西南水電開發的科技創新與展望
——以雅礱江流域水電開發為例

陳云華

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川省成都市 610051）

1 前言

1.1 西南水電開發戰略意義

我國水能資源蘊藏量居世界首位，其中西南是水資源最豐富的地區，主要集中在金沙江、雅礱江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江、大渡河等流域。雖然我國水電開發成就顯著，但西南地區的水電開發程度相比發達國家還較低，開發潛力巨大。習近平總書記在十九大報告中要求，“推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”“優化區域開放布局，加大西部開放力度”“強化舉措推進西部大開發形成新格局”。《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》明確提出實施雅魯藏布江下游水電開發。“優先，積極，有序”開展西南水電開發完全符合國家頂層設計，有利于將藏區的資源優勢變成經濟優勢，推動民族地區的基礎設施建設和產業發展，有效改善百姓生活，促使脫貧致富，促進和諧穩定；有利于優化國家能源結構，通過水電的良好調節作用，促進西部風光資源互補一體化開發，形成水電4億kW、風電4億kW、光電8億kW的巨型清潔能源基地，助力國家完成節能減排和“2030年，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上”的目標；有利于控制與調節長江上游水量，充分合理利用水資源，降低水旱災害發生頻率[1，2]。

1.2 西南水電開發難點

西南地區水電開發點地處生態脆弱區域，生態環境保護壓力大；自然環境惡劣，施工工效低，施工人員組織困難；遠離城市，對外交通落后，施工供電與電力輸出困難；地質條件復雜，邊坡陡峻，施工布置困難；建筑材料匱乏，混凝土骨料普遍存在堿活性問題；地處少數民族地區，移民安置難度高。綜合分析，西南地區水電開發需要大力開展科技創新與管理創新，攻克技術難題，落實移民問題，降低建設成本，改善運行條件。

1.3 雅礱江流域水電開發情況

雅礱江是金沙江第一大支流，干流河道全長1570km，流域面積約13.6萬km2，水電技術可開發量約3000萬kW，年發電量1500億kWh，在全國規劃的十三大水電基地中，裝機規模排名第三[3]。雅礱江流域水電開發有限公司（簡稱雅礱江公司）負責雅礱江干流水電站的建設與運行管理。目前，下游錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘、桐子林5座水電站（1470萬kW）已全部投產，中游兩河口水電站（300萬kW）、楊房溝水電站（150萬kW）將于2021年投產發電，卡拉水電站已于2020年6月核準，中游其他水電站的開發建設正在加速推進。待兩河口水電站建設完成后，雅礱江公司將擁有兩河口、錦屏一級和二灘三座調節水庫，總調節庫容148.4億m3，可實現河段多年調節，也能為下游金沙江梯級水電站以及長江的三峽、葛洲壩等電站帶來巨大的梯級補償效益。

2 雅礱江流域水電開發的創新實踐

2.1 “一個主體、一條江”的流域開發創新

改革開放以來，水電開發的投資主體和投資方式逐步多樣化，開發規模逐步擴大，水能資源無序開發利用的問題逐步凸顯[4]。2003年10月，國家發展改革委正式授權二灘公司全面負責實施雅礱江水能資源開發和水電站建設與管理，并要求將“二灘水電開發有限責任公司”更名為“雅礱江流域水電開發有限公司”。由此，雅礱江公司成為我國唯一一個由國家授權完整開發一條江的流域公司，為雅礱江“一條江”水電開發模式創造了條件[5]。在流域統籌開發的明確要求下，公司對雅礱江水能資源開發條件和未來市場進行了綜合分析，確立了雅礱江開發“四階段戰略”，科學布局了雅礱江總裝機容量約3000萬kW的22個電站的開發時序，繪就了雅礱江“一條江”的科學、有序、和諧開發“路線圖”，制定了全面完成雅礱江流域水電開發的時間，并按照三化（流域化、集團化、科學化）、四階段戰略與“統籌規劃、科學布局、著力推進、重點突破”的發展思路有序推進開發建設。雅礱江流域不僅水能資源優越，風、光資源同樣富集，且與水能資源具有天然互補特性。在新時代背景下，雅礱江公司又積極響應黨中央發展綠色清潔可再生能源的號召，秉承“貢獻綠色能源，服務國家發展”宗旨，拓展風電、光伏等新能源開發領域，重點推動雅礱江流域水風光互補綠色清潔可再生能源示范基地建設。

