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跋涉“无人区”|这里是水电工程原创技术策源地
2022/2/25 21:06:57    新闻来源:三峡集团

      本网讯(任贤 王普 彭宗卫 杨青)乌东德水电站:总装机容量1020万千瓦,是中国第四、世界第七大水电站。2020年6月29日,乌东德水电站首批机组正式投产发电,习近平总书记对金沙江乌东德水电站首批机组投产发电作出重要指示。2021年6月16日全部机组投产发电。

      白鹤滩水电站:总装机容量1600万千瓦,仅次于三峡电站,位居世界第二;国产机组单机容量100万千瓦,世界第一。2021年6月28日,白鹤滩水电站首批机组正式投产发电,习近平总书记对金沙江白鹤滩水电站首批机组投产发电发来贺信。

      乌东德和白鹤滩两电站均位于川滇两省交界的金沙江干流河段,是三峡集团投资开发建设的第一和第二级梯级电站,与溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝水电站共同构成一条世界上最大的清洁能源走廊。乌东德和白鹤滩作为同组电源,因开工相隔时间不长,位置相距不远,多数时候两座电站常并列出现或一起被提及,业内简称为“乌白”。

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航拍乌东德水电站工程。摄影:许健

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航拍白鹤滩水电站工程。摄影:谢雷

      乌白两大水电站都是实施“西电东送”的国家重大工程,是长江防洪体系重要组成部分,是全面推动长江经济带发展、服务粤港澳大湾区建设的重要战略性工程,也是进一步巩固我国在世界水电引领地位的重要支撑性工程。其中,乌东德水电站创造了世界最薄300米级特高拱坝等8项“世界第一”,拥有全坝采用低热水泥混凝土等15项“全球首次”的卓越纪录;白鹤滩水电站的单机容量100万千瓦机组、地下洞室群等规模宏大、300米级高拱坝抗震参数、300米级特高拱坝首次全坝使用低热水泥混凝土等6项关键技术指标领先国际水平。

      乌白两座世界级大型水电站的建设成就,引起国内外广泛关注和业界高度评价。国际水电协会执行总裁艾迪·里奇认为,白鹤滩、乌东德水电站克服了世界水电工程方面最具挑战性的技术难题。国际大坝委员会主席迈克尔·罗杰斯说:“在我看来,乌东德和白鹤滩这两个世界级标志性水电项目具有高水平技术实力,展现了yb体育大坝优秀的设计和建造技术,处于世界领先水平”。

      引领国际大水电建设先进水平,为什么三峡集团具有这样非同寻常的核心能力?日前,采访组带着问题走访了金沙江下游两大水电站。

跋涉“无人区” 在乌白寻访三峡集团建设大国重器的核心能力

(上篇)

这里是水电工程原创技术策源地

      大型水电工程都是独一无二的,所有的地质地貌自然条件都不同,而水利工程则是充分利用自然禀赋开发水能资源的,因此,水电工程具有天然的原始创新属性,无论是筑坝,建厂房,还是研制发电机组等等。乌白工程从勘探、规划、论证、设计到施工,面临着一系列世界级难题,往往既无成功的经验可供借鉴、又无成熟技术可利用,必须进行大量的自主创新。

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海报文案:任贤  海报设计:熊鑫

      记者在乌白采访时发现,许多工程技术人员在介绍他们的最新技术实践时,总会从三峡工程说起,尽管三峡工程建设高峰期是在上世纪末至本世纪初,尽管今日的乌白已经在诸多水电建设领域引领风气,但三峡工程是他们的源头,无论技术、标准、组织模式还是创新精神,他们都幸运地站在了巨人的肩膀上。三峡工程经历百年风雨,其特殊的际遇令她具有超乎寻常的优势,极具专业性和权威性,与生俱来的自主意志,业主三峡集团深度参与并主导工程的重要工作和关键节点,对质量的重视来自高度的责任感。这些特点都注定三峡工程成为yb体育乃至世界水电发展历程中的里程碑式工程。

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2021年6月16日,乌东德水电站全部机组投产发电仪式现场。摄影:赵健

不唯书 长于创新

      杨宗立是用这番话打开他的话匣子的:当年在三峡工程建设中,大家心里有一股劲,就是要把工程建成建好。“三峡工程是千年大计、万年大计!”他一直把这句话揣在心里,那是水电人的初心使命。杨宗立,三峡集团乌东德工程建设部主任、党委副书记,先后参与三峡工程、向家坝水电站、乌东德水电站三座世界超级工程建设,获国务院国资委颁发2021年度首批“央企楷模”称号。

      三峡大坝是混凝土重力坝,而乌白两坝都建在金沙江大峡谷中,拦河坝为混凝土双曲拱坝,虽然各有不同,但早在三峡大坝建设期间,工程技术人员就已经开发高耐久性混凝土温控浇筑技术,并致力于研制低热水泥混凝土,在三峡大坝围堰、溪洛渡大坝泄洪洞等工程中局部应用。大坝的温度裂缝始终是世界性难题,有“无坝不裂”之说。而低热水泥温控浇筑技术,为解决这一难题,提供了可能。乌白两大水电工程决定全坝使用低热水泥浇筑,全球首次。

