长江科学院土工科研60年

包承纲，郭熙灵，程展林，c

(长江科学院a.科学技术委员会;b.院长办公室;c.水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 概述

长江科学院(简称长科院)土工研究专业作为该院最早建立的专业之一，已经走过了60年的历程。60年来，土工专业已由最初的一个试验组发展成为学科齐全、设备先进、成果丰硕、人才济济的全国性大型土工研究机构;由最初的单一土壤物理力学性试验单位发展成为具有土的性状研究、工程渗流、土工数值分析、土工离心模拟、地基处理与加固、特殊土(粗粒土、膨胀土、分散土等)研究与处理技术、原位试验与原型监测等多个学科的综合性土工研究机构;由当初为设计部门提供一些简单的土工参数到能够出色解决重大工程中土工疑难问题的开创性工程研究机构，并在国内、外享有较好的声誉。这个成长过程主要是伴随长江治理和开发的进程进行的，同时也与参与国内、外多项岩土工程的建设有关。它既适应了长江和我国大规模建设的需要，也反映了国内、外土工科学近几十年的发展和演变。

自新中国成立以来，长江水利水电建设曾经历过不同的时期，土工研究工作也因而存在着几个阶段，每一阶段有其不同的内容和特点。从土工专业的成立到本世纪初期，大致可分为4个阶段:初创阶段、发展阶段、扩展阶段和巩固阶段。本世纪以来，土工专业又有了新的发展，其特点是不同学科之间加强了结合、研究课题更加扩大和深化、研究手段更加新颖和综合化、业务范围更加广泛和细化。

2 发展历程

2.1 初创阶段

本阶段从上世纪50年初至上世纪50年代未，以长江堤防和平原建闸土工问题的研究为主。

建国初期，为解决长江洪水威胁，国家计划兴建荆江分洪工程，土工试验的任务随即被提到议事日程。当时长江水利委员会成立不久，试验机构尚无眉目，为应急需，1951年10月，派出数名技术人员到武汉大学工学院，在冯国栋教授指导下进行有关的土工试验工作。翌年，会同武汉大学土力学教研室组成近10人试验小组，连同试验设备，前往沙市设置了临时土工实验室，从此揭开了长江土工科研的历史。荆江分洪工程和后来建设的汉江杜家台分洪工程等规模巨大的平原水闸工程，以及几千公里的长江堤防都修建在近代沉积的软土上，有许多复杂的技术问题，尤其是地基的承载力和建筑物的沉降问题比较突出，由于天然地基往往不能满足要求，就要进行地基的加固处理。如杜家台水闸地基采用预压加固方法改善地基土的性能，经大规模现场预压和现场监测证实，土的物理力学性质均有不同程度提高，沉降很小，闸室最大沉降仅2.6 cm，岸墩为11.8 cm，该工程在整个运行过程中未发生明显裂缝，效果很好，这在建国初期是一项重要的土工研究成果，被当时土工界传为美谈。在荆江分洪工程中，在地基内埋设了自制的孔隙压力传感器，监视地基土层内孔隙水压力的变化，在当时也是绝无仅有的。

荆江大堤是富饶的江汉平原的生命线，但其千里堤防是几百年来逐渐堆筑而成，质量极不均匀，汛期险情迭出，自古有“万里长江险在荆江”的警语。60年来，土工专业始终把加固大堤，保证安全，作为自己的重大责任。历年完成了荆江大堤地基涌水翻砂险情的调查，廖子河、观音寺、沙市马王庙等堤段整治的土工试验，并配合完成荆江裁弯工程、荆北放淤工程的有关工作。水闸和堤防建设中的另一个重要问题是闸基和堤基的渗流控制，这在当时也是一个新问题。为了降低闸基的扬压力和减小堤后的渗透压力，采用了减压井的措施，如在罗汉寺、观音寺闸基及廖子河堤基等应用中都比较成功。为了延长减压井的寿命，还摸索改进了减压井的一些设计措施和施工方法。这些工作也成为98’洪水后，在国务院领导下开展的长江堤防大规模整治加固工程中减压井专题研究工作的重要基础。

除此以外，在初期阶段，还对长江流域部分地区的土壤进行了调查，为今后的发展积累了基础资料。

在这一阶段，土工专业围绕长江防洪急需的工程开展了大量的试验研究工作，既满足了工程的需要，也培养了第一批技术骨干，机构也随之不断扩大，1955年以后，土工实验室成立，并逐渐增设土工、渗流、化学等专业组，人员增至近30人。由此，基本形成了较健全的土工试验机构的雏形。

2.2 发展阶段

本阶段从上世纪50年代后期到上世纪60年代末，工作内容以土石坝的土工问题为主，其特点是向试验研究型的科研机构发展。

在这一时期，长江在进行治理的同时，也着手开始流域的开发工作。一批大中型水利水电工程开始兴建。其中如鸭河口工程为土坝工程，丹江口、陆水工程中也有相当规模的土坝坝段。因此，土工专业的工作重点也转到以土石坝土工问题为主的试验研究上，研究的内容有各种坝料的物理、力学、化学性质，填土的压实性能和压实参数选择，土坝边坡稳定分析中强度参数和分析方法的确定，土坝和坝基的渗流状态分析和控制措施等。

