中國水電跨越百年。
1910年，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，我國第一座水電站——石龍壩水電站開工建設(shè)，設(shè)計總裝機(jī)容量480千瓦，單機(jī)容量僅為240千瓦。
1957年，中國第一座自己勘測、設(shè)計、施工和制造設(shè)備的大型水電站——新安江水電站開工建設(shè)，設(shè)計總裝機(jī)容量60萬千瓦，單機(jī)容量7.5萬千瓦。
2010年，新中國自主設(shè)計、自行研制安裝機(jī)組設(shè)備、自己施工建造的世界在建最大水電站——白鶴灘水電站動工興建。中國電建運(yùn)用全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，承擔(dān)設(shè)計、施工、監(jiān)理一系列任務(wù)，電站總裝機(jī)容量達(dá)到1600萬千瓦，單機(jī)容量100萬千瓦。
從240千瓦到100萬千瓦，從“引進(jìn)”到“自強(qiáng)”，中國水電逐步實現(xiàn)了從跟跑者到并跑者、領(lǐng)跑者的躍進(jìn)。中國電建堅決貫徹習(xí)近平總書記“把大國重器牢牢掌握在自己手里”的重要指示，堅持科技創(chuàng)新，在白鶴灘水電站創(chuàng)造了無數(shù)“世界第一”，首批機(jī)組即將于2021年7月發(fā)電。
萬里高臺，起于壘土
單機(jī)容量100萬千瓦居世界第一、圓筒式尾水調(diào)壓開規(guī)模世界第一、地下洞室群規(guī)模世界第一、300米級高壩抗震參數(shù)世界第一、首次在300米級特高拱壩全壩使用低熱水泥混凝土、無壓泄洪洞群規(guī)模世界第一……
白鶴灘水電站的超級體量，在令人驚嘆的同時，又像是一個“放大器”，使每一項子工程設(shè)計、建造的難度都成倍增加。中國電建黨委書記、董事長晏志勇要求：“加強(qiáng)科技創(chuàng)新，強(qiáng)化核心技術(shù)攻關(guān)，高質(zhì)量建成世界第一座單機(jī)容量百萬千瓦的電站，為建黨100周年獻(xiàn)禮?！?/p>
設(shè)計單位邀請了十多名院士、大師組成的專家技術(shù)團(tuán)隊聯(lián)合開展科研攻關(guān)，與國內(nèi)外80余家科研機(jī)構(gòu)和高校共同開展了200余項技術(shù)攻關(guān)和模型論證工作，召開咨詢審查會300余次。通過大量的科研投入破解了世所罕見的技術(shù)難題，電建工匠用鋼筋和水泥的藝術(shù)，開啟了金沙江畔的筑夢之旅。
基礎(chǔ)不牢，地動山搖。白鶴灘的壩基柱狀節(jié)理玄武巖出露，在這樣的壩基地質(zhì)條件下建特高拱壩，就像在“積木”上建特高拱壩，是否可行？如何修建？前人尚未進(jìn)行過研究，外國專家也直搖頭。電建工匠為了破解難題，從上世紀(jì)90年代就啟動了地質(zhì)勘測和電站建設(shè)前期研究工作。
2001年，中國電建華東院地質(zhì)專業(yè)工程師，37歲的唐鳴發(fā)作為前期勘探團(tuán)隊的一員，從千里之外的杭州出發(fā)，歷經(jīng)57個小時的火車，一個通宵的汽車終于到此。不通電、鮮有路、兩幢平房，一百多人的團(tuán)隊，一半人住在山洞里，開始了他們的勘測設(shè)計工作。
白鶴灘，地形是一個不對稱的“V”形河谷，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。為了提升拱壩對地形不對稱性的適應(yīng)能力，電建工匠設(shè)計采用了橢圓線型雙曲拱壩，可調(diào)整的參數(shù)更多，能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的工況，通過左岸壩頂澆筑混凝土墊座、在河床部位利用完整性較好的角礫熔巖作為拱壩建基面、在柱狀節(jié)理玄武巖出露部位澆筑混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)等一系列措施，改善了地形地質(zhì)條件帶來的不利影響。
