長江科學院土工科研60年

包承綱，郭熙靈，程展林，c

(長江科學院a.科學技術委員會;b.院長辦公室;c.水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 概述

長江科學院(簡稱長科院)土工研究專業作為該院最早建立的專業之一，已經走過了60年的歷程。60年來，土工專業已由最初的一個試驗組發展成為學科齊全、設備先進、成果豐碩、人才濟濟的全國性大型土工研究機構;由最初的單一土壤物理力學性試驗單位發展成為具有土的性狀研究、工程滲流、土工數值分析、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、原位試驗與原型監測等多個學科的綜合性土工研究機構;由當初為設計部門提供一些簡單的土工參數到能夠出色解決重大工程中土工疑難問題的開創性工程研究機構，并在國內、外享有較好的聲譽。這個成長過程主要是伴隨長江治理和開發的進程進行的，同時也與參與國內、外多項巖土工程的建設有關。它既適應了長江和我國大規模建設的需要，也反映了國內、外土工科學近幾十年的發展和演變。

自新中國成立以來，長江水利水電建設曾經歷過不同的時期，土工研究工作也因而存在著幾個階段，每一階段有其不同的內容和特點。從土工專業的成立到本世紀初期，大致可分為4個階段:初創階段、發展階段、擴展階段和鞏固階段。本世紀以來，土工專業又有了新的發展，其特點是不同學科之間加強了結合、研究課題更加擴大和深化、研究手段更加新穎和綜合化、業務范圍更加廣泛和細化。

2 發展歷程

2.1 初創階段

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

建國初期，為解決長江洪水威脅，國家計劃興建荊江分洪工程，土工試驗的任務隨即被提到議事日程。當時長江水利委員會成立不久，試驗機構尚無眉目，為應急需，1951年10月，派出數名技術人員到武漢大學工學院，在馮國棟教授指導下進行有關的土工試驗工作。翌年，會同武漢大學土力學教研室組成近10人試驗小組，連同試驗設備，前往沙市設置了臨時土工實驗室，從此揭開了長江土工科研的歷史。荊江分洪工程和后來建設的漢江杜家臺分洪工程等規模巨大的平原水閘工程，以及幾千公里的長江堤防都修建在近代沉積的軟土上，有許多復雜的技術問題，尤其是地基的承載力和建筑物的沉降問題比較突出，由于天然地基往往不能滿足要求，就要進行地基的加固處理。如杜家臺水閘地基采用預壓加固方法改善地基土的性能，經大規模現場預壓和現場監測證實，土的物理力學性質均有不同程度提高，沉降很小，閘室最大沉降僅2.6 cm，岸墩為11.8 cm，該工程在整個運行過程中未發生明顯裂縫，效果很好，這在建國初期是一項重要的土工研究成果，被當時土工界傳為美談。在荊江分洪工程中，在地基內埋設了自制的孔隙壓力傳感器，監視地基土層內孔隙水壓力的變化，在當時也是絕無僅有的。

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逐漸堆筑而成，質量極不均勻，汛期險情迭出，自古有“萬里長江險在荊江”的警語。60年來，土工專業始終把加固大堤，保證安全，作為自己的重大責任。歷年完成了荊江大堤地基涌水翻砂險情的調查，廖子河、觀音寺、沙市馬王廟等堤段整治的土工試驗，并配合完成荊江裁彎工程、荊北放淤工程的有關工作。水閘和堤防建設中的另一個重要問題是閘基和堤基的滲流控制，這在當時也是一個新問題。為了降低閘基的揚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用中都比較成功。為了延長減壓井的壽命，還摸索改進了減壓井的一些設計措施和施工方法。這些工作也成為98’洪水后，在國務院領導下開展的長江堤防大規模整治加固工程中減壓井專題研究工作的重要基礎。

除此以外，在初期階段，還對長江流域部分地區的土壤進行了調查，為今后的發展積累了基礎資料。

在這一階段，土工專業圍繞長江防洪急需的工程開展了大量的試驗研究工作，既滿足了工程的需要，也培養了第一批技術骨干，機構也隨之不斷擴大，1955年以后，土工實驗室成立，并逐漸增設土工、滲流、化學等專業組，人員增至近30人。由此，基本形成了較健全的土工試驗機構的雛形。

2.2 發展階段

本階段從上世紀50年代后期到上世紀60年代末，工作內容以土石壩的土工問題為主，其特點是向試驗研究型的科研機構發展。

在這一時期，長江在進行治理的同時，也著手開始流域的開發工作。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規模的土壩壩段。因此，土工專業的工作重點也轉到以土石壩土工問題為主的試驗研究上，研究的內容有各種壩料的物理、力學、化學性質，填土的壓實性能和壓實參數選擇，土壩邊坡穩定分析中強度參數和分析方法的確定，土壩和壩基的滲流狀態分析和控制措施等。

