水电施工技术的创新与方向

1、概述

随着水电建设项目的持续、大幅度地推进，水电施工技术在各个专业、各个层面均得到了长足的发展。当前，水电建设正处于整个项目全生命周期的时象并存时期，我们可以同时在不同的项目上找到前期准备、围堰填筑、基坑开挖、基础处理、混凝土浇筑、金结机电安装、机组安装、蓄水发电、运行监测、工程检修、病险排除、改建扩建、增建续建、老坝拆除、重建改转等施工状态，由此可见，这一时期将是施工技术创新领域最广、专业方向最全、关键难题最集中的时期。

水电施工技术的创新有其十分显著的特点：（1）触发敏锐性：当施工从项目规划和进场准备开始，所开展的每一项工作的每一个环节都有可能遇到需要解决的难题，成为技术创新的触发点，这些难题有的是眼下的、紧急的，也有的是后期的、缓慢的。由于施工处于水电开发利用产业链的末端，因此，这一触发敏锐性就成为施工技术倒逼创新的源头。（2）技术针对性：当施工技术难题一旦被触发，创新的需求即被发掘出来，随即的创新攻关即可紧紧围绕难题有针对性地展开，直到得出攻克路径、解决方案并破解难题，因此，从某种意义上讲，这一针对性同时决定了创新的适用性。（3）广泛伴随性：施工技术创新是在施工生产的实际中遇到并提出来的，这也是施工技术创新的具体性和客观性，当施工中遇到而未被及时提出来时，可能会积累或孕育一个更大的施工难题。因此，围绕施工难题及时开展技术创新、破解也是应该伴随工程施工而进行。（4）就地转化性：在伴随施工过程实施技术创新的同时，其创新成果在工程中应用，便随即得到就地转化，并能使创新成果得到检验。成果就地转化可省去大量的对接条件契合和复杂的准备工作量，使创新成果快速、直接地发挥效益。（5）应用推广性：将创新成果经应用检验，最后总结并加以固化，即可在类似施工中推广应用，以进一步产生施工创新成果的延伸效益。

正是由于水电施工所处的上述特殊时期和技术创新的上述特点，必将引发新一轮施工技术发展与创新的鼎盛时期。为此，本文拟就水电施工技术的创新与方向从理论研究、施工材料、施工工艺、施工装备以及施工建设模式等几个方面谈一些个人的观点。

2、创新与方向

2.1施工理论研究

在学术界和工程界，施工作为一门应用技术或者是经验技术，一直被认为是没有多少理论的含量，更谈不上体系化、系统的研究了，甚至更直接地提出：施工只要照图纸做好就行了，搞研究则是施工以外的事情。诚然我们并不能否认上述看法所具有的客观性，但是我们试想，如果施工人员连基本原理、作用机理都不知晓，只一味机械地照图施工，那又从何谈起把施工做好呢？事实上，许多重要的理论课题都是源自于最基础的施工环节，经过创新研究后得出理论成果，然后又反过来大幅度推动施工技术的进步。

随着我国科技创新机制改革的不断深化，水电施工企、事业单位已作为最早、最前沿的市场主体被确定，继而企业市场主体又被确定为创新主体，这一定位引导学术界、工程界对施工有了新的认识，对施工理论研究的看法有了新的改变，施工理论研究被逐步重视起来，理论研究的成果、体系也不断涌现出来。

施工理论研究的主要方向在于机理研究、标准研究、综合（群）效应研究等方面。

（1）机理研究

机理研究主要是针对施工中已出现或可能出现但未能得到根本解决的问题，从理论上深层次揭示其规律，并寻找高效技术路径，最终加以攻克。

如：特高（300m级）堆石坝坝体填筑施工过程中的填筑料各项性能变化的机理研究，以图研究随着坝体高度的量变，坝体材料的主要物理力学性能会引起怎样的较明显的改变，引起改变的原因是什么等。其结果将指导今后特高堆石坝坝体填筑施工材料、设备、工艺、方案的确定，以确保施工的顺利实施。

再如，混凝土裂缝成因机理研究，是一直以来施工理论研究的重要难题，由于混凝土材料的多相非均质特性，起裂机理变得错综复杂、判别准则难以得出通式。深化此项机理研究并得以突破，必将为跨越提升混凝土施工技术，建造无裂缝大坝提供坚强的理论支撑。