鸭河口主坝填料为壤土，性质比较一般，易于使用。但陆水8#副坝填土是一种网纹状黏土，性质比较特殊，这是一种经过“红土化”沉积作用的红色黏土，土的重度虽然较低，但强度却较高，工程性质较好。根据微观分析，其中的氧化铁等胶结物质将细粒胶结成为稳固的团粒结构，是造成重度低、强度高的主要原因。通过对陆水蒲圻红色黏土宏观与微观相结合的研究，不仅对这种土的工程性质有较深的了解，而且体会到微观－宏观相结合的研究方法对岩土工程的意义。

丹江口枢纽左岸土坝最大坝高56 m，长1 200 m，大坝分为几个坝段，每个坝段又根据情况选用了心墙坝、斜墙坝、砾石土均质坝以及邻接混凝土坝的连接段等坝型。填料种类很多，性质也很复杂，比较特殊的有:砾石含量较高的砾石土、不易压实的轻粉质壤土、高含水率的黏土、红层的风化溶滤残积土以及风化花岗岩石碴等。通过这些填料性质的研究和其中疑难问题的解决，使我们对土的压实性质、土的天然含水率的工程意义、土的力学性质与其物理性质和物质成分的关系、粗粒土的工程性质的研究方法及其力学性质、土的施工压实标准的确定等土力学的一些基本问题有了较深刻的认识。在利用砾石土作为土坝防渗料的重大课题上，花了很多力量在室内外进行了渗透性能和渗透变形的研究，得出了可以用作防渗体和如何利用的结论，这在国内也是第一次，在这项工作中中国水利水电科学研究院也派员共同参加研究。

与此同时，本阶段还在一些土力学的前沿课题上开始了探索，如非饱和土的基本性质、土的结构性的物理化学基础、土的渗透破坏的研究等，开创了我国土工研究的先河，也为日后长科院土工专业在国内水利界的地位创造了条件。总之，这一阶段的特点是土工专业由以试验为主转向以试验研究型为主的阶段，探索了一套工作方法，培养了一批研究人才，建立了一些可以进行重大课题研究的试验设备，为今后在土工工程上的开拓发展，打下了重要的基础。

2.3 扩展阶段

本阶段从上世纪70年代到上世纪90年代，其主要任务是以软岩泥化夹层和膨胀土等为主的特殊土性状研究，这是一个深化、扩展的阶段。

从上世纪70年代文化大革命后期，土工工作的重点是配合葛洲坝、青山、彭水、隔河岩、构皮滩等水利工程的勘测、设计和施工开展研究工作。认识天然条件下葛洲坝大坝基岩中软弱泥化夹层和其他结构不连续面的物理和力学特性、渗流特性，对未来蓄水运行后由于力学或者物理化学的因素所致的可能演变进行预测，是摆在岩土工作者面前的重大挑战。对于该项全新的课题，土工专业几乎倾全部的力量，从宏观、细观和微观的层面上，进行了系统深入的多学科综合研究，运用工程地质学、土工学、工程力学、工程渗流学、矿物学、胶体化学、流变学等学科的基本理论，由土工、渗流、土质3个专业紧密配合，采用室内与现场、静态与动态、短期与长期等多种方法和手段，重点研究了残余强度与长期强度、流变特性与动力特性、渗流特性及渗控措施、物质成分和微细观结构特征及其对工程性质的影响，在渗水作用下土的各种物理化学性质变化以及夹层性状的演变趋势等，获得了丰富的创新成果。上述成果不仅为工程设计所需的现状参数和长期参数的确定提供了依据，并且也发展了岩土工程的某些基本理论，还对岩土力学的宏观与细微观相结合的研究方法提供了有用的经验。应当认为，这个重大课题的研究，使长科院土工专业的水平上了一个新的台阶。

上世纪70年代初，在南水北调工程引丹陶岔渠道边坡中遇到了膨胀土问题，即使在相当平缓的开挖边坡中，在施工期间或竣工后一段时间，仍发生了多达十几处大型滑坡。这个问题的出现，不仅影响陶岔渠段的运用，更预示南水北调中线工程的后续建设必需直面这个难题，因为在整个中线干渠中膨胀土渠段的总长超过300 km。