為推進一條江的科學開發，2005年和2016年，雅礱江公司與國家自然科學基金委員會共同成立資金總規模1.4億元的雅礱江水電開發聯合研究基金，開展相關工程技術、電力生產、環境保護等重大課題研究。同時，雅礱江公司通過成立博士后工作站和特咨團，聘請國內外學者專家，與國內外權威專業機構開展合作，共同攻克諸多世界級水電工程技術難題[6]。此外，依托錦屏二級垂直巖石覆蓋厚度達2500m的輔助洞，建設世界最深地下實驗室，開展暗物質探測、深部巖體力學、核天體物理、深地醫學等相關實驗工作。由于實驗室研究成果在國內外產生的巨大影響，雅礱江品牌國際知名度也進一步提升。

2.2 “流域統籌、和諧發展”的環保水保創新

雅礱江公司始終堅持“流域統籌、和諧發展”的環保理念，前瞻性地統籌做好流域水電開發規劃和生態保護規劃，努力造就“山川秀美、經濟繁榮、社會和諧的雅礱江河谷”，逐漸形成了“流域統籌，和諧保護一條江”的環境保護格局，實現了包括水生生態保護、陸生生態保護、水土保持等在內的全方位環境保護管理。一方面，公司依托“一個主體開發一條江”的優勢，統籌規劃全流域的魚類保護工作，設置4座魚類增殖放流站，實現中下游及部分上游河段魚類增殖放流全覆蓋。截至2020年，公司已累計增殖放流魚苗近1400萬尾，極大地補充了流域魚類資源。另一方面，立足生態環保長遠發展，創新工作思路，在雅礱江錦屏大河灣建立雅礱江鱸鯉長絲裂腹魚省級水產種質資源保護區；在錦屏一級水電站，設計分層取水系統；在雅礱江中游規劃高原魚類棲息地保護區；兩河口、楊房溝和卡拉水電站規劃設計綜合性過魚設施；在多地成功建設示范林；開展高陡邊坡生態治理；采用“先截流，后開挖”施工措施，積極踐行人與自然和諧共生的流域開發模式。圖1為錦屏魚類增殖放流站。

圖1 錦屏魚類增殖放流站Figure 1 Jinping fish hatchery and release station

2.3 “上下求索，不斷突破”的工程建設創新

2.3.1 統籌流域水電工程建設施工規劃

雅礱江流域水電站多處于高山峽谷地區，地質條件復雜，山高坡陡，對外交通條件差，施工布置困難，科學進行施工規劃是經濟、安全推進水電站建設的關鍵。為此，雅礱江公司高度重視施工規劃工作，充分發揮“一個主體開發一條江”的優勢，統籌規劃，合理布置，多措并舉取得了很好的經濟、環保、安全綜合效益。統籌全流域工程建設，統籌建設一條專用公路，如錦屏至楊房溝專用公路（見圖2），服務全流域多個電站；統籌建設全流域共用的物資轉運站，如漫水灣轉運站（見圖3），為中下游各電站建設提供服務；場內交通公路大量使用洞線布置，確保交通安全，降低施工干擾；統籌“壩肩開挖先截流后施工原則”，避免開挖過程中渣料下江，造成水土流失問題，實現水電站施工進度、環保雙豐收；統籌解決高山峽谷區場內交通布置特別困難的問題，如錦屏工程場內運輸采用管帶機、空間曲線膠帶機進行材料運輸等，取得了良好的經濟與環保效益。錦屏二級“大傾角長距離空間曲線返程帶料膠帶機”（見圖4）。

圖2 錦屏至楊房溝專用公路示意圖Figure 2 The exclusive Jinping-Yangfanggou highway

圖3 漫水灣轉運站全景圖Figure 3 Manshuiwan hub of materials and equipment

圖4 錦屏二級“大傾角空間曲線膠帶機”Figure 4 Jinping-II “large-dip space curve conveyor belt”

