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水电工程混凝土渗漏综合治理技术

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    1、概述
    在水利水电工程和市政、人防、隧道等工程中，一些建筑物由于设计不合理、施工不规范或维护不当而引起的混凝土渗漏水现象非常普遍。而那些运行时间较长的水工建筑物，因长期在水压力的作用下，混凝土由于碳化、冻融破坏或腐蚀介质侵蚀等原因也会引起不同程度的渗漏。混凝土的渗漏会导致钢筋的锈蚀，这将会降低混凝土的强度，缩短其使用寿命；从另一方面来说，对于水库大坝，由于混凝土的渗漏会直接影响到大坝的安全运行，严重的甚至会影响到下游广大居民的生命安全，因此对于混凝土渗漏的治理就显得非常重要。如何采取有效的止水材料和方法来防治混凝土渗漏水已成为水电行业目前急需解决的问题。华东院科研所长期以来一直从事建筑物的防渗加固处理，在多年的工作实践中，不仅摸索出解决不同渗漏情况的处理办法，也研制开发了一系列新型防渗止水材料，本文就对这方面的工作进行一些简单的总结。
    2、渗漏成因简析
    混凝土的渗漏通常可以分成三种情况，即点、线及面渗漏。
    2.1“点”漏
    “点”漏是指不连续的、无规律的渗漏现象，主要表现形式为孔洞渗漏水。产生点渗漏的原因主要有：混凝土施工不当造成的孔洞、模板对穿螺孔及其它孔眼未及时封堵或封堵不当引起的渗漏、钢筋锈蚀引起的渗漏、穿墙管等细部构造留设处理不当引起的渗漏和二次施工或装修施工不慎，破坏了原防水层造成的渗漏等。
    2.2“线”漏
    “线”漏是指连续的、或有一定规律的，并以缝漏作为其主要表现形式的渗漏现象，线漏可分为变形缝和非变形缝两种，主要包括伸缩缝、沉降缝、施工缝和裂缝等。产生线漏的主要原因有：
    （1）变形缝防水设计、施工不合理；
    （2）止水铜片、止水带等材料质量不佳或由于老化等原因而引起的止水失效；
    （3）未按施工规范要求留设施工缝或未对新老混凝土结合进行严格处理，造成施工缝渗漏；
    （4）因混凝土配合比不当，导致干燥收缩增大，或因结构变形、温度应力等原因使混凝土产生裂缝；
    （5）不同材质之间接缝因防水处理不当，所产生的渗漏。
    2.3“面”渗
    “面”渗是指混凝土大面积潮湿和微渗水，俗称“冒汗”.产生面渗漏的原因主要有：
    （1）基坑降水未达到设计要求，为了抢进度，混凝土带水浇注，在水压力作用下，形成渗水通道；
    （2）混凝土浇注过程中，由于混凝土拌合不均匀，振捣不密实，从而出现蜂窝、麻面等引起的渗漏；
    （3）混凝土养护不当，造成早期失水严重，或因混凝土配合比不当，如水灰比过大，形成毛细管孔隙，从而形成渗水通道。
    3、混凝土渗漏治理方案的提出
    渗漏治理方案是混凝土渗漏处理的关键，设计人员应对结构设计、防水构造设置、混凝土施工质量和防水材料品质及维护保养等因素进行分析，找出产生渗漏的原因和渗漏水的来源，并结合水工建筑物的防水要求，根据渗漏水的特点和防水材料性能及施工工艺选择相应的防水材料和施工工艺。
    可供选择的防水材料种类繁多，如防水卷材、防水涂料、密封材料、刚性防水材料、化学灌浆材料等等。从防水施工工艺上来看，有贴、涂、嵌、抹、堵、灌等多种工艺。但渗漏水治理与防水施工有很大区别。
