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【特稿】揭密白鹤滩的“科技密码”

来源:华东院编辑:杨博 时间:2021-06-18 字体:[ ]

金沙江从青藏高原蜿蜒流出,在她变身长江之前,已经藏蕴着巨大的能量。金沙江下游,高山峡谷中,一座雄伟的水电站正迎着2021年“七一”首批机组发电的目标,加紧建设的步伐,以优异成绩迎接中国共产党建党100周年。

这座建成后仅次于三峡的世界第二大水电工程,年均发电量约624亿千瓦时,每年可节约标准煤1968万吨,减排二氧化碳5160万吨,对我国按期实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标发挥重要作用,是长江经济带上游脱贫攻坚和推进绿色发展的重大工程。白鹤滩水电站多项技术指标位居世界前列,代表了目前世界水电建设最高水平,对引领我国巨型电站勘测设计、建设施工、建设管理、设备制造水平升级具有重要意义。

 “核心技术,化缘是化不来的,要靠自己拼搏”

“真正的大国重器,一定要掌握在自己手里。核心技术、关键技术,化缘是化不来的,要靠自己拼搏。”白鹤滩水电站的勘测设计和核心技术是这项国之重器的灵魂和支柱。

上世纪九十年代开始,中国电建所属华东院负责了白鹤滩梯级电站的开发研究工作,开展了大量的水文、水能和地质勘测等基础工作。从1991年到2021年,三十载风雨磨砺,三十载不懈攀登。几代电建人青丝变白发,将青春献给了中国大西南腹地的金沙江,从迷茫到笃定、从探索到优化,走过了极不平凡的核心技术求索之路。

“白鹤滩水电站的建设不仅是项目业主和参建单位的责任,而且是中国政府对世界作出的承诺,这是一项光荣艰巨的历史责任和社会责任。因此,华东院不仅仅是把它作为一个重大工程项目来做,而是要把它当成一项伟大的事业来干!”华东院院长张春生说。

谈起这些年白鹤滩工程所走过的坎坷路程,华东院总工程师、白鹤滩项目副经理吴关叶感慨万千:“白鹤滩水电站的勘察设计非常艰难,工程不仅综合规模巨大,技术综合难度也最大,多项指标已经进入世界水电技术的‘无人区’”。

“我把自己最美好的青春年华都献给了白鹤滩,但我无怨无悔”。王贤彪大学刚毕业就来到白鹤滩,一干就是20多年,从青涩小伙到中年骨干,这个被大西南的太阳晒得黝黑的地质队员向记者绘声绘色地描述着白鹤滩这几年的变化。他说,起初几年到白鹤滩都舍不得坐飞机,宁愿倒两次火车,忍受六十个小时的长途跋涉;通常现场工作六七个月才回杭州;野外作业时,自己能背就背,能扛就扛,也舍不得请民工……

为实现白鹤滩工程“水平一流、技术创新”的技术目标,中国电建聘请中国科学院、工程院等多位院士、专家组成了中国水电行业的“全明星阵容”,为白鹤滩水电站研究保驾护航,仅是咨询审查会就召开了300余次。在院士顾问组的引导下,在三峡集团的领导下,潜心钻研、攻坚克难,历经数十年努力,白鹤滩水电站300米级不对称特高拱坝、世界最大规模地下洞室群、世界最大规模地下厂房、世界单机容量最大百万千瓦机组等陆续建成,为“七一”之前首批机组发电奠定了坚实的基础。

“不同意见的争鸣,是白鹤滩的优秀学问”

如今,挺立在河谷中间的白鹤滩拱坝,仿佛注定就该在这个位置。然而当初这里还是一片苍茫高山的时候,大坝为什么选建在这个位置,为什么不再往上游或下游些?其背后是一次次沉谋研虑和数不清的灯火通明。

在可行性研究阶段,根据地形地质条件,按照坝址与坝型相结合的原则,中国电建提出了中坝址双曲拱坝、下坝址重力拱坝、上坝址重力拱坝和上坝址堆石坝四个方案进行初步比选。综合分析三个坝址的水能条件、地形地质条件、建坝技术难度、施工条件、建设征地、环境保护等因素后,推荐采用中坝址混凝土双曲拱坝方案,并在2007年8月北京召开的《金沙江白鹤滩水电站可行性研究选坝阶段设计研究报告》审查会上获批通过。

虽然坝址确定了,但随着地勘工作的层层深入,复杂的地质状况向工程师们发起了异常严峻的挑战。原坝线方案的左岸坝肩处,发现有较深强卸荷裂隙发育,最深处达109米。始料未及的情况,一时间让项目部的气氛紧张了起来。

