下筑百米深墻 捍守大壩安瀾
——記2018年度國家科技進步獎二等獎獲得者宗敦峰及其團隊

□ 王 輝

宗敦峰埋首防滲墻施工關(guān)鍵技術(shù)研究多年

江河水庫之上，一座座大壩橫跨飛躍，見證了中國乃至世界水利樞紐工程的發(fā)展鴻篇。

然而，看慣了這些龐然大物巍然聳立，感嘆完其宏偉壯闊后，很少有人嘗試去挖掘它們建造背后的秘密：深扎大江大河當(dāng)中，面對洪水巨流，它們?nèi)绾我倭⒉坏?？“萬丈高樓平地起”，水面之下，高壩地基之下，隱匿于底層的防滲墻怎樣從“壘土”演化為“堅壁”，抵抗大壩上游水庫產(chǎn)生的滲流？

…………

作為一項極其隱蔽的地下工程，防滲墻可視作整個水電水利工程大壩的“根系”，是大壩地基筑造和滲流安全控制的重中之重，影響著高壩建設(shè)的各個環(huán)節(jié)和整體使用壽命，更關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。埋首防滲墻施工關(guān)鍵技術(shù)研究多年，以宗敦峰為首的項目團隊站在數(shù)代前輩的深厚積淀之上，結(jié)合眾多超深防滲墻工程的經(jīng)驗，勇?lián)鷷r代重任，在國內(nèi)外一無成熟技術(shù)可循、二無成功案例可借鑒、三無符合施工要求的造孔成槽成套設(shè)備的情況下，通過新技術(shù)研究、新材料研發(fā)和新設(shè)備研制實現(xiàn)了鉆孔成槽、槽壁穩(wěn)定和澆筑成墻三大創(chuàng)造性成果。

如今，當(dāng)宗敦峰帶領(lǐng)一支跨機構(gòu)、跨專業(yè)的攻關(guān)團隊，第3次榮膺國家科學(xué)技術(shù)獎時，江河之下的固壁泥漿又一次向世人展示了奉獻(xiàn)、支撐的力量。

筑基江河 代代傳承——量變到質(zhì)變的跨越，多項世界首創(chuàng)達(dá)成

對于宗敦峰和他領(lǐng)銜的項目團隊而言，“超深與復(fù)雜地質(zhì)條件混凝土防滲墻關(guān)鍵技術(shù)”能夠成功突破，是以幾代人的科研基礎(chǔ)為前提的，是幾十年量變、十幾年攻關(guān)積累所創(chuàng)造出的偉大跨越。他們一再強調(diào)，沒有一代代水電基礎(chǔ)人的辛勤付出，就沒有如今的璀璨成績。

1959年，中國水電基礎(chǔ)局有限公司參建了華北地區(qū)最大水庫——北京密云水庫項目工程，開鑿了國內(nèi)第一道槽孔型防滲墻。自此，作為致力于水電基礎(chǔ)處理工程的第一批成熟企業(yè)，它目睹了一代代水電基礎(chǔ)人的成長，與中國水利水電科學(xué)研究院、清華大學(xué)等科研院校強強聯(lián)合，順利完成了地基與基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的“六五”“七五”“八五”科技攻關(guān)。時至20世紀(jì)八九十年代，畢業(yè)于清華大學(xué)水利水電工程專業(yè)的宗敦峰，帶著對基礎(chǔ)建設(shè)的一片赤誠融入其中。

那時候，在世界上規(guī)模最大的水電站，也是中國有史以來建設(shè)最大型的工程項目——長江三峽水利樞紐工程中，他憑借自身過硬的技術(shù)素養(yǎng)，擔(dān)任中國水電基礎(chǔ)局有限公司三峽項目部現(xiàn)場的第一負(fù)責(zé)人。長期蹲守施工現(xiàn)場，勘探、研討、尋找技術(shù)突破點，以宗敦峰為首的一眾科研人員圍坐一起，常常因討論正酣而忘記時間。15年時間，他們先后承擔(dān)了三峽一期、二期、三期工程中難度最大的防滲體系搭建工作，因地制宜、不負(fù)眾望，利用一系列國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的首創(chuàng)施工工藝、技術(shù)和設(shè)備，為整個工程的圓滿竣工護航。也由此，這個團隊收獲了國家及業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，在2004年榮得國家科技進步獎二等獎。