鴨河口主壩填料為壤土，性質比較一般，易于使用。但陸水8#副壩填土是一種網紋狀黏土，性質比較特殊，這是一種經過“紅土化”沉積作用的紅色黏土，土的重度雖然較低，但強度卻較高，工程性質較好。根據微觀分析，其中的氧化鐵等膠結物質將細粒膠結成為穩固的團粒結構，是造成重度低、強度高的主要原因。通過對陸水蒲圻紅色黏土宏觀與微觀相結合的研究，不僅對這種土的工程性質有較深的了解，而且體會到微觀－宏觀相結合的研究方法對巖土工程的意義。

丹江口樞紐左岸土壩最大壩高56 m，長1 200 m，大壩分為幾個壩段，每個壩段又根據情況選用了心墻壩、斜墻壩、礫石土均質壩以及鄰接混凝土壩的連接段等壩型。填料種類很多，性質也很復雜，比較特殊的有:礫石含量較高的礫石土、不易壓實的輕粉質壤土、高含水率的黏土、紅層的風化溶濾殘積土以及風化花崗巖石碴等。通過這些填料性質的研究和其中疑難問題的解決，使我們對土的壓實性質、土的天然含水率的工程意義、土的力學性質與其物理性質和物質成分的關系、粗粒土的工程性質的研究方法及其力學性質、土的施工壓實標準的確定等土力學的一些基本問題有了較深刻的認識。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外進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論，這在國內也是第一次，在這項工作中中國水利水電科學研究院也派員共同參加研究。

與此同時，本階段還在一些土力學的前沿課題上開始了探索，如非飽和土的基本性質、土的結構性的物理化學基礎、土的滲透破壞的研究等，開創了我國土工研究的先河，也為日后長科院土工專業在國內水利界的地位創造了條件。總之，這一階段的特點是土工專業由以試驗為主轉向以試驗研究型為主的階段，探索了一套工作方法，培養了一批研究人才，建立了一些可以進行重大課題研究的試驗設備，為今后在土工工程上的開拓發展，打下了重要的基礎。

2.3 擴展階段

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

從上世紀70年代文化大革命后期，土工工作的重點是配合葛洲壩、青山、彭水、隔河巖、構皮灘等水利工程的勘測、設計和施工開展研究工作。認識天然條件下葛洲壩大壩基巖中軟弱泥化夾層和其他結構不連續面的物理和力學特性、滲流特性，對未來蓄水運行后由于力學或者物理化學的因素所致的可能演變進行預測，是擺在巖土工作者面前的重大挑戰。對于該項全新的課題，土工專業幾乎傾全部的力量，從宏觀、細觀和微觀的層面上，進行了系統深入的多學科綜合研究，運用工程地質學、土工學、工程力學、工程滲流學、礦物學、膠體化學、流變學等學科的基本理論，由土工、滲流、土質3個專業緊密配合，采用室內與現場、靜態與動態、短期與長期等多種方法和手段，重點研究了殘余強度與長期強度、流變特性與動力特性、滲流特性及滲控措施、物質成分和微細觀結構特征及其對工程性質的影響，在滲水作用下土的各種物理化學性質變化以及夾層性狀的演變趨勢等，獲得了豐富的創新成果。上述成果不僅為工程設計所需的現狀參數和長期參數的確定提供了依據，并且也發展了巖土工程的某些基本理論，還對巖土力學的宏觀與細微觀相結合的研究方法提供了有用的經驗。應當認為，這個重大課題的研究，使長科院土工專業的水平上了一個新的臺階。

上世紀70年代初，在南水北調工程引丹陶岔渠道邊坡中遇到了膨脹土問題，即使在相當平緩的開挖邊坡中，在施工期間或竣工后一段時間，仍發生了多達十幾處大型滑坡。這個問題的出現，不僅影響陶岔渠段的運用，更預示南水北調中線工程的后續建設必需直面這個難題，因為在整個中線干渠中膨脹土渠段的總長超過300 km。

膨脹土是一種特殊土，它的膨脹性、裂隙性和超固結性等特性，使它成為土工工程中的世界性難題。在陶岔引渠建設初期，對這種土的性質研究不夠，認識不足，沒有采取針對性措施，直到問題發生后，亡羊補牢，立即開展了膨脹土的特性研究，以及事故處理措施的調查和探索。在研究中發現，這種土含有較多的膨脹性礦物，同時，由于超固結的影響存在許多不規則的裂隙面，當開挖卸荷后裂隙面會張開，影響邊坡的穩定。另外，土層中還存在層間結合面和老滑動面，它們也會成為滑動的弱面，而且這些滑面上的土體強度可能已處于殘余狀態。為了確定其強度參數，土的殘余強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面進行殘余強度或軟化強度試驗的研究在當時也是一項新的工作。與此同時，對膨脹土作為填料的填筑參數也進行了探索研究，并將成果用于若干地方小型工程。另外，與國內其他單位一起對膨脹土的室內試驗方法進行了研究，并參與了國內第一本膨脹土規范的編制工作。

