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白鶴灘水電站的“科技密碼”:僅次于三峽的世界第二大水電工程

2021-06-19  中國基建報

金沙江從青藏高原蜿蜒流出,在她變身長江之前,已經藏蘊著巨大的能量。金沙江下游,高山峽谷中,一座雄偉的水電站正迎著2021年“七一”首批機組發電的目標,加緊建設的步伐,以優異成績迎接中國共產黨建黨100周年。

這座建成后僅次于三峽的世界第二大水電工程,年均發電量約624億千瓦時,每年可節約標準煤1968萬噸,減排二氧化碳5160萬噸,對我國按期實現2030年碳達峰、2060年碳中和目標發揮重要作用,是長江經濟帶上游脫貧攻堅和推進綠色發展的重大工程。白鶴灘水電站多項技術指標位居世界前列,代表了目前世界水電建設最高水平,對引領我國巨型電站勘測設計、建設施工、建設管理、設備制造水平升級具有重要意義。

 “核心技術,化緣是化不來的,要靠自己拼搏”

“真正的大國重器,一定要掌握在自己手里。核心技術、關鍵技術,化緣是化不來的,要靠自己拼搏?!卑Q灘水電站的勘測設計和核心技術是這項國之重器的靈魂和支柱。

上世紀九十年代開始,中國電建所屬華東院負責了白鶴灘梯級電站的開發研究工作,開展了大量的水文、水能和地質勘測等基礎工作。從1991年到2021年,三十載風雨磨礪,三十載不懈攀登。幾代電建人青絲變白發,將青春獻給了中國大西南腹地的金沙江,從迷茫到篤定、從探索到優化,走過了極不平凡的核心技術求索之路。

“白鶴灘水電站的建設不僅是項目業主和參建單位的責任,而且是中國政府對世界作出的承諾,這是一項光榮艱巨的歷史責任和社會責任。因此,華東院不僅僅是把它作為一個重大工程項目來做,而是要把它當成一項偉大的事業來干!”華東院院長張春生說。

談起這些年白鶴灘工程所走過的坎坷路程,華東院總工程師、白鶴灘項目副經理吳關葉感慨萬千:“白鶴灘水電站的勘察設計非常艱難,工程不僅綜合規模巨大,技術綜合難度也最大,多項指標已經進入世界水電技術的'無人區’”。

“我把自己最美好的青春年華都獻給了白鶴灘,但我無怨無悔”。王賢彪大學剛畢業就來到白鶴灘,一干就是20多年,從青澀小伙到中年骨干,這個被大西南的太陽曬得黝黑的地質隊員向記者繪聲繪色地描述著白鶴灘這幾年的變化。他說,起初幾年到白鶴灘都舍不得坐飛機,寧愿倒兩次火車,忍受六十個小時的長途跋涉;通?,F場工作六七個月才回杭州;野外作業時,自己能背就背,能扛就扛,也舍不得請民工……

為實現白鶴灘工程“水平一流、技術創新”的技術目標,中國電建聘請中國科學院、工程院等多位院士、專家組成了中國水電行業的“全明星陣容”,為白鶴灘水電站研究保駕護航,僅是咨詢審查會就召開了300余次。在院士顧問組的指導下,在三峽集團的領導下,潛心鉆研、攻堅克難,歷經數十年努力,白鶴灘水電站300米級不對稱特高拱壩、世界最大規模地下洞室群、世界最大規模地下廠房、世界單機容量最大百萬千瓦機組等陸續建成,為“七一”之前首批機組發電奠定了堅實的基礎。

“不同意見的爭鳴,是白鶴灘的優秀文化”

如今,挺立在河谷中間的白鶴灘拱壩,仿佛注定就該在這個位置。然而當初這里還是一片蒼茫高山的時候,大壩為什么選建在這個位置,為什么不再往上游或下游些?其背后是一次次沉謀研慮和數不清的燈火通明。

在可行性研究階段,根據地形地質條件,按照壩址與壩型相結合的原則,中國電建提出了中壩址雙曲拱壩、下壩址重力拱壩、上壩址重力拱壩和上壩址堆石壩四個方案進行初步比選。綜合分析三個壩址的水能條件、地形地質條件、建壩技術難度、施工條件、建設征地、環境保護等因素后,推薦采用中壩址混凝土雙曲拱壩方案,并在2007年8月北京召開的《金沙江白鶴灘水電站可行性研究選壩階段設計研究報告》審查會上獲批通過。

雖然壩址確定了,但隨著地勘工作的層層深入,復雜的地質狀況向工程師們發起了異常嚴峻的挑戰。原壩線方案的左岸壩肩處,發現有較深強卸荷裂隙發育,最深處達109米。始料未及的情況,一時間讓項目部的氣氛緊張了起來。

