欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们|旧版回顾
宗敦峰:下筑百米深墙 捍守大坝安澜

来源:  发布时间:2019-02-19

  ——记2018年度国家科技进步奖二等奖获得者宗敦峰及其团队


  □ 王 辉
  
  
  

  
  江河水库之上,一座座大坝横跨飞跃,见证了中国乃至世界水利枢纽工程的发展鸿篇。
  然而,看惯了这些庞然大物巍然耸立,感叹完其宏伟壮阔后,很少有人尝试去挖掘它们建造背后的秘密:深扎大江大河当中,面对洪水巨流,它们如何屹立不倒?“万丈高楼平地起”,水面之下,高坝地基之下,隐匿于底层的防渗墙怎样从“垒土”演化为“坚壁”,抵抗大坝上游水库产生的渗流?
  ................
  作为一项极其隐蔽的地下工程,防渗墙可视作整个水电水利工程大坝的“根系”,是大坝地基筑造和渗流安全控制的重中之重,影响着高坝建设的各个环节和整体使用寿命,更关系到人民的生命财产安全。埋首防渗墙施工关键技术研究多年,以宗敦峰为首的项目团队站在数代前辈的深厚积淀之上,结合众多超深防渗墙工程的经验,勇担时代重任,在国内外一无成熟技术可循、二无成功案例可借鉴、三无符合施工要求的造孔成槽成套设备的情况下,通过新技术研究、新材料研发和新设备研制实现了钻孔成槽、槽壁稳定和浇筑成墙三大创造性成果。
  如今,当宗敦峰带领一支跨机构、跨专业的攻关团队,第3次荣膺国家科学技术奖时,江河之下的固壁泥浆又一次向世人展示了奉献、支撑的力量。
  