2.3.2 開展EPC建設管理探索與實踐

“以DBB為主的傳統建設管理模式”主要存在按照線性順序進行設計、招標、施工管理，工程建設周期長；工程的設計與施工相對獨立，融合性較差，容易產生頻繁的設計變更，引起較多索賠；由于合同以工程量計價，造價越高，工程量越大，對設計和施工單位越有利，導致其開展工程優化的動力不足，工程建設投資控制難度較大；管理層級多和管理鏈條長，責任主體權責不夠明晰，項目管理效率相對較低的弊端[7]。面對挑戰，考慮國家政策層面鼓勵發展工程總承包的行業新形勢，公司自2011年起開展國內外水電項目EPC開發模式調研，形成了《新形勢下二灘公司工程承包管理模式研究報告》，并以“兩河口水電站庫區復建代建工程”“楊房溝水電站主體工程”為突破口，率先在水電行業內開創了大型水電項目EPC建設管理模式的先河。

兩河口水電站庫區移民代建工程主要包括兩河口水電站庫區的六個庫周交通恢復工程，以及部分其他工程等，線路總長約 175km，工程投資約 32 億元，2015 年 8 月，公司創新采用了 EPC建設管理模式。楊房溝水電站為大（1）型工程，總裝機容量為150萬kW，采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155m。主體工程2016年開工建設，是國內首個采用EPC模式的百萬千瓦級水電工程，EPC模式使施工和設計單位組成緊密聯合體，主觀能動性明顯提高，實現了設計施工一體化管理，項目總投資、安全、質量、進度、風險等總體可控。通過EPC實踐，楊房溝水電站提前近9個月下閘蓄水，預計可提前6個月實現首批機組發電。

EPC建設管理模式充分體現了參建各方“合作共贏、利益對等、誠信履約、風險共擔”的管理理念，達到了“設計施工深度融合、項目資源優化配置、建設信息高度共享、質量進度投資可控”的效果，為我國大型水電站建設管理模式的創新奠定了堅實基礎，積累了科學性、原創性、權威性、示范性的經驗。

2.3.3 復雜地質條件下高壩建設

錦屏一級水電站工程是當前世界上建成的最高大壩，電站裝機容量360萬kW，工程主要技術特點表現為“五高一深”，即特高拱壩（305m）、特高水頭（240m）、特高邊坡（530m）、高山峽谷（1500m）、高地應力（40.4MPa）、深部卸荷（330m），是水電建設史上地質條件最復雜、施工條件最艱險、技術難度極富挑戰、建設管理難度最大的巨型水電工程。為此，公司與參建各方團結協作，聯合國內外一流科研機構和高校進行科技攻關，攻克了諸多世界級技術難題，在水電工程建設技術上取得創新與突破。通過采用提高隧洞占比、充分利用地下洞室群、優化施工時序等有效措施，解決了高山峽谷中特高拱壩施工布置問題。采取“科研跟蹤、監測反饋、動態設計、信息融合”的預警機制和動態設計理念，解決了水電工程高陡巖質邊坡穩定實時監控問題。采用“墊座改造左壩肩地形對稱性，提高破碎巖體的抗變形能力”等綜合措施，解決了錦屏一級壩址區地質條件極端復雜，對壩基防滲、拱壩抗力體受力產生較大影響的問題。采用化學灌漿處理等方式，解決了煌斑巖脈（X）水泥灌漿不吸漿的問題和超高拱壩壩肩變形控制的難題。通過多次試驗研究，完成高性能混凝土骨料料源選擇，并采取組合骨料和高摻粉煤灰等工程措施，有效抑制了混凝土的堿骨料反應，解決了錦屏拱壩混凝土骨料匱乏問題。