在完成勘探平洞2萬余米、鉆孔近3萬米的基礎(chǔ)上，電建工匠對易松弛的柱狀節(jié)理玄武巖展開全面系統(tǒng)研究。研發(fā)應(yīng)用了保護(hù)層分級開挖、復(fù)合聚能消能爆破實現(xiàn)精細(xì)化爆破控制、深層快速錨固、預(yù)留蓋重灌漿等創(chuàng)新技術(shù)，制定壩基綜合處理措施，實現(xiàn)防松弛保護(hù)，攻克了柱狀節(jié)理玄武巖作為高拱壩壩基的世界難題，其關(guān)鍵技術(shù)獲評“中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎”。
超級拱壩，重器典范
白鶴灘壩區(qū)為干熱河谷氣候，溫差特別明顯，導(dǎo)致壩體800多萬方混凝土的溫控防裂難度極大。
這座300米級特高拱壩，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，受基巖約束作用強(qiáng)，壩體混凝土在多變環(huán)境下會產(chǎn)生復(fù)雜的溫度應(yīng)力，過大的拉應(yīng)力則可能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。
如何在源頭上解決？
低熱混凝土這一詞匯首次進(jìn)入視線。
電建工匠有許多參與過三峽、溪洛渡等巨型水電站建設(shè)，在大壩混凝土澆筑施工方面，擁有豐富經(jīng)驗。他們對比各類混凝土性能優(yōu)勢，開展白鶴灘高拱壩低熱水泥應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。通過調(diào)整低熱水泥礦物組成，優(yōu)化混凝土溫控指標(biāo)和溫控措施，使生產(chǎn)的低熱水泥具有水化熱更低、放熱速度更慢、收縮更小、抗裂性更高的特性，提高了白鶴灘拱壩混凝土的抗裂安全度。
在大壩后方的棧橋上，有一排簡易雨棚，里面一排排米白色的柜子整齊排放著，它們叫“溫度控制柜”，雖說其貌不揚(yáng)，卻是智能溫控系統(tǒng)的“心臟”。
傳統(tǒng)的大體積混凝土溫度測量采用埋設(shè)差阻式溫度計，人工讀數(shù)測溫、人工控制和簡單型通水控制方式，無法實現(xiàn)通水過程的實時、精確、個性化控制。
“而最終采用的智能溫控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這個系統(tǒng)非常先進(jìn)，具有很多優(yōu)點(diǎn)”。工程技術(shù)員蘇江說，“新系統(tǒng)能自動采集和實時傳輸混凝土內(nèi)部溫度，提供個性化的溫度控制，節(jié)省溫控防裂費(fèi)用，降低勞動成本并且提升工程質(zhì)量?！?/p>
據(jù)蘇江介紹，低熱水泥與中熱水泥混凝土各有優(yōu)劣，低熱水泥早齡期強(qiáng)度低不利于防裂，其絕熱溫升低、早期發(fā)熱慢、彈模小、徐變大這些因素均有利降低整體應(yīng)力水平，后期強(qiáng)度高則有利于提高后期安全系數(shù)，降低開裂風(fēng)險。
通過工藝創(chuàng)新與管理提升，中國電建創(chuàng)造了“19.5天”深孔鋼襯底板備倉，“87天”過泄洪深孔，單月澆筑72倉、27.3萬方混凝土的高強(qiáng)度行業(yè)紀(jì)錄。
2019年4月1日，白鶴灘水電站20#壩段，中國電建取出了一根直徑219毫米、長25.7米的常態(tài)混凝土長芯，一舉刷新自己在溪洛渡水電站創(chuàng)造的原世界紀(jì)錄（20.59米）。
“取芯過程，就像在產(chǎn)房外等待一樣?！比⌒緢F(tuán)隊負(fù)責(zé)人潘勇說道，“牙簽的長度是直徑的35倍，而我們混凝土芯的長度是直徑的117倍，‘細(xì)’得不足牙簽的四分之一?！遍L芯成功取出，體現(xiàn)了大壩混凝土“內(nèi)實外光”的澆筑質(zhì)量，也彰顯了這座超級拱壩的品牌典范。
堅如磐石，穩(wěn)若泰山
300米級超級拱壩，4萬方/秒的最大泄洪量，白鶴灘大壩利用洶涌澎湃的金沙江水，變?yōu)樗啺l(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動的巨大能量。勢能與動能轉(zhuǎn)換間，同時也面臨著三大挑戰(zhàn)。
一為抗震，二為泄洪，三為消能。