    防水施工通常是主动防水，防水材料、施工方案的选择余地较大，可以从容施工，可采用贴、涂、嵌、抹等工艺从迎水面进行防水处理。而渗漏水治理则是被动防水，往往是对已产生渗漏的工程进行防水处理，而且经常是从背水面处理，有时还要带水作业，难度较大，限制了卷材、涂料及密封胶等多种防水材料的选用。对渗漏水处理通常采用一些速凝材料如：五矾防水胶泥、水玻璃水泥、石膏水泥堵漏材料和各种快硬水泥、堵漏剂等等。这些材料均具有较好的堵漏效果，用于带水作业时渗漏点的堵漏或面渗的临时封堵是有效的。但由于水泥速凝要产生的大量水化热，冷却后会产生相应的收缩应力，从而导致砂浆或胶泥开裂、起壳、剥落。此外，速凝材料仅仅是在混凝土的表面进行处理，虽然可使混凝土表面保持干燥，但混凝土中的渗水通道和孔隙仍然充水。长此以往，会使钢筋产生锈蚀，混凝土的强度下降；锈蚀引起的膨胀会导致钢筋的混凝土保护层胀裂，进而产生渗漏。因此仅仅采用速凝材料从表面进行封堵是无法有效地保护混凝土的。
    根据以上分析，笔者提出了“治本为主，治表为辅，表本结合，综合治理”的治理原则。所谓“治本为主”,是指在混凝土渗漏水处理中应尽可能地选择合适的防水材料和工艺封闭混凝土内部的渗水通道和孔隙，从而达到既防渗堵漏又保护混凝土免除水的侵蚀的双重目的。“治表为辅”是指当混凝土内部的渗水通道和孔隙非常细小难以封闭时，可采用喷、抹、堵、涂、嵌等工艺作为辅助手段从混凝土表面进行防渗处理。二者的有效结合、综合治理，便可达到良好的渗漏治理效果。
    4、防水材料和施工工艺简述
    一般来说，防水施工可根据所采取的“灌、堵、嵌、喷、涂、贴”等不同工艺而选用不同的防水材料。
    4.1灌浆工法
    “灌”即灌浆工法，灌浆工法就是采用泵送设备以一定的压力将一些具有特殊性能的灌浆材料灌入混凝土、岩石缝隙或地层中，使其在空隙中扩散、凝固，从而封闭缝隙，达到防渗、堵漏、补强、加固的目的。灌浆工法出现于19世纪初，采用灌浆技术以解决土建工程的有关技术难题，至今已有近二个世纪的历史。随着灌浆技术的广泛应用，灌浆材料得到了较大的发展。灌浆材料从最早的石灰和粘土、水泥，发展到今天的水泥--水玻璃浆液和各种化学灌浆浆液。而灌浆材料的开发与应用，又反过来推动了灌浆工法在更广泛的领域内的应用。化学灌浆是用高分子材料配制成的溶液作为浆液的一种新型灌浆技术。浆液灌入地基或建筑物裂隙中，经凝固后，可以达到较好的防渗、堵漏和补强加固的效果。化学灌浆材料应具有较好的可灌性，其胶凝时间可根据工程需要调节。有的可在瞬间固化，适用于大流量漏水、涌水的处理；有的胶凝时间长，起始粘度低，适用于混凝土细微裂缝的渗漏处理。可供选择的化学灌浆材料有很多，常用的有水玻璃类、木质素类灌浆材料、丙烯酰胺类灌浆材料、丙烯酸盐类灌浆材料、聚氨酯类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、甲基丙烯酸酯类灌浆材料、脲醛树脂类、其它类化学灌浆材料等等。一般可根据孔隙的大小和材料的可灌性选用适当的化灌材料。水溶性聚氨酯材料具有良好的亲水性，遇水可分散、乳化进而凝固，适用于潮湿或带水部位的防渗堵漏处理。水溶性聚氨酯的固结体是一种弹性体，伸长率达300%,而且具有遇水膨胀性能，其体积膨胀率达273%,具有弹性止水和以水止水的双重功能，尤其适用于变形缝的处理。而HW水溶性聚氨酯的可灌性好，强度高，可以起到补强的作用，将LW与HW以合适的比例混合，就能得到不同性能的浆液，可满足不同工程的需要。而低粘度环氧灌浆材料由于起始粘度低，可灌性好，而且强度非常高，适用于细微裂缝的封闭和补强加固。
    4.2封堵
