長(zhǎng)江科學(xué)院土工科研60年

包承綱，郭熙靈，程展林，c

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.科學(xué)技術(shù)委員會(huì);b.院長(zhǎng)辦公室;c.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 概述

長(zhǎng)江科學(xué)院(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)科院)土工研究專業(yè)作為該院最早建立的專業(yè)之一，已經(jīng)走過(guò)了60年的歷程。60年來(lái)，土工專業(yè)已由最初的一個(gè)試驗(yàn)組發(fā)展成為學(xué)科齊全、設(shè)備先進(jìn)、成果豐碩、人才濟(jì)濟(jì)的全國(guó)性大型土工研究機(jī)構(gòu);由最初的單一土壤物理力學(xué)性試驗(yàn)單位發(fā)展成為具有土的性狀研究、工程滲流、土工數(shù)值分析、土工離心模擬、地基處理與加固、特殊土(粗粒土、膨脹土、分散土等)研究與處理技術(shù)、原位試驗(yàn)與原型監(jiān)測(cè)等多個(gè)學(xué)科的綜合性土工研究機(jī)構(gòu);由當(dāng)初為設(shè)計(jì)部門提供一些簡(jiǎn)單的土工參數(shù)到能夠出色解決重大工程中土工疑難問(wèn)題的開創(chuàng)性工程研究機(jī)構(gòu)，并在國(guó)內(nèi)、外享有較好的聲譽(yù)。這個(gè)成長(zhǎng)過(guò)程主要是伴隨長(zhǎng)江治理和開發(fā)的進(jìn)程進(jìn)行的，同時(shí)也與參與國(guó)內(nèi)、外多項(xiàng)巖土工程的建設(shè)有關(guān)。它既適應(yīng)了長(zhǎng)江和我國(guó)大規(guī)模建設(shè)的需要，也反映了國(guó)內(nèi)、外土工科學(xué)近幾十年的發(fā)展和演變。

自新中國(guó)成立以來(lái)，長(zhǎng)江水利水電建設(shè)曾經(jīng)歷過(guò)不同的時(shí)期，土工研究工作也因而存在著幾個(gè)階段，每一階段有其不同的內(nèi)容和特點(diǎn)。從土工專業(yè)的成立到本世紀(jì)初期，大致可分為4個(gè)階段:初創(chuàng)階段、發(fā)展階段、擴(kuò)展階段和鞏固階段。本世紀(jì)以來(lái)，土工專業(yè)又有了新的發(fā)展，其特點(diǎn)是不同學(xué)科之間加強(qiáng)了結(jié)合、研究課題更加擴(kuò)大和深化、研究手段更加新穎和綜合化、業(yè)務(wù)范圍更加廣泛和細(xì)化。

2 發(fā)展歷程

2.1 初創(chuàng)階段

本階段從上世紀(jì)50年初至上世紀(jì)50年代未，以長(zhǎng)江堤防和平原建閘土工問(wèn)題的研究為主。

建國(guó)初期，為解決長(zhǎng)江洪水威脅，國(guó)家計(jì)劃興建荊江分洪工程，土工試驗(yàn)的任務(wù)隨即被提到議事日程。當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江水利委員會(huì)成立不久，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)尚無(wú)眉目，為應(yīng)急需，1951年10月，派出數(shù)名技術(shù)人員到武漢大學(xué)工學(xué)院，在馮國(guó)棟教授指導(dǎo)下進(jìn)行有關(guān)的土工試驗(yàn)工作。翌年，會(huì)同武漢大學(xué)土力學(xué)教研室組成近10人試驗(yàn)小組，連同試驗(yàn)設(shè)備，前往沙市設(shè)置了臨時(shí)土工實(shí)驗(yàn)室，從此揭開了長(zhǎng)江土工科研的歷史。荊江分洪工程和后來(lái)建設(shè)的漢江杜家臺(tái)分洪工程等規(guī)模巨大的平原水閘工程，以及幾千公里的長(zhǎng)江堤防都修建在近代沉積的軟土上，有許多復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，尤其是地基的承載力和建筑物的沉降問(wèn)題比較突出，由于天然地基往往不能滿足要求，就要進(jìn)行地基的加固處理。如杜家臺(tái)水閘地基采用預(yù)壓加固方法改善地基土的性能，經(jīng)大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證實(shí)，土的物理力學(xué)性質(zhì)均有不同程度提高，沉降很小，閘室最大沉降僅2.6 cm，岸墩為11.8 cm，該工程在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生明顯裂縫，效果很好，這在建國(guó)初期是一項(xiàng)重要的土工研究成果，被當(dāng)時(shí)土工界傳為美談。在荊江分洪工程中，在地基內(nèi)埋設(shè)了自制的孔隙壓力傳感器，監(jiān)視地基土層內(nèi)孔隙水壓力的變化，在當(dāng)時(shí)也是絕無(wú)僅有的。

荊江大堤是富饒的江漢平原的生命線，但其千里堤防是幾百年來(lái)逐漸堆筑而成，質(zhì)量極不均勻，汛期險(xiǎn)情迭出，自古有“萬(wàn)里長(zhǎng)江險(xiǎn)在荊江”的警語(yǔ)。60年來(lái)，土工專業(yè)始終把加固大堤，保證安全，作為自己的重大責(zé)任。歷年完成了荊江大堤地基涌水翻砂險(xiǎn)情的調(diào)查，廖子河、觀音寺、沙市馬王廟等堤段整治的土工試驗(yàn)，并配合完成荊江裁彎工程、荊北放淤工程的有關(guān)工作。水閘和堤防建設(shè)中的另一個(gè)重要問(wèn)題是閘基和堤基的滲流控制，這在當(dāng)時(shí)也是一個(gè)新問(wèn)題。為了降低閘基的揚(yáng)壓力和減小堤后的滲透壓力，采用了減壓井的措施，如在羅漢寺、觀音寺閘基及廖子河堤基等應(yīng)用中都比較成功。為了延長(zhǎng)減壓井的壽命，還摸索改進(jìn)了減壓井的一些設(shè)計(jì)措施和施工方法。這些工作也成為98’洪水后，在國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)下開展的長(zhǎng)江堤防大規(guī)模整治加固工程中減壓井專題研究工作的重要基礎(chǔ)。

除此以外，在初期階段，還對(duì)長(zhǎng)江流域部分地區(qū)的土壤進(jìn)行了調(diào)查，為今后的發(fā)展積累了基礎(chǔ)資料。

在這一階段，土工專業(yè)圍繞長(zhǎng)江防洪急需的工程開展了大量的試驗(yàn)研究工作，既滿足了工程的需要，也培養(yǎng)了第一批技術(shù)骨干，機(jī)構(gòu)也隨之不斷擴(kuò)大，1955年以后，土工實(shí)驗(yàn)室成立，并逐漸增設(shè)土工、滲流、化學(xué)等專業(yè)組，人員增至近30人。由此，基本形成了較健全的土工試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的雛形。

2.2 發(fā)展階段

本階段從上世紀(jì)50年代后期到上世紀(jì)60年代末，工作內(nèi)容以土石壩的土工問(wèn)題為主，其特點(diǎn)是向試驗(yàn)研究型的科研機(jī)構(gòu)發(fā)展。

