世界水電技術(shù)的“珠穆朗瑪峰”：白鶴灘水電站

泄洪中的白鶴灘水電站

長(zhǎng)江自青海發(fā)源，穿行于西藏、四川、云南的高山峽谷，水色金黃、古產(chǎn)沙金，故在此段又稱金沙江。這里流急坎陡、水勢(shì)驚險(xiǎn)、落差巨大，是中國(guó)水能資源的富礦。2010年10月開工、2021年6月首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電的白鶴灘水電站，就坐落在其下游段，被稱為“當(dāng)今世界在建規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的水電工程”。

極復(fù)雜的地質(zhì)

極優(yōu)越的水能

早在20世紀(jì)50年代，中國(guó)就在金沙江下游開展了水電站規(guī)劃選點(diǎn)工作，認(rèn)為此處十分適宜開發(fā)建設(shè)梯級(jí)水電站（指水能資源開發(fā)中，相鄰聯(lián)系比較緊密、互相影響比較顯著、地理位置相對(duì)比較靠近的水電站群）。但因經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件限制，直到90年代，金沙江下游巨型梯級(jí)水電站（金沙江下游現(xiàn)有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座梯級(jí)水電站）的設(shè)計(jì)建設(shè)才開始落地。

位于四川省寧南縣和云南省巧家縣交界處的白鶴灘水電站是其中最大的一級(jí)，地質(zhì)條件也最為復(fù)雜。研究人員經(jīng)過1991—2000年的10年勘察、2001—2010年的10年設(shè)計(jì)，最終攻克了各項(xiàng)世界級(jí)難題，完成穩(wěn)妥完善的設(shè)計(jì)方案。

水電站建設(shè)是與石頭打交道，因此地質(zhì)條件對(duì)技術(shù)難度的影響是決定性的。而工程師們?yōu)榘Q灘水電站艱苦攻關(guān)的世界級(jí)難題，也大都由當(dāng)?shù)氐膹?fù)雜地質(zhì)條件“提供”。例如：其大壩所在的河段，峽谷左緩右陡，對(duì)要求受力對(duì)稱的拱壩非常不利；大壩腳下、廠房頭頂存在大面積的柱狀節(jié)理玄武巖，非常易碎；其兩岸山體由11層巖漿和火山灰堆疊而成，層間錯(cuò)動(dòng)帶脆弱透水。

白鶴灘水電站大壩俯視圖（供圖/ 李明熹）

那為何還要在此建水電站？因?yàn)榕c極端復(fù)雜的地質(zhì)條件伴生的，是極其優(yōu)越的水能條件。據(jù)估計(jì)，若白鶴灘水電站全部機(jī)組一起發(fā)電，其一天發(fā)電量可為50萬(wàn)人口提供一年的生活用電。

巨大“零件”?

助力水資源利用

工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一系列巨大的“零件”，以充分利用白鶴灘河段的水力資源。

首先說大壩。白鶴灘水電站壩高289米，是非對(duì)稱雙曲拱壩。大壩攔擋江水，形成水庫(kù)，使水的勢(shì)能得以保存，同時(shí)壩身開孔可宣泄2/3的洪水。別看它壩高居世界第三，其總水推力1650萬(wàn)噸卻是世界第二，反拱型水墊塘（重要的泄洪消能設(shè)施）規(guī)模更居世界第一，水平地震加速度設(shè)計(jì)值也是世界第一。

白鶴灘水電站三維效果圖（供圖/ 李明熹）

再次是洞室群。水電站的300多條洞室組成了引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群。引水洞把水引到主廠房，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；發(fā)完電的水，通過調(diào)壓室的平衡，由尾水洞排出山體；泄洪洞可宣泄1/3的洪水。其中，世界最大的主廠房長(zhǎng)438米、寬34米、高88米，可以放進(jìn)一艘航空母艦——左右岸各建設(shè)1個(gè)；世界最大的調(diào)壓室高120多米、直徑48米，可以放進(jìn)3架頭尾相接的運(yùn)-20飛機(jī)——左右岸各建設(shè)4個(gè)。洞室總長(zhǎng)度超過230千米，規(guī)模世界第一。

另外，這里還有16臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組。其單機(jī)功率達(dá)100萬(wàn)千瓦（1小時(shí)可發(fā)電100萬(wàn)度），居世界第一；總裝機(jī)容量為1600萬(wàn)千瓦，居世界第二。機(jī)組把水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)換成交流電并接入電網(wǎng)，就可以送進(jìn)千家萬(wàn)戶了。機(jī)組以外的輔助設(shè)備，包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、輸電設(shè)備等，規(guī)模都居世界第一或前列。

