浅谈水利水电工程围堰施工技术研究与应用

一、引言

围堰是水利水电工程中保障主体建筑物干地施工的核心临时构筑物，需满足挡水、防渗、结构稳定三大功能。随着我国水电开发向西部复杂地质区延伸，围堰施工面临深厚淤泥、高水头、窄河谷等挑战，技术创新成为突破瓶颈的关键。例如锦屏一级水电站因地质条件变化，通过围堰优化调整节约投资10%，缩短工期15%。本文基于工程实践与规范要求，对围堰施工技术进行系统性总结与创新性探索。

二、围堰类型与设计标准

1.主流围堰类型及适用条件

- 土石围堰：就地取材，成本低，适用于基础承载力较强的宽河谷地区，但防渗性能较差。

- 钢板桩围堰：分为打入式与装配式。打入式适用于细砂砾石层，最大挡水水头≤20m；装配式适用于岩石地基，最大挡水水头≤30m。

- 混凝土围堰：包括重力式、拱形等，结构稳定性好，常用于高水头挡水。根据规范SL 5397-2007，3级不过水混凝土围堰安全加高下限值为0.4m。

2. 设计控制要素

围堰设计需综合考虑水文条件、地质特性、工期及环保要求。例如珠海乾务大涌闸工程需在潮汐作用下抵御百年一遇防潮标准，同时减少对海相淤泥地基的扰动。

三、围堰关键施工技术及应用

3.1复合结构围堰技术创新与应用

3.1.1钢板桩-膜袋砂复合结构技术

在深厚淤泥地质条件下，传统围堰结构面临沉降超限、稳定性不足等技术瓶颈。珠海乾务大涌闸项目通过技术创新，成功研发了“钢板桩+膜袋砂复合结构”，有效解决了海相沉积土上的围堰施工难题。该工程位于珠江口西岸，地质条件极为特殊——25米深厚淤泥层，有机质含量高达15%，天然含水率超过70%，抗剪强度不足5kPa，被工程师形象地称为“地质果冻”。前期三次采用传统围堰施工均告失败，最大沉降达22厘米，严重超出设计允许值，项目陷入停滞状态。

- 技术原理突破：创新团队通过ABAQUS建立二维渗流-应力耦合模型，揭示了复合结构协同工作机制：钢板桩主要承担侧向水压力，而膜袋砂则提供基底反力，形成“刚柔并济”的受力体系。通过参数优化，确定膜袋砂宽度应为钢板桩入土深度的1.2-1.5倍，砂袋填充密度需≥1.8g/cm³。

- 施工工艺创新：

（1）. 精准跟管钻进：采用配备北斗定位系统的跟管钻机，实现钢板桩沉桩垂直度偏差≤0.3%

（2）. 分段注浆加固：在桩间土体中分段注入水泥-水玻璃双液浆，形成微型复合地基

（3）. 膜袋充填控制：采用分层振冲充填工艺，每层厚度0.5m，振冲密实度≥93%

（4）. 实时监测调整：安装光纤光栅传感器网络，动态调整施工参数

实施成效：该技术在乾务大涌闸项目中应用400米围堰，沉降量成功控制在3厘米以内，较传统方案降低造价40%，缩短工期50%。更值得关注的是，该技术为珠海水利项目首次在深厚淤泥层上成功应用塔吊基础——创新采用“预应力管桩+钢板桩+注浆承台”复合基础结构，攻克了大型设备在软弱地基上稳定性难题。如今，这一技术模式已在粤港澳大湾区12个水利项目推广，成为海相沉积土地区围堰施工的标杆解决方案。

3.1.2 抗冲击挤压围堰结构

针对江河围堰施工中常见的水流冲击、石块挤压等破坏因素，宁夏蓝拓建设工程有限公司研发的专利技术（CN223214592U）创新性地在防护组件上下端增设特殊抗冲击结构。该结构包含两大核心部件：

