白鶴灘的N個世界之最 白鶴灘工程觀察報告

編輯 | 謝澤 王旭輝 繪圖 | 陳國華-Mark

報告編號：BHT13-J-DB-1

觀察項目：白鶴灘工程觀察

報告日期：2021年6月28日

百萬千瓦機組長短葉片轉輪

觀察目的：

1.了解白鶴灘工程的世界之最

2.感受白鶴灘工程的智性之美

觀察項目：

1.又高又壯的智能大壩

2.白鶴灘大壩，對“無壩不裂”說“不”

3.世界上最大的“地下城”

4.超級工程的超級“心臟”

5.巨型尾水調壓室護航百萬機組

6.白鶴灘有座全球規模最大的“鏡廳”

1.又高又壯的智能大壩

大壩是水電站樞紐工程的核心建筑物，承擔著擋水與泄洪的重要任務。白鶴灘水電站大壩采用混凝土雙曲拱壩。壩身呈現水平向和豎直向彎曲，水平向彎曲可以發揮拱的作用，將大壩承受的巨大水壓力傳遞給兩側山體，以山體產生的反作用力使壩體維持穩定，堪稱名副其實的“借力打力”。豎直向彎曲可實現變中心、變半徑以調整拱壩上下部的曲率和半徑。

白鶴灘水電站大壩最大壩高289米，位居世界第三，相當于103層大樓的高度。水庫總庫容206.27億立方米，其給予大壩的總水推力達到1650萬噸，位居世界第二。但如此巨型的大壩又位列國內壩址地質條件最為復雜的高拱壩之一，這就要求白鶴灘大壩壩體特別強健。壩址區地震基本烈度按50年超越概率10%地震動參數確定為8度，抗震參數在300米級特高拱壩中居世界第一。

為了保障這么一座大體型、有擔當、又抗造的大壩能夠順利地建造運行，工程師們將智能建造與筑壩技術深度融合，開創了高拱壩智能建造先河。埋設在大壩壩體內上萬支監測儀器，感知溫度、風速、變形等重要信息，并將信息反饋給智能建造信息管理平臺進行實時分析判斷，使各項系統準確進行智能控制和實時調節，實現建造運行全周期精細化管控，讓白鶴灘水電站大壩成為名副其實的“最聰明的大壩”。

白鶴灘工程建筑物布置圖

2.白鶴灘大壩，對“無壩不裂”說“不”

在水利水電領域，混凝土壩對質量和安全穩定的要求非常高，但“無壩不裂”一直是世界級難題。混凝土為什么會出現裂縫？要解答這個疑問，就要從混凝土的材料特性說起。

混凝土在澆筑后會持續進行水化反應。作為一種放熱反應，水化反應產生的熱量會累積在混凝土塊內部。由于混凝土表面散熱快、溫度低，中心散熱慢、溫度相對高，若不加以控制，在極端情況下內外溫差甚至可達到30℃以上。隨著混凝土幾何尺寸的增加，溫差產生的應力會成倍增長。

白鶴灘壩體混凝土方量達到803萬立方米，而且拱壩體形復雜，壩身孔口眾多。壩址干熱河谷氣候特征明顯，常年大風、晝夜溫差大。因此，白鶴灘拱壩的溫控防裂要求和難度均高于同類工程。

為了攻克這一難題，白鶴灘大壩全壩采用低熱水泥澆筑。低熱水泥全稱低熱硅酸鹽水泥，是一種以硅酸二鈣為主導礦物，鋁酸三鈣含量較低的水泥。

經大量研究和實驗證實，低熱水泥具有良好的工作性、低水化熱、高后期強度、高耐久性、高耐侵蝕性等優點。我國在三峽樞紐工程、向家壩水電站、溪洛渡水電站等項目中試驗性使用了低熱水泥，經過十多年的試驗、論證和應用，證明了低熱水泥性能的可靠性。