2.4 鞏固階段

本階段從上世紀90年代持續到本世紀初期，主要特點是圍繞三峽二期深水圍堰工程進行深入的、先進的綜合性研究，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，同時將業務范圍擴展到其它土木工程領域，這是一個相對比較成熟的階段。

二期圍堰是三峽土建工程中最具挑戰性的2項工程之一(另一項為船閘高邊坡)，通過這項工作的研究，不僅解決了深水圍堰的許多技術難題，保證了圍堰的成功建設和順利抵抗98’大洪水，使圍堰技術達到國際先進水平，正如著名的水利水電專家、三峽公司技委會主任潘家錚院士所評價的“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就總體而言無疑已達到國際領先水平”，“在極其嚴峻的水文、地質、工期條件下，二期圍堰的建成標志著中國水利水電建設又登上新的臺階，躋身于國際先進水平，值得慶賀”(潘家錚，1995年5月)。

在完成工程科研的同時，也獲得了一批創新的成果，并培養了一大批技術骨干。三峽圍堰研究邀請和組織了國內十幾家著名巖土研究單位和高校共同參與，因此，通過這項工作也確立了長科院土工專業在國內巖土界的地位。

水布埡水電站壩基的地質條件比較復雜，填料選擇受到很多限制，壩型的確定成為一個難題。土工研究所與勘測設計單位一起，在現場進行了大量的碾壓試驗，在室內實驗室開展了大量填料試驗研究，通過滲流計算和應力應變計算開展了心墻壩、面板堆石壩的對比研究，為最終選擇混凝土面板堆石壩壩型提供了重要的科學依據。此后，土工研究所繼續圍繞其面板堆石壩開展了深入研究，為工程設計、施工和蓄水安全鑒定與驗收提供了重要的科技支撐，同時為我國高壩工程的建設做出了重要貢獻，也為以后參與長江上游多座高壩的建設打下了基礎。

在上述研究成果中具有創新意義的有:

①利用離心模型試驗新技術確定了60m水深下拋填風化砂的密度和坡角。

②應力應變有限元分析的作用與發展在國內達到了空前的規模和效果。

③柔性墻體材料的研制和施工控制方法得到發展。這種材料針對三峽圍堰的需要而研制，其性能優于國外同類產品，而且利用了開挖棄料，價格低廉。

④復合土工膜在防滲心墻中的應用開創了土工合成材料在大型水利工程中成功實踐的先例。

⑤對淤砂和風化砂的動力特性及其綜合處理措施進行了研究。

⑥開展了粗粒料性能的研究和大型試驗設備的研制。

⑦配合有關單位參與了新的施工設備的研制和引進、改造與利用工作，并創造了新的施工方法和工藝技術。

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

在這一時期中，圍繞三峽工程的研究對象還包括永久船閘邊坡、大壩基礎、地下廠房的滲流場和滲流控制措施，研究成果為工程設計提供了重要依據，也發展了滲流場的研究方法和工具。針對永久船閘和圍堰工程開展了長期監測工作，積累了重要的第一手資料，通過工程實踐加深了對工程特性的認識。

在本階段，為適應全國市場經濟的新形勢，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展。深圳機場跑道淤泥地基的處理方法是一個新課題，土工所與設計部門一起，解決了其中重要的技術難題，在機場建設領域站住了腳跟，為以后參與珠海、桂林、昆明、神農架等多個機場的建設，開了“方便之門”。在高速公路方面的工作也十分突出，以廣佛公路成功實踐為契機，為以后的岱黃、漢宜、黃黃等一系列公路土工研究任務的開展創造了條件。

