水利工程施工科学的发展,主要表现在以下几个方面。

(1)施工水流控制。我国江河众多,尤其是近30年来的工程实跋,在大江大河采用立堵或平立堵截流,各种大流量挡水泄水建筑物包括围堰、明渠、隧洞、底孔等的修建、拆除与封堵,各种坝体拦洪或过水度汛,施工期通航以及围堰挡水提前发电受益等各个方面都积累了十分丰富的经验,并发展了各种类型的挡水或过水固堰及相应的地基处理技术。二滩、小浪底等工程巨大过流断面导流隧洞的修建和运行,当今世界规模最大的长江三峡导流明渠工程的顺利通航,深水大流量截流、高挡水标准、巨大填筑量、高混凝土防渗墙、低渗漏量的三峡工程二期上下游深水围堰工程的按期建成,都是最有说服力的例证。

(2)土石方工程。水利工程施工中的土石方工程包括挖方工程和填方工程,其中挖方工程量是体现工程规模的重要指标之一。20世纪50年代后期至90年代,据统计,我国先后建成和在建的50余座大型水电站(不小于25万kW),各种土石方开挖共445亿m3,其中开挖量在500万m3以上的有23座、1000万m3以上的有6座,年开挖强度超过1000万m3的工程有葛洲坝和小浪底工程。进人21世纪以来,随着我国一大批世界级巨型水利枢纽的建设,土石方开挖强度和开挖量明显提升:小湾水电站主要建筑物土石明开挖1918万m3,石方洞开挖450万m3;锦屏一级土石方总开挖量1100万m3;举世瞩目的三峡工程士石方总挖填量高达1.25亿m3。
挖方工程和填方工程中,为实现快速经济施工,需对土石方平衡作设计与规划。随着工程规模的日益增大,料物数量越来越多,土石方平衡问题在工程建设中所起的作用日趋重要。清江水布垭工程,土石方开挖量2886万m3,总填筑量1816万m3,通过建立运输问题数学模型,电算求解,在满足大坝填筑料要求的前提下,科学地进行建筑物开挖料的利用规划,带来了巨大的经济收益。
然而,土石方开挖也带来了很多复杂高边坡问题,会导致岩石失稳、泥石流、坍岸等地质灾害,直接影响工程修建的可行性,因此发展高边坡治理与加固技术是极其必要的。许多大型工程均采用了有效的高边坡处理技术,例如,在三峡工程五级永久船闸建设中,采用边坡锚固技术及新型无黏结锚索结构,保证了船闸高边坡的整体稳定性;在拉西瓦水电站边坡防护工程中,采用以高强钢丝网为主要构件的一种较新的柔性防护网,取得了良好的效果,保证了工程的安全施工;在南水北调中线古运河枢纽工程中,对边坡实施“倒梯形”的注浆土钉布置与钢筋网锚喷混凝土支护,保证了明暗挖段分界施工的正常进行。

(3)地下洞室施工。我国超过70%的水电资源都集中在水能富集的西部高山峡谷地区,这些地区山高坡陡,河谷狭窄,地下空间的利用可以很好地解决枢纽布置的空间问题。20世纪80年代开始,鲁布革、大瑶山、二滩水电站等长(大)隧洞和高压输水管道成功建设,大大提高了地下洞室的施工水平,先后建设了龙滩、小湾、拉西瓦、瀑布沟等多个大型地下洞室群。随着西部水电开发的逐步深入,地下洞室群的数量、规模、地质条件和技术难度将不断加大,地下洞室群正朝着单机大容量、洞室大跨度、施工大规模和安全高要求的方向发展。
在地下洞室施工技术方面,爆破技术由松动爆破、定向爆破向预裂爆破、光面爆破、微差爆破发展;对于长距离、围岩条件好的地质环境,采用TBM(隧道掘进机)开挖已经成为现在的趋势;在洞室支护方面,随着新奥法理论应用与发展,钢模台车等用于洞室开挖支护,极大提高了洞室开挖支护效率。例如,2012年年底投产发电的锦屏二级水电站,采用钻爆法和TBM相结合的施工方案,4条引水隧洞单洞长约16.7km,开挖直径为
12.4~12.6m,最大埋深2525m,是目前世界上规模最大、综合技木难度最大的水工隧洞群,在解决超埋深、高地应力等方面积累了经验。