筑基江河 代代传承


  ——量变到质变的跨越,多项世界首创达成
  对于宗敦峰和他领衔的项目团队而言,“超深与复杂地质条件混凝土防渗墙关键技术”能够成功突破,是以几代人的科研基础为前提的,是几十年量变、十几年攻关积累所创造出的伟大跨越。他们一再强调,没有一代代水电基础人的辛勤付出,就没有如今的璀璨成绩。
  1959年,中国水电基础局有限公司参建了华北地区最大水库——北京密云水库项目工程,开凿了国内第一道槽孔型防渗墙。自此,作为致力于水电基础处理工程的第一批成熟企业,它目睹了一代代水电基础人的成长,与中国水利水电科学研究院、清华大学等科研院校强强联合,顺利完成了地基与基础工程领域的“六五”“七五”“八五”科技攻关。时至20世纪八九十年代,毕业于清华大学水利水电工程专业的宗敦峰,带着对基础建设的一片赤诚融入其中。
  那时候,在世界上规模最大的水电站,也是中国有史以来建设最大型的工程项目——长江三峡水利枢纽工程中,他凭借自身过硬的技术素养,担任中国水电基础局有限公司三峡项目部现场的第一负责人。长期蹲守施工现场,勘探、研讨、寻找技术突破点,以宗敦峰为首的一众科研人员围坐一起,常常因讨论正酣而忘记时间。15年时间,他们先后承担了三峡一期、二期、三期工程中难度最大的防渗体系搭建工作,因地制宜、不负众望,利用一系列国内领先、国际先进的首创施工工艺、技术和设备,为整个工程的圆满竣工护航。也由此,这个团队收获了国家及业内的普遍认可,在2004年荣得国家科技进步奖二等奖。
  自21世纪以来,经济社会、物质文明的进步加速了基础工程的建设步伐。水利水电工程作为地基与基础处理工程领域的重要组成部分,其长足发展关乎水资源的合理开发和利用、洪涝等自然灾害治理,还可以通过清洁能源的供应降低能源消耗对于环境的污染程度。
  但是,随着中国水电工程开发重点的西移,面向复杂地质条件和突破传统下挖深度的混凝土防渗墙关键技术亟待发展,成为困扰基础工程建设领域向前推进的顽疾。特别是近十几年来,我国西部地区规划的深厚覆盖层地基高坝工程规模空前,一大批100米以上的超深防渗墙不得不克服复杂地质条件困难等问题,迅速发展起来。在冶勒水电站,预计防渗墙深度达到了101米;位于四川省境内的黄金坪水电站,超前勘探防渗墙下挖深度也将近130米;拉萨河流域内,西藏旁多水利枢纽的砂砾石坝建设,所需防渗墙深度更是突破200米......施工技术要求板上钉钉,然而,据宗敦峰介绍,20世纪末我国最深的防渗墙下挖深度仅为81.9米,虽已跻身国际先进水平之列,但当时国内实际规范使用深度小于70米,距离百米级建设目标仍存在巨大差距。同期,国外已建地下连续防渗墙最深也不过140米,加之与我国工程地层差异巨大,并不能提供任何方案和技术借鉴。与此同时,考虑到西部地区受河床沉积、地壳抬升、冰川运动、滑坡堵江和泥石流等地质作用,河流覆盖层构成复杂,广泛分布有大直径漂(块)石地层、孤石与硬岩地层,以及大于70°陡坡硬岩等,地质条件恶劣程度实属世界罕见,一般钻机设备和传统技术工艺着实难以驾驭。
  “防渗墙是极其重要的地下隐蔽工程,也是坝基建设的关键,需要采用钻机、抓斗等专业设备,从地面按照一期、二期等槽孔间隔分序向下钻孔挖槽,并依靠槽内泥浆固壁,防止槽壁坍塌,最后再往泥浆中自下而上浇筑混凝土成墙。”宗敦峰明确指出施工的关键工序,同时也强调,复杂地质条件下的超深防渗墙作为大坝工程的生命线,施工难度更大,质量也关系到整个工程和众多人员的安全。“高坝大库的安全是百年大计、千年大计,每一个步骤容不得半点马虎。”
  为此,即便施工要求超出项目团队认知和建设能力,以宗敦峰为首的科研队伍也毫不怯懦,他们自2001年依托大型水利水电工程,历时13年,通过“产学研用”的深度融合,成功研发了具有我国自主产权的100米以上与200米级混凝土防渗墙施工成套装备和关键技术,破解了高坝深厚覆盖层超深与复杂地质条件下的混凝土防渗墙建设世界级难题。
  系列研究成果成功应用于国内所有超深防渗墙工程,创造了防渗墙201米的世界纪录,相关技术还在国内外其他186项水利水电工程中应用,并推广到交通、市政、矿山、环保工程等多个领域,经济、社会和环境效益显著。研究成果获省部级科学技术奖特等奖1项、一等奖3项;授权专利35项,其中发明专利12项,获得国家级工法5项;主编行业规范2部,发表论文113篇,出版专著13部;培养了一大批专业技术人才,有力推动了行业技术进步。
  