2.5 創新發展階段

從本世紀以來，土工科研又進行了許多新的開拓，取得了一些有意義的新成果，勢頭很好，前途無限，可以預見，這將是一個創新發展的階段。

在土力學方面，主要表現在:①研制和添置了許多先進的新設備，如建成新的離心試驗機、研制了一系列大型流變儀、大型疊環式剪力儀等大型儀器，建造了大型物理模型試驗槽，建立了新型的功能優異的CT機試驗室，改進了國內僅有的大型平面應變試驗機等。這樣規模和速度的試驗儀器更新和發展，在以往是從來沒有過的，同時也預示前一時期經濟大潮對科研沖擊的不良影響已基本扭轉;②科研工作繼續取得重要成果，針對南水北調中線工程膨脹土開展室內試驗、離心模型和靜力模型試驗、數值分析、現場試驗、現場觀測等，弄清了膨脹土的地質特性、力學性質、對工程的危害以及處理方法等一系列有意義的成果，對保證工程的安全有重要的作用，有關研究正在繼續深入中。針對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，研究成果是湖北省科技進步特等獎和國家科技進步二等獎有關水布埡工程成果的重要組成內容;③一些有新意的研究成果正不斷涌現，如粗粒土的研究已進入到宏觀與細微觀緊密結合的階段，在變形和剪切過程中組構的演變及對力學性質的關系有了新的認識，以此建立的新的三變量本構關系，別具新意。

在滲流領域，近年也取得卓有成效的發展:①三峽工程圍堰、壩基、永久船閘邊坡、地下水廠房滲流場及滲控措施的研究，為樞紐工程滲流控制體系的設計提供了重要依據，工程運行情況也已經驗證了研究成果的可靠性;②長江重要堤防加固工程滲流控制措施的研究，不僅為十幾項堤防工程設計提供了依據，而且在管涌擴展規律、防滲墻的滲流控制效果和論證方法、減壓井的淤堵機理和應對措施等方面取得了重要進展;③關于水布埡面板堆石試驗，研究了全級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分布，論證了大壩滲流控制體系的有效性，并已經通過工程運行得到驗證;④關于南水北調中線工程的研究，為穿漳工程、興隆樞紐工程、引江濟漢進口段工程基坑的滲流控制措施設計方案選取和運行方案的制定提供了重要依據，論證了總干渠不同地質條件下的滲流控制方案，分析了在施工期、運行期和檢修期保障工程安全的效果，目前正在研究長期運行和檢修工況下的運行維護方案。

目前，土工專業技術隊伍越加壯大，新的血液不斷補充，培養了大量的研究生，隊伍的整體素質逐步提高，研究人員的年齡許多都在40歲以下，他們具有較高的學歷、充沛的精力、良好的知識基礎、積極向上的精神，若再經過幾年的實踐鍛煉并打好專業知識基礎，未來不可限量，他們是長科院土工專業的希望。

3 主要學術成就

土工專業60年的歷程，不僅完成了許多工程任務，同時也取得了許多學術上的成就。事實上，工程上的生產任務與學術上的研究工作并不矛盾，兩者可以兼得。高水平地完成生產任務就必然含有創新的學術成果，這一方面與任務的性質和規模有關，但主要還是取決于研究者的素質與意愿。還有一個關鍵因素是領導者的要求，高要求往往可以成為參與者上進動力的不懈源泉。當然，這里面還有一個條件問題，但條件是可以逐漸創造、逐步完備的。

長科院所承擔的任務往往是大工程中迫切的、比較困難的課題，一般不是用常規或現成的技術可以解決的，客觀上也要求采用新理論、新方法、新材料去解決工程問題，并在運用過程中進一步發展和創新這些新技術。生產和科研是統一的，關鍵在于人的素質，這就是我們長期的體會和結論。

3.1 黏性土的性質和壓實黏性土的研究

黏性土是工程中最常見的一種土類，對此研究也比較多，我們的重點在于它的強度特性，包括不同狀態下和不同應用條件下的強度。除常規三軸試驗外，我們還是國內最早研究平面應變下的強度并第一批自己研制有關儀器的單位之一。同時，在殘余強度、重復剪應力作用下的強度等方面也有新的認識，特別值得提到的是黏土強度與它的礦物成分和結構特性的關系，結合葛洲壩基泥化夾層的深入研究，做出了創新工作。研究發現，黏土的蒙脫石對土的強度影響較大，并獲得了不同蒙脫石含量與強度的線性定量關系。在這過程中運用X射線衍射分析、電子顯微鏡、陽離子交換量、硅鋁率、全鉀測定的綜合分析法進行黏土礦物定量鑒定是一個創新成果，對了解黏土的本質很有幫助。同時，在土的微細觀研究中，還對某些試驗的方法有了改進和創新，如化學全量分析法、EDTA容量測定法、比表面的甘油吸附法、動電電位的微觀電泳法、用電鏡復型法研究土的結構特征、巖土表面電荷密度的測定、室內外氧化還原電位測定、游離氧化物的選擇溶解和測定方法等。土的微細觀的研究是我院土工專業的一大特色，它不僅解釋了土的現狀特性，而且科學地預測工程長期運用后性狀的演變，對工程的決策意義很大。從黏土的礦物組成、結構特征和工程性質三者的復雜關系出發，認定疊片體(Domain)是黏土礦物在土中存在的基本形式，也是黏性土結構的主要基本單位。所以黏土的性質不能僅從礦物學角度著眼，必須結合土的結構特征統一考慮。總之，有關土的工程特性微觀解釋方面的成就，是對土的工程性質研究領域的一個貢獻，在當時國內是有地位的。