采用低熱水泥，能夠有效降低溫控設備投入，降低大壩混凝土開裂的風險，減少后期裂縫處理的成本。因為低熱水泥的水化熱比中熱水泥和普通水泥小，所以大壩混凝土的絕熱溫升大大低于中熱水泥和普通水泥大壩混凝土的絕熱溫升（低5～10℃），這對降低溫度應力、減少溫度裂縫非常有利。

無縫大壩

3.世界上最大的“地下城”

地下廠房

為建設白鶴灘水電站，建設者們在地質條件十分復雜的山體中開鑿了大量隧洞，縱橫交錯，整個建設過程可謂游戲《地下城與勇士》的現實版本。

白鶴灘左右岸地下廠房尺寸均為長438米、寬34米、高88.7米，是世界上已建水電工程中跨度最大的地下廠房。由于地下廠區存在高地應力、軟弱夾層、硬脆玄武巖松弛的情況，圍巖的穩定性問題十分突出。左岸地下廠房垂直埋深260～330米，右岸地下廠房垂直埋深420～540米。所在區域屬于高地應力區，左、右岸地下廠房區存在輕微巖爆或中等巖爆（在開挖或其他外界擾動下，巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導致圍巖爆裂并彈射而出的現象），片幫現象（側壁在壓力作用下變形、破壞而脫落的現象）較普遍且程度較嚴重。為應對這一問題，建設者們遵循“短進尺、弱爆破、強支護、勤監測”開挖支護原則，自上而下薄層開挖，分區、分塊制定針對性爆破方案，在保證巖體穩定性的同時，又讓爆破后的巖壁達到了理想狀態。

白鶴灘工程開挖隧洞總長度約217千米，相當于從上海到寧波的距離；洞室開挖量達2500萬立方米，足夠填滿2個西湖或建起10座埃及的胡夫金字塔。左右岸引水發電系統布置了超過160條隧洞，主要由進水口、壓力管道、主副廠房洞、主變室、尾水調壓室、尾水隧洞、尾水出口等建筑物組成，加上各種廊道、管道，構成一個龐大的地下洞室群，規模世界第一。

4.超級工程的超級“心臟”

白鶴灘水電站機組是世界上首批百萬千瓦水輪發電機組，可謂世界水電行業的“珠穆朗瑪峰”。從葛洲壩工程17萬千瓦機組、二灘水電站55萬千瓦大型機組，到三峽工程70萬千瓦巨型機組，向家壩80萬千瓦機組，再到烏東德85萬千瓦機組，一直到白鶴灘100萬千瓦機組，單機容量有了巨大的跨越，其技術研究的復雜性和技術難度，遠大于世界上其他大型機組。

大機組有著大“身材”，白鶴灘單臺百萬千瓦機組從尾水管底板到機頭罩整體高度達50多米，單臺水輪發電機重量達8000多噸，相當于法國埃菲爾鐵塔的重量。

白鶴灘水電站擁有世界上單機容量最大的水輪機。每臺水輪機額定出力高達1015兆瓦，足以給6.7艘遼寧艦航母提供動力。單機流量高達每秒545.49立方米，在16臺機組同時運行情況下，每秒鐘的過流流量可以充滿4個標準游泳池。

白鶴灘水電站還擁有國內電壓等級最高的水輪發電機。為減少銅的使用量，同時減小因電流發熱而引起的發電機定子繞組溫升，電站的發電機出口額定電壓高達24千伏。24千伏發電機出口電壓，比20世紀80年代修建的葛洲壩電站發電機出口額定電壓高出將近一倍，比20世紀末21世紀初修建的三峽電站發電機出口額定電壓高出20%，比擁有800兆瓦巨型水輪發電機的向家壩電站發電機出口電壓高出約5%。同時，機組出口電流也十分強大，在額定功率運行的情況下，發電機出口電流達到26729安，可以同時點亮約6萬只100瓦的燈泡。