(4)基础处理工程。地基处理技术的主要功能是改善或增强地基整体性及其物理和力学性能,提高防渗能力,从而满足工程需要。其具体处理技术通常包括灌浆防渗墙、锚固、预应力管桩等,大坝、水闸、堤防、隧洞等建筑物和构筑物的地基,一般都需要用这些技术进行加固和处理。20世纪50年代末至70年代,我国相继在深厚覆盖层中建造混凝土防渗墙取得成功,促进了砂砾石地基土石坝或混凝土间坝的发展。80年代以后,高压喷射灌浆成墙技术广泛地用于围堰和坝基覆盖层的防渗,促进了该项技术的发展。80年代至90年代革新了造墙机具和墙体材料,提高了施工效率和墙体质量,最大造墙深度达到82m(小浪底水利枢纽工程),并完成了深达101m的造墙试验(冶勒工程),使我国地下墙的造墙技术达到一个新的更高的水平。90年代初,地基振冲加密技术得到广泛运用,不断改进优化,设备机械化自动化程度大幅度提高,并成功应用于三峡围堰堰体地基处理。进入21世纪,GIN控制性灌浆技术、化学灌浆技术、高压旋喷连续防渗瑞以及新材料湿磨细水泥-化学复合灌浆技术等得到广泛应用。黄河小浪底水利枢纽由于复杂的地质条件和工程结构被誉为世纪水利工程史上最具挑战性的项目之一,其基础处理采用高强缓凝型混凝土防渗墙、GIN控制性灌浆等技术,取得了满意的地基改善效果。

(5)土石坝工程。土石坝是以土、石等当地材料填筑的坝。按坝体采用的材料不同土石坝大体可以分为:土坝、堆石坝、土石混合坝,土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型,其优点是可以就地取材,对坝基的地质条件等要求不高,易于施工。我国土石坝的发展经过了几个阶段。20世纪50年代至70年代,我国的施工机械化程度相对较低,以人力为主修建了一批均质土坝、黏土心墙和斜墙砂砾石坝,并将定向爆破筑坝技术成功地应用于一批中小型工程,这一段时间代表性土石坝工程有松涛均质土坝〔坝高80.1m),定向爆破堆石坝南水工程(坝高80.2m);70年代以后,通过引进吸收国际上的先进筑坝技术和经验,并开发了多种大型土石方施工机械,使以碾压堆石为主的混凝土面板堆石坝(关门山坝)和土质心墙堆石坝(鲁布革风化料心墙坝)在我国得到迅速发展。进入21世纪以来,随着坝体施工技术的提高、土石方调配动态平衡系统的开发和应用、施工全过程质量实时监控技术和混凝土面板滑模施工技术的推广,一批高土石坝、超高土石坝相继建成和动工修建,以糯扎渡砾石土心墙坝(最大坝高261.5m和水布亚混凝土面板堆石坝(最大坝高230m)为代表,体现了这一时期的施工水平。由于沥青混凝土具有防渗性能好、适应变形能力强、工作量较少等特点,近年来以沥青混凝土作为防渗体的堆石坝在我国也得到长足发展,四川南桠河冶勒水电站大坝(坝高125.5m)是亚洲最高的碾压沥青混凝土心墙堆石坝,很好地解决了高寒多雨的环境下进行心墙施工关键技术问题。