自21世紀(jì)以來，經(jīng)濟社會、物質(zhì)文明的進步加速了基礎(chǔ)工程的建設(shè)步伐。水利水電工程作為地基與基礎(chǔ)處理工程領(lǐng)域的重要組成部分，其長足發(fā)展關(guān)乎水資源的合理開發(fā)和利用、洪澇等自然災(zāi)害治理，還可以通過清潔能源的供應(yīng)降低能源消耗對于環(huán)境的污染程度。

但是，隨著中國水電工程開發(fā)重點的西移，面向復(fù)雜地質(zhì)條件和突破傳統(tǒng)下挖深度的混凝土防滲墻關(guān)鍵技術(shù)亟待發(fā)展，成為困擾基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域向前推進的頑疾。特別是近十幾年來，我國西部地區(qū)規(guī)劃的深厚覆蓋層地基高壩工程規(guī)模空前，一大批100米以上的超深防滲墻不得不克服復(fù)雜地質(zhì)條件困難等問題，迅速發(fā)展起來。在冶勒水電站，預(yù)計防滲墻深度達(dá)到了101米；位于四川省境內(nèi)的黃金坪水電站，超前勘探防滲墻下挖深度也將近130米；拉薩河流域內(nèi)，西藏旁多水利樞紐的砂礫石壩建設(shè)，所需防滲墻深度更是突破200米……施工技術(shù)要求板上釘釘，然而，據(jù)宗敦峰介紹，20世紀(jì)末我國最深的防滲墻下挖深度僅為81.9米，雖已躋身國際先進水平之列，但當(dāng)時國內(nèi)實際規(guī)范使用深度小于70米，距離百米級建設(shè)目標(biāo)仍存在巨大差距。同期，國外已建地下連續(xù)防滲墻最深也不過140米，加之與我國工程地層差異巨大，并不能提供任何方案和技術(shù)借鑒。與此同時，考慮到西部地區(qū)受河床沉積、地殼抬升、冰川運動、滑坡堵江和泥石流等地質(zhì)作用，河流覆蓋層構(gòu)成復(fù)雜，廣泛分布有大直徑漂（塊）石地層、孤石與硬巖地層，以及大于70°陡坡硬巖等，地質(zhì)條件惡劣程度實屬世界罕見，一般鉆機設(shè)備和傳統(tǒng)技術(shù)工藝著實難以駕馭。

“防滲墻是極其重要的地下隱蔽工程，也是壩基建設(shè)的關(guān)鍵，需要采用鉆機、抓斗等專業(yè)設(shè)備，從地面按照一期、二期等槽孔間隔分序向下鉆孔挖槽，并依靠槽內(nèi)泥漿固壁，防止槽壁坍塌，最后再往泥漿中自下而上澆筑混凝土成墻?！弊诙胤迕鞔_指出施工的關(guān)鍵工序，同時也強調(diào)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的超深防滲墻作為大壩工程的生命線，施工難度更大，質(zhì)量也關(guān)系到整個工程和眾多人員的安全?！案邏未髱斓陌踩前倌甏笥嫛⑶甏笥?，每一個步驟容不得半點馬虎?！?/p>

為此，即便施工要求超出項目團隊認(rèn)知和建設(shè)能力，以宗敦峰為首的科研隊伍也毫不怯懦，他們自2001年依托大型水利水電工程，歷時13年，通過“產(chǎn)學(xué)研用”的深度融合，成功研發(fā)了具有我國自主產(chǎn)權(quán)的100米以上與200米級混凝土防滲墻施工成套裝備和關(guān)鍵技術(shù)，破解了高壩深厚覆蓋層超深與復(fù)雜地質(zhì)條件下的混凝土防滲墻建設(shè)世界級難題。