膨胀土是一种特殊土，它的膨胀性、裂隙性和超固结性等特性，使它成为土工工程中的世界性难题。在陶岔引渠建设初期，对这种土的性质研究不够，认识不足，没有采取针对性措施，直到问题发生后，亡羊补牢，立即开展了膨胀土的特性研究，以及事故处理措施的调查和探索。在研究中发现，这种土含有较多的膨胀性矿物，同时，由于超固结的影响存在许多不规则的裂隙面，当开挖卸荷后裂隙面会张开，影响边坡的稳定。另外，土层中还存在层间结合面和老滑动面，它们也会成为滑动的弱面，而且这些滑面上的土体强度可能已处于残余状态。为了确定其强度参数，土的残余强度的研究被提到议事日程。用原状土、液限土、人工制备裂隙面或滑动面进行残余强度或软化强度试验的研究在当时也是一项新的工作。与此同时，对膨胀土作为填料的填筑参数也进行了探索研究，并将成果用于若干地方小型工程。另外，与国内其他单位一起对膨胀土的室内试验方法进行了研究，并参与了国内第一本膨胀土规范的编制工作。

2.4 巩固阶段

本阶段从上世纪90年代持续到本世纪初期，主要特点是围绕三峡二期深水围堰工程进行深入的、先进的综合性研究，以及随之展开的世界第一高面板堆石坝水布垭工程的土工难题研究，同时将业务范围扩展到其它土木工程领域，这是一个相对比较成熟的阶段。

二期围堰是三峡土建工程中最具挑战性的2项工程之一(另一项为船闸高边坡)，通过这项工作的研究，不仅解决了深水围堰的许多技术难题，保证了围堰的成功建设和顺利抵抗98’大洪水，使围堰技术达到国际先进水平，正如著名的水利水电专家、三峡公司技委会主任潘家铮院士所评价的“二期围堰基本上做到了滴水不漏，‘固若金汤’。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”(潘家铮，1995年5月)。

在完成工程科研的同时，也获得了一批创新的成果，并培养了一大批技术骨干。三峡围堰研究邀请和组织了国内十几家著名岩土研究单位和高校共同参与，因此，通过这项工作也确立了长科院土工专业在国内岩土界的地位。

水布垭水电站坝基的地质条件比较复杂，填料选择受到很多限制，坝型的确定成为一个难题。土工研究所与勘测设计单位一起，在现场进行了大量的碾压试验，在室内实验室开展了大量填料试验研究，通过渗流计算和应力应变计算开展了心墙坝、面板堆石坝的对比研究，为最终选择混凝土面板堆石坝坝型提供了重要的科学依据。此后，土工研究所继续围绕其面板堆石坝开展了深入研究，为工程设计、施工和蓄水安全鉴定与验收提供了重要的科技支撑，同时为我国高坝工程的建设做出了重要贡献，也为以后参与长江上游多座高坝的建设打下了基础。

在上述研究成果中具有创新意义的有:

①利用离心模型试验新技术确定了60m水深下抛填风化砂的密度和坡角。

②应力应变有限元分析的作用与发展在国内达到了空前的规模和效果。

③柔性墙体材料的研制和施工控制方法得到发展。这种材料针对三峡围堰的需要而研制，其性能优于国外同类产品，而且利用了开挖弃料，价格低廉。

④复合土工膜在防渗心墙中的应用开创了土工合成材料在大型水利工程中成功实践的先例。

⑤对淤砂和风化砂的动力特性及其综合处理措施进行了研究。

⑥开展了粗粒料性能的研究和大型试验设备的研制。

⑦配合有关单位参与了新的施工设备的研制和引进、改造与利用工作，并创造了新的施工方法和工艺技术。

⑧此外，还专门在围堰拆除过程中对围堰工作状况进行取样研究和验证分析，获得了十分宝贵的资料，解决了以往长久存在的一些疑难问题，如砼防渗墙外的泥皮情况等，这也是绝无仅有的成果。

在这一时期中，围绕三峡工程的研究对象还包括永久船闸边坡、大坝基础、地下厂房的渗流场和渗流控制措施，研究成果为工程设计提供了重要依据，也发展了渗流场的研究方法和工具。针对永久船闸和围堰工程开展了长期监测工作，积累了重要的第一手资料，通过工程实践加深了对工程特性的认识。

在本阶段，为适应全国市场经济的新形势，除了完成本部门工作外，还向民航和交通部门的岩土工程扩展。深圳机场跑道淤泥地基的处理方法是一个新课题，土工所与设计部门一起，解决了其中重要的技术难题，在机场建设领域站住了脚跟，为以后参与珠海、桂林、昆明、神农架等多个机场的建设，开了“方便之门”。在高速公路方面的工作也十分突出，以广佛公路成功实践为契机，为以后的岱黄、汉宜、黄黄等一系列公路土工研究任务的开展创造了条件。