强夯地基 创新为魂


  ——钻孔成槽的求新求变之路
  从四川冶勒水电站到重庆狮子坪水电站,从新疆大河沿引水工程到云南红石岩水利枢纽,一边是施工任务迫在眉睫,一边是百米级超深防渗墙建设能力不足,水利水电工程的发展进退维谷。针对于此,宗敦峰团队明确设备、工艺的缺陷,从施工的第一阶段着手,全力研制钻孔成槽的新技术和新设备。
  “传统成槽设备施工能力小于100米,且成槽技术单一,并不能适应西部地区复杂的地层特点。”宗敦峰表示,要想打造符合施工要求的防渗墙,必须推翻原有的、已成型的工法模式,创建超深防渗墙造孔成槽技术体系,跨越传统装备无法满足造孔成槽施工能力要求的技术难题,研制超深防渗墙造孔成槽施工成套设备。
  一直以来,在竖直钻孔成槽的施工早期阶段,当钻具达到一定深度时,钻孔倾斜严重影响着施工效率和工程质量,并且这种孔斜率会随着深度的增加急剧加大。这样就代表着,成槽深度越深,与之相对应的技术难度越大。而且,由于施工地质的特殊性,大量分布块石架空、大孔隙砂卵石的强渗透地层,以及流沙等不断为钻孔过程制造新问题。技术人员实地调研,在全面摸清地质构造后,项目团队紧扣难点、逐一击破,针对现有冲击钻机适应各种复杂地质地层但工效低,抓斗、液压铣槽机工效高也无法适应孤石、硬岩地层等特点,研发了钻机与抓斗配合施工的“钻抓法”,钻机与液压铣槽机配合的“钻铣法”,钻机、钢丝绳抓斗和液压铣槽机配合的“铣砸爆法”等13项新型工法。不同于传统“钻劈法”“抓取法”“铣削法”等单一工艺,新型工法不但效率得到提升,还实现了钻机、抓斗、液压铣槽机等多种设备的最优组合,保证了实际挖槽偏斜率小于千分之二,同时一、二期墙体接缝紧密贴合形成连续墙体。其中“钻抓法”充分发挥钻机和抓斗的特长,与传统设备单一工法相比,复杂地层综合工效提高了10倍以上。
  “我们从数百项防渗墙工程的海量数据中不断挖掘、分析,形成了不同设备和组合适应各种地层条件与工程要求的技术分析结果。在这个基础上,我们才提出了防渗墙造孔挖槽施工方案优化组合综合比选方法,利用设备组合地层适应性、工效与工期、工程与社会环境条件、经济比较等综合确定方案,从而进一步提升施工方案决策的科学性。”
  除了成功创新超深防渗墙造孔成槽施工工法技术体系,他们还配套研发了200米级超深防渗墙造孔成槽施工成套装备。其中,CZF-2000系列重型冲击反循环钻机,其设计思路和工作原理均为国内外首创,可通过双绳重型阶梯型空心钻头等设备轻松实现冲击碎岩和泵吸反循环出渣同步,增大了钻具冲击功同时,还克服了间断冲击和出渣等缺陷,钻进工效是同级别重型冲击钻机的2~3倍。在其他研制或改进设备中,包括系列重型冲击钻机、ZD-20型重型钢丝绳冲击抓斗、35t重载破力器、16t重型冲击锤、重型液压抓斗、JHB-200型泥浆净化机等在内的多种创新设备,在钻孔成槽施工过程中,为保证成槽质量、大幅度提升成槽工效贡献了一份力量。项目团队也因此在满足了超深防渗墙高效施工要求的同时,实现了成套国产装备的中国创造。
  在防渗墙成槽控制爆破处理技术的研发层面,宗敦峰领衔项目团队以钻孔预爆、槽内钻孔爆破、槽内聚能爆破等系列技术树立起业内标杆,形成了国家级工法技术,大幅度提高了含孤石、漂石地层和硬岩地层的造孔效率。相关槽内爆破技术与密封耐压性柱状定向聚能弹技术、槽内钻孔爆破定位专利技术配合,顺利完成了多项工程爆破目标。深入云南红石岩水利枢纽,他们承建了世界上首次利用地震后堰塞湖改建的综合水利工程,在庞大的滑坡崩塌体中建起百米“生命线”,利用鲁甸地震堆石堰塞体为挡水大坝,在其防渗墙心墙施工中,创造了在全部为大块石架空崩塌体中施工131米超深防渗墙的纪录,为实现“除害兴利、变废为宝”的目标起到了关键支撑作用。
  

