绪论
“水利工程施工”是一门理论与实践紧密结合的专业课，其主要特征是理论性、实践性和综合性，是在总结国内外水利工程建设理论与经验的基础上，从施工机械、施工技术、施工组织与管理等方面，研究安全可靠、环境友好、多快好省地进行水利工程建设基本规律的一门学科。
水利工程施工，通过工程施工实践实现规划设计方案，使工程完建并投入运用，这就要求理论结合实际，因时因地分析工程问题和解决问题。在施工过程中，按照工程招标投标文件的技术要求，既要实现规划设计方案，又要根据国家法律法规、行业的规程规范和施工条件，运用水利水电建设技术和组织管理科学，使工程得以安全、优质、高效地建成和投产。
一、水利工程施工的任务和特点
水利工程施工的主要任务可归纳如下：
（1）依据设计、合同任务、法律法规和有关部门的要求，根据工程所在地区的自然条件，当地社会经济状况和环境约束，资金、设备、材料和人力等资源的供应情况以及工程特点，编制切实可行的施工组织设计。
（2）按照施工组织设计，做好施工准备，加强施工管理，有计划地组织施工，保证施工质量，合理使用建设资金，多快好省地全面完成施工任务。
（3）在工程建设前期工作和施工过程中开展观测、试验和计算等研究工作，解决工程建设技术与组织管理的关键问题，促进水利工程建设科学技术的发展。
根据国内外水利工程建设的实践，水利工程施工的特点突出反映在水流控制上。工程建设常在河流上进行，受水文、气象、地形、地质等因素影响很大，不可避免地要控制水流，进行施工导流，以保证工程施工的顺利进行。在冬季、夏季或冰冻、降雪、雨天施工时，必须采取相应的措施，避免气候影响，保证施工质量和施工进度。
河流上修建的挡水建筑物，关系着下游人民生命财产的安全。工程的施工质量，不但会影响建筑物的寿命和效益，而且会影响建设和维修的费用；更严重的是一旦失事，对国民经济及人民生命财产会带来不可弥补的损失。因此，水利工程施工必须保证工程安全与工程质量。
在河流上修建水利工程，涉及社会公共利益和部门利益，如防洪、发电、航运、灌溉、工业与城市用水、环境保护等，必须全面规划、统筹兼顾，因而增加了施工的复杂性。
水利工程往往位于交通不便的山区，施工准备工作量大，不仅要修建场内外交通道路，布置施工服务的辅助企业，而且要修建办公和生活用房。因此，必须十分重视施工准备工作的组织，使之既满足施工要求又减少工程投资。
水利枢纽常由许多单项工程组成，布置比较集中，工程量大，工种多，施工强度高，再加上地形条件方面的限制，容易发生施工干扰。因此，需要统筹规划，重视现场施工的组织和管理，运用系统工程学的原理，因时因地优化比选施工方案。
在工程施工过程中，爆破作业、地下作业、水上水下作业和高空作业等，常常平行交叉进行，对施工安全非常不利。因此，必须十分注意安全施工，采取有效措施，防止事故发生。
二、我国水利工程施工的成就与展望
在我国历史上，水利建设成就卓著。几千年来，勤劳勇敢的中国人民修建了许多兴利除害的水利工程，积累了丰富的施工经验。公元前256年修建的四川都江堰水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是全世界上迄今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。工程按“深掏滩，低做堰”“乘势利导，因时制宜”“遇弯截角，逢正抽心”等原则施工，至今仍发挥着防洪和灌溉的巨大效益。该工程在结构布局、施工措施、维修管理制度等方面为我们留下了丰富的技术财富。在经历2008年5月12日汶川强震之后，都江堰工程除分水坝——“鱼嘴”出现表面裂缝外，整个工程系统坚实如初，运作正常，创造了水利工程史上的又一个奇迹。
改革开放30多年来，我国水利工程建设取得了巨大的成就，一大批100m以上各种类型的高坝和100万kW级水电站相继建成，在水利工程施工科学技术领域取得了重大的成就。1949—1980年，中国水电装机总容量由16.3万kW增长到2032万kW，到1990年水电装机容量达到3605万KW，2000年水电装机容量达到7935万kW，2013年末水电装机容量2.8亿kW，占全国总装机容量的22.45%。截至2014年底，我国水电装机容量突破3亿kW，占全球水电总装机的27%。
改革开放以前，我国的水利建设事业发展相对缓慢，但取得了很大的进步，自行设计、制造、施工的第一座大型水电站——新安江水电站和第一座超过百万千瓦的水电站——刘家峡水电站就是在此期间建设完成的。改革开放后，水利建设事业迅速发展，继葛洲坝、龙羊峡水电站之后，岩滩、漫湾、隔河岩、白山、广州抽水蓄能、水口、五强溪、李家峡、天荒坪抽水蓄能、天生桥一级、天生桥二级、二滩、万家寨、小浪底等100万kW级大型骨干水电站均已建成。进入21世纪以后，我国的水利建设事业取得了世人瞩目的成就，世界第一大水电站——长江三峡工程完工之后，澜沧江小湾、糯扎渡水电站、红水河龙滩水电站、清江水布垭水电站、雅砻江锦屏水电站、金沙江向家坝、溪洛渡等巨型水电站相继建成投产发电，金沙江白鹤滩和乌东德水电站进入筹建期。这些工程的建设，为我国积累了丰富的高坝建筑、高水头大流量泄洪消能、大型地下洞室群开挖与支护、高边坡综合治理以及大容量机组制造安装等经验和技术。
为了实现我国经济建设的战略目标，加快水利工程建设的步伐，必须认真总结过去的经验和教训，发扬自力更生、艰苦奋斗的精神，走出一条适合我国国情的水利工程施工科学技术发展的道路。
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年来的工程实践，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围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4.45亿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。进入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土石方总挖填量高达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、综合技术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闸坝的发展。