      “每一步都要提前想好,我们真的是很多事情要想在前考虑在前,才能走在前。”针对大坝混凝土浇筑涉及的所有专业,三峡集团提前谋划,制订80多项配套制度,聘请清华大学、中国水科院等作为技术支撑,成立大坝灌浆、金属结构、混凝土浇筑、温度控制等“一条龙”服务的科研专组。

      “全坝使用低热水泥浇筑,我们是有信心的,对材料的选用、温度控制等等,主客观都已具备了相应条件。但在对模板的升层尺寸设定时,出现了争论。”杨宗立说。

      大坝浇筑是从一个个坝段来浇,可以将其想象为一块块积木,每块积木的尺寸决定了浇筑的质量和数量。业内一直沿袭着传统的1.5米、2米、3米升层的混凝土浇筑,乌东德大坝却将升层尺寸加长至4.5米,整整多了50%。这是一个大胆的设想,大体积混凝土浇筑要面对温度裂缝的问题,模板超过3米,对混凝土的温控是否受影响,没有现成答案。乌东德大坝是世界最薄300米级特高双曲拱坝,建设质量必须万无一失,容不得一丝侥幸。

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2020年5月4日,乌东德大坝浇筑全线到顶。摄影:许健

      杨宗立与他的同事们经过反复研讨验证,权衡利弊后,认为对大体积混凝土浇筑时的原材、配比、通水冷却、分层浇筑、测温控温和防裂缝等进行充分的分析并设计相应的施工措施后,完全可以执行4.5米升层混凝土浇筑。

      事实证明这一创新举措,以及全坝使用低热水泥和智能温控等新技术,不但保证了大坝混凝土温控,而且减少了大坝混凝土层间数,更有利于大坝的整体质量,攻克了大体积混凝土温控防裂难题,还加快了施工速度。不唯书,不拘泥于常规,长于创新,是三峡这支大水电建设队伍的突出特点。

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乌东德水电站,创造世界最薄300米级特高拱坝等8项“世界第一”,拥有全坝采用低热水泥混凝土浇筑等15项“全球首次”的卓越纪录。摄影:许健

不畏难 成于创新

      在河床上筑起一座坚实的大坝,需要使坝体和坝基牢固地结为一体,坚如磐石,稳若泰山。于是,大坝建基面岩体的品质尤为关键。

      金沙江下游峡谷地形不对称,岩性复杂,岩质“硬、脆、碎”。白鹤滩水电站营地办公区路旁的草地上,摆放着2010年取出来的坝基江底石,学名叫做“玄武质角砾熔岩”,旁边赫然一块柱状节理玄武岩。这类熔岩质地坚硬,却有个致命弱点,一旦发生扰动,便会出现裂隙,易松散,有人将其形容为一把绑在一起的铅笔,也有说像薯条。

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白鹤滩水电站——当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程,全部建成投产后将成为仅次于三峡工程的世界第二大水电站。(资料图片)

      难题就此出现。在白鹤滩大坝的建基面,分布了大量柱状节理玄武岩。前期勘探时,专家们已经预测到这一地质构成不可避免,为了排除可能出现的重大地质隐患、选定最优坝址,经过近50年艰苦审慎的勘探、研究、比选,在悬崖峭壁上凿洞,在湍急河水中打孔,仅枢纽区河床钻孔就长达20万米,再综合考虑库区移民安置、环保、蓄水、拦沙等多重因素,最终才确定现有坝址并做好相应准备。开挖至一定程度后,发现坝基柱状节理玄武岩占比高达40%左右,无疑是世界级难题。

      建设者们花了将近一年的时间研究对策。在大量实验研究、仪器监测分析后,进一步掌握了岩石分布情况和松散规律,决定提前采取预锚固、预灌浆等措施加固,并且尽量减少扰动。

      “白鹤滩地质构成尤其复杂,相较于在溪洛渡水电站的建设经验,白鹤滩坝基处理改进许多。我们创新采用岩石盖重灌浆等方式,解决坝基柱状节理玄武岩的处理难题,更解决了灌浆时易造成混凝土开裂等长期困扰水电工程建设的难题。”白鹤滩工程建设部大坝项目部副主任王克祥介绍道,这位2020年的全国劳模,是资深坝工基础处理专家。

      白鹤滩坝顶弧长709米,拱坝厚度63米,扩大基础厚度93米,坝高289米,全面采用我国自主研制的新型低热水泥——低温硅酸盐水泥混凝土,总量达800多万立方米,保证大坝质量优良。

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建设中的白鹤滩大坝坝顶(资料图片)

      不仅如此,通过多年施工实践,大坝建造者还形成了与低热水泥混凝土相适应的温控防裂策略和配套的施工工艺。比如,通过埋设的近7000支温度计,实时监控和分析大坝混凝土温度,自动、动态调整通水量。