上端承受机构：由侧板、滑槽、连接架和承受块组成，其中承受块采用高铬铸铁（硬度HRC58-62）制造，通过液压缓冲系统将打桩冲击力分散传递至导向桩

下端破碎机构：设置菱形破碎端，内部嵌装钨合金齿，可有效破碎河床石块，防止基础不均匀沉降

图1：抗冲击围堰结构示意图

该结构在黄河上游某水利枢纽施工中经受考验：在5m/s流速、直径1.2m漂石冲击条件下，围堰变形量控制在2cm以内，较传统结构提高稳定性300%。特别在汛期施工中，成功抵御三次洪峰冲击，保障了主体工程安全。

3.1.3超深防渗墙施工技术

在深厚覆盖层条件下，防渗墙的施工质量直接决定围堰安全。三峡二期围堰工程创造了83.23米深防渗墙的施工纪录，其技术创新要点包括：

-成槽工艺：采用“两钻一抓”法——冲击钻预钻孔，液压抓斗抓取中间土体。在79.3米深厚覆盖层中，针对漂石层（最大粒径1.8m）创新应用“预爆裂+高频振动破碎”工艺

墙体材料：开发C15自密实混凝土，添加膨润土（掺量8%）和聚羧酸减水剂，使塌落度保持在18-22cm，扩散度＞55cm

接头技术：采用“双反弧接头管”系统，解决深槽段接头渗漏问题

图2：三峡二期围堰防渗体系剖面图

实施效果：三峡工程中，防渗墙渗透系数降至10⁻⁷cm/s级，渗流量较设计值减少65%，为世界深厚覆盖层防渗提供了中国方案。

3.1.4高压摆喷灌浆技术

马马崖水电站上游围堰工程中，针对26.5m高土石围堰的防渗需求，创新应用高压摆喷灌浆技术，形成连续防渗幕墙。该技术核心在于：

工艺参数优化：采用三管法，水压38-40MPa，气压0.7-0.8MPa，浆压1.0-1.5MPa，提升速度8-10cm/min，摆角20°-25°

- 浆液配方：42.5级普硅水泥，水灰比1：1，添加3%膨润土和0.5%高效减水剂

- 特殊工艺：在基岩接触带采用“降喷-静压灌浆”工艺，确保入岩0.5m

工程验证：施工期间在围堰背水面设置中转水池，配置3台250S39型水泵（总排水能力1，050m³/h），实际最大渗流量仅650m³/h，证明防渗效果显著优于设计指标。

3.1.5 环保敏感区围堰技术

绍兴汤浦水库原水工程面临Ⅰ级水源保护区的严苛环保要求，创新开发“分序环保围堰”技术：

分期施工：分Ⅰ、Ⅱ两期施工，Ⅰ期先填筑迎水面至68.0m高程，抽干基坑后施作防渗系统，再填筑Ⅱ期

三重防污体系：

1. 双层隔离幕：迎水面2m、6m处设置彩条布隔离幕，内置吸油棉

2. 应急处理：隔离区内投加明矾混凝剂（投量50g/m³）

3. 特殊材料：采用抗紫外线PP编织袋，内衬防老化膜

智能排水：排水经三级沉淀+活性炭过滤，水质在线监测（30min/次），确保SS<10mg/L，石油类<0.01mg/L

实施成效：在35天窗口期内完成105m围堰施工，实现“零污染排放”，水库水质保持Ⅱ类标准，为水源保护区施工树立新标杆。

3.1.6深水双壁钢围堰技术

万州长江公路大桥防撞装置工程中，针对30m水深、8m水位变幅的复杂条件，研发新型双壁钢围堰：

配重优化：通过ANSYS建立三维模型，对比“顶部贯通注砂”与“环板分层注砂”方案，优选后者.