盡管調整壩線可能意味著此前開展的大量地質工作將付諸東流,但反復推敲過后,項目團隊從工程的絕對安全考慮,還是毅然決然地決定對壩線位置進行調整??稍撓蛏嫌握{整,還是朝下游調整?對此,即便是有著豐富經驗的專家也意見不一。

 “我們抱著開放的心態來做白鶴灘,這種不同意見的爭鳴,是白鶴灘的優秀文化” 設計總工程師徐建榮說。結合更加深入的地質勘探一手資料,從地形地質條件、樞紐布置、施工條件、工期和投資等方面進行詳細研究,項目團隊作出了將壩線向上游調整的決定。

然而挑戰并沒有到此為止,作為世界上壩址地形地質條件最復雜的特高拱壩工程之一,白鶴灘拱壩在當時還有諸多地形地質方面的難題亟待解決。如何以易松弛易破碎的柱狀節理玄武巖為壩基,筑世界第三高拱壩?如何在不對稱的地形地質情況下,優化拱壩體形以改善大壩適應能力?如何克服緩傾角錯動帶和陡傾角斷層的不利影響,在1650萬噸水推力下確保壩肩穩定?

中國電建設計人員同步開展多項專題研究,進行大量現場試驗,他們幾乎翻遍了國內外所有同類工程的設計資料。針對左岸復雜的地質條件,進行了壩區巖體力學特性及參數取值、壩區左岸邊坡穩定性、拱壩左壩肩穩定性等多項專題研究,最終明確左岸壩肩和左岸邊坡處理方案。采用多種數值分析方法和整體地質力學模型試驗,考慮未經工程處理及采用加固處理措施,分別研究大壩工程性態和超載能力。

水嘗無華,相蕩乃成漣漪;石本無火,相擊而發靈光。爭則明,辯則進,白鶴灘水電站就像是一個思想交匯的熔爐,不同意見在此碰撞后迸發出更為強勁的活力,在爭鳴中激發思考,在爭鳴中加速創新,在爭鳴中凝聚共鳴。

世界難度最大的“泄洪消能”,怎么消?

金沙江流域降水年內分配極不均勻,年降水主要集中在5至10月,降水量可占到年降水量的80%以上。白鶴灘拱壩位于金沙江上的河谷狹窄處,汛期來勢兇猛的強降雨匯入金沙江后,洪水向大壩奔涌而來。即便經水庫調洪削峰后,每秒仍有約42000立方米水需要安全泄放,下泄落差高達190米,9萬兆瓦的能量需要消剎。不夸張的講,這是世界上難度最大的“泄洪消能”,也是白鶴灘水電站設計建設中的重中之重。

為了應對泄洪流量大、水頭高,河谷狹窄、岸坡陡峭的現實,中國電建確定了“分散泄洪、分區消能、加強防護”的布置原則,采用壩身孔口和岸邊泄洪洞聯合泄洪的方式,通過對壩身最大泄量的深入研究,確定壩身與岸邊泄洪洞之間的泄量分配比例。

針對壩身泄洪消能,工程師們下足了功夫。在綜合分析下游河床承受能力、壩身孔口布置方式、壩身開孔對壩體結構影響等因素的基礎上,通過大量水工模型試驗驗證,決定采用“壩身兩層孔口”的布置方案,將壩身孔口的最大泄量控制在30000立方米每秒,泄洪建筑物超泄能力強、運行可靠性高,有助于快速施工,可謂一舉多得。創新采用無齒坎分層大差動表孔、分層多股水流深孔、壩后反拱水墊塘消能,提高了孔口運用的靈活性和水墊塘的消能率及穩定性,有效解決了超大泄洪規模不對稱拱壩壩身泄洪消能的技術難題。

在世界最大反拱型水墊塘施工過程中,水電八局工匠們首次在國內采用聚消能爆破新技術,攻克了柱狀節理玄武巖地質缺陷,使爆破擾動下降35%?!皡怯乐緞撔鹿ぷ魇摇背蓡T還發明了一種萬向混凝土分料器,可克服場地限制,實現多方向澆筑?;炷列阅?、下料澆筑速度、拉模頻次、抹面工藝、養護保濕……工匠矢志科技創新,通過大量嘗試和對比實驗,摸索出成套的標準化精細化工藝流程,確保這塊長360米、寬130米、厚4米的“超級”反拱底板一次性澆筑成型,可抵御30000立方米每秒的泄洪量沖擊。

錙銖必較在白鶴灘體現得淋漓盡致,設計團隊悉心打磨每一個細節,謹慎論證每一種可能。為了一個好的方案,十里挑一,甚至是三十里挑一也在所不辭,于是世界上最大的無壓泄洪洞群、最大的反拱底板水墊塘在這里誕生。