2.3.4 超深埋特長隧洞引水式水電站建設

錦屏二級水電站裝機容量480萬kW，采用引水式開發，工程平行布置4 條引水隧洞、2條輔助（交通）洞和1條排水洞穿越錦屏山，單洞長度16.7km，總長約120km，隧洞沿線埋深1500～2000m，最大埋深2525m，最大地應力達70MPa，是世界上埋深最大、規模最大、地質條件異常復雜的水工隧洞群。工程建設面臨“強烈巖爆”“突涌水”等問題。為此，公司聯合全國相關科研機構與高校開展了深部巖石力學、巖溶水文地質學等多學科交叉與集成研究，解決現場技術難題，取得多項創新成果，部分成果已納入《鐵路隧道超前地質預報技術指南》和《鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南》等行業標準，促進了行業科技進步。提出了超高地應力場測試分析和巖爆風險分區新方法，構建了巖爆風險多指標評價系統，首創了“超前誘導釋放能量，時空分序強化圍巖”的巖爆防控集成技術體系，攻克了高地應力強烈巖爆區隧洞安全施工難題，形成了超深埋特大隧洞強烈巖爆風險預測與防控系列成果。建立了高山峽谷巖溶水孕育演化、突涌水運移規律的非線性分析預測方法，提出了突涌水災害風險多尺度遞進識別與預警方法，研發了超高壓大流量地下突涌水治理成套技術，解決了高壓大流量地下突涌水治理難題，形成了超高壓大流量巖溶突涌水災害預測預警與防治系列成果。構建了超深埋條件下反映真實圍巖性狀的圍巖分類體系，提出了以“抑制圍巖時效破裂”為核心的超深埋隧洞成洞和圍巖穩定控制方法，建立了以圍巖為主體的復合承載結構設計方法，破解了超高地應力和超高外水壓力耦合作用下特大隧洞建設的世界級難題。采取超深埋特大水工隧洞群“TBM與鉆爆開挖優化組合、協同立體通風”施工技術，充分利用TBM的掘進速度，加快工程建設，其中東端1號TBM引水隧洞最高月挖掘進尺達537m，3號TBM引水隧洞最高月挖掘進尺達682.9m，創造了58個月全部貫通的世界紀錄，同時充分發揮TBM施工通風、排水優勢，有效地解決了東端2、4號引水洞鉆爆法施工的施工排水與通風問題。提出并實施了“大傾角長距離空間曲線及返程帶料連續皮帶機”施工高效物料運輸系統，創造性地解決了高山峽谷地區工程施工物料運輸系統布置和高強度物料運輸的難題，實現了開挖渣料和成品骨料的安全、高效、環保的一站式雙向運輸，完成了錦屏二級水電站中段和東段引水隧洞TBM開挖渣料、混凝土骨料的運輸任務。

2.3.5 高海拔高寒地區土石壩建設

兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭”水庫，總庫容為107.67億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。樞紐工程主要包括礫石土心墻堆石壩、引水發電系統和泄水建筑物，大壩高295m，壩頂高程2875m，總填筑方量約4300萬m3；電站裝機容量300萬kW，多年平均年發電量110億kWh。兩河口水電站地處高寒地區，季節溫差大、晝夜溫差大；工程規模大，土料場分散、土料特性復雜、差異性大，心墻料填筑受冬季凍土影響大；人工和機械設備降效明顯，綜合建設規模與施工難度居世界土石壩工程前列。面對這些特點，公司聯合全國科研機構和高校開展科研攻關，組織研發了300m級超高心墻堆石壩填筑全過程智能監控技術和無人碾壓機群大規模協同施工技術，實現了高心墻堆石壩施工全天候、全過程智能監視、分析與控制，實現了智能無人駕駛碾壓機群規模化、常態化、規范化作業，大幅提升施工效率。針對兩河口水電站位于我國季節凍土區，冬季日照時間短，氣候寒冷干燥，年平均氣溫10.9℃，最低氣溫-15.9℃等特點，針對性提出土料場“隨采隨剝”、摻拌場“隨填筑隨摻配”、心墻料填筑“凍土不上壩、凍土不碾壓、碾壓土不受凍”等冬季施工措施。通過測試和論證，采用核子密度儀和附加質量法，實現了土石壩施工質量的快速檢測。兩河口水電站智能大壩系統界面見圖5。大壩無人碾壓機群大規模協同施工見圖6。

圖5 兩河口水電站智能大壩系統界面示意圖Figure 5 Monitoring screens of smart construction system for Lianghekou dam

圖6 大壩無人碾壓機群協同施工圖Figure 6 Automatic pilot compactors in well-coordinated performance

2.3.6 地下框格連續墻在水電工程中的應用

桐子林水電站采用束窄河床分期導流，導流流量大，十年一遇洪水達10500m3/s。由于河谷不夠寬闊，不具備開挖覆蓋層的條件，桐子林水電站導流明渠左導墻下游段位于覆蓋層上，覆蓋層厚度一般15～30m，最大約37m。該段基巖起伏較大，采用傳統的沉井施工施工工期長、投資大，施工安全問題突出。為解決上述問題，公司積極研究，采用地下框格式連續墻進行基礎處理，工程經歷了多次洪水考驗，地下框格連續墻與左導墻變形、位移均不大，處于穩定狀態，有效保障了工程安全，積累了寶貴的實踐經驗。

