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【电建特稿】白鹤滩:用科技创新铸就大国重器

  • 2021-02-07
  • 来源:中国电建

中国水电跨越百年。

1910年,通过引进国外先进技术设备,我国第一座水电站——石龙坝水电站开工建设,设计总装机容量480千瓦,单机容量仅为240千瓦。

1957年,中国第一座自己勘测、设计、施工和制造设备的大型水电站——新安江水电站开工建设,设计总装机容量60万千瓦,单机容量7.5万千瓦。

2010年,新中国自主设计、自行研制安装机组设备、自己施工建造的世界在建最大水电站——白鹤滩水电站动工兴建。中国电建运用全产业链优势,承担设计、施工、监理一系列任务,电站总装机容量达到1600万千瓦,单机容量100万千瓦。

从240千瓦到100万千瓦,从“引进”到“自强”,中国水电逐步实现了从跟跑者到并跑者、领跑者的跃进。中国电建坚决贯彻习近平总书记“把大国重器牢牢掌握在自己手里”的重要指示,坚持科技创新,在白鹤滩水电站创造了无数“世界第一”,首批机组即将于2021年7月发电。

万里高台,起于垒土

单机容量100万千瓦居世界第一、圆筒式尾水调压开规模世界第一、地下洞室群规模世界第一、300米级高坝抗震参数世界第一、首次在300米级特高拱坝全坝使用低热水泥混凝土、无压泄洪洞群规模世界第一……

白鹤滩水电站的超级体量,在令人惊叹的同时,又像是一个“放大器”,使每一项子工程设计、建造的难度都成倍增加。中国电建党委书记、董事长晏志勇要求:“加强科技创新,强化核心技术攻关,高质量建成世界第一座单机容量百万千瓦的电站,为建党100周年献礼。”

设计单位邀请了十多名院士、大师组成的专家技术团队联合开展科研攻关,与国内外80余家科研机构和高校共同开展了200余项技术攻关和模型论证工作,召开咨询审查会300余次。通过大量的科研投入破解了世所罕见的技术难题,电建工匠用钢筋和水泥的艺术,开启了金沙江畔的筑梦之旅。

基础不牢,地动山摇。白鹤滩的坝基柱状节理玄武岩出露,在这样的坝基地质条件下建特高拱坝,就像在“积木”上建特高拱坝,是否可行?如何修建?前人尚未进行过研究,外国专家也直摇头。电建工匠为了破解难题,从上世纪90年代就启动了地质勘测和电站建设前期研究工作。

2001年,中国电建华东院地质专业工程师,37岁的唐鸣发作为前期勘探团队的一员,从千里之外的杭州出发,历经57个小时的火车,一个通宵的汽车终于到此。不通电、鲜有路、两幢平房,一百多人的团队,一半人住在山洞里,开始了他们的勘测设计工作。

白鹤滩,地形是一个不对称的“V”形河谷,地质条件极其复杂。为了提升拱坝对地形不对称性的适应能力,电建工匠设计采用了椭圆线型双曲拱坝,可调整的参数更多,能够适应更为复杂的工况,通过左岸坝顶浇筑混凝土垫座、在河床部位利用完整性较好的角砾熔岩作为拱坝建基面、在柱状节理玄武岩出露部位浇筑混凝土扩大基础等一系列措施,改善了地形地质条件带来的不利影响。

在完成勘探平洞2万余米、钻孔近3万米的基础上,电建工匠对易松弛的柱状节理玄武岩展开全面系统研究。研发应用了保护层分级开挖、复合聚能消能爆破实现精细化爆破控制、深层快速锚固、预留盖重灌浆等创新技术,制定坝基综合处理措施,实现防松弛保护,攻克了柱状节理玄武岩作为高拱坝坝基的世界难题,其关键技术获评“中国岩石力学与工程学会科学技术奖一等奖”。

超级拱坝,重器典范

白鹤滩坝区为干热河谷气候,温差特别明显,导致坝体800多万方混凝土的温控防裂难度极大。

这座300米级特高拱坝,结构受力复杂,受基岩约束作用强,坝体混凝土在多变环境下会产生复杂的温度应力,过大的拉应力则可能导致混凝土产生裂缝。

如何在源头上解决?