2.5 创新发展阶段

从本世纪以来，土工科研又进行了许多新的开拓，取得了一些有意义的新成果，势头很好，前途无限，可以预见，这将是一个创新发展的阶段。

在土力学方面，主要表现在:①研制和添置了许多先进的新设备，如建成新的离心试验机、研制了一系列大型流变仪、大型叠环式剪力仪等大型仪器，建造了大型物理模型试验槽，建立了新型的功能优异的CT机试验室，改进了国内仅有的大型平面应变试验机等。这样规模和速度的试验仪器更新和发展，在以往是从来没有过的，同时也预示前一时期经济大潮对科研冲击的不良影响已基本扭转;②科研工作继续取得重要成果，针对南水北调中线工程膨胀土开展室内试验、离心模型和静力模型试验、数值分析、现场试验、现场观测等，弄清了膨胀土的地质特性、力学性质、对工程的危害以及处理方法等一系列有意义的成果，对保证工程的安全有重要的作用，有关研究正在继续深入中。针对水布垭面板堆石坝工程的研究工作为工程顺利完工做出了贡献，研究成果是湖北省科技进步特等奖和国家科技进步二等奖有关水布垭工程成果的重要组成内容;③一些有新意的研究成果正不断涌现，如粗粒土的研究已进入到宏观与细微观紧密结合的阶段，在变形和剪切过程中组构的演变及对力学性质的关系有了新的认识，以此建立的新的三变量本构关系，别具新意。

在渗流领域，近年也取得卓有成效的发展:①三峡工程围堰、坝基、永久船闸边坡、地下水厂房渗流场及渗控措施的研究，为枢纽工程渗流控制体系的设计提供了重要依据，工程运行情况也已经验证了研究成果的可靠性;②长江重要堤防加固工程渗流控制措施的研究，不仅为十几项堤防工程设计提供了依据，而且在管涌扩展规律、防渗墙的渗流控制效果和论证方法、减压井的淤堵机理和应对措施等方面取得了重要进展;③关于水布垭面板堆石试验，研究了全级配填料的渗透变形特性和反滤效果，分析了各种不利工况下大坝的渗流场分布，论证了大坝渗流控制体系的有效性，并已经通过工程运行得到验证;④关于南水北调中线工程的研究，为穿漳工程、兴隆枢纽工程、引江济汉进口段工程基坑的渗流控制措施设计方案选取和运行方案的制定提供了重要依据，论证了总干渠不同地质条件下的渗流控制方案，分析了在施工期、运行期和检修期保障工程安全的效果，目前正在研究长期运行和检修工况下的运行维护方案。

目前，土工专业技术队伍越加壮大，新的血液不断补充，培养了大量的研究生，队伍的整体素质逐步提高，研究人员的年龄许多都在40岁以下，他们具有较高的学历、充沛的精力、良好的知识基础、积极向上的精神，若再经过几年的实践锻炼并打好专业知识基础，未来不可限量，他们是长科院土工专业的希望。

3 主要学术成就

土工专业60年的历程，不仅完成了许多工程任务，同时也取得了许多学术上的成就。事实上，工程上的生产任务与学术上的研究工作并不矛盾，两者可以兼得。高水平地完成生产任务就必然含有创新的学术成果，这一方面与任务的性质和规模有关，但主要还是取决于研究者的素质与意愿。还有一个关键因素是领导者的要求，高要求往往可以成为参与者上进动力的不懈源泉。当然，这里面还有一个条件问题，但条件是可以逐渐创造、逐步完备的。

长科院所承担的任务往往是大工程中迫切的、比较困难的课题，一般不是用常规或现成的技术可以解决的，客观上也要求采用新理论、新方法、新材料去解决工程问题，并在运用过程中进一步发展和创新这些新技术。生产和科研是统一的，关键在于人的素质，这就是我们长期的体会和结论。

3.1 黏性土的性质和压实黏性土的研究

黏性土是工程中最常见的一种土类，对此研究也比较多，我们的重点在于它的强度特性，包括不同状态下和不同应用条件下的强度。除常规三轴试验外，我们还是国内最早研究平面应变下的强度并第一批自己研制有关仪器的单位之一。同时，在残余强度、重复剪应力作用下的强度等方面也有新的认识，特别值得提到的是黏土强度与它的矿物成分和结构特性的关系，结合葛洲坝基泥化夹层的深入研究，做出了创新工作。研究发现，黏土的蒙脱石对土的强度影响较大，并获得了不同蒙脱石含量与强度的线性定量关系。在这过程中运用X射线衍射分析、电子显微镜、阳离子交换量、硅铝率、全钾测定的综合分析法进行黏土矿物定量鉴定是一个创新成果，对了解黏土的本质很有帮助。同时，在土的微细观研究中，还对某些试验的方法有了改进和创新，如化学全量分析法、EDTA容量测定法、比表面的甘油吸附法、动电电位的微观电泳法、用电镜复型法研究土的结构特征、岩土表面电荷密度的测定、室内外氧化还原电位测定、游离氧化物的选择溶解和测定方法等。土的微细观的研究是我院土工专业的一大特色，它不仅解释了土的现状特性，而且科学地预测工程长期运用后性状的演变，对工程的决策意义很大。从黏土的矿物组成、结构特征和工程性质三者的复杂关系出发，认定叠片体(Domain)是黏土矿物在土中存在的基本形式，也是黏性土结构的主要基本单位。所以黏土的性质不能仅从矿物学角度着眼，必须结合土的结构特征统一考虑。总之，有关土的工程特性微观解释方面的成就，是对土的工程性质研究领域的一个贡献，在当时国内是有地位的。