    “堵”是指对孔洞或缝面的封堵，对于化学灌浆来说，这是施工过程中一道必不可少的工序，封堵质量的好坏会直接影响化学灌浆的效果。在干燥条件下，可供选择的封堵材料较多，如高分子涂料、聚合物水泥砂浆或普通水泥砂浆等。在渗漏条件下，必须先采用快速堵漏材料进行封堵，将水从灌浆管中引出，必要时可在表面涂抹高分子涂料或聚合物水泥砂浆进行加强处理。常用的快速堵漏材料有五矾防水胶泥、水不漏、堵漏灵、防水宝、堵漏王等等。但在水下作业时，上述材料却无法满足工程的要求，为此，华东院研发了水下快速密封剂和聚合物混凝土两种水下专用堵漏材料。水下快速密封剂可在几分钟内快速凝固，1天的抗压强度可达25MPa以上，适用于潮湿表面甚至水下混凝土表面裂缝的快速封堵。聚合物混凝土系互穿网络高分子材料，具有可在水中快速固化、强度增长迅速，与混凝土和金属粘结强度高等特点，而且它在水中可自流平、自密实，同时还可以进行薄层浇注，适用于水下混凝土孔洞和裂缝的快速封堵。
    4.3嵌缝
    “嵌”是指沿裂缝凿槽，并在槽中嵌填弹塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。一般来说变形缝宜采用弹塑性止水材料，且在迎水面采用塑性止水材料，而在背水面则采用弹性止水材料，非变形缝则可采用刚性止水材料。弹性密封材料种类有许多，如聚氨酯材料、丙烯酸酯材料、有机硅材料等，应用也较广泛。塑性止水材料以往常用的有聚氯乙烯胶泥等，但这些材料由于需加热施工，施工极不方便，且环境污染严重，目前已逐渐淘汰。SR塑性止水材料是华东院结合我国面板堆石坝工程而专门为面板坝周边缝和伸缩缝止水研制的嵌缝止水材料，具有接缝变形适应性强、抗渗耐老化性好、与混凝土基面粘接性强、冷施工操作简便、材料成本低等特性，在我国面板坝工程建设中获得广泛应用，到目前为止，已先后在包括黑龙江莲花电站、吉林松江河电站、新疆乌鲁瓦提电站、广州抽水蓄能电站、浙江天荒坪抽水蓄能电站、湖北古洞口电站等近五十项大中型面板坝工程以及数百项水利及民用工程中得到应用，均取得了良好的工程防渗效果。其主要性能见表4.
    4.4喷涂
    “喷”是指聚合物水泥砂浆喷涂。聚合物水泥砂浆简称PCM,是采用水泥和聚合物作为胶结料来胶结骨料的砂浆，当水泥与水形成水泥石的同时，聚合物乳液本身脱水干燥在砂浆集料表面形成了有自粘性和粘结性的聚合物薄膜，封闭了砂浆内的细微裂缝和毛细通道，将水泥石和填料牢固地结合在一起。因此，聚合物水泥砂浆具有优良的防水、抗冻、防腐、防碳化及其它物理力学性能，已在水电、交通、土建、市政等工程中得到广泛的应用。华东院在开展国家“八五”攻关项目“普定碾压混凝土拱坝筑坝技术”过程中，针对混凝土表面防渗材料的要求和聚合物水泥砂浆的特性研制了聚合物水泥砂浆PCCM.与普通的水泥砂浆相比，PCCM的粘结强度提高了2-3倍，极限拉伸值提高了3-4倍，抗拉弹模降低了2-3倍，抗裂系数提高了20多倍，防碳化能力提高了约3倍；PCCM具有明显的减水性，优良的耐久性、抗冲刷性和耐老化性能。PCCM经浙江省卫生防疫站检验为实际无毒类。
    4.5涂布
    “涂”就是指在裂缝表面涂刷合成高分子防水涂料，这种涂料是以合成橡胶或合成树脂为主要成膜物质，具有理想的防水防渗效果。常用的合成高分子防水涂料有聚氨酯、环氧防水涂料等。聚氨酯防水涂料是一种通用的涂膜防水材料，其特点和性能就不在此赘述。鉴于许多混凝土裂缝的处理要在潮湿甚至水下环境中进行，这里介绍一种新型的涂膜防水材料--HK-96系列增厚型环氧涂料。HK-96增厚涂料是一种性能优越的系列环氧涂料，主要用于混凝土、金属、塑料和木材等材料的粘结和防水处理，混凝土裂缝封缝处理及水上或水下金属结构的防腐蚀处理。HK961用于干燥面，强度增长快；HK962用于潮湿面；HK963为水下涂料；HK964为弹性涂料。特别是962和963具有可在潮湿面，甚至水下的金属和混凝土面上进行涂刷的独特性能，这将有利于大坝的水下部份、船闸、廓道、码头、隧道、地下室等混凝土和金属结构的防水或防腐处理，利用这一特性，还可以和其它材料如SR塑性止水材料配合，直接进行水下防渗施工。HK-96系列增厚涂料主要性能指标见表6:
    4.6粘贴
    “贴”是指在混凝土表面粘贴防水卷材，一般用于大面积混凝土的防渗处理，如屋面和大坝坝面的防水处理。防水卷材有多种材质，如橡胶防水卷材、改性沥青防水卷材等。一般来说橡胶防水卷材综合性能优异，但往往受胶粘剂的影响不容易与混凝土粘牢，从而导致实际防水效果不佳。而一般的改性沥青防水卷材必须加热施工，给施工造成一定的困难，而且它的综合性能也不太好。SR混凝土防渗保护盖片以SR塑性止水材料为防渗主体，以聚酯无纺布为增强体，它不仅保持了SR材料的基本特性，而且对混凝土表面具有保护功能，增加了混凝土防渗、抗裂、抗冻融和抗碳化的能力，可以延长混凝土的寿命，并且SR防渗盖片采用冷施工，且无污染，是一种新型有效的防水材料，若与HK963水下增厚环氧涂料配合使用还可以在水下直接粘贴在混凝土表面。其主要性能见表7.
    4.7水下处理技术与材料
    传统的防水材料，绝大多数与潮湿的混凝土不能很好地结合，因而对长期处于潮湿状态或水下的混凝土裂缝不能有效地进行处理，其中有一条重要原因是大多数防水材料均为有机高分子类材料，由于表面张力的不同，不能对潮湿表面进行很好的浸润，因而不能牢固地粘结。而水泥等无机类材料由于在水中易分散流失，且强度上升慢，因而也不能用于水下修补。近几年来，华东院科研所根据工程的需要，结合自身的特点，研制开发了一系列可在潮湿面及水中应用的防水材料，主要产品有水下快速密封剂、水下聚合物混凝土、SR水下嵌缝材料、SR水下防渗盖片、SX水下胶粘剂、HK水下增厚环氧涂料、HK-NDC水下不分散混凝土等。上述材料已在许多水利水电工程中应用，取得了满意的的效果，从而为解决混凝土渗漏水问题提供了更为广泛的选择。
    以上分别介绍了几种常用的防渗堵漏所采用的方法和材料，在实际操作中，一般均需根据实际情况将几种方法有机结合起来，以达到最佳的防渗效果。
    5、渗漏综合治理技术的应用实例
    5.1盘道岭隧洞防渗加固处理
    引大入秦工程是国家“八五”攻关重点项目，是一项从青海大通河到甘肃秦王川地区的大型引水工程。盘道岭隧洞是引大入秦灌溉工程总干渠上最长的无压引水隧洞，长15.7KM,成洞净宽4.2M,净高4.4M;工程采用新奥法设计和施工，由日本国株熊谷组中标承建，并于1992年建成。在工程施工期间及完工后，发现拱墙带及底拱衬砌混凝土产生了大量的水平和环向裂缝，危及隧洞的正常使用和安全运行，亟需进行渗漏处理和加固处理。为此，建设单位和设计单位经过反复调研，决定采用水溶性聚氨酯化灌材料和聚合物水泥砂浆PCCM对裂缝进行灌浆和嵌缝处理。其处理工艺如下：先沿缝切割或凿开一“V”型槽，混凝土表面清洗干净后用PCCM嵌缝，然后在缝侧打斜孔，埋设灌浆管，养护一周后，用LW和HW水溶性聚氨酯进行化灌处理，逐孔灌浆。该工艺操作简便，施工快捷，共处理裂缝8000余米，防渗效果极为显着。
    在隧洞底板加固过程中，要在底板上浇注一层钢筋混凝土，原设计方案为在底板上凿毛、插筋，再浇混凝土。鉴于PCCM优良的粘结性能，后改为采用PCCM作为新老混凝土界面处理剂，省去了凿毛、插筋这道工序，省工省料。共处理一万多平方米，取得很好的效果。94年底防渗工程完成，并投入使用。
    5.2柘溪水电站大坝1#、2#支墩劈头缝水下处理