低热混凝土这一词汇首次进入视线。

电建工匠有许多参与过三峡、溪洛渡等巨型水电站建设,在大坝混凝土浇筑施工方面,拥有丰富经验。他们对比各类混凝土性能优势,开展白鹤滩高拱坝低热水泥应用关键技术研究。通过调整低热水泥矿物组成,优化混凝土温控指标和温控措施,使生产的低热水泥具有水化热更低、放热速度更慢、收缩更小、抗裂性更高的特性,提高了白鹤滩拱坝混凝土的抗裂安全度。

在大坝后方的栈桥上,有一排简易雨棚,里面一排排米白色的柜子整齐排放着,它们叫“温度控制柜”,虽说其貌不扬,却是智能温控系统的“心脏”。

传统的大体积混凝土温度测量采用埋设差阻式温度计,人工读数测温、人工控制和简单型通水控制方式,无法实现通水过程的实时、精确、个性化控制。

“而最终采用的智能温控系统,与传统技术相比,这个系统非常先进,具有很多优点”。工程技术员苏江说,“新系统能自动采集和实时传输混凝土内部温度,提供个性化的温度控制,节省温控防裂费用,降低劳动成本并且提升工程质量。”

据苏江介绍,低热水泥与中热水泥混凝土各有优劣,低热水泥早龄期强度低不利于防裂,其绝热温升低、早期发热慢、弹模小、徐变大这些因素均有利降低整体应力水平,后期强度高则有利于提高后期安全系数,降低开裂风险。

通过工艺创新与管理提升,中国电建创造了“19.5天”深孔钢衬底板备仓,“87天”过泄洪深孔,单月浇筑72仓、27.3万方混凝土的高强度行业纪录。

2019年4月1日,白鹤滩水电站20#坝段,中国电建取出了一根直径219毫米、长25.7米的常态混凝土长芯,一举刷新自己在溪洛渡水电站创造的原世界纪录(20.59米)。

“取芯过程,就像在产房外等待一样。”取芯团队负责人潘勇说道,“牙签的长度是直径的35倍,而我们混凝土芯的长度是直径的117倍,‘细’得不足牙签的四分之一。”长芯成功取出,体现了大坝混凝土“内实外光”的浇筑质量,也彰显了这座超级拱坝的品牌典范。

坚如磐石,稳若泰山

300米级超级拱坝,4万方/秒的最大泄洪量,白鹤滩大坝利用汹涌澎湃的金沙江水,变为水轮发电机组转动的巨大能量。势能与动能转换间,同时也面临着三大挑战。

一为抗震,二为泄洪,三为消能。

在大坝抗震设计中,电建工匠分别采用了拱梁分载法、有限元法、动力模型试验等多种方法,将地震动输入、坝体动力响应、防震抗震措施及效果最新研究成果应用到了白鹤滩工程。大坝设计上,采取了综合抗震措施:结合坝体孔口布置,适当增加中上部结构尺寸,做好坝体与扩大基础及垫座的衔接,采用强度等级高的混凝土,布置抗震钢筋,加强基础、垫座及近坝抗力体锚固处理、软弱结构面置换处理、坝基固结灌浆处理等措施。这一系列创新技术手段,引领了强震区高坝高边坡抗震设计,成功实现了工程抗震安全。

在世界最大泄洪洞施工中,电建工匠为防止高速水流对混凝土衬砌结构的破坏,创新研制“低坍落度砼连续送升系统”,填补了国内这一领域技术空白。泄洪洞衬砌结构无一条温度裂缝,达到了“镜面”效果。同时,研发的“大坡度重载自动化运料系统”,开启了水电行业在大型洞室、陡倾角、多断面衬砌施工的新篇章。“水工高流速流道镜面混凝土成套施工技术”,经专家鉴定,达到“国际领先水平”。

在世界最大反拱型水垫塘施工中,电建工匠首次在国内采用聚消能爆破新技术,攻克了柱状节理玄武岩地质缺陷,使爆破扰动下降35%。“吴永志创新工作室”成员还发明了一种万向混凝土分料器,可克服场地限制,实现多方向浇筑。混凝土性能、下料浇筑速度、拉模频次、抹面工艺、养护保湿……电建工匠矢志科技创新,通过大量尝试和对比实验,摸索出成套的标准化精细化工艺流程,确保这块长360米、宽130米、厚4米的“超级”反拱底板一次性浇筑成型。

地下尖兵,锻造引擎

由于白鹤滩水电站处于“窄河谷”,需要开挖巨型地下洞室群来布置引水发电系统,世界上最大的水工地下洞室群应运而生。

它像是地下宫殿,因为体量足够恢弘,2500万立方米的开挖总量能填满10座胡夫金字塔,仅主厂房就能装得下1.5艘辽宁号航空母舰;又像是地下迷宫,364个地下洞室错综复杂地布置在峭壁之下,山体挖空率达到37%。