在這一時(shí)期，長(zhǎng)江在進(jìn)行治理的同時(shí)，也著手開始流域的開發(fā)工作。一批大中型水利水電工程開始興建。其中如鴨河口工程為土壩工程，丹江口、陸水工程中也有相當(dāng)規(guī)模的土壩壩段。因此，土工專業(yè)的工作重點(diǎn)也轉(zhuǎn)到以土石壩土工問(wèn)題為主的試驗(yàn)研究上，研究的內(nèi)容有各種壩料的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，填土的壓實(shí)性能和壓實(shí)參數(shù)選擇，土壩邊坡穩(wěn)定分析中強(qiáng)度參數(shù)和分析方法的確定，土壩和壩基的滲流狀態(tài)分析和控制措施等。

鴨河口主壩填料為壤土，性質(zhì)比較一般，易于使用。但陸水8#副壩填土是一種網(wǎng)紋狀黏土，性質(zhì)比較特殊，這是一種經(jīng)過(guò)“紅土化”沉積作用的紅色黏土，土的重度雖然較低，但強(qiáng)度卻較高，工程性質(zhì)較好。根據(jù)微觀分析，其中的氧化鐵等膠結(jié)物質(zhì)將細(xì)粒膠結(jié)成為穩(wěn)固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，是造成重度低、強(qiáng)度高的主要原因。通過(guò)對(duì)陸水蒲圻紅色黏土宏觀與微觀相結(jié)合的研究，不僅對(duì)這種土的工程性質(zhì)有較深的了解，而且體會(huì)到微觀－宏觀相結(jié)合的研究方法對(duì)巖土工程的意義。

丹江口樞紐左岸土壩最大壩高56 m，長(zhǎng)1 200 m，大壩分為幾個(gè)壩段，每個(gè)壩段又根據(jù)情況選用了心墻壩、斜墻壩、礫石土均質(zhì)壩以及鄰接混凝土壩的連接段等壩型。填料種類很多，性質(zhì)也很復(fù)雜，比較特殊的有:礫石含量較高的礫石土、不易壓實(shí)的輕粉質(zhì)壤土、高含水率的黏土、紅層的風(fēng)化溶濾殘積土以及風(fēng)化花崗巖石碴等。通過(guò)這些填料性質(zhì)的研究和其中疑難問(wèn)題的解決，使我們對(duì)土的壓實(shí)性質(zhì)、土的天然含水率的工程意義、土的力學(xué)性質(zhì)與其物理性質(zhì)和物質(zhì)成分的關(guān)系、粗粒土的工程性質(zhì)的研究方法及其力學(xué)性質(zhì)、土的施工壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定等土力學(xué)的一些基本問(wèn)題有了較深刻的認(rèn)識(shí)。在利用礫石土作為土壩防滲料的重大課題上，花了很多力量在室內(nèi)外進(jìn)行了滲透性能和滲透變形的研究，得出了可以用作防滲體和如何利用的結(jié)論，這在國(guó)內(nèi)也是第一次，在這項(xiàng)工作中中國(guó)水利水電科學(xué)研究院也派員共同參加研究。

與此同時(shí)，本階段還在一些土力學(xué)的前沿課題上開始了探索，如非飽和土的基本性質(zhì)、土的結(jié)構(gòu)性的物理化學(xué)基礎(chǔ)、土的滲透破壞的研究等，開創(chuàng)了我國(guó)土工研究的先河，也為日后長(zhǎng)科院土工專業(yè)在國(guó)內(nèi)水利界的地位創(chuàng)造了條件?？傊?，這一階段的特點(diǎn)是土工專業(yè)由以試驗(yàn)為主轉(zhuǎn)向以試驗(yàn)研究型為主的階段，探索了一套工作方法，培養(yǎng)了一批研究人才，建立了一些可以進(jìn)行重大課題研究的試驗(yàn)設(shè)備，為今后在土工工程上的開拓發(fā)展，打下了重要的基礎(chǔ)。

2.3 擴(kuò)展階段

本階段從上世紀(jì)70年代到上世紀(jì)90年代，其主要任務(wù)是以軟巖泥化夾層和膨脹土等為主的特殊土性狀研究，這是一個(gè)深化、擴(kuò)展的階段。

從上世紀(jì)70年代文化大革命后期，土工工作的重點(diǎn)是配合葛洲壩、青山、彭水、隔河巖、構(gòu)皮灘等水利工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工開展研究工作。認(rèn)識(shí)天然條件下葛洲壩大壩基巖中軟弱泥化夾層和其他結(jié)構(gòu)不連續(xù)面的物理和力學(xué)特性、滲流特性，對(duì)未來(lái)蓄水運(yùn)行后由于力學(xué)或者物理化學(xué)的因素所致的可能演變進(jìn)行預(yù)測(cè)，是擺在巖土工作者面前的重大挑戰(zhàn)。對(duì)于該項(xiàng)全新的課題，土工專業(yè)幾乎傾全部的力量，從宏觀、細(xì)觀和微觀的層面上，進(jìn)行了系統(tǒng)深入的多學(xué)科綜合研究，運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、土工學(xué)、工程力學(xué)、工程滲流學(xué)、礦物學(xué)、膠體化學(xué)、流變學(xué)等學(xué)科的基本理論，由土工、滲流、土質(zhì)3個(gè)專業(yè)緊密配合，采用室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、短期與長(zhǎng)期等多種方法和手段，重點(diǎn)研究了殘余強(qiáng)度與長(zhǎng)期強(qiáng)度、流變特性與動(dòng)力特性、滲流特性及滲控措施、物質(zhì)成分和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)工程性質(zhì)的影響，在滲水作用下土的各種物理化學(xué)性質(zhì)變化以及夾層性狀的演變趨勢(shì)等，獲得了豐富的創(chuàng)新成果。上述成果不僅為工程設(shè)計(jì)所需的現(xiàn)狀參數(shù)和長(zhǎng)期參數(shù)的確定提供了依據(jù)，并且也發(fā)展了巖土工程的某些基本理論，還對(duì)巖土力學(xué)的宏觀與細(xì)微觀相結(jié)合的研究方法提供了有用的經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，這個(gè)重大課題的研究，使長(zhǎng)科院土工專業(yè)的水平上了一個(gè)新的臺(tái)階。

上世紀(jì)70年代初，在南水北調(diào)工程引丹陶岔渠道邊坡中遇到了膨脹土問(wèn)題，即使在相當(dāng)平緩的開挖邊坡中，在施工期間或竣工后一段時(shí)間，仍發(fā)生了多達(dá)十幾處大型滑坡。這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)，不僅影響陶岔渠段的運(yùn)用，更預(yù)示南水北調(diào)中線工程的后續(xù)建設(shè)必需直面這個(gè)難題，因?yàn)樵谡麄€(gè)中線干渠中膨脹土渠段的總長(zhǎng)超過(guò)300 km。