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、高压旋喷连续防渗墙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）和水布垭混凝土面板堆石坝（最大坝高233.0m）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，葛洲坝水利枢纽采用混凝土重力坝，为解决在长江上建坝带来的导截流、通航、泥沙淤积等问题积累了宝贵经验；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，标志着我国高混凝土坝施工建设又迈上了一个新台阶；跨入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械化程度不断提高，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。已经投入运行的三峡工程，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，通过引入水冷、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。20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、支墩采用定型钢模板；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（200.5m）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，结合自卸汽车直接入仓、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，施工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，作为中国第一个引入世行贷款并实行国际招标的水电建设工程，积极推动了我国工程建设领域的项目法人责任制、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，例如三峡集团公司用于工程进度、质量和投资管理的TGPMS系统；糯扎渡水电站融GPS、GIS和GPRS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高的方向。
三、水利工程施工组织与管理的基本原则
水利工程施工组织与管理要根据工程地形、地质条件及枢纽布置和建筑物结构的特点，为实现工程优质、安全、快速、经济的目标，系统研究施工条件、建筑材料、施工技术、施工机械、施工管理以及环境保护、水土保持、劳动安全与工业卫生等因素，确定和协同施工洪水标准、施工方法、技术措施、资源配置等的关系，提出工程施工的整体优化方案，构建数字化和信息化的管理平台，合理组织工程施工，保证工程质量与安全，满足移民安置，环境保护和水土保持要求，合理利用土地资源，缩短建设周期，降低工程造价。在施工组织与管理方面，必须遵循以下主要原则。
（1）执行国家有关法律、法规和政策，全面贯彻安全环保、多快好省的施工原则。在工程建设中应该根据需要和可能，尽快地完成优质、高产、低消耗的工程，任何片面强调某一方面而忽视其他方面的做法都是错误的，都会造成不良后果。
（2）结合实际，因地制宜，力求工程与自然环境和谐，按基本建设程序办事。水利工程施工应该遵照基本建设的程序，做好勘测、规划、设计等前期工作，按照公正、公平、公开的原则，开展设备、材料及其工程相关的采购招标、设计招标和施工招标，实行工程建设监理制，强化工程安全与质量监督机制等。
（3）统筹安排，综合平衡，妥善协调各分部、分项工程，按系统工程原理合理组织工程施工。从系统工程的观点看，任何一项水利工程的施工，可以看做是一个大系统，它包括若干子系统。在这个系统中，主体工程的施工和附属、配套工程的施工，建筑工程和安装工程，前方现场施工和后方辅助生产、物资供应，勘测设计、科学研究和施工的配合，以及各工种的协调问题等，构成了一个有机整体，围绕着统一的目标开展活动。按系统工程原理合理组织工程施工，在工程总体上优化各项施工活动，使这些活动在时间上互相协调，在空间上互不干扰、密切配合，做好人力物力的综合平衡，均衡、连续、有节奏地施工。
（4）遵从施工的科学规律，实行科学管理。水利工程施工应和其他基本建设一样，实行科学管理，建立强有力的现代生产指挥系统，按市场经济规律开展工程项目管理，建立和健全项目的管理制度和控制机制，充分调动各方面的积极因素。同时，水利工程的一切施工活动，必须根据当时当地的实际情况，按照施工的科学规律，采取相应的措施。脱离具体的施工条件、违反施工的科学规律，会导致工程失败甚至产生严重的后果。
（5）合理推广新技术、新材料、新工艺和新设备。近30年来，我国一大批大、中型水利工程相继开工建设，施工中不断采用新技术、新材料、新工艺和新设备，施工技术和施工管理水平得到了很大提高。在水利工程建设中，要不断总结工程施工的经验，研发新技术、新材料、新工艺，提高工程建设的水平和质量，实现工程建设的目标。
四、本课程的主要内容和特点
本课程是一门理论性、实践性、综合性很强的专业课。根据这一特点，本书着重阐述水利工程及其有代表性的水工建筑物的施工程序、施工方案、施工方法和施工组织管理等方面的基本原理。
在本书中，施工水流控制、施工总组织是以整个枢纽工程为对象，介绍枢纽工程的施工程序、施工组织的基本内容和方法；爆破工程和基础处理工程两章，由于和水利工程各单项工程的施工都有关联，故单独列章，集中阐明其原理和方法，其应用与具体的施工对象联系起来进行考虑；枢纽工程中有代表性的建筑物，选择了土石坝、混凝土坝和地下建筑工程三类水工建筑物，土石坝以碾压式土石坝为主，混凝土坝以大体积混凝土重力坝为主，地下建筑工程以平洞为主，通过对这些建筑物施工的介绍，借以说明各类单项工程施工的特点、原理和方法；施工管理方面，主要着眼于整个枢纽工程的施工管理活动，阐述现代施工管理的原理和方法。
本书以阐述施工技术、施工组织管理的基本原理和基本方法为主。对于施工机械，由于学时和篇幅的限制，仅结合施工技术、施工方案的论述作适当介绍。
根据教材的内容和特点，学习时应着眼于掌握基本概念、基本原理、基本方法，并配合案例分析、课程设计、生产实习等其他教学环节来运用所学的知识，这样才能有效地掌握本课程的内容。