尽管调整坝线可能意味着此前开展的大量地质工作将付诸东流,但反复推敲过后,项目团队从工程的绝对安全考虑,还是毅然决然地决定对坝线位置进行调整。可该向上游调整,还是朝下游调整?对此,即便是有着丰富经验的专家也意见不一。

 “大家抱着开放的心态来做白鹤滩,这种不同意见的争鸣,是白鹤滩的优秀学问” 设计总工程师徐建荣说。结合更加深入的地质勘探一手资料,从地形地质条件、枢纽布置、施工条件、工期和投资等方面进行详细研究,项目团队作出了将坝线向上游调整的决定。

然而挑战并没有到此为止,作为世界上坝址地形地质条件最复杂的特高拱坝工程之一,白鹤滩拱坝在当时还有诸多地形地质方面的难题亟待解决。如何以易松弛易破碎的柱状节理玄武岩为坝基,筑世界第三高拱坝?如何在不对称的地形地质情况下,优化拱坝体形以改善大坝适应能力?如何克服缓倾角错动带和陡倾角断层的不利影响,在1650万吨水推力下确保坝肩稳定?

中国电建设计人员同步开展多项专题研究,进行大量现场试验,他们几乎翻遍了国内外所有同类工程的设计资料。针对左岸复杂的地质条件,进行了坝区岩体力学特性及参数取值、坝区左岸边坡稳定性、拱坝左坝肩稳定性等多项专题研究,最终明确左岸坝肩和左岸边坡处理方案。采用多种数值分析方法和整体地质力学模型试验,考虑未经工程处理及采用加固处理措施,分别研究大坝工程性态和超载能力。

水尝无华,相荡乃成涟漪;石本无火,相击而发灵光。争则明,辩则进,白鹤滩水电站就像是一个思想交汇的熔炉,不同意见在此碰撞后迸发出更为强劲的活力,在争鸣中激发思考,在争鸣中加速创新,在争鸣中凝聚共鸣。

世界难度最大的“泄洪消能”,怎么消?

金沙江流域降水年内分配极不均匀,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。白鹤滩拱坝位于金沙江上的河谷狭窄处,汛期来势凶猛的强降雨汇入金沙江后,洪水向大坝奔涌而来。即便经水库调洪削峰后,每秒仍有约42000立方米水需要安全泄放,下泄落差高达190米,9万兆瓦的能量需要消刹。不夸张的讲,这是世界上难度最大的“泄洪消能”,也是白鹤滩水电站设计建设中的重中之重。

为了应对泄洪流量大、水头高,河谷狭窄、岸坡陡峭的现实,中国电建确定了“分散泄洪、分区消能、加强防护”的布置原则,采用坝身孔口和岸边泄洪洞联合泄洪的方式,通过对坝身最大泄量的深入研究,确定坝身与岸边泄洪洞之间的泄量分配比例。

针对坝身泄洪消能,工程师们下足了功夫。在综合分析下游河床承受能力、坝身孔口布置方式、坝身开孔对坝体结构影响等因素的基础上,通过大量水工模型试验验证,决定采用“坝身两层孔口”的布置方案,将坝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强、运行可靠性高,有助于快速施工,可谓一举多得。创新采用无齿坎分层大差动表孔、分层多股水流深孔、坝后反拱水垫塘消能,提高了孔口运用的灵活性和水垫塘的消能率及稳定性,有效解决了超大泄洪规模不对称拱坝坝身泄洪消能的技术难题。

在世界最大反拱型水垫塘施工过程中,水电八局工匠们首次在国内采用聚消能爆破新技术,攻克了柱状节理玄武岩地质缺陷,使爆破扰动下降35%。“吴永志创新工作室”成员还发明了一种万向混凝土分料器,可克服场地限制,实现多方向浇筑。混凝土性能、下料浇筑速度、拉模频次、抹面工艺、养护保湿……工匠矢志科技创新,通过大量尝试和对比实验,摸索出成套的标准化精细化工艺流程,确保这块长360米、宽130米、厚4米的“超级”反拱底板一次性浇筑成型,可抵御30000立方米每秒的泄洪量冲击。

锱铢必较在白鹤滩体现得淋漓尽致,设计团队悉心打磨每一个细节,谨慎论证每一种可能。为了一个好的方案,十里挑一,甚至是三十里挑一也在所不辞,于是世界上最大的无压泄洪洞群、最大的反拱底板水垫塘在这里诞生。