黏土的压实是一个老问题，但我们在丹江口黏性土填料等的研究中，获得了新的成果。

研究发现，黏性土料场中，土的天然含水量是一个非常重要的特性和指标。如果料场不是在地下水位以下的土层，也不是水田、鱼塘等受人为影响的土层，则天然土层是经过长期的沉积或存在，其内部的含水量已达到平衡，这个含水量是由性质所决定的，是土所需要的，在这个含水量下进行压实，其性质最为稳定，我们称这个含水量为平衡含水量。据测定，其值接近于土的塑性值。大气会对土层的含水量产生影响，但据长期观测，其影响深度约在0.6 m左右。为此我们在料场勘探中，着重进行天然含水量的调查，并建立土层中不同含水量的土与储量的关系，并由此计算可用的土方量。

关于压实功能，在上世纪50，60年代也有一种观点，认为用大功能、高密度才是好质量。其实不然，我们认为，应先进行不同功能下的击实试验，求得最优含水量与其塑性相近的那个功能，才是该土的适用击实功能。这样压实的土性质最稳定，压实也较容易。例如在丹江口填料中，一种料的适用击实功能与目前标准击实功能(25击)一致，而另一种料则采用较轻的15击更为适用。

上述的观点虽没有深奥的理论，却很实用，也很成功，这是在传统的做法基础上的创新。

3.2 特殊土的工程性质研究

我们研究过的特殊土包括:粗粒土、膨胀土、红土、分散土、风化石渣以及软岩泥化土等。

粗粒土的研究始于丹江口土坝工程，为探索粗粒含量达60%以上的砾石土的性质和作为防渗料的可能性，在室内外进行了大量的物理性质、物质成分和强度、变形、防渗性能的研究，历时5年以上。其间，在国内第一次提出了一套粗粒土的试验研究方法和工程性质评价方法。粗粒土的后续研究是为三峡围堰风化料而进行的，其间，研究了平面应变下的强度特性和颗粒破碎的问题。深入的研究是从90年代围绕面板堆石坝而展开的，针对当时世界最高的水布垭面板堆石坝开展了压实试验、强度和蠕变试验以及本构关系的研究，提出了三变量本构模型、九参数蠕变模型、湿化模型，尤其是对堆石在受力后组构的变化采用CT技术进行研究，开辟了粗粒料研究的一个新的领域，发扬了我院把微细观研究与工程性质紧密结合的传统，在国内外也是一个创新。

膨胀土的研究始于70年代，南水北调中线工程开工后，膨胀土的研究成为一项主要工作。研究的主要成就包括:在膨胀土(岩)裂隙性方面取得突破性认识，提出了边坡破坏的2种模式及力学机制，提出了新的稳定分析方法和强度、变形参数的确定方法，提出了膨胀土渠坡处理技术，解决了膨胀作用下浅层失稳的渠道设计和施工的关键技术问题。这样的研究深度在国内外也是不多的。

红土的研究是为陆水8#副坝填料而展开的，除研究物理、力学性质外，重点研究了矿物、化学性质及结构水稳性和颗粒分散性，弄清了红土低密度、高强度的原因是黏土矿物和水化的铁化合物质对其结构性起了主导作用。红土颗粒呈多元粒团单元聚集状态，这是红土不易分散的原因。研究认为，红土筑坝不必追求高密度，但应注意压实均匀性。

分散土是一种易被水冲蚀崩解的特殊土，在若干援外工程和国内某些大坝土料中遇到。经过摸索采用多种非常规试验，尤其是针孔试验后，认为土中存在易于分散的纳蒙脱石类矿物是其物质基础，其实质是土粒间物理化学连接在水的作用下破坏的过程，这样的研究在国内也属首次。

软岩泥化夹层的特性及其在工程运用年代中的可能变化的研究是具开创性的成果，在国内属首次，在国外也不多见。这项成果最主要的学术价值在于把微观与宏观相结合的研究成功地用于解决工程问题，把土力学的研究与工程地质、物理化学、矿物学和工程力学的方法结合起来，开阔了土力学研究的视野，对土力学的未来发展是一个良好的启示。

3.3 渗透变形的理论和渗流分析模拟技术

渗流问题对水利工程的意义是不言而喻的，但国内对渗流进行深入研究的单位并不很多。我院的渗流学科对渗透变形的研究颇有成就，值得提出的有:研究了无黏性土渗透变形的形式，尤其是建立了软弱夹层渗透变形类型的理论，即流土、冲刷、灌淤及渗透劈裂，给出了它们的定义和发生的机理，并且建立了渗透变形过程的数学模型。同时对各种渗透变形的试验方法、判别标准以及控制措施也有相应的成果。研究表明，渗透变形不一定导致渗透破坏。砂砾石的渗透破坏不仅与相对渗径有关，而且与绝对渗径有关。

在渗流场模拟技术上也有一系列的创新。上世纪六、七十年代，电脑尚未应用，故电拟试验是一种解决渗流问题的有效方法，我院渗流工作者在60年代，先后研制了相敏电拟仪、音频相敏仪和脉冲电拟仪，以及后来国内唯一的电力积分仪，稍后又建立了一个7 200结点的三维电阻网模拟计算机，当时是国内唯一的大容量、可求解三维渗流场的仪器。