不積跬步,無以至千里,如果將白鶴灘“泄洪消能”的世界難題,比作一座未被攀爬的高峰,那么白鶴灘的工程師們就是一位位攀峰者。他們大膽求索,在現有基礎上創出成績;勇于嘗試,在試驗論證中總結提升。積小流,成江海,一張張圖紙、一個個方案、一次次論證,最關鍵的還有一顆顆勇敢的心,匯聚在一起攀越水電新峰。

創新利刃,應對地下深處的難題

山體之下,別有洞天。由于白鶴灘水電站處于“窄河谷”,空間有限,需要開挖巨型地下洞室群來布置引水發電系統,世界上最大的水工地下洞室群由此而生。

它像是地下宮殿,2500萬立方米的開挖總量能填滿10座胡夫金字塔;它又像是地下迷宮,364個地下洞室錯綜復雜地布置在峭壁之下,兩岸山體挖空率達到37%。

設計建造如此巨型的地下洞室群,面臨的挑戰可謂前所未有。設計團隊以創新為利刃,應對山體深處的難題,通過創建玄武巖洞室群圍巖時空變形全過程調控的成套技術與方法,并創新提出通過主洞與支洞聯合控制貫穿性錯動帶不連續變形的抗剪結構型式,以解決巨型洞室群建設過程中的關鍵問題。創立“實時監測、全過程分析、動態設計”的設計方法,保障洞室群的圍巖穩定和施工安全。

中國電建所屬水電七局在左岸引水發電系統中,以實現全過程信息化管理為目標,大膽開展管理創新:建立安全、質量、施工等多個微信平臺,信息傳遞快速準確,監管層級覆蓋全,解決問題質量高;建設應用高千gala隱患整改平臺,簡化安全隱患整改閉合流程,及時落實隱患整改責任;打造地下洞室支護預警系統,實時掌握各洞室支護情況,自動化進行支護預警,有效保證支護及時性,確保洞室圍巖穩定;構建“三層次四體系”的管理格局,各部門、各工區和每一崗位職權清晰、責任明確,被三峽集團評價為“施工區最有激情最有戰斗力的王牌軍”。

2020年8月18日,白鶴灘地下廠房迎來歷史性時刻。起吊重量近2400噸的世界首臺百萬千瓦水輪發電機組轉子,在白鶴灘地下廠房成功吊裝。橋機與轉子的重量之和達到3300噸,承載著這一重擔的,是地下廠房的關鍵部位——巖壁吊車梁。

白鶴灘巖壁吊車梁的規模和承載能力居世界之首。精巧的結構,使其有著“四兩撥千斤”的本事,將巨大的荷載由鋼筋混凝土梁體、錨桿最終傳遞到圍巖上,對減小地下廠房跨度、降低圍巖穩定控制難度發揮至關重要的作用。

然而,極端復雜的白鶴灘地質條件、高地應力因素,使巖壁吊車梁在開挖過程中,難以避免地出現了嚴重的開挖成型差、巖梁壁座缺失現象,右岸巖臺完全缺失比例居然達到了60%以上。既然問題無法避免,設計團隊選擇迎難而上。

他們精研巖壁吊車梁受力機理,提出補強加固設計方案,并開展穩定性、承載特性分析論證。

“我們對其結構布置及尺寸,采用多種方法進行大量的分析論證,對結構體形進行優化設計,針對不同的開挖情況,提出6種型式的補強加固措施,并創新性的引用加載分析法進行復核,在超載4倍的情況下巖壁吊車梁仍能穩如泰山”方丹說道,回想起那段日子,每開挖一段,工程師們都要趕快到現場查看開挖成型情況,用地質錘敲擊每一塊噴層,隨著轉子的成功吊裝,巖壁吊車梁成功經受住了考驗。

這是一場較量,他們要和時間賽跑,夠快、夠穩、夠準才能保證地下工程的安全。這是一場探索,他們在超出經驗范疇的領域摸爬滾打,一路沖出重圍。這是一次升華,多少個不眠夜他們迎難而上、厚積薄發,拖著疲憊的身軀眺望光明的未來。

“草木蔓發,春山可望?!卑Q亮翅的日子離我們越來越近。

一路爭鳴,一路創新,一路發展,在點亮萬家燈火的征程中引吭高歌,這是白鶴灘水電站建設的縮影,是大國重器崛起的姿態,映射著時代賦予我們的責任使命。大江奔騰,浩浩蕩蕩。在世界水電建設史上,白鶴灘水電站正如一顆正在升起的璀璨明珠,閃耀著最絢麗奪目的光彩。(楊博)

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