。结果表明，其应力应变具硬化特性，强度具有显著的非线性。其他动力特性与一般砂性土相似。

对淤积沙也进行了动三轴试验，成果表明，在低密度时，动力特性和强度指标较差，但在上部堰体荷重下密度会明显提高，对抗液化有利。采用西特法判别，在天然状态及上游堰脚下5 m深度以上的淤砂有液化的可能。按现场测定的剪切波速与Vscr比较，显示了堰体坡脚外及上游堰体坡脚下也存在液化可能[9]。

根据非线性动力分析、等效线性化动力分析、土层反应分析、堰坡滑动稳定分析等，获得了堰体永久变形分布、动应力动变形分布、加速度分布、饱和砂土动孔隙水压力特性，以及可能产生滑动面的安全性指标。分析证明，堰体在地震下，整体是稳定的，局部的不稳定可采取压坡或围封等措施解决。西安理工大学对此项研究做了许多工作。

6.10 爆破振动对围堰的影响和振冲压密的现场研究

为研究二期围堰爆破施工时能承受的荷重，在一期围堰基坑进行了爆破效应的现场测试；研究了爆震作用下饱和淤砂的动力特性和孔隙水压力上升特性、动孔压与动应变关系、动应力与应变关系以及阻尼比特性等，并专门研制了爆震三轴仪。同时，在现场进行了堰体振动响应测试。依此分析了堰体的爆震稳定性。

根据一期围堰的现场测试，当一次起爆总装药量400～4 600 kg时，采用深孔梯段微差爆破及浅孔微差爆破技术，爆破效应基本上为各单响药量(16～644 kg)的爆破效应，各响效应不叠加，因此大大减少了爆震影响。研究表明，爆震效应的振动频率较高，爆震产生的孔压很小，孔压比均小于0.178，不会有爆震液化问题。根据设定的爆炸波作用，用萨尔玛法分析了堰坡的稳定，安全系数大于1.0，故围堰在爆震作用下是稳定的。

6.11 粗粒料力学性质的研究

为适应围堰大量使用粗粒料的现实，长江科学院研制了一系列大型仪器，如800 mm×800 mm×400 mm的大型平面应变仪和Ø500 mm的大型轴对称三轴仪，以及稍后的直接为500 mm大型流变试验仪、大型振动三轴仪，还筹备了试样直径为50 cm，高度达100 cm的大型叠环式渗压固结仪等，其中许多仪器为国内所仅有，在世界上也属少有。用这些仪器进行了级配模拟方法的对比研究，同时还利用大型仪器进行了粗颗粒破碎及其对强度特性影响的研究，并建立了新的能比方程来表达破碎的强度分量，对粗粒料的特性作了比较深入的理论研究，这也是一项以往研究不多的创新成果。对大型试验仪器的研制、粗粒料的性能研究及理论上的探索进行得如此广泛深入国内外都属少有。这些成果对高面板堆石坝设计也有良好的参考价值。

7 二期围堰经验对我国高围堰建设的意义

三峡二期深水高土石围堰的建设经验和创新研究成果具有普遍意义。在当前西部大开发的水电建设中，类似的高围堰越来越多，上述经验正在发挥着作用。正如华东水电勘测设计院白鹤滩设计同志最近说的:“八五科技攻关时期，三峡二期围堰的研究是国内乃至世界围堰技术研究的一座丰碑。解决了很多长期困扰围堰设计、施工的难题……针对围堰填料的性质、围堰结构形式、防渗材料研究、堰基粉细砂层和覆盖层的特性和处理等方面进行了深入研究，对围堰设计提供了若干新思路，确保了三峡二期围堰的安全运行。三峡二期围堰的研究工作如此全面，既包括了前期试验(水下抛填料的密度和坡角的离心模型试验、粗粒料的大型试验)、又包括基于有限元数值计算的围堰形式优化，还包括运行期的安全监测和反分析以及围堰拆除过程中许多问题的验证，此外还涉及很多特种监测仪器的研制，以至于后人在围堰设计的各方面、各阶段均有可参考对象，影响了一系列大型围堰的设计和施工，成为后续围堰设计的标杆。”[10](王永明博士后开题报告，2011年) 。这样的评价可能有点夸大，但二期围堰的建设经验和运行后的实物验证[11]给后续工程的参考作用，则是值得肯定的。