而這么強大的機組，白鶴灘水電站裝有16臺！

百萬千瓦水輪發電機組

5.巨型尾水調壓室護航百萬機組

尾水，就是流過水輪機、完成發電后的出水。對于大型水電站工程，當水輪發電機組增加或丟棄負荷，水輪機導葉開啟或關閉后，由于壓力水流的慣性，水道中將產生巨大的水流沖擊波——水錘，最大水錘壓力超過100米。之所以叫“水錘”，就是因為水流沖擊波力量巨大，就像用重錘擊打一樣。水錘壓力劇烈波動會引起機組轉速過高，導致金屬結構破壞，影響機組供電質量。同時，水錘壓力在尾水隧洞中過大時，會對隧洞襯砌混凝土造成損傷，嚴重時甚至會產生機組抬機事故。

白鶴灘水電站廠房水輪發電機單機容量為100萬千瓦，與之配套的尾水隧洞最大長度近2千米，這么長的水道若不設置尾水調壓室，當機組開啟或關閉時，將形成巨大的水錘，威脅機組安全，因此需要在靠近閘門部位設置巨型尾水調壓室，通過調壓室內水位升降，減小尾水的水擊壓強，改善機組的運行條件。

白鶴灘水電站的尾水調壓室采用圓筒阻抗式結構。兩機共用一室，16臺機組共有8座巨大的尾水調壓室，左右岸各4座。尾水調壓室最大開挖直徑為48米，相當于2個標準籃球場面積，最大開挖高度128米，相當于40層樓。8座尾水調壓室位于電站兩岸山體下400～600米深處，單個調壓室規模與調壓室群規模均為世界之最。

圓筒式尾水調壓室

6.白鶴灘有座全球規模最大的“鏡廳”

為實現白鶴灘“窄河谷、高水頭、巨泄量”的泄洪要求，白鶴灘水電站共布設了3套泄洪設施，分別為布置于壩身的7個深孔和6個表孔，以及布置于左岸的3條直線泄洪洞。樞紐總泄洪量為4.2萬立方米/秒，泄洪洞要承擔約30%的泄洪任務，最大泄量為1.23萬立方米/秒，單側泄量為世界之最。單條泄洪洞洞長2.1～2.3千米，其中，1#泄洪洞長2317米，單條泄洪洞長度為世界第一。

白鶴灘泄洪洞采用了龍落尾式結構，由進水塔、上平段、龍落尾、挑流鼻坎、摻氣補氣系統組成，水頭落差120米。其中，龍落尾段在僅有的400米范圍內水頭落差高達90米，最大流速47米/秒，相當于水流按照180千米/小時的速度在隧洞中奔流而下。

泄洪洞的鏡面混凝土 攝影/劉濤

由于泄洪洞流量大、流速高，襯砌混凝土存在空蝕破壞的風險。其中最容易造成大面積破壞的因素是混凝土表面缺陷，哪怕是有2～3毫米的一個錯臺或指甲蓋大的坑洼，在高速水流下都可能逐步發展成大范圍損毀。為此，建設者改進工藝，讓施工縫面無縫銜接、平順過渡，過流面不平整度控制在了在2米范圍內最大不超過3毫米的精度，在水流養護狀態下，表面光滑如鏡，置身其間，人影重重，宛如鏡廳。

襯砌混凝土厚度僅有1米，對于15米×18米的巨型洞室結構而言相當單薄，剛澆筑完成的混凝土對外界溫度變化極其敏感，稍有不慎就會產生溫度裂縫。為了解決薄壁結構襯砌混凝土“無襯不裂”的難題，泄洪洞參建各方聯合清華大學等高校，發明了薄壁結構襯砌混凝土精細化溫控方案，采用智能溫控系統、智能養護系統，實現了襯砌混凝土零溫度裂縫，完成了水工隧洞襯砌混凝土無缺陷建造。

白鶴灘水電站泄洪洞