雖說中國(guó)很多工程都能舉出世界級(jí)的指標(biāo)，但像白鶴灘這樣幾乎所有指標(biāo)都居世界前列的，卻十分罕見，再與極端復(fù)雜的地質(zhì)條件疊加，對(duì)技術(shù)難度的增益難以想象。

“積木”上

筑起的無(wú)縫拱壩

白鶴灘大壩除了非對(duì)稱、雙曲體型設(shè)計(jì)復(fù)雜之外，基礎(chǔ)處理是最大難點(diǎn)。因?yàn)樵谄浯髩蜗路剑嬖诖竺娣e的柱狀節(jié)理玄武巖，這種巖石雖然在原生態(tài)情況下非常堅(jiān)固，但一旦開挖就會(huì)松弛，就像拆積木時(shí)一樣。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外還從未在柱狀節(jié)理玄武巖上建過如此高壩。

?雙曲拱壩示意圖（供圖/李明熹）??單個(gè)機(jī)組與成年男子的比例示意圖（供圖/李明熹）

為解決此難題，工程師們聯(lián)合科研人員全面系統(tǒng)地研究了此類巖體的力學(xué)特性。通過現(xiàn)場(chǎng)小規(guī)模爆破試驗(yàn)和聲波測(cè)試等方法，他們揭示出此類巖體松弛變形的時(shí)空規(guī)律，從而制定了“厚層保護(hù)、灌漿固結(jié)、深層錨固、精準(zhǔn)爆破”的綜合處理措施。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)4年小心翼翼地開挖錨固，2017年4月，被認(rèn)為像積木一樣一旦開挖就易碎的大壩基礎(chǔ)處理完成，全面達(dá)到技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，開始澆筑大壩主體混凝土。

左岸地下廠房（供圖/ 李明熹）

白鶴灘大壩體積巨大，主體混凝土用量達(dá)2000多萬(wàn)噸。傳統(tǒng)混凝土在硬化時(shí)會(huì)大量放熱導(dǎo)致溫度驟升驟降，熱脹冷縮必然會(huì)產(chǎn)生裂縫。為建設(shè)高性能無(wú)縫大壩，工程師們放棄使用洞室開挖出的大量玄武巖，選中50公里外一座灰?guī)r構(gòu)成的小山，開挖破碎制成混凝土骨料——灰?guī)r骨料混凝土放熱低，不易產(chǎn)生裂縫。此外，工程師們還合作研發(fā)出低熱水泥和智能通水冷卻系統(tǒng)，三管齊下，大幅壓制了混凝土放熱。

又一個(gè)4年過去，2021年5月，那座灰?guī)r小山挖平了，白鶴灘大壩筑了起來(lái)。它打破世界水電界“無(wú)壩不裂”的行業(yè)“魔咒”，創(chuàng)造了高性能無(wú)縫特高拱壩的工程奇跡。

“千層糕”里

挖出巨型電站

白鶴灘左右岸兩座巨大的地下電站，被多條層間錯(cuò)動(dòng)帶（影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的主要地質(zhì)構(gòu)造之一）、斷層帶橫穿，就像在千層糕里挖迷宮一樣，上部山體壓力更是最高達(dá)33兆帕，相當(dāng)于水下3300米的壓力。為防止頂拱受壓變形和洞群復(fù)合變形，工程師們自主研發(fā)三維數(shù)字可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)，精算出既牢靠又經(jīng)濟(jì)的洞室體型和支護(hù)措施。

典型柱狀節(jié)理玄武巖（供圖/ 李明熹）

在施工過程中，工程師們通過洞室內(nèi)裝設(shè)的上千個(gè)監(jiān)測(cè)儀器，全天候監(jiān)控洞室承壓情況，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化支護(hù)措施和施工時(shí)機(jī)，確保萬(wàn)無(wú)一失。2014—2019年，經(jīng)過6年精心施工，巨大的洞室群全部開挖完成。

白鶴灘水電站是實(shí)施“西電東送”的國(guó)家重大工程。中國(guó)的水電工程科技，從上世紀(jì)五六十年代跟在發(fā)達(dá)國(guó)家后面跑，到八九十年代并跑，再到現(xiàn)在遙遙領(lǐng)先，凝聚著幾代中國(guó)水電人的心血、汗水和智慧。未來(lái)，水電和新能源等可再生能源開發(fā)還大有可為，水電人也會(huì)繼續(xù)努力、一往無(wú)前，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、更好地服務(wù)人民群眾，作出新的更大貢獻(xiàn)。如果你也有興趣，現(xiàn)在就開始努力吧！