稳扎稳打 外包内固


  ——堵漏防空,关于槽壁稳定的一次次华丽探险
  泥浆在防渗墙施工当中更像是一把双刃剑,一方面由于具有粘性,某种程度的泥浆会增强挖掘的阻力,直接导致挖槽效率降低,另一方面,泥浆又是天然的粘合剂,其密度关乎槽壁失稳的可能性,是超深防渗墙槽壁稳定固壁技术的研发关键。
  根据各类文献记载可知,在防渗墙施工过程中,泥浆发挥着至关重要的作用。“泥浆的静水压力可以抵抗作用在槽壁上的水压力和土压力,并且,能够防止地下水的渗入;泥浆可以在槽壁上形成一层不透水的泥皮,这样使泥浆的静水压力有效作用在槽壁上,进一步防止了槽壁的脱落;泥浆若是从槽壁表面向底层内渗透到一定范围就粘附在土颗粒上,这是它的凝胶作用。而侵入土中空隙成为静止的凝胶,它们通过固定土颗粒的相对位置,在槽壁附近形成稳定的土层,从而减少槽壁坍塌性和透水性......”
  宗敦峰说:“在超深与复杂恶劣地质条件叠加作用下,传统分散型膨润土泥浆暴露出诸多不足,槽壁垮塌风险高,出渣效率低,传统分散型固壁泥浆无法满足造孔成槽安全高效施工要求。”正是基于对传统泥浆特点的充分认识,项目团队经过反复理论分析和试验实测,开发了超深与复杂恶劣地质条件防渗墙槽孔固壁技术。立足前期的研究基础,他们从力学稳定、渗透稳定的层面出发,揭示出外部荷载和内侧泥浆压力作用不平衡是导致不稳定状态的重要因素,从而进一步建立起“外泥皮+桥塞区+浸染区”的槽孔孔壁泥浆固壁稳定体系理论和施工模型。与传统认识相比,他们开始重视发挥泥浆压力和外泥皮作用,确定了通过提高泥浆充填性能形成复合槽壁稳定结构的技术路线,加大注重外泥皮、桥塞区和浸染区的共同作用,明确了新型固壁泥浆的研究方向,同时制定了混凝土超浇系数小于1.2的复合槽壁稳定结构评价标准。
  与此同时,为了更显著地提升泥浆固壁效果和防渗透性能,宗敦峰带领团队在系统试验的基础上研发了新型防渗墙固壁泥浆材料。这种新型泥浆材料因自身携带正电荷,能够完美地与呈现负电状态的水和土颗粒相结合,形成状态稳固的“MMH-水-粘土稳定复合体”。这种复合体的加入让外泥皮更为致密,拥有良好的韧性,也使得桥塞区充填密实、强度升高,浸染区的厚度增大,从而明显提高了浆液固壁性能和携带石渣能力。此外,它还具有良好的抑制性、吸附性、浸染性和固液相间的流变性;固壁效果好、防渗漏性能高、综合成本低,满足了超深防渗墙槽孔稳定要求;与传统分散型膨润土泥浆相比,出渣效率提高了一倍以上。
  面向设备的革新需要,针对超深防渗墙泥浆需求量巨大的特点,他们还研制了大体积泥浆自动搅拌系统,单机日生产能力达到840立方米,比传统单机设备生产量多出近10倍。而面向传统泥浆难以应对的严重漏浆、架空、塌孔等地层,他们又研发了预灌浓浆、槽内灌浆和槽孔堵漏等技术,有效解决了特殊地层漏浆塌孔的技术难题。
  从已经实施的工程应用来看,这些新技术和新材料的融入突破了传统固壁泥浆无法满足造孔成槽安全高效施工要求的技术难题,确保了200米级超深防渗墙槽壁的安全稳定。在西藏旁多和新疆大河沿水利工程中,201米和186.15米的防渗墙深度以国际领先纪录诠释着大国骄傲。
  