膨脹土是一種特殊土，它的膨脹性、裂隙性和超固結(jié)性等特性，使它成為土工工程中的世界性難題。在陶岔引渠建設(shè)初期，對(duì)這種土的性質(zhì)研究不夠，認(rèn)識(shí)不足，沒(méi)有采取針對(duì)性措施，直到問(wèn)題發(fā)生后，亡羊補(bǔ)牢，立即開展了膨脹土的特性研究，以及事故處理措施的調(diào)查和探索。在研究中發(fā)現(xiàn)，這種土含有較多的膨脹性礦物，同時(shí)，由于超固結(jié)的影響存在許多不規(guī)則的裂隙面，當(dāng)開挖卸荷后裂隙面會(huì)張開，影響邊坡的穩(wěn)定。另外，土層中還存在層間結(jié)合面和老滑動(dòng)面，它們也會(huì)成為滑動(dòng)的弱面，而且這些滑面上的土體強(qiáng)度可能已處于殘余狀態(tài)。為了確定其強(qiáng)度參數(shù)，土的殘余強(qiáng)度的研究被提到議事日程。用原狀土、液限土、人工制備裂隙面或滑動(dòng)面進(jìn)行殘余強(qiáng)度或軟化強(qiáng)度試驗(yàn)的研究在當(dāng)時(shí)也是一項(xiàng)新的工作。與此同時(shí)，對(duì)膨脹土作為填料的填筑參數(shù)也進(jìn)行了探索研究，并將成果用于若干地方小型工程。另外，與國(guó)內(nèi)其他單位一起對(duì)膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，并參與了國(guó)內(nèi)第一本膨脹土規(guī)范的編制工作。

2.4 鞏固階段

本階段從上世紀(jì)90年代持續(xù)到本世紀(jì)初期，主要特點(diǎn)是圍繞三峽二期深水圍堰工程進(jìn)行深入的、先進(jìn)的綜合性研究，以及隨之展開的世界第一高面板堆石壩水布埡工程的土工難題研究，同時(shí)將業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展到其它土木工程領(lǐng)域，這是一個(gè)相對(duì)比較成熟的階段。

二期圍堰是三峽土建工程中最具挑戰(zhàn)性的2項(xiàng)工程之一(另一項(xiàng)為船閘高邊坡)，通過(guò)這項(xiàng)工作的研究，不僅解決了深水圍堰的許多技術(shù)難題，保證了圍堰的成功建設(shè)和順利抵抗98’大洪水，使圍堰技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，正如著名的水利水電專家、三峽公司技委會(huì)主任潘家錚院士所評(píng)價(jià)的“二期圍堰基本上做到了滴水不漏，‘固若金湯’。從眾多因素綜合分析，三峽工程二期圍堰建設(shè)就總體而言無(wú)疑已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”，“在極其嚴(yán)峻的水文、地質(zhì)、工期條件下，二期圍堰的建成標(biāo)志著中國(guó)水利水電建設(shè)又登上新的臺(tái)階，躋身于國(guó)際先進(jìn)水平，值得慶賀”(潘家錚，1995年5月)。

在完成工程科研的同時(shí)，也獲得了一批創(chuàng)新的成果，并培養(yǎng)了一大批技術(shù)骨干。三峽圍堰研究邀請(qǐng)和組織了國(guó)內(nèi)十幾家著名巖土研究單位和高校共同參與，因此，通過(guò)這項(xiàng)工作也確立了長(zhǎng)科院土工專業(yè)在國(guó)內(nèi)巖土界的地位。

水布埡水電站壩基的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，填料選擇受到很多限制，壩型的確定成為一個(gè)難題。土工研究所與勘測(cè)設(shè)計(jì)單位一起，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的碾壓試驗(yàn)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開展了大量填料試驗(yàn)研究，通過(guò)滲流計(jì)算和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算開展了心墻壩、面板堆石壩的對(duì)比研究，為最終選擇混凝土面板堆石壩壩型提供了重要的科學(xué)依據(jù)。此后，土工研究所繼續(xù)圍繞其面板堆石壩開展了深入研究，為工程設(shè)計(jì)、施工和蓄水安全鑒定與驗(yàn)收提供了重要的科技支撐，同時(shí)為我國(guó)高壩工程的建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)，也為以后參與長(zhǎng)江上游多座高壩的建設(shè)打下了基礎(chǔ)。

在上述研究成果中具有創(chuàng)新意義的有:

①利用離心模型試驗(yàn)新技術(shù)確定了60m水深下拋填風(fēng)化砂的密度和坡角。

②應(yīng)力應(yīng)變有限元分析的作用與發(fā)展在國(guó)內(nèi)達(dá)到了空前的規(guī)模和效果。

③柔性墻體材料的研制和施工控制方法得到發(fā)展。這種材料針對(duì)三峽圍堰的需要而研制，其性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，而且利用了開挖棄料，價(jià)格低廉。

④復(fù)合土工膜在防滲心墻中的應(yīng)用開創(chuàng)了土工合成材料在大型水利工程中成功實(shí)踐的先例。

⑤對(duì)淤砂和風(fēng)化砂的動(dòng)力特性及其綜合處理措施進(jìn)行了研究。

⑥開展了粗粒料性能的研究和大型試驗(yàn)設(shè)備的研制。

⑦配合有關(guān)單位參與了新的施工設(shè)備的研制和引進(jìn)、改造與利用工作，并創(chuàng)造了新的施工方法和工藝技術(shù)。

⑧此外，還專門在圍堰拆除過(guò)程中對(duì)圍堰工作狀況進(jìn)行取樣研究和驗(yàn)證分析，獲得了十分寶貴的資料，解決了以往長(zhǎng)久存在的一些疑難問(wèn)題，如砼防滲墻外的泥皮情況等，這也是絕無(wú)僅有的成果。

在這一時(shí)期中，圍繞三峽工程的研究對(duì)象還包括永久船閘邊坡、大壩基礎(chǔ)、地下廠房的滲流場(chǎng)和滲流控制措施，研究成果為工程設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，也發(fā)展了滲流場(chǎng)的研究方法和工具。針對(duì)永久船閘和圍堰工程開展了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作，積累了重要的第一手資料，通過(guò)工程實(shí)踐加深了對(duì)工程特性的認(rèn)識(shí)。

在本階段，為適應(yīng)全國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的新形勢(shì)，除了完成本部門工作外，還向民航和交通部門的巖土工程擴(kuò)展。深圳機(jī)場(chǎng)跑道淤泥地基的處理方法是一個(gè)新課題，土工所與設(shè)計(jì)部門一起，解決了其中重要的技術(shù)難題，在機(jī)場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域站住了腳跟，為以后參與珠海、桂林、昆明、神農(nóng)架等多個(gè)機(jī)場(chǎng)的建設(shè)，開了“方便之門”。在高速公路方面的工作也十分突出，以廣佛公路成功實(shí)踐為契機(jī)，為以后的岱黃、漢宜、黃黃等一系列公路土工研究任務(wù)的開展創(chuàng)造了條件。

2.5 創(chuàng)新發(fā)展階段

從本世紀(jì)以來(lái)，土工科研又進(jìn)行了許多新的開拓，取得了一些有意義的新成果，勢(shì)頭很好，前途無(wú)限，可以預(yù)見，這將是一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的階段。