（2）标准研究

水电施工有其宽泛的工作范畴或工作域，在工作域内外客观地界定各种边界并定量地描述其特性，以便相应地开展其设计，提出施工要求和方案措施，这就需要开展标准研究，从理论上找出其分界线，科学地进行施工。

如：大坝等级划分的研究，是明晰地确定施工要求和对策措施的等级对前提。不同的大坝等级所对应的施工要求和对策措施有着明显的差异。以面板堆石坝的坝高划分为例，在大坝施工过程中，已直观反映出坝高变化所带来坝体性能特征变化的“拐点”，这即可构成坝高等级的分界点，实践表明，第一个“拐点”约在150m，第二个“拐点”约在250m，由此可大致划分：100m级（坝高在70-150m范围）为高坝，200m级（坝高在150-250m范围）为超高坝，300m级（坝高在250m以上）为特高坝。但是，应该选择怎样的主要性能参数来定量衡量并找到“拐点”？坝高的量变又是怎样引起主要性能突变的？这一标准就需要通过理论研究来证实了。

再如，弹塑性材料的标准研究可使施工有章可循。在水电施工中广泛地使用现场拌制的混合材料，其特性范围域宽且连续分布，使得其中一些材料的界限难以划定，比如象塑性混凝土、沥青混凝土一类的弹塑性材料，其特性处在弹性与塑性的过渡区间，具有双重性，在施工中若用某一单项标准来要求，或者采取多项标准穿插混合来要求，都是难以适从的，因此，必须通过理论研究，科学划分并相应制定出新的材料控制标准。

（3）综合（群）效应研究

水电施工中的群体作用工况不论是微观上还是宏观上，都非常普遍，既然存在群体，就必然会产生群效应，因此，有必要对这一效应加以理论研究。

作为细观的例子，水电工程中常采用如混凝土等多相非均质混合材料，其材料中的各个组分均有其相应特征，各组分的综合（群）效应则构成了混合材料的整体特性。实践表明，将每一个组分性能均优异的组合在一起，所得到的混合材料整体性能未必优异，反之亦然。这就需要开展系统优化的群效应理论研究。由此可见，研究将性能并不都是优异的组分加以组合而借助群效应得到性能优异的混合材料，对我们来说意义特别重大。

作为宏观的例子，随着水电工程建设步伐的不断加快，大坝（水库）群将在一定的条件下产生综合（群）效应。如我国西南地区，高坝大库布设密集，多个坝（库）同步建设和运行，是否存在一个布局优化的问题？是否有一个最优建设施工顺序的问题？等等这些，都需要通过建模仿真及理论计算等进行综合（群）效应研究。

2.2工程材料创新

在水电工程中，有相当一部分的工程材料是通过施工在建筑物部位就地制作形成的，如坝体填筑料、混凝土等，本文也仅叙述这一类经过施工所造就的工程材料。

材料创新的主要方向是向材料链两端延伸，变革现有材料组分，研制特殊要求材料以拓宽材料链。

（1）材料链低端：原生与天然

为加快进度、降低成本、环保低碳、绿色建坝，水电施工中广泛应用原生、天然材料已成为大趋势。比如：①直接采用天然料，取出即用，不经过破碎、筛分等任何加工；②对包括剥离料在内的所有开采料全部利用，零弃料，做到“吃干榨尽”；③大幅减少使用水泥胶材，采用贫胶混凝土、堆石压浆材料等；④大幅提高天然材料的掺量，如天然火山灰、凝灰岩、石灰石粉等。向低端材料的应用拓展关键是要研究其自身特性、适配性及组合效应，以充分利用其特长，工地曾有谚语：“没有不合用的原材料，只有不合用的配合比。”即点明了创新研究的关键点。

（2）材料链高端：高性能材料

从另一个角度看，采用高端高性能材料以减省普通材料用量，对加快进度、保证质量，推动技术进步等也将具有显著的作用。例如：研发高强度构件、超高韧性复合材料等高性能结构材料；创新桁架、梁柱、模板、脚手架等高性能周转材料；研制高密度、高渗透性、高耐久性的高性能修补材料等。高性能材料的研发利用将会使水电施工展示现代高技术特征，改变大体积、长工期、粗工艺的形象。