考虑到无黏性土颗粒分布的随机性，60年代提出用统计数学分析土的渗透变形，建立了随机数学模型，形成了随机渗流学的雏形。

在渗控措施上，采用减压井降低堤后渗透压力的办法，并引入土工合成材料作减压井，以延长它的寿命。这种结构用于葛洲坝二、三江泄水闸闸基渗控方案，取得了很大的成功。自1998年兴起的长江重要堤防工程建设高潮中，再次针对减压井淤堵机理及其应对措施开展了系列研究，取得的可拆换减压井专利技术和一系列达到了国际领先水平的成果。

为适应高坝建设的需要，研制了大型渗透变形和反滤试验仪器，开展了全级配粗粒料的试验，建设了系列供水系统，最大供水压力和供水流量分别可以达到8 kg/cm2和10 L/s，从而具有了研究300 m级超高土石坝填料渗透变形特性和反滤效果的试验能力。

研究的问题已由坝工渗流逐步拓展到多种地下水问题，包括滑坡、边坡、地下洞室围岩渗流场及其控制，水库浸没评价与对策措施，防渗排水措施对地下水环境的影响，地下水资源和环境的长期监测与分析评价，地下水资源和水源地的管理与保护等。

3.4 非饱和土性质的研究

地球上绝大部分的土都是非饱和土，尤其像膨胀土、黄土、残积土等特殊土，填埋场垃圾，油气层土壤等常处于非饱和状态，但因其性质十分复杂，而且研究不多，工程上常当作饱和土处理。经典的太沙基土力学也严格地限定在饱和土的范围。国内有关非饱和土的研究成果在改革开放之前只有2篇:1篇出自水科院，另1篇出自长科院。我院于70年代初，结合丹江口工程开展了非饱和压实黏土的试验研究，首次在国内进行了非饱和压实土的特性、孔压变化和气渗性试验，并依此提出了非饱和土4种气相形态及其随饱和度的变化而相互转化的理论，在国内第三届土力学大会上引起很大反响。其后，又继续对非饱和土的有效应力原理问题、变形和强度特性、工程应用问题等进行研究，并以此为题在2004年第7次《黄文熙讲座》上作了报告。长科院至今仍然保持着这个领域在国内中的地位。

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确定性数学概率统计理论来解决工程设计问题，是与目前流行的确定性方法相对的另一条设计途径。与确定性方法的大老K(单一安全系数)不同，可靠度分析方法采用失效概率作为结构安全度的判别标准。工程可靠度设计标准中的结构设计部分，已经比较成熟，而岩土工程可靠度，由于问题的复杂性，研究不多。80年代末，受国家建设部标准定额司委托，开展了土工可靠度的研究，与同济大学、华北水院、华侨大学等单位一起，历时3年，完成了《关于岩土工程可靠度分析方法的建议》，并出版专著一本。其间还参与了工程统一设计标准和多个行业可靠度设计标准的制定工作，参加了港口可靠度设计规范的审查工作。

3.6 土工离心机试验技术

1983年初，我院建成了国内第1台大型结构－土工离心机，此后进行了许多重要的工程试验和有价值的学术论证工作，尤其是三峡深水围堰抛填土密度离心试验，解决了一个重要的技术难题，发挥了很好的作用。该项工作的开展不仅解决了本院和国内其他许多工程问题，而且培养了人才，也奠定了我院在国内土工离心模拟研究中的地位。第1台离心机在使用约20年后，已更新为性能更好的第2台离心机。与此同时，由长科院牵头，正在组织全国十余家单位共同编写国内第1本有关离心机方面的专著《土工离心机的原理和工程应用》，已经付梓。

3.7 土工CT试验技术的发展

长科院于2008年建立了岩土试验CT工作站，该CT工作站采用德国西门子Somatom Sensation 40型CT机，主要特点是具备比较高的空间和时间分辨率，以及高质量的多维重建图像，可以实现用三维的图像来观察三维的试件。开发了一系列与之配套的试验设备，如:CT三轴仪、渗透仪、荷载试验仪等，并开展了多种岩土试验。其中，对粗粒土的剪切过程现状变化的研究等课题取得了很好的成果。根据试验，粗粒土三轴试样的变形主要由于颗粒的位置调整(相邻颗粒的位置变化)而引起，这种位置调整自试样变形的初期就随之产生;在某一宏观应变下，试样中颗粒的平动和转动有很强的规律性，且试样中各部位的颗粒位置调整的幅度差异较大，相邻颗粒间的错动明显，并伴有一定的转动。

此外，还利用CT试验设备进行了砾石土浸润试验，膨胀土干湿循环裂隙发展过程研究，水力劈裂试验研究和加筋土的试验研究，获得了许多新的认识。看来，如果具备CT机与配套的岩土试验设备，就可以无损、动态、定量和实时地量测岩土材料在受力过程中内部结构的变化过程，对了解土的各种力学行为的实质大有助益。