在土力學(xué)方面，主要表現(xiàn)在:①研制和添置了許多先進(jìn)的新設(shè)備，如建成新的離心試驗(yàn)機(jī)、研制了一系列大型流變儀、大型疊環(huán)式剪力儀等大型儀器，建造了大型物理模型試驗(yàn)槽，建立了新型的功能優(yōu)異的CT機(jī)試驗(yàn)室，改進(jìn)了國(guó)內(nèi)僅有的大型平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)機(jī)等。這樣規(guī)模和速度的試驗(yàn)儀器更新和發(fā)展，在以往是從來(lái)沒(méi)有過(guò)的，同時(shí)也預(yù)示前一時(shí)期經(jīng)濟(jì)大潮對(duì)科研沖擊的不良影響已基本扭轉(zhuǎn);②科研工作繼續(xù)取得重要成果，針對(duì)南水北調(diào)中線工程膨脹土開展室內(nèi)試驗(yàn)、離心模型和靜力模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等，弄清了膨脹土的地質(zhì)特性、力學(xué)性質(zhì)、對(duì)工程的危害以及處理方法等一系列有意義的成果，對(duì)保證工程的安全有重要的作用，有關(guān)研究正在繼續(xù)深入中。針對(duì)水布埡面板堆石壩工程的研究工作為工程順利完工做出了貢獻(xiàn)，研究成果是湖北省科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)有關(guān)水布埡工程成果的重要組成內(nèi)容;③一些有新意的研究成果正不斷涌現(xiàn)，如粗粒土的研究已進(jìn)入到宏觀與細(xì)微觀緊密結(jié)合的階段，在變形和剪切過(guò)程中組構(gòu)的演變及對(duì)力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系有了新的認(rèn)識(shí)，以此建立的新的三變量本構(gòu)關(guān)系，別具新意。

在滲流領(lǐng)域，近年也取得卓有成效的發(fā)展:①三峽工程圍堰、壩基、永久船閘邊坡、地下水廠房滲流場(chǎng)及滲控措施的研究，為樞紐工程滲流控制體系的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，工程運(yùn)行情況也已經(jīng)驗(yàn)證了研究成果的可靠性;②長(zhǎng)江重要堤防加固工程滲流控制措施的研究，不僅為十幾項(xiàng)堤防工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，而且在管涌擴(kuò)展規(guī)律、防滲墻的滲流控制效果和論證方法、減壓井的淤堵機(jī)理和應(yīng)對(duì)措施等方面取得了重要進(jìn)展;③關(guān)于水布埡面板堆石試驗(yàn)，研究了全級(jí)配填料的滲透變形特性和反濾效果，分析了各種不利工況下大壩的滲流場(chǎng)分布，論證了大壩滲流控制體系的有效性，并已經(jīng)通過(guò)工程運(yùn)行得到驗(yàn)證;④關(guān)于南水北調(diào)中線工程的研究，為穿漳工程、興隆樞紐工程、引江濟(jì)漢進(jìn)口段工程基坑的滲流控制措施設(shè)計(jì)方案選取和運(yùn)行方案的制定提供了重要依據(jù)，論證了總干渠不同地質(zhì)條件下的滲流控制方案，分析了在施工期、運(yùn)行期和檢修期保障工程安全的效果，目前正在研究長(zhǎng)期運(yùn)行和檢修工況下的運(yùn)行維護(hù)方案。

目前，土工專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍越加壯大，新的血液不斷補(bǔ)充，培養(yǎng)了大量的研究生，隊(duì)伍的整體素質(zhì)逐步提高，研究人員的年齡許多都在40歲以下，他們具有較高的學(xué)歷、充沛的精力、良好的知識(shí)基礎(chǔ)、積極向上的精神，若再經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐鍛煉并打好專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，未來(lái)不可限量，他們是長(zhǎng)科院土工專業(yè)的希望。

3 主要學(xué)術(shù)成就

土工專業(yè)60年的歷程，不僅完成了許多工程任務(wù)，同時(shí)也取得了許多學(xué)術(shù)上的成就。事實(shí)上，工程上的生產(chǎn)任務(wù)與學(xué)術(shù)上的研究工作并不矛盾，兩者可以兼得。高水平地完成生產(chǎn)任務(wù)就必然含有創(chuàng)新的學(xué)術(shù)成果，這一方面與任務(wù)的性質(zhì)和規(guī)模有關(guān)，但主要還是取決于研究者的素質(zhì)與意愿。還有一個(gè)關(guān)鍵因素是領(lǐng)導(dǎo)者的要求，高要求往往可以成為參與者上進(jìn)動(dòng)力的不懈源泉。當(dāng)然，這里面還有一個(gè)條件問(wèn)題，但條件是可以逐漸創(chuàng)造、逐步完備的。

長(zhǎng)科院所承擔(dān)的任務(wù)往往是大工程中迫切的、比較困難的課題，一般不是用常規(guī)或現(xiàn)成的技術(shù)可以解決的，客觀上也要求采用新理論、新方法、新材料去解決工程問(wèn)題，并在運(yùn)用過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新這些新技術(shù)。生產(chǎn)和科研是統(tǒng)一的，關(guān)鍵在于人的素質(zhì)，這就是我們長(zhǎng)期的體會(huì)和結(jié)論。

3.1 黏性土的性質(zhì)和壓實(shí)黏性土的研究

黏性土是工程中最常見的一種土類，對(duì)此研究也比較多，我們的重點(diǎn)在于它的強(qiáng)度特性，包括不同狀態(tài)下和不同應(yīng)用條件下的強(qiáng)度。除常規(guī)三軸試驗(yàn)外，我們還是國(guó)內(nèi)最早研究平面應(yīng)變下的強(qiáng)度并第一批自己研制有關(guān)儀器的單位之一。同時(shí)，在殘余強(qiáng)度、重復(fù)剪應(yīng)力作用下的強(qiáng)度等方面也有新的認(rèn)識(shí)，特別值得提到的是黏土強(qiáng)度與它的礦物成分和結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系，結(jié)合葛洲壩基泥化夾層的深入研究，做出了創(chuàng)新工作。研究發(fā)現(xiàn)，黏土的蒙脫石對(duì)土的強(qiáng)度影響較大，并獲得了不同蒙脫石含量與強(qiáng)度的線性定量關(guān)系。在這過(guò)程中運(yùn)用X射線衍射分析、電子顯微鏡、陽(yáng)離子交換量、硅鋁率、全鉀測(cè)定的綜合分析法進(jìn)行黏土礦物定量鑒定是一個(gè)創(chuàng)新成果，對(duì)了解黏土的本質(zhì)很有幫助。同時(shí)，在土的微細(xì)觀研究中，還對(duì)某些試驗(yàn)的方法有了改進(jìn)和創(chuàng)新，如化學(xué)全量分析法、EDTA容量測(cè)定法、比表面的甘油吸附法、動(dòng)電電位的微觀電泳法、用電鏡復(fù)型法研究土的結(jié)構(gòu)特征、巖土表面電荷密度的測(cè)定、室內(nèi)外氧化還原電位測(cè)定、游離氧化物的選擇溶解和測(cè)定方法等。土的微細(xì)觀的研究是我院土工專業(yè)的一大特色，它不僅解釋了土的現(xiàn)狀特性，而且科學(xué)地預(yù)測(cè)工程長(zhǎng)期運(yùn)用后性狀的演變，對(duì)工程的決策意義很大。從黏土的礦物組成、結(jié)構(gòu)特征和工程性質(zhì)三者的復(fù)雜關(guān)系出發(fā)，認(rèn)定疊片體(Domain)是黏土礦物在土中存在的基本形式，也是黏性土結(jié)構(gòu)的主要基本單位。所以黏土的性質(zhì)不能僅從礦物學(xué)角度著眼，必須結(jié)合土的結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)一考慮?？傊?，有關(guān)土的工程特性微觀解釋方面的成就，是對(duì)土的工程性質(zhì)研究領(lǐng)域的一個(gè)貢獻(xiàn)，在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)是有地位的。