（3）材料组分的变革

材料组分的变革已在水电施工中持续得到推进，如在混凝土中，外加剂几度更替已进入第三代；掺合料不断推出新的品种，同时不断提高替代掺量等。然而，在新一轮创新中，将面临更深层次的变革，如提高混凝土中的掺合料掺量，使其高达90%以上甚至95%以上，将胶材与掺合料的掺量颠倒过来，以期形成一种新的混合材料。这样，也许由于混凝土中的材料组分已发生巨大变革，使得这种混凝土已不能再叫“混凝土”，但这种材料的主要作用仍然是要发挥混凝土的作用，因此，创新研究的关键点是使这种新混合材料的各项性能均不劣于普通混凝土的各项性能。

（4）非协同性能要求的材料

水电工程由于其结构或部位功能要求的独立性和特殊性，给材料的技术性能也相应提出了特殊的要求，有些甚至是非协同性的或自相矛盾的要求。比如，用于防渗墙体的塑性混凝土，就要求混凝土材料“强度高而弹模低”；又如用于化学灌浆的高分子有机材料，就要求材料“性能高而分子量小”等。可见在这两例中对材料性能参数的要求出现了非协同性，使两个要求的方向相悖。因此，需要我们在创新中拓宽材料链，实施“鱼和熊掌兼得”的材料性能研究。

2.3施工工艺创新

一直以来，水电施工在人们的心目中认为是“傻大笨粗”的工艺，施工质量是看操作者的个体因素，误差是以厘米计量等。实施工艺创新，将实现这一落后形象的彻底改变。

工艺创新的主要方向在于精细化与个性化、标准化与系统化、自动化与智能化三个层面。

（1）精细化、个性化

这是工艺的最基本层面。精细化就是把各项工艺要求100%地实施到位，做足最后1m；个性化则是根据各环节的具体要求，实施独立创新以使整个系统达到均衡协同，消除短板。个性化有效地保障了整个系统的精细化。

如：高度精细的控制爆破工艺，已能够实现将爆破开挖面不经任何整饰而用作建筑物基面；能够通过爆破作业完成复杂空间曲面的外观成型等。推而广之，完全能够通过创新工艺实现任何设计要求的高度精细地控制爆破。

再如，水工混凝土浇筑的工艺已能够做到免装饰而达到设计平整度的精细要求，并能以原生质感达到镜面效果，满足光洁度要求。进一步创新后，可满足透水、透光等各种特殊功能特性的要求。

（2）标准化、系统化

施工工艺的标准化，就是把经常性重复的工序环节链拿出来，加以统一固化，形成可复制、可移植的规范工艺；系统化则是把施工工艺全过程当成一个体系统筹设定，形成一个具有完全同等标准的系统整体。

如：混凝土大坝的无裂缝施工工艺，就是在原材料加工、混凝土生产、运输、浇筑、温控、养护、保护等全过程上以标准化、系统化要求组织实施，最终达到坝体无裂缝目标的。再如：以“高等精度、高度精细、高档精致”为理念的高精混凝土的施工工艺，形成更加全面、精深的标准化、系统化，开创水工混凝土施工工艺的顶级之作。

（3）自动化，智能化

将水电施工工艺过程，无论该过程是循环的还是非循环的，都尽可能利用机器和电子仪表按照预定的程序和命令自动地操作（循环），以减少人为因素的影响，从根本上提升工艺水平。

如：混凝土坝体冷却通水工艺的自动化、智能化，可通过温度仪器测定的坝体温度场，经计算机分类处理成多个不同的温度区段，然后，由智能配水程序根据计算得出的水温、流量、通水时间等参数相应地给各温度区段配水，使坝体得到个性化通水冷却。此外，在堆石坝体填筑碾压上升工艺，混凝土浇筑运输、入仓、布料工艺等均可实现自动化和智能化。

2.4施工装备创新

装备是创新的物质载体和物理窗口。我国水电施工装备的创新相比于理论、材料、工艺一直处于落后状态，与国外相比更是严重落后。我们建设了如此众多的国家级、世界级水电工程，所留下的除了一堆纸质成果和电子文件之外，再也难以找到见证施工过程的物理载体了，技术只是留在专家的脑子里，技术的传承更是难以存续。因此，可以说，没有装备就没有属于施工企业自己核心技术的物质载体，也就没有核心技术传承、演进的载体。