黏土的壓實是一個老問題，但我們在丹江口黏性土填料等的研究中，獲得了新的成果。

研究發現，黏性土料場中，土的天然含水量是一個非常重要的特性和指標。如果料場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，則天然土層是經過長期的沉積或存在，其內部的含水量已達到平衡，這個含水量是由性質所決定的，是土所需要的，在這個含水量下進行壓實，其性質最為穩定，我們稱這個含水量為平衡含水量。據測定，其值接近于土的塑性值。大氣會對土層的含水量產生影響，但據長期觀測，其影響深度約在0.6 m左右。為此我們在料場勘探中，著重進行天然含水量的調查，并建立土層中不同含水量的土與儲量的關系，并由此計算可用的土方量。

關于壓實功能，在上世紀50，60年代也有一種觀點，認為用大功能、高密度才是好質量。其實不然，我們認為，應先進行不同功能下的擊實試驗，求得最優含水量與其塑性相近的那個功能，才是該土的適用擊實功能。這樣壓實的土性質最穩定，壓實也較容易。例如在丹江口填料中，一種料的適用擊實功能與目前標準擊實功能(25擊)一致，而另一種料則采用較輕的15擊更為適用。

上述的觀點雖沒有深奧的理論，卻很實用，也很成功，這是在傳統的做法基礎上的創新。

3.2 特殊土的工程性質研究

我們研究過的特殊土包括:粗粒土、膨脹土、紅土、分散土、風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60%以上的礫石土的性質和作為防滲料的可能性，在室內外進行了大量的物理性質、物質成分和強度、變形、防滲性能的研究，歷時5年以上。其間，在國內第一次提出了一套粗粒土的試驗研究方法和工程性質評價方法。粗粒土的后續研究是為三峽圍堰風化料而進行的，其間，研究了平面應變下的強度特性和顆粒破碎的問題。深入的研究是從90年代圍繞面板堆石壩而展開的，針對當時世界最高的水布埡面板堆石壩開展了壓實試驗、強度和蠕變試驗以及本構關系的研究，提出了三變量本構模型、九參數蠕變模型、濕化模型，尤其是對堆石在受力后組構的變化采用CT技術進行研究，開辟了粗粒料研究的一個新的領域，發揚了我院把微細觀研究與工程性質緊密結合的傳統，在國內外也是一個創新。

膨脹土的研究始于70年代，南水北調中線工程開工后，膨脹土的研究成為一項主要工作。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識，提出了邊坡破壞的2種模式及力學機制，提出了新的穩定分析方法和強度、變形參數的確定方法，提出了膨脹土渠坡處理技術，解決了膨脹作用下淺層失穩的渠道設計和施工的關鍵技術問題。這樣的研究深度在國內外也是不多的。

紅土的研究是為陸水8#副壩填料而展開的，除研究物理、力學性質外，重點研究了礦物、化學性質及結構水穩性和顆粒分散性，弄清了紅土低密度、高強度的原因是黏土礦物和水化的鐵化合物質對其結構性起了主導作用。紅土顆粒呈多元粒團單元聚集狀態，這是紅土不易分散的原因。研究認為，紅土筑壩不必追求高密度，但應注意壓實均勻性。

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內某些大壩土料中遇到。經過摸索采用多種非常規試驗，尤其是針孔試驗后，認為土中存在易于分散的納蒙脫石類礦物是其物質基礎，其實質是土粒間物理化學連接在水的作用下破壞的過程，這樣的研究在國內也屬首次。

軟巖泥化夾層的特性及其在工程運用年代中的可能變化的研究是具開創性的成果，在國內屬首次，在國外也不多見。這項成果最主要的學術價值在于把微觀與宏觀相結合的研究成功地用于解決工程問題，把土力學的研究與工程地質、物理化學、礦物學和工程力學的方法結合起來，開闊了土力學研究的視野，對土力學的未來發展是一個良好的啟示。

3.3 滲透變形的理論和滲流分析模擬技術

滲流問題對水利工程的意義是不言而喻的，但國內對滲流進行深入研究的單位并不很多。我院的滲流學科對滲透變形的研究頗有成就，值得提出的有:研究了無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生的機理，并且建立了滲透變形過程的數學模型。同時對各種滲透變形的試驗方法、判別標準以及控制措施也有相應的成果。研究表明，滲透變形不一定導致滲透破壞。砂礫石的滲透破壞不僅與相對滲徑有關，而且與絕對滲徑有關。