黏土的壓實(shí)是一個(gè)老問(wèn)題，但我們?cè)诘そ陴ば酝撂盍系鹊难芯恐?，獲得了新的成果。

研究發(fā)現(xiàn)，黏性土料場(chǎng)中，土的天然含水量是一個(gè)非常重要的特性和指標(biāo)。如果料場(chǎng)不是在地下水位以下的土層，也不是水田、魚塘等受人為影響的土層，則天然土層是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的沉積或存在，其內(nèi)部的含水量已達(dá)到平衡，這個(gè)含水量是由性質(zhì)所決定的，是土所需要的，在這個(gè)含水量下進(jìn)行壓實(shí)，其性質(zhì)最為穩(wěn)定，我們稱這個(gè)含水量為平衡含水量。據(jù)測(cè)定，其值接近于土的塑性值。大氣會(huì)對(duì)土層的含水量產(chǎn)生影響，但據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)，其影響深度約在0.6 m左右。為此我們?cè)诹蠄?chǎng)勘探中，著重進(jìn)行天然含水量的調(diào)查，并建立土層中不同含水量的土與儲(chǔ)量的關(guān)系，并由此計(jì)算可用的土方量。

關(guān)于壓實(shí)功能，在上世紀(jì)50，60年代也有一種觀點(diǎn)，認(rèn)為用大功能、高密度才是好質(zhì)量。其實(shí)不然，我們認(rèn)為，應(yīng)先進(jìn)行不同功能下的擊實(shí)試驗(yàn)，求得最優(yōu)含水量與其塑性相近的那個(gè)功能，才是該土的適用擊實(shí)功能。這樣壓實(shí)的土性質(zhì)最穩(wěn)定，壓實(shí)也較容易。例如在丹江口填料中，一種料的適用擊實(shí)功能與目前標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能(25擊)一致，而另一種料則采用較輕的15擊更為適用。

上述的觀點(diǎn)雖沒(méi)有深?yuàn)W的理論，卻很實(shí)用，也很成功，這是在傳統(tǒng)的做法基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。

3.2 特殊土的工程性質(zhì)研究

我們研究過(guò)的特殊土包括:粗粒土、膨脹土、紅土、分散土、風(fēng)化石渣以及軟巖泥化土等。

粗粒土的研究始于丹江口土壩工程，為探索粗粒含量達(dá)60%以上的礫石土的性質(zhì)和作為防滲料的可能性，在室內(nèi)外進(jìn)行了大量的物理性質(zhì)、物質(zhì)成分和強(qiáng)度、變形、防滲性能的研究，歷時(shí)5年以上。其間，在國(guó)內(nèi)第一次提出了一套粗粒土的試驗(yàn)研究方法和工程性質(zhì)評(píng)價(jià)方法。粗粒土的后續(xù)研究是為三峽圍堰風(fēng)化料而進(jìn)行的，其間，研究了平面應(yīng)變下的強(qiáng)度特性和顆粒破碎的問(wèn)題。深入的研究是從90年代圍繞面板堆石壩而展開的，針對(duì)當(dāng)時(shí)世界最高的水布埡面板堆石壩開展了壓實(shí)試驗(yàn)、強(qiáng)度和蠕變?cè)囼?yàn)以及本構(gòu)關(guān)系的研究，提出了三變量本構(gòu)模型、九參數(shù)蠕變模型、濕化模型，尤其是對(duì)堆石在受力后組構(gòu)的變化采用CT技術(shù)進(jìn)行研究，開辟了粗粒料研究的一個(gè)新的領(lǐng)域，發(fā)揚(yáng)了我院把微細(xì)觀研究與工程性質(zhì)緊密結(jié)合的傳統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外也是一個(gè)創(chuàng)新。

膨脹土的研究始于70年代，南水北調(diào)中線工程開工后，膨脹土的研究成為一項(xiàng)主要工作。研究的主要成就包括:在膨脹土(巖)裂隙性方面取得突破性認(rèn)識(shí)，提出了邊坡破壞的2種模式及力學(xué)機(jī)制，提出了新的穩(wěn)定分析方法和強(qiáng)度、變形參數(shù)的確定方法，提出了膨脹土渠坡處理技術(shù)，解決了膨脹作用下淺層失穩(wěn)的渠道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。這樣的研究深度在國(guó)內(nèi)外也是不多的。

紅土的研究是為陸水8#副壩填料而展開的，除研究物理、力學(xué)性質(zhì)外，重點(diǎn)研究了礦物、化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性和顆粒分散性，弄清了紅土低密度、高強(qiáng)度的原因是黏土礦物和水化的鐵化合物質(zhì)對(duì)其結(jié)構(gòu)性起了主導(dǎo)作用。紅土顆粒呈多元粒團(tuán)單元聚集狀態(tài)，這是紅土不易分散的原因。研究認(rèn)為，紅土筑壩不必追求高密度，但應(yīng)注意壓實(shí)均勻性。

分散土是一種易被水沖蝕崩解的特殊土，在若干援外工程和國(guó)內(nèi)某些大壩土料中遇到。經(jīng)過(guò)摸索采用多種非常規(guī)試驗(yàn)，尤其是針孔試驗(yàn)后，認(rèn)為土中存在易于分散的納蒙脫石類礦物是其物質(zhì)基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是土粒間物理化學(xué)連接在水的作用下破壞的過(guò)程，這樣的研究在國(guó)內(nèi)也屬首次。

軟巖泥化夾層的特性及其在工程運(yùn)用年代中的可能變化的研究是具開創(chuàng)性的成果，在國(guó)內(nèi)屬首次，在國(guó)外也不多見。這項(xiàng)成果最主要的學(xué)術(shù)價(jià)值在于把微觀與宏觀相結(jié)合的研究成功地用于解決工程問(wèn)題，把土力學(xué)的研究與工程地質(zhì)、物理化學(xué)、礦物學(xué)和工程力學(xué)的方法結(jié)合起來(lái)，開闊了土力學(xué)研究的視野，對(duì)土力學(xué)的未來(lái)發(fā)展是一個(gè)良好的啟示。

3.3 滲透變形的理論和滲流分析模擬技術(shù)

滲流問(wèn)題對(duì)水利工程的意義是不言而喻的，但國(guó)內(nèi)對(duì)滲流進(jìn)行深入研究的單位并不很多。我院的滲流學(xué)科對(duì)滲透變形的研究頗有成就，值得提出的有:研究了無(wú)黏性土滲透變形的形式，尤其是建立了軟弱夾層滲透變形類型的理論，即流土、沖刷、灌淤及滲透劈裂，給出了它們的定義和發(fā)生的機(jī)理，并且建立了滲透變形過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)對(duì)各種滲透變形的試驗(yàn)方法、判別標(biāo)準(zhǔn)以及控制措施也有相應(yīng)的成果。研究表明，滲透變形不一定導(dǎo)致滲透破壞。砂礫石的滲透破壞不僅與相對(duì)滲徑有關(guān)，而且與絕對(duì)滲徑有關(guān)。