      “基础不牢、地动山摇”。灌浆工程作为基础处理工程,对大坝安全至关重要,可谓千年大计,必须万无一失。白鹤滩工程建设部主任汪志林十分感慨。“因为白鹤滩建基面遇到了这些问题,比如柱状节理玄武岩、角砾熔岩等,需要反复研究实验,以保证万无一失。我们采取了在全国水电工程范围内的创新方法,效果很好,解决了复杂地质条件可能带来的工期推延问题,成为大坝浇筑又快又好的保障之一。”2019年4月1日,一条长约25.7米的常态混凝土芯样,穿过52个浇筑坯层,从白鹤滩大坝体内取出,甚至带出了最底部的基岩。这条世界最长的常态混凝土芯样,表面光滑密实,内部骨料均匀、气泡少,坯层间无明显分界线,与大坝基岩结合紧密,表明白鹤滩大坝堪称无缝大坝。

      2017年4月12日,白鹤滩水电站大坝主体开始混凝土浇筑。2021年5月31日,白鹤滩水电站工程大坝全线浇筑到顶。这座300米级特高混凝土双曲拱坝,攻克了坝基柱状节理玄武岩等世界级难题,矗立于滔滔江水之中,承受世界级水推力而岿然不动,创造了世界坝工史上的奇迹。

不守常 敢于创新

      2021年6月28日,白鹤滩水电站全球首批百万千瓦水轮发电机组安全准点投产发电。全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组,实现了我国高端技术装备研制的重大突破。百万千瓦机组,是标志性的跨越,完成了yb体育技术装备从跟跑到并跑直至领跑的最后一程。

      技术进步的一个显著特征是产品迭代升级。国产水轮发电机组从上世纪初艰难起步,自新中国成立后得以快速发展,但仍与世界先进存在较大差距,到上世纪90年代中期,国内企业只有制造30万千瓦水轮机组的能力,而彼时开始建设的三峡工程将使用先进的70万千瓦水轮发电机组。在经历了引进消化吸收再创新的全部过程后,三峡右岸的国产化机组研制取得突破性进展,yb体育技术装备开始从跟跑转向并跑。

      三峡之后,溪洛渡水电站单机容量77万千瓦,向家坝水电站80万千瓦……

      随着三峡集团大水电建设的步伐,yb体育技术装备一步一个脚印,完成了由并跑向领跑冲刺的一系列积累与实践。

      白鹤滩将成就他们新的传奇。

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2021年11月19日,白鹤滩水电站4号机组并网发电,这是三峡集团在长江干流上建成投产的第100台水轮发电机组。摄影:谢雷

      在白鹤滩建水电站的设想自上世纪五十年代开始。当年,在研讨白鹤滩水电站机组单机容量的时候,为稳妥起见,有专家提出采用2台100万千瓦机组,其余机组采用80万千瓦的方案。但最终决定16台机组全部用国产百万千瓦水轮发电机组,是2006年。

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2022年1月3日,白鹤滩水电站16号机组正式投产发电。由乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝等6座梯级电站组成的世界最大清洁能源走廊正在不断壮大。摄影:曾帅

      “白鹤滩水能计算的结果是,能够装得下1600万千瓦的总装机容量。”谈到这个问题,汪志林滔滔不绝。“那么1600万千瓦的总装机容量,可以选择配置80万单机容量的机组,也可以配置70万单机容量的机组。为什么选择100万千瓦呢?这是有讲究的。”

      首先,能力具备。在水电机组制造上,对于三峡集团以及与其在高端水电技术装备制造方面常年合作的伙伴来说,上单机容量100万千瓦的水电机组,已经具备条件,呼之欲出。

      其次,客观要求。白鹤滩地处V型河谷,两岸均为雄厚山体,复杂地质条件已带来一系列世界级难题。在枢纽建筑工程布置上,单机容量越大,机组台数就越少,地下洞室群、地下厂房的规模将更趋合理,稳定性安全性也会更好。同时,在工程开挖量上,机组数量对应进水口数量,如果选择较小容量的机组,进水口沿线的明挖量陡增,会增加危险系数。

      其三,资源禀赋。金沙江干流落差大,水流湍急,白鹤滩是高坝大库,水头高达200多米,从水能利用率来看,可以满足1600万千瓦的总装机容量。

      而最重要的一条是,中国现代化经济社会发展需要与之相适应的大规模清洁电能的支撑,白鹤滩是国家重大工程,西电东送骨干电源点,要满足远景发展电力需要,必须上。

      但是,研制百万千瓦机组绝不是简单的尺寸放大,对总体技术、水力、电磁设计,24/26千伏线棒、通风冷却、推力轴承、结构钢强度、制造加工、原材料选用等等关键技术,都需步步探索层层攻关。进入世界水电“无人区”之后,向前攀登的每一步,都值得自豪,弥足珍贵。追寻背后的力量支撑,应为其中高扬着的yb体育人自主创新精神。yb体育装备从小到大、由弱变强的赶超历史中,三峡集团秉持科学严谨的态度,推动产业链上下游企业合作发力,为中国能源建设现代化作出了突出的贡献。

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