在滲流場模擬技術上也有一系列的創新。上世紀六、七十年代，電腦尚未應用，故電擬試驗是一種解決滲流問題的有效方法，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，以及后來國內唯一的電力積分儀，稍后又建立了一個7 200結點的三維電阻網模擬計算機，當時是國內唯一的大容量、可求解三維滲流場的儀器。

考慮到無黏性土顆粒分布的隨機性，60年代提出用統計數學分析土的滲透變形，建立了隨機數學模型，形成了隨機滲流學的雛形。

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，以延長它的壽命。這種結構用于葛洲壩二、三江泄水閘閘基滲控方案，取得了很大的成功。自1998年興起的長江重要堤防工程建設高潮中，再次針對減壓井淤堵機理及其應對措施開展了系列研究，取得的可拆換減壓井專利技術和一系列達到了國際領先水平的成果。

為適應高壩建設的需要，研制了大型滲透變形和反濾試驗儀器，開展了全級配粗粒料的試驗，建設了系列供水系統，最大供水壓力和供水流量分別可以達到8 kg/cm2和10 L/s，從而具有了研究300 m級超高土石壩填料滲透變形特性和反濾效果的試驗能力。

研究的問題已由壩工滲流逐步拓展到多種地下水問題，包括滑坡、邊坡、地下洞室圍巖滲流場及其控制，水庫浸沒評價與對策措施，防滲排水措施對地下水環境的影響，地下水資源和環境的長期監測與分析評價，地下水資源和水源地的管理與保護等。

3.4 非飽和土性質的研究

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，填埋場垃圾，油氣層土壤等常處于非飽和狀態，但因其性質十分復雜，而且研究不多，工程上常當作飽和土處理。經典的太沙基土力學也嚴格地限定在飽和土的范圍。國內有關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篇出自長科院。我院于70年代初，結合丹江口工程開展了非飽和壓實黏土的試驗研究，首次在國內進行了非飽和壓實土的特性、孔壓變化和氣滲性試驗，并依此提出了非飽和土4種氣相形態及其隨飽和度的變化而相互轉化的理論，在國內第三屆土力學大會上引起很大反響。其后，又繼續對非飽和土的有效應力原理問題、變形和強度特性、工程應用問題等進行研究，并以此為題在2004年第7次《黃文熙講座》上作了報告。長科院至今仍然保持著這個領域在國內中的地位。

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學概率統計理論來解決工程設計問題，是與目前流行的確定性方法相對的另一條設計途徑。與確定性方法的大老K(單一安全系數)不同，可靠度分析方法采用失效概率作為結構安全度的判別標準。工程可靠度設計標準中的結構設計部分，已經比較成熟，而巖土工程可靠度，由于問題的復雜性，研究不多。80年代末，受國家建設部標準定額司委托，開展了土工可靠度的研究，與同濟大學、華北水院、華僑大學等單位一起，歷時3年，完成了《關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一設計標準和多個行業可靠度設計標準的制定工作，參加了港口可靠度設計規范的審查工作。

3.6 土工離心機試驗技術

1983年初，我院建成了國內第1臺大型結構－土工離心機，此后進行了許多重要的工程試驗和有價值的學術論證工作，尤其是三峽深水圍堰拋填土密度離心試驗，解決了一個重要的技術難題，發揮了很好的作用。該項工作的開展不僅解決了本院和國內其他許多工程問題，而且培養了人才，也奠定了我院在國內土工離心模擬研究中的地位。第1臺離心機在使用約20年后，已更新為性能更好的第2臺離心機。與此同時，由長科院牽頭，正在組織全國十余家單位共同編寫國內第1本有關離心機方面的專著《土工離心機的原理和工程應用》，已經付梓。

3.7 土工CT試驗技術的發展

長科院于2008年建立了巖土試驗CT工作站，該CT工作站采用德國西門子Somatom Sensation 40型CT機，主要特點是具備比較高的空間和時間分辨率，以及高質量的多維重建圖像，可以實現用三維的圖像來觀察三維的試件。開發了一系列與之配套的試驗設備，如:CT三軸儀、滲透儀、荷載試驗儀等，并開展了多種巖土試驗。其中，對粗粒土的剪切過程現狀變化的研究等課題取得了很好的成果。根據試驗，粗粒土三軸試樣的變形主要由于顆粒的位置調整(相鄰顆粒的位置變化)而引起，這種位置調整自試樣變形的初期就隨之產生;在某一宏觀應變下，試樣中顆粒的平動和轉動有很強的規律性，且試樣中各部位的顆粒位置調整的幅度差異較大，相鄰顆粒間的錯動明顯，并伴有一定的轉動。