在滲流場(chǎng)模擬技術(shù)上也有一系列的創(chuàng)新。上世紀(jì)六、七十年代，電腦尚未應(yīng)用，故電擬試驗(yàn)是一種解決滲流問(wèn)題的有效方法，我院滲流工作者在60年代，先后研制了相敏電擬儀、音頻相敏儀和脈沖電擬儀，以及后來(lái)國(guó)內(nèi)唯一的電力積分儀，稍后又建立了一個(gè)7 200結(jié)點(diǎn)的三維電阻網(wǎng)模擬計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)是國(guó)內(nèi)唯一的大容量、可求解三維滲流場(chǎng)的儀器。

考慮到無(wú)黏性土顆粒分布的隨機(jī)性，60年代提出用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)分析土的滲透變形，建立了隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，形成了隨機(jī)滲流學(xué)的雛形。

在滲控措施上，采用減壓井降低堤后滲透壓力的辦法，并引入土工合成材料作減壓井，以延長(zhǎng)它的壽命。這種結(jié)構(gòu)用于葛洲壩二、三江泄水閘閘基滲控方案，取得了很大的成功。自1998年興起的長(zhǎng)江重要堤防工程建設(shè)高潮中，再次針對(duì)減壓井淤堵機(jī)理及其應(yīng)對(duì)措施開展了系列研究，取得的可拆換減壓井專利技術(shù)和一系列達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平的成果。

為適應(yīng)高壩建設(shè)的需要，研制了大型滲透變形和反濾試驗(yàn)儀器，開展了全級(jí)配粗粒料的試驗(yàn)，建設(shè)了系列供水系統(tǒng)，最大供水壓力和供水流量分別可以達(dá)到8 kg/cm2和10 L/s，從而具有了研究300 m級(jí)超高土石壩填料滲透變形特性和反濾效果的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

研究的問(wèn)題已由壩工滲流逐步拓展到多種地下水問(wèn)題，包括滑坡、邊坡、地下洞室圍巖滲流場(chǎng)及其控制，水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)與對(duì)策措施，防滲排水措施對(duì)地下水環(huán)境的影響，地下水資源和環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)，地下水資源和水源地的管理與保護(hù)等。

3.4 非飽和土性質(zhì)的研究

地球上絕大部分的土都是非飽和土，尤其像膨脹土、黃土、殘積土等特殊土，填埋場(chǎng)垃圾，油氣層土壤等常處于非飽和狀態(tài)，但因其性質(zhì)十分復(fù)雜，而且研究不多，工程上常當(dāng)作飽和土處理。經(jīng)典的太沙基土力學(xué)也嚴(yán)格地限定在飽和土的范圍。國(guó)內(nèi)有關(guān)非飽和土的研究成果在改革開放之前只有2篇:1篇出自水科院，另1篇出自長(zhǎng)科院。我院于70年代初，結(jié)合丹江口工程開展了非飽和壓實(shí)黏土的試驗(yàn)研究，首次在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了非飽和壓實(shí)土的特性、孔壓變化和氣滲性試驗(yàn)，并依此提出了非飽和土4種氣相形態(tài)及其隨飽和度的變化而相互轉(zhuǎn)化的理論，在國(guó)內(nèi)第三屆土力學(xué)大會(huì)上引起很大反響。其后，又繼續(xù)對(duì)非飽和土的有效應(yīng)力原理問(wèn)題、變形和強(qiáng)度特性、工程應(yīng)用問(wèn)題等進(jìn)行研究，并以此為題在2004年第7次《黃文熙講座》上作了報(bào)告。長(zhǎng)科院至今仍然保持著這個(gè)領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)中的地位。

3.5 地基工程可靠度分析方法研究

可靠度分析方法采用非確定性數(shù)學(xué)概率統(tǒng)計(jì)理論來(lái)解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，是與目前流行的確定性方法相對(duì)的另一條設(shè)計(jì)途徑。與確定性方法的大老K(單一安全系數(shù))不同，可靠度分析方法采用失效概率作為結(jié)構(gòu)安全度的判別標(biāo)準(zhǔn)。工程可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，已經(jīng)比較成熟，而巖土工程可靠度，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，研究不多。80年代末，受國(guó)家建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司委托，開展了土工可靠度的研究，與同濟(jì)大學(xué)、華北水院、華僑大學(xué)等單位一起，歷時(shí)3年，完成了《關(guān)于巖土工程可靠度分析方法的建議》，并出版專著一本。其間還參與了工程統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和多個(gè)行業(yè)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，參加了港口可靠度設(shè)計(jì)規(guī)范的審查工作。

3.6 土工離心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)

1983年初，我院建成了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)大型結(jié)構(gòu)－土工離心機(jī)，此后進(jìn)行了許多重要的工程試驗(yàn)和有價(jià)值的學(xué)術(shù)論證工作，尤其是三峽深水圍堰拋填土密度離心試驗(yàn)，解決了一個(gè)重要的技術(shù)難題，發(fā)揮了很好的作用。該項(xiàng)工作的開展不僅解決了本院和國(guó)內(nèi)其他許多工程問(wèn)題，而且培養(yǎng)了人才，也奠定了我院在國(guó)內(nèi)土工離心模擬研究中的地位。第1臺(tái)離心機(jī)在使用約20年后，已更新為性能更好的第2臺(tái)離心機(jī)。與此同時(shí)，由長(zhǎng)科院牽頭，正在組織全國(guó)十余家單位共同編寫國(guó)內(nèi)第1本有關(guān)離心機(jī)方面的專著《土工離心機(jī)的原理和工程應(yīng)用》，已經(jīng)付梓。

3.7 土工CT試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展

長(zhǎng)科院于2008年建立了巖土試驗(yàn)CT工作站，該CT工作站采用德國(guó)西門子Somatom Sensation 40型CT機(jī)，主要特點(diǎn)是具備比較高的空間和時(shí)間分辨率，以及高質(zhì)量的多維重建圖像，可以實(shí)現(xiàn)用三維的圖像來(lái)觀察三維的試件。開發(fā)了一系列與之配套的試驗(yàn)設(shè)備，如:CT三軸儀、滲透儀、荷載試驗(yàn)儀等，并開展了多種巖土試驗(yàn)。其中，對(duì)粗粒土的剪切過(guò)程現(xiàn)狀變化的研究等課題取得了很好的成果。根據(jù)試驗(yàn)，粗粒土三軸試樣的變形主要由于顆粒的位置調(diào)整(相鄰顆粒的位置變化)而引起，這種位置調(diào)整自試樣變形的初期就隨之產(chǎn)生;在某一宏觀應(yīng)變下，試樣中顆粒的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)有很強(qiáng)的規(guī)律性，且試樣中各部位的顆粒位置調(diào)整的幅度差異較大，相鄰顆粒間的錯(cuò)動(dòng)明顯，并伴有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，還利用CT試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了礫石土浸潤(rùn)試驗(yàn)，膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)展過(guò)程研究，水力劈裂試驗(yàn)研究和加筋土的試驗(yàn)研究，獲得了許多新的認(rèn)識(shí)?？磥?lái)，如果具備CT機(jī)與配套的巖土試驗(yàn)設(shè)備，就可以無(wú)損、動(dòng)態(tài)、定量和實(shí)時(shí)地量測(cè)巖土材料在受力過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，對(duì)了解土的各種力學(xué)行為的實(shí)質(zhì)大有助益。