系列研究成果成功應(yīng)用于國內(nèi)所有超深防滲墻工程，創(chuàng)造了防滲墻201米的世界紀(jì)錄，相關(guān)技術(shù)還在國內(nèi)外其他186項水利水電工程中應(yīng)用，并推廣到交通、市政、礦山、環(huán)保工程等多個領(lǐng)域，經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益顯著。研究成果獲省部級科學(xué)技術(shù)獎特等獎1項、一等獎3項；授權(quán)專利35項，其中發(fā)明專利12項，獲得國家級工法5項；主編行業(yè)規(guī)范2部，發(fā)表論文113篇，出版專著13部；培養(yǎng)了一大批專業(yè)技術(shù)人才，有力推動了行業(yè)技術(shù)進步。

項目團隊榮獲2018年度國家科技進步獎二等獎

強夯地基 創(chuàng)新為魂——鉆孔成槽的求新求變之路

從四川冶勒水電站到重慶獅子坪水電站，從新疆大河沿引水工程到云南紅石巖水利樞紐，一邊是施工任務(wù)迫在眉睫，一邊是百米級超深防滲墻建設(shè)能力不足，水利水電工程的發(fā)展進退維谷。針對于此，宗敦峰團隊明確設(shè)備、工藝的缺陷，從施工的第一階段著手，全力研制鉆孔成槽的新技術(shù)和新設(shè)備。

“傳統(tǒng)成槽設(shè)備施工能力小于100米，且成槽技術(shù)單一，并不能適應(yīng)西部地區(qū)復(fù)雜的地層特點?！弊诙胤灞硎荆氪蛟旆鲜┕ひ蟮姆罎B墻，必須推翻原有的、已成型的工法模式，創(chuàng)建超深防滲墻造孔成槽技術(shù)體系，跨越傳統(tǒng)裝備無法滿足造孔成槽施工能力要求的技術(shù)難題，研制超深防滲墻造孔成槽施工成套設(shè)備。

一直以來，在豎直鉆孔成槽的施工早期階段，當(dāng)鉆具達(dá)到一定深度時，鉆孔傾斜嚴(yán)重影響著施工效率和工程質(zhì)量，并且這種孔斜率會隨著深度的增加急劇加大。這樣就代表著，成槽深度越深，與之相對應(yīng)的技術(shù)難度越大。而且，由于施工地質(zhì)的特殊性，大量分布塊石架空、大孔隙砂卵石的強滲透地層，以及流沙等不斷為鉆孔過程制造新問題。技術(shù)人員實地調(diào)研，在全面摸清地質(zhì)構(gòu)造后，項目團隊緊扣難點、逐一擊破，針對現(xiàn)有沖擊鉆機適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)地層但工效低，抓斗、液壓銑槽機工效高也無法適應(yīng)孤石、硬巖地層等特點，研發(fā)了鉆機與抓斗配合施工的“鉆抓法”，鉆機與液壓銑槽機配合的“鉆銑法”，鉆機、鋼絲繩抓斗和液壓銑槽機配合的“銑砸爆法”等13項新型工法。不同于傳統(tǒng)“鉆劈法”“抓取法”“銑削法”等單一工藝，新型工法不但效率得到提升，還實現(xiàn)了鉆機、抓斗、液壓銑槽機等多種設(shè)備的最優(yōu)組合，保證了實際挖槽偏斜率小于千分之二，同時一、二期墻體接縫緊密貼合形成連續(xù)墻體。其中“鉆抓法”充分發(fā)揮鉆機和抓斗的特長，與傳統(tǒng)設(shè)備單一工法相比，復(fù)雜地層綜合工效提高了10倍以上。

“我們從數(shù)百項防滲墻工程的海量數(shù)據(jù)中不斷挖掘、分析，形成了不同設(shè)備和組合適應(yīng)各種地層條件與工程要求的技術(shù)分析結(jié)果。在這個基礎(chǔ)上，我們才提出了防滲墻造孔挖槽施工方案優(yōu)化組合綜合比選方法，利用設(shè)備組合地層適應(yīng)性、工效與工期、工程與社會環(huán)境條件、經(jīng)濟比較等綜合確定方案，從而進一步提升施工方案決策的科學(xué)性?！?/p>