此外，還利用CT試驗設備進行了礫石土浸潤試驗，膨脹土干濕循環裂隙發展過程研究，水力劈裂試驗研究和加筋土的試驗研究，獲得了許多新的認識。看來，如果具備CT機與配套的巖土試驗設備，就可以無損、動態、定量和實時地量測巖土材料在受力過程中內部結構的變化過程，對了解土的各種力學行為的實質大有助益。

3.8 土工合成材料工程應用研究

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、土工排水帶、平面排水板，用于坡面保護和植草的土工網墊、土工格室、土工網，以及用于垃圾填埋場防滲防漏的黏土襯墊(GCL)等。不同的土工合成材料可以發揮不同的功能或達到不同的目的:①防滲;②排水;③反濾;④加筋;⑤防護;⑥隔離;⑦包裹;⑧環保等。

土工材料在國外從60年代起正式運用，以十年翻番的速度增長。目前，幾乎已達到不可不用、無可替代的程度。我國從80年代中期起正式采用。目前已在土木工程各類領域中，包括水利、電力、鐵路、公路、港口、機場、建筑、市政、環保等領域中得到廣泛應用。98’洪水后，在國務院領導親自推動下，土工材料在工程中大規模地采用，使我國土工材料的應用和發展達到一個新的水平。今天，在巖土工程中已不可能沒有土工合成材料。

我院最早使用土工合成材料始于減壓井泡沫過濾體，以后擴展到大壩防滲的復合土工膜，近年又對土的加筋和加固方面做了比較多的深入試驗研究，并是國內較早具有法定資格的土工材料檢測單位之一。2008年出版了一本有關應用原理方面的專著，在國內有相當影響。近幾年，在南水北調膨脹土處理的現場試驗中，采用了多種土工材料的加固方案，取得了豐富的成果。總之，土工合成材料工程應用也是我院在國內有地位的領域之一。

3.9 數值分析技術的發展

對于一般的工程項目的數值計算，通用計算軟件為 ABAQUS，ANSYS，FLAC3D，MARC，以及 DDA(非連續變形分析)等。但在進行具體項目時，還需要進行程序的二次開發，對數值計算方法加以改進，才能應用，這種二次開發也是一種創新。近年來我院在巖土工程數值計算方法上主要有如下改進。

(1)新的理論與數值計算方法相結合。以膨脹土渠坡穩定分析為例，先根據現場試驗和室內試驗提出的膨脹土渠坡破壞的2類模式，即裂隙強度控制下的重力整體失穩和膨脹作用下的淺層破壞，采用數值計算來驗證理論的正確性，提出新的計算方法，使之能分別考慮膨脹土的裂隙性、膨脹性等因素，進行破壞機理的演述。這種在穩定分析中反映裂隙空間分布的裂隙性膨脹土穩定分析新方法，有別于傳統的以土體強度作為強度控制指標分析均質邊坡穩定性的方法。而將土體膨脹性引入邊坡穩定分析，建立了考慮膨脹變形的渠坡穩定有限元分析方法，也是一種新的膨脹土穩定分析方法。

(2)計算方法上新技巧的應用，以唐家山堰塞壩形成機制的探討為例，采用了兼有真實時間和非連續大變形分析于一體的非連續變形分析方法(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和位置作為目標函數，對唐家山滑坡過程進行復演;通過對滑床強度參數、地震荷載以及河床泥沙等滑坡過程的主要影響因素深入研究，復演了唐家山堰塞壩從啟動、加速、減速至停止的運動全過程。

(3)在滲流場模擬方法上，隨著計算機和計算技術的發展，數值模擬方法全面取代了以往的電阻網模擬和水電比擬等方法，物理模型試驗主要用以研究一些滲流控制措施和細部結構對滲流場局部的影響。數學模型由以往的飽和穩定各向同性多孔介質滲流場，已經拓展到裂隙巖體滲流場、各向異性滲流場、非穩定滲流場，以及飽和非飽和滲流場。通過開發和引進，擁有了一系列模擬計算軟件，可以模擬復雜水文氣象過程、地質條件和工程運行工況下的滲流場，大大提高了解決復雜問題的能力和效率，計算成果主要借助工程監測資料、類似工程對比以及不同模型之間相互校驗得到驗證。

3.10 覆蓋層工程特性試驗研究

目前，在深厚覆蓋層上建高壩是土工學科面臨的一大難題，在我國西南地區大壩壩址區存在深厚覆蓋層是普遍的現象，最厚可達300 m以上，如何測定天然狀態下覆蓋層的強度與變形特性目前還沒有可行的方法。在以往的工作中，往往只對覆蓋層表層進行詳盡研究，對較深部位則采取類比、經驗推算的辦法來確定計算參數。長科院近年來結合雙江口、烏東德等工程對深厚覆蓋層工程特性研究方法進行了探索。