变革方法 深化体系 


  ——浇筑成墙,严格把守最后一道关卡
  近年来,新时代的号角吹响,“牢固树立安全第一、质量至上的观念”深入贯彻到基础工程建设之中,每一座水库大坝的基础筑造都被寄予厚望。行百里者半九十。作为防渗墙施工的最后一道关卡,成墙意味着深槽混凝土由流态、塑态向固态的重要转变。
  为了破解传统成墙施工技术无法满足超深槽孔成墙质量要求的技术难题,项目团队成员创新了超深防渗墙混凝土浇筑成墙技术体系,从接头管法、拔管操作、清孔换浆等多方面进行变革,实现了技术的突破性发展。
  在超深防渗墙“接头管法”墙段连接技术方面,他们通过理论分析和室内、现场试验,摸清了深槽内混凝土凝结和接头管起拔力道的规律,首创了“限压拔管法”,并形成了国家级成套工法技术。“根据现场试验,当施工油泵压力低于下限压力时,说明接头管底部处于混凝土流态区,实施蠕动松管,破坏管体与混凝土粘结力;当位于下限压力和上限压力之间时,说明接头管底部处于混凝土塑态区,实施慢速起拔;当大于上限压力后,说明接头管底部接近或进入混凝土固态区,实施快速起拔,使接头管底部始终位于混凝土塑态区。”这一系列操作保证了接头管起拔不塌孔、不铸管、不破坏混凝土结构,也确保了一、二期槽孔混凝土的可靠连接。
  在拔管机设备改进方面,他们研制了YBJ系列卡键直顶式大口径液压拔管机,以卡键直接顶升接头管管体的方式保证了拔管机与接头管紧密结合。同时采用大小两个双油泵系统和限压报警装置,他们还实现了蠕动松管、慢速起拔和快速起拔3项操作的自动转换,使最大拔管直径可达2米,最大拔管深度可达200米。
  在浇筑技术提升方面,他们打破国内外“气举法”槽孔清孔换浆技术最大深度小于100米的限制,研发形成了超深防渗墙“气举法”槽孔清孔换浆技术。“施工人员可以在槽孔中下部采用‘自上而下’的分段清孔换浆施工工序,优选机具和优化施工技术参数,形成成套施工工法技术,实现泥浆中石渣悬浮物的有效清除,从而保证清孔换浆和浇筑质量。”而超深防渗墙泥浆下混凝土浇筑技术,则是为了避免混凝土离析堵管导致的断墙事故,通过材料配合比和浇筑工艺研究所研发的。
  在拔管机、接头管、浇筑导管等配合下,超深防渗墙混凝土浇筑成墙圆满谢幕,为一项防渗墙筑造工程画下句点。而项目团队13年呕心沥血交出的答卷也有力支撑了我国西部地区水利水电工程建设,支持中国水电企业实施“走出去”战略和服务国家“一带一路”倡议,为世界范围内的基础设施领域建设提供了宝贵的借鉴。
  在未来,审时度势、大开格局,秉承“责任、创新、诚信、共赢”的核心价值观,中国水电基础人立足主业、做优做强,不仅要在中国七大水系工程建设之中蓬勃发展,更要不断向国际范围内的工程项目发起挑战;不仅要在水利水电基础建设领域扩大影响力,更要在水环境治理、地质灾害处理、城市交通建设等领域创造中国奇迹。
  
  
    
项目总负责人简介:


  宗敦峰,教授级高级工程师,曾任中国水利水电基础工程局(已更名为中国水电基础局有限公司)局长,现任中国电力建设集团有限公司总工程师,国务院政府津贴专家,全国优秀科技工作者,获得潘家铮奖、中国电力科学技术杰出贡献奖、中国大坝杰出工程师奖等荣誉称号。他还担任中国水力发电工程学会理事、中国建筑业协会常务理事、中国施工企业协会科技委员会副主任委员、中国水利协会副会长、中国电力建设协会副会长,以及中国水力发电工程学会施工专业委员会主任委员、碾压混凝土筑坝专业委员会主任委员、电力行业标准化委员会施工专业委员会主任委员等。
  长期以来,面对超深与复杂地质条件混凝土防渗墙的诸多技术难题和工程建设的重大需求,他领导项目团队通过施工理论创新、技术攻关和工程应用,成功研发了具有我国自主产权的100米以上与200米级混凝土防渗墙施工成套装备和关键技术,破解了高坝深厚覆盖层超深与复杂地质条件下的混凝土防渗墙建设世界级难题。2004年、2013年,两次获得国家科学技术进步奖二等奖。
  作为2018年度国家科技进步奖二等奖项目“超深与复杂地质条件混凝土防渗墙关键技术”总负责人,他明确项目研究目标和总体思路,组织项目成套技术研发。同时,他还提出了超深与复杂地质条件混凝土防渗墙工法体系,主持了超深防渗墙混凝土浇筑成墙技术研究,主持了复杂恶劣地质条件地层成套处理技术研究。

分享到:

杂志
本期封面

2019年10月下

上一期 下一期