除了成功創(chuàng)新超深防滲墻造孔成槽施工工法技術(shù)體系，他們還配套研發(fā)了200米級超深防滲墻造孔成槽施工成套裝備。其中，C Z F-2000系列重型沖擊反循環(huán)鉆機，其設(shè)計思路和工作原理均為國內(nèi)外首創(chuàng)，可通過雙繩重型階梯型空心鉆頭等設(shè)備輕松實現(xiàn)沖擊碎巖和泵吸反循環(huán)出渣同步，增大了鉆具沖擊功同時，還克服了間斷沖擊和出渣等缺陷，鉆進工效是同級別重型沖擊鉆機的2～3倍。在其他研制或改進設(shè)備中，包括系列重型沖擊鉆機、ZD-20型重型鋼絲繩沖擊抓斗、35t重載破力器、16t重型沖擊錘、重型液壓抓斗、JHB-200型泥漿凈化機等在內(nèi)的多種創(chuàng)新設(shè)備，在鉆孔成槽施工過程中，為保證成槽質(zhì)量、大幅度提升成槽工效貢獻(xiàn)了一份力量。項目團隊也因此在滿足了超深防滲墻高效施工要求的同時，實現(xiàn)了成套國產(chǎn)裝備的中國創(chuàng)造。

在防滲墻成槽控制爆破處理技術(shù)的研發(fā)層面，宗敦峰領(lǐng)銜項目團隊以鉆孔預(yù)爆、槽內(nèi)鉆孔爆破、槽內(nèi)聚能爆破等系列技術(shù)樹立起業(yè)內(nèi)標(biāo)桿，形成了國家級工法技術(shù)，大幅度提高了含孤石、漂石地層和硬巖地層的造孔效率。相關(guān)槽內(nèi)爆破技術(shù)與密封耐壓性柱狀定向聚能彈技術(shù)、槽內(nèi)鉆孔爆破定位專利技術(shù)配合，順利完成了多項工程爆破目標(biāo)。深入云南紅石巖水利樞紐，他們承建了世界上首次利用地震后堰塞湖改建的綜合水利工程，在龐大的滑坡崩塌體中建起百米“生命線”，利用魯?shù)榈卣鸲咽呷w為擋水大壩,在其防滲墻心墻施工中，創(chuàng)造了在全部為大塊石架空崩塌體中施工131米超深防滲墻的紀(jì)錄，為實現(xiàn)“除害興利、變廢為寶”的目標(biāo)起到了關(guān)鍵支撐作用。

云南紅石巖8.03地震崩石堰塞體整治防滲墻，難度世界罕見，前所未有。

穩(wěn)扎穩(wěn)打 外包內(nèi)固——堵漏防空，關(guān)于槽壁穩(wěn)定的一次次華麗探險

泥漿在防滲墻施工當(dāng)中更像是一把雙刃劍，一方面由于具有粘性，某種程度的泥漿會增強挖掘的阻力，直接導(dǎo)致挖槽效率降低，另一方面，泥漿又是天然的粘合劑，其密度關(guān)乎槽壁失穩(wěn)的可能性，是超深防滲墻槽壁穩(wěn)定固壁技術(shù)的研發(fā)關(guān)鍵。

根據(jù)各類文獻(xiàn)記載可知，在防滲墻施工過程中，泥漿發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。“泥漿的靜水壓力可以抵抗作用在槽壁上的水壓力和土壓力，并且，能夠防止地下水的滲入；泥漿可以在槽壁上形成一層不透水的泥皮，這樣使泥漿的靜水壓力有效作用在槽壁上，進一步防止了槽壁的脫落；泥漿若是從槽壁表面向底層內(nèi)滲透到一定范圍就粘附在土顆粒上，這是它的凝膠作用。而侵入土中空隙成為靜止的凝膠，它們通過固定土顆粒的相對位置，在槽壁附近形成穩(wěn)定的土層，從而減少槽壁坍塌性和透水性……”