3 展望

3.1 堅持推進“一個主體開發一條江”模式

傳統水電開發通常以單個或幾個項目為一個開發主體，導致一個流域存在多個業主進行水電資源開發，不同利益主體之間“搶灘”“腰斬”帶來開發次序不合理、電站運行不統一、資源利用效率低下、資源難于共享、建設成本高等問題。雅礱江公司的實踐證明，“一個主體開發一條江” 有利于結合電力市場發展要求，獲取流域開發最優解；有利于統籌考慮電力接入系統和外送規劃；可以統籌開展流域生態環境保護和移民工作，有利于水電科學開發與和諧開發；有利于節約投資，提高管理效率；有利于梯級電站的聯合優化調度，實現綜合效益最大化；可以有效解決梯級補償問題，促進龍頭梯級電站建設，從而改善電網特性。因此，單一主體實施流域整體開發符合水電資源開發的特點和規律，對我國科學開發水電資源具有重要意義。期望在西南后續水電開發中，其他大型流域， 特別是雅魯藏布江的水電開發，應借鑒“一個主體開發一條江”的模式，由中央會同地方政府專門成立一個主體，實現流域科學有序、高效開發。

3.2 流域水風光資源一體化綜合開發

流域水風光一體化可再生能源綜合開發是指依托已建、在建或規劃水電基地，利用已經和規劃形成的水庫庫容和靈活調節能力，在流域周邊合理范圍內以水電業主為主體，統一規劃建設風電、光伏電站，形成具有流域帶狀特征的水風光多能互補基地，同時利用現有水電輸電線路或已經明確的輸電規劃，充分發揮水電的儲能和靈活調節作用，實現水風光打捆送出，滿足基地集約高效發展需要。期望西南后續流域規劃綜合考慮水風光一體化規劃，以水電開發業主為主體推進流域水風光資源一體化綜合開發。

3.3 流域電站群和風光蓄電源點一體化運行調度

目前電網調度具體到電廠甚至機組，不利于流域電站群的優化運行與資源高效利用。流域水風光一體化開發運營，將使電站優化運行與調度難度進一步加大。如果電網仍然采用目前調度模式，電網與企業矛盾將更加突出。期望今后電網調度只到流域，即電網只要求某個流域提供多少電量，具體由哪個電站發電、是光電、風電還是水電，由企業根據資源利用最優原則自主確定。

3.4 推進智能電站建設，加快數字化轉型

西南地區電源點大多遠離城市，海拔高，自然環境惡劣，生活條件艱苦，電站運行成本與管理難度大。目前，雅礱江公司正在開展流域數字化管理平臺建設。隨著國家人工智能和大數據分析技術的逐漸成熟，可以在流域電站遠程統一調度、電站“無人值班、少人值守”的基礎上，加大力度推進智能電站建設和數字化轉型，實現電站運行系統自學習、自診斷、自修復、自優化、自適應，最大限度地代替人工完成電站運行管理。

3.5 貫徹生態環保理念，落實生態環境保護

西南地區生態脆弱，一旦破壞很難修復，應從規劃、建設到運行全過程重視生態環境保護。規劃設計階段，應統籌做好全流域生物保護規劃、對外交通規劃、場內施工布置規劃。流域梯級水電站建設宜從下游向上游逐級推進，便于逐級水路運輸。陸路交通盡可能選擇隧道、施工中減少施工支洞，長隧道施工宜根據條件選用TBM掘進，場內運輸盡量采用膠帶機。實施階段，應注重新技術、新工藝、新材料、新設備的應用，施工中應盡量減少邊坡開挖，最大限度地減少對自然環境的擾動。

3.6 充分發揮既有資源優勢，努力降低開發成本

西南地區水電站遠離城市，對外交通困難，工程區建筑材料匱乏，混凝土骨料原巖普遍存在堿活性問題。雅礱江公司開展了“石粉替代粉煤灰”的科研攻關，采用雅礱江上游的玄武巖、砂板巖、花崗巖、灰巖磨細的石粉具有火山灰活性，單摻石粉、復摻石粉與硅粉、復摻石粉與粉煤灰均能抑制混凝土堿活性，石粉可以替代粉煤灰[8]。因此，建議在西南地區的電站建設中盡量采用當地材料，混凝土摻合料采用當地巖石生產石粉代替粉煤灰，充分利用開挖料，減小對外交通運輸壓力，降低工程成本。另外，水電站建設單位要與國家電網協同溝通，統籌開展前期施工電源和后續送出電源的規劃建設，考慮升壓站、變壓器等復用問題，進一步降低開發成本。