由于美国、欧洲等施工装备企业早已得到迅猛发展，单台套设备的研发应用已普及施工作业的各道工序，因此施工装备创新的主要方向在于多工序（系列工序）一体化作业机、遥控（智能控制）施工机械、施工过程自动记录仪等。

（1）多工序（系列工序）一体化作业机

这类装备是集多道施工工序于一体的连续式作业系统，如塔（顶）带机集混凝土水平、垂直运输和下料入仓于一体，实现仓面连续供料；TBM（或盾构机）集隧道掘进、挖、装、运、除渣于一体，实现全断面施工等。由此可见，水电施工众多的序列连续工序均可创新研发相应装备，实现一体化高效作业。

（2）遥控（智能控制）施工机械

目前，此类装备已经得到了一定程度的开发，如遥控混凝土泵机、路面自动摊铺机等，但水电施工的遥控（智能控制）设备的应用空间依然很大，如混凝土下料定位盲浇设备，智能控制振动碾、智能控制灌浆机等。

（3）施工过程自动记录仪

将施工过程进行自动记录是检查质量、提供追溯的有效方法，该方法的核心装备就是施工过程自动记录仪。施工的实践表明，任何的施工过程都是可以实现自动记录的。目前较为广泛应用的灌浆记录仪已提供了一个较好的例子，而其他施工过程如坝体填筑碾压、河道截流进占抛投、混凝土浇筑仓面作业、金属结构焊接作业等均可研发相应的自动记录设备。在施工过程记录设备的运用中，还可通过通信手段，实现记录数据的实时远程传输，以便相关部门或人员同步掌握。

2.5施工体制创新

在水电工程建设中，传统的施工模式是承包合同制导引下的项目经理负责制，在这种模式下的建设、监理、设计、施工、检测、验收等各方的职责均有明确界定且都相对固化、独立行事，这样，施工只能停留在“劳动干活”的狭义的“小施工”层面上，而不能上升到“总包统揽”的广义的“大施工”层面上，严重地束缚了施工的展现空间，因此，施工模式的创新十分必要。

施工模式创新的主要方向在于施工理念、承包方式和运作平台等方面的创新。

（1）施工理念

在施工模式的高端层面，可以构建一种大观念或大理念，它是根据施工的既有条件，从新的发展形势的需要出发所提出来的。如：整个工程施工遵循生态环境保护的法规和规定，推行一整套低碳、绿色的施工规划和措施，全过程注重保护、修复与再造，即可以推出“绿色工程”施工理念；再如，将全部施工项目均赋予时间、空间、特征参数等多个维度的信息描述，在施工过程中进行全面地采集，再提供计算机处理，从而真实地呈现工程的施工过程及状态，实现施工协调管控，即可推出“数字工程”施工理念等。施工理念不单单是一个创新提法，而是需要经过深入分析、周密谋划、全面展开、科学布局、措施完备，最终具体落实的一套综合体系。

（2）承包方式

以往的承包方式以项目法人制、招标投标制、工程监理制和项目合同制等“四制”的方式较为经典，但是这类方式将几方关系固化，造成按部就班、画地为牢、协调困难、缺乏活力。在水电施工承包方式上，广泛吸纳国内外已有承包方式的成功经验，大胆尝试和创新应用BT、BOT、BOOT以及EPC总承包等方式，必将会收到工程优良、施工顺畅、多方共赢的显著成效，使施工走出一片新的天地。

（3）运作平台

将全部项目、全过程、全员纳入同一个信息化协同平台上运作，将会给水电施工带来全新的变革。基于信息化协同平台，实现集工程施工、管理、沟通于一体的运作系统，共享信息资源；深化运用三维技术，从以往的三维展示上升到三维规划、设计、施工运行，推动施工管理的流程再造，实现施工的数字化、虚拟化和智能化。

3、结语

水电施工已经进入了一个崭新的发展历史时期，给技术创新带来了十分难得的机遇，无论是在施工的理论上、材料上、工艺上、装备上，还是在施工模式上，都蕴藏着巨大的提升空间。我们只有认清形势、找准方向、沉心钻研、刻苦登攀，才能使水电施工技术创新赢得世界瞩目。