此外，在经济效益和人才培养方面成效也非常显著，据不完全统计,单由于墙体材料的优化效益对上游围堰一项的节省就达6 000万以上,至于它缩短了2～3个月的直线工期对汛期前工程达到挡水的要求,以及利用废料所带来的环境效益,则是非钱数可以计量的。

在三峡围堰研究和建设过程中长江科学院参加的人数达百余人。在长达18年的历程中,培养了整整一代土工专业的人才,使他们具有比较扎实的理论基础、系统的技术素养、广泛的工程知识和灵活的处理工程问题的能力，它将对长江科学院的未来产生持续的影响；另一方面,国内也有众多单位参与了有关的攻关研究,他们一方面带来了各自单位的经验，有助于研究水平的提高, 同时也把研究中的收获撒布到全国各地, 活跃了国内的学术交流, 它也会对我国土工专业的发展起有益的促进作用。

后记：参加三峡二期围堰试验研究和工程实践工作的有全国很多单位的专家、学者、工程师和其他科技人员，其中长江科学院人员主要有：包承纲、程展林、王明煜、冯光愈、刘松涛、刘思君、李思慎，吴昌瑜，郭熙灵、李青云、饶锡保、李玫、张家发、张伟、任大春、周小文、钱胜国等，当时在长江科学院的研究生吴为义、胡辉、张小平等也参加了研究工作。

参考文献：

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[2] 潘家铮.对二期围堰建设的评价[J].中国三峡建设(工程技术版)，1999,6(5):1-3.(PAN Jia-zeng.Evaluation on the Construction of 2nd Cofferdam[J].China Three Gorges Construction (Engineering Technology Press),1999,6(5):1-3.(in Chinese))

[3] 潘家铮.春梦秋雨录-浮生散记(第3版)[M].北京:中国水利水电出版社，2012.(PAN Jia-zeng.A Record of Spring Dreaming and Fall Raining (Third Edition)[M].Beijing: China Water Power Press, 2012.(in Chinese))

[4] 包承纲.二期围堰建设中若干关键技术问题的解决[J].中国三峡建设(工程技术版),1999，6(5)：32-36.(BAO Cheng-gang.Solution of Some Key Technology Issues for 2nd Stage Cofferdam Construction of TGP[J].China Three Gorges Construction (Engineering Technology Press), 1999，6(5)：32-36.(in Chinese))

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[7] 程展林，饶锡保，李 玫.三峡二期围堰填料特性和围堰断面的离心模型试验[J].中国三峡建设，1999，(5)：(CHENG Zhan-lin, RAO Xi-bao, LI Mei.Testing on Properties of Filling Materials and Centrifuge Test of Cofferdam Structure for 2nd Cofferdam of TGP[J].China Three Gorges Construction (Engineering Technology Press), 1999, (5)：.(in Chinese))

[8] 李青云， 张建红， 包承纲.风化花岗岩开挖弃料配制三峡二期围堰防渗墙材料[J].水利学报，2004，(11)： 114-118.(LI Qing-yun, ZHANG Jian-hong, BAO Cheng-gang.Study on Material of Diaphragm Wall Compound with Weathered Granite for 2nd Cofferdam in TGP[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2004, (11)：114-118.(in Chinese))

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[10] 王永明.华东勘测设计研究院博士后开题报告[R].杭州：华东勘测设计研究院，2011.(WANG Yong-mimg.Opening Report for Post Doctor Degree[R].Hangzhou: Huadong Institute of Investigation, Design and Research, 2011.(in Chinese))

[11] 李青云, 程展林.三峡工程二期围堰运行后的性状分析[J].岩土工程学报，2005，27(4)：410-413.(LI Qing-yun, CHENG Zhan-lin.Behavior Analysis of 2nd Cofferdam after Operating in TGP[J].Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(4):410-413.(in Chinese))