宗敦峰說：“在超深與復(fù)雜惡劣地質(zhì)條件疊加作用下，傳統(tǒng)分散型膨潤土泥漿暴露出諸多不足，槽壁垮塌風(fēng)險高，出渣效率低，傳統(tǒng)分散型固壁泥漿無法滿足造孔成槽安全高效施工要求。”正是基于對傳統(tǒng)泥漿特點的充分認(rèn)識，項目團隊經(jīng)過反復(fù)理論分析和試驗實測，開發(fā)了超深與復(fù)雜惡劣地質(zhì)條件防滲墻槽孔固壁技術(shù)。立足前期的研究基礎(chǔ)，他們從力學(xué)穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定的層面出發(fā)，揭示出外部荷載和內(nèi)側(cè)泥漿壓力作用不平衡是導(dǎo)致不穩(wěn)定狀態(tài)的重要因素，從而進一步建立起“外泥皮+橋塞區(qū)+浸染區(qū)”的槽孔孔壁泥漿固壁穩(wěn)定體系理論和施工模型。與傳統(tǒng)認(rèn)識相比，他們開始重視發(fā)揮泥漿壓力和外泥皮作用，確定了通過提高泥漿充填性能形成復(fù)合槽壁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，加大注重外泥皮、橋塞區(qū)和浸染區(qū)的共同作用，明確了新型固壁泥漿的研究方向，同時制定了混凝土超澆系數(shù)小于1.2的復(fù)合槽壁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)評價標(biāo)準(zhǔn)。

與此同時，為了更顯著地提升泥漿固壁效果和防滲透性能，宗敦峰帶領(lǐng)團隊在系統(tǒng)試驗的基礎(chǔ)上研發(fā)了新型防滲墻固壁泥漿材料。這種新型泥漿材料因自身攜帶正電荷，能夠完美地與呈現(xiàn)負(fù)電狀態(tài)的水和土顆粒相結(jié)合，形成狀態(tài)穩(wěn)固的“M M H-水-粘土穩(wěn)定復(fù)合體”。這種復(fù)合體的加入讓外泥皮更為致密，擁有良好的韌性，也使得橋塞區(qū)充填密實、強度升高，浸染區(qū)的厚度增大，從而明顯提高了漿液固壁性能和攜帶石渣能力。此外，它還具有良好的抑制性、吸附性、浸染性和固液相間的流變性；固壁效果好、防滲漏性能高、綜合成本低，滿足了超深防滲墻槽孔穩(wěn)定要求；與傳統(tǒng)分散型膨潤土泥漿相比，出渣效率提高了一倍以上。

面向設(shè)備的革新需要，針對超深防滲墻泥漿需求量巨大的特點，他們還研制了大體積泥漿自動攪拌系統(tǒng)，單機日生產(chǎn)能力達(dá)到840立方米，比傳統(tǒng)單機設(shè)備生產(chǎn)量多出近10倍。而面向傳統(tǒng)泥漿難以應(yīng)對的嚴(yán)重漏漿、架空、塌孔等地層，他們又研發(fā)了預(yù)灌濃漿、槽內(nèi)灌漿和槽孔堵漏等技術(shù)，有效解決了特殊地層漏漿塌孔的技術(shù)難題。

從已經(jīng)實施的工程應(yīng)用來看，這些新技術(shù)和新材料的融入突破了傳統(tǒng)固壁泥漿無法滿足造孔成槽安全高效施工要求的技術(shù)難題，確保了200米級超深防滲墻槽壁的安全穩(wěn)定。在西藏旁多和新疆大河沿水利工程中，201米和186.15米的防滲墻深度以國際領(lǐng)先紀(jì)錄詮釋著大國驕傲。

西藏旁多水利樞紐防滲墻工程創(chuàng)造了201m單槽深墻的世界紀(jì)錄

變革方法 深化體系 ——澆筑成墻，嚴(yán)格把守最后一道關(guān)卡

近年來，新時代的號角吹響，“牢固樹立安全第一、質(zhì)量至上的觀念”深入貫徹到基礎(chǔ)工程建設(shè)之中，每一座水庫大壩的基礎(chǔ)筑造都被寄予厚望。行百里者半九十。作為防滲墻施工的最后一道關(guān)卡，成墻意味著深槽混凝土由流態(tài)、塑態(tài)向固態(tài)的重要轉(zhuǎn)變。