在大壩抗震設(shè)計中，電建工匠分別采用了拱梁分載法、有限元法、動力模型試驗等多種方法，將地震動輸入、壩體動力響應(yīng)、防震抗震措施及效果最新研究成果應(yīng)用到了白鶴灘工程。大壩設(shè)計上，采取了綜合抗震措施：結(jié)合壩體孔口布置，適當(dāng)增加中上部結(jié)構(gòu)尺寸，做好壩體與擴(kuò)大基礎(chǔ)及墊座的銜接，采用強(qiáng)度等級高的混凝土，布置抗震鋼筋，加強(qiáng)基礎(chǔ)、墊座及近壩抗力體錨固處理、軟弱結(jié)構(gòu)面置換處理、壩基固結(jié)灌漿處理等措施。這一系列創(chuàng)新技術(shù)手段，引領(lǐng)了強(qiáng)震區(qū)高壩高邊坡抗震設(shè)計，成功實現(xiàn)了工程抗震安全。
在世界最大泄洪洞施工中，電建工匠為防止高速水流對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，創(chuàng)新研制“低坍落度砼連續(xù)送升系統(tǒng)”，填補(bǔ)了國內(nèi)這一領(lǐng)域技術(shù)空白。泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)無一條溫度裂縫，達(dá)到了“鏡面”效果。同時，研發(fā)的“大坡度重載自動化運(yùn)料系統(tǒng)”，開啟了水電行業(yè)在大型洞室、陡傾角、多斷面襯砌施工的新篇章?！八じ吡魉倭鞯犁R面混凝土成套施工技術(shù)”，經(jīng)專家鑒定，達(dá)到“國際領(lǐng)先水平”。
在世界最大反拱型水墊塘施工中，電建工匠首次在國內(nèi)采用聚消能爆破新技術(shù)，攻克了柱狀節(jié)理玄武巖地質(zhì)缺陷，使爆破擾動下降35%?！皡怯乐緞?chuàng)新工作室”成員還發(fā)明了一種萬向混凝土分料器，可克服場地限制，實現(xiàn)多方向澆筑?；炷列阅堋⑾铝蠞仓俣?、拉模頻次、抹面工藝、養(yǎng)護(hù)保濕……電建工匠矢志科技創(chuàng)新，通過大量嘗試和對比實驗，摸索出成套的標(biāo)準(zhǔn)化精細(xì)化工藝流程，確保這塊長360米、寬130米、厚4米的“超級”反拱底板一次性澆筑成型。
地下尖兵，鍛造引擎
由于白鶴灘水電站處于“窄河谷”，需要開挖巨型地下洞室群來布置引水發(fā)電系統(tǒng)，世界上最大的水工地下洞室群應(yīng)運(yùn)而生。
它像是地下宮殿，因為體量足夠恢弘，2500萬立方米的開挖總量能填滿10座胡夫金字塔，僅主廠房就能裝得下1.5艘遼寧號航空母艦；又像是地下迷宮，364個地下洞室錯綜復(fù)雜地布置在峭壁之下，山體挖空率達(dá)到37%。
“可以說地下廠房開挖的過程，就是和圍巖穩(wěn)定斗智斗勇的過程?！敝袊娊ㄈA東院設(shè)代處黨支部書記陳建林如此形容地下廠房面臨的困難。由于層間（內(nèi)）錯動帶發(fā)育、巖石硬脆易碎、高地應(yīng)力和巨型洞室群聯(lián)動效應(yīng)，開挖過程中圍巖易卸荷松弛、破裂、變形，圍巖穩(wěn)定控制難度空前。
電建工匠開展了大量的試驗研究，通過理論創(chuàng)新、技術(shù)突破，多角度揭示了高地應(yīng)力條件下立體交叉地下洞室群聯(lián)動效應(yīng)、洞室群圍巖局部破裂機(jī)理和層間錯動帶不連續(xù)變形演化規(guī)律。
團(tuán)隊通過“玄武巖洞室群圍巖時空變形全過程調(diào)控”的成套技術(shù)與方法，創(chuàng)新抗剪結(jié)構(gòu)型式，解決了巖石變形、巨型洞室群聯(lián)動效應(yīng)等關(guān)鍵難題。創(chuàng)立“實時監(jiān)測、全過程分析、動態(tài)設(shè)計”的設(shè)計方法，保障洞室群的圍巖穩(wěn)定和施工安全，為打贏層崖峭壁下的攻堅戰(zhàn)提供技術(shù)保障。
施工過程中，電建工匠以全過程信息化管理為目標(biāo)，打造地下洞室支護(hù)預(yù)警系統(tǒng)，實時掌握各洞室支護(hù)情況，自動化進(jìn)行支護(hù)預(yù)警，有效保證支護(hù)及時性，確保洞室圍巖穩(wěn)定。同時，大力推廣了智能灌漿系統(tǒng)應(yīng)用，安裝灌漿作業(yè)全流程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動完成各類地質(zhì)情況灌漿的記錄、自動調(diào)壓、自動配漿，灌漿整個過程中無需操作人員實時調(diào)控壓力，減少人為干預(yù)，隱蔽工程真正實現(xiàn)陽光作業(yè)。