3.8 土工合成材料工程應(yīng)用研究

人工合成材料有許多品種，其中有些性能比較適用于土木水利工程應(yīng)用的，在工程上稱為“土工合成材料”。土工合成材料的種類很多，最常見的有土工織物(有紡織物、無(wú)紡織物)，還有用于防滲的土工膜，用于加筋的土工格柵、土工格室、土工帶，用于排水的土工管、土工網(wǎng)、土工排水帶、平面排水板，用于坡面保護(hù)和植草的土工網(wǎng)墊、土工格室、土工網(wǎng)，以及用于垃圾填埋場(chǎng)防滲防漏的黏土襯墊(GCL)等。不同的土工合成材料可以發(fā)揮不同的功能或達(dá)到不同的目的:①防滲;②排水;③反濾;④加筋;⑤防護(hù);⑥隔離;⑦包裹;⑧環(huán)保等。

土工材料在國(guó)外從60年代起正式運(yùn)用，以十年翻番的速度增長(zhǎng)。目前，幾乎已達(dá)到不可不用、無(wú)可替代的程度。我國(guó)從80年代中期起正式采用。目前已在土木工程各類領(lǐng)域中，包括水利、電力、鐵路、公路、港口、機(jī)場(chǎng)、建筑、市政、環(huán)保等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。98’洪水后，在國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)親自推動(dòng)下，土工材料在工程中大規(guī)模地采用，使我國(guó)土工材料的應(yīng)用和發(fā)展達(dá)到一個(gè)新的水平。今天，在巖土工程中已不可能沒(méi)有土工合成材料。

我院最早使用土工合成材料始于減壓井泡沫過(guò)濾體，以后擴(kuò)展到大壩防滲的復(fù)合土工膜，近年又對(duì)土的加筋和加固方面做了比較多的深入試驗(yàn)研究，并是國(guó)內(nèi)較早具有法定資格的土工材料檢測(cè)單位之一。2008年出版了一本有關(guān)應(yīng)用原理方面的專著，在國(guó)內(nèi)有相當(dāng)影響。近幾年，在南水北調(diào)膨脹土處理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，采用了多種土工材料的加固方案，取得了豐富的成果?？傊?，土工合成材料工程應(yīng)用也是我院在國(guó)內(nèi)有地位的領(lǐng)域之一。

3.9 數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展

對(duì)于一般的工程項(xiàng)目的數(shù)值計(jì)算，通用計(jì)算軟件為 ABAQUS，ANSYS，F(xiàn)LAC3D，MARC，以及 DDA(非連續(xù)變形分析)等。但在進(jìn)行具體項(xiàng)目時(shí)，還需要進(jìn)行程序的二次開發(fā)，對(duì)數(shù)值計(jì)算方法加以改進(jìn)，才能應(yīng)用，這種二次開發(fā)也是一種創(chuàng)新。近年來(lái)我院在巖土工程數(shù)值計(jì)算方法上主要有如下改進(jìn)。

(1)新的理論與數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合。以膨脹土渠坡穩(wěn)定分析為例，先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)提出的膨脹土渠坡破壞的2類模式，即裂隙強(qiáng)度控制下的重力整體失穩(wěn)和膨脹作用下的淺層破壞，采用數(shù)值計(jì)算來(lái)驗(yàn)證理論的正確性，提出新的計(jì)算方法，使之能分別考慮膨脹土的裂隙性、膨脹性等因素，進(jìn)行破壞機(jī)理的演述。這種在穩(wěn)定分析中反映裂隙空間分布的裂隙性膨脹土穩(wěn)定分析新方法，有別于傳統(tǒng)的以土體強(qiáng)度作為強(qiáng)度控制指標(biāo)分析均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法。而將土體膨脹性引入邊坡穩(wěn)定分析，建立了考慮膨脹變形的渠坡穩(wěn)定有限元分析方法，也是一種新的膨脹土穩(wěn)定分析方法。

(2)計(jì)算方法上新技巧的應(yīng)用，以唐家山堰塞壩形成機(jī)制的探討為例，采用了兼有真實(shí)時(shí)間和非連續(xù)大變形分析于一體的非連續(xù)變形分析方法(DDA)。以DDA方法為基本研究手段，以唐家山滑坡完成后形成的堰塞壩形態(tài)和位置作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)唐家山滑坡過(guò)程進(jìn)行復(fù)演;通過(guò)對(duì)滑床強(qiáng)度參數(shù)、地震荷載以及河床泥沙等滑坡過(guò)程的主要影響因素深入研究，復(fù)演了唐家山堰塞壩從啟動(dòng)、加速、減速至停止的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。

(3)在滲流場(chǎng)模擬方法上，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法全面取代了以往的電阻網(wǎng)模擬和水電比擬等方法，物理模型試驗(yàn)主要用以研究一些滲流控制措施和細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)滲流場(chǎng)局部的影響。數(shù)學(xué)模型由以往的飽和穩(wěn)定各向同性多孔介質(zhì)滲流場(chǎng)，已經(jīng)拓展到裂隙巖體滲流場(chǎng)、各向異性滲流場(chǎng)、非穩(wěn)定滲流場(chǎng)，以及飽和非飽和滲流場(chǎng)。通過(guò)開發(fā)和引進(jìn)，擁有了一系列模擬計(jì)算軟件，可以模擬復(fù)雜水文氣象過(guò)程、地質(zhì)條件和工程運(yùn)行工況下的滲流場(chǎng)，大大提高了解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和效率，計(jì)算成果主要借助工程監(jiān)測(cè)資料、類似工程對(duì)比以及不同模型之間相互校驗(yàn)得到驗(yàn)證。

3.10 覆蓋層工程特性試驗(yàn)研究

目前，在深厚覆蓋層上建高壩是土工學(xué)科面臨的一大難題，在我國(guó)西南地區(qū)大壩壩址區(qū)存在深厚覆蓋層是普遍的現(xiàn)象，最厚可達(dá)300 m以上，如何測(cè)定天然狀態(tài)下覆蓋層的強(qiáng)度與變形特性目前還沒(méi)有可行的方法。在以往的工作中，往往只對(duì)覆蓋層表層進(jìn)行詳盡研究，對(duì)較深部位則采取類比、經(jīng)驗(yàn)推算的辦法來(lái)確定計(jì)算參數(shù)。長(zhǎng)科院近年來(lái)結(jié)合雙江口、烏東德等工程對(duì)深厚覆蓋層工程特性研究方法進(jìn)行了探索。

其基本思路是:首先結(jié)合勘探在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行旁壓和動(dòng)探試驗(yàn)，確定不同層位深厚覆蓋層地基的旁壓模量和動(dòng)探擊數(shù);然后，根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)(模擬覆蓋層的實(shí)際上覆壓力和級(jí)配)建立覆蓋層材料的旁壓模量和動(dòng)探擊數(shù)與其密度的相關(guān)關(guān)系;最終，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)成果，在旁壓模量或動(dòng)探擊數(shù)大小完全一致的原則下，推測(cè)天然狀態(tài)下覆蓋層的可能密度。該密度作為室內(nèi)力學(xué)性試驗(yàn)的控制密度進(jìn)行覆蓋層土料的強(qiáng)度與變形特性研究。這是一項(xiàng)具有探索意義的工作。

3.11 土工試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和土工試驗(yàn)規(guī)程的制定