(6)混凝土坝工程。在坝型方面,20世纪60年代,丹江口水电站采用空腹重力坝,降低了坝基扬压力,节省了混凝土,而且空腹内还可以布置厂房;70年代,葛洲坝水利枢纽釆用混凝土重力坝,为解决在长江上建坝带来的导截流、通航、泥沙淤积等间题积累了宝贵经验;80年代,清江隔河岩水电站采用混凝土重力双曲拱坝的设计,成功解决了坝址区河谷不对称情况下的坝型设计问题;90年代以后,雅砻江二滩水电站(高240m)的投产运行,拉开了我国建设特高拱坝的序幕;世纪之交的三峡工程建设,标志者我国高混凝土坝施工建设又迈上了一个新台阶;跨人21世纪之后,一批300m级混凝土高拱坝的相继开工或建成投产,如世界最高拱坝锦屏一级(305m)、小湾(292m)、溪洛渡(278m)、白鹤滩(289m)等,使我国的水利水电工程建设与管理达到世界先进或领先水平。
在筑坝技术上,混凝土坝施工综合机被化程度不断提高,由塔带机、胎带机,配合皮带机供料线,构成的连续混凝土浇筑系统,创造了新的浇筑记录。已经投人运行的三峡工程,混凝土总浇筑量2800万m3,高峰年曾连续三年浇筑混凝土超过400万m3。向家坝水电站,混凝土浇筑总量约1400万m3,仅用三峡工程建设时期一半的施工设备,年浇筑混凝土超过400万m3。在混凝土制备方面,通过引人水冷、风冷以及加冰拌和等预冷工艺,构建一体化、自动化、大容量的混凝土拌和楼,为保障混凝土连续浇筑,降低大体积混凝土水化热方面,做出了积极的贡献。此外,悬臂翻转模板的广泛应用、通水冷却技术、仓面振捣方式以及缝面处理措施的改进,都为混凝土坝的安全、优质、快速施工提供了保证。
在筑坝材料上,要保证并提高混凝土质量,首先需要优化混凝土的配合比设计世纪60年代以前,我国水电工程建设以使用天然砂石料为主,随着水电建设逐步向西部地区和各流域上游转移,当地天然砂石料资源渐趋短缺;20世纪70年代,乌江渡工程建成了以灰岩为料源的大型人工砂石料系统,开始向解决当地天然砂石料短缺问题迈出了重要的一步;90年代,二滩水电站建成了以正长岩为料源的人工砂石料系统,产品性能和质量优越;世纪之交的长江三峡工程以花岗石为料源,并大量利用开挖料,建成了当今世界上规模最大的人工砂石料系统;进入21世纪,锦屏一级水电站组织科研攻关,成功解决了当地大理岩骨料石粉含量偏高的问题,节省了建设成本。
模板是影响混凝土质量、施工进度及费用的重要因素之一。在模板工程方面,20世纪60年代以前,我国水电工程建设主要采用木制模板,以黄河三门峡水利工程,葛洲坝一期工程为代表;70年代,混凝土坝施工开始采用大型钢木混合模板和混凝土(预制)模板,随后发展了滑动模板并促进了混凝土浇筑工艺的革新;80年代末至90年代,组合钢模板(小钢模)技术应用于水电工程大体积混凝土施工中,发挥出明显优势。进入21世纪,我国模板工程施工逐步向系列化、标准化方向发展,如引水工程中渡槽槽身、支墩釆用定型钢模板;双曲拱坝采用定型翻转模板,施工缝之间设多能球形键槽模板;大面积混凝土外露面采用多卡模板,各种系列化模板在水利工程施工中得到迅速推广。

(7)碾压混凝土坝工程。与传统的常态混凝土坝工程相比,碾压混凝土坝具有施工速度快、水泥用量少、水化热低、施工设备通用性强等优势。自1986年中国第一座碾压混凝土坝(福建坑口水电站大坝)开始,到世界上最高的碾压混凝土坝(龙滩大坝216.5m)以及光照大坝(20.5m)的建设,标志着我国碾压混凝土筑坝技术已经跨进200m级水平。在施工技术方面,结合自卸汽车直接人仓、胶带机入仓和负压溜槽转料等入仓手段,我国逐渐形成了高掺粉煤灰、低稠度、短间歇、薄层全断面碾压、快速连续上升等碾压混凝土施工特点。实践证明,我国碾压混凝土大坝坝型、数量,以及成套施工技术水居国际领先地位。

(8)工程施工管理。我国的水利工程经过60多年的发展,施T管理技术与水平得到了很大的提高,特别是20世纪80年代,云南鲁布革水电站的开工建设,作为中第一个引人世行贷款并实行际招标的水电建设工程,积极推动了我国工程建设领城的项法人责任制、招标投标制、建设监理制与合同管理制创建引进消化吸收先进的工程管理理论与方法,实行施工计划、质量和经济核算的综合管理；进入90年代以后,在水利工程建设管理中进一步推行项目经理负责制，并注重新技术的研究应用,例如三峡集团公用于工程进度、质量和投资管理的 TGPMS系统；糯扎渡水电站融GPS、GlS和GRS技术一体的施工全过程质量实时监控系统；溪洛渡水电站混凝土浇筑仓位分布式光纤温度监测系统等,从技术手段上提升了施工管理的效率。但与国际著名大型承包商相比,我国的管理机制、管理手段和管理人才都还存在一定差距,这些都是我们未来需要努力提商的方向。