此外，還有創(chuàng)新開發(fā)的液壓自行式巖錨梁澆筑鋼模臺車，澆筑完成的巖錨梁如鏡面般光滑，承載著兩臺1300噸橋機(jī)安全運(yùn)行；首創(chuàng)液壓爬模澆筑電站進(jìn)水塔新工藝，戰(zhàn)勝年均7級以上大風(fēng)200多天的殘酷自然環(huán)境，助力百米級進(jìn)水塔、攔污柵全線安全優(yōu)質(zhì)澆筑封頂；率先啟動特大洞室鏡面混凝土工藝創(chuàng)新研究，打造“免裝修的藝術(shù)品”。
百萬機(jī)組，創(chuàng)造歷史
從高空俯瞰，蒼茫山嶺間十分規(guī)整排列的一個個巨型“格子”，那是白鶴灘水電站的進(jìn)水口，蘊(yùn)含巨大能量的金沙江水正是從這里流入，然后逐漸靠近電站的核心——16臺百萬裝機(jī)的立式水輪發(fā)電機(jī)組。
這是當(dāng)前世界上單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量達(dá)100萬千瓦，運(yùn)行水頭變幅達(dá)79.2米，具有“單機(jī)容量巨大、運(yùn)行水頭變幅大”的特點(diǎn)。標(biāo)志著我國巨型水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計、制造能力達(dá)到世界領(lǐng)先水平，具有劃時代意義。然而，從預(yù)可行性研究到今年首臺機(jī)組轉(zhuǎn)子成功吊裝，背后卻是十余年漫漫科研路。
水輪發(fā)電機(jī)組邁入百萬千瓦級，并非中小型機(jī)組的簡單放大，而是新材料、新工藝、新設(shè)備和新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。
白鶴灘水電站“高水頭”的特點(diǎn)，使原有600兆帕等級的鋼板，無法滿足蝸殼對鋼材強(qiáng)度的要求。電建工匠聯(lián)合鋼鐵企業(yè)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，首次在白鶴灘采用100毫米厚800兆帕蝸殼鋼板，并提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)水電行業(yè)鋼材升級。
通過調(diào)整葉片角度，提高了機(jī)組在低水頭段的出力并減小了水輪機(jī)無葉區(qū)的壓力脈動幅值。提出了百萬千瓦機(jī)組及其主要配套設(shè)備的技術(shù)要求，為我國研制1000兆瓦級機(jī)組及其配套設(shè)備，制定國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。
“最大的挑戰(zhàn)就是：遇到的問題都是超出傳統(tǒng)經(jīng)驗范疇的。”中國電建華東院白鶴灘項目副設(shè)總李勝兵說道。除了世界首臺百萬千瓦水輪機(jī)組，這里還有世界上最大的起重橋機(jī)、最大的單向變壓器、最大的門機(jī)、最大的氣體絕緣金屬封閉輸電線路、最大的“三支臂”弧形閘門。
在引水隧洞壓力鋼管施工中，電建工匠勇敢挑戰(zhàn)“百萬機(jī)組無人區(qū)”，工區(qū)主任李建兵帶領(lǐng)黨員技術(shù)尖子，在持續(xù)高溫的車間開展實驗，成功研發(fā)出針對不同工序的4臺套壓力鋼管安裝自動化設(shè)備，完美攻克制安難題，并多次受邀在行業(yè)內(nèi)開展經(jīng)驗交流。
百萬機(jī)組，世界第一。刷新世界紀(jì)錄，在這里不足為奇。白鶴灘的建設(shè)過程，正映射著中國水電的發(fā)展進(jìn)程。白鶴灘的寶貴經(jīng)驗，也幫助人們從更寬廣的領(lǐng)域和維度去理解科技創(chuàng)新。目前，白鶴灘水電站已全面向蓄水發(fā)電目標(biāo)發(fā)起沖鋒。
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