為了破解傳統(tǒng)成墻施工技術(shù)無法滿足超深槽孔成墻質(zhì)量要求的技術(shù)難題，項目團隊成員創(chuàng)新了超深防滲墻混凝土澆筑成墻技術(shù)體系，從接頭管法、拔管操作、清孔換漿等多方面進行變革，實現(xiàn)了技術(shù)的突破性發(fā)展。

在超深防滲墻“接頭管法”墻段連接技術(shù)方面，他們通過理論分析和室內(nèi)、現(xiàn)場試驗，摸清了深槽內(nèi)混凝土凝結(jié)和接頭管起拔力道的規(guī)律，首創(chuàng)了“限壓拔管法”，并形成了國家級成套工法技術(shù)?！案鶕?jù)現(xiàn)場試驗，當(dāng)施工油泵壓力低于下限壓力時，說明接頭管底部處于混凝土流態(tài)區(qū)，實施蠕動松管，破壞管體與混凝土粘結(jié)力；當(dāng)位于下限壓力和上限壓力之間時，說明接頭管底部處于混凝土塑態(tài)區(qū)，實施慢速起拔；當(dāng)大于上限壓力后，說明接頭管底部接近或進入混凝土固態(tài)區(qū)，實施快速起拔，使接頭管底部始終位于混凝土塑態(tài)區(qū)。”這一系列操作保證了接頭管起拔不塌孔、不鑄管、不破壞混凝土結(jié)構(gòu)，也確保了一、二期槽孔混凝土的可靠連接。

在拔管機設(shè)備改進方面，他們研制了YBJ系列卡鍵直頂式大口徑液壓拔管機，以卡鍵直接頂升接頭管管體的方式保證了拔管機與接頭管緊密結(jié)合。同時采用大小兩個雙油泵系統(tǒng)和限壓報警裝置，他們還實現(xiàn)了蠕動松管、慢速起拔和快速起拔3項操作的自動轉(zhuǎn)換，使最大拔管直徑可達(dá)2米，最大拔管深度可達(dá)200米。

在澆筑技術(shù)提升方面，他們打破國內(nèi)外“氣舉法”槽孔清孔換漿技術(shù)最大深度小于100米的限制，研發(fā)形成了超深防滲墻“氣舉法”槽孔清孔換漿技術(shù)?！笆┕と藛T可以在槽孔中下部采用‘自上而下’的分段清孔換漿施工工序，優(yōu)選機具和優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù)，形成成套施工工法技術(shù)，實現(xiàn)泥漿中石渣懸浮物的有效清除，從而保證清孔換漿和澆筑質(zhì)量。”而超深防滲墻泥漿下混凝土澆筑技術(shù)，則是為了避免混凝土離析堵管導(dǎo)致的斷墻事故，通過材料配合比和澆筑工藝研究所研發(fā)的。

在拔管機、接頭管、澆筑導(dǎo)管等配合下，超深防滲墻混凝土澆筑成墻圓滿謝幕，為一項防滲墻筑造工程畫下句點。而項目團隊13年嘔心瀝血交出的答卷也有力支撐了我國西部地區(qū)水利水電工程建設(shè)，支持中國水電企業(yè)實施“走出去”戰(zhàn)略和服務(wù)國家“一帶一路”倡議，為世界范圍內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域建設(shè)提供了寶貴的借鑒。

在未來，審時度勢、大開格局，秉承“責(zé)任、創(chuàng)新、誠信、共贏”的核心價值觀，中國水電基礎(chǔ)人立足主業(yè)、做優(yōu)做強，不僅要在中國七大水系工程建設(shè)之中蓬勃發(fā)展，更要不斷向國際范圍內(nèi)的工程項目發(fā)起挑戰(zhàn)；不僅要在水利水電基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域擴大影響力，更要在水環(huán)境治理、地質(zhì)災(zāi)害處理、城市交通建設(shè)等領(lǐng)域創(chuàng)造中國奇跡。