    柘溪水电站位于湖南省资水中游安化县境内，库容35.6亿m3,装机容量447.5MW,大坝溢流段由8个单支墩大头坝段组成，每个坝段宽16m,支墩底部厚8m,顶部最窄处厚5.52m,两岸非溢流段为宽缝重力坝，坝段宽l5m,最大坝高104m,坝顶全长330m.工程于1958年开始兴建，1961年蓄水，1962年发电。大坝各坝段混凝土在浇筑后不久即出现较多的表面裂缝，在以后的运行中，表面裂缝不断向下游发展，形成劈头裂缝，并于1969年6月、1977年5月和1983年2月出现三次较大的漏水险情。针对这种情况，电站曾采用瓷泥、手抹环氧胶泥和压贴环氧砂浆块等材料多次进行水下堵漏处理，在当时取得较好的效果，但随着时间推移，原粘贴块普遍存在松动脱落现象。经1998年底至1999年初最后一次裂缝封堵，到2000年初漏水量又有所增大。为从根本上解决大坝裂缝漏水问题，柘溪水电站委拖托华东勘测设计研究院科研所进行水下处理方案的设计研究工作。
    通过招标，由杭州国电大坝安全工程有限公司中标，对柘溪大坝1#、2#支墩劈头裂缝进行水下修补，1#支墩处理工程于2002年1月10日正式开工，并于同年3月25日完工。2#支墩处理工程于2002年12月初进点，于2003年3月中旬完工。
    该工程共处理裂缝总长184延米。据电厂水工分场反映，处理效果良好。
    5.3新疆乌鲁瓦提面板坝坝面裂缝修补处理
    新疆乌鲁瓦提面板堆石坝，坝高135米，是目前我国在建最高的砂砾石面板坝，1998年和1999年分别浇注一、二期面板。由于当地气候条件十分恶劣，年平均蒸发量为2400毫米，而年降水量则只有20多毫米，再加上日温差高达20多度，因此给面板养护带来困难，在面板浇注完成后不久即发现大量裂缝，最宽达3毫米，有些已贯穿面板。为此施工单位于1998年请新疆一家防水施工单位进行了防水修补处理，但由于选择材料不当，直到1999年5月蓄水验收时发现部分灌浆材料尚未固化，因而未能通过蓄水验收。1999年7月，业主单位委托华东院科研所进行裂缝的处理。我们根据裂缝的不同情况，采用了以下三种方法：
    （1）对于缝宽小于0.3mm的非贯穿性裂缝，只进行表面处理，其止水结构如图2（如有必要，可对裂缝先进行HK-G环氧材料灌浆）。
    （2）对于缝宽大于0.3mm、小于0.5mm的非贯穿性裂缝，建议首先进行灌浆处理（用LW:HW=30:70的混合浆液），然后进行表面处理。
    （3）对于缝宽大于0.5mm的裂缝，建议首先进行灌浆处理（LW:HW=30:70），然后沿缝凿出40×30mm的V型槽，槽中嵌填SR塑性止水材料，最后进行表面处理（注：对于贯穿性裂缝，也可采用此种结构，但对于小于0.3mm的裂缝可不进行灌浆处理）。
    经过一个月的紧张施工，对总长达3000米的裂缝进行了处理，并于1999年8月通过了专家的验收，正式下闸蓄水。
    该方法已先后在白溪、珊溪等许多面板坝及其它水利工程中得到应用，是处理面板坝裂缝一种简便可行、效果明显的办法。
    5.4温瑞灌区续建工程渠道伸缩缝处理
    浙江温州温瑞灌区有长达十几公里的渠道，这些渠道经长年运行，年久失修，再加上原有混凝土的质量问题，几乎所有接缝止水均已破坏，已发生多处严重漏水情况，因此必须进行处理。重建方案为：若原有的混凝土已严重破坏，则在原渠道表面再浇注一层10cm厚的新混凝土，每15米设一条伸缩缝；若原有混凝土质量尚好，则只对伸缩缝进行止水处理。为保证伸缩缝止水的可靠性，同时考虑到渠道有一定的冲刷，因而采用了刚柔结合的防水措施，具体方案如下：
    （1）沿缝切割出规定尺寸的梯形槽（新混凝土则预留）；