土工試驗(yàn)技術(shù)是土工學(xué)科的基礎(chǔ)，沒(méi)有正確的試驗(yàn)技術(shù)和準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，土工研究就沒(méi)有可靠的依據(jù)。長(zhǎng)科院一向十分重視試驗(yàn)技術(shù)，并注意培養(yǎng)試驗(yàn)人員的操作技巧，因此，長(zhǎng)科院拿出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)是有聲譽(yù)的。在50年代和60年代的土工試驗(yàn)規(guī)程制定中，投入了大量的人力參與工作;70年代末和90年代兩次規(guī)程修改中，負(fù)責(zé)了多項(xiàng)試驗(yàn)規(guī)程的起草和修改工作，為規(guī)程的發(fā)布和完善作出了貢獻(xiàn)，也鍛煉了隊(duì)伍。

在試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)儀器方面的進(jìn)展也十分值得稱道。尤其在強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)方面，對(duì)平面應(yīng)變下強(qiáng)度、反復(fù)荷載下的強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、特殊土的強(qiáng)度等都作過(guò)深入的研究，近年來(lái)，在為粗粒土研究所需的大型儀器的研制和創(chuàng)新上成績(jī)尤為顯著，在國(guó)內(nèi)首次研制出大型三軸儀、大型平面應(yīng)變儀、大型流變儀、大型疊環(huán)式剪力儀、大型滲流固結(jié)儀等等，在國(guó)內(nèi)是十分突出的。

4 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

(1)圍繞長(zhǎng)江治理和建設(shè)中的工程問(wèn)題展開土工研究。長(zhǎng)江的治理與開發(fā)任務(wù)艱巨，需解決的難題很多，我們?cè)谕瓿捎嘘P(guān)土工任務(wù)時(shí)，不是簡(jiǎn)單地采用接受勘探、設(shè)計(jì)或施工部門委托的具體試驗(yàn)項(xiàng)目，而是在了解工程所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，分析其中的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，從中概括或抽象出需要解決的課題，然后，運(yùn)用綜合的試驗(yàn)研究手段來(lái)回答這個(gè)工程問(wèn)題。所取得的成果不僅是數(shù)據(jù)報(bào)告，而且還提出分析結(jié)論、設(shè)計(jì)參數(shù)及工程措施等建議。起到為工程出謀劃策的作用，并達(dá)到真正“出成果出人才”的目的。

(2)生產(chǎn)任務(wù)與科學(xué)研究是統(tǒng)一的。高質(zhì)量的完成生產(chǎn)任務(wù)就是科研，其成果一定會(huì)有科技含量，具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。在這里關(guān)鍵是:研究者一定要有精益求精和創(chuàng)新的意識(shí);領(lǐng)導(dǎo)者要嚴(yán)格把好研究大綱關(guān)，并定期檢查，及時(shí)交流;最后的成果報(bào)告需經(jīng)有關(guān)人員討論、檢驗(yàn)。而研究者則應(yīng)在開始時(shí)，做好開題報(bào)告，通曉本領(lǐng)的成果和進(jìn)展，為自己的研究定好目標(biāo)。

(3)在“出成果”同時(shí)，一定要把“出人才”放在戰(zhàn)略地位加以重視。這里有2點(diǎn)需特別注意:一是培養(yǎng)一個(gè)人要有目標(biāo)，要具體指導(dǎo)，督促檢查;對(duì)于骨干的培養(yǎng)，還應(yīng)讓其自始至終參加或負(fù)責(zé)一項(xiàng)工作的全過(guò)程，培養(yǎng)比較完整的工程概念。二是在科研進(jìn)行過(guò)程中，要不斷地汲取和豐富專業(yè)知識(shí)。

(4)一定要注意試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)儀器的不斷完善。俗話說(shuō)“工欲善其事，必先利其器”，要搞好課題研究，必需有適合該問(wèn)題的相應(yīng)儀器，這種儀器往往不是現(xiàn)成的，而必須自己研制，試驗(yàn)方法也要不斷改進(jìn)和完善。所幸，這方面的工作始終伴隨學(xué)科的發(fā)展而不懈地進(jìn)行，不論在土工、土質(zhì)，抑或滲流方面都有一系列的成果，其中有些已被定型化。

(5)促進(jìn)學(xué)科的交流和融合。土是一種散體，顆粒之間連接很弱;巖體則當(dāng)作存在結(jié)構(gòu)面的連續(xù)體處理，結(jié)構(gòu)面對(duì)其性質(zhì)起關(guān)鍵作用。這兩者有時(shí)在工程上聯(lián)系緊密，如軟巖是巖石，但其風(fēng)化物或泥化物則是土。巖石力學(xué)近年發(fā)展的流形元分析法(NMM)，既適用于巖石力學(xué)，也可用于土力學(xué)以及結(jié)構(gòu)工程，為連續(xù)和非連續(xù)變形的力學(xué)分析提供了一個(gè)統(tǒng)一的方法，在NMM中或可將土力學(xué)與巖石力學(xué)融合起來(lái)。

(6)加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)有關(guān)單位的協(xié)作。土工專業(yè)有與國(guó)內(nèi)外合作的長(zhǎng)久歷史和經(jīng)驗(yàn)，它對(duì)專業(yè)的發(fā)展起到了很好的作用。為完成工程中一些大型疑難課題，我們?cè)s請(qǐng)或組織國(guó)內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的高校和科研單位共同攻關(guān)。如三峽深水圍堰的數(shù)值分析，規(guī)模很大，先后有國(guó)內(nèi)15家、60余人參加，歷時(shí)十余年，成果豐碩，不僅對(duì)圍堰建設(shè)貢獻(xiàn)頗大，而且在土壩數(shù)值分析方面也有進(jìn)展。南水北調(diào)膨脹土的國(guó)內(nèi)外合作始于90年代，在境外的有香港、加拿大等;在境內(nèi)的包括高校、交通、鐵道等部門，通過(guò)與各方的合作，集思廣益，開闊眼界，有助于成果質(zhì)量提高和人才培養(yǎng)。同時(shí)，通過(guò)廣泛交流也擴(kuò)大了長(zhǎng)科院的影響。

致謝:本文編寫過(guò)程中承張家發(fā)教授提供資料并提出寶貴意見，徐晗博士提供資料，在此一并致謝!本文許多資料來(lái)自《長(zhǎng)江科學(xué)院——土工科研三十五年》一書。

［1］長(zhǎng)江科學(xué)院.長(zhǎng)江科學(xué)院——土工科研三十五年［M］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，1987.(Yangtze River Scientific Research Institute.35 Years of Research Works on Soil Mechanics Engineering by Yangtze River Scientific Research Institute［M］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，1987.(in Chinese))

［2］哈秋舲，包承綱.長(zhǎng)江三峽工程關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.廣州:廣東科技出版社，2002.(HA Qiu-ling，BAO Chenggang.Research on Key Technologies for Three Gorges Project［M］.Guangzhou:Guangdong Science and Technology Press，2002.(in Chinese))

［3］李青云，文松霖，饒錫保，等.工程建設(shè)中土工問(wèn)題研究［M］.武漢:長(zhǎng)江出版社，2006.(LI Qing-yun，WEN Song-lin，RAO Xi-bao，et al.Research on Soil Mechanics Engineering in Engineering Constructions［M］.Wuhan:Changjiang Press，2006.(in Chinese))

［4］潘家錚.對(duì)二期圍堰建設(shè)的評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)三峽建設(shè)，1999，(5):1－3.(PAN Jia-zheng.Comments on Second Stage Cofferdam of TGP［J］.China Three Gorges Construction，1999，(5):1－3.(in Chinese))