结构创新：

（1） 增加水平斜撑密度（间距由4m减至2.5m）

（2） 壁板设置加强肋（200×200×10mm角钢）

（3）刃脚采用双层钢板填充混凝土

监测系统：安装32个应变计和8个倾角仪，实时监测应力变形

图3：深水双壁钢围堰配重方案对比

现场验证：施工期监测数据显示，优化后围堰最大应力由215MPa降至138MPa，降幅达35.8%，结构稳定性显著提升。

3.1.7 狭窄河谷围堰技术

三溪口水电站船闸三期围堰在90m泄洪区下游施工，面临狭窄河谷（宽度<50m）、高流速（汛期>5m/s）挑战：

（1）抗冲设计：采用直径22mm钢丝绳串联1m³混凝土块（间距0.5m），形成整体防护毯

（2）防渗墙加固：在泄洪冲击区增设钢筋笼（Φ28@150mm），提高抗冲能力

（3）特殊工艺：针对含孤石地层（孤石比例>15%），采用“液压抓斗+冲击钻复合作业”工艺。

技术创新：将原设计9.5m高程以上土石围堰优化为混凝土挡墙，克服了5.4m顶宽的施工空间限制，工期缩短40%，确保了安全度汛。

四、数字化监控与风险控制技术

4.1 智能监测系统

基于《水利水电工程单元工程施工质量验收标准》（SL/T 631.8—2025）要求，珠海乾务大涌闸项目构建了围堰智能监测云平台：

传感网络：部署8类共3，000个传感器（包括光纤光栅应变计、微震传感器、渗压计等）

监测架构：

感知层：位移、应力、渗流、水位传感

传输层：5G/北斗双通道

平台层：BIM+GIS三维可视化

应用层：风险预警、决策支持

预警机制：建立三级响应体系：

黄色预警：位移速率2-4mm/d

橙色预警：4-5mm/d

红色预警：>5mm/d

实施成效：成功预警7次险情，典型案例如2024年3月12日，系统提前48小时预测3#断面将发生15cm沉降，项目部及时采取注浆加固措施，避免重大事故。

4.2 事故隐患防控技术

依据《水利水电工程生产安全重大事故隐患判定导则》（SL/T 842—2025），围堰工程防控重点为：

结构失稳防控：

（1）建立堰体变形速率预警模型：当连续3日位移速率>5mm/d，启动一级响应

（2）开发基于机器学习的稳定性评估系统，准确率>92%

渗流破坏防控：

（1）采用分布式光纤测温技术（精度0.1℃），通过温度异常定位渗漏点

（2）制定“围堰渗流三级处置流程”：导渗→反滤→封堵

五、 围堰安全监测与风险控制

5.1 智能监测技术应用

2025年新颁《水利水电工程单元工程施工质量验收标准》（SL/T 631.8—2025）强调安全监测工程的质量控制，要求：

三维可视化监测：集成GNSS位移监测、应力应变传感、渗压计等数据，动态显示围堰变形趋势；

预警阈值管理：如水平位移速率≥5mm/d时启动一级响应。

5.2 重大事故隐患防控

《水利水电工程生产安全重大事故隐患判定导则》（SL/T 842—2025）明确围堰工程两大管控重点：

（1） 结构失稳：堰体沉降量超设计值50%或连续3日位移速率超标；

（2）渗流破坏：集中渗漏量≥1.0L/s且携带泥沙。

六、结论与展望

围堰施工技术正向装配化、智能化、绿色化方向发展。研究表明：

1. 复合结构应用：如钢板桩+膜袋砂、混凝土+防渗墙等组合，可降低造价30%～40%；

2. 智能监控升级：基于SL/T 631.8—2025标准的云平台实现风险超前预警；

3. 生态保护强化：如锦屏工程优化出渣减少水土流失，珠海项目种植红树林修复生态。

未来需进一步攻关超高水头围堰（>50m）抗震设计、水系敏感区微扰动施工等技术，推动围堰从“临时挡水”向“绿色永临结合”转型。

参考文献

1. 王金国， 马光文， 蒋学林. 锦屏一级水电站围堰优化和调整研究[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2010（02）： 15-20.

2. 李明辉， 刘宝利. 深厚海相沉积土水闸基础处理技术应用[J]. 水环境工程， 2025.

3. 《水利水电工程施工组织设计规范》SL 303—2017[S]. 北京： 中国水利水电出版社， 2017.

4. 王长城， 王兆卿. 水下导流围堰一次拆除施工技术研究[J]. 工程管理前沿， 2021（31）.

5. 刘朋. 石壁山干渠引水隧洞进水口围堰设计及施工[J]. 黑龙江水利科技， 2020， 48（01）： 92-94.

6. 水利部. 《水利水电工程生产安全重大事故隐患判定导则》SL/T 842—2025[S]. 2025.

7. 宁夏蓝拓建设工程有限公司. 水利施工围堰专利： CN223214592U[P]. 2025.