3.8 土工合成材料工程应用研究

人工合成材料有许多品种，其中有些性能比较适用于土木水利工程应用的，在工程上称为“土工合成材料”。土工合成材料的种类很多，最常见的有土工织物(有纺织物、无纺织物)，还有用于防渗的土工膜，用于加筋的土工格栅、土工格室、土工带，用于排水的土工管、土工网、土工排水带、平面排水板，用于坡面保护和植草的土工网垫、土工格室、土工网，以及用于垃圾填埋场防渗防漏的黏土衬垫(GCL)等。不同的土工合成材料可以发挥不同的功能或达到不同的目的:①防渗;②排水;③反滤;④加筋;⑤防护;⑥隔离;⑦包裹;⑧环保等。

土工材料在国外从60年代起正式运用，以十年翻番的速度增长。目前，几乎已达到不可不用、无可替代的程度。我国从80年代中期起正式采用。目前已在土木工程各类领域中，包括水利、电力、铁路、公路、港口、机场、建筑、市政、环保等领域中得到广泛应用。98’洪水后，在国务院领导亲自推动下，土工材料在工程中大规模地采用，使我国土工材料的应用和发展达到一个新的水平。今天，在岩土工程中已不可能没有土工合成材料。

我院最早使用土工合成材料始于减压井泡沫过滤体，以后扩展到大坝防渗的复合土工膜，近年又对土的加筋和加固方面做了比较多的深入试验研究，并是国内较早具有法定资格的土工材料检测单位之一。2008年出版了一本有关应用原理方面的专著，在国内有相当影响。近几年，在南水北调膨胀土处理的现场试验中，采用了多种土工材料的加固方案，取得了丰富的成果。总之，土工合成材料工程应用也是我院在国内有地位的领域之一。

3.9 数值分析技术的发展

对于一般的工程项目的数值计算，通用计算软件为 ABAQUS，ANSYS，FLAC3D，MARC，以及 DDA(非连续变形分析)等。但在进行具体项目时，还需要进行程序的二次开发，对数值计算方法加以改进，才能应用，这种二次开发也是一种创新。近年来我院在岩土工程数值计算方法上主要有如下改进。

(1)新的理论与数值计算方法相结合。以膨胀土渠坡稳定分析为例，先根据现场试验和室内试验提出的膨胀土渠坡破坏的2类模式，即裂隙强度控制下的重力整体失稳和膨胀作用下的浅层破坏，采用数值计算来验证理论的正确性，提出新的计算方法，使之能分别考虑膨胀土的裂隙性、膨胀性等因素，进行破坏机理的演述。这种在稳定分析中反映裂隙空间分布的裂隙性膨胀土稳定分析新方法，有别于传统的以土体强度作为强度控制指标分析均质边坡稳定性的方法。而将土体膨胀性引入边坡稳定分析，建立了考虑膨胀变形的渠坡稳定有限元分析方法，也是一种新的膨胀土稳定分析方法。

(2)计算方法上新技巧的应用，以唐家山堰塞坝形成机制的探讨为例，采用了兼有真实时间和非连续大变形分析于一体的非连续变形分析方法(DDA)。以DDA方法为基本研究手段，以唐家山滑坡完成后形成的堰塞坝形态和位置作为目标函数，对唐家山滑坡过程进行复演;通过对滑床强度参数、地震荷载以及河床泥沙等滑坡过程的主要影响因素深入研究，复演了唐家山堰塞坝从启动、加速、减速至停止的运动全过程。

(3)在渗流场模拟方法上，随着计算机和计算技术的发展，数值模拟方法全面取代了以往的电阻网模拟和水电比拟等方法，物理模型试验主要用以研究一些渗流控制措施和细部结构对渗流场局部的影响。数学模型由以往的饱和稳定各向同性多孔介质渗流场，已经拓展到裂隙岩体渗流场、各向异性渗流场、非稳定渗流场，以及饱和非饱和渗流场。通过开发和引进，拥有了一系列模拟计算软件，可以模拟复杂水文气象过程、地质条件和工程运行工况下的渗流场，大大提高了解决复杂问题的能力和效率，计算成果主要借助工程监测资料、类似工程对比以及不同模型之间相互校验得到验证。

3.10 覆盖层工程特性试验研究

目前，在深厚覆盖层上建高坝是土工学科面临的一大难题，在我国西南地区大坝坝址区存在深厚覆盖层是普遍的现象，最厚可达300 m以上，如何测定天然状态下覆盖层的强度与变形特性目前还没有可行的方法。在以往的工作中，往往只对覆盖层表层进行详尽研究，对较深部位则采取类比、经验推算的办法来确定计算参数。长科院近年来结合双江口、乌东德等工程对深厚覆盖层工程特性研究方法进行了探索。