    （2）在槽底部嵌填厚度为4厘米的SR塑性止水材料，以此作为柔性防水的主体；
    （3）槽上部用903聚合物水泥砂浆填平，以此作为刚性防水的主体；
    （4）在缝面涂刷增厚环氧涂料，以此增加抗冲刷性能。
    5.5棉花滩水电站大坝2号坝段35#裂缝水下施工处理
    棉花滩水电站位于福建省永定县境内。电站枢纽由拦河坝、湖洋里副坝、下游二道坝、地下厂房系统、开关站、右岸航运设施等建筑物构成。电站装机4台，总装机容量600MW.拦河主坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程179m,最大坝高111.0m,坝顶全长308m顶宽7m,最大底宽84.5m,坝体设置3个表孔溢洪道和1个泄洪兼放空水库用底孔。
    大坝建成蓄水后，坝体廊道和坝后混凝土出现了不同程度的渗漏水，坝体混凝土裂缝以2号坝段35#贯穿性裂缝最为严重，裂缝位于坝右0+073.5~0+083.0,从EL151m层面向下贯穿整个坝段至基岩EL112 ,最大缝宽1.5mm.该裂缝在施工时已作了相应的处理，但水库蓄水后，在廊道对应部位发现较大的渗水，对大坝的安全运行造成不利的影响，造成大坝的安全隐患。受棉花滩水电开发有限公司的委托，我公司于2002年初对其进行水下处理。处理工艺如下：
    （1）施工前准备、布置工场、设备调试；
    （2）水下录像检查；
    （3）打磨清洗结构缝两侧混凝土面、切缝开槽；
    （4）打上下端止浆孔、埋灌浆管、用水下密封剂将缝面封闭；缝面止缝、在岸上制作SX防渗模块；
    （5）压水检查密封及补充止缝，用LW化学灌浆材料由底部开始进行灌浆处理；由潜水员对水下伸缩缝进行清理，除去松动物等，并沿缝涂刷SX粘合剂；
    （6）水下剪除灌浆管，分段涂刷水下涂料、分段粘贴SR防渗盖片、钻孔压扁铁固定盖片、SR盖片的周边封堵；
    （7）水下录像、清理退场。
    该工程已于2003年1月20日进场，3月23日完工，处理裂缝长度49.7米，经处理后已基本无漏水，完全达到业主对工程处理的要求。
    6、结语
    6.1 渗漏水治理与一般防水施工有明显的区别，由于经常需要在背水面带水操作，故其施工难度大。为此笔者提出了“治本为主，治表为辅，表本结合，综合治理”的渗漏治理原则和灌、堵、喷、嵌、涂、贴相结合渗漏治理技术。
    6.2 根据裂缝大小和施工现场的渗漏情况，可灌性各异的化灌材（下转第41页）（上接第36页）料进行灌浆处理，可最大程度地保护混凝土不受水的侵蚀。水溶性聚氨酯化灌材料具有良好的亲水性，遇水可分散、乳化进而凝固，可在防渗堵漏工程中得到广泛的应用。
    6.3 聚合物水泥砂浆PCCM是一种有机和无机复合的材科，具有优良的物理力学性能，并可在潮湿面施工，是一种有效的混凝土表面防渗材料。此外，PCCM具有突出的粘结强度，也可用作新老混凝土的界面处理剂。
    6.4 SR塑性止水材料系列产品具有优良的延伸性和抗渗性，广泛适用于面板坝及其它裂缝止水，同时作为一种性能优良的柔性止水材料，与PCCM等刚性止水材料相结合，不仅可以起到防渗止水作用，同时还可以具有抗冲耐磨的特性，刚柔结合的设计已成为目前防水设计的主流。
    6.5 综合使用各种水下防水材料可以直接对潮湿面及水下的缺陷进行处理，解决了多年来一直未能解决的难题，这不仅保证了大坝的安全运行，同时也大大降低了维修的成本。
    6.6 “灌、堵、喷、嵌、涂、贴相结合渗漏治理技术”是从工程实践中总结出来的一种防水技术，实践证明，这是一种工艺简便，行之有效的实用施工技术。