“可以说地下厂房开挖的过程,就是和围岩稳定斗智斗勇的过程。”中国电建华东院设代处党支部书记陈建林如此形容地下厂房面临的困难。由于层间(内)错动带发育、岩石硬脆易碎、高地应力和巨型洞室群联动效应,开挖过程中围岩易卸荷松弛、破裂、变形,围岩稳定控制难度空前。

电建工匠开展了大量的试验研究,通过理论创新、技术突破,多角度揭示了高地应力条件下立体交叉地下洞室群联动效应、洞室群围岩局部破裂机理和层间错动带不连续变形演化规律。

团队通过“玄武岩洞室群围岩时空变形全过程调控”的成套技术与方法,创新抗剪结构型式,解决了岩石变形、巨型洞室群联动效应等关键难题。创立“实时监测、全过程分析、动态设计”的设计方法,保障洞室群的围岩稳定和施工安全,为打赢层崖峭壁下的攻坚战提供技术保障。

施工过程中,电建工匠以全过程信息化管理为目标,打造地下洞室支护预警系统,实时掌握各洞室支护情况,自动化进行支护预警,有效保证支护及时性,确保洞室围岩稳定。同时,大力推广了智能灌浆系统应用,安装灌浆作业全流程监控系统,实现自动完成各类地质情况灌浆的记录、自动调压、自动配浆,灌浆整个过程中无需操作人员实时调控压力,减少人为干预,隐蔽工程真正实现阳光作业。

此外,还有创新开发的液压自行式岩锚梁浇筑钢模台车,浇筑完成的岩锚梁如镜面般光滑,承载着两台1300吨桥机安全运行;首创液压爬模浇筑电站进水塔新工艺,战胜年均7级以上大风200多天的残酷自然环境,助力百米级进水塔、拦污栅全线安全优质浇筑封顶;率先启动特大洞室镜面混凝土工艺创新研究,打造“免装修的艺术品”。

百万机组,创造历史

从高空俯瞰,苍茫山岭间十分规整排列的一个个巨型“格子”,那是白鹤滩水电站的进水口,蕴含巨大能量的金沙江水正是从这里流入,然后逐渐靠近电站的核心——16台百万装机的立式水轮发电机组。

这是当前世界上单机容量最大的水轮发电机组,单机容量达100万千瓦,运行水头变幅达79.2米,具有“单机容量巨大、运行水头变幅大”的特点。标志着我国巨型水轮发电机组设计、制造能力达到世界领先水平,具有划时代意义。然而,从预可行性研究到今年首台机组转子成功吊装,背后却是十余年漫漫科研路。

水轮发电机组迈入百万千瓦级,并非中小型机组的简单放大,而是新材料、新工艺、新设备和新技术的研发与应用。

白鹤滩水电站“高水头”的特点,使原有600兆帕等级的钢板,无法满足蜗壳对钢材强度的要求。电建工匠联合钢铁企业进行技术攻关,首次在白鹤滩采用100毫米厚800兆帕蜗壳钢板,并提出相关标准,引领水电行业钢材升级。

通过调整叶片角度,提高了机组在低水头段的出力并减小了水轮机无叶区的压力脉动幅值。提出了百万千瓦机组及其主要配套设备的技术要求,为我国研制1000兆瓦级机组及其配套设备,制定国家和行业相关标准奠定基础。

“最大的挑战就是:遇到的问题都是超出传统经验范畴的。”中国电建华东院白鹤滩项目副设总李胜兵说道。除了世界首台百万千瓦水轮机组,这里还有世界上最大的起重桥机、最大的单向变压器、最大的门机、最大的气体绝缘金属封闭输电线路、最大的“三支臂”弧形闸门。

在引水隧洞压力钢管施工中,电建工匠勇敢挑战“百万机组无人区”,工区主任李建兵带领党员技术尖子,在持续高温的车间开展实验,成功研发出针对不同工序的4台套压力钢管安装自动化设备,完美攻克制安难题,并多次受邀在行业内开展经验交流。

百万机组,世界第一。刷新世界纪录,在这里不足为奇。白鹤滩的建设过程,正映射着中国水电的发展进程。白鹤滩的宝贵经验,也帮助人们从更宽广的领域和维度去理解科技创新。目前,白鹤滩水电站已全面向蓄水发电目标发起冲锋。

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