其基本思路是:首先结合勘探在现场进行旁压和动探试验，确定不同层位深厚覆盖层地基的旁压模量和动探击数;然后，根据室内模型试验(模拟覆盖层的实际上覆压力和级配)建立覆盖层材料的旁压模量和动探击数与其密度的相关关系;最终，根据现场试验和室内模型试验成果，在旁压模量或动探击数大小完全一致的原则下，推测天然状态下覆盖层的可能密度。该密度作为室内力学性试验的控制密度进行覆盖层土料的强度与变形特性研究。这是一项具有探索意义的工作。

3.11 土工试验技术的发展和土工试验规程的制定

土工试验技术是土工学科的基础，没有正确的试验技术和准确的试验数据，土工研究就没有可靠的依据。长科院一向十分重视试验技术，并注意培养试验人员的操作技巧，因此，长科院拿出的试验数据在国内是有声誉的。在50年代和60年代的土工试验规程制定中，投入了大量的人力参与工作;70年代末和90年代两次规程修改中，负责了多项试验规程的起草和修改工作，为规程的发布和完善作出了贡献，也锻炼了队伍。

在试验技术和试验仪器方面的进展也十分值得称道。尤其在强度试验技术方面，对平面应变下强度、反复荷载下的强度、残余强度、特殊土的强度等都作过深入的研究，近年来，在为粗粒土研究所需的大型仪器的研制和创新上成绩尤为显著，在国内首次研制出大型三轴仪、大型平面应变仪、大型流变仪、大型叠环式剪力仪、大型渗流固结仪等等，在国内是十分突出的。

4 经验与体会

(1)围绕长江治理和建设中的工程问题展开土工研究。长江的治理与开发任务艰巨，需解决的难题很多，我们在完成有关土工任务时，不是简单地采用接受勘探、设计或施工部门委托的具体试验项目，而是在了解工程所存在问题的基础上，分析其中的科学和技术问题，从中概括或抽象出需要解决的课题，然后，运用综合的试验研究手段来回答这个工程问题。所取得的成果不仅是数据报告，而且还提出分析结论、设计参数及工程措施等建议。起到为工程出谋划策的作用，并达到真正“出成果出人才”的目的。

(2)生产任务与科学研究是统一的。高质量的完成生产任务就是科研，其成果一定会有科技含量，具有一定的学术价值。在这里关键是:研究者一定要有精益求精和创新的意识;领导者要严格把好研究大纲关，并定期检查，及时交流;最后的成果报告需经有关人员讨论、检验。而研究者则应在开始时，做好开题报告，通晓本领的成果和进展，为自己的研究定好目标。

(3)在“出成果”同时，一定要把“出人才”放在战略地位加以重视。这里有2点需特别注意:一是培养一个人要有目标，要具体指导，督促检查;对于骨干的培养，还应让其自始至终参加或负责一项工作的全过程，培养比较完整的工程概念。二是在科研进行过程中，要不断地汲取和丰富专业知识。

(4)一定要注意试验技术和试验仪器的不断完善。俗话说“工欲善其事，必先利其器”，要搞好课题研究，必需有适合该问题的相应仪器，这种仪器往往不是现成的，而必须自己研制，试验方法也要不断改进和完善。所幸，这方面的工作始终伴随学科的发展而不懈地进行，不论在土工、土质，抑或渗流方面都有一系列的成果，其中有些已被定型化。

(5)促进学科的交流和融合。土是一种散体，颗粒之间连接很弱;岩体则当作存在结构面的连续体处理，结构面对其性质起关键作用。这两者有时在工程上联系紧密，如软岩是岩石，但其风化物或泥化物则是土。岩石力学近年发展的流形元分析法(NMM)，既适用于岩石力学，也可用于土力学以及结构工程，为连续和非连续变形的力学分析提供了一个统一的方法，在NMM中或可将土力学与岩石力学融合起来。

(6)加强与国内有关单位的协作。土工专业有与国内外合作的长久历史和经验，它对专业的发展起到了很好的作用。为完成工程中一些大型疑难课题，我们曾约请或组织国内有经验的高校和科研单位共同攻关。如三峡深水围堰的数值分析，规模很大，先后有国内15家、60余人参加，历时十余年，成果丰硕，不仅对围堰建设贡献颇大，而且在土坝数值分析方面也有进展。南水北调膨胀土的国内外合作始于90年代，在境外的有香港、加拿大等;在境内的包括高校、交通、铁道等部门，通过与各方的合作，集思广益，开阔眼界，有助于成果质量提高和人才培养。同时，通过广泛交流也扩大了长科院的影响。

致谢:本文编写过程中承张家发教授提供资料并提出宝贵意见，徐晗博士提供资料，在此一并致谢!本文许多资料来自《长江科学院——土工科研三十五年》一书。

［1］长江科学院.长江科学院——土工科研三十五年［M］.武汉:长江科学院，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，包承纲.长江三峡工程关键技术研究［M］.广州:广东科技出版社，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，饶锡保，等.工程建设中土工问题研究［M］.武汉:长江出版社，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］潘家铮.对二期围堰建设的评价［J］.中国三峡建设，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))