其基本思路是:首先結合勘探在現場進行旁壓和動探試驗，確定不同層位深厚覆蓋層地基的旁壓模量和動探擊數;然后，根據室內模型試驗(模擬覆蓋層的實際上覆壓力和級配)建立覆蓋層材料的旁壓模量和動探擊數與其密度的相關關系;最終，根據現場試驗和室內模型試驗成果，在旁壓模量或動探擊數大小完全一致的原則下，推測天然狀態下覆蓋層的可能密度。該密度作為室內力學性試驗的控制密度進行覆蓋層土料的強度與變形特性研究。這是一項具有探索意義的工作。

3.11 土工試驗技術的發展和土工試驗規程的制定

土工試驗技術是土工學科的基礎，沒有正確的試驗技術和準確的試驗數據，土工研究就沒有可靠的依據。長科院一向十分重視試驗技術，并注意培養試驗人員的操作技巧，因此，長科院拿出的試驗數據在國內是有聲譽的。在50年代和60年代的土工試驗規程制定中，投入了大量的人力參與工作;70年代末和90年代兩次規程修改中，負責了多項試驗規程的起草和修改工作，為規程的發布和完善作出了貢獻，也鍛煉了隊伍。

在試驗技術和試驗儀器方面的進展也十分值得稱道。尤其在強度試驗技術方面，對平面應變下強度、反復荷載下的強度、殘余強度、特殊土的強度等都作過深入的研究，近年來，在為粗粒土研究所需的大型儀器的研制和創新上成績尤為顯著，在國內首次研制出大型三軸儀、大型平面應變儀、大型流變儀、大型疊環式剪力儀、大型滲流固結儀等等，在國內是十分突出的。

4 經驗與體會

(1)圍繞長江治理和建設中的工程問題展開土工研究。長江的治理與開發任務艱巨，需解決的難題很多，我們在完成有關土工任務時，不是簡單地采用接受勘探、設計或施工部門委托的具體試驗項目，而是在了解工程所存在問題的基礎上，分析其中的科學和技術問題，從中概括或抽象出需要解決的課題，然后，運用綜合的試驗研究手段來回答這個工程問題。所取得的成果不僅是數據報告，而且還提出分析結論、設計參數及工程措施等建議。起到為工程出謀劃策的作用，并達到真正“出成果出人才”的目的。

(2)生產任務與科學研究是統一的。高質量的完成生產任務就是科研，其成果一定會有科技含量，具有一定的學術價值。在這里關鍵是:研究者一定要有精益求精和創新的意識;領導者要嚴格把好研究大綱關，并定期檢查，及時交流;最后的成果報告需經有關人員討論、檢驗。而研究者則應在開始時，做好開題報告，通曉本領的成果和進展，為自己的研究定好目標。

(3)在“出成果”同時，一定要把“出人才”放在戰略地位加以重視。這里有2點需特別注意:一是培養一個人要有目標，要具體指導，督促檢查;對于骨干的培養，還應讓其自始至終參加或負責一項工作的全過程，培養比較完整的工程概念。二是在科研進行過程中，要不斷地汲取和豐富專業知識。

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

(5)促進學科的交流和融合。土是一種散體，顆粒之間連接很弱;巖體則當作存在結構面的連續體處理，結構面對其性質起關鍵作用。這兩者有時在工程上聯系緊密，如軟巖是巖石，但其風化物或泥化物則是土。巖石力學近年發展的流形元分析法(NMM)，既適用于巖石力學，也可用于土力學以及結構工程，為連續和非連續變形的力學分析提供了一個統一的方法，在NMM中或可將土力學與巖石力學融合起來。

(6)加強與國內有關單位的協作。土工專業有與國內外合作的長久歷史和經驗，它對專業的發展起到了很好的作用。為完成工程中一些大型疑難課題，我們曾約請或組織國內有經驗的高校和科研單位共同攻關。如三峽深水圍堰的數值分析，規模很大，先后有國內15家、60余人參加，歷時十余年，成果豐碩，不僅對圍堰建設貢獻頗大，而且在土壩數值分析方面也有進展。南水北調膨脹土的國內外合作始于90年代，在境外的有香港、加拿大等;在境內的包括高校、交通、鐵道等部門，通過與各方的合作，集思廣益，開闊眼界，有助于成果質量提高和人才培養。同時，通過廣泛交流也擴大了長科院的影響。

致謝:本文編寫過程中承張家發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!本文許多資料來自《長江科學院——土工科研三十五年》一書。

［1］長江科學院.長江科學院——土工科研三十五年［M］.武漢:長江科學院，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.長江三峽工程關鍵技術研究［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.工程建設中土工問題研究［M］.武漢:長江出版社，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.對二期圍堰建設的評價［J］.中國三峽建設，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))