不积跬步,无以至千里,如果将白鹤滩“泄洪消能”的世界难题,比作一座未被攀爬的高峰,那么白鹤滩的工程师们就是一位位攀峰者。他们大胆求索,在现有基础上创出成绩;勇于尝试,在试验论证中总结提升。积小流,成江海,一张张图纸、一个个方案、一次次论证,最关键的还有一颗颗勇敢的心,汇聚在一起攀越水电新峰。

创新利刃,应对地下深处的难题

山体之下,别有洞天。由于白鹤滩水电站处于“窄河谷”,空间有限,需要开挖巨型地下洞室群来布置引水发电系统,世界上最大的水工地下洞室群由此而生。

它像是地下宫殿,2500万立方米的开挖总量能填满10座胡夫金字塔;它又像是地下迷宫,364个地下洞室错综复杂地布置在峭壁之下,两岸山体挖空率达到37%。

设计建造如此巨型的地下洞室群,面临的挑战可谓前所未有。设计团队以创新为利刃,应对山体深处的难题,通过创建玄武岩洞室群围岩时空变形全过程调控的成套技术与方法,并创新提出通过主洞与支洞联合控制贯穿性错动带不连续变形的抗剪结构型式,以解决巨型洞室群建设过程中的关键问题。创立“实时监测、全过程分析、动态设计”的设计方法,保障洞室群的围岩稳定和施工安全。

中国电建所属水电七局在左岸引水发电系统中,以实现全过程信息化管理为目标,大胆开展管理创新:建立安全、质量、施工等多个微信平台,信息传递快速准确,监管层级覆盖全,解决问题质量高;建设应用高千gala隐患整改平台,简化安全隐患整改闭合流程,及时落实隐患整改责任;打造地下洞室支护预警系统,实时掌握各洞室支护情况,自动化进行支护预警,有效保证支护及时性,确保洞室围岩稳定;构建“三层次四体系”的管理格局,各部门、各工区和每一岗位职权清晰、责任明确,被三峡集团评价为“施工区最有激情最有战斗力的王牌军”。

2020年8月18日,白鹤滩地下厂房迎来历史性时刻。起吊重量近2400吨的世界首台百万千瓦水轮发电机组转子,在白鹤滩地下厂房成功吊装。桥机与转子的重量之和达到3300吨,承载着这一重担的,是地下厂房的关键部位——岩壁吊车梁。

白鹤滩岩壁吊车梁的规模和承载能力居世界之首。精巧的结构,使其有着“四两拨千斤”的本事,将巨大的荷载由钢筋混凝土梁体、锚杆最终传递到围岩上,对减小地下厂房跨度、降低围岩稳定控制难度发挥至关重要的作用。

然而,极端复杂的白鹤滩地质条件、高地应力因素,使岩壁吊车梁在开挖过程中,难以避免地出现了严重的开挖成型差、岩梁壁座缺失现象,右岸岩台完全缺失比例居然达到了60%以上。既然问题无法避免,设计团队选择迎难而上。

他们精研岩壁吊车梁受力机理,提出补强加固设计方案,并开展稳定性、承载特性分析论证。

“大家对其结构布置及尺寸,采用多种方法进行大量的分析论证,对结构体形进行优化设计,针对不同的开挖情况,提出6种型式的补强加固措施,并创新性的引用加载分析法进行复核,在超载4倍的情况下岩壁吊车梁仍能稳如泰山”方丹说道,回想起那段日子,每开挖一段,工程师们都要赶快到现场查看开挖成型情况,用地质锤敲击每一块喷层,随着转子的成功吊装,岩壁吊车梁成功经受住了考验。

这是一场较量,他们要和时间赛跑,够快、够稳、够准才能保证地下工程的安全。这是一场探索,他们在超出经验范畴的领域摸爬滚打,一路冲出重围。这是一次升华,多少个不眠夜他们迎难而上、厚积薄发,拖着疲惫的身躯眺望光明的未来。

“草木蔓发,春山可望。”白鹤亮翅的日子离大家越来越近。

一路争鸣,一路创新,一路发展,在点亮万家灯火的征程中引吭高歌,这是白鹤滩水电站建设的缩影,是大国重器崛起的姿态,映射着时代赋予大家的责任使命。大江奔腾,浩浩荡荡。在世界水电建设史上,白鹤滩水电站正如一颗正在升起的璀璨明珠,闪耀着最绚丽夺目的光彩。


金沙江白鹤滩水电站枢纽区左边坡探洞与勘线


柱状节理模拟试验洞


河中钻探


仅能容下一人宽的勘探马道


华东院联合南京水利科学研究院开展大比例尺水力学模型试验


2020年5月,世界最大反拱水垫塘浇筑完成


白鹤滩大坝泄洪深孔首次过流


世界首台百万千瓦水轮发电机组转子吊装




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